DE102010017354A1

DE102010017354A1 - Verfahren zum Herstellen eines warmgeformten und gehärteten, mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung überzogenen Stahlbauteils aus einem Stahlflachprodukt

Info

Publication number: DE102010017354A1
Application number: DE102010017354A
Authority: DE
Inventors: Dipl.Chem.-Ing. Norden Martin; Dipl.-Ing. Kondratiuk Jens; Manfred Meurer; Dr.-Ing. Kuhn Patrick; Dr. Marx Volker; Horst Berndsen; Dr. Friedel Frank
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2010-06-14
Filing date: 2010-06-14
Publication date: 2011-12-15
Also published as: CN102985570A; US20130206284A1; WO2011157690A1; EP2580358A1; KR20130085410A; CN102985570B; JP2013534971A; DE102010017354A9; BR112012030991A2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer metallischen Schutzbeschichtung überzogenen Stahlbauteils aus einem miukt. Das erfindungsgemäße Um auf wirtschaftliche Weise bei auf ein Minimum reduzierter Gefahr der Entstehung von metallinduzierten Rissen ein hochfestes Stahlbauteil zu erzeugen, sieht die Erfindung vor, das Stahlflachprodukt in einem Durchlaufofen unter einer zu 25 Vol.-% H2, 0,1–10 Vol.-% NH3, H2O und als Rest N2 sowie technisch bedingt unvermeidbare Verunreinigungen enthaltenden Glühatmosphäre mit einem zwischen –50°C und –5°C liegenden Taupunkt bei einer Haltetemperatur von 400–1100°C für eine Halezeit von 5–600 s zu glühen. Das geglühte Stahlflachprodukt weist an eine 5–200 μm dicke Nitrierschicht (N) auf, deren Korngröße feiner ist als die Korngröße der innenliegenden Kernschicht (K) des Stahlflachprodukts. Nachdem es mit einer metallischen Schutzschicht überzogen worden ist, wird von dem geglühten Stahlflachprodukt eine Platine abgeteilt, die nach einem optionalen Vorformen auf eine 780–950°C betragende Austenitisierungstemperatur durcherwärmt, zu dem Stahlbauteil warmgeformt und so schnell abgekühlt wird, dass sich in dem Stahlflachprodukt Härtegefüge bildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines warmgeformten und gehärteten, mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung überzogenen Stahlbauteils aus einem Stahlflachprodukt, das einen Mn-Gehalt von mindestens 0,4 Gew.-% aufweist.
Wie im Artikel "Potenziale für den Karosserieleichtbau", erschienen in der Messezeitung der ThyssenKrupp Automotiv AG zur 61. Internationalen Automobilausstellung in Frankfurt, 15.–25. Sept. 2005, berichtet, wird das Warmformhärten in der Praxis insbesondere für die Herstellung von hochfesten Karosseriebauteilen aus borlegierten Stählen angewendet. Ein typisches Beispiel für einen solchen Stahl der hier in Rede stehenden Art ist der unter der Bezeichnung 22MnB5 bekannte Stahl, welcher im Stahlschlüssel 2004 unter der Werkstoffnummer 1.5528 zu finden ist.
Ein mit dem Stahl 22MnB5 vergleichbarer Stahl ist aus der JP 2006104526 A bekannt. Dieser bekannte Stahl enthält neben Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 0,05–0,55% C, max. 2% Si, 0,1–3% Mn, max. 0,1% P und max. 0,03% S. Zur Verbesserung der Durchhärtbarkeit können dem Stahl zusätzlich Gehalte von 0,0002–0,005% B und 0,001–0,1% Ti zugegeben werden. Der jeweilige Ti-Gehalt dient dabei zum Abbinden des in dem Stahl vorhandenen Stickstoffs. Auf diese Weise kann das im Stahl vorhandene Bor seine festigkeitssteigernde Wirkung möglichst vollständig entfalten.
Gemäß der JP 2006104526 A werden aus dem derart zusammengesetzten Stahl zunächst Bleche gefertigt, die dann auf eine oberhalb der Ac₃-Temperatur, typischerweise im Bereich von 850–950°C, liegende Temperatur vorgewärmt werden. Bei der anschließend im Presswerkzeug erfolgenden, von diesem Temperaturbereich ausgehenden schnellen Abkühlung bildet sich im aus dem jeweiligen Blechzuschnitt pressgeformten Bauteil das die angestrebten hohen Festigkeiten gewährleistende martensitische Gefüge. Günstig wirkt sich dabei aus, dass sich die auf das genannte Temperaturniveau erwärmten Blechteile bei relativ geringen Umformkräften zu komplex geformten Bauteilen umformen lassen. Dies gilt insbesondere auch für solche Blechteile, die aus hochfestem Stahl gefertigt und mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehen sind.
Eine besondere Schwierigkeit stellt die Warmumformung von verzinkten Stahlflachprodukten zu hoch- bzw. höchstfesten Stahlbauteilen dar. Muss ein mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung versehenes Stahlblech für die Warmumformung und ein gegebenenfalls anschließend oder in Kombination mit der Warmumformung durchgeführtes Härten auf eine Temperatur erwärmt werden, die oberhalb der Schmelztemperatur des Metalls der Schutzbeschichtung liegt, so besteht die Gefahr der so genannten ”Flüssigmetallversprödung”. Zu dieser Versprödung des Stahls kommt es, wenn schmelzflüssiges Metall des Überzugs in die sich bei der Verformung an der Oberfläche des jeweiligen Stahlflachproduktes bildenden Kerben eindringt. Das in das Stahlsubstrat gelangende flüssige Metall lagert sich dort an den Korngrenzen ab und reduziert so die maximal aufnehmbaren Zug- und Druckspannungen.
