DE102020204356A1

DE102020204356A1 - Gehärtetes Blechbauteil, hergestellt durch Warmumformen eines Stahlflachprodukts und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102020204356A1
Application number: DE102020204356.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Bienholz; Brigitte Hammer; Sebastian Stille
Original assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2020-04-03
Filing date: 2020-04-03
Publication date: 2021-10-07

Abstract

Es wird ein gehärtetes Blechbauteil, hergestellt durch Warmumformen, umfassend ein Stahlsubstrat und eine das Stahlsubstrat kontaktierende Korrosionsschutzbeschichtung, vorgeschlagen, dessen Korrosionsschutzschutzbeschichtung eine das Stahlsubstrat kontaktierende erste Legierungsschicht und eine die erste Legierungsschicht kontaktierende zweite Legierungsschicht aufweist. Weiterhin wird ein Stahlflachprodukt vorgeschlagen, umfassend ein Stahlsubstrat und eine das Stahlsubstrat kontaktierende Korrosionsschutzbeschichtung mit den Hauptbestandteilen Mangan und Zink. Außerdem wird ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteils vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein gehärtetes Blechbauteil umfassend ein Stahlsubstrat und eine Korrosionsschutzbeschichtung; die Korrosionsschutzbeschichtung umfasst Mangan, Eisen und Zink. Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Stahlflachprodukt zur Herstellung des erfindungsgemäßen gehärteten Blechbauteils; das Stahlflachprodukt umfasst ein Stahlsubstrat und eine das Stahlsubstrat kontaktierende metallische Schicht.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen gehärteten Blechbauteils.
Schließlich betrifft die Erfindung auch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts zum Herstellen eines erfindungsgemäßen gehärteten Blechbauteils.
Bei den erfindungsgemäßen Stahlflachprodukten handelt es sich um Walzprodukte, wie Stahlbänder, Stahlbleche oder daraus gewonnene Zuschnitte und Platinen, deren Dicke wesentlich geringer ist als ihre Breite und Länge.
Ein erfindungsgemäßes gehärtetes Blechbauteil ist vorzugsweise ein Stahlformteil, welches aus einem entsprechenden Stahlflachprodukt durch Warmumformung hergestellt ist.
Als Hauptbestandteil bzw. Hauptbestandteile werden Legierungselemente mit dem höchsten Gewichtsanteil bezeichnet. Dies bedeutet, dass das Legierungselement in einer größeren Menge enthalten ist als jeder weitere etwaig enthaltene Legierungsbestandteil.
Angaben zu den Bestandteilen des Gefüges eines Stahls, eines Stahlflachprodukts oder eines daraus geformten Blechbauteils beziehen sich hier dagegen immer auf das Volumen (Angabe in Vol.-%). Sofern erwähnt, sind die Anteile an Austenit dabei über XRD mit Fe-gefilterter Co-Kα-Strahlung gemessen worden. Das XRD - Messverfahren ist in folgender Quelle beschrieben: DIN EN 13925-Röntgendiffraktometrie von polykristallinen und amorphen Materialien Teil 1 und 2 aus 2003_7, Teil 3 aus 2005. Die weiteren Gefügebestandteile, sofern erwähnt, sind jeweils nach Nital-Ätzung lichtmikroskopisch identifiziert worden.
Die im vorliegenden Text erwähnten mechanischen Eigenschaften Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze Rp0,2 und Bruchdehnung A80 sind gemäß der DIN EN ISO 6892-1:2017-02 bestimmt worden.
In DE 10 2012 024 616 A1 wird beschrieben, dass sich aus presshärtenden Stahlblechen gehärtete Bauteile mit extrem hoher Festigkeit fertigen lassen, indem das Stahlblech über die Austenitisierungstemperatur erhitzt und durch Abkühlung während des Pressens ein im Wesentlichen rein martensitisches Gefüge erhalten wird. Es wird ein Stahlblech offenbart, insbesondere ein presshärtendes Stahlblech, bestehend aus Stahlsubstrat und einer Zink und Mangan enthaltenden Korrosionsschutzschicht.
EP 3 483 297 A1 offenbart ein pressgehärtetes Bauteil mit exzellenter Duktilität und Korrosionsbeständigkeit. Das pressgehärtete Bauteil besteht aus einem Stahlsubstrat und einer zinkbasierten Korrosionsschicht. Das beschichtete Stahlflachprodukt wird über die Austenitisierungstemperatur erwärmt und für 5-10000 s gehalten, auf 400-650°C abgekühlt und in diesem Bereich warmumgeformt.
In EP 2 778 247 A1 ist ein Stahlblech sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils durch Warmpressformen des Stahlbleches nach einer Erwärmung auf eine Temperatur, die zwischen der Ac1- und der Ac3-Temperatur der jeweiligen Stahllegierung liegt, offenbart. Gemäß diesem Verfahren wird das Stahlblech auf eine Temperatur erwärmt, die zwischen der Ac1- und der Ac3-Temperatur der jeweiligen Stahllegierung liegt, und warmpressgeformt.
Aus der EP 2 383 353 B1 sind Beispiele für höherfeste, Mn-haltige Stähle bekannt, die als beschichtetes oder unbeschichtetes Warm- oder Kaltband eine Bruchdehnung A80 von mindestens 4 % und eine Zugfestigkeit von 900 -1500 MPa aufweisen. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines beschichteten oder unbeschichteten Warm- oder Kaltbands vorgestellt.
In WO 2019/020169 ist ein Blechbauteil sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung offenbart, welches zu einer erhöhten Restdehnung des Bauteils bei hohen Festigkeiten führt. Das Gefüge besteht zu 5-50 Vol.-% aus Austenit und Rest aus Martensit, angelassenen Martensit oder Ferrit, wobei der Ferrit-Anteil auch „0“ sein kann.
Bei der Warmumformung bekannter Warmumformstähle kommen üblicherweise Korrosionsschutzbeschichtungen zum Einsatz, beispielsweise Al-Si-Beschichtungen, um ein Verzundern der Oberfläche zu verhindern. Solche Al-Si-Beschichtungen schützen durch ihre Barrierewirkung jedoch nur passiv vor Korrosion. Passiver Korrosionsschutz bedeutet, dass bei Beschädigungen der Beschichtung an den betroffenen Stellen die Korrosionsschutzwirkung entfällt. Der Einsatz von aktiv schützenden Zn-Überzügen ist aufgrund des vergleichsweise niedrigen Schmelzpunkts des reinen Zinks von ca. 419 °C nur eingeschränkt möglich. Aktiver Korrosionsschutz heißt dabei, dass die Korrosionsschutzbeschichtung unedler ist als das Stahlsubstrat und mit dem Sauerstoff der Umgebung reagiert, um das Stahlsubstrat zu schützen und selbst bei lokaler Beschädigung der Korrosionsschutzbeschichtung die schützende Wirkung auch auf eine gewisse Distanz erhalten bleibt. Es wird nämlich beobachtet, dass bei Umformung flüssiges Zink in den Grundwerkstoff (das Stahlsubstrat) eindringt und dort zu einer Rissbildung führt (sogenannte Flüssigmetallversprödung). Vereinzelt wird dieses Problem bereits umgangen, indem der Zn-Überzug durch eine höherschmelzende Legierung substituiert wird, sodass dies bei der Warmumformung nur zu einem ausreichend geringen Anteil in flüssiger Form vorliegt oder indem auf alternative Verfahren zurückgegriffen wird. Insoweit sei erneut auf das Dokument DE 10 2012 024 616 A1 verwiesen.
Typische für die Warmumformung genutzte Mangan-Bor-Stähle weisen eine geringe Bruchdehnung auf und sind daher im Crashfall nur eingeschränkt in der Lage, Energie aufzunehmen.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Korrosionsschutzbeschichtungen für Stahlbleche (Stahlflachprodukte) und warmumgeformte Stahlbleche (gehärtete Blechbauteile) bekannt, welche Zink und Mangan enthalten. Die bereits bekannten Korrosionsschutzbeschichtungen, Stahlflachprodukte bzw. gehärteten Blechbauteile sowie die Verfahren zu ihrer jeweiligen Herstellung erscheinen jedoch noch nicht optimal. So besteht Bedarf an einer Korrosionsschutzbeschichtung eines Stahlflachprodukts, die während des Aufheizens eine dunkle Färbung besitzt oder annimmt, sodass im Ofen Strahlungsenergie besonders effizient aufgenommen werden und das Substrat somit besonders schnell auf eine Temperatur oberhalb von Ac3 aufgeheizt werden kann.
Hiermit korrespondiert der bestehende Bedarf an Blechbauteilen mit einer Korrosionsschutzbeschichtung, welche nach nur kurzer Ofenliegezeit warmumgeformt werden können, ohne dass dies einen Einfluss auf das angestrebte Gefüge des Stahlsubstrats nach der Warmumformung hat. Damit einher geht die Forderung nach einer niedrigen Ac3-Temperatur zur Energieeinsparung während des Aufheiz- und Abkühlprozesses. Gleichzeitig wird angestrebt, bei Verwendung bestehender Öfen den Durchsatz zu erhöhen oder bei Konzeption bzw. Anschaffung neuer Öfen für einen gegebenen Durchsatz zukünftige Öfen kleiner auslegen zu können.
Darüber hinaus besteht ein Bedarf an Korrosionsschutzschichten, die einen kathodischen und aktiven Korrosionsschutz ermöglichen, wobei ein aktiver Korrosionsschutz vorzugsweise durch eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen Korrosionsschutzbeschichtung und Substrat von größer 0 mV bevorzugt größer 50 mv besonders bevorzugt größer 100 mv und ganz besonders bevorzugt größer 150 mV gegeben ist.
Zudem besteht auch ein Bedarf an Korrosionsschutzbeschichtungen, Stahlflachprodukten bzw. gehärteten Blechbauteilen, bei der Werkzeug- und Ofenrollenanhaftungen unterdrückt bzw. vollständig vermieden werden. Wird ein Überzug flüssig, wie es mit Korrosionsbeschichtungen aus dem Stand der Technik häufig der Fall ist, bleibt immer ein Teil der Beschichtung an den Ofenrollen oder am Werkzeug haften, was die Standzeit des Equipments reduziert. Daher sind Korrosionsschutzbeschichtungen vorteilhaft, die an der Oberfläche einen möglichst geringen oder gar keinen Anteil an Flüssigphase aufweisen.
Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe darin, ein Blechbauteil zu schaffen, welches im Vergleich zu konventionell hergestellten Blechbauteilen eine Energieeinsparung und eine Reduktion von CO₂-Emissionen durch niedrigere Umformtemperaturen ermöglicht, die Strahlungsenergie besonders effizient aufnimmt und damit schnell erwärmt werden kann, eine erhöhte Restdehnung bei hohen Festigkeiten zulässt und bei denen ein möglichst hohes Potenzial für einen kathodischen Korrosionsschutz gewahrt ist. Des Weiteren bestand die Aufgabe in einer Senkung der notwendigen Abkühlgeschwindigkeit zur Martensitbildung im Stahlsubstrat, was die Prozesssicherheit bei der Warmumformung erhöhen und auch hier Energieeinsparungen ermöglichen soll. Zudem sollten die mit dem jeweiligen vorstehend referierten Stand der Technik verbundenen Nachteile vorzugsweise überwunden oder zumindest abgeschwächt werden. Im Fokus stand ebenfalls, dass es während der Warmumformung auch bei Temperaturen oberhalb Ac1 zu keinen Rissen in der Korrosionsschutzbeschichtung durch flüssiges Zink kommt.
