WO2025219470A1 - Method for producing hardened steel components with a conditioned zinc anti-corrosive layer - Google Patents
Method for producing hardened steel components with a conditioned zinc anti-corrosive layerInfo
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- WO2025219470A1 WO2025219470A1 PCT/EP2025/060542 EP2025060542W WO2025219470A1 WO 2025219470 A1 WO2025219470 A1 WO 2025219470A1 EP 2025060542 W EP2025060542 W EP 2025060542W WO 2025219470 A1 WO2025219470 A1 WO 2025219470A1
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Definitions
- the invention relates to a method for producing hardened steel components with a conditioned zinc alloy corrosion protection layer.
- corrosion protection layers on metal strips can be organic coatings, for example paints, although these paints may also contain corrosion-inhibiting agents.
- metal strips with metal coatings.
- Such metal coatings can consist of an electrochemically more noble metal or a less electrochemically noble metal.
- a coating made of an electrochemically nobler metal or a self-passivating metal, such as aluminum, is referred to as a barrier protective layer.
- a barrier protective layer For example, when aluminum is applied to steel, the steel material will suffer corrosion if this barrier protective layer is no longer present in some areas, for example, due to mechanical damage.
- a common barrier protective layer for steel is the aforementioned aluminum layer, which is usually applied by hot-dip coating.
- an electrochemically less noble metal is applied as a protective layer, it is called a cathodic corrosion coating, because in case of mechanical damage to the Corrosion protection coating except for the steel material, the electrochemically less noble metal is first corroded before the steel material itself is exposed to corrosion.
- cathodic protective coating on steel is a zinc coating or a zinc-based alloy.
- a common galvanizing process is hot-dip galvanizing (also known as hot-dip galvanizing). This involves immersing steel continuously (e.g., strip and wire) or piece by piece (e.g., components) into a melt of liquid zinc at temperatures of approximately 450°C to 600°C (the melting point of zinc is 419.5°C).
- the molten zinc for example, has a zinc content of at least 98.0 wt.% according to DIN EN ISO 1461.
- a resistant alloy layer of iron and zinc forms on the steel surface, and on top of this lies a firmly adhering pure zinc layer whose composition corresponds to the molten zinc.
- the zinc layer In a continuously galvanized strip, the zinc layer has a thickness of 5 ⁇ m to 40 ⁇ m.
- the zinc layer can have thicknesses of 50 ⁇ m to 150 ⁇ m.
- electrolytic galvanizing galvanic galvanizing
- steel strips or steel plates are immersed in a zinc electrolyte rather than in a molten zinc bath.
- the steel to be galvanized is placed in the solution as the cathode, and an electrode made of the purest possible zinc is used as the anode.
- a current is passed through the electrolyte solution.
- the zinc which is present in ionic form (oxidation state +11), is reduced to metallic zinc and deposited on the steel surface.
- thinner zinc layers can be applied with electrolytic galvanizing.
- the zinc layer thickness is proportional to the strength and duration of the current flow, whereby - depending on the workpiece and anode geometry - a layer thickness distribution is created across the entire workpiece.
- one or more post-treatments can be performed, such as phosphating, oiling, or the application of organic coatings (e.g., cataphoretic dip painting, or KTL for short).
- organic coatings e.g., cataphoretic dip painting, or KTL for short.
- not only pure metal coatings are deposited.
- a variety of known alloys are also deposited.
- coatings containing aluminum and zinc and coatings that, in addition to a predominantly zinc content, contain small amounts of aluminum.
- These coatings may also contain other elements, such as zinc, nickel, chromium, magnesium, and other elements, as well as mixtures thereof. If the application refers to zinc corrosion protection coatings or galvanized steel strip, zinc-based alloys are also included.
- Quench hardening means selecting a cooling rate above the respective critical cooling rate to adjust the microstructure. This critical cooling rate is approximately 15 to 20 Kelvin per second, but can also be lower depending on the alloy composition.
- a common steel grade that can be hardened through quench hardening is the so-called boron-manganese steels, such as the most commonly used 22MnB5, but also derivatives of this steel, such as 20MnB8 and 30MnB5.
- Non-hardenable steels, such as microalloyed steels can also be hot-formed using the direct or indirect process.
- Such steel grades can be easily formed and cut in the unhardened state.
- the first and somewhat older process is press hardening.
- press hardening a flat blank is cut from a steel strip made of a quench-hardenable steel alloy, such as 22MnB5 or a similar manganese-boron steel. This flat blank is then heated to such a high temperature that the steel structure takes the form of gamma iron or austenite. To achieve this structure, Thus, the so-called austenitizing temperature Acs can be exceeded, at least if complete austenitization is desired.
- this temperature can be between 820°C and 900°C, with such steel blanks, for example, being heated to approximately 900°C to 930°C and kept at this temperature until the structure has completely changed.
- Such a steel blank is then transferred while still hot to a press, where, using an upper tool and a lower tool, each of which is shaped accordingly, the hot steel blank is formed into the desired shape with a single press stroke.
- press tools i.e., forming tools
- the contact of the hot steel material with the comparatively cool, particularly cooled, press tools causes energy to be extracted from the steel very quickly.
- the heat must be extracted so quickly that the so-called critical hardening rate is exceeded, which is typically between 15° and 25° Kelvin per second.
- austenite structure does not revert to its original ferritic structure, but rather a martensitic structure is achieved. Due to the fact that austenite can dissolve considerably more carbon in its lattice than martensite, carbon precipitation leads to lattice distortion, which leads to the high hardness of the final product. The rapid cooling stabilizes the martensitic state, so to speak. This makes hardnesses and tensile strengths R m of more than 1500 MPa achievable. Hardness profiles can also be adjusted using suitable measures, which will not be discussed in detail here, such as complete or partial reheating.
- hot stamping Another, somewhat newer method for producing hardened steel components, particularly for car body construction, is hot stamping, developed by the applicant.
- hot stamping a flat steel blank is cut from a steel strip, and this flat steel blank is then cold-formed.
- This forming process is not performed with a single press stroke, but rather, as is usual in conventional press lines, for example, in a five-stage process.
- This process allows for significantly more complex shapes, so that the final product can be a complexly shaped component, such as the B-pillar or a longitudinal member of a motor vehicle.
- this component is also austenitized in a furnace and transferred in the austenitized state into a forming tool, whereby the forming tool has the contour of the final component.
- the The preformed component is formed before heating in such a way that, after heating and subsequent thermal expansion, this component already largely corresponds to the final dimensions of the hardened component.
- This austenitized blank is placed in the mold in its austenitized state, and the mold is closed.
- the component is contacted on all sides by the mold and held in a clamped position. The contact with the mold also removes heat in such a way that a martensitic structure is created.
- motor vehicle bodies usually have a corrosion protection coating, with the corrosion protection layer closest to the metal material forming the body, in particular steel, being a metallic coating, corrosion protection coatings for hardened components have also been sought and developed in the past.
- corrosion protection coatings for components to be hardened are subject to different requirements than corrosion protection coatings for components that are not hardened.
- the corrosion protection coatings must be able to withstand the high temperatures generated during hardening. Since it has long been known that hot-dip aluminized coatings can withstand high temperatures, press-hardened steels with a protective layer of aluminum were initially developed. Such coatings are capable of withstanding not only the high temperatures but also hot-dip galvanizing.
- a disadvantage is that hot-dip galvanizing is not typically used on conventional steel grades in motor vehicles, and it is fundamentally problematic to use different corrosion protection systems, especially when there is a risk of contact corrosion.
- zinc coatings are considerably easier to form than aluminum coatings, as aluminum coatings tend to chip or crack at conventional forming temperatures. This does not happen with zinc.
- Zinc coatings of this type have now become established, particularly for hot stamping. Zinc coatings of this type can also be used successfully in press hardening.
- DE 10 2010 037 077 B4 discloses a method for conditioning the surface of hardened, corrosion-protected components made of sheet steel.
- the sheet steel is coated with a metallic coating and is hardened by heating and quenching. After hardening, the oxides present on the corrosion protection coating as a result of the heating are removed.
- the component is subjected to vibratory grinding to condition the surface of the metallic coating, i.e., the corrosion protection layer.
- the corrosion protection coating is a zinc-based coating, and the surface conditioning is carried out in such a way that oxides lying on or adhering to the corrosion protection layer are ground away and, in particular, microporosity is exposed.
- DE 10 2007 022 174 B3 discloses a method for producing and removing a temporary protective layer for a cathodic coating. This involves applying a zinc coating to a steel sheet made of a hardenable steel alloy using a hot-dip process. The aluminum content in the zinc bath is adjusted so that a superficial oxide skin of aluminum oxide forms during melt hardening. This thin skin is then blasted off or leveled after hardening by irradiating the sheet metal component with dry ice particles. Examples of this are EP 1 630 244 B1 and EP 2 233 508 B1.
- WO 2018/126471 A1 discloses a sol-gel preconditioning of the coating to reduce oxide layer formation and increase weldability. This is intended to create an oxidation protection coating for press-hardening steel materials on which Based on silane- and titanium-containing binders and oxide pigments, apparently applied using a sol-gel process. Solvents such as methanol, which are not suitable for use in steel production lines, are used here. The coating is supposed to sag after press-curing, but tests with titanium- and silicon-based coatings were conducted in 2015/16 and were unsuccessful with either thick or thin wet films. The coating neither sags nor is it suitable for industrial welding.
- EP 2 536 857 B1 discloses a ceramic-based coating with a thickness of ⁇ 25 ⁇ m, which is said to consist essentially of SiC, Al2O3, and MgCh, possibly containing metallic tin fibers. It was discovered that such a coating renders the sheet metal unweldable and also leads to paint delamination.
- the object of the invention is to create a method for producing hardened steel components in which an existing zinc corrosion protection layer is conditioned in such a way that cleaning of the surface, in particular cleaning with fluid and/or particle blasting after hardening, can be eliminated.
- the method should be able to dispense with the use of tin or tin-containing solutions.
- a further task is to create a galvanized steel strip which is designed in such a way that the removal of an oxide layer is unnecessary.
- a steel sheet plate or a steel strip which has a zinc-based coating.
- This layer can advantageously have a thickness of 5 ⁇ m to 20 ⁇ m per side. This can ensure good corrosion protection.
- the coating can be a Z40, Z60, Z80, Z120, Z140, or Z180 according to DIN EN 10346.
- Zinc-based corrosion protection layers can have a comparatively high zinc content of 93 wt.% to 99.8 wt.%, in particular 95 wt.% to 99.5 wt.%, preferably 98 wt.% to 99.5 wt.%, and in addition to unavoidable impurities, also contain aluminum in the range of 0.2 to 2 wt.%.
- the zinc-based metallic corrosion protection layer can be applied using a hot-dip galvanizing process. This can be a simple and robust application method.
- the oxide growth during The hardening process can be designed in such a way that subsequent mechanical surface conditioning, such as centrifugal blasting, vibratory grinding, or dry-egg blasting, is unnecessary. Treatment with tin or tin-containing solutions can also be omitted.
- lithium and/or potassium apparently modify the surface in such a way that any kind of cleaning is unnecessary.
- the total concentration [c] can be set between 30 and 120 to further increase the effectiveness.
