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Title:
COMPONENT, PARTICULARLY A STRUCTURAL COMPONENT FOR A MOTOR VEHICLE, AND A METHOD FOR PRODUCING SUCH A COMPONENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/149918
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a component (10), particularly a structural component for a motor vehicle, comprising a main part (12) which is made from a hot-formable steel and at least one subsection of which is provided, prior to the heat treatment that precedes the hot-forming, with a coating (14) that comprises zinc and is formed from a zinc-cobalt manganese alloy, zinc cobalt, or zinc manganese. The invention also relates to a method for producing a component (10), particularly a structural component for a motor vehicle.

Inventors:
CLOSE DAMIEN (DE)
FEUSER PETER (DE)
LALLEMENT REGIS (DE)
MAYRHOFER ROBERT (DE)
RASCHKE FELIX (DE)
STEIN NICOLAS (FR)
TIDU ALBERT (FR)
Application Number:
EP2015/000644
Publication Date:
October 08, 2015
Filing Date:
March 26, 2015
Export Citation:
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Assignee:
DAIMLER AG (DE)
International Classes:
C21D8/02; C21D1/673; C22C18/00; C23C2/06
Domestic Patent References:
WO2015027972A12015-03-05
WO2013056848A12013-04-25
Foreign References:
EP1630244A12006-03-01
JP2004018971A2004-01-22
Other References:
BOZZINI B ET AL: "Electrodeposition and Plastic Behavior of Low-Manganese Zinc-Manganese Alloy Coatings for Automotive Applications", METAL FINISHING, ELSEVIER, NEW YORK, NY, US, vol. 97, no. 5, May 1999 (1999-05-01), pages 33 - 42, XP004216744, ISSN: 0026-0576
FAN D W ET AL: "State-of-the-knowledge on coating systems for hot stamped parts", STEEL RESEARCH INTERNATIONAL, VERLAG STAHLEISEN GMBH., DUSSELDORF, DE, vol. 83, no. 5, May 2012 (2012-05-01), pages 412 - 433, XP009176185, ISSN: 1611-3683, [retrieved on 20120316]
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Claims:
Patentansprüche

Bauteil (10), insbesondere Strukturbauteil für einen Kraftwagen, mit einem aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper (12), welcher vor der der Warmumformung vorausgehenden Wärmebehandlung zumindest in einem Teilbereich mit einer Zink aufweisenden Beschichtung (14) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass

die Beschichtung (14) aus einer Zink-Kobalt-Mangan-Legierung, aus einer Zink-Kobalt-Legierung oder aus einer Zink-Mangan-Legierung mit einem

Gewichtsanteil von über 15% Mangan ausgebildet ist.

Bauteil (10) nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Gewichtsanteil von Kobalt an der Zink-Kobalt-Mangan-Legierung der

Beschichtung (14) bis zu 15 Prozent beträgt.

Bauteil (10) nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, dass

der Gewichtsanteil von Mangan an der Zink-Kobalt-Mangan-Legierung der Beschichtung (14) bis zu 70 Prozent beträgt.

Bauteil ( 0) nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Beschichtung (14) direkt auf dem Grundkörper (12) angeordnet ist und diesen berührt.

5. Verfahren zum Herstellen eines Bauteils ( 0), insbesondere eines Strukturbauteils für einen Kraftwagen, bei welchem zumindest in einem Teilbereich eines aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörpers (12) eine Zink

aufweisende Beschichtung (14) aufgetragen und anschließend zusammen mit der Beschichtung (14) warmumgeformt wird,

dadurch gekennzeichnet, dass

als Beschichtung (14) eine Zink-Kobalt-Mangan-Legierung, Zink-Kobalt-Legierung oder Zink-Mangan-Legierung aufgetragen wird.

Description:
Bauteil, insbesondere Strukturbauteil für einen Kraftwagen, sowie Verfahren zum

Herstellen eines solchen Bauteils

Die Erfindung betrifft ein Bauteil, insbesondere ein Strukturbauteil für einen Kraftwagen, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauteils der in den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche angegebenen Art.

Ein solches Bauteil und Verfahren sind beispielsweise aus der WO 2013/056848 A1 als bekannt zu entnehmen. Das Bauteil weist ein aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper auf, welcher zumindest in einem Teilbereich mit einer

Beschichtung versehen ist. Die Beschichtung weist zumindest Zink auf. Üblicherweise wird eine wenigstens eine Schicht aufweisende Beschichtung auch als

Beschichtungssystem bezeichnet.