Besonders kritisch erweist sich die Gefahr der Flüssigmetallversprödung bei Stahlflachprodukten, die aus höher- und hochfesten Mn-haltigen Stählen hergestellt sind. Diese Stähle weisen nur eine begrenzte Duktilität auf und neigen infolgedessen bei ihrer Umformung zur Bildung von oberflächennahen, korngrenznahen Rissen.
Aus der DE-OS 18 13 808 ist es allgemein bekannt, dass sich die Korrosions- und Oxidationsbeständigkeit eines Stahlblechs durch eine Nitrierungsbehandlung verbessern lassen, durch die eine oberflächennahe, 2,5–19 μm dicke Randschicht mit einem gegenüber dem Kernbereich des Stahlblechs erhöhten Stickstoff-Gehalt erzeugt wird. Die Nitrierschicht weist eine gute Haftung auf.
Aus der DE 691 07 931 T2 ist es des Weiteren bekannt, dass in einer oberflächennahen Region von aus kohlenstoffarmen Stähle bestehenden, für den Bau von Kraftfahrzeugkarosserien bestimmten Stahlflachprodukten höhere C- oder N-Gehalte durch eine Karburier- oder Nitrierbehandlung erzeugt werden können, um die Bearbeitbarkeit der betreffenden Stahlflachprodukte zu verbessern.
Diese Maßnahmen stehen beim Stand der Technik nicht im Zusammenhang mit höher- oder hochfesten Stählen, die Mn-Gehalte von mindestens 0,4 Gew.-% aufweisen, wobei typische Mn-Gehalte der erfindungsgemäß verarbeiteten Stähle im Bereich von 0,4–0,6 Gew.-%, insbesondere 0,6–3,0 Gew.-%, liegen.
Der C-Gehalt der erfindungsgemäß verarbeiteten Stahlflachprodukte beträgt typischerweise mehr als 0,06 Gew.-% und weniger als 0,8 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,45 Gew.-%, auf.
Beispiele für die erfindungsgemäß verarbeiteten Stähle können zur Einstellung ihrer jeweiligen Eigenschaften bis zu 0,2 Gew.-% Ti, bis zu 0,005 Gew.-% B, bis zu 0,5 Gew.-% Cr, bis zu 0,1 Gew.-% V oder bis zu 0,03 Gew.-% Nb enthalten.
Die Aufstickung oder das innere Nitrieren setzen das Vorhandensein von diffusionsfähigem Stickstoff voraus. Diese Voraussetzung ist erfüllt, wenn der Stickstoff im statu nascendi vorliegt.
Üblicherweise erfolgt das Nitrieren durch Glühen des jeweiligen Stahlflachproduktes in einer ammoniakhaltigen H₂-N₂-Glühgasatmosphäre. Dort stehen Ammoniak und Stickstoff als Stickstoffspender zur Verfügung. Ammoniakgas spaltet sich bei Atmosphärendruck und Temperaturen über 400°C unter Verdopplung seines Volumens in Stickstoff und Wasserstoff auf. Die Dissoziation von Ammoniak-Gas lässt sich durch folgende Reaktionsgleichung beschreiben: 2NH₃ → 2[N] + 3H₂
Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren anzugeben, das es bei auf ein Minimum reduzierter Gefahr der Entstehung von metallinduzierten Rissen auf wirtschaftliche Weise erlaubt, ein hochfestes Stahlbauteil zu erzeugen.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass bei der Herstellung eines hochfesten Stahlbauteils die in Anspruch 1 angegebenen Arbeitsschritte absolviert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den von den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert. Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung überzogenen Stahlbauteils, geht aus von dem Gedanken, an dem Stahlflachprodukt vor dessen Warmumformung eine Nitrierbehandlung durchzuführen, durch die in dem
Stahlflachprodukt eine feinstrukturierte Randschicht erzeugt wird. Diese Randschicht verbessert einerseits die Umformeigenschaften des oberflächenveredelten Stahlprodukts für die Warmumformung.
Andererseits erweist sich der in erfindungsgemäßer Weise aufgestickte Randbereich des Stahlflachprodukts überraschend hilfreich bei der Vermeidung von Metallversprödung des Stahlfeinblechs bei der Warmumformung. So bewirkt die Nitrierzone eine signifikante Erhöhung der Korngrenzen-/Phasengrenzflächen während des Warmumformprozesses, welche dem Rissversagen des Werkstoffs in Folge von in das Gefüge des Stahlsubstrats eindringenden Metallwerkstoff des Überzugs entgegenwirkt. Überdies stellt sich eine ungewöhnlich hohe Eisendiffusion in den Überzug ein. In Folge dessen wird insbesondere bei der Verarbeitung von auf Zink basierenden Überzügen der Überzug thermisch stabiler.
Um die voranstehend zusammengefassten positiven Einflüsse der erfindungsgemäß vorgenommenen Randschichtnitrierung zu nutzen umfasst das erfindungsgemäße Verfahren folgende Arbeitsschritte:

