Verzinktes und phosphatiertes Blech sowie Verfahren zur Herstellung eines solchen Blechs

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blech aus Stahl für die Herstellung von Stahlbauteilen durch Umformen, insbesondere Tiefziehen, belegt mit einer Phosphatschicht, deren Phosphoranteilhöchstens 0,05 g/m² beträgt. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines mit einer Phosphatbeschichtung versehenen verzinkten Stahlbands, bei dem folgende Schritte durchlaufen werden: Verzinken des Stahlbands in einer Bandverzinkungsanlage und Aufbringen einer Phosphatschicht auf das verzinkte Stahlband, deren Phosphoranteil höchstens 0,05 g/m² bevorzugt 0,005 bis 0,02 g/m² beträgt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Blech aus einem Stahlwerkstoff, welches für die Herstellung von Stahlbauteilen durch Umformen, insbesondere Tiefziehen, bestimmt ist und mit einer Phosphatschicht belegt ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Blechs.

[0002] Von im Karosseriebau verwendetem Stahlblech werden neben einer guten Verformbarkeit eine hohe Korrosionsbeständigkeit gefordert. Um Letztere zu erfüllen, werden die Stahlbleche heute üblicherweise mit einer Zinkbeschichtung versehen, die den Stahlwerkstoff gegen einen unmittelbaren Kontakt mit der Umgebung schützt. Durch die Verzinkung können auch solche an sich rostanfällige Stahllegierungen für die Herstellung langlebiger, gegen korrosive Angriffe unempfindliche Automobilkarosserien verwendet werden, die sich durch eine besonders gute Verformbarkeit auszeichnen. Diese Stahlwerkstoffe ermöglichen es, komplex geformte, hoch belastbare Bauteile bei geringen Blechstärken zu formen. Aus derartigem Stahl hergestellte Karosseriebauteile lassen sich einfach weiter verarbeiten und besitzen am Ende der Lebensdauer des jeweiligen Fahrzeugs eine hervorragende Recyclingfähigkeit.

[0003] Die gute Schutzwirkung der Zinkschicht und die in der Vergangenheit stetig gestiegene Wirtschaftlichkeit moderner Verzinkungsanlagen haben zu einer starken Zunahme der Verwendung verzinkter Stahlbleche im Automobilbau geführt. Die Zinkbeschichtung wird dabei üblicherweise in Bandveredelungsanlagen aufgebracht. Dazu geeignet ist zum einen das Feuerverzinken, bei dem das Stahlband in Bäder aus Zink oder Zinklegierungen mit einer zwischen 440°C und 465°C Temperatur getaucht wird. Alternativ kann die Zinkbeschichtung auch elektrolytisch auf dem Stahlwerkstoff abgeschieden werden. Darüber hinaus lassen sich die Stahlbleche nach einem Tauchen in einem Zink- bzw. Zinklegierungsbad Glühen, um eine besonders belastbare Zinkbeschichtung zu erhalten ("Galvanealing").

[0004] Neben dem Korrosionsschutz besteht eine speziell im Automobilkarosseriebau erhobene Forderung in einer guten Lackierbarkeit der verarbeiteten Stahlbleche. Dies betrifft zum einen den Lackauftrag und zum anderen die Haftung des Lacks auf dem Blech. Um diese Anforderungen zu erfüllen, werden Feinbleche seit längerem schon vor dem Lackieren phosphatiert. Bei dieser Vorbehandlung wird die zu beschichtende Oberfläche des Stahlblechs in eine Phosphatierlösung getaucht oder mit Phosphatlösungen bespritzt. Kombinierte Verfahren zum Auftragen der Phosphatlösung sind ebenfalls bekannt.

[0005] Die Phosphatierlösungen können dabei neben den jeweils erforderlichen Gehalten an Phosphationen (PO₄) Zink-, Mangan- und Nickelionen enthalten. Derartige Zink-, Mangan- und Nickelionen enthaltende Phosphatierlösungen werden in der Fachsprache auch als "Trikation-Phosphatierlösung" bezeichnet (DE 197 56 735 A1).

[0006] Die Phosphatierung kann nach der Umformung des jeweils verarbeiteten Stahlblechs und vor der Lackierung stückweise erfolgen. Ebenso ist es jedoch auch möglich, die Phosphatbeschichtung in schnell laufenden Bandbehandlungsanlagen aufzutragen. Wesentlicher Parameter der Erfolgskontrolle ist dabei das pro Flächeneinheit erfasste Gewicht der Beschichtung. Dieses beträgt bei im Automobilbau verarbeiteten Blechen üblicherweise 0,8 g/m² bis 4 g/m², wobei im Stand der Technik bevorzugt Schichtgewichte von 1 g/m² bis 2 g/m² angestrebt werden. Ein Schichtgewicht von 1 g/m² entspricht einem Phosphorgehalt (Sg_p) von 140 mg/m² in dieser Schicht.

