WO2022048990A1 - Durch warmumformen eines stahlflachprodukts hergestelltes stahlbauteil, stahlflachprodukt und verfahren zur herstellung eines stahlbauteils - Google Patents

Durch warmumformen eines stahlflachprodukts hergestelltes stahlbauteil, stahlflachprodukt und verfahren zur herstellung eines stahlbauteils Download PDF

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Maria KÖYER
Manuela Ruthenberg
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Thyssenkrupp Steel Europe Ag
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    • C23C30/00—Coating with metallic material characterised only by the composition of the metallic material, i.e. not characterised by the coating process

Definitions

  • the invention relates to a steel component produced by hot forming of a flat steel product, a method for producing such a component and a flat steel product that is particularly suitable for producing steel components by hot forming.
  • “Flat steel products” are understood here to mean rolled products whose length and width are significantly greater than their thickness. These include in particular steel strips, steel sheets and blanks obtained from them, such as blanks and the like.
  • composition and thickness of the individual layers of metallic protective coatings produced on steel substrates can be determined using
  • GDOES Glow Discharge Spectroscopy
  • the steels from which the steel substrates of steel flat products are made, which are processed according to the state of the art and the invention explained here, include in particular the so-called "MnB steels", which are standardized in EN 10083-3.
  • MnB steels which are standardized in EN 10083-3.
  • a typical example for such a steel is the steel known under the designation 22MnB5, which can be found in the steel code 2004 under the material number 1.5528.
  • fully killed 22MnB5 steel available on the market contains 0.10-0.250% C, 1.0-1.4% Mn, 0.35-0.4% Si in addition to iron and unavoidable impurities (in % by weight). , up to 0.03% P, up to 0.01% S, up to 0.040% Al, up to 0.15% Ti, up to 0.1% Nb, in total up to 0.5% Cr + Mo , and up to 0.005% B.
  • Steels of the type specified above permit operationally reliable process control in the hot forming of flat steel products made from them into a steel component. Due to their composition, they have the special feature that the steel components made from them by hot forming can be given high strength by heat treatment. For this purpose, the component obtained by hot forming can be specifically cooled in the hot forming tool. At the same time, however, flat steel products and the components hot-formed from them, which consist of steels of the type in question here, are sensitive to corrosive attacks due to the high Mn content of their steel substrate. For this reason, such flat steel products are usually combined with metallic elements before hot forming into the respective steel component protective coatings to protect the steel substrate against corrosion.
  • EP 2 086 755 B1 discloses a method for producing a hot-formed, coated steel component, in which an aluminum or an aluminum alloy containing, in % by mass, 8-11% Si and 2-4% Fe is produced by hot-dip coating.
  • existing protective layer is applied to a steel strip with a thickness of 20 to 33 ⁇ m.
  • the steel strip consists of a steel consisting of, in % by mass, between 0.15 - 0.5% C, between 0.5 - 3% Mn, between 0.1 - 0.5% Si, between 0.01 - 1% Cr, less than 0.2% Ti, less than 0.1% Al, less than 0.1% P, less than 0.05% S and between 0.0005 - 0.08% B, balance iron and unavoidable impurities.
  • Blanks are cut from the coated steel strip and are then held at a specified temperature for a specified period of time, the duration and temperature in each case being chosen as a function of the thickness of the blank.
  • the temperatures and annealing times are in a temperature-annealing time coordinate system in a field with the following corner points: Point A - 930 °C, 3 min / point B - 930 °C, 6 min / point C - 880 °C, 13 min / point D - 880 °C, 4 min.
  • temperatures and annealing times should be selected that are in the temperature annealing time coordinate system are arranged in a field determined by the corner points E - 940 °C, 4 min / F - 940 °C, 8 min / G - 900 °C, 6.5 min / H - 900 °C, 13 min.
  • the blanks heated in this way are hot-formed into a steel component, removed from the forming tool and cooled from the hot-forming temperature to 400 °C at a cooling rate of at least 50 °C/s.
  • An Al-based protective layer is present on the component obtained in this way, which is characterized by a four-layer structure, namely an alloy layer which lies on the steel substrate of the component and, in the exemplary embodiment reported in EP 2 086 755 B1, in % by mass, 90% Fe, 7% Al and 3% Si consists of an intermediate layer which lies on the alloy layer and in the embodiment reported in EP 2 086 755 B1 consists of, in mass %, 43% Fe, 57% Al and 1% Si, an intermetallic layer which is on the intermediate layer rests and in the embodiment reported in EP 2 086 755 B1 consists of, in mass %, 65% Fe, 31% Al and 4% Si, as well as a surface layer, which forms the outer end of the metallic protective layer and, in mass -%, 45% Fe, 54% Al and 1% Si.
  • the metal sheet is hot-dip coated with an aluminum-based coating that protects against corrosion before it is formed.
  • the coating contains 0.1-0.3% by mass of rare earths, 1.3-3.8% by mass of Si and the remainder aluminum.
  • the respective steel sheet is first exposed to an oxidizing atmosphere formed from a combustible gas, such as coal gas, and air with a mixing coefficient of 0.8 - 1.2 at temperatures of 600 - 700 °C and a dew point of -10 °C annealed up to 30 °C.
  • a combustible gas such as coal gas
  • the steel strip then goes through a second annealing step at an annealing temperature of 800 - 850 °C in a reducing atmosphere with an H 2 content of 20 - 50% by volume, the remainder N and a dew point of -20 °C to -60 °C.
  • a flat steel product is known from EP 2 993 248 A1, which is intended for hot forming into a steel component.
  • the steel substrate of the steel flat product consists of a steel which has 0.1-3% by mass Mn and up to 0.01% by mass B.
  • a protective coating based on Al which is typically an AlSi coating, is applied to the steel substrate and contains 3-15% by mass of Si in addition to Al other alloy components, such as up to 5% by mass Fe, be included.
  • the Al protective coating contains a total of 0.005 - 0.7% by mass of at least one alkaline earth metal or transition metal. This additional alloy component minimizes the absorption of hydrogen during the heating required for hot forming, with the addition of Mg or Ca having turned out to be particularly suitable for these purposes.
  • EP 2 982 772 A1 also explains examples of the conventional procedure for hot press forming.
  • the aim of the developments described above and known from the prior art is to improve the economic efficiency with which the hot forming process can be carried out without sacrificing stability and resistance to disturbances.
  • a component that achieves this object has at least the features specified in claim 1 .
  • a flat steel product should also be specified that is optimally suited for producing a steel component by hot forming.
  • a steel component that achieves this object has at least the features specified in claim 16 .
  • a steel component produced by hot forming a flat steel product comprises
  • B 0.0005 - 0.01%, Ti: 0.001 - 0.1%, Nb: 0.001 - 0.1%, Ni: 0.01 - 0.4%, Cu: 0.01 - 0.8% , Mo: 0.002 - 1.0%, W: 0.001 - 1.0%, and - a metallic protective coating formed on the steel substrate based on aluminum with contents of Si, Fe and optionally up to 0.6% by mass Mg as well as other components whose total contents are limited to a maximum of 3% by mass, the metallic protective coating consists of three distinct layers viz
  • an oxide layer lying on the Al base layer and forming the outer end of the metallic protective coating which consists of more than 80% by mass of oxides, the main part of the oxides being aluminum oxide and in the oxide layer additionally optionally hydroxides and/or magnesium oxide alone or are present as a mixture and the remainder of the oxide layer not occupied by the oxides and optionally present hydroxides consists of silicon, aluminum and magnesium.
  • a method according to the invention for the production of a hot-formed steel component which is provided with a metallic protective coating consisting of contents of Si, Al, Fe and optionally up to 0.6% by mass Mg and other components, the contents of which total up to a maximum of 3 mass -% are limited, includes the following work steps: a) Provision of a cold-rolled, 0.6 - 3 mm thick steel flat product, which consists of, in % by mass,
  • N ⁇ 0.021% and optionally one or more elements from the group "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" with the proviso that the optionally present B content is 0.0005 - 0.01% , the optionally present Ti content 0.001 -0.1%, the optionally present Nb content 0.001 - 0.1%, the optionally present Ni content 0.01 - 0.4%, the optionally present Cu content 0, 01-0.8%, the optionally present Mo content is 0.002-1.0% and the optionally present W content is 0.001-1.0%, and the remainder consists of iron and a total of at most up to 3% unavoidable impurities , b) heating the steel flat product to a melt bath inlet temperature BET of 600-740 °C, with the heating
  • a first annealing step in which the steel flat product is exposed to an annealing atmosphere consisting of at least 90% by volume of N 2 and the remainder of H 2 and technically unavoidable impurities and having a dew point of -15 °C to +60 °C one
  • a second annealing step in which the flat steel product, heated to annealing temperature GT1, is exposed to an annealing atmosphere consisting of at least 90% by volume of N 2 and the remainder of H 2 and technically unavoidable impurities and a dew point of -50 °C to +5 °C, with a heating rate of 0.5 - 30 K/s, in particular 0.5 - 10 K/s, heated to an annealing temperature GT2 which is higher than the annealing temperature GT1 and is 700 - 850 °C and is maintained at the annealing temperature GT2 for a period of 10 s to 360 s, and
  • - includes a cooling step in which the steel flat product is cooled from the annealing temperature GT2 at a cooling rate of 0.5 K/s to 40 K/s to the melt bath entry temperature BET, c) passing through the steel flat product cooled to the melt bath entry temperature BET a molten bath heated to 680 - 720 °C, which consists of, in % by mass,
  • the steel substrate of a steel component according to the invention and an im
  • Steel flat product consists of a composition typical of MnB steels.
  • a metallic protective coating which consists of more than 92% by mass of aluminum and has contents of Si, Fe and optionally Mg, is produced on the steel substrate composed in this way by means of hot-dip coating carried out in a conventional manner.
  • the flat steel product is passed through a molten bath whose composition corresponds to the metallic protective coating present on the flat steel product when it exits the molten bath. Only in step e) of the method according to the invention, i.e. during heating to the respective hot forming temperature and subsequent holding for the respective heating period at the hot forming temperature, does the previously conventionally applied Al-based coating become the three-layer characteristic of a steel component according to the invention Construction of the protective coating of the steel component.
  • Si Silicon
  • the Si content is limited to at most 3% by mass, in particular less than 2% by mass or less than 1.5% by mass.
  • an iron-rich alloy layer is formed that is adjacent to the steel substrate of the steel flat product and can extend on average over 1-100% of the total thickness of the protective layer, whereby it typically has a thickness , which on average corresponds to at least 10%, in particular more than 35%, of the total thickness of the protective coating obtained on the flat steel product according to step c).
  • Alloy layers with a thickness of at least 10% of the total thickness of the coating can be achieved reliably with Si contents of less than 2% by mass, whereas alloy layers with a thickness of at least 35% on average Total thickness of the coating can be guaranteed with Si contents of the melt bath and the coating of less than 1.5% by mass.
  • the formation of an alloy layer, the thickness of which on average regularly corresponds to more than 35% of the total thickness of the protective coating present on the steel flat product after step c) and before step e) can be particularly reliably achieved with Si contents of the melt bath and the associated ensure the coating produced on the steel flat product is 0.05% by mass.
  • the high iron content in the protective coating that occurs due to the low Si content is the prerequisite for the heating to the hot forming temperature WUT being able to be carried out in furnace residence times that are significantly shorter than in the prior art.