Darüber hinaus sollte ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Blechbauteils angegeben werden.
Gemäß einem primären Aspekt der vorliegenden Erfindung werden zahlreiche der vorstehend angegebenen Aufgabenstellungen gelöst durch ein gehärtetes Blechbauteil, umfassend ein Stahlsubstrat und eine Korrosionsschutzbeschichtung, wobei das Stahlsubstrat aus (in Gew.-%) C: bis zu 0,5 %, Si: 0,05 - 1 %, Mn: 4 - 12 %, Cr: 0,1 - 4 %, Al: bis zu 3,5 %, N: bis zu 0,05 %, P: bis zu 0,05 %, S: bis zu 0,01 %, Cu und Ni: in Summe bis zu 2 %, Ti, Nb, V: in Summe bis zu 0,5 %, Seltene Erden: bis zu 0,1 % und als Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und wobei die Korrosionsschutzbeschichtung eine das Stahlsubstrat kontaktierende erste Legierungsschicht, deren zwei Hauptbestandteile Eisen und Zink sind, und eine die erste Legierungsschicht kontaktierende zweite Legierungsschicht, deren zwei Hauptbestandteile Mangan und Zink sind, umfasst.
Die Korrosionsschutzbeschichtung besteht aus einer ein- oder mehrlagigen metallischen Schicht, welche das Stahlsubstrat stoffschlüssig kontaktiert. Die kathodische Korrosionsschutzbeschichtung des gehärteten Blechbauteils bietet erfindungsgemäß einen aktiven Korrosionsschutz, wobei ein aktiver Korrosionsschutz vorzugsweise durch eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen Korrosionsschutzbeschichtung und Substrat von größer 0 mV, bevorzugt größer 50 mv, besonders bevorzugt größer 100 mv und ganz besonders bevorzugt größer 150 mV gegeben ist.
Der Fachmann entscheidet anhand mikroskopischer Untersuchungen am Querschliff, ob eine zu betrachtende Schicht ein- oder mehrlagig ist.
Das gehärtete Blechbauteil ist dadurch gekennzeichnet, dass im Stahlflachprodukt der Anteil der Gesamtmasse an Mangan in der Korrosionsschutzbeschichtung an der Gesamtmasse an Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung gleich oder größer ist als 3%, bevorzugt gleich oder größer als 5%, bevorzugt gleich oder größer als 10%, bevorzugt gleich oder größer als 20% und besonders bevorzugt gleich oder größer als 27% und/oder der Anteil Eisen in der zweiten Legierungsschicht der Korrosionsschutzbeschichtung bis zu 20% beträgt und/oder ein Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten ist.
Es hat sich gezeigt, dass bei einem derart hohen Gesamtanteil an Mangan an der Gesamtmasse von Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung, umfassend die erste Legierungsschicht, die zweite Legierungsschicht und gegebenenfalls eine äußere Schicht umfassend Manganoxid, in überraschender Weise besonders klar sichergestellt ist, dass nur äußerst geringe Mengen an Zink beim Erhitzen abdampfen, Strahlungsenergie besonders effizient aufgenommen wird, die Ofen-liegezeit vorteilhaft reduziert werden kann, ein besonders effizienter Korrosions-schutz erreicht werden kann und die mit einer Flüssigmetallversprödung einhergehenden nachteiligen Effekte nicht oder nur in reduziertem Umfang beobachtet werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, den Mangananteil so zu wählen, dass es in der Korrosionsschutzbeschichtung auch bei Temperaturen oberhalb Ac1 nicht zu Rissen oder Fehlstellen durch flüssiges Zink kommt. Dadurch besteht die Flexibilität, die Eigenschaften der Korrosionsschutzbeschichtung an die erforderliche Warmumformtemperatur anzupassen und die Warmumformtemperatur zu variieren.
Besonders bevorzugt ist ein gehärtetes Blechbauteil, wobei der Anteil der Gesamtmasse an Mangan in der Korrosionsschutzbeschichtung an der Gesamtmasse an Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung gleich oder kleiner 40% ist, bevorzugt gleich oder kleiner 35% ist. Es hat sich gezeigt, dass bei Überschreiten eines Mangan-Anteils von 40%, bezogen auf die Gesamtmasse an Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung insgesamt, die vorstehend diskutierten einzelnen Vorteile zum Teil nicht mehr reproduzierbar erreicht werden.
Zudem betrifft die vorliegende Erfindung ein Stahlflachprodukt, insbesondere zur Herstellung eines erfindungsgemäßen gehärteten Blechbauteils, wie es in den Ansprüchen definiert und vorstehend diskutiert ist. Ein solches erfindungsgemäßes Stahlflachprodukt umfasst ein Stahlsubstrat und eine das Stahlsubstrat kontaktierende ein- oder mehrlagige Korrosionsschutzbeschichtung, deren zwei Hauptbestandteile Zink und Mangan sind.
Das Stahlsubstrat des Stahlflachprodukts besteht aus (in Gew.%) C: bis zu 0,5 %, Si: 0,05 - 1 %, Mn: 4 - 12 %, Cr: 0,1 - 4 %, AI: bis zu 3,5 %, N: bis zu 0,05 %, P: bis zu 0,05 %, S: bis zu 0,01 %, Cu und Ni: in Summe bis zu 2 %, Ti, Nb, V: in Summe bis zu 0,5 %, Seltene Erden: bis zu 0,1 % und als Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen.
In der das Stahlsubstrat kontaktierenden ein- oder mehrlagigen Korrosionsschutzbeschichtung des gehärteten Stahlflachprodukts ist der Anteil der Gesamtmasse an Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung gleich oder größer ist als 3%, bevorzugt gleich oder größer als 5%, bevorzugt gleich oder größer als 10%, bevorzugt gleich oder größer als 20% und besonders bevorzugt gleich oder größer als 27% und dabei bevorzugt gleich oder kleiner 40 %, und besonders bevorzugt gleich oder kleiner 35 %.
Die Korrosionsschutzbeschichtung besteht aus einer ein- oder mehrlagigen metallischen Schicht, welche das Stahlsubstrat stoffschlüssig kontaktiert. Die kathodische Korrosionsschutzbeschichtung des Stahlflachprodukts bietet erfindungsgemäß einen aktiven Korrosionsschutz, wobei ein aktiver Korrosionsschutz vorzugsweise durch eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen Korrosionsschutzbeschichtung und Substrat von mindestens größer 0 mV bevorzugt größer 50 mv besonders bevorzugt größer 100 mv und ganz besonders bevorzugt größer 150 mV gegeben ist.
Es hat sich gezeigt, dass bei einem derart hohen Gesamtanteil an Mangan an der Gesamtmasse von Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung, umfassend die erste Legierungsschicht, die zweite Legierungsschicht und gegebenenfalls weitere Schichten, bevorzugt umfassend Manganoxid, in überraschender Weise besonders klar sichergestellt ist, dass nur äußerst geringe Mengen an Zink beim Erhitzen abdampfen, Strahlungsenergie besonders effizient aufgenommen wird, die Ofenliegezeit vorteilhaft reduziert werden kann, ein besonders effizienter Korrosionsschutz erreicht werden kann und die mit einer Flüssigmetallversprödung einhergehenden nachteiligen Effekte nicht oder nur in reduziertem Umfang beobachtet werden. Bei Überschreiten eines Mangan-Anteils von 40%, bezogen auf die Gesamtmasse an Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung insgesamt, die vorstehend diskutierten einzelnen Vorteile zum Teil nicht mehr reproduzierbar erreicht werden.
Besonders bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes Stahlflachprodukt, wobei in der das Stahlsubstrat kontaktierenden ein- oder mehrlagigen kontaktierenden Korrosionsschutzbeschichtung der Gesamtanteil an Mangan und Zink größer ist als 90 Gew.-%, bevorzugt größer ist als 95 Gew.-%, besonders bevorzugt größer ist als 99 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt größer ist als 99,9 Gew.-%, und / oder der Anteil an Eisen kleiner ist als 10 Gew.-%, vorzugsweise kleiner ist als 2 Gew.-, und/oder kein Aluminium oder Aluminium in einer maximalen Menge von 0,05 Gew.-% enthalten ist und/oder ein Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten ist.
Dabei ist im Sinne dieser Anmeldung ein Element eine unvermeidbare Verunreinigung der Korrosionsschutzbeschichtung, wenn der Massenanteil in der Korrosionsionsschutzbeschichtung kleiner ist als 1.0 Gew.-%, bevorzugt kleiner 0,8 Gew.- % und besonders bevorzugt kleiner 0,5 Gew.- %. Diese Definition bezieht sich lediglich auf unvermeidbare Verunreinigungen der Korrosionsschutzbeschichtung. Für die später genannten unvermeidbaren Verunreinigungen im Stahlsubstrat gelten die fachüblichen Grenzwerte.
Es versteht sich, dass es zwar bei der Transformation des erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts in ein erfindungsgemäßes gehärtetes Blechbauteil zu einer geringfügigen Veränderung des Massenanteils an Zink kommen kann, beispielsweise, weil Zink verdampft oder in das Stahlsubstrat eindiffundiert, der Fachmann wird derartige Effekte jedoch bei der Konzeption des erfindungsgemäßen Bauteils unter Berücksichtigung der Verfahrensparameter bei der Überführung des Stahlflachprodukts in das gehärtete Blechbauteil berücksichtigen.
Es versteht sich, dass die vorstehend diskutierten erfindungsgemäßen gehärteten Blechbauteile herstellbar sind durch Behandeln eines erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts.
Der Fachmann kann beispielsweise durch Warmumformen ein bevorzugtes erfindungs-gemäßes Stahlflachprodukt in ein bevorzugtes erfindungsgemäßes gehärtetes Blechbauteil überführen; zu ausgewählten Einzelheiten sei auf die nachfolgenden Ausführungen zu erfindungsgemäßen Verfahren verwiesen.
Die erste Legierungsschicht und die zweite Legierungsschicht sind, weil zur Herstellung des erfindungsgemäßen gehärteten Blechbauteils regelmäßig von einem erfindungsgemäßen Stahlflachprodukt ausgegangen und ein erfindungsgemäßes Herstellverfahren durchgeführt wird, üblicherweise das Ergebnis einer Entmischung einer Ausgangslegierung, die als Hauptbestandteile Mangan und Zink umfasst; die erste Legierungsschicht enthält aufgrund von Diffusionsprozessen üblicherweise einen hohen Anteil an Eisen, welcher aus dem Stahlsubstrat stammt. Zu erfindungsgemäßen Bauteilen, Verfahren und Verwendungen im weiteren Verlauf im Folgenden.
