Technisches Gebiet (Technical Field)
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektrolytisch beschichteten
Stahlblechs, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: - Bereitstellen eines
Stahlblechs; - Elektrolytisches Beschichten des Stahlblechs.
Technischer Hintergrund (Background Art)
[0002] Der Einsatz von (metallisch) beschichteten Stahlblechen im Fahrzeugbau ist Stand
der Technik. Dabei kommen zwei Beschichtungssysteme, insbesondere zinkbasierte Beschichtungen
in Frage. Schmelztauchbeschichtete sowie elektrolytisch beschichtete Stahlbleche.
Beide Beschichtungsvarianten sind im Fahrzeugbau seit Jahrzehnten etabliert und haben
ihre Vorzüge.
[0003] Beschichtete Stahlbleche werden im Fahrzeugbau zu Bauteilen umgeformt, welche in
der Regel nach der Formgebung einem Lackierungsprozess zugeführt werden, häufig einer
kathodischen Tauchlackierung (KTL), welcher nach der Tauchlackierung eine Wärmebehandlung
zwischen 160 und 180°C für ca. 20 min zum Einbrennen des Lacks nachgeschaltet ist.
Bei lackierten Bauteilen, welche aus elektrolytisch beschichteten Stahlblechen geformt
worden sind, sind Lackirritationen festgestellt worden, welche vermutlich durch Ausgasung
als Folge der Temperatureinwirkung im Lackierungsprozess entstanden sind und dadurch
aufgrund der Oberflächenfehler und dem qualitativ nicht akzeptablen Erscheinungsbild
zum Ausschuss oder zu kostenintensiven Nachbearbeitungen der betroffenen Bauteile
führen würden. Daher besteht Optimierungsbedarf hinsichtlich der elektrolytisch beschichteten
Stahlbleche.
Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
[0004] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines
elektrolytisch beschichteten Stahlblechs bereitzustellen, mit welchem die vorgenannten
Nachteile im Wesentlichen vermieden oder zumindest wesentlich reduziert werden können.
[0005] Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Weitere vorteilhafte
Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
[0006] Das Verfahren zur Herstellung eines elektrolytisch beschichteten Stahlblechs, umfasst
neben den Schritten: Bereitstellen eines Stahlblechs; Elektrolytisches Beschichten
des Stahlblechs, zusätzlich den Schritt, dass nach dem elektrolytischen Beschichten
das beschichtete Stahlblech eine Wärmebehandlung erfährt, wobei das beschichtete Stahlblech
auf eine Zieltemperatur zwischen 60 °C und 400 °C erwärmt und für eine Haltezeit zwischen
0,10 s und 300 s auf Zieltemperatur gehalten wird.
[0007] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das elektrolytisch beschichtete Stahlblech einer
Wärmebehandlung zugeführt wird, so dass durch die Wärmebehandlung, falls vorhanden,
im Stahlblech befindlicher, gasförmiger Wasserstoff rekombiniert und so einen hohen
Druck erzeugen kann, welcher einen Durchtritt und dadurch ein Entweichen des Gases
durch die geschlossene elektrolytisch aufgebrachte Beschichtung ermöglicht. Alternativ
oder zusätzlich können durch die Wärmebehandlung auch andere im Stahlblech vorhandene
und eingelagerte gasförmige und/oder flüssige Bestandteile austreten respektive ausgetrieben
werden. Diese gasförmigen und/oder flüssigen Bestandteile wurden während der Vorstufen
der Stahlblechherstellung in den Stahl-/Grundwerkstoff bzw. dessen oberflächennahe
Struktur eingelagert, z.B. während eines Beiz-/ oder Glühprozesses. Dadurch wird quasi
eine Ausgasung bewirkt, die im späteren Lackierungsprozess nicht mehr zu Lackirritationen
respektive Oberflächenfehler im lackierten Zustand führen kann. Die erfindungsgemäße
Wärmebehandlung entspricht somit nicht der Wärmebehandlung im Lackierungsprozess.
