Stahlblech

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf Profilbauteilen aus Stahlblech, insbesondere auf Struktur- oder Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen, in einem Durchlaufprozess.

Die Beschichtung von Profilbauteilen aus Stahlblech erfolgt mit dem Ziel, deren Eigenschaften zu verbessern. Hierdurch können insbesondere die Korrosionsbeständigkeit aber auch die Verschleißfestigkeit erhöht werden.

Verfahren zum Aufträgen von festhaftenden Beschichtungen aus formlosen Stoffen auf metallische Oberflächen sind im Stand der Technik bekannt. Hierzu zählen das Feuerverzinken ebenso wie das Spritzverzinken, das galvanische Verzinken oder das Sherardisieren (Diffusionsverzinkung). Das Sherardisieren ist in der DIN EN ISO 17668:2016 "Zink-Diffusionsschichten auf Eisen - Sherardisieren - Anforderungen" international spezifiziert. Der Prozess ist diffusionsgesteuert und wird über eine Wärmebehandlung ausgeführt, wobei eine Schicht über die Dampfphase des Zinks erzeugt wird. Die Schichtabscheidung erfolgt durch Phasenreaktion mit der Oberfläche der metallischen Profilbauteile, bei der eine Zink-Eisen-Legierungsschicht entsteht. Die Schicht wächst aus der Oberfläche der Profilbauteile und ist daher konturnah.

Durch die DE 10 2005 002 706 A1 zählt ein Verfahren zum Aufbringen einer festen metallischen Beschichtung, insbesondere aus Zink bzw. einer Zinklegierung, auf ein Profilbauteil aus Stahlblech zum Stand der Technik. Hierbei wird das Profilbauteil in einem Behandlungsraum mit einem Metallpulver eingenebelt. Das Metallpulver wird elektrostatisch auf der Oberfläche des Profilbauteils vollflächig abgeschieden. In einem sich anschließenden Wärmebehandlungsvorgang erfolgt ein Diffusionsprozess zwischen dem Stahlblech und dem Metallpulver, wobei die Beschichtung ausgebildet wird. Die Beschichtung der Profilbauteile erfolgt in einem Durchlaufprozess. Mit diesem an sich innovativen und rationellen Verfahren konnten jedoch bislang keine qualitativ befriedigenden Beschichtungen erzielt werden.

Die EP 2 271 784 B1 offenbart ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines metallischen Profilbauteils mit Zink, welches als Sherardisierverfahren durchgeführt wird. Die zu beschichtenden Profilbauteile werden zusammen mit Zink als Beschichtungsmittel bei einer Temperatur zwischen 200°C und 500°C in einem Reaktionsraum wärmebehandelt. Bei dem Reaktionsraum handelt es sich insbesondere um langsam rotierende geschlossene Behälter, beispielsweise einer Trommel oder einem Drehofen. Vor dem Beginn der Wärmebehandlung wird der Sauerstoffgehalt der in dem Reaktionsraum enthaltenen Atmosphäre auf weniger gleich 5 Vol.-% eingestellt. Des Weiteren wird dem Reaktionsraum vor der Wärmebehandlung ein Flussmittel zugeführt.

Dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwändig und kostenintensiv.

Generell ist anzumerken, dass das Sherardisierverfahren mit einer Wärmebehandlung in langsam rotierenden geschlossenen Behältern bzw. Retorten sehr aufwändig und zeitintensiv ist. Hierbei wird neben der Retorte auch gegebenenfalls ein Füllstoff erhitzt, so dass große thermische Massen erhitzt werden müssen. Die Temperatur des Beschichtungsgutes wird indirekt über die Trommelwand gesteuert. Dieser Prozess ist sehr träge und schlecht steuerbar. Zudem erfolgt die Erwärmung der Bauteile indirekt über die Aufheizung der Retorte. Dies hat zur Folge, dass die Materialeigenschaften der zu beschichtenden Profilbauteile nachteilig beeinflusst werden können.

Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein rationelles und effizientes Verfahren zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Beschichtungen auf Profilbauteilen aus Stahlblech aufzuzeigen.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren nach Anspruch 1.

Vorteilshafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 11.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf Profilbauteilen aus Stahlblech in einem Durchlaufprozess sieht folgende Schritte vor:

- Bereitstellen von zumindest bereichsweise gehärteten, insbesondere pressgehärteten, Profilbauteilen,

- Beladen eines Transportsystems mit den Profilbauteilen,

- Reinigen der Profilbauteile,

- Antioxidationsbehandlung der Profilbauteile,

- Aufbringen von Metallpulver auf die Oberfläche der Profilbauteile,

- Wärmebehandlung der Profilbauteile in einem Durchlaufofen, bei welcher durch einen Diffusionsprozess zwischen den Profilbauteilen und dem Metallpulver die Beschichtung ausgebildet wird,

- Entladen der Profilbauteile vom Transportsystem.

Die Beschichtung erfolgt in einem Durchlaufprozess. Hierzu werden pressgehärtete Profilbauteile bereitgestellt und diese auf ein Transportsystem beladen. Bei dem Transportsystem handelt es sich um einen Stetigförderer, auf dem die Profilbauteile in einer Kette kontinuierlich oder in Einheiten zusammengefasst diskontinuierlich durch den Prozess bewegt werden. Der Transport der Profilbauteile kann liegend, stehend oder hängend erfolgen, insbesondere beinhaltet das Transportsystem eine Hängeförderanlage. Die Profilbauteile sind am Transportsystem allseitig zugänglich. Auf dem Transportsystem werden die Profilbauteile einer mechanischen Reinigung unterzogen. An die mechanische Reinigung, insbesondere einer Strahlbehandlung, schließt sich eine Antioxydationsbehandlung der Profilbauteile an, bevor diese mit einem Metallpulver beaufschlagt werden, so dass sich Metallpulver vollflächig auf der Oberfläche der Profilbauteile ablegt. Hierauf werden die Profilbauteile am Transportsystem in einen Durchlaufofen überführt und wärmebehandelt derart, dass durch einen Diffusionsprozess zwischen den Profilbauteilen und dem Metallpulver die Beschichtung ausgebildet wird. Nach Verlassen des Durchlaufofens werden die Profilbauteile vom Transportsystem entladen.

Erfindungswesentlicher Aspekt ist die Antioxidationsbehandlung vor dem Aufbringen des Metallpulvers auf die Oberfläche der Profilbauteile und der Wärmebehandlung der Profilbauteile in einem Durchlaufofen. Diese Maßnahme verhindert den negativen Einfluss von Sauerstoff an der Oberfläche der zu beschichtenden Profilbauteile. Sauerstoff führt zur Oxidation an den zu beschichtenden Oberflächen und verhindert bzw. verschlechtert die Diffusion zwischen dem Beschichtungsstoff und dem Beschichtungsgut, also dem Metallpulver und den Profilbauteilen.

Insbesondere handelt es sich bei den Profilbauteilen um warmumgeformte und pressgehärtete Profilbauteile. Hierbei wird ein Stahlblech aus einem borlegierten Stahl, insbesondere einer Bor-Mangan-Stahl-Legierung, auf eine Temperatur über AC3 erwärmt und danach schnell, d. h. in der Regel in weniger als 5 s, umgeformt und im Presswerkzeug eingespannt einer Schnellkühlung unterzogen, so dass ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erzielt wird. Durch diese Maßnahmen erhält man ein Produkt mit hoher Formgenauigkeit, guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten, welches sich sehr gut für Struktur-, Karosserie- und Sicherheitsbauteile im Fahrzeug eignet. Die Profilbauteile können auch nur bereichsweise gehärtet sein, also lokal unterschiedliche Gefüge und/oder Materialeigenschaften aufweisen. Die Umformung kann direkt oder indirekt erfolgen. Bei der direkten Warmumformung wird das Bauteil bei einer stahlabhängigen Temperatur austenitisiert, zur gekühlten Matrize bzw. dem Presswerkzeug transferiert und dann umgeformt. Auf diese Weise sind komplexe Geometrien formbar, weil der Werkstoff bei hohen Temperaturen über sehr gute Formbarkeit verfügt.

Bei der indirekten Warmumformung wird das Bauteil zuerst kalt bzw. ungeheizt vorgeformt bzw. tiefgezogen. Anschließend wird das Bauteil auf die Austenitisierungstemperatur geheizt und fertiggeformt. Dieser zusätzliche Schritt erweitert die Formgrenzen für sehr komplexe Geometrien.

Als Beschichtungsstoff kommt insbesondere ein Metallpulver auf Basis von Zink oder einer Zinklegierung zur Anwendung. H ierbei kann es sich um reines Zinkpulver handeln, aber auch um ein mit Additiven ergänzt formuliertes Metallpulver. Die einzelnen Zinkkörner sind in der Regel mit einer Oxidhaut überzogen.