– Es wird ein Stahlflachprodukt aus einem Stahl bereitgestellt, der einen Mn-Gehalt von mindestens 0,4 Gew.-% aufweist. Wenn hier von einem Stahlflachprodukt die Rede ist, dann sind damit allgemein Stahlbleche, -bänder, -platinen oder desgleichen gemeint. Ein solches Stahlflachprodukt kann im warm- oder kaltgewalzten Zustand in erfindungsgemäßer Weise verarbeitet werden. Es ist auch denkbar, unterschiedliche Stahlplatinen zu einem anschließend in erfindungsgemäßer Weise verarbeiteten Stahlflachprodukt zusammenzusetzen, wobei eine der Stahlplatinen aus einem Stahl der in Anspruch 1 angegebenen Art besteht.
– Das Stahlflachprodukt wird in einem Durchlaufofen unter einer Glühatmosphäre, die bis zu 25 Vol.-% H₂, 0,1–10 Vol.-% NH₃, H₂O und als Rest N₂ sowie technisch bedingt unvermeidbare Verunreinigungen enthält und die einen zwischen –50°C und –5°C liegenden Taupunkt aufweist. Die Haltetemperatur, bei der das Stahlflachprodukt für eine 5–600 s dauernde Haltezeit gehalten wird, beträgt dabei 400–1100°C. Im Ergebnis ist durch diese Nitrier-Glühbehandlung an dem Stahlflachprodukt eine 5–200 μm dicke, an seine freie Oberfläche angrenzende duktile Nitrierschicht vorhanden, deren Korngröße feiner ist als die Korngröße der innenliegenden, von der Randschicht bedeckten, durch den Grundwerkstoff des Stahlflachproduktes gebildeten Kernschicht.
– Nach der Erzeugung der Nitrierschicht wird das in der voranstehend angegebenen Weise geglühte Stahlflachprodukt mit einer metallischen Schutzschicht beschichtet. Die Erfindung macht sich hierbei die Erkenntnis zu Nutze, dass sich die Gefahr einer Flüssigmetallversprödung dadurch minimieren lässt, dass durch eine gezielte Modifikation des oberflächennahen Bereiches des Stahlflachprodukts der für die Flüssigmetallversprödung anfällige Temperaturbereich so verschoben werden kann, dass dieser sich nicht mit dem für die Warmumformung typischen Temperaturintervall deckt.
– Von dem mit der metallischen Schutzschicht beschichteten Stahlflachprodukt werden Platinen abgeteilt.
– Sofern die Umformung zwei- oder mehrstufig erfolgt, kann an dieser Stelle die Platine optional vorgeformt werden. Die Vorformung kann dabei soweit gehen, dass nach dem Vorformen die Form der Platine annähernd vollständig der Form des fertigen Bauteils entspricht. Typischerweise erfolgt die Vorformung bei kalter oder einer unterhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmter, halbwarmer Platine. Bei einer einstufig alleine durch Warmformen durchgeführten Umformung entfällt die Vorformung.
– Für die Warmformgebung wird die Platine auf eine 780–950°C betragende Austenitisierungstemperatur durcherwärmt.
– Anschließend erfolgt die Warmformung der durcherwärmten Platine zu dem fertigen Stahlbauteil.
– Das erhaltene Stahlbauteil wird dann einer Abkühlung unterzogen, bei der es ausgehend von der Austenitisierungstemperatur beschleunigt abgekühlt wird. Die Abkühlung des Stahlbauteils erfolgt dabei derart, dass sich in dem Stahlflachprodukt Härtegefüge bildet.