- an aqueous alkaline solution is applied by means of, for example, a roll coater to a galvanized surface after skin rolling and before cold forming or annealing and hardening process.
- Very thin layer thicknesses are used, which are 0.5-3 pm in aqueous solution, in particular 0.5 - 1.5 pm, and 50-300 nm thick when dried, in particular 75 - 125 nm, in particular 80 - 100 nm.
- the solution can also be applied by dipping and squeezing or spraying or other application methods.
- [c] 10 to 200, preferably 30 to 120
- the potassium occupancy when using potassium hydroxide (KOH) is 1-140 mg potassium per m 2 , in particular 30-100 mg/m 2 potassium.
- the lithium occupancy when using LiOH is 1-40 mg lithium per m 2 , in particular 15-35 mg/m 2 , and in particular 20-30 mg/m 2 lithium.
- a combination of potassium hydroxide and lithium hydroxide can exhibit particularly favorable properties with regard to the weldability of the treated steel sheet or steel component. According to the invention, it has been found that with a typical annealing time for sheets to be hardened, the surface resistance is very low, and even a paint penetration test revealed only a very low tendency for paint penetration.
- Treatment with potassium and/or lithium hydroxide causes an increase in emissivity in the first 780°C until the gamma phase decays.
- the invention thus relates in particular to a method for producing hardened steel components, wherein a blank is cut out of a strip of a hardenable steel alloy coated with a zinc-based coating, and the blanks are then cold formed into a component blank and subsequently heated to a temperature which causes a structural change towards austenite, wherein the austenitized component blank is then fed to a form-hardening tool in which the component blank is held in a form-fitting manner by means of an upper and lower tool which have a shape substantially corresponding to the component blank, wherein the material of the component blank bears against the particularly cooled tools, the heat is extracted from the steel material so quickly that cooling at a cooling rate above the critical cooling rate leads to martensitic hardening, wherein after the galvanizing of the metal strip and before the temperature increase for the purpose of austenitization, an aqueous potassium hydroxide solution and/or lithium hydroxide solution is applied to the surface of the strip or the blank or the component blank is applied.
- [c] 10 to 200, preferably 30 to 120
- An advantageous further development provides for the application of an aqueous potassium and/or lithium solution which is alkaline.
- aqueous solution is applied with a layer thickness of 0.5 - 3 ⁇ m, in particular 0.5 - 1.5 ⁇ m, wherein the dried layer thickness is 50 - 300 nm, in particular 75 - 125 nm, in particular 80 - 100 nm.
- the potassium occupancy is 1 - 140 mg/m2 potassium, and in particular 50 - 100 mg/m2 potassium.
- the lithium coverage is 1 - 40 mg/m2 lithium, in particular 15 - 35 mg/m2 lithium, and in particular 20 - 30 mg/m2 lithium.
- a further aspect of the invention relates to a galvanized metal strip, in particular steel strip, coated with 30 - 100 mg/m2 potassium.
- galvanized metal strip in particular steel strip, is coated with 5 - 30 mg/m2 lithium.
- the combination of potassium and lithium as a coating on the steel strip can be particularly advantageous.
- the zinc-based coating to have a zinc content of 95 wt.% to 99.8 wt.%, preferably 98 wt.% to 99.5 wt.%, aluminum in the range of 0.2 to 2 wt.%, and unavoidable impurities.
- a high zinc content can ensure cathodic corrosion protection.
- good processability can be ensured if the layer consists predominantly of zinc and the remainder of aluminum.
- Other elements, such as magnesium, may affect the emissivity and thus influence the heating rate.
- the steel strip is formed from a hardenable steel alloy, in particular a boron-manganese steel and particularly preferably a 22MnB5 or 20MnB8 or 34MnB5.
- Carbon up to 0.4, preferably 0.10 to 0.30 and
- Silicon up to 1.9, preferably 0.11 to 1.5 and
- Chromium up to 1.5, preferably 0.1 to 0.9 and
- Molybdenum up to 0.9, preferably 0.001 to 0.1 and Nickel up to 0.9, preferably up to 0.2 and
- Titanium up to 0.2 preferably 0.02 to 0.1 and
- Aluminium up to 0.2, preferably 0.02 to 0.07 and
- Phosphorus max. 0.025, preferably max. 0.01 and
- a further aspect of the invention relates to the use of such a steel strip, which is produced by an aforementioned method, in a process in which a steel sheet is formed and heated and quench-hardened for the purpose of austenitization.
- Figure 1 the manufacturing process for the form hardening process or phs-ultraform process according to the state of the art
- Figure 2 the manufacturing process for the hot forming process or press hardening or phs-directform process according to the state of the art
- Figure 3 the manufacturing process of a variant of the multi-stage hot forming process or multi-stage press hardening or phs-multiform process according to the state of the art
- Figure 4 a plant diagram of a state-of-the-art hot-dip galvanizing plant
- Figure 5 a plant diagram of a state-of-the-art electrolytic galvanizing plant
- Figure 6 a table with different embodiments with different values of potassium and/or lithium
- Figure 7 a heating curve using the example of 22MnB5 Z140 at a sheet thickness of 1.5 mm with a conditioning according to the invention in comparison with a heating curve according to the prior art
- Figure 8 the heating rates of Figure 7 using the example of 22MnB5 Z140 at 1.5 mm sheet thickness with a conditioning according to the invention in comparison to a heating curve according to the prior art.
- the surface of a galvanized metal sheet, in particular steel sheet, which is first cold formed in a form hardening process in several stages and then heated as a component blank, transferred to a form hardening tool and hardened therein, is conditioned with lithium and/or potassium solution, the conditioning being discussed below.
- the concentration of the lithium solution [LiOH.H 2 O] is between 0 and 100 g/l and the potassium solution [KOH] is between 0 and 200 g/l.
- Very thin layer thicknesses are used, which are 0.5-3 pm in aqueous solution, in particular 0.5 - 1.5 pm, and 50-300 nm thick when dried, in particular 75 - 125 nm, in particular 80 - 100 nm.
- the potassium occupancy when using potassium hydroxide (KOH) is 0-140 mg potassium per m 2 , in particular 50-100 mg/m 2 potassium.
- the lithium occupancy when using is 10-40 mg lithium per m 2 , in particular 15-35 mg/m 2 , and especially 20-30 mg/m 2 lithium.
- Figures 1 to 3 show conventional processes in which a galvanized steel sheet, in which the zinc layer contains an oxygen-affine element, such as aluminum, is either austenitized before forming or after forming and quench-hardened in a press.
- Figure 2 illustrates the phs-directform process, in which the blank is first austenitized and hot-formed, followed by trimming.
- Figure 3 shows a variant of this, the so-called phs-multiform process, in which, after austenitization and optional pre-cooling to, in particular, 450°C to 650°C, a multi-stage process with several forming steps, or cutting and punching operations, subsumed under the term "hot-forming steps,” takes place.
- the sheets heat-treated in this way have a layer on their surface, particularly of aluminum oxide and zinc oxide, which is preferably cleaned off.
- Figures 4 and 5 show a hot-dip galvanizing plant and an electrolytic galvanizing plant, respectively.
- the application of the potassium hydroxide solution and/or the lithium hydroxide solution can preferably be carried out in the chemical passivation area (in Figure 4) or the passivation station (in Figure 5).
- Figure 6 shows a table with different embodiments with different values of potassium hydroxide and/or lithium hydroxide.
- KOH and LiOH The effectiveness limits of KOH and LiOH can be seen in various examples.
- an aqueous solution with the corresponding values in g/l of KOH or LiOH was applied to a 22MnB5 steel strip with a Z140 zinc coating on a 1.5 mm thick steel sheet. This aqueous solution was applied using a roll coater, and a 1 pm thick aqueous solution was created with the appropriate addition of KOH and/or LiOH.
- phosphatability paint penetration
- weldability weldability
- contact resistance contact resistance
- "+” represents a significantly negative effect
- "+” represents a slightly negative effect
- "++” represents a significantly improved effect compared to the state of the art, i.e., in this case, compared to a 22MnB5 with a 1.5 mm sheet thickness and a Z140 coating without the inventive conditioning.
- Figure 7 shows a heating curve for 22MnB5 Z140 at a sheet thickness of 1.5 mm, using conditioning according to the invention, compared to a heating curve according to the prior art.
- the aqueous solution used was 70 mg K/m 2 and 4 mg Li/m 2 .
- Figure 8 shows the heating rates of Figure 7 using the example of 22MnB5 Z140 at a sheet thickness of 1.5 mm with a conditioning according to the invention in comparison to a heating curve according to the prior art.
- the coating can be applied inline on the strip before it is cut into individual blanks. Furthermore, the blanks cut from the strip can also be coated accordingly.
- circuit boards are then formed into a component blank in a particularly multi-stage process. It is also conceivable to first coat the component blank with the potassium and/or lithium-containing solution. However, it has been shown that the potassium and/or lithium coating also tolerates the forming processes well.
- the resulting component blank is heated to a temperature that causes a structural change towards austenite.
- the austenitized component blank is then fed to a form hardening tool, in which the component blank is hardened in one stroke by means of an upper and lower tool, which essentially have the shape of the blank or correspond to it.
- the invention has the advantage that it is possible to condition the surface of a steel sheet intended for hot-dip or press hardening in such a way that a final mechanical cleaning to remove oxide surface layers can be omitted, so that such sheets can be processed in the same way as, for example, hot-dip aluminized sheets, but with the advantage that a high cathodic corrosion protection effect is achieved compared to hot-dip aluminized sheets.
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Abstract
Description
Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlbauteile mit einer konditionierten Zinkkorrosionsschutzschicht Process for producing hardened steel components with a conditioned zinc corrosion protection layer
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlbauteile mit einer konditionierten Zinklegierungskorrosionsschutzschicht. The invention relates to a method for producing hardened steel components with a conditioned zinc alloy corrosion protection layer.
Es ist seit langem bekannt, metallische Bleche, insbesondere metallische Bänder, welche unter gewöhnlichen Anwendungsbedingungen korrodieren könnten, mit Schutzschichten zu versehen. It has long been known to provide metallic sheets, especially metallic strips, which could corrode under normal conditions of use, with protective coatings.
Im Allgemeinen können Korrosionsschutzschichten auf Metallbändern organische Beschichtungen sein, also zum Beispiel Lacke, wobei diese Lacke durchaus auch korrosionsverhindernde Mittel enthalten können. In general, corrosion protection layers on metal strips can be organic coatings, for example paints, although these paints may also contain corrosion-inhibiting agents.
Darüber hinaus ist es bekannt, Metallbänder durch Metallbeschichtungen zu schützen. Derartige Metallbeschichtungen können aus einem elektrochemisch edleren Metall bestehen oder aus einem elektrochemisch unedleren Metall bestehen. In addition, it is known to protect metal strips with metal coatings. Such metal coatings can consist of an electrochemically more noble metal or a less electrochemically noble metal.
