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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen bzw. zum Aufbringen einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung auf einem höherfesten Stahlblechmaterial.
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Eine metallische Korrosionsschutzbeschichtung ist zu einem wesentlichen Anteil aus einem metallischen Material, wie insbesondere Zink, gebildet. Hiermit beschichtete Stahlblechmaterialien finden u. a. im Fahrzeugbau Anwendung. Zum Aufbringen einer zinkhaltigen Beschichtung sind aus dem Stand der Technik zwei gängige Verfahren bekannt: das Feuerverzinken und das elektrolytische Verzinken.
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Feuerverzinken ist das Aufbringen einer zinkhaltigen Beschichtung (Zinküberzug) durch Eintauchen des Stahlblechmaterials in geschmolzenes Zink. Aufgrund der verhältnismäßig hohen Temperaturen der Zinkschmelze (ca. 450°C) besteht jedoch insbesondere bei höherfesten Stahlblechen das Problem, dass sich die mechanischen Werkstoffeigenschaften (z. B. Streckgrenze, Zugfestigkeit, Bruchdehnung usw.) des Stahlblechmaterials nachteilig verändern.
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Beim elektrolytischen Verzinken (galvanisches Verzinken) wird das Stahlblechmaterial nicht in eine Zinkschmelze, sondern in einen Zinkelektrolyten eingetaucht. Die zinkhaltige Beschichtung wird hierbei durch einen elektrolytischen Vorgang auf dem Stahlblechmaterial abgeschieden. Nachteilig ist, dass beim elektrolytischen Vorgang Wasserstoff freigesetzt wird, der in das Stahlblechmaterial eindiffundieren kann und eine Versprödung (Wasserstoffversprödung) begünstigt. Bei höherfesten Stahlblechmaterialien ist dies insbesondere im Hinblick auf deren bevorzugte Verwendung problematisch.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie ein höherfestes Stahlblechmaterial unter Vermeidung der mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteile mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung versehen werden kann.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1. Vorteilhafte und bevorzugte Weiterbildungen dieses Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Die Lösung der Aufgabe erstreckt sich auch auf ein Erzeugnis und eine Verwendung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Aufbringen einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung auf einem höherfesten Stahlblechmaterial, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung zumindest bereichsweise mittels von bzw. unter Anwendung einer PVD Technologie auf das höherfeste Stahlblechmaterial aufgebracht wird.
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Unter einem höherfesten Stahlblechmaterial wird ein Blechmaterial aus einem Stahlwerkstoff verstanden, dessen Zugfestigkeit mindestens 800 MPa, bevorzugt mindestens 900 MPa, besonders bevorzugt mindestens 1000 MPa und insbesondere mindestens 1100 MPa beträgt. Die Bezeichnung „höherfestes Stahlblechmaterial” schließt somit auch hoch- und höchstfeste Stahlblechmaterialien (wie z. B. ein martensitischer Stahl) mit ein. Bevorzugt handelt es sich um ein Feinblech mit einer Blechstärke von ≤ 3,0 mm, bevorzugt von ≤ 2,0 mm, besonders bevorzugt von ≤ 1,5 mm und insbesondere von ≤ 1,0 mm.
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Die metallische Korrosionsschutzbeschichtung wird zumindest bereichsweise auf das höherfeste Stahlblechmaterial aufgebracht, wobei dies einen oder auch mehrere Bereiche umfassen kann. Bevorzugt wird die Korrosionsschutzbeschichtung vollflächig und insbesondere auch beidseitig vollflächig auf das höherfeste Stahlblechmaterial aufgebracht. Bevorzugt ist vorgesehen, dass auch die Kanten bzw. Kantenflächen des höherfesten Stahlblechmaterials mit beschichtet werden.
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Die Schichtdicke der Korrosionsschutzbeschichtung liegt bevorzugt im Bereich von 4,0–10,0 μm, besonders bevorzugt im Bereich von 5,0–8,0 μm und insbesondere im Bereich von 6,0–7,5 μm. Diese Angaben gelten insbesondere für eine zinkhaltige oder im Wesentlichen aus Zink gebildete Korrosionsschutzbeschichtung, wie nachfolgend noch näher erläutert.
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Die PVD-Technologie ist aus dem Stand der Technik bekannt. Der Begriff PVD (englisch physical vapor deposition) bezeichnet eine Gruppe von Beschichtungsverfahren, bei denen eine Beschichtung auf einem zu beschichtenden Material durch Kondensation eines Materialdampfes des Beschichtungsmaterials gebildet wird. Die PVD-Technologie umfasst eine Gruppe von diversen Einzelverfahren mit unterschiedlichsten Modifikationen. Hierzu gehören z. B. Verdampfungsverfahren (wie z. B. das thermische Verdampfen, das Elektronenstrahlverdampfen, das Laserstrahlverdampfen, das Lichtbogenverdampfen und insbesondere das Jet-Verdampfen mittels Jet-Verdampfer), das Sputtern und das Ionenplattieren. Dies ist keine abschließende Aufzählung. Vor dem Aufbringen der Beschichtung auf dem zu beschichtenden Material mittels eines PVD-Verfahrens kann ggf. eine Reinigung der zu beschichtenden Materialoberfläche erforderlich sein. Hierzu eignet sich z. B. eine Plasmareinigung.
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Allen diesen Verfahren ist gemein, dass das Beschichtungsmaterial in der Regel in fester Form bereit gestellt und durch Energieaufbringung verdampft wird. Das verdampfte Beschichtungsmaterial bewegt sich aufgrund von Beschleunigungseffekten und/oder durch elektrische Felder geführt auf das zu beschichtende Material, wo es infolge von Kondensationsvorgängen zur Schichtausbildung einer Beschichtung kommt. Der Vorgang erfolgt zumeist in einer evakuierten Beschichtungskammer. Mit einigen PVD-Verfahren können in vorteilhafter Weise sehr niedrige Prozesstemperaturen verwirklicht werden. Zudem können metallische Beschichtungen in sehr reiner Form auf dem zu beschichtenden Material ausgebildet werden.
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Das Aufbringen einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung auf ein höherfestes Stahlblechmaterial mittels der PVD-Technologie bietet gegenüber den eingangs genannten Verfahren die Vorteile einer nicht gegebenen oder einer nur geringen bis sehr geringen Wärmebeeinflussung des höherfesten Stahlblechmaterials, sowie die Vermeidung einer nachteiligen Wasserstofffreisetzung. Weitere Vorteile sind, dass die mittels der PVD-Technologie auf das höherfeste Stahlblechmaterial aufgebrachten metallischen Korrosionsschutzbeschichtungen eine hohe Schichtqualität aufweisen und deren Schichtdicken (s. o.) sehr gut einstellbar sind, was zu einer nachhaltigen Korrosionsschutzwirkung führt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mittels der PVD-Technologie aufgebrachte Korrosionsschutzbeschichtung einen Zinkanteil enthält. Weitere Legierungsbestandteile können z. B. sein: Magnesium, Titan, Mangan und/oder Chrom, evtl. jeweils zuzüglich weiterer Legierungsbestandteile. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Korrosionsschutzbeschichtung im Wesentlichen aus Zink gebildet ist, bzw. dass es sich um eine Korrosionsschutzbeschichtung auf Zink-Basis handelt. Dies umfasst auch eine reine Zink-Beschichtung. Hierdurch wird eine Möglichkeit zur Verzinkung eines höherfesten Stahlblechmaterials geschaffen, ohne dass es zu einer nachteiligen Veränderung der mechanischen Werkstoffeigenschaften und/oder zu einer Wasserstoffversprödung kommt, wie dies beim Feuerverzinken und beim elektrolytischen Verzinken der Fall wäre, wie eingangs erläutert.
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Insbesondere das Aufbringen einer zinkhaltigen Korrosionsschutzbeschichtung auf ein höherfestes Stahlblechmaterial mittels einer PVD-Technologie, vor allem in einem auch auf die Großserienfertigung ausgerichteten industriellen Maßstab (Großserien-Fertigungsanwendung), ist aus dem Stand der Technik nicht bekannt. Für derart verzinkte, höherfeste Stahlblechmaterialien, insbesondere mit einer Zugfestigkeit von > 1000 MPa, können neue Einsatzgebiete erschlossen werden, wie z. B. im Fahrzeugbau und insbesondere im Karosseriebau für Kraftfahrzeuge, ohne dass kostenintensive Sondermaßnahmen erforderlich wären. Hierdurch werden z. B. neue Potentiale für den Fahrzeug-Leichtbau geschaffen, was zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs und zu einer Reduzierung von Schadstoffemissionen beiträgt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die mittels der PVD-Technologie aufgebrachte Korrosionsschutzbeschichtung aus mehreren Einzelschichten besteht (so genannte Multischicht). Hierbei kann es sich um Einzelschichten gleichen Beschichtungsmaterials (evtl. mit geringfügig abweichender Zusammensetzung) oder unterschiedlicher Beschichtungsmaterialien handeln. Eine solche Einzelschicht kann z. B. auch eine Anbindungsschicht für die eigentliche Korrosionsschutzschicht sein. Eine solche Anbindungsschicht kann z. B. Titan und/oder Chrom beinhalten.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das höherfeste Stahlblechmaterial als Band ausgebildet ist, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung aufgebracht wird, bevor das Band zu einem Coil gewickelt wird. Ein solches Coil zeichnet sich dadurch aus, dass dieses transport- und/oder lagerfähig und insbesondere versandgeeignet ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Korrosionsschutzbeschichtung unmittelbar im Anschluss an die Herstellung des höherfesten Stahlblechmaterials aufgebracht wird. Dies erfolgt bevorzugt herstellerseitig. Mit „unmittelbar” ist gemeint, dass das zu beschichtende höherfeste Stahlblechmaterial nicht oder nur für geringe Zeit zwischengelagert wird, um schädliche Einflüsse zu vermeiden.
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Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass die Korrosionsschutzbeschichtung im Herstellungsprozess zu einem frühest möglichen Zeitpunkt aufgebracht wird, um so die quasi noch ungeschützte Oberfläche des höherfesten Stahlblechmaterials insbesondere vor einer nachteiligen Wasserstoffeinwirkung zu schützen. Hierdurch kann eine ursprünglich sehr hohe Zugfestigkeit des höherfesten Stahlblechmaterials über den weiteren Verlauf des Herstellungsprozesses erhalten werden. Eine solche Vermeidung einer frühen Wasserstoffschädigung kann möglicherweise auch dazu führen, dass herstellerseitig höherfeste Stahlblechmaterialien mit besseren mechanischen Werkstoffeigenschaften, insbesondere mit einer höheren Zugfestigkeit, bereitgestellt werden können, als gegenwärtig möglich.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das höherfeste Stahlblechmaterial als Einzelplatine bzw. Tafel ausgebildet ist, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung aufgebracht wird, bevor die Einzelplatine einem Platinenstapel zugeführt wird. Ein solcher Platinenstapel zeichnet sich dadurch aus, dass dieser transport- und/oder lagerfähig und insbesondere versandgeeignet ist. Das Aufbringen der Korrosionsschutzbeschichtung mittels einer PVD-Technologie erfolgt hier herstellerseitig und gemäß den vorausgehenden Ausführungen idealerweise zu einem frühest möglichen Zeitpunkt.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass das höherfeste Stahlblechmaterial als Einzelplatine bzw. Tafel ausgebildet ist, wobei die Korrosionsschutzbeschichtung aufgebracht wird, unmittelbar (siehe hierzu vorausgehende Ausführungen) bevor das höherfeste Stahlblechmaterial verarbeitet wird. Eine solche Verarbeitung kann z. B. ein Schneiden, ein Umformen und/oder ein Fügen (Schweißen, Kleben usw.) sein. Das Aufbringen der Korrosionsschutzbeschichtung mittels einer PVD-Technologie erfolgt hier insbesondere verarbeiterseitig.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Korrosionsschutzbeschichtung auf das höherfeste Stahlblechmaterial aufgebracht wird, nachdem dieses zu einem Blechformteil umgeformt wurde. Evtl. ist vor dem Aufbringen der Korrosionsschutzbeschichtung mittels einer PVD-Technologie eine Reinigung des Blechformteils erforderlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann weitere, hier im einzelnen nicht näher erläuterte Schritte umfassen, wie z. B. ein abschließendes Aufbringen einer sekundären Korrosionsschutzbeschichtung (bspw. Beölen).
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein höherfestes Stahlblechmaterial gemäß einer oben genannten Ausführung, welches mit einem Verfahren gemäß den vorausgehenden Ausführungen hergestellt wurde. Ein solches höherfestes Stahlblechmaterial findet bevorzugt Verwendung im Fahrzeugbau und insbesondere im Karosseriebau für Kraftfahrzeuge, wie bereits oben ausgeführt.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf die Verwendung einer PVD-Technologie zur Erzeugung einer zinkhaltigen Korrosionsschutzbeschichtung auf einem höherfesten Stahlblechmaterial, gemäß den vorausgehenden Ausführungen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 zwei Ausführungsformen eines höherfesten Stahlblechmaterials mit einer mittels der PVD-Technologie aufgebrachten Korrosionsschutzbeschichtung, jeweils in einer schematischen Schnittansicht; und
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2 eine PVD-Durchlauf-Beschichtungsanlage in einer schematischen Seitenansicht.