[0008] Mit elektrolytischer Beschichtung ist hier vorrangig die Abscheidung eines Überzugs
aus Zink (ZE) oder einer Zinklegierung, beispielsweise Zink-Nickel, gemeint, welcher
optional mit einer organischen Deckschicht in Form einer Phosphatierung und/oder Chromatierung
optimiert sein kann.
[0009] Als Stahlblech ist ein warm- oder kaltgewalztes Stahlblech zu verstehen, welches
im ebenen unverformten Zustand blechförmig als Stahlblechzuschnitt oder bandförmig
als Stahlband bereitgestellt werden kann. Bevorzugt wird als Stahlblech ein kaltgewalztes
und insbesondere rekristallisierend geglühtes Stahlband bereitgestellt. Die Dicke
des Stahlblechs kann zwischen 0,3 und 4 mm betragen. Die Dicke beträgt insbesondere
mindestens 0,4 mm, vorzugsweise mindestens 0,5 mm und ist insbesondere auf maximal
3,5 mm, vorzugsweise auf maximal 3 mm begrenzt. Die Dicke der elektrolytischen Beschichtung
kann (pro Seite) zwischen 1,5 µm und 15 µm betragen.
[0010] Das elektrolytische Beschichten von Stahlblechen, insbesondere von Stahlbändern ist
Stand der Technik. Die Stahlbleche können sowohl ein- als auch beidseitig, je nach
Anforderung, elektrolytisch beschichtet werden. Bevorzugt kommen zinkbasierte Beschichtungen
zur Anwendung, welche einen gewissen kathodischen Korrosionsschutz des Stahlblechs
sicherstellen. Derartige Beschichtungen sind in den Fachkreisen auch unter der Bezeichnung
"ZE" (Zink elektrolytisch) bzw. "EG" (electrogalvanized) im englischsprachigen Raum
bekannt. Die mit ZE beschichteten Stahlbleche werden in Fachkreisen auch "Stahlfeinblech"
bezeichnet. Hierunter fallen alle denkbaren Zusammensetzungen von Kohlenstoffstählen,
welche elektrolytisch beschichtbar sind und vorzugsweise im Fahrzeugbau eingesetzt
werden. Dies können u. a. weiche Stähle zum Kaltumformen nach DIN EN 10152, z. B.
DC01 bis DC07; hoch und höherfeste Stähle zum Kaltumformen nach DIN EN 10268, z. B.
hochfeste IF-Stähle wie HC180Y und höher, z. B. isotrope Stähle wie HC2201 und höher,
z. B. Bake-Hardening-Stähle wie HC180B und höher, z. B. mikrolegierte Stähle wie HC260LA
und höher; oder Mehrphasenstähle zum Kaltumformen nach DIN 10338, zum einen kaltgewalzt,
z. B. Dualphasen-Stähle wie HCT450X und höher, z. B. Restaustenit-Stähle wie HCT690T
und höher, z. B. Komplexphasen-Stähle wie HCT600C und höher, oder zum anderen warmgewalzt,
z. B. Ferrit-Bainit-Stähle wie HDT450F und höher, z. B. Dualphasen-Stähle wie HDT580X,
z. B. Komplexphasen-Stähle wie HDT760C und/oder CP-W1000, z. B. Martensitphasen-Stähle
wie HDT1180G1, betreffen, vgl. auch
https://ucpcdn.thyssenkrupp.com/ legacy/UCPthyssenkruppBAMXProcessingEurope/assets.fi
les/downloads/tkmpe elektrolytisch verzinktes feinblech de 20190807.pdf. Diese Aufzählung der mögliche Stahlblech-Güten respektive der damit verbundenen Zusammensetzung
der Kohlenstoffstähle soll insbesondere nicht als abschließend gelten.
