FEUERVERZINKTE STÄHLE MIT ZINK-MAGNESIUM-SCHICHT TITELTHEMA WERKSTOFFE

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1 TITELTHEMA WERKSTOFFE FEUERVERZINKTE STÄHLE MIT ZINK-MAGNESIUM-SCHICHT In den letzten Jahren wurde der Korrosionsschutz kontinuierlich verbessert. Daher erwarten Autokäufer heute besonders korrosionsbeständige Stahlbauteile in ihren Fahrzeugen. Mit MagiZinc hat Tata Steel eine neue Generation feuerverzinkter Stahlbleche entwickelt, die mit einer dünneren Schichtdicke dem Leichtbau von Karosserien dient. Gleichzeitig wurden Herausforderungen bei Leichtbau und Verarbeitung herkömmlicher zinkbeschichteter Stahlbleche, wie Werkzeugverschmutzung und Zinkaufschweißungen, gelöst. 252

2 AUTOREN DR. NITTE VAN LANDSCHOOT ist Business Development Manager Automotive bei Tata Steel Product Marketing Automotive in IJmuiden (Niederlande). CHIEL DANE ist Principal Scientist Applications & Engineering bei Tata Steel RD & T in IJmuiden (Niederlande). MOTIVATION Seit der Einführung feuerverzinkter Stahlbleche in der Automobilindustrie konnte der Korrosionsschutz bei Fahrzeugen entscheidend gesteigert werden. Eine im Schmelzbad aufgetragene Zinkschicht stattet den darunterliegenden Stahl sowohl mit einer physischen Barriere als auch mit einem kathodischen Korrosionsschutz aus. Allerdings lassen sich herkömmliche Zinkbeschichtungen im Hinblick auf ihr Abriebverhalten im Presswerk aus Sicht der Fahrzeughersteller noch nicht wie gewünscht verarbeiten. Darüber hinaus ist die Automobilindustrie an dünneren Beschichtungen interessiert, die dazu beitragen, Gewicht einzusparen und die weltweiten Zinkreserven zu schonen. Vor diesem Hintergrund hat Tata Steel einen neuen Zinklegierungsüberzug entwickelt, der diesen Anforderungen gerecht wird. Das Ziel war es, eine neue Beschichtung mit verbessertem Korrosionsschutz zu entwickeln, die mit den bestehenden Feuerbeschichtungsanlagen produziert werden kann und sich in den wichtigsten Fertigungsschritten der Automobilindustrie problemlos einsetzen lässt. Dieser neue Schmelztauchüberzug soll uneingeschränkt in sämtlichen Fahrzeuginnenbereichen einsetzbar sein, aber zudem auch das Potenzial für Anwendungen in Außenhautbereichen des Automobils besitzen. 04I Jahrgang ROB BLEEKER ist Senior Researcher Metallic Coated Strip bei Tata Steel RD & T in IJmuiden (Niederlande). DR. MARGOT VLOT ist Principal Scientist Metallic Coated Strip bei Tata Steel RD & T in IJmuiden (Niederlande). ENTWICKLUNG VON MAGIZINC Die Entwicklung eines neuen Schmelztauchüberzugs beginnt mit der Untersuchung unterschiedlicher Legierungszusammensetzungen. Geringe Mengen an Titanium, Kupfer, Mangan, Chrom oder Magnesium werden gemischt und in einem Schmelztauchsimulator auf Blechpanelen aufgetragen. Damit lässt sich im kleinen Maßstab die Beschaffenheit der neuen Überzugszusammensetzungen systematisch auf ihr Korrosions- und Abriebverhalten untersuchen. Erste Ergebnisse zum Korrosionsverhalten der unterschiedlichen Beschichtungen liefert ein sogenannter Salzsprühtest (ASTM B-117). Dieser beschleunigte Korrosionstest misst die Zeit bis zum Auftritt von Rotrost, der wiederum ein klares Indiz für einen Substratangriff und damit für das Versagen des Schmelztauchüberzugs ist. Kein anderes Element zeigt in den neuen Legierungen ein so günstiges Verhalten wie Magnesium. Kleinste Mengen von bis zu 0,5 % verlängern bereits den Korrosionsschutz um den Faktor 2 bis 4, verglichen mit gegenwärtig eingesetzten Zinkbeschichtungen. Die Mikrostruktur des Überzugs zeigt, dass Magnesium mit dem Zink eine eutektische Struktur (Lamellen) zwischen den dendritischen Primärkristallen des reinen Zinks eingeht, ❶. Aufgrund