  • Fe iron
  • contents of 0.1% to 6% by mass, in particular of at least 2 .5% by mass Fe contents above 6% by mass would increase the melting point of the molten bath to such an extent that a coating composed according to the invention could no longer be applied economically by conventional hot-dip coating.
  • Mg Magnesium
  • Mg and Fe atoms can replace each other in the metallic lattice. Since there could be competition between Mg and Fe due to their similar atomic radii, at most small additions of Mg of at most 0.7% by mass are permitted according to the invention. Higher Mg contents would run counter to the desired rapid heating during heating to the hot forming temperature WUT in work step e) of the method according to the invention due to the associated changed diffusion processes.
  • the Mg content of the melt pool and thus along with the protective coating produced on a steel flat product provided according to the invention is preferably limited to less than 0.5% by mass, the advantages of the presence of Mg without negative effects on the duration of the heating in step e) at Mg contents of 0.1 - 0.4% by mass can be used particularly safely.
  • the steel flat product to be hot-dip coated is heated in step b) of the process according to the invention in two stages to a melt bath entry temperature BET of 600-740° C., in particular at most 730° C. or at most 720° C., with bath entry temperatures increasing BET of at least 620 °C, in particular at least 670 °C, have proven particularly useful.
  • the respective flat steel product is heated in an annealing atmosphere consisting of at least 90% by volume N 2 and the remainder H 2 as well as technically unavoidable impurities and having a dew point of -15 °C to +60 °C at a heating rate of 20 - 90 K/s to an annealing temperature GT1 of 550 - 750 °C, in particular 600 - 700 °C, and held at the annealing temperature GT1 for a period of 10 s to 360 s in order to adjust the structure.
  • an annealing atmosphere consisting of at least 90% by volume N 2 and the remainder H 2 as well as technically unavoidable impurities and having a dew point of -15 °C to +60 °C at a heating rate of 20 - 90 K/s to an annealing temperature GT1 of 550 - 750 °C, in particular 600 - 700 °C, and held at the annealing temperature GT1 for a period of 10 s to 360 s in order to
  • This first annealing step is followed by a second annealing step, in which the flat steel product heated to the annealing temperature GT1 is exposed to an annealing atmosphere that also consists of at least 90% by volume of N 2 and the remainder consists of H 2 and technically unavoidable impurities, but has a dew point from -50 °C to +5 °C, in particular -40 °C to -15 °C, with a heating rate of 0.5 - 30 K/s, in particular 0.5 - 10 K/s to an annealing temperature GT2 heated, which is higher than the annealing temperature GT1 and 700 - 850 ° C, in particular 710 - 790 ° C, and is held at the annealing temperature GT2 for a period of 10 s to 360 s in order to adjust the structure.
  • an annealing atmosphere that also consists of at least 90% by volume of N 2 and the remainder consists of H 2 and technically unavoidable impurities, but has a de
  • the flat steel product is cooled in a cooling step from the annealing temperature GT2 to the respective melt bath entry temperature BET.
  • the cooling rate is 0.5 K/s to 40 K/s to bring the steel strip to the necessary strip immersion temperature.
  • the steel flat product thus heat-treated and heated to the respective bath entry temperature BET is passed in a conventional manner through a melt bath, the temperature of which is 680 - 720 °C.
  • the thickness of the Al-based protective coating on the flat steel product emerging from the molten bath is adjusted in an equally conventional manner by stripping off excess coating material to a thickness of 10-30 ⁇ m, in particular 12-25 ⁇ m, on each side of the flat steel product.
  • a conventional wiping nozzle is used for wiping, from which, according to the invention, .e.g. compressed air, which typically has an O 2 content of 15-23% by volume and an N 2 content of 76-85% by volume, is used as the wiping medium the rest not taken up by O 2 and N 2 consists of carbon dioxide, noble gases, water and other components usually present in the ambient air, or nitrogen gas is discharged, the N 2 content of which is more than 90% by volume with a dew point of less than + is 15 °C.
  • a flat steel product according to the invention for producing a steel component by hot forming accordingly comprises a steel substrate which consists of, in % by mass, 0.10-0.4% C, 0.05-0.5% Si, 0.5-3.0% Mn, 0.01-0.2% Al, optionally up to 1.0% Cr, in particular 0.005-1.0% Cr, optionally up to 0.2% V, in particular 0.001-0.2% V, ⁇ 0 1% P, ⁇ 0.05% S, ⁇ 0.021% N and optionally one or more elements from the group “B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W” and the remainder of iron and in There is a total of up to 3% unavoidable impurities, whereby the following applies to the optionally present contents of "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W”: B: 0.0005 - 0.01%, Ti: 0.001 - 0.1%, Nb: 0.001 - 0.1%, Ni: 0.01 - 0.4%, Cu: 0.01 - 0.8%, Mo: 0.002
  • the Al-based protective layer comprises three layers, namely an alloy layer lying on the steel substrate, which consists of 35-60% by mass Fe, less than 3% by mass Si, optionally up to 0.7% by mass Mg, in particular up to 0.6% by mass Mg, and the remainder consists of Al and unavoidable impurities, the total content of which can be 3% by mass, an Al base layer lying on the alloy layer and connected to it, which consists of less than 35 mass % Fe, less than 3% by mass Si, optionally less than 0.7% by mass Mg and the balance consists of Al and unavoidable impurities, the total contents of which can be at most 3% by mass, and one on the Al base layer lying and connected to this, the outer end of the metallic protective layer forming oxide layer in which optionally up to less than 0.7% by mass of Mg and up to 3% by mass of other components are present and the rest consists of Al, the Al the oxide layer s owie, if present, the Mg of the oxide layer in each case in
  • a flat steel product of this type according to the invention is present when the method according to the invention is carried out as an intermediate product after the hot-dip coating carried out in the manner according to the invention, i.e. after step d) and before step e).
  • a blank is cut off in a conventional manner, the dimensions of which are selected such that the respective steel component can be hot-formed in one piece by the subsequent hot-forming process.
  • the blank is then heated in a furnace for a furnace dwell time OVZ of 60 s to 180 s to a hot forming temperature WUT of 820 - 1000 °C.
  • the blank is preferably heated to the above-mentioned temperature at a heating rate of 1 to 200° C./s, in particular at most 30° C./s, with Heating rates of 3 - 20 °C/s have proven particularly effective in practice.
  • the heating can take place at a uniform heating rate up to the respective warm transformation temperature WUT.
  • it can also be expedient to carry out the heating in at least two successive stages, with the heating being carried out in the first stage at a mean heating rate of 3-50° C./s, in particular 6-20° C./s or 8-16° C/s, and in the second stage the heating is carried out at a heating rate of 1-10° C./s, in particular 2-5° C./s. In this way, a homogeneous iron enrichment is achieved with optimal economy.
  • the diffusion of iron into the aluminium-based protective coating of the blank takes place just as quickly as the transformation of the microstructure of the steel substrate into the austenitic state that accompanies the heating.
  • a protective coating that is fully alloyed with iron forms on the circuit board, with at least 35% by mass of Fe present in the alloy layer and in the Al base layer.
  • an Al-based protective coating can be produced on the steel component produced according to the invention, in its alloy layer 35-60% by mass Fe and optionally up to 0.6% by mass Mg while at the same time being far below 3 mass% lying Si contents are present.
  • the Si content present in the protective cover is evenly distributed over the Al base layer and the alloy layer.
  • the Si content of the alloy layer is typically 0.5% by mass, with Si contents of at least 0.05% by mass being found regularly in the alloy layer in practice, Si contents of the Al base layer of 0.5 to 1.5% by mass can be expected.
  • the alloy layer has a Si content of 0.7-3% by mass and an optionally present Mg content of the alloy layer of up to 0.2% by mass Mg, in particular at least 0.05% by mass Mg
  • step f the blank that has been heated through to the hot-forming temperature WUT is hot-formed in a conventional manner in an equally conventional hot-forming tool to form the steel component.
  • the steel component obtained is then, as is also customary in the prior art, cooled at a cooling rate of 10-360 K/s in order to obtain the desired mechanical properties of the component.
  • the method according to the invention is particularly suitable for producing a steel component according to the invention.
  • FIG. 1 shows the result of a GDOES depth measurement of an Al-based protective coating alloyed according to the invention on a steel component produced in a manner according to the invention, the furnace dwell time over which the blank, from which the steel structure was hot-formed was heated to a hot-forming temperature WUT of 920 °C for 90 s;
  • Fig. 2 shows the result of a GDOES depth measurement of the Al-based protective coating alloyed according to the invention of a steel component produced in the manner according to the invention, the furnace dwell time over which the blank from which the steel component was hot-formed heated to the hot-forming temperature WUT of 920 °C has been 90 s;
  • FIG 3 shows an optical micrograph of a cross section of a cross section of an AF-based coating applied by hot dip coating in the manner according to the invention, before heating to the hot forming temperature WUT, magnified 1000 times, according to DIN EN ISO 3887.
  • FIGS. 1 and 2 the contents of Fe, Zn, AS, C and O are shown based on 100% by mass, whereas the contents of Mg, Mn and Si are shown based on 10% by mass.
  • the alloy layer and the Al-based layer change when heated to the hot forming temperature WUT of 920 °C over a furnace dwell time OVZ of up to 110 s, a clearly definable alloy layer is initially developed.
  • the transition between the alloy layer of the metallic protective layer and the steel substrate of the steel component is around 20 ⁇ m, measured starting from the free surface of the protective coating.
  • the alloy layer sweeping on the steel substrate extends over a thickness of approx. 6 ⁇ m and a depth of 14 - 20 ⁇ m, measured from the free surface of the protective cover.
  • the alloy layer On top of the alloy layer is an Al-based layer that extends to a depth of about 0.5 ⁇ m to 14 ⁇ m measured from the free surface of the protective coating and is accordingly about 13.5 ⁇ m thick.
  • the top 0.5 ⁇ m of the thickness of the protective coating is occupied by the oxide layer overlying the Al-based layer.
  • the oxide layer consists of aluminum oxides and hydroxides, magnesium oxides and hydroxides and mixtures of these oxides and hydroxides.
  • FIG. 2 shows the state that occurs after an oven dwell time OVZ of more than 110 s but less than 180 s. Both in the state shown in FIG. 1 and in the state shown in FIG. 2, the coating layers are fully alloyed with iron and are accordingly to be regarded as finished.
  • One of the metallic protective coatings Z1-Z4 was applied to the steel strips thus provided by hot-dip coating, the composition of which is given in Table 2 after hot-dip coating but before heating for hot forming.
  • the procedure here was as follows: In a first annealing step, a cold strip is heated to 670° C. for 20 seconds at a heating rate of 60 K/s. The atmosphere there consists of 95% nitrogen, up to 5% hydrogen, dew point +40°C and unavoidable impurities. The strip is brought directly into the second annealing zone, where it is heated at 20 K/s to 770 °C and held at this temperature for 50 seconds. The atmosphere only changes in terms of the dew point, which is lowered to -40 °C.
  • the strip is then cooled to 700 °C at a cooling rate of 10 K/s.
  • a strip temperature of 700 °C the strip is immersed in the liquid melt.
  • Melting bath temperature also corresponds to 700 °C.
  • the melt is composed as follows: 1.5% by mass of silicon, 2.8% by mass of iron and 0.5% by mass of magnesium, the remainder being aluminum and, in this example, up to 1% of unavoidable impurities.
