VERFAHREN ZUM HERSTELLEN VON BESCHICHTETEN UND GEHäRTETEN BAUTEILEN AUS STAHL UND BESCHICHTETES UND HäRTBARES STAHLBAND HIERFüR

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus härtbarem Stahl und ein härtbares Stahlband hierfür.

Es ist bekannt, Bauteile aus einem härtbaren Stahl herzustellen und insbesondere gehärtete Bauteile. Unter härtbaren Stählen sollen nachfolgend Stähle verstanden werden, bei denen sich beim Aufheizen eine Phasenumwandlung des Grundmaterials ergibt und bei einer nachfolgenden Abkühlung, der sogenannten Abschreckhärtung aus der vorangegangenen Gefügeumwandlung und gegebenenfalls bei der Abschreckhärtung weiteren Gefügeumwandlungen ein Material ergibt, welches deutlich härter ist bzw. höhere Zugfestigkeiten besitzt als das Ausgangsmaterial.

Aus der DE 24 52 486 C2 ist beispielsweise das Verfahren des sogenannten Presshärtens bekannt, bei dem eine Platine aus einem härtbaren Stahlmaterial über die sogenannte Austenitisie- rungstemperatur hinaus erhitzt wird und im erhitzten Zustand in ein Formwerkzeug eingelegt und in diesem Formwerkzeug umgeformt und gleichzeitig gekühlt wird, wodurch sich einerseits die Endgeometrie des gewünschten Bauteils und zum anderen die gewünschte Härte bzw. Festigkeit ergibt. Dieses Verfahren ist weit verbreitet.

Aus der EP 1 651 789 Al ist ein Verfahren bekannt, bei dem ein gehärtetes Bauteil aus härtbarem Stahlblech mit einem kathodischen Korrosionsschutz hergestellt wird, wobei das Bauteil bereits in metallisch beschichtetem Zustand kalt umgeformt wird, so dass es 0,5 bis 2 % kleiner ist als die Soll- Endabmessung des fertigen gehärteten Bauteils. Anschließend wird dieses Bauteil aufgeheizt und in ein Werkzeug eingelegt, welches exakt den Endabmessungen des gewünschten Bauteils entspricht. Durch die Wärmedehnung hat sich das beschichtete Bauteil auf genau diese Endabmessung ausgedehnt und wird in dem sogenannten Formwerkzeug allseitig gehalten und abgekühlt, wodurch die Härtung herbeigeführt wird.

Zudem ist aus der EP-A 0 971 044 ein Verfahren bekannt, bei dem ein Blech aus einem härtbaren Stahl und mit einer metallischen Beschichtung auf eine Temperatur oberhalb der Austeniti- sierungstemperatur aufgeheizt wird und anschließend in ein Warmumformwerkzeug verbracht wird, wo das aufgeheizte Blech umgeformt und gleichzeitig abgekühlt und durch das Abkühlen gehärtet wird.

Bei den vorgenannten Verfahren zum Warmumformen ist von Nachteil, dass - unabhängig davon, ob eine metallische Beschichtung auf dem Stahlsubstrat vorhanden ist oder nicht - insbesondere beim Warmumformen, auch von kalt vorgeformten aber nicht fertig geformten Bauteilen, im Stahlsubstrat Mikrorisse auftreten.

Diese Mikrorisse treten insbesondere in den Bereichen auf, die umgeformt werden und insbesondere in den Bereichen mit hohen Umformgraden. Diese Mikrorisse befinden sich an der Oberfläche und/oder in der metallischen Beschichtung und können sich teilweise relativ weit ins Grundmaterial hinein erstrecken. Hierbei ist von Nachteil, dass derartige Risse bei Belastung

des Bauteils weiter wachsen können und eine Vorschädigung des Bauteils darstellen, die bei Belastung zum Versagen führen kann.

Metallische Beschichtungen auf Stählen sind in Form von Aluminium, Aluminiumlegierungsbeschichtungen, insbesondere Alumini- um-Zink-Legierungsbeschichtungen, Zinkbeschichtungen und Zink- legierungsbeschichtungen seit langem bekannt.