des Magnesiums bilden sich dichtere und kompaktere Korrosionsschichten an den Stellen, wo das Stahlblech ungeschützt ist. Dies verhindert die Reaktion des Stahls mit Sauerstoff [1, 2, 3]. Die Mikrostruktur dieser neuen Zinklegierung sorgt außerdem für eine härtere Oberfläche. Diese ist zwar etwas spröder als reine Zinkbeschichtungen, aber dafür belegen 0T-Biegetests (DIN EN ), dass die Haftung am Stahl selbst nach extremer Umformung erhalten bleibt [4]. Nach der experimentellen Untersuchung geeigneter Überzugszusammensetzungen müssen die neuen Zinkbeschichtungen auf ihr Verhalten im industriellen Feuerverzinkungsprozess getestet werden. Im Schmelztauchsimulator zeigt sich, dass der Luftsauerstoff zu einer verstärkten Bildung von Schlacke auf dem flüssi- 253

3 TITELTHEMA WERKSTOFFE zwischen Blech, Schmierung und Werkzeug verbessert. In diesen Untersuchungen wurden unterschiedliche Beschichtungsdicken von MagiZinc (MZ 70, MZ 100, MZ 140) mit derzeit kommerziell verfügbarem feuerverzinktem Stahlband (GI 100, GI 140), Stahlband mit einem Zink- Eisenüberzug (GA 90) und teilweise auch elektrolytisch verzinktem Stahlband (EG) verglichen. Die Tests basieren auf den üblichen Standards der Fahrzeughersteller und folgen den Normen und Standards deutscher Prüfinstitute. ❶ Mikrostrukturquerschnitt: reine Zinkbeschichtung (oben), MagiZinc-Beschichtung (unten) gen Metall führt, sobald Magnesium hinzugefügt wird. Diese beeinträchtigt die spätere Haftung und Korrosionsschutzwirkung des Überzugs auf dem Stahlblech. Dieser Effekt lässt sich durch die Beimischung der gleichen Menge Aluminium vermeiden, was den Korrosionsschutz gleichzeitig weiter erhöht. Aufbauend auf diesen Untersuchungen konnte Bandmaterial mit dieser neuen Beschichtung auf einer Pilotanlage im Center for Research in Metallurgy (CRM) in Liège unter realen Bedingungen auf sein Verhalten im Feuerverzinkungsprozess überprüft werden. Als günstigstes Verhältnis aus Haftungsqualität, Korrosionsschutz und Kosten wurde eine Legierungszusammensetzung von 1,6 % Aluminium und 1,6 % Magnesium festgestellt und als MagiZinc bezeichnet. Reibzahl 0,40 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 MAGIZINC IM FERTIGUNGSPROZESS Eine neuartige Beschichtung sollte in sämtlichen Fertigungsprozessen eines Automobilwerks mindestens gleichwertig oder noch besser im Vergleich zu herkömmlichen Zinkbeschichtungen zu verarbeiten sein. Dies bezieht sich im Wesentlichen auf das Umformen im Presswerk, die Schweißeignung und den uneingeschränkten Einsatz im Lackierprozess. Daher wurde das Verhalten von MagiZinc bezüglich folgender Parameter untersucht: : Reibung und Umformung : Schweißen und Fügen : Lackhaftung : Korrosion. Die Laborergebnisse zeigten, dass Magi- Zinc insbesondere das Abriebverhalten Hub MZ 70 MZ 100 MZ 140 GA 90 GI 100 GI 140 ❷ Die Ergebnisse des Zylinder-Ebenen-Tests zeigen die Entwicklung von Reibung und Blechbeschädigung, die durch Zinkadhäsion am Werkzeug entsteht 254 EG REIBUNG UND UMFORMUNG Während der Umformung von herkömmlichen zinkbeschichteten Stahlblechen beeinträchtigen Zinkabrieb und sogenannte Zinkaufschweißungen häufig die Prozessstabilität und Qualität der gefertigten Bauteile. Ausschussmaterial und Instandhaltungskosten, aber auch Verzögerungen durch die Reinigung des Werkzeugs verursachen bei den Fahrzeugherstellern hohe Kosten. Tata Steel analysierte die Eigenschaften der neuen Beschichtung mit verschiedenen Kooperationspartnern und entwickelte daraus einen eigenen Ansatz sowie Testverfahren, um den Abrieb von Zink zu minimieren. ❷ zeigt das Verhalten von MagiZinc im Vergleich zu GI, GA sowie EG im Rahmen des Zylinder-Ebene-Tests