  • Ten samples V1 - V10 of the steel strips A - E each hot-dip coated with one of the protective coatings Z1 - Z4 with a coating weight AG are heated in a furnace usually used for this purpose in the prior art for a furnace residence time OVZ to a hot forming temperature WUT, then in a conventional one Formed into a steel component and finally cooled to room temperature at a cooling rate of 20 K/s.
  • the steel from which the steel substrate of the respective sample V1 - V10 consisted, the respective coating applied to the steel substrate, the coating weight AG, the respective hot forming temperature WUT and the respective furnace dwell time OVZ are given in Table 3.
  • the proportion %DL of the thickness of the alloy layer in the total thickness of the coating and the layer structure of the coating were determined on the steel components thus obtained by light microscopic examination in the manner described above. The results of this study are summarized in Table 4.
  • compositions of the Al base layer and the alloy layer of the protective coatings present on the steel components produced from samples V1-V10 were determined by means of GDOES analysis in the manner also described above.
  • the results of these investigations are summarized in Table 5.
  • the maximum and minimum existing contents are given for Al, Si and Fe, as far as determined or ascertainable.
  • Fig. 3 shows the typical structure of a protective layer present on a steel flat product according to the invention, which is an intermediate product after the hot-dip coating (step d)) carried out in the manner according to the invention and is particularly suitable for the hot forming to a steel component, which takes place in the manner according to the invention.
  • FIG. 3 shows a conventionally produced, 1.5 mm thick cold-rolled steel strip consisting of steel C at a heating rate of 50 K/s under a nitrogen atmosphere of at least 95% by volume and bis heated to an annealing temperature GT1 of 625° C. in an annealing atmosphere consisting of 5 vol.
  • the dew point of the annealing atmosphere under which this first annealing step took place was +30°C.
  • the flat steel product heated to the annealing temperature GT1 was heated at a heating rate of 9 K/s to an annealing temperature GT2, which was 780°C.
  • the steel strip heated in this way was held at the annealing temperature GT2 for an annealing period of 180 s.
  • This second annealing step took place under an annealing atmosphere which has only been changed in relation to the atmosphere of the first annealing step with regard to its dew point, which is now -35° C. for the second annealing step.
  • the cold-rolled steel strip was cooled at a cooling rate of 25 K/s to a melt bath inlet temperature BET of 680°C.
  • the cold-rolled steel strip cooled in this way was passed through a molten bath heated to 680° C., which consists of 0.2% by mass Si and 0.3% by mass Mg, 1.5% by mass Fe and the balance Al and the total at most 3% by mass of unavoidable impurities.
  • the thickness of the metallic protective coating applied to the flat steel product in the molten bath was adjusted to 20 ⁇ m by conventional stripping using a stripping gas.
  • the layer thicknesses are determined by light microscopy. To do this, cross-sections are polished and etched with 3% nital solution. Under the light microscope, the alloy layer on the steel substrate appears clearly darker when viewed in bright field and magnified 1000 times than the underlying Al base layer, which in turn can be distinguished just as clearly from the oxide layer forming the outer end of the protective coating, which can be seen as a dark, thin layer can.
  • a steel component according to the invention includes
  • a steel substrate consisting of 0.10 - 0.4% by mass C, 0.05 - 0.5% by mass Si, 0.5 - 3.0% by mass Mn, 0.01 - 0.2% by mass -% Al, optionally up to 1.0% by mass Cr, in particular 0.005-1.0% by mass Cr, optionally up to 0.2% by mass V, in particular 0.001-0.2% by mass V, ⁇ 0 1% by mass P, ⁇ 0.05% by mass S, ⁇ 0.021% by mass N and optionally one or more elements from the group “B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W” with the proviso that the content of B is 0.0005 - 0.01% by mass, the content of Ti is 0.001 - 0.1% by mass, the content of Nb is 0.001 - 0.1% by mass, the content of Ni is 0.01 - 0.4% by mass, the Cu content is 0.01 - 0.8% by mass, the Mo content is 0.002 - 1.0% by mass, the W content is 0.001 - 1.0% by mass,

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Abstract

Die Erfindung stellt ein optimal gegen Korrosion geschütztes, durch Warmumformen eines Stahlflachprodukts hergestelltes Stahlbauteil sowie ein Verfahren und ein Stahlflachprodukt zur Verfügung, die die praxisgerechte Herstellung eines solchen Stahlbauteils ermöglichen. Das Stahlbauteil umfasst ein Stahlsubstrat, das aus 0,10 - 0,4 % C, 0,05 - 0,5 % Si, 0,5 - 3,0 % Mn, 0,01 - 0,2 % AI, optional bis zu 1,0 % Cr, - optional bis zu 0,2 % V, < 0,1 % P, < 0,05 % S, < 0,021 % N sowie jeweils optional einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" mit B: 0,0005 - 0,01 %, Ti: 0,001 - 0,1 %, Nb: 0,001 - 0,1 %, Ni: 0,01 - 0,4 %, Cu: 0,01 - 0,8 %, Mo: 0,002 - 1,0 %, W: 0,001 - 1,0 %, und als Rest aus Fe und in Summe < 3 % Verunreinigungen besteht, sowie einen auf dem Stahlsubstrat ausgebildeten metallischen Schutzüberzug, der aus Si, Fe, optional < 0,6 % Mg und als Rest aus AI sowie < 2 % sonstigen Bestandteilen zusammengesetzt ist und aus einer auf dem Stahlsubstrat liegenden Legierungsschicht, die 35 - 90 % Fe und 5 3 % Si enthält, einer auf der Legierungsschicht liegenden Al-Basisschicht, die 35 - 55 % Fe und < 3 % Si enthält, und einer auf der Al-Basisschicht liegenden, den äußeren Abschluss des metallischen Schutzüberzugs bildenden Oxidschicht besteht, die zu > 80 % aus Oxiden besteht, wobei der Hauptanteil der Oxide Aluminiumoxid ist und in der Oxidschicht zusätzlich optional Hydroxide und / oder Magnesiumoxid alleine oder als Mischung vorhanden sind und wobei der nicht von den Oxiden und optional vorhandenen Hydroxiden eingenommene Rest der Oxidschicht aus Si, AI und/oder Mg in metallischer Form besteht (aller %-Angaben in Masse-%).

Description

DURCH WARMUMFORMEN EINES STAHLFLACHPRODUKTS HERGESTELLTES STAHLBAUTEIL, STAHLFLACHPRODUKT UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES STAHLBAUTEILS
Die Erfindung betrifft ein durch Warmumformen eines Stahlflachprodukts hergestelltes Stahlbauteil, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Bauteils und ein zum Herstellen von Stahlbauteilen durch Warmumformen besonders geeignetes Stahlflachprodukt.
Als „Stahlflachprodukte“ werden hier Walzprodukte verstanden, deren Länge und Breite jeweils wesentlich größer sind als ihre Dicke. Hierzu zählen insbesondere Stahlbänder, Stahlbleche und daraus gewonnene Zuschnitte, wie Platinen und desgleichen.
Im vorliegenden Text sind, soweit nicht explizit etwas anderes vermerkt ist, Angaben zu Legierungsbestandteilen stets in Masse-% gemacht.
Werden im vorliegenden Text Formeln oder Bedingungen genannt, in denen anhand von Gehalten bestimmter Legierungselemente Werte berechnet oder gebildet werden, so werden die betreffenden Gehalte an Legierungselementen jeweils in Masse-% in diese Formeln oder Bedingungen eingesetzt, sofern nichts anderes angegeben ist.
Die Zusammensetzung und Dicke der einzelnen Lagen von auf Stahlsubstraten erzeugten metallischen Schutzüberzügen lassen sich mittels
Glimmentladungsspektroskopie („GDOES“) gemäß ISO 11505:2012-12 bestimmen. Bei der GDOES werden die Gewichtsprozente der einzelnen Elemente über die Schichtdicke gemessen. Dazu werden Proben geschniten und mit n-Heptan gereinigt. Die so vorbereiteten Proben werden in ein Glimmentladungsspektroskop eingelegt und über die Schichtdicke mit einer Auflösung von 10 nm vermessen (s. htps://de.wikipedia.org/wiki/Glimmentladungsspektroskopie - Auffindedatum 1. Oktober 2019).
Zu den Stählen, aus denen die Stahlsubstrate von Stahlflachprodukten bestehen, die gemäß dem hier erläuterten Stand der Technik und der Erfindung verarbeitet werden, gehören insbesondere die so genannten "MnB-Stähle”, welche in der EN 10083-3 genormt sind. Ein typisches Beispiel für einen solchen Stahl ist der unter der Bezeichnung 22MnB5 bekannte Stahl, der im Stahlschlüssel 2004 unter der Werkstoffnummer 1.5528 zu finden ist.
Typischerweise enthält auf dem Markt erhältlicher, vollberuhigter 22MnB5-Stahl neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 0,10 - 0,250 % C, 1 ,0 - 1 ,4 % Mn, 0,35 - 0,4 % Si , bis zu 0,03 % P, bis zu 0,01 % S, bis zu 0,040 % AI, bis zu 0,15 % Ti, bis zu 0,1 % Nb, in Summe bis zu 0,5 % Cr + Mo, sowie bis zu 0,005 % B.
Stähle der voranstehend angegebenen Art erlauben eine betriebssichere Prozessführung bei der Warmumformung der aus ihnen bestehenden Stahlflachprodukte zu einem Stahlbauteil. Dabei weisen sie aufgrund ihrer Zusammensetzung die Besonderheit auf, dass den aus ihnen durch Warmumformen gefertigten Stahlbauteilen durch eine Wärmebehandlung hohe Festigkeiten verliehen werden können. Hierzu kann das durch die Warmumformung erhaltene Bauteil noch im Warmumformwerkzeug gezielt abgekühlt werden. Gleichzeitig sind jedoch Stahlflachprodukte und die aus ihnen warmumgeformten Bauteile, die aus Stählen der hier in Rede stehenden Art bestehen, aufgrund des hohen Mn-Gehalts ihres Stahlsubstrats empfindlich gegen korrosive Angriffe. Deshalb werden solche Stahlflachprodukte in der Regel vor der Warmumformung zu dem jeweiligen Stahlbauteil mit metallischen Schutzüberzügen belegt, die das Stahlsubstrat gegen Korrosion schützen sollen.