Die Warmumformung und die Härtung können ”einstufig” erfolgen. In diesem Fall werden die Warmformgebung und die Härtung in einem Zuge gemeinsam in einem Werkzeug durchgeführt. Dagegen werden beim zweistufigen Prozess die Arbeitsschritte ”Formgebung” und ”Erzeugung des Vergütungs- bzw. Härtegefüges” voneinander getrennt durchgeführt.
Überraschenderweise gelingt es bei Anwendung der erfindungsgemäß vorgegebenen Glühbedingungen, die gewünschte Nitrierungstiefe auch bei sehr kurzen Konditionierungszeiten zu erzielen. So zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere dadurch aus, dass es auf besonders wirtschaftliche Weise unter Verwendung eines Durchlaufofens durchgeführt werden kann. Dies ermöglicht es, das erfindungsgemäße Verfahren in kontinuierlich ablaufende Herstellungsprozesse einzubinden, die hohe Bandgeschwindigkeiten voraussetzen, wie es beispielsweise in Feuerbeschichtungsanlagen der Fall ist, in denen im kontinuierlichen Durchlauf Stahlbänder wärmebehandelt und mit einem Korrosionsschutzüberzug schmelztauchbeschichtet werden.
Im Reaktionsraum vorhandene Eisenoberflächen begünstigen katalytisch die Dissoziation. Ein Teil der im Augenblick des Zerfalls freigesetzten Stickstoffatome kann in den Eisenwerkstoff eindiffundieren.
Stickstoffübertragung erfolgt in mehreren Teilschritten:

• Transport an die Werkstückoberfläche
• Adsorption an der Oberfläche
• Durchdringen der Oberfläche (Absorption)
• Diffusion in das Werkstückinnere

Aufgrund der erhöhten Stickstofflöslichkeit im Austenit, ist es zweckmäßig die Glühung interkritisch durchzuführen d. h. im Zweiphasengebiet α/γ-Fe. Unabhängig, ob die anschließende Beschichtung mit der metallischen Schutzschicht im Durchlauf oder stückweise durchgeführt wird, kann das Ergebnis der Nitrierbehandlung demnach unter den in der Praxis üblicherweise gegebenen Bedingungen auf besonders wirtschaftliche und umweltgerechte Weise dadurch optimiert werden, dass mindestens eine der folgenden Bedingungen eingehalten wird:

– Der H₂-Gehalt der Glühatmosphäre beträgt höchstens 10 Vol.
– der NH₃-Gehalt der Glühatmosphäre beträgt höchstens 5 Vol.-%,
– der Taupunkt der Glühatmosphäre beträgt –40°C bis –15°C,
– die Haltetemperatur des Glühens beträgt 680–840°C,
– die Haltezeit des Glühens beträgt 30–120 s.