von Renault. Der Test misst den Reibungsanstieg und die Materialbeschädigung, die durch Zinkaufschweißungen verursacht werden. Dazu wird ein geölter Blechstreifen durch ein zuvor poliertes Werkzeug bei Raumtemperatur in zehn Hüben gezogen. MagiZinc gibt dabei im Vergleich zu anderen Beschichtungen deutlich weniger Zinkpartikel durch Adhäsion an die Werkzeuge ab. Die Reibung ist daher gleichbleibend niedrig und damit verbundene Kratzer oder Beschädigungen im Material sind signifikant geringer. SCHWEISSEN UND FÜGEN In der Fahrzeugfertigung bilden Kleben und Punktschweißen die wichtigsten Methoden, um Metallteile miteinander zu verbinden. Die Beschaffenheit der metallischen Beschichtungen beeinflusst maßgeblich die Qualität und Beständigkeit dieser Verbindungen. Um das Kle beverhalten von MagiZinc mit GI und GA zu vergleichen, werden mithilfe des

4 Lackunterwanderung [mm] deutschen VDEh-SEP-1160-Standards Zugscherfestigkeit und Ausfallerscheinungen für unterschiedliche Kleber, Grundmaterialien und Alterungsstufen im Zugschertest bestimmt. Allgemein sind die Adhäsionseigenschaften von MagiZinc vergleichbar mit GI und GA. Nur für Kleber mit sehr hohen Zugfestigkeiten (> 25 MPa) tendiert MagiZinc anfangs zu höheren Adhäsionsfehlern. Diese Unterschiede verschwinden al - lerdings mit zunehmenden Alterungsstufen. Während des Punktschweißens zinkbeschichteter Stähle wird die Kupfer elektrode durch den Zinkkontakt in vielen Schweißvorgängen nach und nach verunreinigt und beschädigt. Um unsaubere Schweißnähte zu verhindern, ist Ersatz oder eine Neujustierung notwendig. Sowohl der Schweißbereich wie auch die Lebensdauer der Elektrode wurden für MagiZinc und GI bestimmt und zeigten ein vergleichbares Verhalten. LACKHAFTUNG Nach der Umformung und Montage der Pressteile zum Body-In-White (BIW) wird die ganze Rohkarosserie in einer Beschichtungslinie phosphatiert, an - schließend in einem Tauchbad elektrochemisch lackiert (kathodische Tauchlackierung, KTL) und abschließend mit einem mehrschichtigen Lackaufbau bestehend aus Füller, Deck- und Klarlack versehen. Auf diese Weise wird die gesamte Rohkarosserie geschützt und gleichzeitig mit einem anspruchsvollen Erscheinungsbild versehen. Der Zinküberzug muss mit allen Beschichtungsschritten kompatibel sein. Wichtig ist, dass sich die KTL gut mit der Zinkbe- Durchschnitt 21 Tage Durchschnitt 42 Tage Maximum 21 Tage Maximum 42 Tage Internationale Fachmesse für Technische Textilien und Vliesstoffe DESIGN VERSATILITY RECYCLABILITY PERFORMANCE Perfekte Synergien mit zwei Messen an einem Ort: 0 GI 100 GI 140 GA 90 MZ 70 MZ 140 ❸ Lackunterwanderung mit Durchschnitts- und Maximalwerten nach 21 und 42 Tageszyklen (ECC1-Test) Durchschnitt bei Kratzer bis zur Zinkschicht 25 Maximum bei Kratzer bis zur Zinkschicht Lackunterwanderung [mm] Durchschnitt bei Kratzer bis zur Stahloberfläche Maximum bei Kratzer bis zur Stahloberfläche Weitere Informationen: QR-Code scannen oder GI 100 GI 140 GA 90 MZ 70 MZ 100 MZ 140 ❹ Durchschnittliche und maximale Lackunterwanderung nach 20 Wochen mit Kratzern bis zur Zinkschicht und Kratzern bis zur Stahloberfläche (VDA-Test) 04I Jahrgang 255