Aus der EP 2 086 755 B1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines warmumgeformten, beschichteten Stahlbauteils bekannt, bei dem durch Schmelztauchbeschichten eine aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, die, in Masse-%, 8 - 11 % Si und 2 - 4 % Fe enthält, bestehende Schutzschicht auf ein Stahlband mit einer Stärke von 20 bis 33 μm aufgebracht wird. Das Stahlband besteht aus einem Stahl, der aus, in Masse-%, zwischen 0,15 - 0,5 % C, zwischen 0,5 - 3 % Mn, zwischen 0,1 - 0,5 % Si, zwischen 0,01 - 1 % Cr, weniger als 0,2 % Ti, weniger als 0,1 % AI, weniger als 0,1 % P, weniger als 0,05 % S und zwischen 0,0005 - 0,08 % B, Rest Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht. Von dem beschichteten Stahlband werden Platinen abgeteilt, die anschließend über eine bestimmte Dauer bei einer bestimmten Temperatur gehalten werden, wobei die jeweilige Dauer und Temperatur in Abhängigkeit von der Dicke der Platine gewählt werden. So liegen bei einer Platine, die 0,7 mm bis 1 ,5 mm dick ist, die Temperaturen und Glühdauern in einem Temperatur-Glühdauer-Koordinatensystem in einem Feld mit folgenden Eckpunkten: Punkt A - 930 °C, 3 min / Punkt B - 930 °C, 6 min / Punkt C - 880 °C, 13 min / Punkt D - 880 °C, 4 min. Bei einer 1 ,5 — 3 mm dicken Platine sollen dagegen Temperaturen und Glühdauern gewählt werden, die in dem Temperatur-Glühdauer-Koordinatensystem in einem durch die Eckpunkte E - 940 °C, 4 min / F - 940 °C, 8 min / G - 900 °C, 6,5 min / H - 900 °C, 13 min bestimmten Feld angeordnet sind. Die so erwärmten Platinen werden zu einem Stahlbauteil warmumgeformt, aus dem Umformwerkzeug entnommen und von der Warmumformtemperatur auf 400 °C mit einer Abkühlrate von mindestens 50 °C/s abgekühlt. Auf dem so erhaltenen Bauteil ist eine Al-basierte Schutzschicht vorhanden, die sich durch einen vierschichtigen Aufbau auszeichnet, nämlich einer Legierungsschicht, die auf dem Stahlsubstrat des Bauteils aufliegt und bei dem in der EP 2 086 755 B1 berichteten Ausführungsbeispiel, in Masse-%, zu 90 % aus Fe, 7 % aus AI und 3 % Si besteht, einer Zwischenlage, die auf der Legierungsschicht aufliegt und bei dem in der EP 2 086 755 B1 berichteten Ausführungsbeispiel aus, in Masse-%, 43 % Fe, 57 % AI und 1 % Si besteht, einer intermetallischen Schicht, die auf der Zwischenlage aufliegt und bei dem in der EP 2 086 755 B1 berichteten Ausführungsbeispiel aus, in Masse-%, 65 % Fe, 31 % AI und 4 % Si besteht, sowie einer Oberflächenschicht, die den äußeren Abschluss der metallischen Schutzschicht bildet und zu, in Masse-%, 45 % aus Fe, 54 % aus AI und 1 % aus Si besteht.
Aus der CN 102 851 629 B ist ein anderes Verfahren zum Schmelztauchbeschichten von Stahlblechen bekannt, die für eine Warmpressformgebung bestimmt sind. Bei diesem bekannten Verfahren wird das Blech vor seiner Umformung mit einem vor Korrosion schützenden Überzug auf Al-Basis schmelztauchbeschichtet. Der Überzug enthält 0,1 - 0,3 Masse-% Seltene Erden, 1 ,3 - 3,8 Masse-% Si und als Rest Aluminium. Vor der Schmelztauchbeschichtung wird das jeweilige Stahlblech zunächst unter einer aus einem brennbaren Gas, wie Kohlegas, und Luft mit einem Mischungskoeffizienten von 0,8 - 1 ,2 gebildeten oxidierenden Atmosphäre bei Temperaturen von 600 - 700 °C und einem Taupunkt von -10 °C bis 30 °C geglüht. Anschließend durchläuft das Stahlband einen zweiten Glühschritt bei einer Glühtemperatur von 800 - 850 °C unter einer reduzierenden Atmosphäre mit einem H2-Gehalt von 20 - 50 VoL-%, Rest N und einem Taupunkt von -20 °C bis -60 °C.
Darüber hinaus ist aus der EP 2 993 248 A1 ein Stahlflachprodukt bekannt, das für die Warmumformung zu einem Stahlbauteil vorgesehen ist. Das Stahlsubstrat des Stahlflachprodukts besteht aus einem Stahl, der 0,1 - 3 Masse-% Mn und bis zu 0,01 Masse-% B aufweist. Auf das Stahlsubstrat ist ein Schutzüberzug auf Basis von AI aufgetragen, bei dem es sich typischerweise um einen AlSi-Überzug handelt, der neben AI 3 - 15 Masse-% Si enthält Neben oder alternativ zu dem Si-Gehalt können in dem Al- basierten Schutzüberzug weitere Legierungsbestandteile, wie bis zu 5 Masse-% Fe, enthalten sein. Als zusätzlichen Legierungsbestandteil enthält der Al- Schutzüberzug in Summe 0,005 - 0,7 Masse-% mindestens eines Erdalkali - oder Übergangsmetalls. Durch diesen zusätzlichen Legierungsbestandteil wird die Wasserstoffaufnahme bei der für ein Warmumformen erforderlichen Erwärmung minimiert, wobei sich die Zugabe von Mg oder Ca als für diese Zwecke besonders geeignet herausgestellt hat.
Auch in der EP 2 982 772 A1 sind Beispiele für die konventionelle Vorgehensweise beim Warmpressformen erläutert.
Zielrichtung der voranstehend erläuterten, aus dem Stand der Technik bekannten Entwicklungen ist neben einer Optimierung des Schutzes vor Korrosion die Verbesserung der Wirtschaftlichkeit, mit der der Warmumformprozess ohne Einbußen hinsichtlich der Stabilität und Störungsresistenz durchgeführt werden kann.
Ausgehend von dem voranstehend erläuterten Stand der Technik hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein optimal gegen Korrosion durch einen metallischen Schutzüberzug auf Al-Basis geschütztes, durch Warmumformen eines Stahlflachprodukts hergesteiltes Stahlbauteil anzugeben, dass sich besonders praxisgerecht hersteten lässt.
Ein diese Aufgabe lösendes Bauteil weist gemäß der Erfindung mindestens die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale auf.
Darüber hinaus sollte ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich optimal gegen korrosive Angriffe geschützte Stahlbauteile durch Warmumformen in verkürzten Prozesszeiten herstellen lassen.
Ein diese Aufgabe lösendes Verfahren weist gemäß der .Erfindung mindestens die in Anspruch 9 angegebenen Merkmale auf. Es versteht sich dabei von selbst, dass ein Fachmann bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner hier erläuterten Varianten und Ausbaumöglichkeiten diejenigen vorliegend nicht explizit erwähnten Arbeitsschritte ergänzt, von denen er aufgrund seiner praktischen Erfahrung weiß, dass sie bei der Durchführung solcher Verfahren regelmäßig angewendet werden.
Schließlich sollte auch noch ein Stahlflachprodukt angegeben werden, das sich optimal zur Erzeugung eines Stahlbauteils durch Warmumformen eignet.
Ein diese Aufgabe lösendes Stahlbauteil weist erfindungsgemäß mindestens die in Anspruch 16 angegebenen Merkmale auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden wie der allgemeine Erfindungsgedanke nachfolgend im Einzelnen erläutert.
Gemäß der Erfindung umfasst ein durch Warmumformen eines Stahlflachprodukts hergestelltes Stahlbauteil,
- ein Stahlsubstrat, das aus, in Masse-%,
0,10 - 0,4 % C, 0,05 - 0,5 % Si, 0,5 - 3,0 % Mn, 0,01 - 0,2 % AI, optional bis zu 1,0 % Cr, insbesondere 0,005 - 1,0 % Cr, optional bis zu 0,2 % V, insbesondere 0,001 - 0,2 % V, < 0,1 % P, < 0,05 % S, < 0,021 % N sowie jeweils optional aus einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" und als Rest aus Eisen und in Summe höchstens bis zu 3 % unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei für die jeweils optional vorhandenen Gehalte an "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" gilt:
B: 0,0005 - 0,01 %, Ti: 0,001 -0,1 %, Nb: 0,001 - 0,1 %, Ni: 0,01 - 0,4 %, Cu: 0,01 - 0,8 %, Mo: 0,002 - 1 ,0 %, W: 0,001 - 1 ,0 %, und - einen auf dem Stahlsubstrat ausgebildeten metallischen Schutzüberzug auf Basis von Aluminium mit Gehalten an Si, Fe und optional bis zu 0,6 Masse-% Mg sowie sonstigen Bestandteilen, deren Gehalte in Summe auf höchstens 3 Masse-% beschränkt sind, wobei der metallische Schutzüberzug aus drei ausgeprägten Schichten besteht, nämlich
- einer auf dem Stahlsubstrat liegenden Legierungsschicht, welche 35 - 90 Masse-% Fe und höchstens 3 Masse-% Si enthält,
- einer auf der Legierungsschicht liegenden Al-Basisschicht, welche 35 - 55 Masse-% Fe und weniger als 3 Masse-% Si enthält, und
- einer auf der Al-Basisschicht liegenden, den äußeren Abschluss des metallischen Schutzüberzug bildenden Oxidschicht, welche zu mehr als 80 Masse-% aus Oxiden besteht, wobei der Hauptanteil der Oxide Aluminiumoxid ist und in der Oxidschicht zusätzlich optional Hydroxide und / oder Magnesiumoxid alleine oder als Mischung vorhanden sind und wobei der nicht von den Oxiden und optional vorhandenen Hydroxiden eingenommene Rest der Oxidschicht aus Silizium, Aluminium und Magnesium besteht.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten Stahlbauteils, das mit einem metallischen Schutzüberzug versehen ist, der aus Gehalten an Si, AI, Fe und optional bis zu 0,6 Masse-% Mg sowie sonstigen Bestandteilen besteht, deren Gehalte in Summe auf höchstens 3 Masse-% beschränkt sind, umfasst folgende Arbeitsschrite: a) Bereitstellen eines kaltgewalzten, 0,6 - 3 mm dicken Stahlflachprodukts, das aus, in Masse-%,
C: 0,10 - 0,4 %, Si: 0,05 - 0,5 %, Mn; 0,5 - 3,0 % AI: 0,01 - 0,2 % optional Cr: bis zu 1 ,0 %, insbesondere 0,005 - 1 ,0 % optional V: bis zu 0,2 %, insbesondere 0,001 - 0,2 %
P: < 0,1 %
S: < 0,05 %
N: < 0,021 % sowie jeweils optional einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" mit der Maßgabe, dass der optional vorhandene B-Gehalt 0,0005 - 0,01 %, der optional vorhandene Ti-Gehalt 0,001 -0,1 %, der optional vorhandene Nb-Gehalt 0,001 - 0,1 %, der optional vorhandene Ni-Gehalt 0,01 - 0,4 %, der optional vorhandene Cu- Gehalt 0,01 - 0,8 %, der optional vorhandene Mo-Gehalt 0,002 - 1 ,0 % und der optional vorhandene W-Gehalt 0,001 - 1 ,0 % beträgt, und als Rest aus Eisen und in Summe höchstens bis zu 3% unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, b) Erwärmen des Stahlflachprodukts auf eine Schmelzbad-Eintrittstemperatur BET von 600 - 740 °C, wobei die Erwärmung
- einen ersten Glühschritt, bei dem das Stahlflachprodukt unter einer Glühatmosphäre, die aus mindestens 90 Vol.-% N2 und als Rest aus H2 sowie technisch unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und einen Taupunkt von -15 °C bis +60 °C aufweist, mit einer
Erwärmungsgeschwindigkeit von 20 - 90 K/s auf eine Glühtemperatur GT1 von 550 - 750 °C erwärmt und bei der Glühtemperatur GT1 über eine Dauer von 10 s bis 360 s gehalten wird,
- einen zweiten Glühschritt, bei dem das auf die Glühtemperatur GT1 erwärmte Stahlflachprodukt unter einer Glühatmosphäre, die aus mindestens 90 Vol.-% N2 und als Rest aus H2 sowie technisch unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und einen Taupunkt von -50 °C bis +5 °C aufweist, mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 0,5 - 30 K/s, insbesondere 0,5 - 10 K/s, auf eine Glühtemperatur GT2 erwärmt, die höher ist als die Glühtemperatur GT1 und 700 - 850 °C beträgt, und über eine Dauer von 10 s bis 360 s bei der Glühtemperatur GT2 gehalten wird, und
- einen Abkühlschrit umfasst, bei dem das Stahlflachprodukt von der Glühtemperatur GT2 mit einer Abkühlrate von 0,5 K/s bis 40 K/s auf die Schmelzenbad-Eintrittstemperatur BET abgekühlt wird, c) Durchleiten des auf die Schmelzenbad-Eintrittstemperatur BET abgekühlten Stahlflachprodukts durch ein auf 680 - 720 °C temperiertes Schmelzenbad, das aus, in Masse-%,
Si: 0,05 - 3 %
Fe: 0,1 - 6 %, optional Mg: < 0,7 % und als Rest aus AI und in Summe höchstens 3 % unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, d) Einstelten einer Dicke von 10 - 30 μm des auf dem Stahlflachprodukt im Schmelzenbad applizierten metallischen Schutzüberzugs durch Abstreifen von überschüssiger Schmelze von dem aus dem Schmelzenbad austretenden Stahlflachprodukt mitels eines Abstreifgases, e) Erwärmen einer aus dem Stahlflachprodukt abgeteilten Platine, in einem Ofen über eine Ofenverweilzeit OVZ von 60 s bis 180 s auf eine 820 - 1000 °C betragende Warmumformtemperatur WUT, f) Warmumformen der auf die Warmumformtemperatur erwärmten Platine zu dem Stahlbauteil; g) Abkühlen des erhaltenen Stahlbauteils mit einer Abkühlgeschwindigkeit von
10 K/s bis 100 K/s. Das Stahlsubstrat eines erfindungsgemäßen Stahlbauteils und eines im
Arbeitsschritt a) eines erfindungsgemäßen Verfahrens bereitgestellten
Stahlflachprodukts besteht aus einer für MnB-Stähle typischen Zusammensetzung.