[0007] In der Praxis ist es bei der Stückphosphatierung vielfach schwierig, eine vollständig deckende Phosphatschicht zu erzielen. Aufgrund der teilweise ungünstigen Geometrien der Rohkarosserien, insbesondere in den Hohlräumen und Falzen, wird die Beaufschlagung mit einer dicht geschlossenen Phosphatschicht erheblich erschwert. Dies kann eine erhöhte Korrosionsanfälligkeit und eine Verschlechterung der Benetzbarkeit der Blechoberfläche verursachen. Daher ist man dazu übergegangen, die Stahlbleche vor ihrer Umformung im Durchlauf zu phosphatieren. Diese Vorphosphatierung ersetzt zwar nicht die eigentliche, unmittelbar vor dem Lackieren des jeweiligen Bauteils erfolgende Phosphatierung der einzelnen Bauteile, führt jedoch neben einer Einsparung an Betriebsmitteln zu einer Verbesserung der Gleichmäßigkeit und Dichtheit, mit der die Phosphatschicht auf der Blechoberfläche verteilt ist.

[0008] Es hat sich herausgestellt, dass phosphatierte Bleche nicht nur verbesserte Lackiereigenschaften aufweisen, sondern sich auch besonders gut umformen lassen. So ist beispielsweise in der EP 0 489 105 B1 (DE 690 10 207 T) ein Verfahren zum Tiefziehen von Metallblechen vorgeschlagen worden, gemäß dem vor dem Tiefziehen auf dem Blech oder dem Tiefziehwerkzeug ein Salz eines Alkalimetalls, wie Li, Na oder K, und eines in Bezug auf das das Blech bildende Metall chemisch inerten Anions, ausgewählt aus der Gruppe der Phosphate, abgeschieden wird, wobei die Abscheidung des Salzes durch Aufbringen einer wässrigen Lösung erfolgt. Das Salz soll auf dem Werkzeug beim Tiefziehen durch Reaktion mit einem Tiefziehöl eine Seife bilden, durch welche die Reibung zwischen Werkzeug und Werkstück deutlich vermindert wird.

[0009] Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, ein für die Umformung zu einem Bauteil, insbesondere für das Tiefziehen, besonders geeignetes Stahlblech zu schaffen, welches sich gut lackieren lässt und bei dem auch bei hohen Umformgraden im Umformwerkzeug das Risiko von Rissbildungen und ähnlichen Bauteilfehlern minimiert ist. Darüber hinaus sollte ein Verfahren angegeben werden, mit dem derartige Bleche auf einfache Weise hergestellt werden können.

[0010] Diese Aufgabe wird in Bezug auf das Produkt durch ein aus einem Stahlwerkstoff erzeugtes Blech gelöst, welches für die Herstellung von Stahlbauteilen durch Umformen, insbesondere Tiefziehen, bestimmt ist und mit einer Phosphatschicht belegt ist, deren Phosphoranteil höchstens 0,05 g/m² P beträgt.

[0011] Besonders vorteilhafte Ergebnisse erzielt man mit einem Phosphoranteil von 0,005 - 0,02 g/m². Unter 0,005 g/m² wird der Effekt sehr gering, über 0,02 g/m² lassen sich dann weitere Verbesserungen erzielen.

[0012] In Bezug auf das Verfahren wird die voranstehend genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass bei der Herstellung eines mit einer Phosphatbeschichtung versehenen verzinkten Stahlbands das Stahlband zunächst in einer Bandverzinkungsanlage mit einer Zinkbeschichtung versehen wird und dass anschließend auf das verzinkte Stahlband eine Phosphatschicht aufgebracht wird, deren Phosphoranteil höchstens 0,05 g/m² beträgt.