Im Rahmen eines Verfahrens zum Herstellen eines solchen Bauteils wird der Grundkörper zumindest in einem Teilbereich mit der Beschichtung versehen und zusammen mit der Beschichtung warmumgeformt.

Bei dem Grundkörper handelt es sich beispielsweise um ein warmumformbares Blech, wobei der Grundkörper zum Beispiel aus Borstahl gebildet ist. Im Rahmen einer

Warmumformung wird der Grundkörper zusammen mit der Beschichtung hohen

Temperaturen ausgesetzt.

Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind dabei zwei Beschichtungssysteme für warmumformbare Stahlbleche bekannt: bei einem ersten dieser Beschichtungssysteme handelt es sich um eine Feuerverzinkung, wobei es sich bei dem zweiten

Beschichtungssystem um eine Feueraluminierung handelt. Dies bedeutet, dass der Stahl des Grundkörpers entweder feuerverzinkt oder feueraluminiert ist. Feuerverzinkte oder feueraluminierte Stähle kommen in der Serienproduktion von pressgehärteten

Strukturbauteilen, insbesondere für Kraftwagen, zum Einsatz, da durch diese im

Karosseriebau Gewichtsreduzierungen im Vergleich zu konventionellen Stählen erreicht werden können. Feuerverzinkte Stähle bieten eine gute Korrosionsbeständigkeit aufgrund der reduzierten elektrochemischen Spannung im Vergleich zum Stahlsubstrat

(kathodischer Korrosionsschutz). Hierdurch sind folgende Phänomene bei dieser Art der Beschichtung problematisch: während der Warmumformung entsteht bei hohen

Temperaturen eine Flüssigmetallversprödung. Flüssiges Zink diffundiert in Korngrenzen des Stahlsubstrats und führt zur Rissbildung in dem Substrat. Dieses Phänomen kann durch eine zweistufige Umformung vermieden werden. Hierbei erfolgt eine konventionelle Umformung bei Raumtemperatur.

Anschließend erfolgt ein Presshärten mit geringem Umformungsgrad. Dabei erfolgt eine Verdampfung der Zinkauflage, was einen Verlust von Korrosionsschutzmaterial bedeutet. Ferner erfolgt eine Oxidation der Zinkauflage. Als Konsequenz werden diese Bauteile nach dem Umformprozess gereinigt oder gestrahlt, um beispielsweise Lackierarbeiten zu ermöglichen. Die Diffusionsphänomene von Eisen in die Beschichtung, aufgrund der Prozesstemperaturen bei der Warmumformung, verursachen eine Erhöhung des

Eisen-Anteils auf der Oberfläche und eine Reduzierung des kathodischen Schutzes. Dadurch tritt Rotrost auf der Bauteiloberfläche auf.

Feueraluminierte Stähle weisen eine gute Umformeigenschaft beim einstufigen

Presshärten ohne Flüssigmetallversprödung und ohne Rissbildung im Stahlsubstrat auf. Eine solche Beschichtung führt zu stabilen Korrosionsprodukten und eine Reinigung des warmumgeformten Produkts ist nicht erforderlich. Jedoch ist bei dieser Art von

Beschichtung folgendes Phänomen problematisch: eine Feueraluminierung bietet keinen galvanischen Schutzeffekt. Mit anderen Worten kann das Bauteil nicht durch das Prinzip der Opferanode vor Korrosion beschützt werden. Die Diffusionsphänomene von Eisen in die Beschichtung, aufgrund der Prozesstemperaturen bei der Warmumformung, verursachen auch hier eine Erhöhung des Eisen-Anteils auf der Oberfläche, wodurch Rotrost auf der Bauteiloberfläche auftritt.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauteil sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, wodurch ein verbesserter Korrosionsschutz und verbesserte Umformeigenschaften beim Presshärten erzielt werden können.

Diese Aufgabe wird durch ein Bauteil sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Um einen verbesserten Korrosionsschutz und verbesserte Umformeigenschaften beim Presshärten eines Bauteils zu erzielen, ist es bei dem erfindungsgemäßen Bauteil vorgesehen, dass die Beschichtung aus einer Zink-Cobalt-Mangan-Legierung ausgebildet ist. Alternativ ist die Beschichtung aus einer Zink-Kobalt (ZnCo)-Legierung oder

Zink-Mangan (ZnMn)- Legierung gebildet. Die Voraussetzung ist, dass die Beschichtung bereits vor der der Warmumformung bzw. dem Presshärten vorausgehenden

Wärmebehandlung ausgebildet ist.