Derartige Beschichtungen haben die Aufgabe, das Stahlmaterial vor Korrosion zu schützen. Bei Aluminiumbeschichtungen geschieht dies durch einen sogenannten Barriereschutz, bei dem das Aluminium eine Barriere gegen den Zutritt korrosiver Medien schafft.

Bei Zinkbeschichtungen erfolgt der Schutz durch die sogenannte kathodische Wirkung des Zinks.

Derartige Beschichtungen wurden bislang insbesondere bei normalfesten Stahllegierungen, insbesondere für den Kraftfahrzeugbau, die Bauindustrie, aber auch in der Hausgeräteindustrie, verwendet.

Sie können durch Schmelztauchbeschichten, PVD- oder CVD- Verfahren oder galvanisch abgeschieden auf das Stahlmaterial aufgebracht werden.

Durch den Einsatz höherfester Stahlgüten wurde auch versucht, letztere mit derartigen Schmelztauchbeschichtungen zu überziehen.

Aus der DE 10 2004 059 566 B3 ist beispielsweise ein Verfahren zum Schmelztauchbeschichten eines Bandes aus höherfestem Stahl bekannt, bei dem das Band in einem Durchlaufofen zunächst in

einer reduzierenden Atmosphäre auf eine Temperatur von ca. 650°C erwärmt wird. Bei dieser Temperatur sollen die Legierungsbestandteile des höherfesten Stahls in nur geringen Mengen an die Oberfläche des Bandes diffundieren. Die dabei überwiegend aus Reineisen bestehende Oberfläche wird durch eine sehr kurze Wärmebehandlung bei einer darüber liegenden Temperatur von bis zu 750 ⁰ C in einer im Durchlaufofen integrierten Reaktionskammer mit oxidierender Atmosphäre in eine Eisenoxidschicht umgewandelt. Diese Eisenoxidschicht soll bei einer anschließenden Glühbehandlung bei einer höheren Temperatur in einer reduzierenden Atmosphäre das Diffundieren der Legierungsbestandteile an die Oberfläche des Bandes verhindern. In der reduzierenden Atmosphäre wird die Eisenoxidschicht in eine reinere Eisenschicht umgewandelt, auf der im Schmelztauchbad das Zink und/oder Aluminium optimal haftend aufgebracht wird. Die durch dieses Verfahren aufgebrachte Oxidschicht soll eine Dicke von maximal 300 nm besitzen. In der Praxis wird die Schichtdicke meist auf etwa 150 nm eingestellt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus härtbarem Stahl zu schaffen, mit welchem das Umformverhalten, insbesondere auch das Warmumformverhalten, verbessert wird.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es ist eine weitere Aufgabe, ein Stahlband zu schaffen, welches eine verbesserte Umformbarkeit, insbesondere Warmumform- barkeit, besitzt.

Die Aufgabe wird mit einem Stahlband mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung sieht vor, ein warm oder kalt gewalztes Stahlband oberflächlich zu oxidieren, anschließend eine metallische Beschichtung vorzunehmen und zum Zwecke der Herstellung des Bauteils aus dem dementsprechend beschichteten Blech - so nötig - eine Platine zu schneiden, diese Platine aufzuheizen, um sie durch das Aufheizen zumindest teilweise so zu austeniti- sieren, dass bei einem nachfolgenden Umformen und Abkühlen der Platine ein zumindest teilgehärtetes Gefüge bzw. teilgehärtetes Bauteil gebildet wird. überraschenderweise wird durch die oberflächliche Oxidation des Bandes aus dem härtbaren Stahl offenbar während des Aufheizens zum Zwecke des Austenitisie- rens und/oder beim Umformen und Kühlen oberflächlich eine duktile Schicht gebildet, welche die Spannungen beim Umformen so gut abbauen kann, dass es zu keiner Mikrorissbildung mehr kommt. Die metallische Beschichtung dient hierbei dem Schutz vor einer oberflächlichen Entkohlung, wobei diese metallische Beschichtung selbstverständlich auch andere Aufgaben, wie Korrosionsschutz übernehmen kann.