Die das Stahlsubstrat kontaktierende erste Legierungsschicht, deren zwei Hauptbestandteile Eisen und Zink sind, schützt das Substrat kathodisch vor Korrosion. Die zweite Legierungsschicht, deren zwei Hauptbestandteile Mangan und Zink sind, besitzt einen Schmelzpunkt deutlich oberhalb der bei der Warmumformung üblicherweise eingesetzten Temperaturen. Hierdurch gibt es vorteilhafterweise weniger Werkzeug- und Ofenrollenanhaftungen. Es ist hierbei zu beachten, dass in der zweiten Legierungsschicht, deren zwei Hauptbestandteile Mangan und Zink sind, der Anteil der Gesamtmasse an Mangan deutlich höher ist als in der ersten Legierungsschicht. In der ersten Legierungsschicht sind nämlich die Hauptbestandteile Eisen und Zink, das heißt, dass sowohl der Anteil an Eisen als auch der Anteil an Zink in dieser ersten Legierungsschicht jeweils höher ist als der Anteil irgendeines anderen Metalls, einschließlich Mangan. In der zweiten Legierungsschicht hingegen sind Mangan und Zink die beiden Hauptbestandteile, das heißt, der Anteil an Mangan und der Anteil an Zink ist jeweils höher als der Anteil an weiteren Legierungsbestandteilen, einschließlich Eisen.
In der zweiten Legierungsschicht kann der Anteil an Eisen an der Gesamtmasse der zweiten Legierungsschicht bis zu 20 Gew.-%, bevorzugt bis zu 15 Gew.-% betragen. Lokal kann dabei in manchen Fällen der Anteil der Gesamtmasse an Eisen sogar höher sein als der Anteil der Gesamtmasse an Zink. Derartige lokale Besonderheiten sind in der Regel unproblematisch; für die Zwecke der vorliegenden Erfindung ist es jedoch erforderlich, dass in der zweiten Legierungsschicht insgesamt Mangan und Zink die zwei Hauptbestandteile sind.
Der Anteil an Eisen in der Korrosionsschutzbeschichtung wird begrenzt, um eine Rotrostbildung bei Korrosion zu vermeiden. Der Ursprung des Rotrosts ist nur schwer zu unterscheiden und daher als kritisch anzusehen. Rotrost, der bei der Korrosion der Korrosionsschutzbeschichtung auftritt, ist unkritisch, aber schwer von Rotrost des Stahlsubstrats zu unterscheiden, der unterbunden werden soll, um die Funktion des Bauteils zu gewährleisten. Daher ist Rotrost in der Beschichtung für den Kunden inakzeptabel, auch wenn im Fall der kathodischen Auflösung der Beschichtung dieser keinerlei Bedeutung für die Funktion des unter der Beschichtung liegenden Bauteils hat. Der Eisenanteil kann sich auch durch ein Vorlegieren des Stahlflachprodukts einstellen, welches vor der Warmumformung durch eine Ofenglühung erfolgen kann. Weitere Möglichkeiten der Vorlegierung wären das Durchlaufen einer kontinuierlichen Glühung oder einer Haubenglühung, um eine Vorlegierung mit Eisen zu erzeugen. Vorlegieren bedeutet eine separate Erwärmung als Teilprozess vor der eigentlichen Erwärmung auf die Erwärmungstemperatur zur Warmumformung.
Vorzugsweise sind in der zweiten Legierungsschicht Mangan und Zink die zwei Hauptbestandteile und die drei Hauptbestandteile Mangan, Zink und Eisen. Wie vorstehend ausgeführt, sind lokale Konzentrationsschwankungen für die Bestimmung der Hauptbestandteile in der zweiten Legierungsschicht unbeachtlich, da es insoweit auf die Legierungsschicht insgesamt und auf die in ihr enthaltenen Gesamtmassen ankommt.
Das erfindungsgemäße Blechbauteil bietet durch die Korrosionsschutzbeschichtung einen kathodischen und aktiven Korrosionsschutz, wobei ein aktiver Korrosionsschutz vorzugsweise durch eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen Korrosionsschutzbeschichtung und Substrat von größer 0 mV, bevorzugt größer 50 mv, besonders bevorzugt größer 100 mv und ganz besonders bevorzugt größer 150 mV gegeben ist.
In einem bevorzugten erfindungsgemäßen gehärteten Blechbauteil ist die Dicke der ersten Legierungsschicht vorzugsweise größer oder gleich der Dicke der zweiten Legierungsschicht. Dies gilt vorzugsweise zumindest in 80% der Gesamtfläche der Korrosionsschutzbeschichtung, bevorzugt in zumindest 85%, besonders bevorzugt in zumindest 90% der Gesamtfläche der Korrosionsschutzbeschichtung. Auf diese Weise wird ein besonders effektiver Korrosionsschutz sichergestellt. Ausgehend von erfindungsgemäßen Bauteilen und unter Verwendung erfindungsgemäßer Herstellverfahren (siehe dazu im Detail unten) kann der Fachmann insbesondere über die Variation der Verweilzeit bei ausgewählten hohen Temperaturen die Dicke der Legierungsschichten in gewünschter Weise einstellen.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes gehärtetes Blechbauteil, in der Korrosionsschutzbeschichtung weiter umfassend eine die zweite Legierungsschicht kontaktierende äußere Schicht umfassend Manganoxid, wobei vorzugsweise die Dicke der ersten Legierungsschicht größer oder gleich der Gesamtdicke der zweiten Legierungsschicht und der äußeren Schicht ist.
Ein solches erfindungsgemäßes gehärtetes Blechbauteil umfasst somit in der Korrosionsschutzbeschichtung neben der ersten Legierungsschicht und der zweiten Legierungsschicht auch noch zumindest die äußere Schicht umfassend Manganoxid. Diese wird bei der Herstellung des gehärteten Bauteils regelmäßig durch Reaktion von Mangan (wie es insbesondere auch in der zweiten Legierungsschicht vorhanden ist) mit Sauerstoff, z. B. dem Sauerstoff der Umgebungsluft, gebildet. Eine solche äußere Schicht umfassend Manganoxid zeichnet sich dadurch aus, dass sie durch ihre dunkle Färbung in einem Ofen nur wenig Strahlung reflektiert. Demzufolge nimmt die Oberfläche mehr Strahlungsenergie auf und lässt sich schnell aufheizen. Entsprechende Vorteile betreffen auch insbesondere das erfindungsgemäße Herstellverfahren.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend wie der allgemeine Erfindungsgedanke im Einzelnen erläutert.
Ein erfindungsgemäßes Blechbauteil ist demgemäß durch Warmumformen eines Stahlflachprodukts hergestellt, dessen Stahlsubstrat aus (in Gew.-%) C: bis zu 0,5 %, Si: 0,05 - 1 %, Mn: 4 - 12 %, Cr: 0,1 - 4 %, AI: bis zu 3,5 %, N: bis zu 0,05 %, P: bis zu 0,05 %, S: bis zu 0,01 %, in Summe bis zu 2 % Cu oder Ni, in Summe bis zu 0,5 % an Ti, Nb oder V, Seltene Erden: bis zu 0,1 % und als Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und dessen kontaktierende Korrosionsschutzbeschichtung die zwei Hauptbestandteilen Eisen und Zink aufweist, wobei der Anteil der Gesamtmasse an Mangan in der Korrosionsschutzbeschichtung an der Gesamtmasse an Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung gleich oder größer ist als 3%, bevorzugt gleich oder größer als 5%, bevorzugt gleich oder größer als 10%, bevorzugt gleich oder größer als 20% und besonders bevorzugt gleich oder größer als 27% und dabei bevorzugt gleich oder kleiner 40% und besonders bevorzugt gleich oder kleiner 35% ist.
Der für das Stahlsubstrat verwendete Stahlwerkstoff kann dabei sowohl in Reinform wie auch in Kombination in Form von Schichten (bevorzugt 3 bis 5 Schichten, Bleche übereinander, die vorab durch einen Walzprozess zu einem Stahlband verbunden werden) oder gefügten Stahlblechen (z. B. Kombination von zwei Stahlbändern aneinander, die z. B. durch eine Laserschweißnaht zu einem Stahlband gefügt werden oder in Form von Platinen Tailored Blanks) Anwendung finden.
Die Dicke des Stahlsubstrats liegt vorzugsweise im Bereich von 0,6 mm bis 7 mm, bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 4 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 0,8 bis 3 mm.
Für die Festigkeit des Werkstoffes ist der Kohlenstoffgehalt entscheidend und daher gezielt einzustellen und zu begrenzen. Der Maximalgehalt an %C wird durch Formel (1) %C < 0,55 Gew % - %Cr/10 festgelegt, wobei der Gehalt an %C in Gew.-% und %Cr in Gew.-% nicht negativ sein kann. C und Cr erhöhen beide die Festigkeit des Stahls. Gleichzeitig darf der Anteil dieser beiden Elemente jedoch nicht zu hoch liegen, da sonst die Gefahr einer übermäßigen Bildung von Cr-Karbiden besteht, welche die Sprödigkeit des Werkstoffs erhöhen. Daher werden Gehalte an Cr und C nach Formel (1) eingestellt.
Gleichzeitig weist das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt nach der Warmumformung zu dem Blechbauteil einen nach VDA 238-100: 2010-12 bestimmten Biegewinkel von mehr als 60° auf.
Das erfindungsgemäß zu dem Blechbauteil geformte Stahlflachprodukt besteht aus einem Stahlsubstrat, das der Klasse der so genannten „Mittelmanganstähle“ zuzuordnen ist, welche üblicherweise Mn-Gehalte von 4 bis 12 Gew.-%, insbesondere einen Mn-Gehalt größer 4 Gew.-%, bevorzugt größer 5 Gew.-% und einen Mn-Gehalt kleiner 9 Gew.-%, bevorzugt kleiner 7 Gew.-% aufweisen. Durch Mangan „Mn“ wird die Austenitisierungstemperatur gesenkt und die Umwandlung von Ferrit, Perlit und Bainit verzögert. Damit kann auch die Haltetemperatur im Ofen vor der Warmumformung verringert werden. Die erhaltenen Vorteile werden durch Halten und Warmumformung im Zweiphasengebiet weiter verstärkt. Bei der anschließenden Abkühlung bleibt ein hoher Austenitanteil erhalten. Dieser führt zu einer sehr hohen Restbruchdehnung sowie einem hohen möglichen Biegewinkel bis zu ersten Rissen im Plättchenbiegeversuch nach VDA 238-100 und damit einer höheren Energieaufnahme im Crashfall. Die Mn-Gehalte eines erfindungsgemäß verarbeiteten Stahlflachprodukts sind dabei mit 4 - 12 Gew.-%, insbesondere einen Mn-Gehalt größer 4 Gew.-%, bevorzugt größer 5 Gew.-% und einen Mn-Gehalt kleiner 9 Gew.-%, bevorzugt kleiner 7 Gew.-% so eingestellt, dass die geforderten Mindestfestigkeiten eines erfindungsgemäßen Stahls sicher erreicht werden und gleichzeitig ein ausreichend hoher Restaustenitanteil erhalten bleibt, der optimale Dehnungseigenschaften gewährleistet.