5 TITELTHEMA WERKSTOFFE schichtung verbindet, um das Korrosionsrisiko an beschädigten Stellen und Steineinschlägen zu verringern. Zu diesem Zweck werden gezielt Ritze in die Beschichtung eines Bauteils eingebracht. Anschließend wird dieses Bauteil einem Korrosionstest in feuchtkühler Atmosphäre ausgesetzt oder in Wasser ausgelagert, um damit dessen Korrosionsbeständigkeit festzustellen. Im Anschluss wird die Haftung der Beschichtung überprüft. Dabei konnten keine Unterschiede zwischen MagiZinc und herkömmlich verzinkten Blechen festgestellt werden. Die Farbhaftung der neuartigen Zink-Magnesium-Beschichtung erfüllt damit die geforderten Standards der Automobilindustrie. KORROSION Vor einem endgültigen Probelauf in einer Fertigungslinie eines Automobilherstellers wird noch die Korrosionsschutzwirkung von MagiZinc in kritischen Fahrzeugbereichen getestet. Geprüft wird insbesondere, wie eine neue Beschichtung sich in Bereichen von Kratzern beziehungsweise gezielt aufgebrachten Ritzen, Schneidkanten oder Flanschen im Bereich einer Türunterseite bei hoher Luftfeuchtigkeit oder bei Einwirkung von Streusalz verhält. Diese besondere Korrosionsbelastung wurde in zwei unterschiedlichen Korrosionstests untersucht, um einerseits die kosmetische und andererseits die perforierende Korrosion besonders bei Flanschen festzustellen. Die kosmetische Korrosion wurde in Korrosionswechseltests untersucht, die die Lackunterwanderung an gezielt aufgebrachten Ritzen bis zum Stahlblech, an Stellen mit Steinschlagbelastung und an Schneidkanten nachvollziehen. Tata Steel führte zu diesem Zweck exemplarisch den ECC1-D Test von Renault (21 und 42 Tageszyklen) und das deutsche Standardverfahren VDA für 20 Wochenzyklen durch. Der Verlauf der kosmetischen Korrosion ist in ❸ und ❹ dargestellt. Die perforierende Korrosion wurde in einem sogenannten Glasflansch von Volvo (STD ) simuliert. Diese besonders kritische Korrosion tritt vor allem in schlecht erreichbaren Stellen wie Blechdoppelungen auf und kommt häufig erst nach vollständiger Durchrostung zum Vorschein, wie zum Beispiel an Flanschen der Türunterseiten. Für die perforierende Korrosion ist 256 Gewichtszunahme [g/muster] 2,5 2 1,5 1 0,5 GI 100 GI 140 GA 90 MZ 70 MZ 100 MZ der Testverlauf in ❺ dargestellt. 3, 4 und 5 dokumentieren den Vergleich von MagiZinc mit GI und GA. MagiZinc weist dabei einen wesentlich langsameren Korrosionsverlauf des Stahlblechs (Rotrostanteil) und eine geringere Un - terwanderung des Lacks entlang von Ritzen und Schneidkanten auf [5]. PROBELÄUFE IN REALER PRODUKTIONSUMGEBUNG Wochen im Korrosionswechseltest ❺ Gewichtszunahme eines Blechmusters durch Rostbildung im Glasflanschtest nach Volvo BMW war einer der ersten Fahrzeughersteller, der vollständige Testläufe mit MagiZinc durchführte. Seitenwände und verschiedene Karosseriestrukturteile wurden in enger Zusammenarbeit mit Tata Steel gefertigt. Das erstmals durchgeführte betriebliche Umformen, Fügen und Lackieren der Bauteile ermöglichte die umfassende Beurteilung von Magi- Zinc als integraler Bestandteil eines Body-In-White. BMW verarbeitete Magi- Zinc-Bleche auf die gleiche Weise, wie Material aus der eigenen Serienproduktion. Anpassungen hinsichtlich der Schweißeinstellungen und des Stanzens wurden nicht vorgenommen. Die Bauteile wurden als Teil des BIW lackiert und zeigten keine Abweichungen. Das Lackerscheinungsbild der Außenhautteile wurde von BMW nicht bewertet. Im Anschluss wurden die Bauteile bei BMW in einem Korrosions-Testfahrzeug verbaut. Um einen aussagekräftigen Vergleich zu erzielen, testete das Unternehmen an einer Seitenwand MagiZinc Auto (5 µm Schichtdicke) und auf der anderen Seitenwand das Serienprodukt Z100 (7 µm Schichtdicke). MagiZinc zeigt im durchgeführten beschleunigten Fahrzeug- Korrosionstest eine geringere kosmetische Korrosion hinsichtlich der Lackunterwanderung im Vergleich zum Serienmaterial und schneidet trotz der dünneren Zinkbeschichtung damit deutlich besser ab. Auf Basis des Reib- und Abriebtests wurde erwartet, dass der MagiZinc-Überzug zu geringerer Werkzeugverschmutzung führt und so einen längeren Pressvorgang mit weniger Stillständen erlaubt. Um