Anstelle einer metallischen Beschichtung kann während des Aufheizens zum Zwecke der Austenitisierung auch eine Schutzgasatmosphäre hergestellt werden, insbesondere kann eine oberflächliche Oxidation, z. B. bis etwa 700 ⁰ C in oxidierender Atmosphäre, herbeigeführt werden und die weitere Aufheizung unter Inertgasatmosphäre so durchgeführt werden, dass eine weitere Oxidation und/oder Entkohlung unterbleibt.

Sollte es notwendig sein, kann die Oxidation des Stahlbandes zum Zwecke des Aufbringens der metallischen Beschichtung ober-

flächlich reduziert werden, um eine reaktive Oberfläche zu erzielen.

Keinesfalls wird die Oxidschicht jedoch, wie beim herkömmlichen Voroxidieren, zum Zwecke des Verzinkens weitgehend beseitigt. Zudem wird die erfindungsgemäße Oxidation in einem weit größerem Maße durchgeführt, als die Voroxidation nach dem Stand der Technik. Die Voroxidation nach dem Stand der Technik erfolgt bis maximal 300 nm Dicke, die erfindungsgemäße Oxdia- tion in weit stärkerem Maße, so dass selbst nach einer durchgeführten Reduktion noch eine, vorzugsweise mindestens 300 nm dicke, oxidierte Schicht verbleibt.

Durch die erfindungsgemäße Oxidation wird offenbar nicht nur oberflächlich eine Eisen-Oxid-Schicht geschaffen, die selbstverständlich auch Oxide der Legierungselemente enthält, es scheint zudem so zu sein, dass auch unterhalb dieser Schicht die Legierungselemente teilweise oxidiert sind.

Nach dem Härten zeigt ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Bauteil an der Oberfläche zwischen dem Stahlsubstrat und der Beschichtung eine dünne, im Schliffbild Figur 4 als weißliche Schicht. Die derzeit wahrscheinlichste Ursache für diese duktile Schicht sind oxidierte Legierungselemente, die in dem oberflächlich oxidierten Bereich für die Phasenumwandlung bei der Härtung nicht zur Verfügung standen oder diese Umwandlung verzögert bzw. behindert haben. Die genauen Mechanismen konnten bislang jedoch nicht aufgeklärt werden.

überraschenderweise hat sich herausgestellt, dass eine derartige - für die eigentliche Beschichtung mit einem überzugsmetall nicht notwendige - Oxidation auch nach der Metallbe- schichtung zu einer erhöhten Duktilität des gehärteten Substrats im Oberflächenbereich führt. In überraschender Weise

kann mit einer Oxidation, die eine Eisenoxidschicht mit einer Schichtdicke > 300 nm bildet, ein Blech erzielt werden, welches auch beim Warmumformen und bei der Wärmebehandlung zum Zwecke des Härtens, beispielsweise für einen geeigneten Stahl vom Typ 22MnB5 oberhalb 850 ⁰ C, bzw. der jeweiligen Austeniti- sierungstemperatur, mikrorissfrei umformbar ist.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert, es zeigen dabei:

Figur 1: stark schematisiert den erfindungsgemäßen Verfahrensablauf;

Figur 2: ein Diagramm zeigend die Verbesserung beim Biegewinkel bei der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik;

Figur 3: stark schematisiert einen Schichtaufbau nach der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik nach dem Härten;

Figur 4: eine mikroskopische Schliffaufnähme der Oberfläche des erfindungsgemäßen Stahlbandes;

Figur 5: eine mikroskopische Schuffaufnähme eines nicht erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiels ;

Figur 6: eine rasterelektronische Schuffaufnähme eines erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiels;

Figur 7 : ein Auschnitt aus der rasterelektronischen Schuff- aufnahme Figur 6 mit einem Linien-Zink- Konzentrationsprofil aus einer energiedispersiven Röntgenanalyse (EDX) .

In Figur 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren anhand eines Verfahrensablaufs, beispielsweise für ein schmelztauchbe- schichtetes Stahlband, insbesondere ein verzinktes Stahlband vom Typ 22MnB5 mit einer Auflage Z140, gezeigt.