Kohlenstoff „C“ bestimmt beim Stahlsubstrat eines erfindungsgemäß zu dem Bauteil geformten Stahlflachprodukts zum einen die Festigkeit von Martensit und zum anderen die Menge und die Stabilität des Restaustenits. Bei zu hohen Kohlenstoffgehalten wird die Schweißbarkeit und Zähigkeit des Stahls, z. B. durch Bildung von Cr-Karbiden, negativ beeinflusst. Deshalb beträgt der Kohlenstoffgehalt von Mn-Stählen der erfindungsgemäß ausgewählten Art höchstens 0,5 Gew.-%, wobei geringere C-Gehalte von weniger als 0,5 Gew.-%, bevorzugt von bis zu 0,3 Gew.-%, insbesondere von bis zu 0,2 Gew.-% sich als besonders günstig erweisen. Bei zu geringem Kohlenstoffgehalt wird jedoch die Menge und Stabilität des verbleibenden Restaustenits beeinträchtigt. Deshalb beträgt der C-Gehalt eines erfindungsgemäßen Stahls mindestens 0,02 Gew-%, bevorzugt mindestens 0,04 Gew-%.
Aluminium „AI“ und Silizium „Si“ sind starke Ferritbildner. Beide Elemente wirken dem Einfluss der Austenitbildner C und Mn entgegen. Die wesentliche Aufgabe der Elemente Si und Al besteht im Stahl eines erfindungsgemäß zu dem Blechbauteil warmgeformten Stahlflachprodukts darin, die Karbidausscheidung zu unterdrücken und damit die Stabilität des Restaustenits zu fördern. Gleichzeitig führen Si und Al zu einer Mischkristallhärtung und reduzieren das spezifische Gewicht des Stahls. Bei zu geringem Si- und Al-Gehalt kann die Karbidausscheidung jedoch möglicherweise nicht effektiv unterdrückt werden. Bei zu hohen Gehalten an Si und Al wird dagegen die Verarbeitung sowohl bei einer Erzeugung über ein Strangguss- als auch bei einer Erzeugung über ein Bandgussverfahren erschwert. Deshalb sieht die Erfindung vor, den Si-Gehalt auf max. 1 Gew.-% zu beschränken, bevorzugt auf max. 0,8 Gew.-% zu beschränken, wobei die positiven Effekte der Anwesenheit von Si dann bereits effektiv genutzt werden können, wenn der Si-Gehalt des Stahls des Stahlflachprodukts, aus dem das erfindungsgemäße Bauteil warmgeformt ist, mindestens 0,05 Gew.-% beträgt. Insbesondere AI-Gehalte größer 3,5 Gew.-% des erfindungsgemäß für die Warmformung des Blechbauteils verwendeten Stahlflachprodukts verringern die Dichte des Stahls signifikant, führen jedoch zu erhöhten Ferrit-Anteilen im Gefüge und damit einhergehend zu einer Abnahme der Festigkeit. Bei zu hohen AI-Gehalten nimmt zudem die Schweißeignung ab, da sich beim Schweißvorgang stabile Schweißschlacke bildet und der elektrische Schweißwiderstand erhöht wird. Gleichzeitig wird die Ac3-Temperatur durch hohe AI-Gehalte so weit erhöht, dass eine niedrige Warmumformtemperatur, wie sie die Erfindung anstrebt, nicht mehr erzielbar ist.
Durch die Anwesenheit von Chrom „Cr“ in Gehalten von 0,1 bis 4 Gew.-% wird in einem erfindungsgemäßen Stahl die Gefahr der Entstehung von Spannungsrisskorrosion gezielt vermindert. Cr und Al behindern eine wasserstoffinduzierte Rissbildung. Zudem trägt Cr zur Festigkeitssteigerung bei. Des Weiteren senkt Cr auch die Ms-Temperatur (Martensitstarttemperatur) und unterstützt damit die Restaustenit-Stabilisierung. Ab einem Gehalt von 0,1 Gew.-% Cr, insbesondere aber ab Cr-Gehalten von mindestens 2,2 Gew.-%, sind diese positiven Effekte zu beobachten. Ab Cr-Gehalten von 2,2 Gew.-% wird im unbeschichteten Zustand zudem die Zunderbeständigkeit verbessert. Bei Stahlflachprodukten, die mit einer metallischen Korrosionsschutzbeschichtung versehen sind, kann eine positive Wirkung auf die Beschichtung ausgenutzt werden, wie beispielsweise die Wirkung als Diffusionssperre für das Eindiffundieren von Eisen in die Schutzbeschichtung. Der Cr-Gehalt des Stahls eines zu dem erfindungsgemäßen Bauteil warmgeformten Stahlflachprodukts ist auf max. 4 Gew.-% beschränkt, weil bei höheren Gehalten Cr-Karbide entstehen könnten, die die Duktilität des Stahls negativ beeinflussen würden.
Ebenfalls im Hinblick auf die Vermeidung der Entstehung von höheren Cr-Karbidmengen schreibt die Erfindung vor, dass der Gehalt „%C“ an Kohlenstoff „C“ in Gew.-% und der Gehalt „%Cr“ an Chrom „Cr“ in Gew.-% des Stahls eines erfindungsgemäß zu dem Blechbauteil geformten Stahlflachprodukts die Bedingung %C < 0,55 Gew % - %Cr/10 einhalten muss.
Durch Zugabe von Kupfer „Cu“ oder Nickel „Ni“ zum Stahl des erfindungsgemäß warmgeformten Stahlflachprodukts lässt sich der Widerstand gegen verschiedene Korrosionsmechanismen verbessern. Die positive Wirkung von Cu und Ni lässt sich dabei dadurch besonders sicher nutzen, dass diese Elemente in Gehalten zugegeben werden, in denen sie technisch wirksam werden. Dies ist zu erwarten, wenn im Stahl des erfindungsgemäßen Bauteils die Summe der Gehalte an Cu und Ni größer 0,04 Gew.-% beträgt. Dagegen werden negative Auswirkungen, wie höhere Kosten und Heissrisssprödigkeit bei hohen Cu-Gehalten der einzelnen oder kombinierten Anwesenheit von Cu oder Ni in erfindungsgemäßen Stählen dadurch sicher vermieden, dass die Summe der Gehalte an Cu und Ni auf maximal 2 Gew.-% beschränkt ist.
Die Mikrolegierungselemente Ti, Nb und V können im Stahl des Stahlflachprodukts, aus dem das erfindungsgemäße Bauteil geformt ist, in Gehalten von in Summe bis zu 0,5 Gew.-% anwesend sein. Diese Mikrolegierungselemente tragen zur Kornfeinung und Festigkeitssteigerung bei. In Summe oberhalb von 0,5 Gew.-% liegende Gehalte an Ti, Nb und V führen jedoch zu keiner Steigerung dieses Effekts, wogegen die positiven Wirkungen von Ti, Nb und V im Stahl des erfindungsgemäßen Bauteils sicher genutzt werden können, wenn ihr Gehalt in Summe mindestens 0,05 Gew.-% beträgt.
Durch die Zugabe von Stickstoff „N“ in Gehalten von bis zu 0,05 Gew.-%, kann das austenitische Gefüge zusätzlich stabilisiert werden. Bei zu hohem N-Gehalt wird die Prozessierbarkeit beim Stranggiessen verschlechtert und eine versprödende Menge an Nitriden entsteht.
Die Gehalte an Phosphor „P“ des Stahls eines erfindungsgemäßen Bauteils sind auf maximal 0,05 Gew.-% beschränkt, um negative Einflüsse dieses Elements durch Versprödung sicher auszuschließen.
Aus demselben Grund ist der Gehalt an Schwefel „S“ eines erfindungsgemäßen Stahls zum Verhindern der Versprödung auf max. 0,01 Gew-% beschränkt.
Seltene Erden „REM“ können im Stahl des erfindungsgemäßen Bauteils durch Bildung von Oxiden zur Kornfeinung beitragen und verbessern über die Textur die Isotropie der mechanischtechnologischen Eigenschaften. Die beiden Seltenen Erden Cer und Lanthan sind chemisch nahezu identisch und kommen daher in der Natur immer vergemeinschaftet vor. Durch ihre chemische Ähnlichkeit sind sie sehr schwer und daher aufwendig zu trennen. Dabei haben sie die gleiche Wirkung. Die Seltenen Erden kann man für die Nutzung im Stahl frei substituieren. Bei Gehalten über 0,1 Gew.-% ergibt sich allerdings unter anderem beim großtechnischen Vergießen des Stahls die Gefahr des so genannten „Cloggings“, d.h. des Verstopfens der Gießkokille durch lokal erstarrende Schmelze. Die Vorteile der Anwesenheit der REM können dennoch dadurch sicher genutzt werden, dass der Gehalt des Stahls eines erfindungsgemäßen Bauteils mindestens 0,0005 Gew.-% beträgt.
Der gemäß VDA 238-100: 2010-12 bestimmte Biegewinkel ist ein Maß für das Faltverhalten des Werkstoffs im Crashfall und somit ein Indikator für die Duktilität, die ein warmumgeformtes Bauteil besitzt. Erfindungsgemäße Bauteile zeichnen sich durch einen hohen Biegewinkel von mindestens 60°, insbesondere mindestens 80° oder mehr als 80°, wie beispielsweise mindestens 85°, nach der Warmumformung aus. Dabei spielt das gleichmäßige, sehr feine Gefüge eine fördernde Rolle. Ein hoher Austenitgehalt, wie er vorliegt, wenn die Warmumformung bei Temperaturen erfolgt, die im Zweiphasenmischgebiet des Stahls (oder tiefer) liegen, aus dem das Stahlflachprodukt besteht, aus welchem das Bauteil geformt ist, hat vorteilhafte Auswirkungen.
Erfindungsgemäß gehärtete Blechbauteile zeichnen sich dadurch aus, dass sie ein Gefüge aufweisen, welches zu mindestens 1 Vol.-% aus Restaustenit besteht, wobei der Restaustenit-Anteil des Gefüges höchstens 50,0 Vol.-% betragen kann, bevorzugt höchstens 40,0 Vol.-% betragen kann und besonders bevorzugt höchstens 35,0 Vol.-% betragen kann. Das restliche Gefüge des Blechbauteils besteht aus festigkeitssteigernden Anteilen an Martensit und angelassenem Martensit. Außerdem kann Ferrit enthalten sein, wobei der Ferrit-Anteil auch „0“ sein kann. Die Menge sonstiger technisch unvermeidbar vorhandener Gefügebestandteile, ist so gering, dass sie hinsichtlich der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bauteils unwirksam sind. Der mittlere Korndurchmesser der Körner des Gefüges beträgt weniger als 5 µm.
Erfindungsgemäß gehärtete Blechbauteile weisen nach der Warmumformung eine Zugfestigkeit Rm des Stahlsubstrats mit Korrosionsschutzbeschichtung von mindestens 800 MPa, bevorzugt mindestens 900 MPa, besonders bevorzugt mindestens 1000 MPa auf.
Erfindungsgemäß gehärtete Blechbauteile weisen nach der Warmumformung eine Bruchdehnung A80 von mehr als 6 %, bevorzugt mehr als 8%, besonders bevorzugt mehr als 11% auf.
Erfindungsgemäß gehärtete Blechbauteile weisen nach der Warmumformung ein aus seiner Zugfestigkeit Rm und seiner Bruchdehnung A80 gebildetes Produkt Rm*A80 von mehr als 10.000 MPa%, bevorzugt mehr als 12.000 MPa%, besonders bevorzugt mehr als 13.000 MPa%. Die erhöhte Bruchdehnung dient im Crashfall einer erhöhten Energieaufnahme.
Bevorzugt ist ein erfindungsgemäßes gehärtetes Blechbauteil, wobei das Stahlsubstrat ein Stahl mit beschriebenem Gefüge ist. Ausgehend von erfindungsgemäßen Bauteilen und unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe dazu jeweils unten) lässt sich die beschriebene Gefügestruktur erreichen, welche die vom Fachmann angestrebten Festigkeiten garantiert. Aufgrund der Korrosionsschutzbeschichtung besteht dabei ein hervorragender Korrosionsschutz.
Vorzugsweise ist ein erfindungsgemäßes gehärtetes Blechbauteil ein warmumgeformtes Bauteil, vorzugsweise ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stoßfängerquerträger, Seitenaufprallträger, Säulen und Karosserieverstärkungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines gemäß den voranstehenden Ansprüchen beschaffenen Blechbauteils umfasst folgende Arbeitsschritte:

