Problemstellung:

Die Automobilindustrie ist von kontroversen Anforderungen
geprägt. Es besteht einerseits der Wunsch
nach einer großen Ausstattungsvielfalt, andererseits
sollen die neuesten Anforderungen an aktive und
passive Sicherheitssysteme mit vielen Airbags, Sensoren
und Steuergeräten erfüllt werden. Gleichzeitig
wird von allen Bauteilen eine hohe Zuverlässigkeit und
Lebensdauer erwartet. Zusammen mit der luxuriöser
werdenden Innenausstattung zieht dies neben einem
hohen Fahrzeuggesamtgewicht sowohl einen hohen
Kraftstoffverbrauch als auch einen hohen Schadstoffausstoß
nach sich. Durch die in Diskussion geratenen
Feinstaub- und CO2-Emissionen wird der Ruf nach
verbrauchsminimierten und umweltgerechten Fahrzeugen
laut.
Um die widersprüchlichen technischen und wirtschaftlichen
Anforderungen im modernen Automobilbau zu
erfüllen, mussten gezielt neue Stahlsorten kreiert und
deren Verarbeitungstechnologien entwickelt werden.
Wie verschiedene Studien der jüngeren Vergangenheit
zeigen, sind dabei die Leichtbaupotenziale von
Stahl im Bereich von Karosserie, die mehr als ein Drittel
des Gesamtfahrzeuggewichts ausmachen [1], und
Fahrzeug noch lange nicht ausgeschöpft. Dies zeigen
Projekte zur Entwicklung einer ultraleichten Stahlkarosserie
in einem Konsortium aus Stahlherstellern und der
Fahrzeugindustrie, die „Ultra Light Steel Auto Body“
(ULSAB)-Studie oder das „New Steel Body©“-Konzept
von Thyssen Krupp [2]. Die Durchsetzung von
Leichtbauprinzipien erfordert hohe Festigkeiten auf der
Werkstoffseite verbunden mit einer beanspruchungsgerechten
Bauteilgestaltung. Mit der Bereitstellung
neuer Werkstoffklassen wie höchstfester Stahlqualitäten
stehen Werkstoffe zur Verfügung, die auf Grund
ihrer mechanischen Eigenschaften ein hohes Leichtbaupotenzial
sowie ein sehr gutes Energieabsorptionsvermögen
aufweisen [3 - 6].
Um die Funktion dieser sicherheitsrelevanten Bauteile
über die gesamte Lebensdauer hinweg zu gewährleisten,
dürfen keine korrosionsbedingten Schäden entstehen.
Herkömmliche Korrosionsschutzsysteme können
aus verschiedenen Gründen, wie beispielsweise der
Wasserstoffentwicklung bei galvanischen Beschichtungssystemen,
nicht angewendet werden bzw. besitzen
unzureichende Korrosionsschutzeigenschaften.

Zielsetzung:

Das Ziel ist, für solche höchstfeste Stahlqualitäten
ein Beschichtungssystem mit verbesserten Korrosionsschutzeigenschaften
zu kreieren, das nach der
Warm-umformung auf umgeformte Bauteile aufgebracht
werden kann. Als Basis wird der Schmelztauchverzinkungsprozess
verwendet. Primäres Kriterium für
die Auslegung des neuen Legierungssystems ist die
Forderung der Fahrzeugindustrie, die Mindestfestigkeit
des Stahlsubstrats von 1200 MPa nach der Applikation
des Überzugs nicht zu unterschreiten. Deshalb
sind Stahlqualitäten erfoderlich, die sensibel auf thermische
Belastung reagieren sowie Beschichtungssysteme
bzw. Überzüge mit moderaten Schmelzpunkten
bzw. -intervallen, die unterhalb ihrer Anlasstemperatur
appliziert werden können. In diesem Beitrag wird über
die Charakterisierung der Mikrostruktur und über das
Korrosionsverhalten der neuen Schichten berichtet. 