[0013] Gemäß der Erfindung wird auf das zu verformende Stahlblech eine Phosphatschicht aufgetragen, die eine sehr geringe Dicke und ein entsprechend geringen Phosphoranteil von maximal 50 mg P pro Quadratmeter aufweist. Überraschender Weise lassen sich Bleche mit einer dünnen Phosphatschicht deutlich besser als phosphatfreie Bleche in einem Umformwerkzeug verformen und lassen sich mit Blechen vergleichen, die in bekannter Weise mit größeren Phosphatschichtdicken belegt worden sind. So zeigt sich insbesondere bei Tiefziehoperationen mit hohen Umformgraden, dass sich bei Verwendung erfindungsgemäß beschichteter Bleche eine deutliche Reduzierung der Reibung zwischen Werkzeug und Blech einstellt. Diese Minderung der Reibung erlaubt es, solche Bleche, deren Verformbarkeit an sich wegen der bei konventioneller Vorgehensweise im Verformungswerkzeug auftretenden Spannungen begrenzt ist, über diese Grenzen hinaus zu verformen. Auf diese Weise lässt sich der beispielsweise bei der Herstellung komplex geformter Bauteile entstehende Aufwand minimieren. Gleichzeitig besitzen erfindungsgemäß beschaffene Bleche eine hervorragende Lackierbarkeit, da die dünne, mit geringer Schichtdicke aufgetragene Phosphatschicht sich besonders gleichmäßig auf der Blechoberfläche verteilt und so eine gute Basis für die weitere stückweise auf das Bauteil aufgebrachte Phosphatbeschichtung bildet.

[0014] Besonders günstig erweist sich die Erfindung bei solchen Blechen, bei denen die Phosphatschicht auf einer auf dem Stahlmaterial ausgebildeten Zinkschicht aufgetragen ist. Dabei ist der Erfolg der Erfindung unabhängig von der Art und Weise, wie die Zinkbeschichtung aufgebracht wird. So lässt sich bei erfindungsgemäßen Blechen die Zinkschicht elektrolytisch oder durch Feuerverzinken erzeugen. Ebenso ist es möglich, die Zinkschicht durch Feuerverzinken mit anschließendem Glühen (Galvanealing) zu erzeugen. Das Glühen wird in diesem Fall in bekannter Weise bei oberhalb des Schmelzpunktes von Zink liegenden Temperaturen durchgeführt. Dieser aus der Kombination von Tauchverzinkung und Glühung gebildete Verzinkungsprozess wird in der Fachsprache auch als "Galvanealing" bezeichnet. Er führt zu einer Zinkbeschichtung, die im Wesentlichen nur aus Eisen-Zink-Verbindungen besteht und sich durch ein gutes Haftungsvermögen bei besonders guter Verformbarkeit auszeichnet.

[0015] Je nach Anforderungsprofil des Automobilherstellers kann die Phosphatschicht auch auf erfindungsgemäßen Blechen einseitig auf nur einer der Bandoberflächen oder beidseitig sowohl auf der Ober- als auch auf der Unterseite des Blechs aufgebracht werden.

[0016] Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich besonders wirtschaftlich durchführen, indem die einzelnen Arbeitsschritte in einer Fertigungslinie durchgeführt werden. Bei einer solchen "inline" aufeinander folgenden Durchführung der verschiedenen Beschichtungsschritte steht beim Verlassen der Fertigungslinie bei hohem Durchsatz ein Produkt zur Verfügung, welches sich unmittelbar anschließend zu einem Blechbauteil umformen lässt.

[0017] Erforderlichenfalls wird das erfindungsgemäß phosphatbeschichtete Band vor seiner Verformung mit einem Öl besprüht, um die Reibung während des Verformungsvorgangs weiter zu vermindern.

[0018] Die für die Erzeugung der erfindungsgemäß dünn gehaltenen, auf einen Phosphorgehalt von maximal 0,05 g/m² beschränkten Phosphatschicht verwendete, verdünnte Phosphatierlösung kann auf das zu beschichtende Stahlband aufgesprüht werden. Praktische Versuche haben jedoch ergeben, dass sich besonders gute Beschichtungergebnisse ergeben, wenn der aufgebrachte Volumenstrom so bemessen ist, dass die zu beschichtende Oberfläche des Stahlbands vollständig mit Phosphatlösung gespült wird.

[0019] Günstig für die Gebrauchseigenschaften der erfindungsgemäß erzeugten Phosphatbeschichtung ist es auch, wenn die Phosphatlösung neben Zinkionen zusätzliche Kationen enthält. So besteht die erhaltene Phosphatschicht bei Zugabe von Mn- und Ni-Ionen zur für die Beschichtung verwendeten Phophatlösung nicht nur aus Zink basiertem Hopeit, sondern sie enthält auch Ni- und Mn-modifizierte Hopeitanteile. Der Gehalt an Mangan bewirkt dabei die Bildung kleiner, dicht gepackter Kristalle, die zu einer erhöhten Alkalibeständigkeit führen und so den Korrosionsschutz verbessern. Nickel fördert dagegen die Ausbildung einer dünnen Phosphatschicht und erhöht die Unterwanderungs- und Steinschlagbeständigkeit der auf die Phosphatschicht aufgebrachten Lackierung.