Mit allen drei Legierungssorten (Zn mit Mangan, Zn mit Kobalt und Zn mit Mangan und Kobalt) können deutliche Erhöhungen der Schmelztemperatur der Beschichtung gegenüber einer Beschichtung aus reinem Zink (Zn) erzielt werden, wodurch eine

Flüssigmetallversprödung stark reduziert werden kann. Des Weiteren kann eine

Zink-Verdampfung im Vergleich zur Ausgestaltung der Beschichtung aus reinem Zink gemindert werden.

Bevorzugter Weise liegt bei der Beschichtung mit einer Zn-Co-Legierung der Anteil von Kobalt bei mindestens 0,1 Gew. % und maximal 40 Gew. %, besonders bevorzugt bei etwa 15 Gew. %.

Erfindungsgemäß liegt bei der Legierung von Zink mit Mangan der Anteil von Mangan bei mehr als 15 Gew. % und maximal 40 Gew. %. Bei etwas über 5 Gew. % lässt sich eine Schmelztemperatur von 640°C und bei 40 Gew. % eine Schmelztemperatur von 900°C erreichen. An dieser Stelle soll noch einmal betont werden, dass die Zulegierung von Mangan nicht die Minderung der Oxidierung von Zink-Material erzielen soll, sondern vielmehr eine deutliche Erhöhung der Schmelztemperatur ermöglicht, wodurch die

Flüssigmetallversprödung vermindert bzw. verhindert wird.

Die aus Zink-Mangan oder Zink-Kobalt gebildete Beschichtung stellt eine zinklegierte Auflage dar, welche einen kathodischen Korrosionsschutz bietet, denn ZnMn und ZnCo bilden stabile Korrosionsprodukte mit einer geringen Auflösungsgeschwindigkeit nach der Bildung von ZnCo und ZnMn intermetallischen Phasen.

Der Erfindung liegt die Idee beziehungsweise die Erkenntnis zugrunde, dass bei warmumgeformten Bauteilen, insbesondere bei pressgehärteten Bauteilen, insbesondere zwei Oxidationsphänomene auftreten können. Ein erstes dieser Oxidationsphänomene wird beispielsweise am Fahrzeug durch eine Belastung des Bauteils durch eine wässrige Umgebung mit Salzen bewirkt. Zum zweiten Oxidationsphänomen kann es bei der Bauteilherstellung selbst kommen. Das zweite Oxidationsphänomen wird beispielsweise durch eine oxidierende Umgebung während der Erwärmungsphase des Presshärtens bewirkt.

Um nun das erste Oxidationsphänomen zu vermeiden, können beispielsweise

Korrosionsschutzschichten als Opferanode verwendet werden. Eine Opferanode weist ein geringeres elektrochemisches Potential im Vergleich zu Außenlegierungen auf. Um beispielsweise das zweite Oxidationsphänomen zu vermeiden, kann eine Deckschicht verwendet werden. Diese Deckschicht weist eine Sperre gegen Oxidation der darunter liegenden Schichten auf und unterdrückt die Verdampfung. Die Flüssigmetallversprödung und die Diffusion von Eisen in die Beschichtung werden durch die Verwendung einer legierten oder keramischen Schicht mit einem erhöhten Schmelzpunkt vermieden. Hierzu ist es vorzugsweise vorgesehen, wenn die Beschichtung direkt auf das Stahlsubstrat aufgebracht ist, das heißt das Stahlsubstrat berührt.

Herkömmlicherweise werden Antikorrosions-Beschichtungssysteme für Stahlbleche so gewählt, dass sie möglichst kostengünstig sind. Bei kaltumgeformten Blechen mag dies begründet sein. Beim Warmumformen jedoch spielen die Kosten, insbesondere die Materialkosten, eine untergeordnete Rolle, da das Verfahren des Warmumformens an sich so kostenintensiv ist, dass zusätzliche Kosten zum Herstellen der Beschichtung vernachlässigbar sind. Daher ist bei der Auswahl von Beschichtungen für

warmumgeformte Bleche das Hauptziel, einen möglichst guten Korrosionsschutz zu erreichen, auch wenn das zugehörige Beschichtungssystem in Bezug auf Applikation und/oder Materialkosten kostenintensiv ist. Dieses Ziel kann beim erfindungsgemäßen Bauteil realisiert werden.