Durchführung:

In vorausgehenden Untersuchungen wurde das Anlassverhalten
des höchtfesten Stahlsubstrats durch
Zugversuche ermittelt. Dadurch konnte der Temperaturbereich
zur Generierung des neuen Niedrigtemperatur-
Schmelzbades festgelegt werden [7]. Die Applikation
dieser neuen ternären Metallschmelze erfolgt
unterhalb des Anlassbereichs der höchstfesten Stahlsorten.
Aus Gründen der Benetzbarkeit erfolgt die
Applikation der entwickelten Zink-Aluminium-Magnesium-
Legierung mit Hilfe einer Zwischenschicht aus
Zinn. Ausgehend von diesen Beschichtungsversuchen
werden die generierten Schichten sowohl metallographisch
hinsichtlich ihrer Struktur mittels Lichtmikroskop,
REM, EDXS als auch hinsichtlich ihrer Mikrohärte
nach dem Beschichtungsprozess analysiert. Die Ergebnisse
sind an ausgewählten Bildern dargestellt.

Niedrigschmelzende ternäre Zink-Aluminium-
Magnesium Legierung

Ausgehend von der Zielsetzung, korrosionsbeständige
Überzüge auf temperatursensitive Stahlsorten
zu applizieren, gilt es zunächst, den geeigneten Beschichtungsstoff
zu entwickeln und herzustellen. Nach
der Durchführung und Bewertung von Zugversuchen
an wärmebehandelten Proben zur Ermittlung des Anlassverhaltens
der höchstfesten Stahlqualität muß die
Schmelzbadtemperatur einen Schmelzpunkt in Höhe
von 400°C aufweisen. Da in technischen Aluminium-
Magnesium-Legierungen bis zu 10 Gew-% Mg enthalten
sind [8] und die binären Phasendiagramme Al-Zn
und Mg-Zn binäre Eutektika aufweisen, wird das ternäre
Phasendiagramm aus den Elementen Zn-Al-Mg
auf seine Verwendung als Schmelztauchlegierung
hin analysiert. Das ternäre Phasendiagramm bildet
ein sehr komplexes System mit zahlreichen intermetallischen
Phasen sowohl binärer als auch ternärer
Art (Abbildung 1). Nachfolgend ist die Projektion der
Liquidusfläche des Systems Zn-Al-Mg dargestellt. Es
erschließen sich vier ternäre Eutektika, wobei drei davon
auf der magnesiumreichen Seite zu finden sind.
Diese eignen sich aufgrund ihres hohen Anteils an
Magnesium nicht zur Erzeugung einer Schmelztauchlegierung,
obwohl ein Eutektikum bei 338°C vorliegt.
Dagegen kann bei dem industriell eingesetzten binär
eutektischem Schmelzbad Zn-Al durch einen geringen
Magnesiumzusatz die Schmelztemperatur auf 343°C
abgesenkt werden. Diese niedrigschmelzende Legierung
liegt im ternären Phasendiagramm auf der zinkreichen
Seite, wird als vorteilhaft eingeschätzt und soll
in einem Schmelzprozess aus den Einzelkomponenten
Zink, Aluminium und Magnesium generiert werden.

Schichtausbildung

Die Applikation des Korrosionsschutzüberzugs erfolgt
im neu entwickelten Niedrigtemperaturschmelztauchverfahren,
wobei die Herausforderung in den
schwer benetzbaren Stahloberflächen besteht. Um
die Applikation der Legierung zu ermöglichen, wird
auf das Substrat eine Zwischenschicht aus Zinn aufgebracht,
die beim Tauchprozess in die flüssige
Zinkbasisschmelze in Lösung geht. Um den Einfluss
verschiedener Parameter wie der Beschichtungstemperatur
und -zeit sowohl auf das Substrat als auch auf
die Schichtentwicklung des Überzugs darzustellen,
wurden bereits Beschichtungsversuche im Temperaturbereich
zwischen 360 und 390 °C durchgeführt.
Das Tauchzeitspektrum reichte bei jedem Temperaturschritt
von einer bis hin zu 20 Minuten.