[0011] Da das elektrolytische Beschichten im Vergleich zum Schmelztauchbeschichten keinen
nennenswerten thermischen Einfluss auf das Stahlblech hat, ist insbesondere die Wahl
der Zieltemperatur und die Wahl der Haltedauer insbesondere auf die Zusammensetzung
(Kohlenstoffstahl) des Stahlblechs anzupassen, so dass bei der Wärmebehandlung insbesondere
Alterungsprozesse im Wesentlichen vermieden werden. So können entweder über "trial
and error"-Versuche das für das eingesetzte Stahlblech und insbesondere unter Berücksichtigung
der verfügbaren Anlagentechnik optimale einzustellende Zieltemperatur/Haltezeit verifiziert
werden bzw. alternativ oder zusätzlich auch über das Fachwissen eingestellt werden.
[0012] Zieltemperatur und Haltezeit sind dabei erfindungsgemäß so zu wählen, dass eine Ausgasung/
Diffusion effektiv erfolgt, die mechanischen Eigenschaften des Stahl-/Grundwerkstoffs
aber nicht verändert werden. Des Weiteren sind die Zieltemperatur und die Haltezeit
insbesondere so zu wählen, dass vorzugsweise keine Legierungsbildung der Beschichtung
mit dem Stahl-/Grundwerkstoff stattfinden kann.
[0013] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung hervor. Ein oder mehrere Merkmale aus den Ansprüchen, der Beschreibung
wie auch der Zeichnung können mit einem oder mehreren anderen Merkmalen daraus zu
weiteren Ausgestaltungen der Erfindung verknüpft werden. Es können auch ein oder mehrere
Merkmale aus den unabhängigen Ansprüchen durch ein oder mehrere andere Merkmale verknüpft
werden.
[0014] Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Zieltemperatur
mindestens 80 °C, insbesondere mindestens 100 °C, vorzugsweise mindestens 130 °C,
bevorzugt mindestens 150 °C und maximal 350 °C, insbesondere maximal 300 °C, vorzugsweise
maximal 280 °C, bevorzugt maximal 250 °C.
[0015] Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens beträgt die Haltezeit
mindestens 0,50 s, insbesondere mindestens 1,0 s, vorzugsweise mindestens 1,50 s,
bevorzugt mindestens 2,0 s und maximal 200 s, insbesondere maximal 100 s, vorzugsweise
maximal 50 s, bevorzugt maximal 30 s, weiter bevorzugt maximal 20 s.
[0016] Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Erwärmung auf
Zieltemperatur induktiv, in einem Durchlaufofen oder mittels Strahlungsquellen durchgeführt
werden, je nach vorhandenem Anlagenkonzept und/oder Bauraum. Vorzugsweise wird die
Erwärmung induktiv durchgeführt, beispielsweise mittels Induktoren, welche gezielt
einen Wärmeimpuls setzen können bzw. entsprechend angesteuert werden können, um das
beschichtete Stahlblech relativ schnell zu erwärmen. Bei einer induktiven Erwärmung
können Erwärmungsraten von mindestens 20 K/s, insbesondere von mindestens 50 K/s,
vorzugsweise von mindestens 80 K/s erzielt werden, wodurch insbesondere der Bauraum
relativ klein gewählt werden kann, vorzugsweise wenn die Wärmebehandlung inline in
Prozessrichtung betrachtet, nach dem elektrolytischen Beschichten durchgeführt wird.
Aus Prozess- und Kostensicht vorteilhaft erfolgt die Wärmebehandlung bevorzugt inline
als Nachbehandlung einer kontinuierlichen elektrolytischen Beschichtung von Stahlbändern.
[0017] Insbesondere das Halten auf Zieltemperatur kann beispielsweise innerhalb einer Einhausung
erfolgen, durch welches das erwärmte beschichtete Stahlblech hindurchgeführt wird.
Das Halten kann somit vorzugsweise in einem Durchlaufofen erfolgen.