Bei einer Beschichtung aus einem elektrochemisch edleren Metall oder einem Metall, welches sich selbst passiviert, wie zum Beispiel Aluminium, spricht man von einer Barriereschutzschicht, wobei beispielsweise beim Aufbringen von Aluminium auf Stahl das Stahlmaterial dann eine Korrosion erleidet, wenn diese Barriereschutzschicht stellenweise nicht mehr vorhanden ist, beispielsweise durch mechanische Beschädigung. Eine übliche Barriereschutzschicht von Stahl ist die bereits genannte Aluminiumschicht, welche üblicherweise durch Schmelztauchbeschichten aufgebracht wird. A coating made of an electrochemically nobler metal or a self-passivating metal, such as aluminum, is referred to as a barrier protective layer. For example, when aluminum is applied to steel, the steel material will suffer corrosion if this barrier protective layer is no longer present in some areas, for example, due to mechanical damage. A common barrier protective layer for steel is the aforementioned aluminum layer, which is usually applied by hot-dip coating.
Wird ein elektrochemisch unedleres Metall als Schutzschicht aufgebracht, spricht man von einer kathodischen Korrosionsbeschichtung, weil bei einer mechanischen Verletzung der Korrosionsschutzbeschichtung bis auf das Stahlmaterial das elektrochemisch unedlere Metall zunächst korrodiert wird, bevor das Stahlmaterial selbst der Korrosion ausgesetzt ist. If an electrochemically less noble metal is applied as a protective layer, it is called a cathodic corrosion coating, because in case of mechanical damage to the Corrosion protection coating except for the steel material, the electrochemically less noble metal is first corroded before the steel material itself is exposed to corrosion.
Die am häufigsten verwendete kathodische Schutzbeschichtung auf Stahl ist eine Zinkbeschichtung bzw. eine Legierung auf Basis Zink. The most commonly used cathodic protective coating on steel is a zinc coating or a zinc-based alloy.
Es sind verschiedene Verzinkungsverfahren bekannt. Ein gebräuchliches Verzinkungsverfahren ist die so genannte Feuerverzinkung (auch als Schmelztauchverzinkung bekannt). Dabei wird Stahl kontinuierlich (z.B. Band und Draht) oder stückweise (z.B. Bauteile) bei Temperaturen von etwa 450 °C bis 600 °C in eine Schmelze aus flüssigem Zink getaucht (der Schmelzpunkt von Zink liegt bei 419,5 °C). Die Zinkschmelze weist beispielsweise einen Zinkgehalt von mindestens 98,0 Gew-% gemäß DIN EN ISO 1461 auf. Auf der Stahloberfläche bildet sich eine widerstandsfähige Legierungsschicht aus Eisen und Zink und darüber liegt eine fest haftende reine Zinkschicht, deren Zusammensetzung der Zinkschmelze entspricht. Bei einem kontinuierlich verzinkten Band weist die Zinkschicht eine Dicke von 5 pm bis 40 pm auf. Bei einem stückweise verzinkten Bauteil kann die Zinkschicht Dicken von 50 pm bis 150 pm aufweisen. Various galvanizing processes are known. A common galvanizing process is hot-dip galvanizing (also known as hot-dip galvanizing). This involves immersing steel continuously (e.g., strip and wire) or piece by piece (e.g., components) into a melt of liquid zinc at temperatures of approximately 450°C to 600°C (the melting point of zinc is 419.5°C). The molten zinc, for example, has a zinc content of at least 98.0 wt.% according to DIN EN ISO 1461. A resistant alloy layer of iron and zinc forms on the steel surface, and on top of this lies a firmly adhering pure zinc layer whose composition corresponds to the molten zinc. In a continuously galvanized strip, the zinc layer has a thickness of 5 μm to 40 μm. In a piecewise galvanized component, the zinc layer can have thicknesses of 50 μm to 150 μm.
Bei einer elektrolytischen Verzinkung (galvanischen Verzinkung) werden Stahlbänder oder Stahlplatten nicht in einer Zinkschmelze, sondern in einen Zinkelektrolyten eingetaucht. Dabei wird der zu verzinkende Stahl als Kathode in die Lösung eingebracht und als Anode wird eine Elektrode aus möglichst reinem Zink verwendet. Durch die Elektrolytlösung wird Strom geleitet. Dabei wird das in ionischer Form vorliegende Zink (Oxidationsstufe +11) zu metallischem Zink reduziert und an der Stahloberfläche abgeschieden. Im Vergleich zum Feuerverzinken können durch elektrolytische Verzinkung dünnere Zinkschichten aufgetragen werden. Die Zinkschichtdicke ist dabei proportional zur Stärke und Zeitdauer des Stromflusses, wobei - abhängig von der Werkstück- und Anodengeometrie - eine Schichtdickenverteilung über das gesamte Werkstück entsteht. In electrolytic galvanizing (galvanic galvanizing), steel strips or steel plates are immersed in a zinc electrolyte rather than in a molten zinc bath. The steel to be galvanized is placed in the solution as the cathode, and an electrode made of the purest possible zinc is used as the anode. A current is passed through the electrolyte solution. The zinc, which is present in ionic form (oxidation state +11), is reduced to metallic zinc and deposited on the steel surface. Compared to hot-dip galvanizing, thinner zinc layers can be applied with electrolytic galvanizing. The zinc layer thickness is proportional to the strength and duration of the current flow, whereby - depending on the workpiece and anode geometry - a layer thickness distribution is created across the entire workpiece.
Zur Sicherstellung des Haftvermögens und der Einheitlichkeit der Zinkschicht ist eine sorgfältige Oberflächenvorbehandlung erforderlich. Dabei kann es sich beispielsweise um Entfetten, alkalische Reinigung, Beizen, Spülen und/oder Dekapieren handeln. Nach der Verzinkung können eine oder mehrere Nachbehandlungen durchgeführt werden, wie z.B. Phosphatieren, Ölen, Aufbringen von organischen Beschichtungen (z.B. kataphoretische Tauchlackierung, kurz KTL). Hierbei werden üblicherweise nicht nur reine Metallschichten abgeschieden. Es gibt auch eine Vielzahl von bekannten Legierungen, die abgeschieden werden, neben reinen Aluminiumbeschichtungen gibt es auch Beschichtungen, die Aluminium und Zink enthalten und Beschichtungen, die neben einem überwiegenden Zinkanteil geringe Mengen an Aluminium enthalten, wobei auch weitere Elemente enthalten sein können, wie zum Beispiel Zink, Nickel, Chrom und Magnesium und andere Elemente, sowie Mischungen hieraus. Wenn im Zuge der Anmeldung von Zinkkorrosionsschutzschichten oder verzinktem Stahlband die Rede ist, werden Legierungen auf Basis von Zink mit umfasst. To ensure the adhesion and uniformity of the zinc coating, careful surface pretreatment is required. This may include, for example, degreasing, alkaline cleaning, pickling, rinsing, and/or pickling. After galvanizing, one or more post-treatments can be performed, such as phosphating, oiling, or the application of organic coatings (e.g., cataphoretic dip painting, or KTL for short). Typically, not only pure metal coatings are deposited. A variety of known alloys are also deposited. In addition to pure aluminum coatings, there are also coatings containing aluminum and zinc, and coatings that, in addition to a predominantly zinc content, contain small amounts of aluminum. These coatings may also contain other elements, such as zinc, nickel, chromium, magnesium, and other elements, as well as mixtures thereof. If the application refers to zinc corrosion protection coatings or galvanized steel strip, zinc-based alloys are also included.
Es ist darüber hinaus seit längerem bekannt, insbesondere zur Senkung des Gewichts von Fahrzeugkarosserien zumindest Teile der Fahrzeugkarosserien hochfest auszubilden, um eine hinreichende Festigkeit im Crash-Fall zu gewährleisten. Die Gewichtsersparnis entsteht dadurch, dass hochfeste Stahlsorten mit vergleichbar geringen Wandstärken verwendet werden können und somit ein geringes Gewicht besitzen. Furthermore, it has long been known that, particularly to reduce the weight of vehicle bodies, at least parts of them can be made high-strength to ensure sufficient strength in the event of a crash. The weight savings are achieved by using high-strength steel grades with comparatively thin wall thicknesses, thus resulting in low weight.
Auch bei der Verwendung von hochfesten Stahlsorten gibt es unterschiedliche Ansätze und die unterschiedlichsten Stahlsorten, welche verwendbar sind. Even when using high-strength steel grades, there are different approaches and a wide variety of steel grades that can be used.
Häufig werden Stahlsorten verwendet, die durch eine Abschreckhärtung hochfest werden. Abschreckhärtung bedeutet, dass eine Abkühlrate über der jeweiligen kritischen Abkühlrate zur Gefügeeinstellung gewählt wird. Diese kritische Abkühlrate liegt bei etwa 15 bis 20 Kelvin pro Sekunde, kann aber je nach Legierungszusammensetzung auch niedriger sein. Eine übliche Stahlsorte, welche durch Abschreckhärtung härtbar ist, sind die sogenannten Bor-Man- gan-Stähle, wie zum Beispiel der am häufigsten eingesetzte 22MnB5, aber auch Derivate dieses Stahles, wie zum Beispiel 20MnB8, 30MnB5. Es können auch nicht härtbare Stähle wie z.B. ein mikrolegierter Stahl im direkten oder indirekten Verfahren warmumgeformt werden. Steel grades that become high-strength through quench hardening are often used. Quench hardening means selecting a cooling rate above the respective critical cooling rate to adjust the microstructure. This critical cooling rate is approximately 15 to 20 Kelvin per second, but can also be lower depending on the alloy composition. A common steel grade that can be hardened through quench hardening is the so-called boron-manganese steels, such as the most commonly used 22MnB5, but also derivatives of this steel, such as 20MnB8 and 30MnB5. Non-hardenable steels, such as microalloyed steels, can also be hot-formed using the direct or indirect process.
Derartige Stahlgüten lassen sich im ungehärteten Zustand gut verformen und zuschneiden. Such steel grades can be easily formed and cut in the unhardened state.
Um derartige Stahlgüten insbesondere im Karosseriebau in die gewünschte Form zu bringen und zu härten, gibt es im Wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahrenswege. There are essentially two different processes for shaping and hardening such steel grades, particularly in car body construction.
Der erste und etwas ältere Verfahrensweg ist das sogenannte Presshärten. Beim Presshärten wird aus einem Stahlblechband aus einer abschreckhärtbaren Stah llegierung, zum Beispiel einem 22MnB5 oder einem ähnlichen Mangan-Bor-Stahl, eine ebene Platine ausgeschnitten. Diese ebene Platine wird anschließend so hoch erhitzt, dass das Stahlgefüge in der Erscheinungsform des Gammaeisens bzw. Austenits vorliegt. Um dieses Gefüge zu erreichen, muss somit die sogenannte Austenitisierungstemperatur Acs überschritten werden, zumindest wenn eine vollständige Austenitisierung erwünscht wird. The first and somewhat older process is press hardening. In press hardening, a flat blank is cut from a steel strip made of a quench-hardenable steel alloy, such as 22MnB5 or a similar manganese-boron steel. This flat blank is then heated to such a high temperature that the steel structure takes the form of gamma iron or austenite. To achieve this structure, Thus, the so-called austenitizing temperature Acs can be exceeded, at least if complete austenitization is desired.
Diese Temperatur kann je nach Stahl zwischen 820°C und 900°C liegen, wobei derartige Stahlplatinen beispielsweise auf etwa 900°C bis 930°C erhitzt und auf dieser Temperatur bis zur vollständigen Gefügeänderung gehalten werden. Depending on the steel, this temperature can be between 820°C and 900°C, with such steel blanks, for example, being heated to approximately 900°C to 930°C and kept at this temperature until the structure has completely changed.