In der nachfolgenden Abbildung 2 sind exemplarisch
lichtmikroskopische Aufnahmen von Querschliffen beschichteter
Mangan-Bor-Stähle der Qualität 22MnB5
dargestellt. Die Schichtapplikation erfolgte mittels
Schmelztauchbeschichtung bei 360°C. Zwischen eutektischenBereichen
sindidiomorphe Ausscheidungen
aus Mg-Zn mittels EDX-Analysen nachweisbar. Weiterhin
liegen geschlossene Deckschichten ohne Poren,
Risse oder Diffusionszonen aus Zink und Eisen vor. Bei
den herkömmlichen schmelztauchverzinkten Bauteilen
sind Legierungszonen aus Zink und Eisen vorhanden,
die neben einer Steigerung der Schichtdicke sehr hart
und spröde sind. Wie bereits bekannt ist, entfällt durch
die Zugabe von Aluminium der Diffusionsvorgang von
Zink und Eisen, wodurch dünnere Schichtdicken erreichbar
sind. Jedoch kann bei dieser Legierung eine
Abhängigkeit der Schichtdicke von der Schmelzbadzusammensetzung
beobachtet werden. Vorhandene
Ausscheidungen steigern die Schichtdicke unnötig.
Je nach Schmelzbadzusammensetzung sind ebenso
dünnere Schichtdicken ohne Ausscheidungen möglich.

Korrosionsverhalten

Durch Stromdichte-Potenzial-Messungen können
Rückschlüsse auf das Korrosionspotenzial einer Legierung
bzw. eines Elements gezogen werden. Die
Messung erfolgt dabei in der Drei-Elektroden-Anordnung
gegen die gesättigte Kalomelelektrode in einer
3,5 %igen NaCl-Lösung. Die Messergebnisse zeigt die
nachfolgende Abbildung 3, wobei auf der x-Achse das
Potenzial in V und auf der y-Achse die Stromdichte in
mA/cm² aufgetragen sind.
Die als LTG (Low-Temperature-Galvanizing, neue ternäre
Legierung) bezeichnete Kennlinie ergibt durch den
geringen unedleren Magnesiumanteil in der Legierung
mit einem Ruhepotenzial von ca. –1200 mV zinkähnliches
Verhalten. Das Ruhepotenzial von Zink ist mit
ca. –1160 mV nur unwesentlich edler. Als Vergleich sind
reines Magnesium mit einem Ruhepotenzial von –1760
mV und das im Gegensatz dazu relativ edle Aluminium
mit einem Ruhepotenzial von ca. –800 mV dargestellt.
Als Substratwerkstoffe sind der 22MnB5 (BTR165) und
Eisen im Diagramm mit aufgenommen.
Kommen die LTG-Legierung und Aluminium unter Anwesenheit
von einem Elektrolyten zusammen in Kontakt,
so fließt durch die unterschiedlichen Potenziale
ein Strom. Sind nun der anodische und kathodische
Teilstrom gleich groß, kompensieren sie sich. Bei
Verletzungen einer ansonsten geschlossenen Deckschicht
von LTG oder Aluminium auf einem Eisen- bzw.
22MnB5-Substrat wird der Überzug zur Opferanode
und schützt so das darunterliegende Substract vor der
Auflösung, im nachfolgenden Diagramm durch Pfeile
gekennzeichnet. Gut erkennbar ist im Gegensatz zu
Aluminium auch die geringere Auflösungsgeschwindigkeit
von LTG, die durch einen flacheren Nulldurchgang
gekennzeichnet ist. Magnesium dagegen besitzt
einen steilen Nulldurchgang, und demzufolge eine hohe
Korrosionsgeschwindigkeit.