[0020] Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

den Nachbehandlungsabschnitt einer Fertigungslinie zum Beschichten eines Stahlbands in schematischer Darstellung;

Diag. 1

die beim Tiefziehen eines erfindungsgemäß beschichteten Stahlblechs und eines konventionellen Blechs auftretenden Ziehspannungen Z_spg aufgetragen über die Normalkraft F_N;

Diag. 2

den sich bei einem erfindungsgemäß beschichteten Stahlblech einstellenden reduzierten Reibwert µ_red aufgetragen über das Schichtgewicht der Phophatschichtdicke Sg_p;

[0021] Der Nachbehandlungsabschnitt 1 einer zu Herstellung eins erfindungsgemäß beschichteten, zum Umformen zu PKW-Karosseriebauteilen bestimmten Stahlblechs S eingesetzten Fertigungslinie weist neben anderen, hier nicht dargestellten Einrichtungen eine erste Reinigungseinrichtung 2, eine Aktivierungseinrichtung 3, eine Phosphatspüleinrichtung 4, eine Passiviereinrichtung 5, einen Trockner 6, eine Besäumschere 7, eine Signiereinrichtung 8, eine Inspektionseinrichtung 9, eine Einöleinrichtung 10 und eine Aufhaspeleinrichtung 11 auf. Diese Einrichtungen 2 bis 10 werden vom Stahlband S "inline" aufeinander folgend im Durchlauf passiert, bis es in der Aufhaspeleinrichtung 11 zu einem Coil 12 gehaspelt und anschließend der Weiterverarbeitung zugeführt wird.

[0022] Das in Förderrichtung F den Nachbehandlungsabschnitt 1 einlaufende, zuvor in bekannter Weise in einer ein Schmelztauchverzinken mit anschließender Glühung umfassenden Galvanaeling-Behandlung zinkbeschichtete Stahlband S wird in der Reinigungseinrichtung 2 zunächst mit einem alkalischen Reinigungsmittel gespült, das Schmutzpartikel von dem Stahlband S entfernt und eine Beizung der Bandoberfläche bewirkt. Beim Verlassen der Reinigungseinrichtung 2 weist das Stahlband S entfettete, einwandfrei wasserbenetzbare Oberflächen auf.

[0023] Unmittelbar anschließend läuft das Stahlband S in die Aktivierungseinrichtung 3 ein, in der eine Aktivierungslösung auf die zu beschichtenden Bandoberflächen gesprüht wird. Als Aktivierungslösung werden dabei wässrige Dispersionen von Titanorthophosphaten auf Basis von Natriumphosphaten eingesetzt.

[0024] Das Aufbringen der Aktivierungslösung hat den Zweck, gezielt Kristallisationskeime an Bandoberfläche zu vermehren. Auf diese Weise wird die Anzahl der Kristalle pro Flächeneinheit erhöht und, dementsprechend, die Kristallgröße sowie das Schichtgewicht reduziert. Darüber hinaus bewirken die Kristallisationskeime, dass bei der anschließend durchgeführten Phosphatierung kleine Zinkphosphatkristalle entstehen. Kleine Zinkphosphatkristalle erweisen sich als günstig, weil sie bei der Umformung des Stahlbands zu Bauteilen auch unter hohen wirksamen Umformkräften die Gefahr des Reißens der Phosphatschicht vermindern.

[0025] Nach dem Aktivieren tritt das Stahlband S in die Phosphatspüleinrichtung 4 ein. Darin sind hier nicht dargestellte Spüldüsen eingebaut, über die die Phosphatierlösung auf die zu beschichtenden Oberflächen des Stahlbands S gespült wird. Als Phosphatierlösung kommt dabei eine zu diesem Zweck an sich unter dem Handelsnamen "Granodine 5854 E10" bekannte, für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens jedoch stark verdünnte Lösung zum Einsatz. Diese Lösung ist nach dem "Tri-Kationen-System" zusammengesetzt und enthält neben Zinkionen auch Ni- und Mg-Ionen, um optimierte Gebrauchseigenschaften der auf die Bandoberflächen applizierten Phosphatschicht sicherzustellen. Die Verdünnung der Phosphatierlösung ist dabei so gewählt, dass die auf den Oberflächen des Stahlbands S erzeugten Phosphatbeschichtungen einen maximalen Phosphoranteil von 10 mg/m² aufweisen.