Anschließend wird eine derartige Stahlplatine im heißen Zustand in einer Presse überführt, in der mittels eines Oberwerkzeuges und eines Unterwerkzeuges, die jeweils korrespondierend ausgeformt sind, die heiße Stahlplatine mit einem einzigen Pressenhub in die gewünschte Form gebracht wird. Durch den Kontakt des heißen Stahl materia Is mit dem vergleichsweise kühlen, insbesondere gekühlten Pressenwerkzeugen, also Umformwerkzeugen, wird dem Stahl Energie sehr schnell entzogen. Insbesondere muss die Wärme so schnell entzogen werden, dass die sogenannte kritische Härtegeschwindigkeit überschritten wird, welche üblicherweise zwischen 15° und 25° Kelvin pro Sekunde liegt. Such a steel blank is then transferred while still hot to a press, where, using an upper tool and a lower tool, each of which is shaped accordingly, the hot steel blank is formed into the desired shape with a single press stroke. The contact of the hot steel material with the comparatively cool, particularly cooled, press tools (i.e., forming tools) causes energy to be extracted from the steel very quickly. In particular, the heat must be extracted so quickly that the so-called critical hardening rate is exceeded, which is typically between 15° and 25° Kelvin per second.
Wird derart schnell abgekühlt, wandelt sich das Gefüge des Austenits nicht wieder in ein fer- ritisches Ausgangsgefüge um, sondern es wird ein martensitisches Gefüge erreicht. Durch den Umstand, dass Austenit erheblich mehr Kohlenstoff in seinem Gitter lösen kann als Martensit, kommt es durch Kohlenstoffausscheidungen zur Gitterverzerrung, die zu der großen Härte des Endproduktes führt. Durch die schnelle Abkühlung wird sozusagen der martensiti- sche Zustand stabilisiert. Hierdurch sind Härten bzw. Zugfestigkeiten Rm von mehr als 1500 MPa realisierbar. Durch geeignete Maßnahmen, auf die nicht nähere eingegangen werden soll, wie das vollständige oder teilbereichsweise Wiedererwärmen, können auch Härteprofile eingestellt werden. If cooled this quickly, the austenite structure does not revert to its original ferritic structure, but rather a martensitic structure is achieved. Due to the fact that austenite can dissolve considerably more carbon in its lattice than martensite, carbon precipitation leads to lattice distortion, which leads to the high hardness of the final product. The rapid cooling stabilizes the martensitic state, so to speak. This makes hardnesses and tensile strengths R m of more than 1500 MPa achievable. Hardness profiles can also be adjusted using suitable measures, which will not be discussed in detail here, such as complete or partial reheating.
Ein weiterer, etwas jüngerer Weg gehärtete Stahlbauteile insbesondere für den Karosseriebau zu erzeugen, ist das von der Anmelderin entwickelte Formhärten. Beim Formhärten wird aus einem Stahlband eine ebene Stahlplatine ausgeschnitten und diese ebene Stahlplatine anschließend im kalten Zustand umgeformt. Diese Umformung erfolgt insbesondere nicht mit einem einzigen Pressenhub, sondern wie in herkömmlichen Pressenstraßen üblich, beispielsweise in einem fünfstufigen Prozess. Dieser Prozess lässt erheblich komplexere Formen zu, so dass am Ende ein komplex geformtes Bauteil, wie zum Beispiel die B-Säule oder ein Längsträger eines Kraftfahrzeuges erzeugt werden kann. Another, somewhat newer method for producing hardened steel components, particularly for car body construction, is hot stamping, developed by the applicant. In hot stamping, a flat steel blank is cut from a steel strip, and this flat steel blank is then cold-formed. This forming process is not performed with a single press stroke, but rather, as is usual in conventional press lines, for example, in a five-stage process. This process allows for significantly more complex shapes, so that the final product can be a complexly shaped component, such as the B-pillar or a longitudinal member of a motor vehicle.
Um ein solches fertig geformtes Bauteil anschließend zu härten, wird dieses Bauteil in einem Ofen ebenfalls austenitisiert und im austenitisierten Zustand in ein Formwerkzeug überführt, wobei das Formwerkzeug die Kontur des endgültigen Bauteils besitzt. Vorzugsweise ist das vorgeformte Bauteil vor dem Erhitzen so ausgeformt, dass nach dem Erhitzen und somit auch einer erfolgten Wärmedehnung dieses Bauteil schon den Endabmessungen des gehärteten Bauteils weitestgehend entspricht. Dieser austenitisierte Rohling wird im austenitisier- ten Zustand in das Formwerkzeug eingelegt und das Formwerkzeug geschlossen. Vorzugsweise wird das Bauteil hierbei allseitig vom Formwerkzeug berührt und klemmend gehalten und durch den Kontakt mit dem Formwerkzeug die Wärme ebenfalls so entzogen, dass ein martensitisches Gefüge erzeugt wird. In order to subsequently harden such a finished component, this component is also austenitized in a furnace and transferred in the austenitized state into a forming tool, whereby the forming tool has the contour of the final component. Preferably, the The preformed component is formed before heating in such a way that, after heating and subsequent thermal expansion, this component already largely corresponds to the final dimensions of the hardened component. This austenitized blank is placed in the mold in its austenitized state, and the mold is closed. Preferably, the component is contacted on all sides by the mold and held in a clamped position. The contact with the mold also removes heat in such a way that a martensitic structure is created.
Im geklemmten Zustand kann eine Schrumpfung nicht stattfinden, so dass das gehärtete Endbauteil mit den entsprechenden Endabmessungen nach dem Härten und Abkühlen aus dem Formwerkzeug entnommen werden kann. In the clamped state, shrinkage cannot occur, so that the hardened final component with the corresponding final dimensions can be removed from the mold after hardening and cooling.
Da Kraftfahrzeugkarosserien üblicherweise eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen, wobei die dem die Karosserie ausbildenden Metallmaterial, insbesondere Stahl, am nächsten liegende Korrosionsschutzschicht eine metallische Beschichtung ist, wurden in der Vergangenheit auch Korrosionsschutzbeschichtungen für gehärtete Bauteile angestrebt und entwickelt. Since motor vehicle bodies usually have a corrosion protection coating, with the corrosion protection layer closest to the metal material forming the body, in particular steel, being a metallic coating, corrosion protection coatings for hardened components have also been sought and developed in the past.
Korrosionsschutzbeschichtungen für zu härtende Bauteile sind jedoch anderen Anforderungen ausgesetzt als Korrosionsschutzbeschichtungen von Bauteilen, die nicht gehärtet werden. Die beim Härten entstehenden hohen Temperaturen müssen von den Korrosionsschutzbeschichtungen verkraftet werden. Da seit langem bekannt ist, dass feueraluminierte Beschichtungen auch hohen Temperaturen widerstehen, wurden zunächst Presshärtestähle entwickelt, welche eine Schutzschicht aus Aluminium besitzen. Derartige Beschichtungen sind in der Lage, nicht nur die hohen Temperaturen, sondern auch die Umformung im heißen Zustand zu überstehen. Von Nachteil ist jedoch, dass üblicherweise in Kraftfahrzeugen keine Feueraluminierungen auf herkömmlichen Stahlgüten verwendet werden, sondern Feuerverzinkungen und es grundsätzlich problematisch ist, unterschiedliche Korrosionsschutzsysteme einzusetzen, insbesondere wenn die Gefahr der Kontaktkorrosion besteht. However, corrosion protection coatings for components to be hardened are subject to different requirements than corrosion protection coatings for components that are not hardened. The corrosion protection coatings must be able to withstand the high temperatures generated during hardening. Since it has long been known that hot-dip aluminized coatings can withstand high temperatures, press-hardened steels with a protective layer of aluminum were initially developed. Such coatings are capable of withstanding not only the high temperatures but also hot-dip galvanizing. A disadvantage, however, is that hot-dip galvanizing is not typically used on conventional steel grades in motor vehicles, and it is fundamentally problematic to use different corrosion protection systems, especially when there is a risk of contact corrosion.
Daher wurden von der Anmelderin Verfahren entwickelt, welche es erlauben, Zinkbeschichtungen zur Verfügung zu stellen, welche ebenfalls derart hohen Temperaturen widerstehen. Therefore, the applicant has developed processes that make it possible to provide zinc coatings that also withstand such high temperatures.
Grundsätzlich sind Zinkbeschichtungen, was die Umformung betrifft, erheblich unkomplizierter als Aluminiumbeschichtungen, da Aluminiumbeschichtungen bei herkömmlichen Umformtemperaturen dazu neigen, abzuplatzen oder zu reißen. Dies geschieht bei Zink nicht. In general, zinc coatings are considerably easier to form than aluminum coatings, as aluminum coatings tend to chip or crack at conventional forming temperatures. This does not happen with zinc.
Jedoch wurde zunächst erwartet, dass Zinkbeschichtungen den hohen Temperaturen nicht widerstehen können. Spezielle Zinkbeschichtungen, die jedoch einen gewissen Anteil sauerstoffaffiner Elemente besitzen, sind in der Lage, auch bei hohen Temperaturen verarbeitet zu werden, denn die sauerstoffaffinen Elemente diffundieren schnell an die luftseitige Oberfläche und oxidieren dort und bilden einen glasartigen Schutzfilm für die Zinkbeschichtung. Mittlerweile haben sich derartige Zinkbeschichtungen insbesondere für das Formhärten durchgesetzt. Auch beim Presshärten können derartige Zinkbeschichtungen mit großem Erfolg eingesetzt werden. However, it was initially expected that zinc coatings would not be able to withstand the high temperatures. Special zinc coatings, which, however, contain a certain amount Zinc coatings containing oxygen-affine elements can be processed even at high temperatures, as these oxygen-affine elements quickly diffuse to the air-side surface, where they oxidize and form a glassy protective film for the zinc coating. Zinc coatings of this type have now become established, particularly for hot stamping. Zinc coatings of this type can also be used successfully in press hardening.
Um eine optimale Lackhaftung und eine optimale Schweißbarkeit zu gewährleisten, ist es bekannt, die fertig umgeformten und gehärteten Bauteile so zu reinigen, dass die glasharte, schützende Filmschicht eingeebnet oder abgetragen wird. In order to ensure optimal paint adhesion and optimal weldability, it is known to clean the finished formed and hardened components in such a way that the glass-hard, protective film layer is leveled or removed.
Aus der DE 10 2010 037 077 B4 ist ein Verfahren zum Konditionieren der Oberfläche gehärteter korrosionsgeschützter Bauteile aus Stahlblech bekannt, wobei das Stahlblech ein mit einer metallischen Beschichtung überzogenen Stahlblech ist und zum Härten aufgeheizt und abgeschreckt gehärtet wird. Nach dem Härten werden die durch das Aufheizen auf der Korrosionsschutzbeschichtung vorhandenen Oxide entfernt, wobei das Bauteil zur Konditionierung der Oberfläche des metallischen Überzuges, also der Korrosionsschutzschicht, einem Gleitschleifen unterworfen wird, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung eine Beschichtung auf der Basis von Zink ist und die Oberflächenkonditionierung so durchgeführt wird, dass auf der Korrosionsschutzschicht aufliegende oder anhaftende Oxide abgeschliffen werden und insbesondere eine Mikroporosität freigelegt wird. DE 10 2010 037 077 B4 discloses a method for conditioning the surface of hardened, corrosion-protected components made of sheet steel. The sheet steel is coated with a metallic coating and is hardened by heating and quenching. After hardening, the oxides present on the corrosion protection coating as a result of the heating are removed. The component is subjected to vibratory grinding to condition the surface of the metallic coating, i.e., the corrosion protection layer. The corrosion protection coating is a zinc-based coating, and the surface conditioning is carried out in such a way that oxides lying on or adhering to the corrosion protection layer are ground away and, in particular, microporosity is exposed.