Das Reinigen erfolgt mechanisch, insbesondere durch Druckluftstrahlen oder Schleuderradstrahlen mit festem Strahlmittel. Fl ierbei wird die Oberfläche der Profilbauteile durch die Einwirkung von Strahlmittel, z. B. Sand, Korund oder Stahlkies als Schleifmittel, von Verunreinigungen aus vorherigen Prozessschritten befreit.

Die Antioxidationsbehandlung erfolgt im Anschluss an die Reinigung der Profilbauteile.

Bei der Antioxidationsbehandlung werden vorhandene Oxide, Oxidschichten oder Oxidfilme von der Oberfläche der zu beschichtenden Profilbauteile entfernt. Darüber hinaus reduziert die Antioxidationsbehandlung eine weitere Oxidation oder verhindert sie gänzlich. Weiterhin kann die Oberflächenrauheit der Profilbauteile eingestellt werden. Auf diese Weise wird die Oberfläche für den sich anschließenden Beschichtungsvorgang aktiviert.

Die Antioxidationsbehandlung kann nasschemisch durchgeführt werden. Dies kann durch einen Beizvorgang erfolgen. Flierzu werden die mechanisch gereinigten Profilbauteile in ein Beizbad eingetaucht oder mit einer Beize besprüht. Bei dieser Antioxidationsbehandlung werden nicht definierte Schichten, insbesondere Oxidschichten bzw. Oxidfilme, entfernt.

Die nasschemische Antioxidationsbehandlung kann mit wässrigen Lösungen von Chlorwasserstoff (HCl) und einem anschließenden Auftrag einer wässrigen Lösung auf Basis von Natriumhydroxid (NaOH) oder einer Eisen(ll)-Chloridlösung (FeC - Lösung) erfolgen. Hierbei können die Profilbauteile grundsätzlich in die wässrigen Lösungen getaucht oder mit diesen besprüht oder eingenebelt werden.

Bei der Antioxidationsbehandlung kann ein Auftrag von einem den Diffusionsprozess begünstigenden Mittel erfolgen. Dies kann durch Benetzen mit einem Flussmittel geschehen. Das Flussmittel kann ausgewählt sein aus der Gruppe, welche aus Aluminiumchlorid, Zinkchlorid, Ammoniumchlorid, Calciumchlorid, Chlor, Chlorwasserstoff, Fluorwasserstoff und beliebigen Kombinationen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen besteht.

Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass die Antioxidationsbehandlung ein Bekeimen der Oberfläche der Profilbauteile mit Metallpartikeln beinhaltet. Insbesondere erfolgt dies mit Zinkpartikeln. Hierzu kann feines Zinkpulver auf die Oberfläche der Profilbauteile aufgerieben oder beispielsweise durch einen Strahlprozess mit gröberen Zinkpartikeln erfolgen. Auf diese Weise werden lokale Keimzellen für ein Schichtwachstum geschaffen. Gleichzeitig wird eine Oxidation an der Oberfläche der Profilbauteile behindert und somit der Diffusionsprozess begünstigt.

Eine Antioxidationsbehandlung der zu beschichtenden Profilbauteile kann auch durch eine zusätzliche nasschemische oder elektrolytische Ausbildung einer Beschichtung mit einem edleren Metall, beispielsweise Kupfer, sein. Diese zusätzliche metallische Beschichtung kann auch durch mechanisches Aufträgen, beispielsweise Aufreiben eines Metallwerkstoffes, z. B. Messing, über eine Messingbürste sein. Diese derart vorbeschichteten Profilbauteile werden anschließend erfindungsgemäß durch einen Diffusionsprozess mit einer metallischen Beschichtung, insbesondere einer Zinkbeschichtung versehen.

Vor dem Aufbringen des Metallpulvers auf die Oberfläche der zu beschichtenden Profilbauteile kann ein Haftvermittler auf die Profilbauteile aufgetragen werden. Als Haftvermittler kann vorzugsweise eine Flüssigkeit dienen, insbesondere eine wässrige Lösung. Diese kann aus der nasschemischen Antioxidationsbehandlung, beispielsweise einem Beizvorgang, stammen. Der Haftvermittler kann auch ein unabhängig von den vorherigen Prozessschritten aufgebrachter Flüssigkeitsfilm sein.