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1a zeigt in einer nicht maßstabsgerechten, schematischen Schnittansicht ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Blechmaterial. Bei dessen Blechgrundmaterial 12 handelt es sich um ein höherfestes Stahlblechmaterial, gemäß einer oben genannten Ausführung. Das höherfeste Stahlblechmaterial 12 weist beispielhaft eine Zugfestigkeit von mehr als 1000 MPa auf. Auf dem höherfesten Stahlblechmaterial 12 ist beidseitig und vollflächig eine Korrosionsschutzbeschichtung 14 aufgebracht, gemäß einer oben genannten Ausführung. Die Korrosionsschutzbeschichtung 14 enthält einen Zinkanteil bzw. ist aus einem zinkhaltigen Beschichtungsmaterial gebildet. Die Korrosionsschutzbeschichtung 14 ist jeweils einlagig ausgebildet.
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1b zeigt eine mehrlagige Korrosionsschutzbeschichtung 14, die aus zwei Einzelschichten 141 und 142 besteht. Eine solche Korrosionsschutzbeschichtung kann auch als Multischicht bezeichnet werden. Bei der äußeren Schicht bzw. Lage 142 handelt es sich um die eigentliche Korrosionsschutzschicht, die aus dem zinkhaltigen Beschichtungsmaterial gebildet ist. Bei der inneren Schicht 141 handelt es sich um eine Anbindungsschicht, die z. B. Titan und/oder Chrom beinhaltet. Die Anbindungsschicht 141 ist dünner als die eigentliche Korrosionsschutzschicht 142 ausgebildet. Mit einer Multischicht kann u. U. eine weitere Verbesserung der Korrosionsschutzwirkung erreicht werden. Eine Multischicht kann auch mehr als zwei Einzelschichten umfassen.
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Die in den 1a und 1b gezeigte Korrosionsschutzbeschichtung 14 wird mittels einer PVD-Technologie auf das höherfeste Stahlblechmaterial 12 aufgebracht. Dies bietet die Vorteile einer nicht vorhandenen oder nur sehr geringen Wärmebeeinflussung und/oder Wasserstoffbeeinflussung des höherfesten Stahlblechmaterials 12. Das Aufbringen der Korrosionsschutzbeschichtung 14 kann z. B. mittels einer PVD-Durchlauf-Beschichtungsanlage erfolgen, wie nachfolgend anhand der 2 beispielhaft näher erläutert.
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2 (Quelle: Fa. Oerlicon/Leybold) zeigt ein Ausführungsbeispiel einer PVD-Durchlauf-Beschichtungsanlage in einer schematischen Seitenansicht. Die Anlage ist nicht Gegenstand der Erfindung. Die Anlage ist insgesamt mit 20 bezeichnet und wird gemäß den Pfeilen von links nach rechts von dem zum beschichtenden höherfesten Stahlblechmaterial 12 durchlaufen. Das höherfeste Stahlblechmaterial 12 wird als Band bzw. Stahlband bereitgestellt, wobei das Band eingangsseitig z. B. auf einem Coil bereitgestellt wird, der Anlage 20 kontinuierlich zugeführt wird und ausgangsseitig wieder auf ein Coil aufgewickelt wird (so genannte Luft zu Luft Bandbeschichtungsanlage). Eine solche Bandbeschichtungsanlage ist insbesondere für hohe Tonnagen, d. h. für eine höhere Ausbringung geeignet, wie dies z. B. für die Großserien-Fertigungsanwendung erforderlich ist. Ebenso könnten mit einer solchen Anlage 20 auch Einzelplatinen und/oder Blechformteile beschichtet werden, wozu ggf. bauliche Anpassungen erforderlich wären. Die Anlage 20 kann herstellerseitig (bezogen auf den Hersteller und/oder Weiterverarbeiter des höherfesten Stahlblechmaterials) oder verarbeiterseitig (beispielsweise bei einem OEM) betrieben werden.
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Die Anlage 20 umfasst mehrere Abschnitte bzw. Stationen. Von links nach rechts sind dies: eine Eingangsschleuse 21, eine Reinigungsstation 22, eine Richtstation 23, zwei Vorbeschichtungsstationen 24a und 24b die zusammen mit zwei Hauptbeschichtungsstationen 25a und 25b in einer Beschichtungskammer 30 angeordnet sind, und eine Ausgangsschleuse 26. Die Eingangsschleuse 21 und die Ausgangsschleuse 26 dienen vorrangig dazu, einen Unterdruck oder auch einen evakuierten Innenbereich innerhalb der Anlage 20 und insbesondere innerhalb der Beschichtungskammer 30 zu gewährleisten.