Aus der DE 10 2007 022 174 B3 ist ein Verfahren zum Erzeugen und Entfernen einer temporären Schutzschicht für eine kathodische Beschichtung bekannt, wobei ein Stahlblech aus einer härtbaren Stahllegierung mit einer Zinkbeschichtung im Schmelztauchverfahren versehen wird, wobei der Aluminiumgehalt im Zinkbad so eingestellt wird, dass sich während der Schmelzhärtung eine oberflächliche Oxidhaut aus Aluminiumoxid bildet, wobei diese dünne Haut nach dem Härten durch das Bestrahlen des Blechbauteils mit Trockeneispartikeln abgesprengt bzw. eingeebnet wird. Ein Beispiel hierfür ist die EP 1 630 244 Bl oder auch EP 2 233 508 Bl. DE 10 2007 022 174 B3 discloses a method for producing and removing a temporary protective layer for a cathodic coating. This involves applying a zinc coating to a steel sheet made of a hardenable steel alloy using a hot-dip process. The aluminum content in the zinc bath is adjusted so that a superficial oxide skin of aluminum oxide forms during melt hardening. This thin skin is then blasted off or leveled after hardening by irradiating the sheet metal component with dry ice particles. Examples of this are EP 1 630 244 B1 and EP 2 233 508 B1.
Derartige Schutzschichten treten üblicherweise nur bei Zinkbeschichtungen auf, während Aluminiumbeschichtungen häufig keiner Reinigung oder nur einer weniger aufwändigen Reinigung unterzogen werden müssen. Such protective layers usually only occur with zinc coatings, while aluminum coatings often do not require cleaning or only require less complex cleaning.
Aus der WO 2018/126471 Al ist eine Sol-Gel-Vorkonditionierung der Schicht zur Verringerung der Oxidschichtbildung und Erhöhung der Schweißbarkeit bekannt. Hierdurch soll eine Oxidationsschutzbeschichtung für presshärtende Stahlwerkstoffe geschaffen werden, auf der Basis von silan- und titanhaltigen Bindern und oxidischen Pigmenten, die offenbar im Sol- Gel-Prozess aufgebracht werden. Insbesondere werden hier Lösungsmittel, wie Methanol eingesetzt, welche auf Stahlfertigungsanlagen nicht einsetzbar sind. Die Beschichtung soll nach dem Presshärten von selbst herunterfallen, wobei jedoch Versuche mit Titan und Silizium basierten Beschichtungen 2015/16 stattfanden und weder mit dicken noch mit dünnem Nassfilm erfolgreich waren. Weder fällt die Beschichtung von selbst herunter, noch ist die Schweißeignung industriell tauglich. WO 2018/126471 A1 discloses a sol-gel preconditioning of the coating to reduce oxide layer formation and increase weldability. This is intended to create an oxidation protection coating for press-hardening steel materials on which Based on silane- and titanium-containing binders and oxide pigments, apparently applied using a sol-gel process. Solvents such as methanol, which are not suitable for use in steel production lines, are used here. The coating is supposed to sag after press-curing, but tests with titanium- and silicon-based coatings were conducted in 2015/16 and were unsuccessful with either thick or thin wet films. The coating neither sags nor is it suitable for industrial welding.
Aus der EP 2 536 857 Bl ist eine keramikbasierte Beschichtung mit einer Dicke < 25 pm bekannt, welche im Wesentlichen aus SiC , AI2O3 und MgCh bestehen soll, wobei gegebenenfalls metallische Fasern aus Zinn enthalten sein sollen. Hierbei wurde herausgefunden, dass eine solche Beschichtung dazu führt, dass das Blech nicht mehr schweißbar ist, außerdem kommt es zu Lackdelaminationen. EP 2 536 857 B1 discloses a ceramic-based coating with a thickness of < 25 μm, which is said to consist essentially of SiC, Al2O3, and MgCh, possibly containing metallic tin fibers. It was discovered that such a coating renders the sheet metal unweldable and also leads to paint delamination.
Aus der EP 4 110 972 Bl ist eine Beschichtung der verzinkten Oberfläche mit Zinn bekannt, welche durch die Bildung einer Mischung der Oxidschicht aus Zinn- und Zinkoxid während dem Härteprozess, eine Entfernung dieser unnötig macht. From EP 4 110 972 B1, a coating of the galvanized surface with tin is known, which makes removal of the oxide layer unnecessary due to the formation of a mixture of tin and zinc oxide during the hardening process.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlbauteile zu schaffen bei dem eine vorhandene Zinkkorrosionsschutzschicht so konditioniert ist, dass eine Abreinigung der Oberfläche und insbesondere eine Reinigung mit Fluid- und/oder Partikel strahlen nach dem Härten entfallen kann. Besonders bevorzugt soll das Verfahren auf den Einsatz von Zinn oder Zinnhaltigen Lösungen verzichten können. The object of the invention is to create a method for producing hardened steel components in which an existing zinc corrosion protection layer is conditioned in such a way that cleaning of the surface, in particular cleaning with fluid and/or particle blasting after hardening, can be eliminated. Particularly preferably, the method should be able to dispense with the use of tin or tin-containing solutions.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. The problem is solved by a method having the features of claim 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet. Advantageous further training is indicated in the dependent subclaims.
Es ist eine weitere Aufgabe, ein verzinktes Stahlband zu schaffen, welches so beschaffen ist, dass die Abreinigung einer Oxidhaut entbehrlich ist. A further task is to create a galvanized steel strip which is designed in such a way that the removal of an oxide layer is unnecessary.
Die Aufgabe wird mit einem verzinkten Metallband mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. The problem is solved with a galvanized metal strip having the features of claim 13.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet. Erfindungsgemäß wurde erkannt, dass unter bestimmten Umständen auf eine Abreinigung der Oberfläche eines Metallbandes, welches verzinkt ist und einer Temperaturerhöhung zum Zwecke einer Gefügeänderung unterzogen wurde verzichtet werden kann. Insbesondere die mechanische Abreinigung eines verzinkten Stahlblechs und eines daraus erzeugten gehärteten Bauteils können entfallen. Advantageous further training is indicated in the dependent subclaims. According to the invention, it was recognized that, under certain circumstances, cleaning the surface of a galvanized metal strip that has been subjected to a temperature increase for the purpose of microstructural modification can be dispensed with. In particular, the mechanical cleaning of a galvanized steel sheet and a hardened component produced from it can be eliminated.
Eine reinigende Nachbehandlung ist zwar ein beherrschbarer und gut eingeführter Prozess, gleichwohl wird ein höherer Arbeitsaufwand erzeugt. Zudem besteht ein Risiko bezüglich zusätzlicher Oberflächenfehler, wobei auch insgesamt höhere Kosten verursacht werden. Bei sehr dünnen Bauteilen hat sich herausgestellt, dass unter bestimmten Umständen die Maßgenauigkeit der Bauteile eingeschränkt werden kann. While post-treatment cleaning is a manageable and well-established process, it does involve increased labor. There is also a risk of additional surface defects, which also results in higher overall costs. For very thin components, it has been shown that, under certain circumstances, the dimensional accuracy of the components can be compromised.
Falls verschaltete Prozessfolgen vorliegen, welche vorsehen, dass diese Reinigungsschritte innerhalb einer gesamten Fertigung inline angeordnet sind, muss eventuell eine Anpassung der Taktzeit vorgesehen werden. If there are interconnected process sequences which require these cleaning steps to be arranged inline within an entire production process, an adjustment of the cycle time may be necessary.
Erfindungsgemäß wird eine Stahlblechplatine oder ein Stahlband verwendet, welche eine Beschichtung auf Basis von Zink aufweist. According to the invention, a steel sheet plate or a steel strip is used which has a zinc-based coating.
Vorteilhafterweise kann diese Schicht eine Dicke von 5 pm bis 20 pm je Seite aufweisen. Dies kann einen guten Korrosionsschutz gewährleisten. Insbesondere kann die Beschichtung ein Z40 oder Z60 oder Z80 oder Z120 oder Z140 oder Z180 nach DIN EN 10346 sein. This layer can advantageously have a thickness of 5 μm to 20 μm per side. This can ensure good corrosion protection. In particular, the coating can be a Z40, Z60, Z80, Z120, Z140, or Z180 according to DIN EN 10346.
Zinkbasierte Korrosionsschutzschichten können einen vergleichsweise hohen Zinkanteil von 93 Gew.-% bis 99,8 Gew.-% insbesondere 95 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% bevorzugt 98 Gew.-% bis 99,5 Gew.-% aufweisen und umfassen neben unvermeidbaren Verunreinigungen noch Aluminium im Bereich von 0,2 bis 2 Gew.-%. Zinc-based corrosion protection layers can have a comparatively high zinc content of 93 wt.% to 99.8 wt.%, in particular 95 wt.% to 99.5 wt.%, preferably 98 wt.% to 99.5 wt.%, and in addition to unavoidable impurities, also contain aluminum in the range of 0.2 to 2 wt.%.
Besonders bevorzugt kann die metallische Korrosionsschutzschicht auf Basis von Zink mittels Schmelztauchverfahren also Feuerverzinken aufgebracht sein. Dieses kann ein einfaches und robustes Verfahren zur Aufbringung darstellen. Particularly preferably, the zinc-based metallic corrosion protection layer can be applied using a hot-dip galvanizing process. This can be a simple and robust application method.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass zur Einstellung der Phosphatierbarkeit, Lackierbarkeit und Schweißbarkeit eine Oberflächenbehandlung der verzinkten Oberfläche vor dem Formhärteprozess erfolgreich ist. Erfindungsgemäß kann das Oxidwachstum während des Härtungsprozesses so gestaltet werden, dass sich eine nachfolgende mechanische Oberflächenkonditionierung, wie beispielsweise Schleuderabstrahlen, Gleitschleifen oder Trockeneistrahlen erübrigt. Sowie auch eine Behandlung mit Zinn oder Zinnhaltigen Lösungen entfallen kann. According to the invention, it has been found that a surface treatment of the galvanized surface prior to the hot stamping process is successful in adjusting the phosphating, paintability and weldability. According to the invention, the oxide growth during The hardening process can be designed in such a way that subsequent mechanical surface conditioning, such as centrifugal blasting, vibratory grinding, or dry-egg blasting, is unnecessary. Treatment with tin or tin-containing solutions can also be omitted.
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass in überraschender Weise Lithium und/oder Kalium die Oberfläche offenbar so modifizieren, dass eine wie auch immer geartete Abreinigung entbehrlich ist. According to the invention, it has been found that, surprisingly, lithium and/or potassium apparently modify the surface in such a way that any kind of cleaning is unnecessary.