(a) Bereitstellen eines Stahlsubstrats aus einem Stahl, der (in Gew.-%) aus
- C: bis zu 0,5 %,
- Si: 0,05 - 1 %,
- Mn: 4-12%,
- Cr: 0,1 - 4 %,
- Al: bis zu 3,5 %,
- N: bis zu 0,05 %,
- P: bis zu 0,05 %,
- S: bis zu 0,01 %,
- Cu, Ni: in Summe bis zu 2 %,
- Ti, Nb, V: in Summe bis zu 0,5 %
- Seltene Erden: bis zu 0,1 %
und als Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht,
(b) Applizieren einer ein- oder mehrlagigen metallischen kathodischen Korrosionsschutzbeschichtung, deren zwei Hauptbestandteile Zink und Mangan sind, auf das Stahlsubstrat, wobei in der ein- oder mehrlagigen metallischen Schicht der Anteil der Gesamtmasse an Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink gleich oder größer ist als 3%, bevorzugt gleich oder größer 5%, bevorzugt gleich oder größer 10%, bevorzugt gleich oder größer 20%, besonders bevorzugt gleich oder größer 27% ist und dabei bevorzugt gleich oder kleiner 40 %, und besonders bevorzugt gleich oder kleiner 35 % ist.
(c) Durcherwärmen des Stahlsubstrats mit kathodischer Korrosionsschutzbeschichtung auf eine Erwärmungstemperatur, wobei die Erwärmungstemperatur in einer Alternative mindestens 400°C und höchstens gleich der Ac3 -Temperatur - 30°C des Stahlsubstrats beträgt, oder die Erwärmungstemperatur in einer anderen Alternative mindestens gleich der Ac3 -Temperatur - 30°C und höchstens gleich der Ac3 -Temperatur + 100°C des Stahls beträgt, aus dem das Stahlsubstrat jeweils besteht;
(d) Umformen des auf die Erwärmungstemperatur erwärmten Stahlsubstrats mit Korrosionsschutzbeschichtung zu dem Blechbauteil und optional
(e) Abkühlen des Blechbauteils mit einem durchschnittlichen Temperaturgradienten von maximal 1.000 K/s bis auf Raumtemperatur.