Die in Figur 1 und 3 dargestellten Schichtdicken sind nicht maßstäblich dargestellt, sondern zum Zwecke einer besseren Darstellbarkeit im Maßstab zueinander verzerrt.

Ein blankes Stahlband 1 wird vor der Schmelztauchbeschichtung einer Oxidation unterzogen, so dass das Band 1 mit einer Oxidschicht 2 versehen ist.

Diese Oxidation wird bei Temperaturen zwischen 650° und 800 ⁰ C durchgeführt. Während für eine herkömmliche Voroxidation, die für eine Feuerverzinkung notwendig wäre, die Oxidschichtdicke mit 150 nm voll ausreichend wäre, wird die Oxidation erfindungsgemäß so durchgeführt, dass die Oxidschichtdicke > 300 nm ist. Um die metallische Schmelztauchbeschichtung, beispielsweise Verzinkung oder Aluminierung, aufzubringen, wird im nächsten Schritt eine teilweise Reduktion der Oxide an der Oberfläche durchgeführt, so dass eine sehr dünne reduzierte Schicht 4 erzeugt wird, die im Wesentlichen aus Reineisen besteht. Hierunter verbleibt eine Restoxidschicht 3.

Unter der Oxidschicht 3 besteht durch die Oxidation vermutlich ein Bereich einer "inneren Oxidation" 3a. In diesem Bereich 3a sind offenbar die Legierungselemente teilweise oxidiert bzw. liegen teilweise in oxidierter Form vor.

Nachfolgend erfolgt die Schmelztauchbeschichtung mit dem überzugsmetall, so dass sich eine Schicht 5 aus dem überzugsmetall auf der Restoxidschicht 3 ergibt. Um nun das gehärtete Bauteil

zu erzielen, wird das Band 1 auf die Austenitisierungstempera- tur erhitzt und zumindest teilweise austenitisiert, wodurch sich u. a. die metallische Beschichtung 5 und die Oberfläche des Bandes 1 miteinander legieren. Die Oxidschicht 3 wird hierbei durch Diffusionsvorgänge zwischen dem Band 1 und der metallischen Beschichtung 5 teilweise oder vollständig aufgezehrt, bzw. ist bei der Hochtemperaturbehandlung nicht nachweisbar.

Bei einer galvanisch aufgebrachten metallischen Beschichtung kann die Abscheidung auf die Oxidschicht ohne vorherige Reduktion oder mit Reduktion erfolgen, gegebenenfalls wird jedoch noch eine Beizung vorgenommen.

Um das gehärtete Bauteil oder teilgehärtete Bauteil je nach Austenitisierungsgrad zu erhalten, erfolgt anschließend die Umformung und Abkühlung in einem Werkzeug, wobei sich die Schicht 6 gegebenenfalls den Phasen nach umwandelt und auch eine Phasenumwandlung im Band 1 stattfindet. Nach dem Härten kann zwischen dem Band 1 und der metallischen Beschichtung 6 eine in Schliffbild (Figur 4) helle, duktile Schicht 7 beobachtet werden, welche offenbar dafür verantwortlich ist, dass das Endprodukt ein mikrorissfreies, gehärtetes Bauteil ist. Diese duktile Schicht 7 bildet sich vermutlich bereits während des Aufheizens zum Zwecke des Härtens und ist somit bei der Warmumformung schon vorhanden.

Die wahrscheinlichste Ursache für diese helle Schicht 7 ist offenbar, dass durch die durchgeführte Oxidation vor der metallischen Beschichtung die für die Härtung notwendigen Legierungselemente, wie beispielsweise Mangan, im oberflächennahen Bereich oxidiert wurden und für eine Umwandlung nicht zur Verfügung stehen bzw. eine Umwandlung behindern, so dass das Stahlband in dem sehr dünnen oberflächennahen Bereich diese

duktile Schicht 7 ausbildet, die offenbar ausreicht, die oberflächennahen Spannungen so auszugleichen, dass beim Umformen keine Rissbildung und kein Rissfortschritt erfolgen.