[0026] Nach Verlassen der Phosphatiereinrichtung 4 werden die beschichteten Bandoberflächen in der Passiviereinrichtung 5 mit einer anorganischen, Titan- und Zirkon enthaltenden Lösung benetzt, um sie chemisch zu inaktivieren. Um eventuell auf den Bandoberflächen vorhandene Ablagerungen zu entfernen und deren Neubildung zu unterdrücken, werden die Bandoberflächen dann noch mit voll entsalztem Wasser gespült.

[0027] Anschließend durchläuft das Stahlband S den Trockner 6. Diesen verlässt es mit trockenen Oberflächen, um dann den Wünschen des jeweiligen Kunden entsprechend in der Besäumschere 7 besäumt zu werden. In der Signiereinrichtung 8 erfolgt anschließend berührungslos eine Kennzeichnung des Stahlbandes S

[0028] Das fertig beschichtete und gekennzeichnete Stahlband S wird daraufhin in der Inspektionseinrichtung 9 auf die Qualität seiner Oberflächenbeschaffenheit und Maßhaltigkeit überprüft, bevor es in der Einöleinrichtung 10 mit einem Öl besprüht wird. Dieses Öl schützt die Bandoberfläche während des Transports und mindert darüber hinaus die bei der Umformung des Stahlblechs S auftretende Reibung.

[0029] Nach dem Haspeln in der Aufhaspeleinrichtung 11 wird das Stahlband S als Coil 12 ausgeliefert und beim Verarbeiter zu Karosseriebauteilen tiefgezogen. Aus Diag. 1 geht hervor, dass dabei im Falle der Verarbeitung von mit einer erfindungsgemäßen Phosphatschicht (Schichtgewicht Sg_p = 5 mg/m²) belegten Stahlblechen S_Erf mit zunehmend höheren Normalkräften F_N im Vergleich zu konventionell eingeölten, jedoch nicht phosphatbeschichteten Stahlblechen S_sdT immer geringere Zugspannungen Zspg auftreten. Dementsprechend belegt Diag. 2, dass Phosphatbeschichtungen mit einem > 0 g/m² jedoch höchstens 0,02 g/m² betragenden Schichtgewicht Sg_p zu einem verminderten Reibwert µ_red führen. Beim Überschreiten der erfindungsgemäß einzuhaltenden Obergrenze von 20 mg/m² kommt es zu keiner wesentlichen Verbesserung des Reibwertes µ_red mehr.

Bezugszeichen

[0030] 

1

Nachbehandlungsabschnitt

2

Reinigungseinrichtung

3

Aktivierungseinrichtung

4

Phosphatspüleinrichtung

5

Passiviereinrichtung

6

Trockner

7

Besäumschere

8

Signiereinrichtung

9

Inspektionseinrichtung

10

Einöleinrichtung

11

Aufhaspeleinrichtung

12

Coil

F

Förderrichtung

S

Stahlband

Ansprüche

1. Blech aus Stahl für die Herstellung von Stahlbauteilen durch Umformen, insbesondere Tiefziehen, belegt mit einer Phosphatschicht, deren Phosphoranteil höchstens 0,05 g/m² beträgt.

2. Blech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Phosphoranteil der Phosphatschicht 0,005 bis 0,02 g/-m² beträgt.

3. Blech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatschicht auf einer auf dem Stahlmaterial ausgebildeten Zinkschicht aufgetragen ist.

4. Blech nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkschicht elektrolytisch erzeugt ist.

5. Blech nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkschicht durch Feuerverzinken erzeugt ist.

6. Blech nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Zinkschicht mit anschließendem Glühen (Galvanealing) erzeugt ist.

7. Blech nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatschicht auf seiner Ober- und seiner Unterseite aufgebracht ist.

8. Verfahren zum Herstellen eines mit einer Phosphatbeschichtung versehenen verzinkten Stahlbands, bei dem folgende Schritte durchlaufen werden:

- Verzinken des Stahlbands in einer Bandverzinkungsanlage,

- Aufbringen einer Phosphatschicht auf das verzinkte Stahlband, deren Phosphoranteilhöchstens 0,05 g/m² bevorzugt 0,005 bis 0,02 g/m² beträgt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsschritte in einer Fertigungslinie durchgeführt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband elektrolytisch zinkbeschichtet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband feuerverzinkt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband eine anschließende Glühung bei oberhalb des Schmelzpunktes des Zinks liegenden Temperaturen durchläuft.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen der Phosphatschicht eine verdünnte Phosphatierlösung auf die zu beschichtende Oberfläche des Stahlbands gespült wird.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatlösung neben Zinkionen zusätzliche Kationen enthält.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Phosphatlösung Mangan- und Nickelionen enthält.

Zeichnung