Insbesondere die Verwendung einer ZnMn-Beschichtung oder einer ZnCo-Beschichtung, insbesondere als einzige Schicht, kann eine besonders hohe Korrosionsschutzwirkung erzielt werden, denn ZnMn und ZnCo bilden stabile Korrosionsprodukte mit einer geringen Auflösungsgeschwindigkeit nach der Bildung von ZnCo und ZnMn intermetallischer Phasen.

Hinsichtlich der erfindungsgemäßen Legierung von Zink mit Mangan und Kobalt

(Zn-Mn-Co), erhöht sich bei einem Gewichtsanteil von beispielsweise einem Prozent des Kobalts die Schmelztemperatur der Beschichtung von circa 420 °C bei reinem Zink auf circa 567 °C. Durch die Legierung von Zink mit Mangan kann insbesondere der kathodische Korrosionsschutz stark erhöht werden, da Mangan ein niedrigeres elektrochemisches Potential als reines Zink aufweist. Bei einem Gewichtsanteil von 23 Prozent Mangan erhöht sich die Schmelztemperatur von 420 °C bei reinem Zink auf circa 740 °C. Zudem kann auch hier eine Zink-Verdampfung im Vergleich zur Ausgestaltung der Beschichtung aus reinem Zink gemindert werden.

Außerdem entstehen sehr stabile Korrosionsprodukte mit geringer Auflösegeschwindigkeit bei der Legierung von Zink mit Mangan und Kobalt. Dadurch werden die

Korrosionsschutzeigenschaften erheblich verbessert.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Gewichtsanteil von Kobalt an der Zink-Kobalt-Mangan-Legierung bis zu 15 Prozent beträgt. In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Gewichtsanteil von Mangan an der Zink-Kobalt-Mangan-Legierung der Beschichtung bis zu 70 Prozent beträgt. Durch die Verwendung von bis zu 15 Gewichtsprozent Kobalt und bis zu 70 Gewichtsprozent Mangan werden besonders gute Werkstoffeigenschaften bei dem Bauteil erzielt.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, insbesondere eines Strukturbauteils für einen Kraftwagen, wird zuerst zumindest in einem Teilbereich eines aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper eine Zink aufweisende Beschichtung aufgetragen und dann anschließend zusammen mit der Beschichtung warmumgeformt, insbesondere pressgehärtet. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dabei dadurch aus, dass die Beschichtung aus einer Zink-Kobalt-Mangan-Legierung oder Zink-Mangan-Legierung oder Zink-Kobalt-Legierung ausgebildet ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauteils sind dabei als vorteilhafte

Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und

Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen

Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine schematische Schnittansicht eines Bauteils, welches einen aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper umfasst, der zumindest in einem Teilbereich mit einer Beschichtung versehen ist, die aus einer Legierung aus Zink-Kobalt oder Zink-Mangan oder Zink-Mangan-Kobalt gebildet ist.

Ein Bauteil 10, bei welchem es sich beispielsweise um ein Strukturbauteil für einen Kraftwagen handeln kann, ist in einer schematischen Darstellung in der einzigen Figur gezeigt. Das Bauteil 10 umfasst einen aus einem warmumformbaren Stahl gebildeten Grundkörper 12. Der Grundkörper 12 ist in einem Teilbereich mit einer Beschichtung 14 versehen. Die Beschichtung 14 ist aus einer Zink-Kobalt-Mangan-Legierung ausgebildet, kann jedoch genauso gut aus einer Zink-Kobalt- oder Zink-Mangan-Legierung bestehen.

Mit anderen Worten wird durch die Beschichtung 14 ein Beschichtungssystem

bereitgestellt. Das Bauteil 10 kann insbesondere im Karosseriebau eingesetzt werden, wobei das Bauteil 10 vorzugsweise dafür pressgehärtet wird, d.h. die Presshärtung des Bauteils 10 erfolgt nach dessen Beschichtung, die vorher im Zuge eines Coil-Coatings aufgebracht wurde. Bei konventionellen Zinkauflagen beziehungsweise aus Zink ausgebildeten Beschichtungen besteht das Problem, dass insbesondere beim einstufigen Presshärten aufgrund von mechanischen und thermischen Spannungen bei der

Warmumformung Rissbildungen im Grundkörper 12 entstehen. Aufgrund der aus einer Zink-Kobalt -Mangan-Legierung bzw. Zink-Kobalt-Legierung (ZnCo) bzw.