Insbesondere und überraschend hat sich gezeigt, dass wenn die Konzentration der aufzubringenden Lösung folgenden Zusammenhang in g/l erfüllt: [c] = [KOH] + 2 * [LiOH.H2O], wobei die Konzentration der Lithiumlösung [LiOH.H2O] zwischen 0 und 100 g/l und die Kaliumlösung [KOH] zwischen 0 und 200 g/l, wobei die Gesamtkonzentration [c] zwischen 30 und 200 eine besondere Wirksamkeit entwickeln. Bevorzugt kann die Gesamtkonzentration [c] zwischen 30 und 120 eingestellt sein um die Wirksamkeit weiter zu erhöhen. In particular and surprisingly, it has been shown that if the concentration of the solution to be applied satisfies the following relationship in g/l: [c] = [KOH] + 2 * [LiOH.H 2 O], where the concentration of the lithium solution [LiOH.H 2 O] is between 0 and 100 g/l and the potassium solution [KOH] is between 0 and 200 g/l, with the total concentration [c] being between 30 and 200, a particular effectiveness develops. Preferably, the total concentration [c] can be set between 30 and 120 to further increase the effectiveness.
Erfindungsgemäß wird insbesondere eine wässrige alkalische Lösung mittels beispielsweise Rollcoater auf eine verzinkte Oberfläche nach dem Dressieren und vor dem Kaltumformen oder Glüh- und Härteprozess aufgebracht. According to the invention, in particular an aqueous alkaline solution is applied by means of, for example, a roll coater to a galvanized surface after skin rolling and before cold forming or annealing and hardening process.
Hierbei wird mit sehr dünnen Schichtdicken gearbeitet, welche wässrig 0,5-3 pm betragen, insbesondere 0,5 - 1,5 pm, und getrocknet 50-300 nm dick sind, insbesondere 75 - 125 nm, insbesondere 80 - 100 nm beträgt. Very thin layer thicknesses are used, which are 0.5-3 pm in aqueous solution, in particular 0.5 - 1.5 pm, and 50-300 nm thick when dried, in particular 75 - 125 nm, in particular 80 - 100 nm.
Der Auftrag der Lösung kann auch mittels Tauchen und Quetschen oder Sprühen oder anderen Auftragsmethoden erfolgen. The solution can also be applied by dipping and squeezing or spraying or other application methods.
Selbstverständlich sind auch alle anderen Verfahren geeignet, mit denen flüssige ionare Lösungen auf eine Oberfläche appliziert werden können. Of course, all other methods that allow liquid ionic solutions to be applied to a surface are also suitable.
Bei einer Schichtdicke im wässrigen Zustand von 1 pm erfüllt die Belegung folgenden Zusammenhang in mg/m2: For a layer thickness in the aqueous state of 1 pm, the coverage satisfies the following relationship in mg/m 2 :
[c] = [K] + 2 * [Li] , [c] = [K] + 2 * [Li] ,
[Li] = 0-100 mg/m2 ; [K] = 0-200 mg/ m2 [Li] = 0-100 mg/m 2 ; [K] = 0-200 mg/ m2
[c] = 10 bis 200, bevorzugt 30 bis 120 [c] = 10 to 200, preferably 30 to 120
Die Kaliumbelegung bei der Verwendung von Kaliumhydroxid KOH liegt bei 1-140 mg Kalium pro m2, insbesondere 30 - 100 mg/m2 Kalium. Die Lithiumbelegung bei der Verwendung von LiOH liegt bei 1 - 40 mg Lithium pro m2, insbesondere 15 - 35 mg/m2, und insbesondere 20 - 30 mg/m2 Lithium. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine Kombination von Kaliumhydroxid und Lithiumhydroxid besonders günstige Eigenschaften hinsichtlich der Schweißeignung des behandelten Stahlblechs bzw. Stahlbauteil zeigen können. Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass bei einer üblichen Glühdauer von Blechen, die einer Härtung unterzogen werden sollen, der Oberflächenwiderstand sehr gering ist und auch bei einem Lackunterwanderungstest nur eine sehr geringe Lackunterwanderungsneigung festgestellt werden konnte. Optisch sind erheblich weniger Oxide feststellbar, was sich durch einen metallischen Glanz des geglühten Bleches offenbart. Üblicherweise stellt eine solche Silbrigkeit ein Problem dar, da sie eine mangelnde Durchreaktion anzeigt. Bei Untersuchungen hat sich gezeigt, dass die Zink-Eisen- Kristalle der Zinkschicht durchreagiert sind. Zudem konnte eine gute Ausbildung der Phosphatkristalle bei der Phosphatierung festgestellt werden. The potassium occupancy when using potassium hydroxide (KOH) is 1-140 mg potassium per m 2 , in particular 30-100 mg/m 2 potassium. The lithium occupancy when using LiOH is 1-40 mg lithium per m 2 , in particular 15-35 mg/m 2 , and in particular 20-30 mg/m 2 lithium. Surprisingly, it has been shown that a combination of potassium hydroxide and lithium hydroxide can exhibit particularly favorable properties with regard to the weldability of the treated steel sheet or steel component. According to the invention, it has been found that with a typical annealing time for sheets to be hardened, the surface resistance is very low, and even a paint penetration test revealed only a very low tendency for paint penetration. Visually, considerably fewer oxides are detectable, which is revealed by a metallic luster of the annealed sheet. Such silveriness is usually problematic, as it indicates insufficient reaction. Investigations have shown that the zinc-iron crystals of the zinc layer have fully reacted. In addition, good formation of the phosphate crystals was observed during phosphating.
Die Behandlung mit Kalium und/oder Lithium hydroxid bewirkt eine Erhöhung der Emissivität in den ersten 780°C bis zum Zerfall der Gammaphase. Treatment with potassium and/or lithium hydroxide causes an increase in emissivity in the first 780°C until the gamma phase decays.
Insgesamt kann derzeit noch nicht gesagt werden, wie die K/Li-Lösung im Detail wirkt, die Wirkung ist jedoch überraschend und absolut eindeutig. Overall, it is not yet possible to say how the K/Li solution works in detail, but the effect is surprising and absolutely clear.
Die Erfindung betrifft somit insbesondere ein Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlbauteile, wobei aus einem mit einer Beschichtung auf Basis von Zink beschichteten Band aus einer härtbaren Stahllegierung eine Platine ausgeschnitten wird und anschließend die Platinen kalt zu einem Bauteilrohling umgeformt wird und anschließend auf eine Temperatur aufgeheizt wird, die eine Gefügeänderung hin zum Austenit bewirkt, wobei der austenitisierte Bauteilrohling anschließend einem Formhärtewerkzeug zugeführt wird, in dem der Bauteilrohling mittels eines Ober- und Unterwerkzeuges welche eine zum Bauteil roh ling im Wesentlichen korrespondierende Form besitzen formschlüssig gehalten wird, wobei durch das Anliegen des Materials des Bauteilrohlings an den insbesondere gekühlten Werkzeugen dem Stahlmaterial die Wärme so schnell entzogen wird, dass es durch die Abkühlung mit einer Kühlrate über der kritischen Abkühlrate zu einer martensitischen Härtung kommt, wobei nach dem Verzinken des Metallbandes und vor der Temperaturerhöhung zum Zwecke der Austenitisierung eine wässrige Kaliumhydroxidlösung und/oder Lithiumhydroxid lösung auf die Oberfläche des Bandes oder der Platine oder des Bauteilrohlings aufgebracht wird. The invention thus relates in particular to a method for producing hardened steel components, wherein a blank is cut out of a strip of a hardenable steel alloy coated with a zinc-based coating, and the blanks are then cold formed into a component blank and subsequently heated to a temperature which causes a structural change towards austenite, wherein the austenitized component blank is then fed to a form-hardening tool in which the component blank is held in a form-fitting manner by means of an upper and lower tool which have a shape substantially corresponding to the component blank, wherein the material of the component blank bears against the particularly cooled tools, the heat is extracted from the steel material so quickly that cooling at a cooling rate above the critical cooling rate leads to martensitic hardening, wherein after the galvanizing of the metal strip and before the temperature increase for the purpose of austenitization, an aqueous potassium hydroxide solution and/or lithium hydroxide solution is applied to the surface of the strip or the blank or the component blank is applied.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Konzentration der aufzubringenden Lösung folgenden Zusammenhang in g/l erfüllt: An advantageous further development provides that the concentration of the solution to be applied satisfies the following relationship in g/l:
[c] = [KOH] + 2 * [LiOH.H2O] , [c] = [KOH] + 2 * [LiOH.H2O] ,
[LiOH.H2O] = 0-100 g/l ; [KOH] = 0-200 g/l [LiOH.H2O] = 0-100 g/l ; [KOH] = 0-200 g/l
[c] = 10 bis 200, bevorzugt 30 bis 120 Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Belegung der Zinkoberfläche folgenden Zusammenhang in mg/m2 erfüllt: [c] = 10 to 200, preferably 30 to 120 An advantageous further development provides that the coverage of the zinc surface meets the following relationship in mg/m 2 :
[c] = [K] + 2 * [Li] , [c] = [K] + 2 * [Li] ,
[Li] = 0-100 mg/m2 ; [K] = 0-200 mg/m2 [Li] = 0-100 mg/m 2 ; [K] = 0-200 mg/ m2
[c] = 10 bis 200, bevorzugt 30 bis 120 [c] = 10 to 200, preferably 30 to 120
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Kalium und/oder Lithium aus einer alkalischen Lösung aufgebracht wird. An advantageous further development provides that the potassium and/or lithium is applied from an alkaline solution.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass eine wässrige Kalium- und/oder Lithiumlösung aufgebracht wird, die basisch eingestellt ist. An advantageous further development provides for the application of an aqueous potassium and/or lithium solution which is alkaline.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die wässrige Lösung mit einer Schichtdicke von 0,5 - 3 |jm aufgebracht wird, ins-besondere 0,5 - 1,5 pm aufgebracht wird, wobei die Schichtdicke getrocknet 50 - 300 nm, insbesondere 75 - 125 nm, insbesondere 80 - 100 nm beträgt. An advantageous further development provides that the aqueous solution is applied with a layer thickness of 0.5 - 3 μm, in particular 0.5 - 1.5 μm, wherein the dried layer thickness is 50 - 300 nm, in particular 75 - 125 nm, in particular 80 - 100 nm.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Kaliumbelegung 1 - 140 mg/m2 Kalium beträgt, und insbesondere 50 - 100 mg/m2 Kalium beträgt. An advantageous further development provides that the potassium occupancy is 1 - 140 mg/m2 potassium, and in particular 50 - 100 mg/m2 potassium.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Lithiumbelegung 1 - 40 mg/m2 Lithium beträgt, insbesondere 15 - 35 mg/m2 Lithium beträgt, und insbesondere 20 - 30 mg/m2 Lithium beträgt. An advantageous further development provides that the lithium coverage is 1 - 40 mg/m2 lithium, in particular 15 - 35 mg/m2 lithium, and in particular 20 - 30 mg/m2 lithium.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass eine Lösung mit einer Lösungskonzentration von 50 - 200 g/l KOH verwendet wird. An advantageous further development provides that a solution with a solution concentration of 50 - 200 g/l KOH is used.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass eine Lösung mit einer Lösungskonzentration von 5 - 100 g/l UOH.H2O verwendet wird. An advantageous further development provides that a solution with a solution concentration of 5 - 100 g/l UOH.H2O is used.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Lösungskonzentration 30-200 g/l KOH mit 4-50 g/l UOH.H2O beträgt. Vorteilhafterweise kann die Kombination an KOH mit LiOH besonders gute Schweißeignungseigenschaften des Bauteils sicherstellen. An advantageous further development provides for a solution concentration of 30-200 g/l KOH with 4-50 g/l UOH.H2O. Advantageously, the combination of KOH with LiOH can ensure particularly good weldability properties of the component.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass eine Lösung verwendet wird, die einen pH- Wert von 10 - 14 besitzt. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein verzinktes Metallband, insbesondere Stahlband, beschichtet mit 30 - 100 mg/m2 Kalium. An advantageous further development provides for the use of a solution having a pH value of 10 - 14. A further aspect of the invention relates to a galvanized metal strip, in particular steel strip, coated with 30 - 100 mg/m2 potassium.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das verzinkte Metallband, insbesondere Stahlband, mit 5 - 30 mg/m2 Lithium beschichtet ist. An advantageous further development provides that the galvanized metal strip, in particular steel strip, is coated with 5 - 30 mg/m2 lithium.