Entscheidend für den Erfolg der Erfindung ist, dass sich im Zuge der erfindungsgemäßen Glühbehandlung eine Nitrier-Randschicht einstellt, deren Korngröße deutlich feiner ist als die Korngröße der im Zuge der Glühung nicht aufgestickten Kernschicht des Stahlflachprodukts. Praktische Versuche haben ergeben, dass gemäß DIN EN ISO 643 die Korngrößen-Kennzahl der Nitrierschicht um mindestens 2 kleiner ist als die Korngrößen-Kennzahl des Grundwerkstoffs (Kernschicht) des geglühten Stahlflachprodukts vor dem Durcherwärmen und Warmformen der Platine.
Im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine nitrierte Randschicht gezielt eingestellt. Die Dicke dieser feinstrukturierten, gegebenenfalls nur teilrekistallisierten, Nitrierschicht wird durch die gemäß DIN 50190-3 ermittelte Nitrierhärtetiefe bestimmt. Hiernach ist die Nitrierhärtetiefe der Abstand von der Oberfläche bis zu dem Punkt des Stahlsubstrats, an dem die Härte der Kernhärte + 50HV entspricht. Auf diese Weise stellt sich im nitrierten, oberflächennahen Randschichtbereich des Stahlflachprodukts eine Härte ein, die um mindestens 25 höher ist als die Härte des Kernbereichs, d. h. Hv(nitriert)/Hv(Kernbereich) ≥ 1,25.
Typischerweise beträgt bei einem erfindungsgemäß verarbeiteten Stahlflachprodukt die Dicke der aufgestickten Randschicht nach der Glühbehandlung > 5 μm und < 200 μm.
Eine für die Praxis besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Stahlflachprodukts mit der metallischen Schutzschicht durch ein Schmelztauchbeschichten erfolgt, das in einem kontinuierlich auf die Glühbehandlung folgend durchgeführten Arbeitsablauf absolviert wird. In diesem Fall erfolgt die erfindungsgemäß durchgeführte Glühbehandlung zeitgleich zur Oberflächenkonditionierung für die nachgeschaltete Oberflächenveredelung über eine heterogene Glühgas-Metall-Reaktion.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren in einer Feuerbeschichtungsanlage anzuwenden, da die Glühbehandlung in diesem Fall die Randnitrierung, Oberflächenkonditionierung und Rekristallisation des Grundwerkstoffs umfassen kann und anschließend die Schmelztauchbeschichtung in einem kontinuierlichen Verfahrensablauf in-line auf die Glühbehandlung folgend durchgeführt werden kann. Dabei ist es grundsätzlich denkbar, die vom Stahlflachprodukt durchlaufene Ofenstrecke über ihre gesamte Länge mit NH₃-haltigem Gas zu fluten. Um nicht alle Komponenten des Durchlaufofens der aufstickenden Atmosphäre auszusetzen, kann es jedoch auch vorteilhaft sein, einen Abschnitt der Ofenstrecke von den anderen Abschnitten des Ofens abzuteilen und nur diesen abgeteilten Abschnitt mit der NH₃-haltigen Atmosphäre zu beaufschlagen.
Um im Fall einer insbesondere als Feuerbeschichtung durchgeführten Schmelztauchbeschichtung des geglühten Stahlflachprodukts eine optimale Haftung der Beschichtung auf dem Stahlsubstrat zu sichern, kann vor der Feuerbeschichtung eine Oxidation der Oberfläche des Stahlflachprodukts durchgeführt werden.
Im Zuge der bevorzugt durch Schmelztauchbeschichten durchgeführten Oberflächenveredelung eines erfindungsgemäß erzeugten Stahlflachprodukts können auf dem Stahlsubstrat an sich bekannte Überzugssysteme aufgebracht werden, die auf Zn, Al, Zn-Al, Zn-Mg, Zn-Ni, Zn-Fe, Al-Mg, Al-Si, Zn-Al-Mg oder Zn-Al-Mg-Si basieren. Im Anschluss an die Schmelztauchbeschichtung können weitere Wärmbehandlungsschritte durchgeführt werden, um die metallische Schutzbeschichtung in bestimmter Weise auszuprägen. Bei Bedarf kann auch kontinuierlich nach dem Schmelztauchbeschichten eine Diffusionsglühung, z. B. eine Galvanealing-Behandlung, erfolgen.
Alternativ oder ergänzend zur in-line erfolgenden Schmelztauchveredelung kann ein Stahlflachprodukt, an dem in erfindungsgemäßer Weise in einer Durchlaufglühe eine feinstrukturierte Nitrierschicht ausgebildet wurde, einen metallischen, einen metallisch-anorganischen oder einen metallisch-organischen Überzug erhalten, indem es elektrolytisch z. B. mit einem Zn-, einem ZnNi- oder einem ZnFe-Überzug, mittels PVD- oder CVD-Abscheidung oder mittels eines anderen metall-organischen oder metall-anorganischen Überzugsverfahrens beschichtet wird.
Um die mechanischen Eigenschaften weiter zu optimieren, kann sich an die erfindungsgemäße Glühbehandlung eine in konventioneller Weise durchgeführte Überalterungsbehandlung anschließen.
Aus einem erfindungsgemäß behandelten Stahlflachprodukt warmgeformte und anschließend gehärtete Bauteile weisen Zugfestigkeiten von 800–2000 MPa, insbesondere 900–2000 MPa, auf.
Die erfindungsgemäß erzeugte Nitrierschicht erlaubt es, das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt problemlos auf eine Austenitisierungstemperatur zu erwärmen, bei der das Stahlflachprodukt ein weitestgehend vollständig austenitisches Gefüge besitzt. Selbst bei einer so hohen Temperatur ist bei einem erfindungsgemäß erzeugten Stahlflachprodukt auch dann die Gefahr einer Versprödung minimiert, wenn das Stahlflachprodukt mit einer metallischen Beschichtung versehen ist, deren Schmelztemperatur kleiner oder gleich der Erwärmungstemperatur ist. Die durch die erfindungsgemäße Nitrierung erzielte Feinkörnigkeit der Randschicht verhindert eine Rissbildung und stellt so sicher, dass kein Metall der Beschichtung in den Kernbereich bzw. Grundwerkstoff des Stahlsubstrats eindringen kann.
Durch die erfindungsgemäße Erzeugung einer feinstrukturierten, aufgestickten Nitrierschicht wird somit bei der bevorzugt direkt, d. h. ohne vorherige Vorformung der Platine durchgeführten Warmumformung die von einer metallischen Beschichtung, insbesondere einem Zinküberzug, die andernfalls in Folge von Diffusion des Überzugmetalls auf die Korngrenzen eintretende Festmetallversprödung verhindert. Ebenso verhindert die erfindungsgemäße Vorgehensweise in Folge der sich aus der Aufstickung ergebenden, hinsichtlich des Fe/Überzugsmetall-Verhältnisses vorteilhaften Überzugsausbildung die Entstehung von Lotrissen und wirkt so der Flüssigmetallversprödung entgegen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen senkrechten Anschliff einer erfindungsgemäß nitriergeglühten Stahlprobe;
2 einen senkrechten Anschliff einer nicht geglühten, walzharten Vergleichsprobe;
3 GDOES-Tiefenprofile des Stickstoffgehaltes der in den 1 und 2 dargestellten Proben;
4 einen senkrechten Anschliff des Zugzonenbereichs eines aus der Stahlprobe gemäß 1 geformten Stahlbauteils;
5 einen senkrechten Anschliff des Zugzonenbereichs eines aus der walzharten Stahlprobe gemäß 2 geformten Stahlbauteils.
Zur Überprüfung der durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielten Effekte sind jeweils walzharte Kaltbandproben eines Mehrphasenstahls ”MP” sowie eines üblicherweise für die Warmumformung eingesetzten Stahls ”WU” erzeugt worden. Die Zusammensetzungen der Stähle MP und WU sind in Tabelle 1 angegeben.
Zwei aus den Stählen MP und WU gefertigte Proben sind in einem Durchlaufofen für eine Randschichtnitrierung einer erfindungsgemäßen Glühbehandlung unterzogen worden. Die dabei angewendeten Glühparameter sind in Tabelle 2 angegeben.
Zum Vergleich sind zwei weitere aus den Stählen MP und WU gefertigte Proben in dem Durchlaufofen einer konventionellen Glühung unterzogen worden, wie sie üblicherweise zur Vorbereitung einer Schmelztauchverzinkung durchgeführt wird.
In 1 ist das Schliffbild der aus dem Stahl WU erzeugten und erfindungsgemäß glühbehandelten Probe dargestellt. Es ist deutlich zu erkennen, dass sich in Folge der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ein feinstrukturierter oberflächennaher Gefügebereich (Nitrierschicht ”N”) eingestellt hat.
Das Schliffbild der ebenfalls aus dem Stahl WU erzeugten, walzharten Probe zeigt dagegen keine solche Nitrierschicht (2).
An den jeweils aus dem Stahl WU bestehenden erfindungsgemäß glühbehandelten bzw. walzharten Proben sind zusätzlich GDOES-Messungen des Stickstoffgehaltes durchgeführt worden. Bei dem GDOES-Messverfahren (”GDOES” = Glow Discharge Optical Emission Spectrometre) handelt es sich um ein Standartverfahren zum schnellen Erfassen eines Konzentrationsprofils von Beschichtungen. Es ist beispielsweise im VDI-Lexikon Werkstofftechnik, hrsg. von Hubert Gräfen, VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1993 beschrieben.
Das Ergebnis der GDOES-Messungen ist in 3 zusammengefasst, wobei die gestrichelte Linie die Stickstoffverteilung der walzharten Probe und die durchgezogene Linie die Stickstoffverteilung der erfindungsgemäß behandelten Probe wiedergibt.
Auch 3 zeigt deutlich, dass die erfindungsgemäß behandelte Probe eine ausgeprägte aufgestickte Nitrierschicht N aufweist, deren Dicke ca. 20 μm beträgt.
Anhand von Mikrohärte-Messungen konnte nachgewiesen werden, dass der bei der aus dem Stahl WU erzeugten, erfindungsgemäß wärmebehandelten Probe aufgestickte Nitrierbereich N eine Mikrohärte von 340 HV und der nicht nitrierte Kernbereich (Grundwerkstoff) K eine Härte von 180 HV aufweist. Das Verhältnis Hv_N/Hv_K aus Härte Hv_N der aufgestickten Nitrierschicht N zu Härte Hv_K des Kernbereichs K lag somit bei ca. 1,9 und damit deutlich über dem erfindungsgemäß für dieses Verhältnis vorgegebenen Wert von 1,25.
Im Anschluss an die Glühung erfolgte eine Oberflächenveredelung der Proben, bei der Zink elektrolytisch mit einer Schichtdicke von 10 μm auf die Proben aufgebracht worden ist.
Anschließend sind die aus dem Stahl WU bestehenden Proben mittels des so genannten einstufigen bzw. direkten Warmumformverfahrens zu einem Stahlbauteil umgeformt und pressgehärtet worden. Die Proben sind dazu über eine Austenitisierungszeit von 6 Minuten bei einer Austenitisierungstemperatur von 880°C durcherwärmt und anschließend in einem Warmpressformwerkzeug zu einem Bauteil für eine Automobilkarosserie warmgeformt worden.
Nach der Warmformgebung sind die erhaltenen Bauteile in an sich bekannter Weise so schnell abgekühlt worden, dass sich Härtegefüge gebildet hat.
Der Vergleich der 4 und 5 macht deutlich, dass es bei dem in erfindungsgemäßer Weise erzeugten Bauteil zu keinerlei Rissbildung im Bereich der Zugzone gekommen ist, während bei dem in konventioneller Weise erzeugten Bauteil deutliche interkristalline Rissbildung festzustellen ist.
Für die aus dem Stahl MP erzeugten glühbehandelten, verzinkten und verformten Proben konnten für die erfindungsgemäß und die konventionell glühbehandelten Proben vergleichbare Ergebnisse nachgewiesen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren verbessert somit die Umformeigenschaften von oberflächenveredelten Stahlflachprodukten für die Warmumformung. Dazu wird durch eine gezielte Gas-Metall-Reaktion während des Glühprozesses vor der Oberflächenveredelung in einem Durchlaufprozess oder stückweise eine Randaufstickung erzeugt, infolge welcher sich eine feinstrukturierte, stickstoffhaltige Nitrierschicht N einstellt. Diese aufgestickte Randschicht N erhöht zum einen die Fe-Diffusion in den Überzug und behindert den Transport des Verspröders ”Überzugmetall”, d. h. insbesondere Zink, auf die Korngrenzen während des vor der Warmumformung durchgeführten Glühprozesses.
Im Ergebnis werden so Bauteile erhalten, bei denen das Stahlsubstrat weitestgehend vollständig rissfrei ist.