Zink-Mangan-Legierung (ZnMn) ausgebildeten Beschichtung 14 werden die

Korrosionsschutzeigenschaften des Bauteils 10 beim Presshärten erheblich verbessert.

Durch die Legierung von Zink mit Mangan wird der kathodische Korrosionsschutz des Bauteils 10 beim Presshärten stark erhöht, da Mangan ein niedrigeres elektro-chemisches Potential als reines Zink aufweist. Außerdem wird die Schmelztemperatur der mit Mangan legierten Beschichtung 14 gegenüber einer reinen Verwendung von Zink erhöht. Bei reinem Zink beträgt die Schmelztemperatur circa 420 °C wohingegen bei einem

Gewichtsanteil des Mangans von 23 Prozent sich die Schmelztemperatur der

Beschichtung 14 auf circa 740 °C erhöht.

Die Legierung von Zink mit Cobalt führt ebenfalls zur Erhöhung der Schmelztemperatur der Beschichtung 14, wodurch insbesondere die Flüssigmetallversprödung stark reduziert werden kann. Bei einem Gewichtsanteil des Cobalts von einem Prozent erhöht sich die Schmelztemperatur gegenüber reinem Zink von 420 °C auf circa 567 °C.

Durch die Ausbildung der Beschichtung 14 aus der Zink-Kobalt-Mangan-Legierung (Zn-Co-Mn) entstehen sehr stabile Korrosionsprodukte mit geringer

Auflösungsgeschwindigkeit. Durch die beschriebene Zusammensetzung der Beschichtung 14 werden also die Korrosionsschutzeigenschaften des Bauteils 10 verbessert.

Besonders gute Werkstoffeigenschaften werden bei einer Verwendung von bis zu 15 Gewichtsprozent Kobalt und bis zu 70 Gewichtsprozent Mangan in der Beschichtung 14 erzielt.

Vorliegend ist die Beschichtung 14 direkt auf den Grundkörper 12 aufgebracht, sodass die Beschichtung 14 den Grundkörper 12 berührt. Die Beschichtung 14 weist genau eine Schicht auf.

Auch durch die Verwendung von Zink-Mangan oder Zink-Kobalt kann eine besonders hohe Korrosionsschutzwirkung erzielt werden. Ferner weist die Beschichtung 14 einen höheren Schmelzpunkt als reines Zink auf. Des Weiteren lassen sich im Vergleich zu reinem Zink die Flüssigmetallversprödung und die Zink-Verdampfung, insbesondere beim Warmumformen, zumindest mindern.

Der Grundkörper 12 ist vorzugsweise aus einem härtbaren Stahl oder einem Tiefziehstahl gebildet, wobei es sich beispielsweise um einen Borstahl beziehungsweise

Mangan-Bor-Stahl und mikrolegierte Stähle handeln kann.

Die Beschichtung 14 aus den erfindungsgemäßen Legierungssorten kann beispielsweise durch ein PVD-Verfahren (PVD- Physical Vapour Disposition - physikalische

Gasphasenabschaltung), ein CVD-Verfahren (CVD - Chemical Vapour Disposition - chemische Gasphasenabschaltung) in Tauchverfahren, ein Slurry-Verfahren, galvanische oder elektrolytische Verfahren sowie durch thermische Spritzen hergestellt

beziehungsweise auf den Grundkörper 12 aufgebracht werden.

Durch das Beschichtungssystem können besonders vorteilhafte mechanische

Eigenschaften des Bauteils 10 realisiert werden.

Beim Herstellen des Bauteils 0 wird zunächst in einem Teilbereich des Grundkörpers 12 die Beschichtung 14 aufgetragen. Anschließend wird der Grundkörper 2 zusammen mit der Beschichtung 14 warmumgeformt. Dabei wird der Grundkörper mit samt der

Beschichtung 14 über eine Austenitisierungstemperatur des Grundkörpers 12 erhitzt und dann in einem gekühlten Werkzeug umgeformt und schnell abgekühlt. Aufgrund der erläuterten Zusammensetzung der Beschichtung 14 wird insbesondere der kathodische Korrosionsschutz des Bauteils 10 nach dem Warmumformen gewährleistet.




 
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