Besonders vorteilhaft kann die Kombination aus Kalium und Lithium als Beschichtung auf dem Stahlband sein. The combination of potassium and lithium as a coating on the steel strip can be particularly advantageous.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Beschichtung auf Basis von Zink einen Zinkanteil von 95 Gew.-% bis 99,8 Gew.-%, bevorzugt 98 Gew.-% bis 99,5 Gew.-%, Aluminium im Bereich von 0,2 bis 2 Gew.-% sowie unvermeidbaren Verunreinigungen aufweist. Ein hoher Zinkanteil kann kathodischen Korrosionsschutz gewährleisten. Des Weiteren kann eine gute Verarbeitbarkeit sichergestellt werden, wenn die Schicht zum überwiegenden Teil aus Zink besteht und der Rest Aluminium aufweist. Andere Elemente wie beispielsweise Magnesium können sich auf ggf. die Emissivität auswirken und damit die Aufheizrate beeinflussen. An advantageous further development provides for the zinc-based coating to have a zinc content of 95 wt.% to 99.8 wt.%, preferably 98 wt.% to 99.5 wt.%, aluminum in the range of 0.2 to 2 wt.%, and unavoidable impurities. A high zinc content can ensure cathodic corrosion protection. Furthermore, good processability can be ensured if the layer consists predominantly of zinc and the remainder of aluminum. Other elements, such as magnesium, may affect the emissivity and thus influence the heating rate.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Beschichtung auf Basis von Zink mittels eines Schmelztauchverfahrens, insbesondere durch Feuerverzinken, aufgebracht wurde. An advantageous further development provides that the zinc-based coating was applied by means of a hot-dip galvanizing process, in particular by hot-dip galvanizing.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Stahlband aus einer härtbaren Stahllegierung, insbesondere einem Bor-Mangan-Stahl und besonders bevorzugt eines 22MnB5 oder 20MnB8 oder 34MnB5, gebildet ist. An advantageous further development provides that the steel strip is formed from a hardenable steel alloy, in particular a boron-manganese steel and particularly preferably a 22MnB5 or 20MnB8 or 34MnB5.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass als Stahlband ein Band mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wird (alle Angaben in Gew.-%): An advantageous further development provides that a steel strip with the following composition is used (all data in % by weight):
Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,10 bis 0,30 und Carbon up to 0.4, preferably 0.10 to 0.30 and
Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5 und Silicon up to 1.9, preferably 0.11 to 1.5 and
Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 und Manganese up to 3.0, preferably 0.8 to 2.5 and
Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9 und Chromium up to 1.5, preferably 0.1 to 0.9 and
Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,001 bis 0,1 und Nickel bis 0,9, vorzugsweise bis 0,2 und Molybdenum up to 0.9, preferably 0.001 to 0.1 and Nickel up to 0.9, preferably up to 0.2 and
Titan bis 0,2 vorzugsweise 0,02 bis 0,1 und Titanium up to 0.2 preferably 0.02 to 0.1 and
Vanadin bis 0,2 und Vanadium up to 0.2 and
Wolfram bis 0,2 und Tungsten up to 0.2 and
Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 und Aluminium up to 0.2, preferably 0.02 to 0.07 and
Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 und Boron up to 0.01, preferably 0.0005 to 0.005 and
Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008 und Sulphur max. 0.01, preferably max. 0.008 and
Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01 und Phosphorus max. 0.025, preferably max. 0.01 and
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Rest iron and smelting-related impurities.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung eines derartigen Stahlbandes welches mit einem vorgenannten Verfahren hergestellt ist, in einem Verfahren, in dem ein Stahlblech umgeformt und zum Zwecke der Austenitisierung erhitzt und abschreckgehärtet wird. A further aspect of the invention relates to the use of such a steel strip, which is produced by an aforementioned method, in a process in which a steel sheet is formed and heated and quench-hardened for the purpose of austenitization.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei: The invention is explained by way of example with reference to a drawing. It shows:
Figur 1: der Herstellungsweg beim Formhärteprozess bzw. phs-ultraform Prozess nach dem Stand der Technik; Figure 1: the manufacturing process for the form hardening process or phs-ultraform process according to the state of the art;
Figur 2: den Herstellungsweg beim Warmumformprozess bzw. Presshärten bzw. phs- directform Prozess nach dem Stand der Technik; Figure 2: the manufacturing process for the hot forming process or press hardening or phs-directform process according to the state of the art;
Figur 3: den Herstellungsweg einer Variante des mehrstufigen Warmumformprozess bzw. mehrstufigen Presshärten bzw. phs-multiform Prozess nach dem Stand der Technik; Figure 3: the manufacturing process of a variant of the multi-stage hot forming process or multi-stage press hardening or phs-multiform process according to the state of the art;
Figur 4: ein Anlagenschema einer Feuerverzinkungsanlage nach dem Stand der Technik; Figure 4: a plant diagram of a state-of-the-art hot-dip galvanizing plant;
Figur 5: ein Anlagenschema einer elektrolytischen Verzinkungsanlage nach dem Stand der Technik; Figure 5: a plant diagram of a state-of-the-art electrolytic galvanizing plant;
Figur 6: eine Tabelle mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen mit unterschiedlichen Werten an Kalium und/oder Lithium; Figur 7: eine Aufheizkurve am Beispiel 22MnB5 Z140 bei 1,5 mm Blechdicke mit einer erfindungsgemäßen Konditionierung im Vergleich zu einer Aufheizkurve nach dem Stand der Technik; Figure 6: a table with different embodiments with different values of potassium and/or lithium; Figure 7: a heating curve using the example of 22MnB5 Z140 at a sheet thickness of 1.5 mm with a conditioning according to the invention in comparison with a heating curve according to the prior art;
Figur 8: die Heizraten der Figur 7 am Beispiel 22MnB5 Z140 bei 1,5 mm Blechdicke mit einer erfindungsgemäßen Konditionierung im Vergleich zu einer Aufheizkurve nach dem Stand der Technik. Figure 8: the heating rates of Figure 7 using the example of 22MnB5 Z140 at 1.5 mm sheet thickness with a conditioning according to the invention in comparison to a heating curve according to the prior art.
Erfindungsgemäß wird die Oberfläche eines verzinkten Metallblechs, insbesondere Stahlblechs, welches in einem Formhärteprozess in mehreren Stufen zunächst kalt umgeformt wird und anschließend als Bauteilrohling aufgeheizt, in eine Formhärtewerkzeug überführt und darin gehärtet wird mit Lithium- und/oder Kaliumlösung konditioniert, wobei nachfolgend auf die Konditionierung eingegangen wird. According to the invention, the surface of a galvanized metal sheet, in particular steel sheet, which is first cold formed in a form hardening process in several stages and then heated as a component blank, transferred to a form hardening tool and hardened therein, is conditioned with lithium and/or potassium solution, the conditioning being discussed below.
Die einsetzbaren Kalium- und Lithiumlösungen wurden bereits aufgeführt, insbesondere geeignet ist eine Konditionierungslösung mit einer Konzentration, welche folgender Formel folgt: [c] = [KOH] + 2 * [LiOH.H2O], wobei [c] zwischen 10 und 200 g/l liegt. The potassium and lithium solutions that can be used have already been listed, but a conditioning solution with a concentration that follows the following formula is particularly suitable: [c] = [KOH] + 2 * [LiOH.H 2 O], where [c] is between 10 and 200 g/l.
Die Konzentration der Lithiumlösung [LiOH.H2O] liegt zwischen 0 und 100 g/l und die Kaliumlösung [KOH] liegt zwischen 0 und 200 g/l. The concentration of the lithium solution [LiOH.H 2 O] is between 0 and 100 g/l and the potassium solution [KOH] is between 0 and 200 g/l.
Hierbei wird mit einer basischen Lösung gearbeitet, welche einen pH-Wert von 10-14 aufweist. This involves working with a basic solution which has a pH value of 10-14.
Hierbei wird mit sehr dünnen Schichtdicken gearbeitet, welche wässrig 0,5-3 pm betragen, insbesondere 0,5 - 1,5 pm, und getrocknet 50-300 nm dick sind, insbesondere 75 - 125 nm, insbesondere 80 - 100 nm beträgt. Very thin layer thicknesses are used, which are 0.5-3 pm in aqueous solution, in particular 0.5 - 1.5 pm, and 50-300 nm thick when dried, in particular 75 - 125 nm, in particular 80 - 100 nm.
Die Kaliumbelegung bei der Verwendung von Kaliumhydroxid KOH liegt bei 0-140 mg Kalium pro m2, inserbesondere 50 - 100 mg/m2 Kalium. Die Lithiumbelegung bei der Verwendung von liegt bei 10 - 40 mg Lithium pro m2, insbesondere 15 - 35 mg/m2, und insbesondere 20 - 30 mg/m2 Lithium. The potassium occupancy when using potassium hydroxide (KOH) is 0-140 mg potassium per m 2 , in particular 50-100 mg/m 2 potassium. The lithium occupancy when using is 10-40 mg lithium per m 2 , in particular 15-35 mg/m 2 , and especially 20-30 mg/m 2 lithium.
