HybridPress MMnS – Entwicklung einer innovativen Hybridschichtsystem-Warmumformprozess-Kombination mit aktivem Korrosionsschutz durch Zink für presshärtbare Mittelmanganstähle mit variierbaren Festigkeiten

Hintergrund und Ziel des Projektes

Die pressgehärteten Mangan-Bor-Stähle (z. B. 22MnB5, 20MnB8) sind derzeit der Standard für sicherheitsrelevante Bauteile im Kfz-Bereich (z. B. B-Säulen). Das innovative Verfahren bietet den Vorteil von hohen erreichbaren Festigkeiten im pressgehärteten Zustand (ca. 1500 MPa vs. ca. 1100 MPa bei Kaltumformung) und einem kostengünstigen Legierungskonzept. Der veränderte Herstellungsprozess hat jedoch andere Anforderungen an den Korrosionsschutz der Bauteile, die bis dato noch nicht vollkommen gelöst sind. Vor allem die hohen Austenitisierungstemperaturen der Mangan-Bor-Stähle von 900 °C bis 950 °C führen zu einer Zunderschicht auf der Substratoberfläche, die anschließend aufwendig entfernt werden muss. Außerdem erhöht sich der Verschleiß am Presswerkzeug, bedingt durch die harte Zunderschicht. Um eine Zunderbildung durch Oxidation während des Presshärtens zu minimieren, werden daher momentan vorwiegend AlSi-Schichtsysteme verwendet. Diese beeinträchtigen jedoch die Ofenführungsrollen durch Anhaftungen und bieten auch keinen aktiven Korrosionsschutz für das Substrat wie z. B. Zinkschichten. Der Korrosionsschutz des Substrates gewinnt aber zunehmend an Bedeutung, da geschätzt 60 % aller pressgehärteten Bauteile in korrosiv belasteten Umgebungen eingesetzt werden [i].

Zink besitzt eine sehr niedrige Schmelz- und Siedetemperatur, wodurch die Gefahr der Flüssigmetallversprödung sowie die Bildung der spröden Zn-Fe-Phasen entstehen. Eine Verzinkung vor dem Presshärten ist derzeit nur in Kombination mit einem Zwischenkühlschritt durchführbar, weshalb die Anforderungen an das Grundmaterial bezüglich kritischer Abkühlgeschwindigkeit und Umformbarkeit bei niedrigeren Temperaturen deutlich steigen [ii]. Ein Stahlhersteller verwendet zwar verzinktes Bandmaterial in einem patentierten indirekten Presshärteverfahren [iii], dieses ist jedoch für KMUs auf Grund der Patentsituation nicht zugänglich. Aus diesem Grund sind Zn-beschichtete pressgehärtete Bauteile mit nur ca. 5 % im Markt vertreten[i].

In dem Forschungsvorhaben soll untersucht werden, ob durch eine Hybridschicht aus Zink in Kombination mit einer quasikeramischen Schicht (Top Coat zum Schutz des Zink) pressgehärtete Bauteile mit verbesserter Restumformbarkeit und zusätzlich aktivem Korrosionsschutz ohne eine üblicherweise durchgeführte Nachbehandlung hergestellt werden können. Als Substrat sollen Mittelmanganstähle mit angepasster Umwandlungskinetik verwendet werden, die eine Absenkung der Prozesstemperatur auf unter 780 °C zulassen. Der durch das Schichtsystem eingeführte kathodische Schutz soll die Lebensdauer von Bauteilen, die bereits in korrosiv beanspruchten Bereichen eingesetzt werden deutlich erhöhen und die Einsatzgebiete von pressgehärteten Bauteilen auf Bereiche mit starker korrosiver Beanspruchung ausweiten.

[i] E. Billur, “Hot Stamping of Ultra High-Strength Steels: From a Technological and Business Perspective“, Springer International Publishing, 2018, ISBN: 3319988700

[ii] T. Kurz, P. Larour, J. Lackner, T. Steck, G. Jesner, “Press-hardening of zinc coated steel - characterization of a new material for a new process.” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2016, 159, S. 12025. DOI: 10.1088/1757-899X/159/1/012025

[iii] J. Faderl, M. Fleischanderl, S. Kolnberger, G. Landl, A. E. Raab, R. Vehof, W. Stall, W. Brandstaetter, „Stahlblech mit einer feuerverzinkten Korrosionsschutzschicht“, EP2177641B1, Anmeldetag 09.06.2004, Patenterteilung 24.04.2013.

Das IGF-Vorhaben Nr. 01IF22082 N der Forschungsvereinigung Stahlanwendung e.V. (FOSTA) wird über das DLR im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert.