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Die
Erfindung betrifft Korrosionsgeschütztes Bauteil aus Panzerstahl,
insbesondere aus mit Ni, Co, Mo, Cr oder Si hochlegierten oder niedrig
legierten und gehärteten
Stählen,
deren Verwendung in Kraftfahrzeugkarosserien und Verfahren zum Korrosionsschutz
der Bauteile.
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Bei
der Panzerung von Kraftfahrzeugen werden üblicherweise Panzerelemente
aus Stählen
verwendet. Dabei ist es für
Personenkraftwagen, bzw. nicht militärischen Kraftfahrzeugen von
Bedeutung, das äußere Erscheinungsbild
der Fahrzeuge bei der Anbringung der Panzerelemente nicht zu verändern. Insbesondere
sollen sich die Panzerelemente nicht im Sichtbereich befinden. Die
Panzerelemente werden daher in aller Regel innerhalb der Karosserie
beziehungsweise unterhalb der Verkleidungsteile der Karosserie oder
als Unterbodenschutz außerhalb des
Sichtbereichs angebracht.
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Als
Panzerstähle
für derartige
Panzerungselemente kommen typischerweise niedrig legierte Vergütungsstähle, mit
hohen Härten
zum Einsatz, die auf legierten Baustählen mit einem Kohlenstoffgehalt von
ca. 0,2–0,6
Gew.%, typischerweise um 0,3%, basieren. Bekannte Produkte werden
z. B. als ARMOX oder SECURE vertrieben. Aufgrund hoher Kosten und
schwieriger Verarbeitung sind hochlegierte Stähle seltener. Hochlegierte
Stähle
weisen typischerweise hohen Kohlenstoffgehalt und Legierungszusätze von
Nickel-, Cobalt-, Molibden-, Chrom-, Silizium-, Titan-, Bor-, oder
Mangan auf. Hierbei sind Legierungen der Werkstoffgruppen CrCoNi,
CrMoNb, NiCoMo, NiCoMoTi, NiCrMo, NiCuMo, CrMo, CrMOV oder aus den
Werkstoffgruppen 1.6355, 1.6947, 1.7263 besonders geeignet.
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Die
als Panzerelemente für
Kraftfahrzeuge besonders geeigneten Stähle haben allesamt den Nachteil,
dass sie korrosionsanfällig
sind. Panzerstähle
werden teils blank, d.h. im Rohzustand oder teils lackbeschichtet
verwendet.
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In
den wasserbelasteten Bereichen besteht die Möglichkeit, den Korrosionsschutzgrad
analog zu üblichen
Stahlblechen zu erhöhen.
Bei Anbringung innerhalb der Karosserie sind die Panzerelemente zwar
in der Regel vor direktem Einfluss von Spritzwasser geschützt. Der
indirekte Einfluss von Streusalzlösung sowie Kondenswassereinfluss
reicht jedoch aus, dass metallische Korrosion einsetzen kann. Dies
beeinflusst nicht die Funktion der Panzerelemente, kann jedoch ein
optisches Problem darstellen. Die gebildeten Korrosionsprodukte
können ohne
weiteres an die Oberfläche
der Karosserie gelangen und zeigen sich dort als Rostflecken oder
Ablagerungen.
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Es
ist daher für
qualitativ hochwertige Panzerungen von Kraftfahrzeugen erforderlich
die Panzerungselemente aus Panzerstählen gegen Korrosion zu schützen.
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Aus
Kostengründen
werden üblicherweise im
Automobilbau zum Korrosionsschutz die Feuerverzinkung, die elektrolytische
Verzinkung, und die galvanische Verzinkungsverfahren eingesetzt.
Diese Verfahren sind bei den Panzerstählen jedoch nicht geeignet,
da sie aufgrund der hohen Härte,
Vorbehandlungsmedien und prozessinduzierter Wasserstoffladungen
zu Wasserstoffversprödung
führen.
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Die
im Kraftfahrzeugbau weit verbreitete Oberflächenbeschichtung mittels kathodischer Tauchlackierung
(KTL-Beschichtung), welche die Stahloberfläche mit einer organischen Lackschicht bedeckt
und durch ihre Barrierewirkung die Stahloberfläche vor der Einwirkung korrosiver
Medien schützt,
ist für
die Bauteile zumeist ungeeignet. Die Schutzwirkung dieses Lacksystems
ist dadurch eingeschränkt,
dass Flanschbereiche blank bleiben können. In hochbelasteten Nassbereichen
ist der Korrosionsschutz zum Teil nicht ausreichend, so dass Korrosionsprodukte
oder Unterwanderungen entstehen können.
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Da
die Panzerelemente in der Regel in die bereits fertig gestellten
Kraftfahrzeuge nachträglich eingebaut
werden, ist es wichtig, dass sie zu diesem Zeitpunkt bereits vollständig mit
einem zuverlässigen Korrosionsschutz
ausgestattet sind. Mit Korrosionsschutz-Lacken versehene Bauteile
haben den Nachteil, dass sie sich nicht mehr direkt durch Schweißen mit
der Fahrzeugkarosserie verbinden lassen.
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In
Fällen,
in denen ein höherer
Korrosionsschutz erforderlich ist und bereits fertig umgeformte Bauteile
aus Blech beschichtet werden müssen, kann
dies durch eine metallische Beschichtung, vorzugsweise durch Zink
erreicht werden. Bei dieser Art der Beschichtung kommt zu der Barrierewirkung noch
die kathodische Schutzwirkung durch das auf der Bauteiloberfläche aufgebrachte
metallische Zink hinzu. Als Beschichtungsverfahren werden typischerweise
galvanische Verzinkung oder eine Feuerverzinkung (Stückverzinkung)
angewendet. Aus Kostengründen
wird dabei im Automobilbau fast ausschließlich die Feuerverzinkung eingesetzt.
Diese galvanischen Beschichtungsverfahren führen ebenfalls aufgrund der
nasschemischen Behandlung zu einer Wasserstoffversprödung und
die Feuerverzinkung ist aufgrund der hohen Prozesstemperaturen für die Panzerstähle, insbesondere
gehärtete
Stähle
nicht geeignet.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung ein korrosionsgeschütztes Bauteil
aus Panzerstahl bereit zu stellen, das sich für den Einbau in Kraftfahrzeugkarosserien
eignet sowie ein kostengünstiges
Beschichtungsverfahren aufzuzeigen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine korrosionsgeschütztes
Bauteil aus Panzerstahl, insbesondere aus mit Ni, Co, Mo, Cr oder
Si hochlegierten oder niedrig legierten und gehärteten Stählen, wobei das Bauteil auf
der Oberfläche
eine Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung, insbesondere ohne
Gefahr von Wasserstoffversprödung, als
Korrosionsschutzschicht trägt,
mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Eine
weitere Lösung
der Aufgabe findet sich in einem Verfahren zur Herstellung eines
korrosionsgeschützten
Bauteils aus Panzerstahl mit einer Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung,
insbesondere ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, die durch Behandeln der
Oberfläche
des Bauteils mit einer Zn-Staub-Mischung bei einer Temperatur im
Bereich von 200 bis 400°C
und einer Zeitdauer von 20 Minuten bis zu einigen Stunden erfolgt,
je nach gewünschten
Schichtdicke und Schichtstruktur, wobei die Behandlung zur Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung
auch zum Anlassen und/oder Entspannen des Panzerstahlbauteils genutzt
wird mit den Merkmalen des Anspruchs 14.
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Ein
weiterer Aspekt der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Karosserierahmenstruktur
mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Erfindungsgemäß ist somit
vorgesehen, den Korrosionsschutz des Bauteils aus Panzerstahl durch
eine Zink-Thermodiffusionsschicht,
beziehungsweise eine Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung, insbesondere
ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, einzustellen. Dabei sind insbesondere
Bauteile mit Ni, Co, Mo, Cr oder Si hochlegierten Stählen oder
niedrig legierten und gehärteten
Stählen
mit einer Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung, insbesondere
ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, von Bedeutung.