Die grundsätzlichen Möglichkeiten der Erzeugung von Stahlflachprodukten, die für die erfindungsgemäßen Zwecke geeignet und im Arbeitsschritt a) des erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellt werden, sind in der EP 2 383 353 B1 beschrieben, deren Inhalt durch Bezugnahme in die vorliegende Anmeldung aufgenommen wird. Im dort wiedergegebenen Diagramm und den zugehörigen Abschnitten [0031] bis [0037] der EP 2 383 353 B1 sind die verschiedenen in der Praxis zur Verfügung stehenden Wege zur Erzeugung von Stahlflachprodukten dargestellt, die zur Erzeugung von erfindungsgemäßen Bauteilen geeignet sind.
Zusätzlich besteht die Möglichkeit, das gewalzte Band direkt, d.h. ohne vorherige Durcherwärmung aus Schritt (c), dem Prozess der Warmumformung zuzuführen.
Die ein- oder mehrlagige metallische kathodische Korrosionsschutzbeschichtung, deren zwei Hauptbestandteile Zink und Mangan sind, kann mittels eines Verfahrens erfolgen, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: elektrolytische Abscheidung, galvanische Abscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Chemical Vapour Deposition, Tauchverfahren, Slurry-Verfahren, thermisches Spritzen und Kombinationen davon, bevorzugt elektrolytisch oder mittels physikalischer Gasphasenabscheidung, und besonders bevorzugt mittels physikalischer Gasphasenabscheidung.
Aufgrund der im erfindungsgemäßen Stahlflachprodukt vorgesehenen, das Stahlsubstrat kontaktierenden, ein- oder mehrlagigen metallischen Schicht, deren zwei Hauptbestandteile Zink und Mangan sind, wird ein Verzundern der Oberfläche des Stahlsubstrats während der Warmumformung auch in Gegenwart von Sauerstoff weitgehend oder vollständig unterdrückt. Eine Flüssigmetallversprödung findet nur in geringem Umfang statt oder wird vermieden. Bei vorteilhafter Ausgestaltung bildet sich auf der Oberfläche eine Manganoxidschicht aus, sodass ein besonders hohes Maß an Strahlungsenergie aufgenommen werden kann, sodass das Bauteil insgesamt und insbesondere dessen Stahlsubstrat sich schneller der Ofentemperatur angleicht. Hierdurch wiederum kann die Ofenliegezeit reduziert werden. Auf die vorstehenden Ausführungen sei verwiesen.
Im Vergleich zum Warmumformverfahren mit konventionellen Warmumformstählen bei Umformtemperaturen zwischen 880 bis 950°C weist das erfindungsgemäße Stahlflachprodukt bei relativ niedrigen Umformtemperaturen einen aktiven Korrosionsschutz auf. Im Vergleich zu reinen Zink-Beschichtungen mit einem Schmelzpunkt bei ca. 419°C weist das Stahlflachprodukt bei vergleichsweise hohen Umformtemperaturen einen aktiven Korrosionsschutz auf. Der Einsatz von reinem Zink würde auch bei höheren Umformtemperaturen zu einer starken Rissbildung bedingt durch eine flüssigmetallinduzierte Versprödung des Grundwerkwerkstoffs führen.
Der erhöhte Mn-Gehalt des Stahlsubstrats senkt nicht nur die notwendige Warmumformtemperatur sondern auch die notwendige Abkühlgeschwindigkeit zur Martensitbildung, was die Prozesssicherheit bei der Warmumformung erhöht und Energieeinsparungen ermöglicht, da das Umformwerkzeug schwächer gekühlt werden muss. Durch die herabgesetzten Warmumformtemperaturen kann auch der Zn-Anteil der Korrosionsschutzbeschichtung gesteigert werden, was den aktiven Korrosionsschutz verbessert. Aufgrund der komplexen Oxidationsstufen von Mangan eignet sich Mangan nicht so gut als für einen aktiven Korrosionsschutz wie Zink.
Bevorzugt liegt bei einer der Durcherwärmungstemperatur aus Schritt (c) die zweite Legierungsschicht zumindest zu 70 Vol.-%, bevorzugt zumindest zu 80 Vol.-%, im festen Aggregatzustand vor. Dies kann über den Anteil der Gesamtmasse von Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink eingestellt werden. Bevorzugt ist ab 20 % der Überzug für den hohen Temperaturbereich der Warmumformung geeignet, geringere Anteile sind für den niedrigen Temperaturbereich ausreichend temperaturstabil. Ein ausreichend hoher Anteil von festem Aggregatzustand ist wichtig, um die Rissbildung bei Warmumformung zu vermeiden.
Bevorzugt überschreitet die Durcherwärmungstemperatur aus Schritt (c) nicht die Temperatur, die sich über Formel (2) TGlüh [°C] ≤ 458°C + 14,31°C/Gew% * %Mn [Gew%] aus dem Mangan-Gehalt %Mn der Beschichtung errechnet. Mit Einhalten dieser Formel (2) wird sichergestellt, dass die Beschichtung bei der Umformung im festen Aggregatzustand vorliegt.
Der Fachmann kann die Durcherwärmungstemperatur aus Schritt (c) eines bevorzugten erfindungsgemäßen gehärteten Blechbauteils durch Variation der Anteile an Mangan und Zink sowie durch Variation der Parameter des Herstellverfahrens in üblicher Weise einstellen. Die Einstellung der bevorzugten Durcherwärmungstemperatur aus Schritt (c) führt dazu, dass auch bei der Durcherwärmungstemperatur lediglich ein kleiner Teil der zweiten Legierungsschicht schmelzflüssig ist, sodass eine signifikante Flüssigmetallversprödung unterbleibt.
Ausgehend hiervon zeigt die Erfindung einen Weg auf, wie durch ressourcenschonendes Warmformen ein Blechbauteil erzeugt werden kann, dass nach seiner Warmformgebung optimale mechanische Eigenschaften aufweist, insbesondere eine hohe Bruchdehnung, und aufgrund dieser Eigenschaften und seiner sonstigen Gebrauchseigenschaften auch hohen Anforderungen bei Crashbelastung des Bauteils gewachsen ist.
Vorteilhafterweise kann das Durcherwärmen in einem üblichen Ofen in Gegenwart von Luftsauerstoff erfolgen, ohne dass dies für den angestrebten Erfolg nachteilig ist.
Im Gegenteil: Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren so durchgeführt, dass sich bei der thermischen Härtungsbehandlung durch Reaktion von in der metallischen Schicht des Bauteils vorhandenem Mangan mit Luftsauerstoff eine die zweite Legierungsschicht des fertigen gehärteten Bauteils kontaktierende äußere Schicht umfassend Manganoxid bildet. Diese äußere Schicht aus Manganoxid besitzt eine dunkle Farbe und erlaubt in der vorstehend bereits geschilderten Weise das effiziente Aufnehmen von Strahlungsenergie.
Der hohe Mangangehalt erfindungsgemäß verarbeiteter Stahlflachprodukte ermöglicht niedrigere Warmumformtemperaturen als bei üblichen Warmumformstählen. Damit erlaubt es die Erfindung, Energie und Kosten einzusparen.
Da das Stahlsubstrat einen Stahl mit einem Gefüge umfasst, welches zu mindestens 1 Vol.-% aus Restaustenit besteht, wobei der Restaustenit-Anteil des Gefüges höchstens 50,0 Vol.-% betragen kann, bevorzugt höchstens 40,0 Vol.-% betragen kann und besonders bevorzugt höchstens 35,0 Vol.-% betragen kann. Das restliche Gefüge des Blechbauteils besteht aus festigkeitssteigernden Anteilen an Martensit und angelassenem Martensit. Außerdem kann Ferrit enthalten sein, wobei der Ferrit-Anteil auch „0“ sein kann. Die Menge sonstiger technisch unvermeidbar vorhandener Gefügebestandteile, ist so gering, dass sie hinsichtlich der Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bauteils unwirksam sind. Der mittlere Korndurchmesser der Körner des Gefüges beträgt weniger als 5 µm.
Durch die verglichen zu konventionellen Warmumformstählen herabgesetzte Umformtemperatur des Stahlflachprodukts, kann die Warmumformung energiesparend mit einer niedrigeren Glühtemperatur erfolgen. In einer Alternative beträgt die Erwärmungstemperatur mindestens 400°C und höchstens gleich der Ac3 -Temperatur - 30°C des Stahls (niedriger Glühbereich), aus dem das Stahlsubstrat jeweils besteht, um Zugfestigkeiten des gehärteten Blechbauteils größer 1000 MPa, bevorzugt größer 1100 MPa und besonders bevorzugt größer 1210 MPa einzustellen. In einer anderen Alternative beträgt die Erwärmungstemperatur mindestens gleich der Ac3 -Temperatur - 30°C und höchstens gleich der Ac3 -Temperatur + 100°C des Stahls (hoher Glühbereich), aus dem das Stahlsubstrat jeweils besteht, um Zugfestigkeiten des gehärteten Blechbauteils größer 1300 MPa, bevorzugt größer 1400 MPa und besonders bevorzugt größer 1510 MPa einzustellen.
Besonders niedrig können die Erwärmungstemperaturen sein, wenn die Umformung im Zweiphasengebiet oder bei darunter liegenden Temperaturen erfolgen soll (niedriger Glühbereich). In diesem Fall liegt der Restaustenitanteil im erhaltenen Bauteil über 10 Vol.-% und die Bruchdehnung A80 über 14 %, bevorzugt über 15%, besonders bevorzugt über 16%. Die erfindungsgemäße Warmformgebung findet hier bei Erwärmungstemperaturen statt, die typischerweise oberhalb der Ac1-Temperatur und 30°C unterhalb der Ac3-Temperatur des jeweiligen Stahlsubstrats des Stahlflachprodukts liegen, wobei sich im Fall einer Verformung im Zweiphasengebiet Erwärmungstemperaturen als besonders günstig erweisen, die um mindestens 10 °C höher sind als die Ac1-Temperatur und um mindestens 50 °C niedriger sind als die Ac3-Temperatur des jeweiligen Stahlsubstrats des Stahlflachprodukts.
Durch die erfindungsgemäße Vorgehensweise wird ein Gefüge erhalten, das durch optimierte Restaustenitanteile gekennzeichnet ist und in Folge dessen sehr gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Restdehnung und eine hohe Energieaufnahme im Crashlastfall, besitzt. Die in diesem Bereich liegenden, vergleichbar niedrigen Erwärmungstemperaturen, bei denen die Warmformgebung des erfindungsgemäßen Blechbauteils stattfindet, erweisen sich auch als besonders vorteilhaft, wenn das erfindungsgemäß verarbeitete Stahlflachprodukt einen kathodischen Korrosionsschutz haben soll. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht die Korrosionsschutzschicht einen aktiven Korrosionsschutz, wobei ein aktiver Korrosionsschutz vorzugsweise durch eine elektrochemische Potentialdifferenz zwischen Korrosionsschutzbeschichtung und Substrat von größer 0 mV, bevorzugt größer 50 mv, besonders bevorzugt größer 100 mv und ganz besonders bevorzugt größer 150 mV gegeben ist.
Die Glühzeiten, die für die Durcherwärmung im Arbeitsschritt (c) typischerweise benötigt werden, betragen üblicherweise bis zu 60 min, wobei sich in der Praxis Glühzeiten von bis 20 min, insbesondere bis zu 10 min als besonders wirtschaftlich erwiesen haben. Die Durcherwärmung kann in konventionellen Kammeröfen oder Rollenöfen durchgeführt werden, in denen die warmzuverformenden Stahlflachprodukte im Durchlauf oder chargenweise auf die Erwärmungstemperatur gebracht werden. Da bei erfindungsgemäßen Zusammensetzungen des zu dem Bauteil verformten Stahlflachprodukts die Eigenschaften nahezu unabhängig von Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeit gebildet werden, kann es sich jedoch auch als günstig erweisen, wenn die Erwärmung durch konduktive oder induktive Erwärmung vorgenommen wird, oder auch beispielsweise mittels Festkörperkontakt oder im Wirbelbett. Durch die zur konventionellen Ofenerwärmung alternativen Verfahren können im Vergleich zur reinen Strahlungserwärmung im konventionellen Ofen kürzere Glühzeiten erzielt werden. Gleichzeitig erlauben die alternativen Verfahren genauer gesteuerte Erwärmungszyklen, da bei ihnen der Verlauf der Erwärmung genauen Vorgaben folgen kann. Der weitere Vorteil des Einsatzes der alternativen Erwärmungsverfahren besteht darin, dass auf Produktionsänderungen, wie sie gerade typisch für kleine Stückzahlfertigungen mit unterschiedlichen Blechdicken sind, schnell reagiert werden kann. Anpassungen der Erwärmungsparameter an die jeweils geänderten Anforderungen können entsprechend schnell vorgenommen werden.
Die Warmumformung aus Arbeitsschritt (d) des auf die jeweilige Erwärmungstemperatur erwärmten Stahlflachprodukts zu dem erfindungsgemäßen Blechbauteil kann in hierzu im Stand der Technik verfügbaren, konventionellen Warmumformwerkzeugen vorgenommen werden. Dabei erfolgt die Warmumformung in möglichst unmittelbarem Anschluss an die Durcherwärmung aus Arbeitsschritt (c), so dass die Temperatur, mit der das Stahlflachprodukt in die Warmumformung eintritt, bis auf einen technisch unwesentlichen Unterschied der Erwärmungstemperatur entspricht. Allerdings ist auch eine stärkere Abkühlung zulässig, solange die Umformkräfte und Rückfederung vorteilhaft gegenüber einem Kaltumformen sind.
Die Abkühlung des Bauteils nach der Warmumformung kann in ebenso an sich bekannter Weise im Warmformgebungswerkzeug erfolgen. Alternativ kann das Bauteil nach der Warmformgebung jedoch auch in geeignet kurzem Zeitabstand aus dem Warmformgebungswerkzeug entnommen außerhalb des Werkzeugs abgekühlt werden. Die Abkühlrate des Blechbauteils mit kathodischer Korrosionsschutzbeschichtung von der Warmumformtemperatur bevorzugt bis auf eine Temperatur von weniger als 100°C, besonders bevorzugt bis auf Raumtemperatur erfolgt mit einem durchschnittlichen Temperaturgradienten von maximal 1000 K/s bis auf Raumtemperatur.
Es versteht sich, dass die Eigenschaften des hergestellten gehärteten Bauteils von den Eigenschaften des eingesetzten, das heißt, bereitgestellten oder hergestellten Stahlflachprodukts abhängen sowie von der Ausgestaltung der thermischen Härtungsbehandlung. Insoweit gelten die vorstehenden Ausführungen jeweils entsprechend. Dem Fachmann ist bekannt, wie er unter Verwendung eines bereitgestellten oder hergestellten erfindungsgemäßen Blechbauteils eine thermische Härtungsbehandlung und gegebenenfalls eine vorzugsweise gleichzeitig stattfindende mechanische Behandlung durchführen kann, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften des herzustellenden gehärteten Bauteils zu erreichen.
Hier zeigt sich, dass durch die vergleichbar niedrigen erforderlichen Erwärmungstemperaturen, bei denen die Warmformung des erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts durchgeführt werden kann, ein Auflegieren der Schutzbeschichtung durch Eindiffundieren von Legierungsbestandteilen aus dem Stahlsubstrat allenfalls vermindert stattfindet, so dass die Schutzbeschichtung auch nach der Warmformgebung des Bauteils ihre kathodische Schutzwirkung beibehält. Die auf dem jeweils erfindungsgemäß verarbeiteten, zu dem erfindungsgemäßen Blechbauteil warmverformten Stahlflachprodukt vorhandenen Schutzschichten weisen dabei typischerweise vor der Warmumformung eine oberflächennahe, an das Stahlsubstrat des Stahlflachprodukts angrenzende Grenzschicht auf, die aus metallischem und/oder oxidischem Eisen, sowie ggf. metallischem und/oder oxidischem Mangan und weiteren Legierungsbestandteilen des Grundwerkstoffes besteht. Nach der Warmumformung zu dem Blechbauteil liegt aufgrund der erfindungsgemäß genutzten geringen Erwärmungstemperaturen, bei denen die erfindungsgemäße Warmformgebung stattfindet, ein gegenüber der konventionellen, höhere Umformtemperaturen vorsehenden Vorgehensweise verringerter Anteil spröder Phasen im Grenzschichtbereich vor, da es aufgrund der erfindungsgemäß abgesenkten Erwärmungstemperatur der Warmformgebung nur zu einer minimierten Durchlegierung der Schutzbeschichtung mit aus dem Stahlsubstrat stammenden Elementen kommt. Das Potential des kathodischen Korrosionsschutzes durch Zn-reiche Phasen bleibt damit erhalten.
Die Parameter der erfindungsgemäßen Vorgehensweise erlauben es, die kathodische Schutzwirkung einer auf dem Stahlflachprodukt vorhandenen Zn-haltigen Schicht zu erhalten und kritische Risse bei der Warmumformung von mehr als 10 µm zu vermeiden.
Bei den beim erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen, vergleichsweise niedrigen Erwärmungs- bzw. Umformtemperaturen werden die schädlichen Konsequenzen vermieden, die bei einem Aufschmelzen der Zn-Schicht auftreten würden. Aufgrund der Diffusion von Fe aus dem Substrat in die Schicht wird deren Schmelzpunkt in ausreichendem Maße angehoben. Um jedoch einen kathodischen Korrosionsschutz zu wahren, ist eine Begrenzung des Fe-Anteils in der Beschichtung erforderlich, damit nach der Warmumformung noch ausreichend Zn-reiche Phasen erhalten bleiben.
Hinsichtlich des erfindungsgemäß ausgewählten Anteils der Gesamtmasse an Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink in der metallischen Schicht des erfindungsgemäßen Stahlflachprodukts gelten die vorstehenden Ausführungen zum Anteil der Gesamtmasse an Mangan in der Korrosionsschutzbeschichtung an der Gesamtmasse an Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung des erfindungsgemäß gehärteten Blechbauteils entsprechend.
Bei der konventionell in der Warmumformung von Mittelmanganstahl eingesetzte Referenzbeschichtung Z100 nach DIN EN 10346 kommt es bei der Glühung zur Ausbildung einer Γ/ Γ₁-Phase, welche vergleichsweise temperaturstabil ist, was den Anteil an entstehendem flüssigen Zn bei der Warmumformung begrenzt und somit die Gefahr einer auftretenden Flüssigmetallversprödung eindämmt. Der in der Γ/ Γ₁-Phase enthaltene hohe Fe-Anteil schränkt jedoch den kathodischen Korrosionsschutz der Schicht stark ein.
Bei den erfindungsgemäßen Proben mit ZnMn-Beschichtung bleibt aufgrund der im Vergleich zur konventionellen Warmumformung deutlich niedrigeren Ofentemperatur zur Einstellung der mechanischen Zieleigenschaften zusätzlich die deutlich Zn-reichere δ-Phase bestehen, was zu einem verbesserten Korrosionsschutzpotenzial führt. Aufgrund des durchlegierungsbedingten Schichtaufbaus ist das Schichtsystem ausreichend temperaturstabil, so dass es bei erfindungsgemäßen Warmumformtemperaturen zu keiner kritischen Rissbildung über 10 µm Tiefe an automobiltypischen Bauteilen durch flüssiges Zn kommt, bei der ein Rissfortschritt bei Beanspruchung des Bauteils zu erwarten wäre. Unter automobiltypischen Bauteilen werden sogenannte Omega- oder Hutprofile verstanden.
Außerdem bildet sich bevorzugt an der freien Oberfläche des Stahlsubstrats in an sich bekannter Weise (s. EP 2 290 133 B1 , Absätze [0039] bis [0043] sowie [0048]) eine manganhaltige Schicht in metallischer und/oder oxidischer Form an der freien Oberfläche des Stahlflachprodukts bzw. Blechbauteils aus, durch die die Wirksamkeit der Korrosionsschutzbeschichtung weiter erhöht ist.
Erfindungsgemäß erzeugte Blechbauteile besitzen in Folge ihrer Verformung bei Temperaturen von 400°C bis Ac3-Temperatur - 30°C eine optimierte Kombination aus hohen Festigkeitswerten, für die Zugfestigkeiten Rm von typischerweise mindestens 900 MPa stehen, bevorzugt mindestens 1000 MPa und optimierten Dehnungseigenschaften, die sich in Bruchdehnungen A80 von regelmäßig mehr als 10 %, bevorzugt mehr als 12% ausdrücken.
Erfindungsgemäß erzeugte Blechbauteile besitzen bei einer Verformung zwischen Ac3-Temperatur - 30°C und Ac3-Temperatur + 100°C eine optimierte Kombination aus hohen Festigkeitswerten, für die Zugfestigkeiten Rm von typischerweise mindestens 1200 MPa stehen, bevorzugt mindestens 1300 MPa und optimierten Dehnungseigenschaften, die sich in Bruchdehnungen A80 von regelmäßig mehr als 6%, bevorzugt mehr als 8% ausdrücken.
Das Produkt Rm x A80 liegt bei erfindungsgemäßen Bauteilen dementsprechend ebenso regelmäßig im Bereich größer 10.000 MPa%, bevorzugt größer 11.000 MPa%, besonders bevorzugt größer 12.000 MPa%.
Dagegen liegen die Zugfestigkeiten Rm bei Blechbauteilen, die aus konventionellen Stählen für die Warmumformung hergestellt wurden, bei Temperaturen, bei denen ein vollaustenitisches Gefüge vorliegt, zwar typischerweise bei mindestens 1200 MPa, da sie nach Abschrecken vollmartensitisch sind. Jedoch erreichen diese Bauteile nur deutlich niedrigere Bruchdehnungswerte A80, so dass bei diesen Bauteilen das Produkt Rm x A80 regelmäßig nur 6.000 - 11.000 MPa% beträgt.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Figuren, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Aus-führungsformen. Die Figuren illustrieren dabei lediglich beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt in einer lichtmikroskopischen Aufnahme einen oberflächennahen Querschliff des gehärteten Blechbauteils mit einem Stahlsubstrat gemäß Tabelle 1 und einer Korrosionsschutzbeschichtung, die als Hauptbestandteile Mangan und Zink aufweist mit einem Anteil von Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink von 30%, die Erwärmungstemperatur betrug 700°C.
2 zeigt in einer lichtmikroskopischen Aufnahme einen oberflächennahen Querschliff des gehärteten Blechbauteils mit einem Stahlsubstrat gemäß Tabelle 1 und einer Korrosionsschutzbeschichtung die als Hauptbestandteile Mangan und Zink aufweist mit einem Anteil von Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink von 30%, die Erwärmungstemperatur betrug 750°C.