Auf dem so zusammengesetzten Stahlsubstrat wird durch in konventioneller Weise durchgeführtes Schmelztauchbeschichten ein metallischer Schutzüberzug erzeugt, der zu mehr als 92 Masse-% aus Aluminium besteht und Gehalte an Si, Fe und optional Mg aufweist. Hierzu wird beim erfindungsgemäßen Verfahren das Stahlflachprodukt durch ein Schmelzenbad geleitet, dessen Zusammensetzung des beim Austrit aus dem Schmelzenbad auf dem Stahlflachprodukt vorhandenen metallischen Schutzüberzugs entspricht. Erst im Arbeitsschritt e) des erfindungsgemäßen Verfahrens, das heißt bei der Erwärmung auf die jeweilige Warmumformtemperatur und dem anschließenden Halten über die jeweilige Erwärmungsdauer bei der Warmumformtemperatur, stellt sich dann aus dem zuvor konventionell aufgetragenen Al-basierten Überzug der für ein erfindungsgemäßes Stahlbauteil charakteristische .dreischichtige Aufbau des Schutzüberzugs des Stahlbauteils ein.
Im erfindungsgemäß im Arbeitsschritt c) auf das Stahlflachprodukt aufgebrachten Schutzüberzug ist Silizium („Si“) vorhanden, um die Eisendiffusion in den Aluminiumüberzug einzustellen. Allerdings ist der Si-Gehalt auf höchstens 3 Masse-%, insbesondere weniger als 2 Masse-% oder weniger als 1 ,5 Masse-% beschränkt. Auf diese Weise wird erreicht, dass sich schon in der im Arbeitsschritt c) aufgetragenen Schutzschicht eine an dem Stahlsubstrat des Stahlflachprodukts anliegende eisenreiche Legierungsschicht bildet, die sich im Mittel über 1 - 100 % der Gesamtdicke der Schutzschicht erstrecken kann, wobei sie typischerweise eine Dicke aufweist, die im Mitel mindestens 10 %, insbesondere mehr als 35 % der Gesamtdicke des nach dem Arbeitsschrit c) auf dem Stahlflachprodukt erhaltenen Schutzüberzugs entspricht. Legierungsschichten mit einer Dicke von mindestens 10 % der Gesamtdicke des Überzugs lassen sich dabei bei Si- Gehalten von weniger als 2 Masse-% betriebssicher erzielen, wogegen sich Legierungsschichten mit einer Dicke von im Mittel mindestens 35 % der Gesamtdicke des Überzugs bei Si-Gehalten des Schmelzenbades und des Überzugs von weniger als 1 ,5 Masse-% gewährleisten lassen. Besonders sicher lässt sich die Ausbildung einer Legierungsschicht, deren Dicke im Mittel regelmäßig mehr als 35 % der Gesamtdicke des nach dem Arbeitsschrit c) und vor dem Arbeitsschrit e) auf dem Stahlflachprodukt vorhandenen Schutzüberzugs entspricht, bei Si-Gehalten des Schmelzenbads und damit einhergehend des auf dem Stahlflachprodukt erzeugten Überzugs von 0,05 - Masse-% sicherstellen. Die sich aufgrund des geringen Si-Gehalts einstellenden hohen Eisengehalte im Schutzüberzug sind die Voraussetzung dafür, dass die Erwärmung auf die Warmumformtemperatur WUT in gegenüber dem Stand der Technik deutlich verkürzten Ofenverweilzeiten durchgeführt werden kann.
Um die Ausbildung der erfindungsgemäß angestrebten, hohe Eisen-Gehalte aufweisenden Legierungsschicht zu unterstützen, ist irn erfindungsgemäß für den Auftrag des metallischen Schutzüberzugs vorgesehenen Schmelzenbad Eisen („Fe“) in Gehalten von 0,1 % bis 6 Masse-%, insbesondere von mindestens 2,5 Masse-%, enthalten. Oberhalb von 6 Masse-% liegende Fe-Gehalte würden den Schmelzpunkt des Schmelzenbades so stark erhöhen, so dass ein erfindungsgemäß zusammengesetzter Überzug nicht mehr wirtschaftlich durch konventionelles Schmelztauchbeschichten appliziert werden könnte.
Magnesium („Mg“) kann optional in Gehalten von bis zu 0,7 Masse-% im Schmelzenbad enthalten sein, um die Oxidschichtbildung maßgeblich zu beeinflussen und damit die Diffusion von Wasserstoff in das Stahlsubstrat zu minimieren. Allerdings können Mg- und Fe-Atome sich irn metallischen Giter gegenseitig ersetzen. Da es somit aufgrund ihrer ähnlichen Atomradien zu einer Konkurrenz zwischen Mg und Fe kommen könnte, werden erfindungsgemäß allenfalls geringe Zugaben an Mg von maximal 0,7 Masse-% Zugelassen. Höhere Mg-Gehalte würden aufgrund der damit einhergehenden veränderten Diffusionsprozesse der angestrebten schnellen Aufheizung bei der Erwärmung auf die Warmumformtemperatur WUT im Arbeitsschrit e) des erfindungsgemäßen Verfahrens zuwiderlaufen. Daher ist der Mg-Gehalt des Schmelzenbads und damit einhergehend des auf einem erfindungsgemäß bereitgestellten Stahlflachprodukt erzeugten Schutzüberzugs bevorzugt auf weniger als 0,5 Masse-% beschränkt, wobei sich die Vorteile der Anwesenheit von Mg ohne negative Auswirkungen auf die Dauer der Erwärmung im Arbeitsschrit e) bei Mg-Gehalten von 0,1 - 0,4 Masse-% besonders sicher nutzen lassen.
Vor dem Eintrit in das Schmelzenbad wird das jeweils schmelztauchzubeschichtende Stahlflachprodukt im Arbeitsschrit b) des erfindungsgemäßen Verfahrens zwei Stufen auf eine Schmelzbad- Eintritstemperatur BET von 600 - 740.°C, insbesondere höchstens 730 °C oder höchstens 720 °C, erwärmt, wobei sich Badeintrittstemperaturen BET von mindestens 620 °C, insbesondere mindestens 670 °C, besonderes bewährt haben. In der ersten Stufe der Erwärmung wird das jeweilige Stahlflachprodukt unter einer Glühatmosphäre, die aus mindestens 90 VoL-% N2 und als Rest aus H2 sowie technisch unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und einen Taupunkt von -15 °C bis +60 °C aufweist, mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 20 - 90 K/s auf eine Glühtemperatur GT1 von 550 - 750 °C, insbesondere 600 - 700 °C, erwärmt und bei der Glühtemperatur GT1 über eine Dauer von 10 s bis 360 s gehalten, um das Gefüge einzustellen.
An diesen ersten Glühschritt schließt sich ein zweiter Glühschritt an, bei dem das auf die Glühtemperatur GT1 erwärmte Stahlflachprodukt unter einer Glühatmosphäre, die ebenfalls aus mindestens 90 Vol.-% N2 und als Rest aus H2 sowie technisch unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, jedoch einen Taupunkt von -50 °C bis +5 °C, insbesondere -40 °C bis -15 °C, aufweist, mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 0,5 - 30 K/s, insbesondere 0,5 - 10 K/s auf eine Glühtemperatur GT2 erwärmt, die höher ist als die Glühtemperatur GT1 und 700 - 850 °C, insbesondere 710 - 790 °C, beträgt, und bei der Glühtemperatur GT2 über eine Dauer von 10 s bis 360 s gehalten wird, um das Gefüge einzustellen. Im Anschluss an den zweiten Glühschritt wird das Stahlflachprodukt in einem Abkühlschrit von der Glühtemperatur GT2 auf die jeweilige Schmelzenbad- Eintrittstemperatur BET abgekühlt. Die Abkühlrate beträgt dabei 0,5 K/s bis 40 K/s, um das Stahlband auf die notwendige Bandeintauchtemperatur zu bringen.
Das so wärmebehandelte, auf die jeweilige Badeintritstemperatur BET erwärmte Stahlflachprodukt wird in konventioneller Weise durch ein Schmelzenbad geleitet, dessen Temperatur 680 - 720 °C beträgt.
Die Dicke des auf dem aus dem Schmelzenbad austretenden Stahlflachprodukt vorhandenen Al-basierten Schutzüberzugs wird in ebenso konventioneller Weise durch Abstreifen von überschüssigem Beschichtungsmaterial auf eine Dicke von 10 - 30 μm, insbesondere 12 - 25 μm, je Seite des Stahlflachprodukts eingestellt. Für das Abstreifen wird eine konventionelle Abstreifdüse eingesetzt, aus der erfindungsgemäß als Abstreifmedium .beispielsweise Druckluft, die typischerweise einen O2-Gehalt von 15 - 23 Vol.-% und einen N2-Gehalt von 76 - 85 Vol.-% aufweist, wobei der nicht durch O2 und N2 eingenommene Rest aus Kohlenstoffdioxid, Edelgasen, Wasser und sonstigen in Umgebungsluft üblicherweise vorhandenen Bestandteilen besteht, oder Stickstoff-Gas ausgebracht wird, dessen N2-Gehalt mehr als 90 Vol. % bei einem Taupunkt von weniger als +15 °C beträgt.