Anschließend wird das Metallpulver auf die Oberfläche der Profilbauteile aufgebracht. Dies erfolgt beim Transport der Profilbauteile über das Transportsystem.

Das Aufbringen des Metallpulvers auf die Oberfläche der Profilbauteile kann elektrostatisch erfolgen. Hierbei wird ein feines Metallpulver, insbesondere ein Zinkpulver mit dünner Oxidhaut, in einer Düse zerstäubt und an einer Elektrode entlanggeführt, so dass sich die einzelnen Metallpulverpartikel statisch aufladen. Zwischen der Elektrode in der Düse und den zu beschichtenden Profilbauteilen, welche die Gegenelektroden bilden, entsteht ein elektrisches Feld. Die Metallpulverpartikel werden entlang der elektrischen Feldlinien zum Profilbauteil geleitet und erreichen aufgrund der Feldlinienform bezogen auf die Düse auch rückwärtige Oberflächen der Profilbauteile. Hierdurch kommt es zu einem Kantenumgriff des Beschichtungsstoffs. Berühren die Metallpulverpartikel die Bauteiloberfläche, entladen sie sich und haften dann aufgrund von Van-der-Waals- Kräften und ähnlichen Phänomenen an der Oberfläche der Profilbauteile.

Auch eine elektroneutrale Abscheidung des Metallpulvers auf der Oberfläche der Profilbauteile ist möglich. Hierzu wird die Oberfläche der Profilbauteile befeuchtet, vorzugsweise durch Auftrag eines Flüssigkeitsfilms auf Basis einer wässrigen Lösung, eines Flussmittels oder reinem Wasser. Anschließend werden die feuchten Profilbauteile mit dem Beschichtungspulver in Kontakt gebracht. Durch die Feuchtigkeit haftet das Pulver auf der Oberfläche der Profilbauteile. Gegebenenfalls ist dem Pulverauftrag ein Trocknungsschritt nachgeschaltet. Die Haftung des Pulvers auf der Oberfläche der Profilbauteile ist ausreichend, so dass auch Erschütterungen infolge des weiteren Transports der zu beschichtenden Profilbauteile nicht zum Ablösen der Pulverschicht führen. Nach dem Auftrag des Metallpulvers auf der Oberfläche der Profilbauteile werden diese einer Wärmebehandlungsanlage zugeführt bzw. in diese eingeschleust. Bei der Wärmebehandlungsanlage handelt es sich um einen Durchlaufofen. Die Chargierung setzt sich kontinuierlich fort. Die Profilbauteile werden kontinuierlich am Transportsystem durch den Durchlaufofen transportiert. Dies kann grundsätzlich liegend, stehend oder hängend erfolgen. Vorzugsweise ist das Transportsystem eine Hängetransportanlage.

Bei der Wärmebehandlung wird durch einen Diffusionsprozess zwischen den Profilbauteilen und dem Metallpulver die Beschichtung ausgebildet. Die Wärmebehandlung erfolgt mit einer genauen Temperaturführung. Hierbei liegt die Temperatur der Wärmebehandlung zwischen 300°C und 420°C, insbesondere zwischen 360°C und 420°C.

Die Wärmebehandlung erfolgt in einer sauerstoffarmen Atmosphäre. Hierbei sollte der Sauerstoffgehalt im Durchlaufofen kleiner als 0,01 % betragen. Die Wärmebehandlung erfolgt so in einer sauerstoffreduzierten Ofenatmosphäre. Der Ofen wird daher mit einem inerten Gas oder einem reduzierten Gas oder beidem gefüllt und ist mit einer entsprechenden Schleusentechnik ausgestattet. Diese Schleusen können mechanische Schleusen mit Austausch des darin enthaltenen Gases sein oder eine Schleuse, die auf dem Effekt eines Gas- oder Flammenvorhangs beruht.

Die Wärmebehandlung erfolgt über einen Zeitraum von 5 min bis 120 min, insbesondere in einem Zeitraum von 5 min bis 50 min. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Wärmebehandlung über einen Zeitraum von 5 min bis 30 min, vorzugsweise über einen Zeitraum von 10 min bis 30 min.