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Das zu beschichtende höherfeste Stahlblechmaterial 12 wird der Anlage 20 linksseitig zugeführt und gelangt durch die Eingangsschleuse 21 in den evakuierten Innenbereich der Anlage 20. Dort erfolgt an der Reinigungsstation 22 zunächst eine Reinigung der zu beschichtenden Materialoberflächen, bspw. mittels von Plasmareinigung. Anschließend wird das zu beschichtende höherfeste Stahlblechmaterial 12 in der Richtstation 23 mechanisch geradegerichtet, bevor es in die Beschichtungskammer 30 gelangt.
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In der Beschichtungskammer 30 wird von der Vorbeschichtungsstation 24a auf die Unterseite des höherfesten Stahlblechmaterials 12 mittels einer PVD-Technologie eine Anbindungsschicht bzw. Grundschicht 141 aufgebracht. Anschließend wird das höherfeste Stahlblechmaterial 12 mittels von Umlenkwalzen 28 innerhalb der Beschichtungskammer 30 umgelenkt. Anschließend wird von der Vorbeschichtungsstation 24b auf die Oberseite des höherfesten Stahlblechmaterials 12 ebenfalls eine Anbindungsschicht 141 aufgebracht. Das nun beidseitig mit einer Anbindungsschicht 141 versehene höherfeste Stahlblechmaterial 12 wird nun den beiden Hauptbeschichtungsstationen 25b und 25a zugeführt, wo jeweils auf die Anbindungsschicht 141 eine weitere Schicht aufgebracht wird, bei der es sich um die eigentliche Korrosionsschutzschicht 142 handelt, wie oben erläutert. Hierbei wird das höherfeste Stahlblechmaterial 12 innerhalb der Beschichtungskammer 30 mehrmals durch Umlenkwalzen 28 umgelenkt.
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Die gezeigten Beschichtungsstationen 24a/24b und 25a/25b arbeiten in der gezeigten Anlage 20 nach dem Prinzip des Elektronenstrahlverdampfens. Eine Wolfram-Glühkathode 29 (beispielhaft an der Beschichtungsstation 24b gezeigt) emittiert Elektronen, die über ein Magnetfeld fokussiert und auf den zu verdampfenden festen Beschichtungswerkstoff in einem Tiegel 27 gerichtet werden. Beim Auftreffen auf die Materialoberfläche des Beschichtungswerkstoffs bringen die hochenergetischen Elektronen das Beschichtungsmaterial zum Verdampfen, was durch den Unterdruck bzw. das Vakuum innerhalb der Beschichtungskammer 30 unterstützt wird. Der Materialdampf breitet sich kegelförmig in Richtung der zu beschichtenden Materialoberfläche des höherfesten Stahlblechmaterials 12 aus, was mit gepunkteten Dreiecken symbolisch dargestellt ist, wo der Materialdampf kondensiert und eine die Beschichtung bildende Schichtlage ausbildet.
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Die Anbindungsschicht 141 und die eigentliche Korrosionsschutzschicht 142 bilden zusammen die Korrosionsschutzschutzbeschichtung 14, wie in 1b gezeigt. In vorteilhafter Weise kann mittels der PVD-Technologie sowohl für die Anbindungsschicht 141 als auch für die eigentliche Korrosionsschutzschicht 142 ein gleichmäßiger Auftrag erreicht werden, wie in der 1 gezeigt.
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Im Anschluss an die Beschichtungskammer 30 verlässt das nun mit einer Korrosionsschutzbeschichtung 14 versehene Blechmaterial 10 die Anlage 20 rechtsseitig durch die Ausgangsschleuse 26.
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Die Korrosionsschutzbeschichtung 14 kann, wie in der 1a gezeigt, nur aus einer einzelnen Schicht, d. h. einlagig, ausgebildet sein. In einfacher Weise werden hierzu die Vorbeschichtungsstationen 24a/24b der Anlage 20 nicht in Betrieb genommen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Blechmaterial
- 12
- höherfestes Stahlblechmaterial (Blechgrundmaterial)
- 14
- Korrosionsschutzbeschichtung
- 141
- innere Schicht (Anbindungsschicht)
- 142
- äußere Schicht (eigentliche Korrosionsschutzschicht)
- 20
- PVD-Durchlauf-Beschichtungsanlage
- 21
- Eingangsschleuse
- 22
- Reinigungsstation
- 23
- Richtstation
- 24a/24b
- Vorbeschichtungsstation(en)
- 25a/25b
- Hauptbeschichtungsstation(en)
- 26
- Ausgangsschleuse
- 27
- Tiegel (für Beschichtungsmaterial)
- 28
- Umlenkwalze(n)
- 29
- Kathode
- 30
- Beschichtungskammer
