Zn-Fe-Reaktionen und Oxidbildung von verzinkten Stahlblechen für das Härten bei 900°C

Abstract

Im Automobilbau werden für die Karosserie zunehmend hochfeste Stahlbleche verwendet. Feinbleche mit Zugfestigkeiten bis 1200 MPa sind bereits in Verwendung, lassen sich mit zunehmender Festigkeit jedoch schlechter zu Bauteilen formen.<br />Ein Konzept zur Herstellung von Bauteilen mit Zugfestigkeiten größer 1000 MPa ist ein niedrig legiertes Stahlblech, das man zum Bauteil formt, auf etwa 900°C aufheizt und dann rasch kühlt. Beim Aufheizen über 850°C erhält man ein austenitisches Gefüge, und beim nachfolgenden raschen Kühlen wird ein martensitisches Gefüge und somit ein hochfestes, gehärtetes Bauteil erzeugt. Es treten im wesentlichen zwei Probleme auf:<br />Die Verzunderung des Stahls beim Glühen an Luft und der fehlende Korrosionsschutz der Bauteile. Bei verzinkten Stahlblechen wurde angenommen, dass Zink mit dem Siedepunkt von 907°C beim Glühen stark oxidiert oder verdampft. Weiters war ungewiss, wie dünne Zinküberzüge beim Glühen auf 900°C mit dem Stahl reagieren, und ob nach dem Härten noch eine zinkreiche Schicht an der Oberfläche verbleibt, die das Bauteil ausreichend vor Korrosion schützt.<br />Ziel dieser Arbeit war es, festzustellen, wie sich Zinküberzüge auf Stahlblechen beim Härten ändern. Es wurden Oxidbildung und Zn-Fe-Reaktionen typischer Zinküberzüge auf bis zu 2 mm dicken Stahlblechen beim Aufheizen und Härten untersucht. Weiters wurde das Aufheizverhalten von verzinkten Stahlblechen im 900°C heißen Strahlungsofen bestimmt. Es zeigte sich, dass der geringe Aluminiumgehalt in schmelztauchverzinkten Überzügen einen großen Einfluss auf die Oxidbildung hat. Die Oxidschicht bestimmt das Aufheizverhalten von verzinkten Stahlblechen im Strahlungsofen.<br />Die Ergebnisse liefern ein besseres Verständnis der Oberflächenreaktionen beim Herstellen von gehärteten Bauteilen mit kathodischem Korrosionsschutz.<br />

Ultra high strength steels are increasingly being used in automotive engineering to manufacture car body components. Steel sheets with tensile strengths of up to 1200 MPa are in use. It has to be considered that, as the strength of a steel sheet increases its formability degrades. A simple method to manufacture car body components with strengths above 1000 MPa, is to cold form a steel sheet in a conventional die set followed by a hardening step through annealing and die quenching. After heating up to temperatures of approximately 900°C the microstructure of the steel is austenite. Rapid cooling during die quenching gives a very hard martensitic steel. However, problems associated with production arise: First of all, steel oxidizes when annealed in air forming a massive oxide scale. Secondly, the hardened part shows no protection against corrosion. This demands a coating on the finished part to guarantee corrosion protection. But post-treatment requires careful cleaning of the surface and, furthermore, the post-coating is very cost-intensive.<br />The predominant opinion was that zinc coated steels are not suitable for die quenching. As zinc boils at 907°C, there's much risk of evaporating and oxidizing zinc at temperatures about 900°C. Additionally there were some concerns of how thin zinc layers on steel sheets react when annealed at such high temperatures. Thus some doubted whether a zinc rich layer remains at the hardened part to provide sufficent corrosion protection.<br />Consequently, the purpose of this study was to investigate the proceeding reactions of zinc with iron as well as the oxidation behaviour of zinc plated steel sheets when heated up to 900°C. It is shown, that - during annealing and subsequent rapid cooling - a small amount of aluminium within the coating has a major impact on the established oxide film. As a result the heating rates of coated steel sheets in a 900°C hot oven differ considerably, as the heating is determined by their oxide films. This work shall provide a basis on the surface reactions in the manufacturing of die hardened, ultrahigh-strength car body parts with cathodic protection.