Im Zuge der Wärmebehandlung bildet sich auf den zu beschichtenden Profilbauteilen durch Diffusion eine Zink-Eisen-Legierungsschicht. Diese entspricht einer Sherardisierschicht. Gegenüber dem bekannten Sherardisierverfahren ist allerdings bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aufheizphase und auch die Abkühlphase deutlich verkürzt, weil hier nur die Profilbauteile selbst direkt durch Konvektion erhitzt und anschließend abgekühlt werden. Bei einem bekannten Sherardisierverfahren werden immer auch eine Retorte und gegebenenfalls ein Füllstoff erhitzt, so dass hier wesentlich größere thermische Massen erhitzt werden müssen. Darüber hinaus erfolgt bei der bekannten Vorgehensweise die Erwärmung der Bauteile indirekt über die Erhitzung der Retorte.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zugfestigkeit der Bauteile weniger abgesenkt. Die Streckgrenze und die Duktilität verändern sich gegenüber den Ausgangswerten vorteilhaft.

Grundsätzlich ist ein geringer Druck in der Wärmebehandlungsanlage hilfreich. Ursächlich hierfür ist, dass der Transport von Zinkatomen oder kleinsten Zink- Konglomeraten aus den Zinkstaubpartikeln durch Sublimation erfolgt, die druckabhängig ist.

Im Anschluss an die Wärmebehandlung werden die Bauteile abgekühlt und vom Transportsystem entladen. Vor und/oder nach dem Entladen vom Transportsystem werden die Profilbauteile gereinigt. Dies ist besonders vorteilhaft an den noch auf dem Transportsystem befindlichen Profilbauteilen möglich. Die Reinigung kann einen einfachen Waschprozess, z. B. mit Hilfe eines Hochdruckreinigers, beinhalten. Der Waschflüssigkeit können Reinigungsmittel zugegeben werden. Auch kann ein warmes oder heißes Waschmittel bzw. eine Waschflüssigkeit genutzt werden. Auch eine reine Trockenreinigung mit Hilfe von Druckluft oder eine Absaugung ist möglich.

Optional können die beschichteten Profilbauteile einer weiteren Oberflächen- behandlung unterzogen werden, beispielsweise einer Phosphatisierung oder Passivierung. Dies kann gegebenenfalls auch in Fortführung des Durchlaufprozesses am Transportsystem durch eine weitere Behandlungsanlage erfolgen. Hierbei kann beispielsweise eine Badbeanschlagung oder eine Sprühbeaufschlagung mit einem Reagenz erfolgen.

Die Erfindung schafft einen vollautomatischen Prozess, wodurch eine deutliche Kostenreduktion zu erwarten ist. Darüber hinaus ist eine deutliche Durchsatz- bzw. Leistungssteigerung realisierbar. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft hinsichtlich der Steuer- und Regelbarkeit. Im Durch laufprozess ist der Pulverauftrag, beispielsweise die Bestäubung, über eine Bewegung von Sprühdüsen und deren Pulverförderung sehr gut einzustellen. Somit wären auch lokal unterschiedlich dicke Beschichtungen an den Profilbauteilen möglich. Darüber hinaus kann in dem Durchlaufofen nahezu jedes beliebige Temperaturprofil gefahren werden, weil die Bauteile verschiedene Zonen des Durchlaufofens durchlaufen, die unterschiedlich angesteuert werden können.

Die der Wärmebehandlung vorgeschalteten Vorbehandlungsschritte sind im Durchlaufprinzip bei dem am Transportsystem befindlichen Profilbauteilen sehr leicht zeitlich und räumlich vor dem eigentlichen Beschichtungsprozess durchzuführen.

Auch die der Wärmebehandlung und dem Diffusionsvorgang nachgeschalteten Prozessschritte können aufgrund der allseitigen Zugänglichkeit der Profilbauteile am Transportsystem erheblich einfacher und effektiver bzw. effizienter gestaltet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren bei welchem die Beschichtung in einem Durchlaufprozess erfolgt, ist besonders zur Herstellung von crashrelevanten Kraftfahrzeugstrukturbauteilen geeignet, bei denen ein sehr guter Korrosionsschutz und eine sehr hohe Festigkeit in Verbindung mit relativ hoher Duktilität gefordert ist. Dies sind alle Bauteile der Fahrzeugkarosserie die im Bodenbereich liegen, also einer hohen Korrosionsbelastung ausgesetzt sind und/oder die im Crashfall ein hohen Widerstandmoment bereit stellen sollen ohne zu versagen. Hierbei handelt es sich um Bauteile die einer Knick- oder Biegebelastung und/oder einer Axialbelastung ausgesetzt sind. Hierzu zählen A-, B-, C-Säulen, Querträger, wie Stoßfänger, Sitzquerträger, Stirnwand, Schweller und Längsträger.