Stahl C Mn P Si V Al Cr Ti B Nb

[Gew.-%]

MP 0,22 1,7 0,02 0,1 0,002 1,7 0,06 0,1 0,005 0,001

WU 0,22 1,22 0,017 0,25 0,005 0,025 0,13 0,03 0,005 0,003

Tabelle 1

Rest Eisen und unvermeidbare Verunreinigungen

Arbeitsschritt	Erfindungsgemäß
Glühbehandlung
Aufheizrate	10 K/s
Haltetemperatur	800°C
Haltezeit	60 s
Glühatmosphäre Taupunkt	9% NH₃ 96% N₂ –30°C
Abkühlrate auf Raumtemperatur	20 K/s

Tabelle 2

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2006104526 A [0003, 0004]
DE 1813808 A [0007]
DE 69107931 T2 [0008]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”Potenziale für den Karosserieleichtbau”, erschienen in der Messezeitung der ThyssenKrupp Automotiv AG zur 61. Internationalen Automobilausstellung in Frankfurt, 15.–25. Sept. 2005 [0002]
DIN EN ISO 643 [0025]
DIN 50190-3 [0026]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung überzogenen Stahlbauteils aus einem Stahlflachprodukt, das einen Mn-Gehalt von mindestens 0,4 Gew.-% aufweist, umfassend folgende Arbeitsschritte: – Bereitstellen des Stahlflachprodukts; – Glühen des Stahlflachprodukts in einem Durchlaufofen – unter einer Glühatmosphäre, die bis zu 25 Vol.-% H₂, 0,1–10 Vol.-% NH₃, H₂O und als Rest N₂ sowie technisch bedingt unvermeidbare Verunreinigungen enthält und die einen zwischen –50°C und –5°C liegenden Taupunkt aufweist, – bei einer Haltetemperatur, die 400–1100°C beträgt, – für eine 5–600 s dauernde Haltezeit, – so dass das nach der Glühbehandlung erhaltene Stahlflachprodukt eine 5–200 μm dicke, an seine freie Oberfläche angrenzende Nitrierschicht (N) aufweist, deren Korngröße feiner ist als die Korngröße der innenliegenden, von der Randschicht bedeckten Kernschicht (K) des Stahlflachprodukts; – Beschichten des geglühten Stahlflachprodukts mit einer metallischen Schutzschicht; – Abteilen einer Platine von dem Stahlflachprodukt; – optional Vorformen der Platine; – Durcherwärmen der Platine auf eine 780–950°C betragende Austenitisierungstemperatur, – Warmformen der durcherwärmten Platine zu dem Stahlbauteil, – beschleunigtes Abkühlen des Stahlbauteils derart, dass sich in dem Stahlflachprodukt Härtegefüge bildet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der H₂-Gehalt der Glühatmosphäre höchstens 10 Vol.-% beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der NH₃-Gehalt der Glühatmosphäre höchstens 5 Vol.-% beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Taupunkt der Glühatmosphäre –40°C bis –15°C beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltetemperatur des Glühens 680–840°C beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit des Glühens 30–120 s beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gemäß DIN EN ISO 643 ermittelte Korngrößen-Kennzahl der Nitrierschicht (N) des geglühten Stahlflachprodukts vor dem Durcherwärmen und Warmformen der Platine um mindestens 2 kleiner ist als die Korngrößen-Kennzahl des Grundwerkstoffs (K).
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Stahlflachprodukts mit der metallischen Schutzschicht durch ein Schmelztauchbeschichten erfolgt, das in einem kontinuierlich auf die Glühbehandlung folgend durchgeführten Arbeitsablauf absolviert wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass vordem Schmelztauchbeschichten eine Oxidation der Oberfläche des Stahlflachprodukts durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlflachprodukt kontinuierlich nach der Schmelztauchbeschichtung diffusionsgeglüht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Stahlflachprodukts mit der metallischen, metallisch-organischen oder metallisch-anorganischen Schutzschicht durch elektrolytisches Beschichten oder eine PVD- oder CVD-Abscheidung erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schutzschicht eine Zn-, eine Al-, eine Zn-Al-, eine Zn-Mg-, eine Zn-Ni-, eine Al-Mg-, eine Al-Si-, eine Zn-Al-Mg oder eine Zn-Al-Mg-Si-Beschichtung ist.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bei der Durcherwärmung eingestellte Austenitisierungstemperatur 860–950°C beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmformen und die Abkühlung des durch das Warmformen erhaltenen Bauteils in einem Zuge durchgeführt werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erhaltene Bauteil einer Strahlbehandlung unterzogen wird.