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Die
Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung, insbesondere ohne Gefahr
von Wasserstoffversprödung,
ist im Prinzip bereits bekannt und wird beispielsweise in der
DE 103 33 165 A1 für pressgehärtete Stähle beschrieben.
In der
DE 273 654 wird
die konventionelle Technologie des Aufbringens einer Beschichtung
(z.B. Zink) auf Stahlteile unter Erwärmung dieser Teile im Kontakt
mit dem Beschichtungsmetall mit zusätzlichen Inertmaterialien (Sand, Aluminium
oder Aluminiumlegierungen, Magnesium oder Magnesiumlegierungen)
beschrieben. Für Kleinteile
und Schüttgut
ist das Sheradisierverfahren gemäß der DIN
EN 13811 bekannt. Dabei werden die Kleinteile im engen Kontakt mit
Zinkstaub und einem inerten Füllmaterial,
wie Sand, erhitzt, um eine Feststoffdiffusion des Zn in die Metalloberfläche einzuleiten.
Durch das Sheradisieren entsteht auf den Bauteilen eine Beschichtung
aus einer Zink-Eisenlegierung.
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Zur
Herstellung einer Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung kann das Beschichtungsgut
gemeinsam mit einem Wärmeüberträger (Granulat)
und dem Beschichtungsgemisch (u.a Zinkpulver) in eine Beschichtungstrommel
gegeben werden. Anschließend
wird die Trommel mit den Inhaltsstoffen in einen Ofen gefahren und
kann dort unter Rotation auf die individuelle Beschichtungstemperatur
(T < 400°C) gebracht
und eine definierte Zeit (20 min < t < 3 h) gehalten werden.
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Das
Verfahren erfordert die thermische Behandlung der Panzerstähle, um
die thermischen Diffusionsprozesse in der Oberfläche des Stahls zuzulassen.
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Überraschenderweise
lässt sich
dieses thermische Verfahren auch auf die Bauteile aus Panzerstahl
zur Bildung korrosionsschützender
Beschichtungen anwenden, ohne dass inakzeptable Nachteile für die mechanischen
Eigenschaften der Panzerstähle
resultieren. Vielmehr ist es möglich
Bauteile aus Panzerstählen
mit Zink-Thermodiffusionsschichten bereit zu stellen deren Härte in dem
für Panzerstähle erforderlichen
Bereich liegt. Zink-Thermodiffusionsschichten lassen sich auf Stählen bis
zu einer Härte von
ca. 800 HB (Härteprüfung Brinell
nach EN ISO 6506-1) bzw. einer Bruchgrenze Rm von ca. 2500 MPa anwenden.
Typischerweise betragen die Härten ca.
400–700
HB und die Festigkeit Rm ca. 1200–2000 MPa.
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Besonders
günstig
für die
weitere Verarbeitung ist die im Vergleich zu den durch alternative
Verfahren aufgebrachten Zinkschichten die hohe Härte und sehr gute Haftfestigkeit
der Zink-Thermodiffusionsschicht.
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Bevorzugt
wird das Verfahren als Stück-Verzinkung
angewendet, d.h. nach dem Schneidprozess. Damit sind die Kanten
sehr gut geschützt,
was bei den üblichen
Verzinktenblechen nicht gut möglich ist.
Die Zinkschichtdicke an der Kante ist bei diesem Verfahren typischerweise
höher als
mit der galvanischen Stückverzinkung.
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Die
Zink-Thermodiffusionsschicht besteht aus einer Zink-Eisenlegierung, die
metallurgisch mit dem Bauteil verbunden ist und wird im Wesentlichen durch
Zink-Eisen-Phasen gebildet. Bevorzugt ist die oberste Schicht der
Zinkschicht im Wesentlichen nur durch Zink-Eisen-Mischlegierungen
in einer Zink-Matrix gebildet. Bevorzugt ist die oberste Schicht
der Zink-Thermodiffusionsschicht im Wesentlichen nur durch FeZn7
in einer Zn-Matrix gebildet.