Ausführungsformen der Erfindung
Auf einem Stahlsubstrat der Zusammensetzung S1 wird eine Korrosionsschutzbeschichtung mit den zwei Hauptbestandteilen Mangan und Zink aufgebracht, wobei der Anteil der Gesamtmasse von Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink 30% beträgt. Die Dicke der Korrosionsschutzbeschichtung beträgt im Mittel 10 µm. Das Stahlsubstrat besitzt dabei ein Gefüge, welches zu mindestens 1 Vol.-% aus Restaustenit besteht, wobei der Restaustenit-Anteil des Gefüges höchstens 50,0 Vol.-% betragen kann, bevorzugt höchstens 40,0 Vol.-% betragen kann und besonders bevorzugt höchstens 35,0 Vol.-% betragen kann und das restliche Gefüge aus festigkeitssteigernden Anteilen an Martensit und angelassenem Martensit besteht. Außerdem kann Ferrit enthalten sein, wobei der Ferrit-Anteil auch „0“ sein kann. Die Mangankonzentration im Überzug wird so gewählt, dass sich im Überzug hochschmelzende Phasen ausbilden können. Der Gesamtanteil von Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung ist größer als 99 Gew.-%, bevorzugt größer 99,9 Gew.-%. Der Anteil an Eisen ist kleiner als 0,1 Gew.-%. Die Korrosionsschutzbeschichtung kann Aluminium in einer maximalen Menge von 0,05 Gew.-% sowie unvermeidbare Verunreinigungen enthalten.
Der maximale Anteil der Gesamtmasse an Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink in dem Überzug (der einlagigen metallischen Schicht) wird nach Formel (2) TGlüh [°C] ≤ 458°C + 14,31°C/Gew% * %Mn [Gew%] so eingestellt, dass die zur Warmumformung maximal mögliche Erwärmungstemperatur nicht überschritten wird. Nach dem Applizieren des Überzugs wird das resultierende Bauteil einer thermischen Härtungsbehandlung unterzogen, nämlich einem Warmumformprozess bei Temperaturen von 450°C, 500°C, 600°C, 650°C, 700°C und 750°C. Hierbei ist bei den erfindungsgemäßen Beispielen die Bildung von flüssigen Phasen im Überzug verringert und eine Flüssigmetallversprödung bei mechanischer Umformung ist soweit reduziert, dass die Entstehung von Substratrissen wesentlich eingedämmt ist. Während der thermischen Härtungsbehandlung kommt es erfindungsgemäß zu einer Entmischung der zuvor applizierten Korrosionsschutzbeschichtung aus Zink und Mangan. Zum einen entsteht eine das Stahlsubstrat kontaktierende erste Legierungsschicht, deren Hauptbestandteile Eisen und Zink sind. Diese erste Legierungsschicht ist dazu geeignet, das Stahlsubstrat aktiv vor Korrosion zu schützen. Zum anderen bildet sich eine die erste Legierungsschicht kontaktierende, oberflächennahe (und damit vom Stahlsubstrat weiter entfernte) zweite Legierungsschicht mit den Hauptbestandteilen Mangan und Zink. Die Legierungsschicht mit den Hauptbestandteilen Mangan und Zink ist für den erfindungsgemäßen Erfolg besonders wichtig, da sie einen Schmelzpunkt besitzt, der deutlich höher ist als die bei der Warmumformung erreichte Temperatur. Hierdurch werden Werkzeug- und Ofenrollenanhaftungen zumindest weitgehend unterdrückt. Zudem wird durch die zweite Legierungsschicht mit den Hauptbestandteilen Mangan und Zink das Abdampfen von Zink unterdrückt, was von großer Bedeutung für die Standzeiten der verwendeten Öfen ist. Des Weiteren sorgt die hohe Mn-Konzentration an der Oberfläche dafür, dass bei der Wärmebehandlung kaum Eisen aus dem Stahlsubstrat an die Oberfläche diffundieren kann. Hierdurch wird die Rotrostbildung bei Korrosionsangriff reduziert.
Der Aufbau der Korrosionsschutzbeschichtung bei einer Erwärmungstemperatur von 700°C ist in 1 dargestellt, der Aufbau der Korrosionsschutzbeschichtung bei einer Erwärmungstemperatur von 750°C ist in 2 dargestellt.
Es ist eine den Maßgaben der Erfindung entsprechende Schmelze S1 erschmolzen worden, deren Zusammensetzung in Gew.-% in Tabelle 1 angegeben sind. Zusätzlich ist in Tabelle 1 die zu S1 gemäß SEP 1680:1990-12 ermittelte Ac1- und Ac3-Temperatur in °C genannt. Das Stahlsubstrat wurde in für Mittelmanganstahl typischer konventioneller Weise nach den zur Verfügung stehenden Wegen zur Erzeugung von Stahlflachprodukten, wie in EP 2 383 353 B1 in den Abschnitten [0031] bis [0037] beschrieben, zu einem Vorprodukt auf eine Dicke „d“ warm- und kaltgewalzt. Vor dem Kaltwalzen erfolgt bei Bedarf eine Warmbandglühung um dem Material eine ausreichende Duktilität für den Kaltwalzschritt zu verleihen. Das Stahlsubstrat wurde erfindungsgemäß mit einer ZnMn-Schicht beschichtet. Als Referenz wurde das gleiche Material mit einer Z100-Korrosionsschutzbeschichtung beschichtet.
Das beschichtete Material wurde in Blechproben unterteilt und diese wurden bei unterschiedlichen Temperaturen für 10 Minuten in einem konventionellen Ofen bei Temperaturen von 450°C, 500°C, 600°C, 650°C, 700°C und 750°C geglüht und anschließend in einem konventionellen, wassergekühlten Umformwerkzeug zu exemplarischen automobiltypische Bauteilen und Flachmustern (Omega-Profilen) abgepresst und auf Raumtemperatur abgekühlt. Anschließend wurden am Material Zugversuche durchgeführt sowie Phasenanteile an metallographischen Querschliffen bestimmt.
Die Omega-Profile sind Beispiele für typische Stahlbauteile. Bei den erzeugten Omega-Profilen wurde abschließend die maximale Risstiefe ermittelt. Die maximale Risstiefe wurde dabei wie zuvor beschrieben lichtmikroskopisch an einem senkrechten metallographischen Querschliff ermittelt, wobei das Material hierzu aus den risskritischen Bereichen der Omega-Profile entnommen wurde. Gewertet wurde jeweils die Risstiefe innerhalb des Stahlsubstrats, also ohne Berücksichtigung der Rissanteile innerhalb der Beschichtung.
Die am Stahlflachprodukt ermittelte Zugfestigkeit Rm, die Dehngrenze Rp0,2, die Bruchdehnung A80, die Gleichmaßdehnung Ag und das Produkt Rm x A80 sind in Tabelle 2 angegeben. Die Prüfung der Werte fand nach den Vorgaben der DIN EN ISO 6892-1 :2017-02 statt.
Der Anteil von Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink in der Korrosionsschutzbeschichtung sowie die am gehärteten Blechbauteil ermittelte Zugfestigkeit Rm, die Bruchdehnung A80, der Restaustenitanteil des jeweils erhaltenen Bauteils sowie die maximale Risstiefe an der kritischsten Stelle des Omega-Profils sind in Tabelle 3 angegeben. Die Restaustenitanteile und Risstiefen wurden im Querschliff per XRD bzw. per Lichtmikroskop bestimmt. Unter Korrosionsschutzbeschichtung wird der Anteil der Gesamtmasse von Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink angegeben.
Bei erfindungsgemäßen Proben ist ersichtlich, dass Risstiefe in einem begrenzten Rahmen von höchstens 10 µm bleiben. Tabelle 1