dies bewerten zu können, führte ein weiterer deutscher OEM einen realen Probelauf in seinem Presswerk durch. Während des Probelaufs zeigte sich, dass MagiZinc im Vergleich zur herkömmlichen Zinkbeschichtung das Presswerkzeug bis zu 25 % weniger verschmutzt. Folglich bleibt die Presse länger im Einsatz, bevor das Werkzeug gesäubert werden muss. Ausschlaggebend für den ungestörteren Pressvorgang im Vergleich zu normalen Zinkbeschichtungen ist der stabilere Reibungskoeffizient von MagiZinc. AUSBLICK Gegenwärtige Leichtbautrends erfordern einen besseren Korrosionsschutz gegen Durchrostung und ein verbessertes Ab -

6 riebverhalten, da mit den geringeren Blechdicken die Durchrostungsgefahr steigt und ferner während der Abpressung der Bauteile immer höhere Kräfte zum Einsatz kommen. Der verbesserte Korrosionsschutz und das optimierte Abriebverhalten von MagiZinc erleichtert daher gegenüber herkömmlichen Zinkbeschichtungen eine Einführung von hochfesten Stahlgüten bei neuen Fahrzeugen. Es ist zu erwarten, dass MagiZinc zunächst verstärkt im Fahrzeuginnenraum zum Einsatz kommt. Zukünftig könnte der neue Zink-Legierungsüberzug herkömmliche Zinkbeschichtungen auch bei anderen Außenhautbauteilen ersetzen. Erste vielversprechende Tests bei Fahrzeugherstellern haben diesen möglichen Anwendungsbereich bereits demonstriert. FAZIT Die Entwicklung und Einführung einer neuen metallischen Beschichtung ist ein langwieriger Prozess, der in enger Zu - sammenarbeit von Tata Steel mit den Fahrzeugherstellern erfolgt. Die Materialeigenschaften müssen sowohl für den Herstellungsprozess beim Stahlproduzenten als auch für die spätere Fahrzeugfertigung ausbalanciert werden. Mit MagiZinc hat Tata Steel eine neue Generation feuerverzinkter Stähle entwickelt, deren verbessertes Pressverhalten die Produktionskosten senkt. Zusammen mit dem verbesserten Korrosionsschutz bei gleichzeitig dünneren Überzügen wird dieses Be schich - tungssystem langfristig die herkömmlichen metallischen Beschichtungen ablösen und damit auch dazu beitragen, den Zinkverbrauch insgesamt zu reduzieren. LITERATURHINWEISE [1] Hosking, N. C.; Ström, M. A.; Shipway, P. H.; Rudd, C. D.: Corrosion Rresistance of Zinc-Magnesium Coated Steel. In: Corrosion Science (2007), Nr. 49, S [2] Prosek, T.; Larché, N.; Vlot, M.; Goodwin, F.; Thierry, D.: Corrosion Performance of Zn Al Mg Coatings in Open and Confined Zones in Conditions Simulating Automotive Applications. In: Materials and Corrosion (2010), Nr. 61, S [3] Volovitch, P.; Vu, T. N.; Allély, C.; Abdel Aal, A.; Ogle, K.: Understanding Corrosion via Corrosion Product Characterization: II. Role of Alloying Elements in Improving the Corrosion Resistance of Zn Al Mg Coatings on Steel. In: Corrosion Science (2011), Nr. 53, S [4] Dane, C.; Carless, L.; Vlot, M.; Toose M.: Tribologische Vorteile im Presswerk. In: Bauteile der Zukunft, Methoden und Prozesse, Tagungsband T31 des 30. EFB-Kolloquiums Blechverarbeitung 2010 am 2. und 3. März in Bad Boll (2010), S [5] Vlot, M.; Van Landschoot, N.; Bleeker, R.: ZnAlMg Coatings Versus Galvannealed. In: Galvatech 2011 Proceedings (2011) DOWNLOAD DES BEITRAGS READ THE ENGLISH E-MAGAZINE order your test issue now: springervieweg-service@springer.com STAR-CCM+: Engineering Success. Simulationssoftware, die neue Möglichkeiten in der Ingenieursentwicklung eröffnet. Besuchen Sie unsere kostenlosen Engineering Workshops 14th Annual Internal Combustion Engine (ICE) am 09. April sowie Effiziente Aerodynamiksimulation mit STAR-CCM+ und AeroApp am 10. April beide in Stuttgart. Mehr Infos unter Weitere Informationen erhalten Sie auf: info@de.cd-adapco.com Follow us online 04I Jahrgang 257