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Die
Zink-Thermodiffusionsschicht hat bevorzugt eine Dicke von 2 bis
80 μm. Besonders
bevorzugt sind schweißfähige dünnere Schichten
im Bereich von 2 bis 20 μm.
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Da
die Bauteile aus Panzerstahl zumeist unterhalb der Karosserieaußenhaut
angeordnet sind, sind sie vor mechanischer Beschädigung geschützt und
können
vergleichsweise dünn
sein. Die üblichen Schichtdicken
im Automobilbau zwischen 3 und 12 μm sind ohne Problem darstellbar.
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Die
erzeugte Zinkauflage kann wie die üblichen Zinkbeschichtungen
mit Lacksystemen (z.B. KTL) beschichtet werden, was dem Stand der
Technik bei den Karosserieblechen im Automobilbereich entspricht.
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Wesentlicher
Vorteil der erfindungsgemäßen Zink-Thermodiffusionsschicht
als Korrosionsschutzschicht ist es, dass keine weiteren organischen
oder anorganischen Beschichtungen erforderlich sind. Bevorzugt sind
die Bauteile daher frei von weiteren Beschichtungen.
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Bei
den Panzerstählen
werden diejenigen bevorzugt, die sich gut beschichten lassen und
nur eine geringe Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften durch
die thermische Behandlung der Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung,
insbesondere ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, aufweisen.
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Unter
den hochlegierten Stählen
sind solche mit Kohlenstoffgehalten C: 0,01–0,6 Gew.% besonders geeignet.
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Unter
den unlegierten Stählen
sind die folgenden Legierungszusammensetzung besonders geeignet
(Zusammensetzung in Gew.%):
C: 0,22–0,38
Si: 0,08–0,6
Mn:
0,3–1,0
P:
0,005–0,02
S:
0,005–0,02
Cr:
0,8–1,9
Mo:
0,05–0,5
Ni:
0,1–1,2
Rest
Eisen und übliche
Verunreinigungen.
C: 0,22–0,28
Si: 1,2–1,6
Mn:
0,3–1,1
P: < 0,03
S: < 0,03
Al: < 0,05
Cr: 1,1–1,6
Mo:
0,15–0,35
Ni:
0,5–1,2
Rest
Eisen und übliche
Verunreinigungen.
C: 0,15–0,20
Si: 0,20–0,35
Mn:
1,15–1,4
P: < 0,03
S: < 0,03
Al: < 0,05
Cu: < 0,25
Ni: < 0,25
Cr: 1,1–1,4
Ti:
0,02–0,06
B:
0,0015–0,008,
Rest
Eisen und übliche
Verunreinigungen.
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Für die Eignung
der korrosionsgeschützten Bauteile
als Panzerelement sind die Härte
und die ballistischen Eigenschaften die wesentliche Kenngröße. Bevorzugt
wird die Härte
auf eine Härte
oberhalb 50 HRC eingestellt.
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Für die Bauteile
kann es von Vorteil sein, die oberflächennahe Schicht zusätzlich aufzuhärten. Das
Bauteil weist dann eine sehr harte Oberfläche auf, die geschossbrechend
wirkt. Das dahinter angeordnete Material bleibt dagegen noch bruchzäh genug,
um die Geschossenergie durch plastische Verformung oder Materialdeformation
aufnehmen zu können,
ohne zu brechen. Das korrosionsgeschützte Bauteil hat in dieser
Ausgestaltung bevorzugt eine aufgehärtete oberflächennahe
Schicht mit einer Härte
oberhalb 60 HRC. Das korrosionsgeschützte Bauteil hat in dieser
Ausgestaltung eine Härte,
die nahezu gleich oder höher
ist zu dem Bauteil ohne Zinkschicht.