Es wird zudem vermutet, dass hierfür auch der Bereich 3a der "inneren Oxidation" der Legierungselemente von Bedeutung ist.

Der Vorteil des Verfahrens zeigt sich auch noch nach dem Härten, bzw. kann auch noch nach dem Härten nachgewiesen werden, wenn ein entsprechend erfindungsgemäß hergestelltes bzw. gehärtetes Blech beispielsweise einem Dreipunkt-Biegeversuch unterzogen wird. Dies kann auch das Crashverhalten positiv beeinflussen.

Bei diesem Dreipunkt-Biegeversuch werden zwei Auflager mit einem Durchmesser von 30 mm im Abstand der doppelten Blechdicke angeordnet. Das gehärtete Blech wird aufgelegt und anschließend mit einem Biegeschwert mit Radius 0,2 mm im jeweils gleichen Abstand zu den Auflagern belastet.

Gemessen werden die Zeit, der Weg ab Berührung des Biegeschwertes mit der Probe und die Kraft.

Aufgenommen werden Kraft und Weg bzw. eine Kraft-Biege- Winkelkurve, wobei der Winkel aus dem Weg berechnet wird. Das Prüfkriterium ist der Biegewinkel beim Kraftmaximum.

Der Vergleich ist in der Figur 2 für einen Stahl Typ 22MnB5 mit einer Beschichtung Z140 zu sehen, aus der man ersehen kann, dass durch die erfindungsgemäß erzeugte duktile Schicht ein erheblich größerer Biegewinkel bei der gehärteten kalten Probe erzielt werden kann.

Die Erfindung und der Stand der Technik sind auch in Figur 3 nochmals gegenüber gestellt, wonach im Stand der Technik nach dem Härten zwar eine metallische Beschichtung vorhanden ist, die auf dem gehärteten Substrat haftet, jedoch eine duktile Schicht nicht vorhanden ist.

Bei der Erfindung befindet sich zwischen dem gehärteten Substrat und der Beschichtung nach der Härtereaktion die duktile Schicht 7.

Die mittlere Schichtdicke dieser Schicht ist größer als 0,3 μm, wobei die Schicht durchgehend sein kann, aber nicht vollkommen durchgehend sein muss, um den erfindungsgemäßen Erfolg herbeizuführen.

Figur 6 zeigt eine rasterelektronische Schliffaufnahme eines erfindungsgemäßen Vergleichsbeispiels. Man erkennt, dass der Zinkanteil aufgrund der Diffusionsvorgänge in Richtung Grundwerkstoff Martensit abrupt abnimmt von ca. 40 % Zn-Anteil auf unter 5 % Zn.

Die Körner der Eisen-Zink Schicht weisen nahe dem Grundwerkstoff nur mehr einen sehr geringen Zinkgehalt auf, diese im Schnittbild weißlich erscheinden Fe-reiche Schicht wirkt als duktile Zwischenschicht zwischen den anderen Schichtkörpern.

Figur 7 zeigt ein Auschnitt aus Figur 6 mit einem Linien-Zink- Konzentrationsprofil aus einer energiedispersiven Röntgenana- lyse (EDX) . Dabei wird nochmals deutlich ersichtlich, dass der Zinkgehalt in Richtung des Grundwerkstoffs abnimmt.

Die Figuren 4 und 5 zeigen je eine Schuffaufnähme eines gehärteten Stahlbandes der Erfindung (Figur 4) und des Standes der Technik (Figur 5) , wobei im Schliff deutlich das Substrat

1, darüber liegend die umgewandelte metallische Beschichtung 6 und dazwischen liegend die duktile Schicht 7 sichtbar sind.

Figur 5 zeigt einen Schichtaufbau nach dem Stand der Technik, bei dem ein verzinktes Band 101 ein Stahlsubstrat 102 aus höherfestem Stahl besitzt, auf den eine Zink-Eisen-Schicht 103 aufgebracht ist. Eine duktile Schicht ist nicht vorhanden.