Ein erfindungsgemäßes Stahlflachprodukt zur Herstellung eines Stahlbauteils durch Warmumformen umfasst dementsprechend ein Stahlsubstrat, das aus, in Masse-%, 0,10 - 0,4 % C, 0,05 - 0,5 % Si, 0,5 - 3,0 % Mn, 0,01 - 0,2 % AI, optional bis zu 1 ,0 % Cr, insbesondere 0,005 - 1 ,0 % Cr, optional bis zu 0,2 % V, insbesondere 0,001 - 0,2 % V, < 0,1 % P, < 0,05 % S, < 0,021 % N sowie jeweils optional aus einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" und als Rest aus Eisen und in Summe höchstens bis zu 3 % unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei für die jeweils optional vorhandenen Gehalte an "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" gilt: B: 0,0005 - 0,01 %, Ti: 0,001 -0,1 %, Nb: 0,001 - 0,1 %, Ni: 0,01 - 0,4 %, Cu: 0,01 - 0,8 %, Mo: 0,002 - 1 ,0 %, W: 0,001 - 1 ,0 %, und eine auf dem Stahlsubstrat aufliegende Schutzschicht auf Al-Basis. Erfindungsgemäß umfasst dabei die Al-basierte Schutzschicht drei Schichten und zwar eine auf dem Stahlsubstrat liegende Legierungsschicht, welche aus 35 - 60 Masse-% Fe, weniger als 3 Masse-% Si, optional bis zu 0,7 Masse-% Mg, insbesondere bis zu 0,6 Masse-% Mg, und als Rest aus AI und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, deren Gehalte in Summe 3 Masse-% betragen können, eine auf der Legierungsschicht liegende und an diese angeschlossene Al-Basisschicht, die aus weniger als 35 Masse-% Fe, weniger als 3 Masse-% Si, optional weniger als 0,7 Masse-% Mg und als Rest aus AI und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, deren Gehalte in Summe höchstens 3 Masse-% betragen können, und eine auf der Al-Basisschicht liegende und an diese angeschlossene, den äußeren Abschluss der metallischen Schutzschicht bildende Oxidschicht, in der optional bis weniger als 0,7 Masse-% Mg und bis zu 3 Masse-% sonstige Bestandteile vorhanden sind und die als Rest aus AI besteht, wobei das AI der Oxidschicht sowie, sofern vorhanden, das Mg der Oxidschicht jeweils in oxidischer oder hydroxidischer Form vorliegen.
Ein solcherart erfindungsgemäß beschaffenes Stahlflachprodukt liegt bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens als Zwischenprodukt nach der in erfindungsgemäßer Weise absolvierten Schmelztauchbeschichtung, d.h. nach dem Arbeitsschritt d) und vor dem Arbeitsschritt e), vor.
Von dem so durch Schmelztauchbeschichten mit dem Schutzüberzug versehenen Stahlflachprodukt wird in konventioneller Weise eine Platine abgeteilt, deren Abmessungen so gewählt sind, dass sich daraus durch den anschließenden Warmumformprozess in einem Stück das jeweilige Stahlbauteil warmformen lässt.
Die Platine wird dann in einem Ofen über eine Ofenverweilzeit OVZ von 60 s bis 180 s auf eine 820 - 1000 °C betragende Warmumformtemperatur WUT erwärmt.
Das Erwärmen der Platine auf die oben genannte Temperatur erfolgt dabei vorzugsweise mit einer Aufheizrate von 1 bis 200 °C/s, insbesondere höchstens 30 °C/s, wobei sich Aufheizraten von 3 - 20 °C/s in der Praxis besonders bewährt haben. Das Aufheizen kann dabei mit einer einheitlichen Aufheizrate bis zur jeweiligen Warrnumforrntemperatur WUT erfolgen. Es kann jedoch auch zweckmäßig sein, die Erwärmung in mindestens zwei aufeinander folgenden Stufen vorzunehmen, wobei in der ersten Stufe die Erwärmung mit einer mitleren Aufheizrate von 3 - 50 °C/s, insbesondere 6 - 20 °C/s oder 8 - 16 °C/s, und in der zweiten Stufe die Erwärmung mit einer Aufheizrate von 1 - 10 °C/s, insbesondere 2 - 5 °C/s vorgenommen wird. Auf diese Weise wird eine homogene Eisenanreicherung bei optimaler Wirtschaftlichkeit erreicht.
Bei der Erwärmung auf die Warmumformtemperatur WUT erfolgt die Diffusion von Eisen in den aluminiumbasierten Schutzüberzug der Platine genauso schnell wie die rnit der Erwärmung einhergehende Umbildung des Gefüges des Stahlsubstrats in den austenitischen Zustand. So stellt sich auf der Platine schon innerhalb kurzer Erwärmungsdauer ein mit Eisen durchlegierter Schutzüberzug ein, bei dem in der Legierungsschicht und in der Ai-Basisschicht jeweils mindestens 35 Masse-% Fe vorhanden sind.
Die Einlegierung von Fe in die Al-Basisschicht ist hier von entscheidender Bedeutung, da sich im großtechnischen Prozess der Warmumformung nur solche aluminiumbasierten Überzüge als verarbeitbar gelten, bei denen an der unterhalb der Oxidschicht liegenden Grenze der Al-Basisschicht reines Aluminium allenfalls in Gehalten von weniger als < 5 Masse-% vorliegt. Höhere Gehalte an reinem Aluminium würden die Gefahr mit sich bringen, dass beim Einlegen der jeweils warmümzuformenden, auf die Warmumformternperatur erwärmten Platine in das Warmumformwerkzeug größere Mengen -an AI noch schmelzflüssig auf der Oberfläche der Platine vorliegen würden, wodurch es im Warmumformwerkzeug zu unerwünschten, den Prozess der Umformung störenden Anbackungen und Anhaftungen von Überzugsmaterial kommen könnte.
Da der Prozess der Eindiffusion des Eisens in den Schutzüberzug synchron zur
Austenitisierung des Stahlsubstrats abläuft, ist beim erfindungsgemäßen
Verfahren die Ofenverweilzeit nicht mehr durch den Diffusionsprozess des Eisens in den Überzug bestimmt. Die erfindungsgemäß vorgenommene Reduzierung des Si-Gehalts führt somit gegenüber der konventionellen Fertigungsweise zu einer deutlichen Verkürzung der Aufenthaltsdauer im Ofen, die eine erfindungsgemäß beschichtete Platine für die Erwärmung auf die Warmumformtemperatur und die damit einhergehende Ausbildung eines optimal wirksamen metallischen Schutzüberzugs auf Al-Basis benötigt Dies erlaubt es, nicht nur bei Verwendung von konventionellen Öfen (Rollenherdöfen) die Prozesszeiten zu verkürzen, sondern auch Erwärmungstechnologien, wie Induktion, Konduktion oder Plattenerwärmung, anzuwenden, mit denen die jeweils verarbeitete Platine innerhalb weiter verkürzter Zeiten auf die jeweilige Warmumformtemperatur durcherwärmt werden können, ohne dass es dabei zu einem Aufschmelzen des im Schutzüberzug vorhandenen Aluminiums kommt. indem die Ofenverweilzeit OVZ auf höchstens 120 s beschränkt wird, lässt sich auf dem erfindungsgemäß hergestellten Stahlbauteil ein Al-basierter Schutzüberzug herstellen, in dessen Legierungsschicht 35 - 60 Masse-% Fe und optional bis zu 0,6 Masse-% Mg bei gleichzeitig weit unter 3 Masse-% liegenden Si-Gehalten vorliegen.
Dabei hegen die im Schutzüberzeug vorhandenen Si-Gehalte gleichmäßig verteilt über die Al-Basisschicht und die Legierungsschicht vor. Typischerweise liegt der Si-Gehalt der Legierungsschicht bei 0,5 Masse-%, wobei Si-Gehalte von mindestens 0,05 Masse-% in der Legierungsschicht regelmäßig anzutreffen sind Gleichzeitig sind in der Al-Basisschicht typischerweise höchstens 3 Masse-% vorhanden, wobei in der Praxis Si-Gehalte der Al-Basisschicht von 0,5 bis 1 ,5 Masse-% erwartet werden können.
Überraschend hat sich herausgestellt, dass längere Ofenverweilzeiten OVZ keinen Einfluss auf die Zusammensetzung der zwischen der Oxidschicht und der auf dem Stahlsubtrat liegenden Legierungsschicht vorhandenen Al-basierten Schicht des erfindungsgemäß erzeugten Schutzüberzugs haben. Für die erfindungsgemäßen Zwecke besonders geeignet sind daher Ofenverweilzeiten OVZ von weniger als 180 s, insbesondere höchstens 120 s oder höchstens 110 s.
Soll jedoch bei einem Si-Gehalt der Legierungsschicht von 0,7 - 3 Masse-% und einem optional vorhandenen Mg-Gehalt der Legierungsschicht von bis zu 0,2 Masse-% Mg, insbesondere von mindestens 0,05 Masse-% Mg, der Fe-Gehait der Legierungsschicht auf 55 - 90 Masse-% erhöht werden, so kann dies durch eine mehr als 110 s, insbesondere mehr als 120 s, dauernde Ofenverweilzeit OVZ erreicht werden, wobei auch hier die Einlegierung des Eisens in die Legierungsschicht innerhalb gegenüber dem Stand der Technik verkürzter, typischerweise weniger als 180 s betragenden Ofenverweilzeiten abgeschlossen ist.
Im Arbeitsschrit f) wird die auf die Warmumformtemperatur WUT durcherwärmte Platine in konventioneller Weise in einem ebenso konventionellen Warmumformwerkzeug zu dem Stahlbauteil warmumgeformt.
Anschließend wird das erhaltene Stahlbauteil, wie im Stand der Technik ebenso üblich, mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 10 - 360 K/s abgekühlt, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Bauteils zu erhalten.
Den voranstehenden Erläuterungen entsprechend eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Stahlbauteils.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Resultat einer GDOES-Tiefenmessung eines erfindungsgemäß legierten Schutzüberzugs auf Al-Basis eines in erfindungsgemäßer Weise erzeugten Stahlbauteils, wobei die Ofenverweilzeit, über die die Platine, aus der das Stahlbauten warm umgeformt worden ist, auf eine Warmumformtemperatur WUT von 920 °C erwärmt worden ist, 90 s betragen hat;
Fig. 2 das Resultat einer GDOES-Tiefenmessung des erfindungsgemäß legierten Schutzüberzugs auf Al-Basis eines in erfindungsgemäßer Weise erzeugten Stahlbauteils, wobei die Ofenverweilzeit, über die die Platine, aus der das Stahlbauteil warmumgeformt worden ist, auf die Warmumformtemperatur WUT von 920 °C erwärmt worden ist, 90 s betragen hat;
Fig. 3 eine gemäß DIN EN ISO 3887 erstellte lichtmikroskopische Aufnahme eines Querschliffs eines in erfindungsgemäßer Weise durch Schmelztauchbeschichten applizierten, AFbasierten Überzugs vor der Erwärmung auf die Warmumformtemperatur WUT in 1000-facher Vergrößerung.
In den Figuren 1 und 2 sind die Gehalte an Fe, Zn, AS, C und O jeweils bezogen auf 100 Masse-% dargestellt, wogegen die Gehalte an Mg, Mn und Si bezogen auf 10 Masse-% wiedergegeben sind.