Stahl C Si Mn P S Al ges. Cr Cu N Ni Nb Ti V REM Ac1 [°C] Ac3 [°C]

S1 0,08 0,1 6,9 0,005 0,001 0,05 0,4 0,05 0,01 0,1 0,005 0,004 0,004 0,05 570°C 724°C

Gehaltsangaben der Schmelze S1 in Gew.-%, Rest Fe und unvermeidbare Verunreinigungen Tabelle 2

Stahl Orientierung zur Walzrichtung d Rp0,2 Rm Ag A80 Rm x A80

[mm] [MPa] [MPa] [MPa] [%] [MPa%]

S1 quer 1,4 1005 1089 14,0 16,9 18.401

S1 längs 1,4 956 1102 20,9 22,2 24.464

Mechanisch-technologische Kennwerte im Ausgangszustand
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012024616 A1 [0008, 0013]
EP 3483297 A1 [0009]
EP 2778247 A1 [0010]
EP 2383353 B1 [0011, 0071, 0108]
WO 2019/020169 [0012]
EP 2290133 B1 [0098]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 13925 [0007]
DIN EN ISO 6892-1:2017-02 [0008, 0111]

Claims

Stahlflachprodukt, umfassend ein Stahlsubstrat und eine das Stahlsubstrat kontaktierende Korrosionsschutzbeschichtung, wobei das Stahlsubstrat aus (in Gew.-%) C: bis zu 0,5 %, Si: 0,05 - 1 %, Mn: 4-12%, Cr: 0,1 - 4 %, Al: bis zu 3,5 %, N: bis zu 0,05 %, P: bis zu 0,05 %, S: bis zu 0,01 %, Cu, Ni: in Summe bis zu 2 %, Ti, Nb, V: in Summe bis zu 0,5 %, Seltene Erden: bis zu 0,1 % und als Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die das Stahlsubstrat kontaktierende Korrosionsschutzbeschichtung folgende Merkmale aufweist: - die zwei Hauptbestandteile sind Mangan und Zink, - der Anteil der Gesamtmasse von Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink ist größer als 3 %, bevorzugt größer 10 %, besonders bevorzugt größer 20 % und dabei bevorzugt kleiner 40 %, und besonders bevorzugt kleiner 35 %.
Stahlflachprodukt aus Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung einlagig ausgebildet ist.
Stahlflachprodukt aus den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der das Stahlsubstrat ein- oder mehrlagig kontaktierenden Korrosionsschutzbeschichtung der Gesamtanteil an Mangan und Zink größer ist als 90 Gew.-%, bevorzugt größer ist als 95 Gew.-%, besonders bevorzugt größer ist als 99 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt größer ist als 99,9 Gew.-%, und/oder der Anteil an Eisen kleiner ist als 10 Gew.-%, vorzugsweise kleiner ist als 2 Gew.-% und/oder kein Aluminium oder Aluminium in einer maximalen Menge von 0,05 Gew.-% enthalten ist und/oder ein Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten ist.
Gehärtetes Blechbauteil, hergestellt durch Warmumformen, umfassend ein Stahlsubstrat und eine das Stahlsubstrat kontaktierende Korrosionsschutzbeschichtung, wobei das Stahlsubstrat aus (in Gew.-%) C: bis zu 0,5 %, Si: 0,05 - 1 %, Mn: 4-12%, Cr: 0,1 - 4 %, Al: bis zu 3,5 %, N: bis zu 0,05 %, P: bis zu 0,05 %, S: bis zu 0,01 %, Cu, Ni: in Summe bis zu 2 %, Ti, Nb, V: in Summe bis zu 0,5 % Seltene Erden: bis zu 0,1 % und als Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, und dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung folgende Merkmale aufweist: - eine das Stahlsubstrat kontaktierende erste Legierungsschicht, deren zwei Hauptbestandteile Eisen und Zink sind und - eine die erste Legierungsschicht kontaktierende zweite Legierungsschicht, deren zwei Hauptbestandteile Mangan und Zink sind.
Gehärtetes Blechbauteil aus Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt %C an Kohlenstoff des Stahlsubstrats folgende Bedingung erfüllt: $% C < 0,55 Gew . - % - % Cr/ 10.$
Gehärtetes Blechbauteil aus den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Warmumformung die Zugfestigkeit Rm des Stahlsubstrats mit Korrosionsschutzbeschichtung mindestens 1000 MPa, seine Bruchdehnung A80 mehr als 6% und das aus seiner Zugfestigkeit Rm und seiner Bruchdehnung A80 gebildete Produkt Rm*A80 mehr als 10.000 MPa%, bevorzugt mehr als 12.000 MPa% beträgt.
Gehärtetes Blechbauteil aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge des gehärteten Stahlsubstrats zu 1 bis 50 Vol.-% aus Restaustenit und als Rest aus Martensit, angelassenem Martensit oder Ferrit, besteht, wobei der Ferrit-Anteil auch „0“ sein kann, und wobei der mittlere Korndurchmesser der Körner des Gefüges weniger als 5 µm beträgt.
Gehärtetes Blechbauteil aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der ersten Legierungsschicht der Korrosionsschutzbeschichtung größer oder gleich der Dicke der zweiten Legierungsschicht der Korrosionsschutzbeschichtung ist.
Gehärtetes Blechbauteil aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung eine weitere, die zweite Legierungsschicht kontaktierende, äußere Schicht aus Manganoxid umfasst, wobei vorzugsweise die Dicke der ersten Legierungsschicht größer oder gleich der Gesamtdicke der zweiten Legierungsschicht und der äußeren Schicht ist.
Gehärtetes Blechbauteil aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Korrosionsschutzbeschichtung der Anteil der Gesamtmasse an Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink größer ist als 3 %, bevorzugt größer als 10 %, bevorzugt größer als 20 % und dabei bevorzugt kleiner als 40 %, besonders bevorzugt kleiner als 35 % ist und/oder in der zweiten Legierungsschicht der Korrosionsschutzbeschichtung Eisen in einer Menge bis zu 20 Gew.-% enthalten ist, bezogen auf die zweite Legierungsschicht.
Gehärtetes Blechbauteil aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der das Stahlsubstrat kontaktierenden Korrosionsschutzbeschichtung der Gesamtanteil an Mangan und Zink größer ist als 90 Gew.-%, bevorzugt größer ist als 95 Gew.-%, besonders bevorzugt größer ist als 99 Gew.-% und ganz besonders bevorzugt größer ist als 99,9 Gew.-%, und/oder der Anteil an Eisen kleiner ist als 10 Gew.-%, vorzugsweise kleiner ist als 2 Gew.-% und/oder kein Aluminium oder Aluminium in einer maximalen Menge von 0,05 Gew.-% enthalten ist und/oder ein Rest aus unvermeidbaren Verunreinigungen enthalten ist.
Gehärtetes Blechbauteil aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrosionsschutzbeschichtung kathodischen Korrosionsschutz bietet.
Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteils, umfassend ein Stahlsubstrat und eine das Stahlsubstrat kontaktierende Korrosionsschutzbeschichtung, bevorzugt eines gehärteten Blechbauteils mit Korrosionsbeschichtung nach Anspruch 4, umfassend folgende Arbeitsschritte: (a) Bereitstellen eines Stahlsubstrats aus einem Stahl, der (in Gew.-%) aus C: bis zu 0,5 %, Si: 0,05 - 1 %, Mn: 4-12%, Cr: 0,1 - 4 %, Al: bis zu 3,5 %, N: bis zu 0,05 %, P: bis zu 0,05 %, S: bis zu 0,01 %, Cu, Ni: in Summe bis zu 2 %, Ti, Nb, V: in Summe bis zu 0,5 % Seltene Erden: bis zu 0,1 % und als Rest aus Fe und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, (b) Applizieren einer ein- oder mehrlagigen metallischen kathodischen Korrosionsschutzbeschichtung, deren zwei Hauptbestandteile Zink und Mangan sind, auf das Stahlsubstrat, wobei in der ein- oder mehrlagigen metallischen Schicht der Anteil der Gesamtmasse an Mangan an der Gesamtmasse an Mangan und Zink größer ist als 3 %, bevorzugt größer 10 % ist, bevorzugt größer 20 % ist und dabei bevorzugt kleiner 40 %, und besonders bevorzugt kleiner 35 % ist, (c) Durcherwärmen des Stahlsubstrats mit kathodischer Korrosionsschutzbeschichtung auf eine Erwärmungstemperatur, wobei die Erwärmungstemperatur mindestens 400°C und höchstens gleich der Ac3 -Temperatur - 30°C des Stahlsubstrats beträgt, oder die Erwärmungstemperatur mindestens gleich der Ac3 -Temperatur - 30°C und höchstens gleich der Ac3 -Temperatur + 100°C des Stahls beträgt, aus dem das Stahlsubstrat jeweils besteht; (d) Umformen des auf die Erwärmungstemperatur erwärmten Stahlsubstrats mit kathodischer Korrosionsschutzbeschichtung zu dem Blechbauteil, und optional (e) Abkühlen des Blechbauteils während und / oder nach dem Umformen mit einem durchschnittlichen Temperaturgradienten von maximal 1.000 K/s bis auf Raumtemperatur.
Verfahren zur Herstellung eines gehärteten Blechbauteils nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Legierungsschicht bei der Durcherwärmungstemperatur aus Schritt (c) zumindest zu 70 Vol.-%, bevorzugt zumindest zu 80 Vol.-% im festen Aggregatszustand vorliegt.
Verfahren aus Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Durcherwärmungstemperatur aus Schritt (c) folgende Bedingung erfüllt: $TGl \ddot{u} h [° C] \leq 458 ° C + 14,31 ° C/Gew % * % Mn [Gew %],$
wobei TGlüh die Durcherwärmungstemperatur in °C und %Mn die Konzentration von Mn in der Beschichtung in Gew.% darstellt.
Gehärtetes Blechbauteil aus einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das gehärtete Blechbauteil ein warmumgeformtes Bauteil ist, vorzugsweise ein Bauteil eines Kraftfahrzeugs, bevorzugt ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Stoßfängerquerträger, Seitenaufprallträger, Säulen und Karosserieverstärkungen.