[0018] Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das beschichtete
Stahlblech während der Erwärmung in Prozessrichtung bewegt, wobei das beschichtete
Stahlblech quer zur Prozessrichtung homogen erwärmt wird. Eine quer zur Prozessrichtung
betrachtete homogene Erwärmung bedeutet, dass über die (gesamte) Breite des beschichteten
Stahlblechs möglichst keine und nur geringe Temperaturunterschiede/-differenzen während
der Wärmebehandlung zugelassen werden, um eine im Wesentlichen "vollflächige" Ausgasung
über die gesamte Fläche des beschichteten Stahlblechs sicherzustellen.
[0019] Gemäß einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das beschichtete
Stahlblech nach der Haltezeit aktiv abgekühlt. Unter "aktiver" Abkühlung ist zu verstehen,
dass das noch warme beschichtete Stahlblech mit geeigneten Mitteln, beispielsweise
mit bekannten und gängigen Mitteln, die eine Abkühlung bewirken können, gezielt abgekühlt
wird, beispielsweise mit einer Abkühlrate von mindestens 5 K/s, insbesondere von mindestens
10 K/s, vorzugsweise von mindestens 20 K/s. Wird das Stahlblech beispielsweise inline
nach dem elektrolytischen Beschichten wärmebehandelt, kann es sein, dass das Stahlblech
auf eine Temperatur von maximal 120 °C, insbesondere von maximal 100 °C abgekühlt
werden sollte, um weitere Komponenten in der Prozesskette, welche in Kontakt mit dem
noch warmen Stahlblech stehen, thermisch nicht zu belasten.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
[0020] Die einzige
Figur 1 stellt eine mögliche Ausführung der Erfindung schematisch dar. Ein Stahlblech (1)
ist in Form eines Stahlbands bereitgestellt worden, welches in entgegengesetzter Richtung
des Prozesses konventionell elektrolytisch beschichtet respektive elektrolytisch verzinkt
worden ist, nicht dargestellt, und in Prozessrichtung (P) einer Wärmebehandlung (10)
zugeführt wird. Optional kann das elektrolytische beschichtete Stahlblech (1) vor
oder nach der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung weiterhin phosphatiert und/oder chromatiert
werden. Eine Phosphatierung und/oder Chromatierung zur Steigerung der Lackhaftung
und/oder des Korrosionswiderstands ist für die erfindungsgemäße Durchführung der Wärmebehandlung
nicht von Relevanz und ist daher hier nicht weiter ausgeführt. Das beschichtete Stahlblech
(1) erfährt nach dem elektrolytischen Beschichten eine Wärmebehandlung (10), in diesem
Beispiel inline in Prozessrichtung (P) nach dem elektrolytischen Beschichten. Das
beschichtete Stahlblech (1) wird auf eine Zieltemperatur (T
z) zwischen 60 °C und 400 °C erwärmt und für eine Haltezeit (tH) zwischen 0,10 s und
300 s auf Zieltemperatur (Tz) gehalten. Vorzugsweise erfolgt die Erwärmung (11) auf
Zieltemperatur (Tz) induktiv, da gezielt und schnell das in Prozessrichtung (P) bewegte
und beschichtete Stahlblech (1) insbesondere über eine Anordnung eines nicht dargestellten
Induktors oberhalb und/oder unterhalb des beschichteten Stahlblechs (1) auch eine
quer zur Prozessrichtung (P) und somit über die (gesamte) Breite des Stahlblechs (1)
homogene Erwärmung (11) sichergestellt werden kann. Alternativ können auch ein Durchlaufofen
oder eine Strahlungsquelle, nicht dargestellt, für die Erwärmung (11) berücksichtigt
werden. Nachdem das auf Zieltemperatur (Tz) erwärmte und für eine Haltezeit (tH) auf
Zieltemperatur (Tz) gehaltene beschichtete Stahlband (1) eine Haltezone (12) in Prozessrichtung
(P) durchlaufen hat, welche beispielsweise als Durchlaufofen (12) ausgebildet sein
kann, kann eine aktive Abkühlung (13) erfolgen, so dass das noch warme beschichtete
Stahlblech (1) keine negativen thermischen Einflüsse auf die nachfolgenden Komponenten
inline in der Prozesskette haben kann. Durch eine aktive Abkühlung (13) kann die Temperatur
des die Wärmebehandlung (10) durchlaufenen beschichteten Stahlblechs (1) beispielweise
auf maximal 120°C gesenkt werden. Das beschichtete Stahlblech (1) kann nach der erfindungsgemäßen
Wärmebehandlung (10) weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt werden. Des Weiteren
zeigt die Figur 1 einen skizzierten Temperaturverlauf eines erfindungsgemäß wärmebehandelten
elektrolytisch beschichteten Stahlblechs (1) in einem Zeit(t)-Temperatur(T)-Diagramm.
Der Temperaturverlauf kann individuell und in Abhängigkeit von der Zusammensetzung
des Stahlblechs wie auch des vorhandenen Anlagenkonzepts vorgeben respektive definiert
sein. Auch kann die Wärmebehandlung offline erfolgen.
[0021] In Abhängigkeit der Prozessbedingungen der elektrolytischen Beschichtung kann die
abgeschiedene Beschichtung eine eher säulenförmige oder plattenförmige Kristallstruktur
aufweisen. Das erfindungsgemäße Verfahren zeigt sich in Versuchen unabhängig von der
Morphologie der Beschichtung. Auch bei einer plattenförmigen Kristallstruktur mit
der damit verbundenen geringeren Porosität, welche eine Ausgasung insbesondere nicht
begünstigt, kann bei der erfindungsgemäßen Ausführung der Wärmebehandlung die Aufgabenstellung
an die Erfindung dennoch erfüllt werden.
[0022] An elektrolytisch verzinkten Stahlfeinblechen (1) wurden Untersuchungen durchgeführt.
Um einen Vergleich durchführen zu können, wurden als Stahlfeinblech (1) zwei Stahlbänder
bereitgestellt, jeweils ein identischer kaltgewalzter Bake-Hardening-Stahl mit einer
Dicke von 0,8 mm, welche jeweils mit gleichen Parametern elektrolytisch beidseitig
mit einer Dicke von 5 µm pro Seite verzinkt wurden. Das erste Stahlfeinblech wurde
als Referenz konventionell weiterprozessiert. Das zweite Stahlfeinblech (1) wurde
inline, analog zur skizzierten Figur 1, nach dem elektrolytischen Beschichten einer
Wärmebehandlung (10) zugeführt. Das Erwärmen (11) erfolgte beidseitig über jeweils
einen über die Breite oberhalb und unterhalb des Stahlfeinblechs (1) angeordneten
Induktor, welcher jeweils das zweite Stahlfeinblech (1) mit einer Erwärmungsrate von
200 K/s beaufschlagte und auf eine Zieltemperatur (Tz) von 220 °C erwärmt hatte. Die
Haltezeit (tH) betrug 4,50 s bei 220 °C und das Halten erfolgte in einem Durchlaufofen
(12), um die Zieltemperatur (T
z) von 220 °C aufrecht zu halten. In Prozessrichtung (P) der Haltezone (12) nachgelagert
wurde das warme beschichtete Stahlfeinblech (1) aktiv abgekühlt, wobei eine Wasserbrause
(13) zum Einsatz kam und das warme beschichtete Stahlfeinblech (1) auf 70 °C mit einer
Abkühlrate von 120 K/s abkühlte, so dass es weiterprozessiert werden konnte, ohne
die weiteren Komponenten in der Prozesskette thermisch negativ zu beeinflussen.