In den Figuren 1 bis 3 sieht man herkömmliche Verfahren, bei denen ein verzinktes Stahlblech, bei dem die Zinkschicht ein sauerstoffaffines Element enthält, beispielsweise Aluminium, entweder vor dem Umformen austenitisiert wird oder nach dem Umformen austeniti- siert wird und jeweils in einer Presse abschreckgehärtet wird. Dies entspricht dem phs-ultra- form Verfahren (Figur 1) wobei nach einer Kaltumformung dann das umgeformte Teil über Ac3 austenitisiert und nachfolgend formgehärtet wird. In Figur 2 wird das phs-directform Verfahren dargestellt, in welchem zuerst die Platine austenitisiert wird und im warmen Zustand umgeformt wird und danach der Beschnitt erfolgt. Figur 3 zeigt eine Variante hierfür, den sogenannten phs-multiform Prozess, in welchem nach der Austenitisierung und einer optionalen Vorkühlung auf insbesondere 450 °C bis 650 °C ein mehrstufiger Prozess mit mehreren Umformschritten bzw. Schneid- und Stanzvorgängen welche im Begriff "Warmumformschritte" subsummiert sind, erfolgen. Nach dem Härten besitzen die derart wärmebehandelten Bleche an der Oberfläche eine Schicht insbesondere aus Aluminiumoxid und Zinkoxid, welche vorzugsweise abgereinigt wird. Figures 1 to 3 show conventional processes in which a galvanized steel sheet, in which the zinc layer contains an oxygen-affine element, such as aluminum, is either austenitized before forming or after forming and quench-hardened in a press. This corresponds to the phs-ultraform process (Figure 1), in which, after cold forming, the formed part is then Ac3 austenitized and then hot-formed. Figure 2 illustrates the phs-directform process, in which the blank is first austenitized and hot-formed, followed by trimming. Figure 3 shows a variant of this, the so-called phs-multiform process, in which, after austenitization and optional pre-cooling to, in particular, 450°C to 650°C, a multi-stage process with several forming steps, or cutting and punching operations, subsumed under the term "hot-forming steps," takes place. After hardening, the sheets heat-treated in this way have a layer on their surface, particularly of aluminum oxide and zinc oxide, which is preferably cleaned off.
Erfindungsgemäß konnte herausgefunden werden, dass die Konditionierung der Oberfläche mit sehr geringen Mengen an Kaliumhydroxid und/oder Lithiumhydroxid offensichtlich derart stark in die Bildung der Oxidschicht eingreift, dass diese in dieser Form nicht entsteht bzw. soweit konditioniert wird, dass sie nicht abgereinigt werden muss. According to the invention, it was found that conditioning the surface with very small amounts of potassium hydroxide and/or lithium hydroxide obviously intervenes so strongly in the formation of the oxide layer that it does not form in this form or is conditioned to such an extent that it does not need to be cleaned off.
Die Figuren 4 und 5 zeigen eine Feuerverzinkungsanlage bzw. eine elektrolytische Verzinkungsanlage. Hierbei kann die Aufbringung der Kaliumhydroxidlösung und/oder der Lithiumhydroxid lösung vorzugsweise im Bereich der chemischen Passivierung (in Figur 4) bzw. der Station "Passivieren" (in Figur 5) vorgenommen werden. Figures 4 and 5 show a hot-dip galvanizing plant and an electrolytic galvanizing plant, respectively. The application of the potassium hydroxide solution and/or the lithium hydroxide solution can preferably be carried out in the chemical passivation area (in Figure 4) or the passivation station (in Figure 5).
In Figur 6 ist eine Tabelle mit unterschiedlichen Ausführungsbeispielen mit unterschiedlichen Werten an Kaliumhydroxid und/oder Lithiumhydroxid dargestellt. Figure 6 shows a table with different embodiments with different values of potassium hydroxide and/or lithium hydroxide.
Man erkennt die Wirksamkeitsgrenze von KOH bzw. LiOH an unterschiedlichen Beispielen. Hierfür wurde eine wässrige Lösung mit entsprechenden Werten in g/l an KOH bzw. LiOH auf ein Stahlband der Güte 22MnB5 mit einer Zinkbeschichtung Z140 auf einem 1,5 mm dicken Stahlblech aufgebracht. Diese wässrige Lösung wurde mittels Rollcoater aufgebracht und eine 1 pm dicke wässrige Lösung mit entsprechender Zugabe an KOH und/oder LiOH erzeugt. The effectiveness limits of KOH and LiOH can be seen in various examples. For this example, an aqueous solution with the corresponding values in g/l of KOH or LiOH was applied to a 22MnB5 steel strip with a Z140 zinc coating on a 1.5 mm thick steel sheet. This aqueous solution was applied using a roll coater, and a 1 pm thick aqueous solution was created with the appropriate addition of KOH and/or LiOH.
Daher ergeben sich die Werte an mg/m2 an Kalium und/oder Lithium in der Tabelle, bei 1 pm dicke wässrige Lösungsschichten ergeben sich analoge Werte an g/l, bei anderen Schichtdicken müsste man dies entsprechend für die Lösung an g/l umrechnen. Daneben findet sich der Konzentrationsfaktor [c] welcher entsprechend der Formel c = K + 2 * Li errechnet wurde. Je nachdem ob der Faktor [c] innerhalb des Wertes von 10 bis 200 liegt, handelt es sich um ein erfindungsgemäßes oder nicht erfindungsgemäßes Beispiel. Des Weiteren findet sich in der Tabelle die durchschnittliche Heizrate in K/s bei einer Erwärmung des Stahlblechs bzw. der Platine bzw. des Rohlings von Raumtemperatur bis zur Austenitisierungstemperatur Ac3. Man erkennt, dass die erfindungsgemäßen Beispiele eine deutlich erhöhte Heizrate aufweisen, sich daher die Erwärmung rascher durchführen lässt, welche Energieeinsparungen bzw. CO2 Einsparungen ermöglichen kann. The values in mg/ m² of potassium and/or lithium are therefore given in the table. For 1 pm thick aqueous solution layers, analogous values in g/l result; for other layer thicknesses, this would have to be converted accordingly for the solution in g/l. Next to it is the concentration factor [c] which was calculated using the formula c = K + 2 * Li. Depending on whether the factor [c] lies within the value of 10 to 200, the example is according to the invention or not. Furthermore, the table shows the average heating rate in K/s when heating the steel sheet or the blank or the blank from room temperature to the austenitizing temperature Ac3. It can be seen that the examples according to the invention have a significantly increased heating rate, so that heating can be carried out more quickly, which can enable energy savings or CO2 savings.
Des Weiteren finden sich die Eigenschaften am fertigen Stahlbauteil hinsichtlich Phosphatier- barkeit (Lackierbarkeit), Lackunterwanderung, Schweißbarkeit und Übergangswiderstand. Hierbei steht für deutlich negative Auswirkung, für geringfügig negative Auswirkung, für vergleichbare Auswirkung, „+" für geringfügig verbesserte Auswirkung und „++" für deutlich verbesserte Auswirkung im Vergleich zum Stand der Technik, also in diesem Fall im Vergleich zu einem 22MnB5 bei 1,5mm Blechdicke mit Z140 Beschichtung ohne erfindungsgemäße Konditionierung. Furthermore, the properties of the finished steel component are shown with regard to phosphatability (paintability), paint penetration, weldability, and contact resistance. "+" represents a significantly negative effect, "+" represents a slightly negative effect, and "++" represents a significantly improved effect compared to the state of the art, i.e., in this case, compared to a 22MnB5 with a 1.5 mm sheet thickness and a Z140 coating without the inventive conditioning.
In Figur 7 ist eine Aufheizkurve am Beispiel 22MnB5 Z140 bei 1,5 mm Blechdicke mit einer erfindungsgemäßen Konditionierung im Vergleich zu einer Aufheizkurve nach dem Stand der Technik dargestellt. Es wurde dabei die wässrige Lösung mit 70 mg K/m2 und 4 mgLi/m2 verwendet. Figure 7 shows a heating curve for 22MnB5 Z140 at a sheet thickness of 1.5 mm, using conditioning according to the invention, compared to a heating curve according to the prior art. The aqueous solution used was 70 mg K/m 2 and 4 mg Li/m 2 .
In Figur 8 werden die Heizraten der Figur 7 am Beispiel 22MnB5 Z140 bei 1,5 mm Blechdicke mit einer erfindungsgemäßen Konditionierung im Vergleich zu einer Aufheizkurve nach dem Stand der Technik dargestellt. Figure 8 shows the heating rates of Figure 7 using the example of 22MnB5 Z140 at a sheet thickness of 1.5 mm with a conditioning according to the invention in comparison to a heating curve according to the prior art.
Beide Figuren (Figur 7 und Figur 8) zeigen deutlich, dass die Heizrate durch die erfindungsgemäße Konditionierung erhöht werden kann und die Zeit bis zum Erreichen der Ac3 Temperatur verkürzt werden können. Both figures (Figure 7 and Figure 8) clearly show that the heating rate can be increased by the conditioning according to the invention and the time until the Ac3 temperature is reached can be shortened.
Die Aufbringung kann inline am Band erfolgen bevor dies zu einzelnen Platinen geschnitten wird. Darüber hinaus können auch die aus dem Band ausgeschnittenen Platinen entsprechend beschichtet werden. The coating can be applied inline on the strip before it is cut into individual blanks. Furthermore, the blanks cut from the strip can also be coated accordingly.
Anschließend werden die Platinen in einem insbesondere mehrstufigen Prozess zu einem Bauteilrohling umgeformt. Auch eine Beschichtung erst des Bauteilrohlings mit der Kalium und/oder Lithiumhältigen Lösung ist denkbar. Es hat sich aber gezeigt, dass die Kalium- und/oder Lithiumbeschichtung auch die Umformprozesse gut verträgt. The circuit boards are then formed into a component blank in a particularly multi-stage process. It is also conceivable to first coat the component blank with the potassium and/or lithium-containing solution. However, it has been shown that the potassium and/or lithium coating also tolerates the forming processes well.
Anschließend wird ein so erhaltender Bauteil roh ling auf eine Temperatur aufgeheizt, die eine Gefügeänderung hin zum Austenit bewirkt. Der austenitisierte Bauteilrohling wird dann anschließend einem Formhärtewerkzeug zugeführt, in dem der Bauteil roh ling mittels des Anliegens eines Ober- und Unterwerkzeuges, welche im Wesentlichen die Form des Rohlings haben bzw. dazu korrespondieren in einem Hub gehärtet wird. Durch das Anliegen des Materials des Bauteilrohlings an den insbesondere gekühlten Werkzeugen wird dem Stahlmaterial die Wärme so schnell entzogen, dass es zu einer martensitischen Härtung kommt. Subsequently, the resulting component blank is heated to a temperature that causes a structural change towards austenite. The austenitized component blank is then fed to a form hardening tool, in which the component blank is hardened in one stroke by means of an upper and lower tool, which essentially have the shape of the blank or correspond to it. By applying the When the material of the component blank is brought into contact with the cooled tools, the heat is removed from the steel material so quickly that martensitic hardening occurs.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass es gelingt, die Oberfläche eines für das Formhärten oder Presshärten vorgesehenen Stahlblechs so zu konditionieren, dass eine mechanische Endreinigung zur Beseitigung von oxidischen Oberflächenschichten entfallen kann, so dass derartige Bleche in gleicher Weise, wie zum Beispiel feueraluminierte Bleche, verarbeitet werden können, jedoch mit dem Vorteil, dass gegenüber feueraluminierten Blechen eine hohe kathodische Korrosionsschutzwirkung erreicht wird. The invention has the advantage that it is possible to condition the surface of a steel sheet intended for hot-dip or press hardening in such a way that a final mechanical cleaning to remove oxide surface layers can be omitted, so that such sheets can be processed in the same way as, for example, hot-dip aluminized sheets, but with the advantage that a high cathodic corrosion protection effect is achieved compared to hot-dip aluminized sheets.
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