Erfindungsgemäß kann der metallische überzug aus allen gängigen metallischen überzügen ausgewählt sein, da es lediglich darum geht, einer Entkohlung entgegenzuwirken. Daher können die Beschichtungen reine Aluminium- bzw. Aluminium-Silizium- Beschichtungen als auch Legierungsbeschichtungen aus Aluminium und Zink (Galvalume) als auch Beschichtungen aus Zink oder im Wesentlichen Zink sein. Aber auch andere überzüge aus Metallen oder Legierungen sind geeignet, wenn sie kurzfristig die hohen Temperaturen bei der Härtung erleiden können.

Die Beschichtungen können z. B. durch Galvanisieren oder Schmelztauchbeschichten oder PVD- oder CVD-Verfahren aufgebracht sein.

Die Oxidation kann hierbei klassisch dadurch herbeigeführt werden, dass das Band einen direkt beheizten Vorwärmer durchläuft, bei dem Gasbrenner eingesetzt werden und durch eine Veränderung des Gas-Luft-Gemisches eine Erhöhung des Oxidati- onspotentials in der das Band umgebenden Atmosphäre erzeugt werden kann. Hierdurch kann das Sauerstoffpotential gesteuert werden und zu einer Oxidation des Eisens an der Bandoberfläche führen. Hierbei wird die Steuerung derart durchgeführt, dass eine Oxidation erreicht wird, die deutlich über der Oxidation im Stand der Technik liegt. In einer anschließenden Ofenstrecke wird im Gegensatz zum Stand der Technik die gebildete Ei-

senoxidschicht bzw. eine gegebenenfalls erzielte innere Oxida- tion des Stahles nur oberflächlich bzw. teilweise reduziert.

Darüber hinaus ist es möglich, das Band in einem an sich bekannten RTF-Vorwärmer unter Schutzgasatmosphäre zu glühen, wobei hierbei die Oxidation bzw. Voroxidation ebenfalls erheblich stärker durchgeführt wird, als es an sich notwendig wäre. Die Oxidationsstärke kann hier insbesondere durch die Zufuhr eines Oxidationsmittels eingestellt werden.

Darüber hinaus hat sich gezeigt, dass eine Befeuchtung der Ofenatmosphäre, d. h. eine sehr stark wasserdampfhaltige Atmosphäre (stärker als üblich) alleine oder zusammen mit weiteren Oxidationsmitteln den gewünschten Effekt erzielt. Erfindungswesentlich ist, dass die gegebenenfalls nachfolgende Reduktion lediglich so durchgeführt wird, dass eine Restoxidation verbleibt. Bei einer Wärmebehandlung allein mit einer wasser- dampfhaltigen Atmosphäre wird der innere Oxidationszustand des Stahls nicht vollständig zurückgeführt.

Die Steuerung der Oxidation kann über die Atmosphäre, über eine Oxidationsmittelkonzentration eines gegebenenfalls zugesetzten weiteren Oxidationsmittels, die Behandlungsdauer, die Temperatur, den Temperaturverlauf und den Wasserdampfgehalt im Ofenraum gesteuert werden.

Ein derart behandeltes Band, wie es in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, lässt sich hervorragend und frei von Mikro- rissen im Stahlsubstrat kalt formen, aufheizen und presshärten bzw. nachformen aber auch warm umformen und presshärten.

Dabei hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Durchführung der Oxidation - im Gegensatz zur Randentkohlung bei unbe-

schichtetem Stahlmaterial - keinerlei negativen Einflüsse auf die erzielbare Endfestigkeit des Materials hat.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass ein Verfahren und ein Stahlband geschaffen werden, die es in einfacherer und sicherer Weise ermöglichen, die Qualität umgeformter und gehärteter Bauteile aus höherfestem Stahl erheblich zu steigern.

Bezugszeichen :

1 Stahlband

2 Oxidschicht

3 Restoxidschicht

4 dünne reduzierte Schicht

5 metallische Beschichtung

6 metallischen Beschichtung

7 helle, duktile Schicht

101 verzinktes Band

102 Stahlsubstrat

103 Zink-Eisen-Schicht