Die Fig. 1 verdeutlicht, dass sich bei einem metallischen Schutzüberzug mit 2 % Silizium, 0,5 % Magnesium, 2,8 % Fe und Rest Aluminium sowie bis zu 3 % unvermeidbaren Verunreinigungen die Legierungsschicht und die Al-basierte Schicht, bei einer Erwärmung auf die Warmumformtemperatur WUT von 920 °C über eine Ofenverweilzeit OVZ von bis zu 110 s zunächst eine klar abgrenzbare Legierungsschicht entwickelt. So liegt der Übergang zwischen der Legierungsschicht der metallischen Schutzschicht und dem Stahlsubstrat des Stahlbauteils gemessen ausgehend von der freien Oberfläche der Schutzbeschichtung bei etwa 20 μm. Die auf dem Stahlsubstrat fegende Legierungsschicht erstreckt sich über eine Dicke von ca. 6 μm und über eine Tiefe von 14 - 20 μm, gemessen von der freien Oberfläche des Schutzüberzugs aus. Auf der Legierungsschicht fegt eine Al-basierte Schicht, die sich über eine Tiefe von etwa 0,5 μm bis 14 μm, gemessen von der freien Oberfläche des Schutzüberzugs aus, erstreckt und dementsprechend etwa 13,5 μm dick ist. Die oberen 0,5 μm der Dicke des Schutzüberzugs werden von der Oxidschicht eingenommen, die auf der AI- basierten Schicht liegt. Die
Oxidschicht besteht aus Aluminiumoxiden und -hydroxiden, aus Magnesiumoxiden und -hydroxiden sowie Mischungen aus diesen Oxiden und Hydroxiden.
Fig. 2 zeigt den Zustand, der sich nach einer Ofenverweilzeit OVZ von mehr als 110 s, jedoch weniger als 180 s, einstellt. Sowohl im in Fig. 1 , als auch im in Fig. 2 dargestellten Zustand sind die Oberzugsschichten durchlegiert mit Eisen und dementsprechend als fertiggestellt anzusehen.
Zur Erprobung der Erfindung sind fünf kaltgewalzte Stahlbänder mit einer Dicke von jeweils 1 ,5 mm bereitgestellt worden, deren Stahlsubstrate aus den gemäß Tabelle 1 legierten Stählen A - E bestanden.
Auf den so bereitgestellten Stahlbändern ist jeweils einer der metallischen Schutzüberzüge Z1 - Z4 durch Schmelztauchbeschichten aufgebracht worden, deren nach dem Schmelztauchbeschichten, jedoch vor der Erwärmung für die Warmumformung vorliegende Zusammensetzung in Tabelle 2 angegeben ist. Hierbei ist wie folgt vorgegangen worden: Ein Kaltband wird in einem ersten Glühschrit auf 670 °C für 20 see erwärmt mit einer Aufheizrate von 60 K/s. Die dort vorliegende Atmosphäre besteht aus 95 % Stickstoff, bis zu 5 % Wasserstoff, Taupunkt +40°C und unvermeidbaren Verunreinigungen. Das Band wird direkt in die zweite Glühzone gebracht und dort mit 20 K/s auf 770 °C erwärmt und für 50 see bei der Temperatur gehalten. Die Atmosphäre ändert sich nur hinsichtlich des Taupunktes der auf -40 °C abgesenkt wird. Danach erfolgt eine Abkühlung des Bandes auf 700 °C mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 10 K/s. Mit einer Bandtemperatur von 700 °C taucht das Band in die flüssige Schmelze ein. Schmelzbadtemperatur entspricht ebenfalls 700 °C. Die Schmelze setzt sich wie folgt zusammen 1 ,5 Massen% Silizium, 2,8 Massen% Eisen und 0,5 Massen% Magnesium, Rest Aluminium und in diesem Beispiel bis zu 1 % unvermeidbare Verunreinigungen.
Zehn Proben V1 - V10 der so jeweils mit einem der Schutzüberzüge Z1 - Z4 mit einem Auflagengewicht AG schmelztauchbeschichteten Stahlbänder A - E sind in einem für diese Zwecke im Stand der Technik üblicherweise eingesetzten Ofen über eine Ofenverweildauer OVZ auf eine Warmumformtemperatur WUT erwärmt, anschließend in konventioneller Weise zu einem Stahlbauteil umgeformt und schließlich mit einer Abkühlrate von 20 K/s auf Raumtemperatur abgekühlt worden.
Der Stahl, aus dem das Stahlsubstrat der jeweiligen Probe V1 - V10 bestand, der jeweils auf dem Stahlsubstrat aufgebrachte Überzug, das Auflagengewicht AG, die jeweilige Warmumformtemperatur WUT und die jeweilige Ofenverweilzeit OVZ sind in Tabelle 3 angegeben. An den so erhaltenen Stahlbauteilen ist durch lichtmikroskopische Untersuchung in der oben beschriebenen Art und Weise der Anteil %DL der Dicke der Legierungsschicht an der Gesamtdicke des Überzugs sowie der Schichtaufbau des Überzugs ermitelt worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchung sind in Tabelle 4 zusammengefasst.
Schließlich sind mitels GDOES-Analyse in der oben ebenfalls beschriebenen Weise die Zusammensetzungen der Al-Basisschicht und der Legierungsschicht der auf den aus den Proben V1 - V10 erzeugten Stahlbauteilen vorhandenen Schutzüberzüge ermitelt worden. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Dabei sind für AI, Si und Fe jeweils die maximal und die minimal vorhandenen Gehalte angegeben, soweit ermittelt bzw. feststellbar.
Fig. 3 zeigt den typischen Aufbau einer Schutzschicht, die auf einem erfindungsgemäßen Stahlflachprodukt vorhanden ist, das als Zwischenprodukt nach der in erfindungsgemäßer Weise durchgeführten Schmelztauchbeschichtung (Arbeitsschrit d)) vorliegt und in besonderer Weise für die in erfindungsgemäßer Weise erfolgende Warmumformung zu einem Stahlbauteil geeignet ist.
Zur Erzeugung der Stahlflachprodukt-Probe, deren Schutzschichtaufbau in
Fig. 3 dargestellt ist, ist ein in konventioneller Weise erzeugtes, 1 ,5 mm dickes und aus dem Stahl C bestehendes kaltgewalztes Stahlband mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 50 K/s unter einer zu mindestens 95 Vol.-% aus Stickstoff und als Rest aus bis zu 5 Vol.-% Wasserstoff sowie technisch unvermeidbaren Verunreinigungen bestehenden Glühatmosphäre auf eine Glühtemperatur GT1 von 625 °C erwärmt und bei der Glühtemperatur GT1 über eine Dauer von 120 s gehalten worden. Der Taupunkt der Glühatmosphäre, unter der dieser erste Glühschritt stattfand, betrug +30 °C.
Im direkten Anschluss an den ersten Glühschritt ist das auf die Glühtemperatur GT1 erwärmte Stahlflachprodukt mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 9 K/s auf eine Glühtemperatur GT2 erwärmt worden, die 780 °C betrug. Bei der Glühtemperatur GT2 ist das so erwärmte Stahlband über eine Glühdauer von 180 s gehalten worden. Dieser zweite Glühschrit erfolgte unter einer Glühatmosphäre, die nur hinsichtlich ihres für den zweiten Glühschritt nun -35 °C betragenden Taupunkts gegenüber der Atmosphäre des ersten Glühschrits verändert worden ist.
Nach Ende dieser Glühdauer ist das kaltgewalzte Stahlband mit einer Abkühlrate von 25 K/s auf eine Schmelzenbad-Eintrittstemperatur BET von 680 °C abgekühlt worden.
Das so abgekühlte kaltgewalzte Stahlband ist durch ein auf 680 °C temperiertes Schmelzenbad geleitet worden, das aus 0,2 Masse-% Si und 0,3 Masse-% Mg, 1 ,5 Masse-% Fe sowie als Rest aus AI und in Summe höchstens 3 Masse-% unvermeidbaren Verunreinigungen bestand. Zum Abschluss der Erzeugung des Zwischenprodukts ist die Dicke des im Schmelzenbad auf dem Stahlflachprodukt applizierten metallischen Schutzüberzugs durch in konventioneller Weise erfolgendes Abstreifen mittels eines Abstreifgases auf 20 μm eingestellt worden.
Anhand von Fig. 3 ist auch ersichtlich, wie zur Bestimmung der Legierungsschichtdicke Schliffbilder verwendet werden können. Die Schichtdicken werden lichtmikroskopisch bestimmt. Dazu werden Querschliffe poliert und mit 3 % Nitallösung geätzt. Unter dem Lichtmikroskop erscheint die auf dem Stahlsubstrat liegende Legierungsschicht bei Hellfeldbetrachtung und einer 1000-fachen Vergrößerung eindeutig dunkler als die darauf liegende Al- Basisschicht, die wiederum ebenso eindeutig von der den äußeren Abschluss des Schutzüberzugs bildenden, als dunkle dünne Lage zu erkennende Oxidschicht unterschieden werden kann.
Die Erfindung stellt somit optimal gegen Korrosion geschützte, jeweils durch Warmumformen eines Stahlflachprodukts hergestellte Stahlbauteile sowie ein Verfahren und ein Stahlflachprodukt zur Verfügung, die die praxisgerechte Herstellung eines solchen Stahlbauteils ermöglichen. Ein erfindungsgemäßes Stahlbauteil umfasst dabei
- ein Stahlsubstrat, das aus 0,10 - 0,4 Masse-% C, 0,05 - 0,5 Masse-% Si, 0,5 - 3,0 Masse-% Mn, 0,01 - 0,2 Masse-% AI, optional bis zu 1 ,0 Masse- % Cr, insbesondere 0,005 - 1 ,0 Masse-% Cr, optional bis zu 0,2 Masse-% V, insbesondere 0,001 - 0,2 Masse-% V, < 0,1 Masse-% P, < 0,05 Masse-% S, < 0,021 Masse-% N sowie jeweils optional einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" mit der Maßgabe, dass der Gehalt an B 0,0005 - 0,01 Masse-%, der Gehalt an Ti 0,001 - 0,1 Masse-%, der Gehalt an Nb 0,001 - 0,1 Masse-%, der Gehalt an Ni 0,01 - 0,4 Masse-%, der Gehalt an Cu 0,01 - 0,8 Masse-%, der Gehalt an Mo 0,002 - 1 ,0 Masse-%, der Gehalt an W 0,001 - 1 ,0 Masse-% beträgt, und als Rest aus Fe und in Summe < 3 Masse-% Verunreinigungen besteht, sowie - einen auf dem Stahlsubstrat ausgebildeten metallischen Schutzüberzug, der aus Si, Fe, optional < 0,6 Masse-% Mg und als Rest aus AI sowie ä 2 Masse- % sonstigen Bestandteilen zusammengesetzt ist und der aus einer auf dem Stahlsubstrat liegenden Legierungsschicht, die 35 - 90 Masse-% Fe und < 3 Masse-% Si enthält, einer auf der Legierungsschicht liegenden Al- Basisschicht, die 35 - 55 Masse-% Fe und < 3 Masse-% Si enthält, und einer auf der Al-Basisschicht liegenden, den äußeren Abschluss des metallischen Schutzüberzugs bildenden Oxidschicht besteht, die zu > 80 Masse-% aus Oxiden besteht, wobei der Hauptanteil der Oxide Aluminiumoxid ist und in der Oxidschicht zusätzlich optional Hydroxide und / oder Magnesiumoxid alleine oder als Mischung vorhanden sind und wobei der nicht von den Oxiden und optional vorhandenen Hydroxiden eingenommene Rest der Oxidschicht aus Si, AI und/oder Mg in metallischer Form besteht (aller Masse-%-Angaben in Masse-Masse-%).