[0023] Aus den beiden prozessierten Stahlfeinblechen (1) wurde mehrere Proben entnommen,
welche im Labormaßstab bei gleichen Parametern unverformt einer Standard-Phosphatierung
und einem Standard-KTL-Prozess zugeführt wurde, mit einer nach dem Tauchbad nachgelagerten
Einbrennbehandlung von 20 min bei 170 °C. An den Oberflächen der Proben wurden jeweils
auf einer Testfläche von 600 cm
2 digital Fehlstellen qualifiziert und quantifiziert, so dass alle Proben, welche aus
dem zweiten Stahlfeinblech (1) entnommen worden sind und die erfindungsgemäße Wärmebehandlung
(10) erfahren hatten, überraschend weniger qualitative und quantitative Oberflächenfehler
aufzeigten als die Proben, welche der Referenz entnommen worden sind.
[0024] Die Anzahl der Störungen bedingt durch die Ausgasung im KTL-Prozess in den Referenz-Proben
bezogen auf 600 cm
2 wurde bei allen Proben wie folgt ermittelt: über 5000 Löcher und über 100 Pusteln.
Das Fehlerbild bei den Proben aus dem zweiten Stahlfeinblech (1) bezogen auf 600 cm
2 wurde bei allen Proben wie folgt ermittelt: unter 50 Löcher und unter 15 Pusteln.
[0025] Das Ergebnis war somit eindeutig, dass die erfindungsgemäße Wärmebehandlung (10)
von elektrolytisch beschichtetem Stahlblech (1) zu weniger Oberflächenfehlern während
des Lackierungsprozess führt, so dass den Anforderungen an die Qualität von elektrolytisch
beschichten und lackierten Stahlblechen (1) entsprochen und insbesondere verbessert
werden kann.
[0026] Die beschriebenen Merkmale sind alle, soweit technisch möglich, miteinander kombinierbar.
Die Erfindung muss nicht inline an einem Stahlband durchgeführt werden, sondern es
kann auch an blechförmigen Stahlblechzuschnitten durchgeführt werden, bevor diese
weiterprozessiert werden. Es hat sich auch im Rahmen der Erfindung gezeigt, dass die
Wärmebehandlung nicht zwangsläufig eine Ausgasung/Effusion des gesamten Stahl-/Grundwerkstoffs
umfassen muss. Es ist hingegen ausreichend, die gasförmigen und/oder flüssigen Bestandteile
in einem oberflächennahen Bereich beispielsweise bis zu 20 µm des Stahl-/Grundwerkstoffs
auszutreiben, in welchem sich typischerweise auch die Einlagerungen aus den Vorstufen
der Stahlblecherzeugung befinden, um den Anforderungen zu genügen.
1. Verfahren zur Herstellung eines elektrolytisch beschichteten Stahlblechs (1), wobei
das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen eines Stahlblechs;
- Elektrolytisches Beschichten des Stahlblechs (1);
dadurch gekennzeichnet, dass nach dem elektrolytischen Beschichten das beschichtete Stahlblech (1) eine Wärmebehandlung
(10) erfährt, wobei das beschichtete Stahlblech (1) auf eine Zieltemperatur (T
z) zwischen 60 °C und 400 °C erwärmt und für eine Haltezeit (tH) zwischen 0,10 s und
300 s auf Zieltemperatur (Tz) gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Zieltemperatur (Tz) zwischen 80 °C und 350 °C beträgt
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Zieltemperatur (Tz) zwischen 100 °C und 300 °C beträgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Zieltemperatur (Tz) zwischen 130 °C und 280 °C beträgt.
5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Haltezeit (tH) zwischen
0,50 s und 200 s beträgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Haltezeit (tH) zwischen 1,0 s und 100 s beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Haltezeit (tH) zwischen 1,50 s und 50 s beträgt.
8. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei die Erwärmung (11) auf Zieltemperatur
(Tz) induktiv, in einem Durchlaufofen oder mittels Strahlungsquellen durchgeführt
wird.
9. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das beschichteten Stahlblech
(1) während der Erwärmung (11) in eine Prozessrichtung (P) bewegt wird, wobei das
beschichtete Stahlblech (1) quer zur Prozessrichtung (P) homogen erwärmt wird.
10. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, wobei das beschichtete Stahlblech
(1) nach der Haltezeit (tH) aktiv abgekühlt wird.