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Das
korrosionsgeschützte
Bauteil hat bevorzugt eine Härte
im Bereich von 700 bis 900 HB, insbesondere nahezu 800 HB.
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Das
Beschichtungsverfahren zeigt darüber hinaus,
dass die ballistischen Eigenschaften der verzinkten Teile im Vergleich
zu den nicht verzinkten Panzerteilen durch die mechanische Oberflächenbearbeitung,
beziehungsweise das Bestrahlen mit den Zinkstaubpartikeln verbessert
werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist eine Karosserierahmenstruktur,
die mindestens ein mit einer Zink-Thermodiffusionsschicht beschichtetes Bauteil
aus Panzerstahl aufweist.
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Bevorzugt
ist das Bauteil unterhalb der Karosserieaußenhaut angeordnet und mit
der Karosserierahmenstruktur verschweißt. Insbesondere ist das Bauteil
mit den verzinkten Stahlbauteilen der Karosserierahmenstruktur verschweißt. Das
Bauteil aus Panzerstahl weist bevorzugt keine Lackschicht auf.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung
von korrosionsgeschützten Bauteilen
aus Panzerstahl, die sich als Panzerelemente in Kraftfahrzeugen
eignen. Die Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung, insbesondere
ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, wird hiernach durch Behandeln
der Oberfläche
des Bauteils mit einer Zn-Staub-Mischung bei einer Temperatur im
Bereich von 200 bis 400°C
und einer Zeitdauer von 20 Minuten bis mehreren Stunden aufgetragen.
Wesentlich ist dabei, dass die Behandlung zur Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung,
insbesondere ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, gleichzeitig zum Anlassen
und/oder Entspannen des Panzerstahlbauteils genutzt wird.
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Für Vergütungsstähle sind
zum Anlassen je nach Legierungszusammensetzung Temperaturen von
200° bis
680°C gebräuchlich.
Erfindungsgemäß wird der
Temperaturbereich der Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung, insbesondere
ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, bei 200 bis 400°C angewendet.
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Ziel
des Anlassens ist der Abbau von Materialspannungen die durch das
Härten
entstanden sind. Dabei verringert sich die Härte durch den einsetzenden
Martensitzerfall mit Bildung von feinsten, lichtmikroskopisch nicht
sichtbaren ε-Karbiden
und die Ausscheidung von feinen Karbiden "Fe3C".
Der Grad der Karbidausscheidung und deren Größe steigen mit der Höhe der Anlasstemperatur
und damit sinkt in gleichem Maße
die Härte.
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Auch
das Entspannen oder Spannungsfreiglühen (Spannungsarmglühen) dient
dem Abbau von Spannungen im Material. Übliche Temperaturen für das Spannungsarmglühen von
Stählen
sind ca. 450–650°C. Festigkeit
und Härte
fallen beim Entspannen leicht ab. Bei dieser Temperatur wandelt
der spannungsreiche tetragonale Martensit in spannungsärmeren kubischen
Martensit um.
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Die
Temperatur und Zeit der thermischen Behandlung lassen sich dabei
hinsichtlich Bildung der Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung, insbesondere
ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, (Dicke, Konsistenz, etc.),
Verringerung von Materialspannungen und Härteverlust auf das Bauteil
optimieren.
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Bei
der Beschichtung werden die Bauteile bevorzugt in einem Prozessofen
fixiert und kontinuierlich mit einer Zn-Pulvermischung bestäubt beziehungsweise die Zn-Pulvermischung
von allen Seiten aufgeblasen.
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Es
ist von Vorteil, das Bauteil vor der Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung,
insbesondere ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, auf Endform umzuformen
und vollständig
auszuhärten. Durch
die thermische Behandlung bei der Niedertemperatur-Zinkpulverbeschichtung,
insbesondere ohne Gefahr von Wasserstoffversprödung, wird darauf gezielt die
Härte des
Zielbauteils eingestellt.