Figure imgf000026_0001
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Tabelle 3
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Tabelle 4
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Tabelle 5

Claims

P AT E N T A N S P R Ü C H E Durch Warmumformen eines Stahlflachprodukts hergestelltes Stahlbauteil,
- mit einem Stahlsubstrat, das aus, in Masse-%, 0,10 - 0,4 % C, 0,05 - 0,5 % Si, 0,5 - 3,0 % Mn, 0,01 - 0,2 % AI, optional bis zu 1,0 % Cr, -optional bis zu 0,2 % V, < 0,1 % P, < 0,05 % S, < 0,021 % N sowie jeweils optional aus einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" und als Rest aus Eisen und in Summe höchstens bis zu 3 % unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei für die jeweils optional vorhandenen Gehalte an "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" gilt: B: 0,0005 - 0,01 %, Ti: 0,001 -0,1 %, Nb: 0,001 - 0,1 %, Ni: 0,01 - 0,4 %, Cu: 0,01 - 0,8 %, Mo: 0,002 - 1 ,0 %, W: 0,001 - 1 ,0 %, und
- mit einem auf dem Stahlsubstrat ausgebildeten metallischen Schutzüberzug auf Basis von Aluminium mit Gehalten an Si, Fe und optional bis zu 0,6 Masse-% Mg sowie sonstigen Bestandteilen, deren Gehalte in Summe auf höchstens 2 Masse-% beschränkt sind, wobei der metallische Schutzüberzug aus drei ausgeprägten Schichten besteht, nämlich
- einer auf dem Stahlsubstrat liegenden Legierungsschicht, welche 35 - 90 Masse-% Fe und höchstens 3 Masse-% Si enthält,
- einer auf der Legierungsschicht liegenden Al-Basisschicht, welche 35 - 55 Masse-% Fe und weniger als 3 Masse-% Si enthält, und - einer auf der Al-Basisschicht liegenden, den äußeren Abschluss des metallischen Schutzüberzugs bildenden Oxidschicht, welche zu mehr als 80 Masse-% aus Oxiden besteht, wobei der Hauptanteil der Oxide Aluminiumoxid ist und in der Oxidschicht zusätzlich optional Hydroxide und / oder Magnesiumoxid alleine oder als Mischung vorhanden sind und wobei der nicht von den Oxiden und optional vorhandenen Hydroxiden eingenommene Rest der Oxidschicht aus Silizium, Aluminium und/oder Magnesium in metallischer Form besteht Stahlbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Legierungsschicht 35 - 60 Masse-% Fe, und optional bis zu 0,6 Masse-% Mg vorhanden sind. Stahlbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Si-Gehalt der Legierungsschicht geringer 3 Masse-% beträgt. Stahlbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Fe-Gehalt der Legierungsschicht 55 - 90 Masse-%, der Si- Gehalt der Legierungsschicht 0,7 - 3 Masse-% und der optional vorhandene Mg-Gehalt der Legierungsschicht bis zu 0,3 Masse-% beträgt. Stahlbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Si-Gehalt der Legierungsschicht mindestens doppelt so hoch ist wie der Si-Gehalt in der Al-Basisschicht. Stahlbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Si-Gehalt der Al-Basisschicht höchstens 3 Masse-% beträgt. Stahlbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mg-Gehalt des metallischen Schutzüberzugs mindestens 0,1 Masse-% beträgt, dass der Mg-Gehalt verteilt über dem an die freie Außenseite der Oxidschicht angrenzenden oberen Drittel der Dicke des metallischen Schutzüberzugs vorliegt und dass mehr als 50 % des Mg-Gehalts in der Oxidschicht gebunden sind. Stahlbauteil nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke des metallischen Schutzüberzugs 10 - 30 μm beträgt. Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten Stahlbauteils, das mit einem metallischen Schutzüberzug versehen ist, der aus Gehalten an Si, AI, Fe und optional bis zu 0,6 Masse-% Mg sowie sonstigen Bestandteilen besteht, deren Gehalte in Summe auf höchstens 2 Masse-% beschränkt sind, umfassend folgende Arbeitsschritte: a) Bereitstellen eines kaltgewalzten, 0,6 - 3 mm dicken Stahlflachprodukts, das aus, in Masse-%,
C: 0,10 - 0,4%,
Si: 0,05 - 0,5%,
Mn: 0,5 - 3,0%
AI: 0,01 - 0,2% optional Cr: bis zu 1 ,0 % optional V: bis zu 0,2 %
P: < 0,1 %
S: < 0,05%
N: < 0,021 % sowie jeweils optional einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" mit der Maßgabe, dass der optional vorhandene B-Gehalt 0,0005 - 0,01 %, der optional vorhandene Ti-Gehalt 0,001 -0,1 %, der optional vorhandene Nb-Gehalt 0,001 - 0,1 %, der optional vorhandene Ni-Gehalt 0,01 - 0,4 %, der optional vorhandene Cu-Gehalt 0,01 - 0,8 %, der optional vorhandene Mo-Gehalt 0,002 - 1 ,0 % und der optional vorhandene W-Gehalt 0,001 - 1 ,0 % beträgt, und als Rest aus Eisen und in Summe höchstens bis zu 3 % unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, b) Erwärmen des Stahlflachprodukts auf eine Schmelzbad- Eintrittstemperatur BET von 600 - 740 °C, wobei die Erwärmung
- einen ersten Glühschrit, bei dem das Stahlflachprodukt unter einer Glühatmosphäre, die aus mindestens 90 Vol.-% Na und als Rest aus H2 sowie technisch unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und einen Taupunkt von -15 °C bis +60 °C aufweist, mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 20 - 90 K/s auf eine Glühtemperatur GT1 von 550 - 750 °C erwärmt und bei der Glühtemperatur GT1 über eine Dauer von 10 s bis 360 s gehalten wird,
- einen zweiten Glühschrit, bei dem das auf die Glühtemperatur GT1 erwärmte Stahlflachprodukt unter einer Glühatmosphäre, die aus mindestens 90 Vol.-% N2 und als Rest aus H2 sowie technisch unvermeidbaren Verunreinigungen besteht und einen Taupunkt von -50 °C bis +5 °C aufweist, mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 0,5 - 30 K/s auf eine Glühtemperatur GT2 erwärmt, die höher ist als die Glühtemperatur GT1 und 700 - 850 °C beträgt, und über eine Dauer von 10 s bis 360 s bei der Glühtemperatur GT2 gehalten wird, und
- einen Abkühlschritt umfasst, bei dem das Stahlflachprodukt von der Glühtemperatur GT2 mit einer Abkühlrate 0,5 K/s bis 40 K/s auf die Schmelzenbad-Eintritstemperatur BET abgekühlt wird, c) Durchleiten des auf die Schmelzenbad-Eintrittstemperatur BET abgekühlten Stahlflachprodukts durch ein auf 680 - 720 °C temperiertes Schmelzenbad, das aus, in Masse-%,
Si: 0,05 - 3 %
Fe: 0,1 - 6 %, optional Mg: < 0,7 % und als Rest aus AI und in Summe höchstens 3 % unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, d) Einstelten einer Dicke von 10 - 30 μm des auf dem Stahlflachprodukt im Schmelzenbad applizierten metallischen Schutzüberzugs durch Abstreifen von überschüssiger Schmelze von dem aus dem Schmelzenbad austretenden Stahlflachprodukt mitels eines Abstreifgases, e) Erwärmen einer aus dem Stahlflachprodukt abgeteilten Platine, in einem Ofen über eine Ofenverweilzeit OVZ von 60 s bis 180 s auf eine 820 - 1000 °C betragende Warmumformtemperatur WUT f) Warmumformen der auf die Warmumformtemperatur erwärmten Platine, g) Abkühlen des erhaltenen Stahlbauteils mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 10 K/s bis 100 K/s.
. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenverweilzeit OVZ höchstens 120 s beträgt. . Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenverweilzeit OVZ mehr als 120 s beträgt. . Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenverweilzeit OVZ mindestens 90 s beträgt. : Verfahren nach einem der Ansprüche 9-12, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Arbeitsschrit d) und vor dem Arbeitsschritt e) auf dem Stahlsubstrat ein metallischer Schutzüberzug vorhanden ist, der aus einer auf dem Stahlsubstrat liegenden Legierungsschicht, welche aus 35 - 60 Masse-% Fe, weniger als 3 Masse- % Si, optional bis zu 0,6 Masse-% Mg und als Rest aus AI und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, deren Gehalt in Summe 3 Masse-% betragen kann, aus einer Al-Basisschicht, die aus weniger als 35 Masse-% Fe, weniger als 3 Masse-% Si, optional weniger als 0,7 Masse-% Mg und als Rest aus AI und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, deren Gehalte in Summe höchstens 3 Masse-% betragen, und aus einer auf der Al-Basisschicht liegenden, den äußeren Abschluss des metallischen Schutzüberzugs bildenden Oxidschicht, deren Gehalt an AI 90-99 Masse-% beträgt, wobei in der Oxidschicht optional weniger als 0,7 Masse-% Mg und bis zu 3 Masse-% sonstige Bestandteile vorhanden sind. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 - 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühtemperatur GT1 im Arbeitsschritt b) GT1600 - 700 °C und die Glühtemperatur GT2710 - 790 °C beträgt. Stahlbauteil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 hergestellt durch ein gemäß einem der Ansprüche 9-14 ausgebildetes Verfahren. Stahlblech zur Herstellung eines Stahlbauteils durch Warmumformen, wobei das Stahlblech ein Stahlsubstrat, das aus, in Masse-%, 0,10 - 0,4 % C, 0,05 - 0,5 % Si, 0,5 - 3,0 % Mn, 0,01 - 0,2 % AI, optional bis zu1 ,0 % Cr, optional bis zu 0,2 % V, < 0,1 % P, < 0,05 % S, < 0,021 % N sowie jeweils optional aus einem Element oder mehreren Elementen aus der Gruppe "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" und als Rest aus Eisen und in Summe höchstens bis zu 3 % unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, wobei für die jeweils optional vorhandenen Gehalte an "B, Ti, Nb, Ni, Cu, Mo, W" gilt: B: 0,0005 - 0,01 %, Ti: 0,001 - 0,1 %, Nb: 0,001 - 0,1 %, Ni: 0,01 - 0,4 %, Cu: 0,01 - 0,8 %, Mo: 0,002 -1,0 %, W: 0,001 -1,0 %, und eine auf dem Stahlsubstrat aufliegende Schutzschicht auf Al-Basis umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht folgende drei Schichten umfasst:
- eine auf dem Stahlsubstrat liegende und an diese angeschlossene Legierungsschicht, welche aus, in Masse-%, 35 60 % Fe, weniger als 3 % Si, optional bis weniger als 0,7 % Mg und als Rest aus AI und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, deren Gehalte in Summe höchstens 3 % betragen, eine auf der Legierungsschicht liegende und an diese angeschlossene Al-Basisschicht, die aus, in Masse-%, weniger als 35 % Fe, weniger als 3 % Si, optional weniger als 0,7 % Mg und als Rest aus AI und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht, deren Gehalte in Summe höchstens 3 % betragen, und
- eine auf der Al-Bäsisschicht liegende und an diese angeschlossene Oxidschicht, die den äußeren Abschluss der metallischen Schutzschicht bildet und aus, in Masse-%, optional bis zu weniger als 0,7 % in oxidischer oder hydroxidischer Form vorliegendem Mg und als Rest aus AI in oxidischer oder hydroxidischer Form sowie bis zu 3 Masse-% sonstigen Bestandteilen besteht.
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