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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft ein phosphatbehandeltes verzinktes Stahlblech
mit ausgezeichneter Umformbarkeit, das in Fahrzeugen, Hausgeräten, Baumaterialien
und dergleichen angewendet wird.
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HINTERGRUND DER TECHNIK
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Herkömmlich erhält verzinktes
Stahlblech, das in Fahrzeugen, Hausgeräten, Baumaterialien u. ä. verwendet
wird, eine Phosphatbehandlung, eine Chromatbehandlung und eine weitere
organische Beschichtungsbehandlung, um den Mehrwert, z. B. Korrosionsbeständigkeit,
Umformbarkeit u. ä.,
zu verbessern. In den letzten Jahren vollzog sich eine Entwicklung,
bei der aufgrund von Umweltbedenken insbesondere chromatbehandeltes
Stahlblech unpopulär
wurde, da möglicherweise
sechswertiges Chrom darin enthalten ist, uns es stiegen die Anforderungen
an die Phosphatbehandlung. Da zudem aus Sicht der Umformbarkeit
Stahlblech mit Legierungsplattierung auf Zn-Ni-Basis ausgezeichnete
Eigenschaften hat, findet es breite Verwendung, wobei aber der Nachteil
entsteht, daß die
Produktionskosten hoch sind, weil die Legierungsplattierung Ni aufweist.
Daher wurde versucht, den Mehrwert zu verbessern, indem eine Phosphatbehandlung
an elektrisch bzw. galvanisch verzinktem Stahlblech, feuerverzinktem
Stahlblech und legiertem feuerverzinktem Stahlblech durchgeführt wurde,
die jeweils geringe Produktionskosten haben.
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Bei
der herkömmlichen
Phosphatbehandlung für
galvanisch verzinktes Stahlblech, feuerverzinktes Stahlblech und
legiertes feuerverzinktes Stahlblech wird aber nicht unbedingt eine
ausreichende Umformbarkeit im Vergleich zu Stahlblech mit Legierungsplattierung
auf Zn-Ni-Basis erhalten. Insbesondere ist die Umformbarkeit ungenügend, wenn
es bei Durchführung
eines Ziehverfahrens verwendet wird, bei dem die einlaufende Stahlblechmenge
mit Hilfe einer Ziehsickenpresse reguliert wird, die in den letzten
Jahren zunehmend zum Einsatz kommt.
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Im
Gegensatz dazu offenbart die JP-A-7-138764 ein zinkphosphatbehandeltes
verzinktes Stahlblech, das Fe, Co, Ni, Ca, Mg und/oder Mn u. ä. enthält und ausgezeichnete
Preßleistung
hat. Aber auch bei dieser Technologie erhält man keine ausreichende Leistung
im o. g. Sickenpreßziehverfahren.
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Die
DE-A-2049350 offenbart ein Verfahren zum Phosphatieren von Eisenmetall
und verzinktem Stahl durch Behandlung in einer Lösung, die Phosphat, Zink, Kobalt
oder Kupfer oder Nickel, Magnesium, Nitrid und/oder Chlorid sowie
Fluorid enthält.
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Die
EP-A-1213368, die ein Dokument des Stands der Technik nach Art.
54(3) EPÜ ist,
offenbart ein phosphatbehandeltes elektrogalvanisiertes Stahlblech
mit einem Phosphatfilm, der mindestens 2% Mg, insgesamt mindestens
0,5% Ni und/oder Mn und insgesamt mindestens 4% Mg und Ni und/oder
Mn enthält
und auf einem mit Zink oder Zinklegierung plattierten Stahlblech
gebildet ist.
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Die
EP-A-1067212, die ein Dokument des Stands der Technik nach Art.
54(3) EPÜ ist,
offenbart ein galvanisiertes Stahlblech mit einer galvanisierten
Auflageschicht, die mit einer Zinkphosphat-Auflageschicht darauf
versehen ist, die Mg mit einer Menge von etwa 0,5 bis etwa 10,0%,
Ni mit einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 2% und Mn mit einer Menge
von etwa 0,5 bis etwa 8% enthält.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, die o. g. Probleme zu lösen und
ein phosphatbehandeltes verzinktes Stahlblech mit ausgezeichneter
Umformbarkeit bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe ist, ein phosphatbehandeltes
verzinktes Stahlblech mit ausgezeichneter Korrosionsbeständigkeit
und Schweißbarkeit
bereitzustellen.
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Als
Ergebnis von Untersuchungen zur Verbesserung der Umformbarkeit von
phosphatbehandeltem verzinktem Stahlblech wurde im Rahmen der Erfindung
festgestellt, daß die
Form der Oberflächenphosphatkristalle
eine äußerst wichtige
Rolle spielt, wodurch die Erfindung zustande kam. Das heißt, die
Erfindung stellt eine große
Verbesserung der Umformbarkeit beim Ziehen im Sickenpreßverfahren
bereit, indem sie eine Form nutzt, bei der hauptsächlich körnige Kristalle.
zum Einsatz kommen.
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Außerdem sorgt
die Erfindung für
verbesserte Korrosionsbeständigkeit
durch gleichzeitiges Zuführen von
Magnesium, das ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit hat, zur Phosphatbehandlungsschicht.
Durch Steuern der Beschichtungsmenge ist es zudem auch möglich, die
Schweißbarkeit
zu verbessern.
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Diese
Aufgaben können
durch die in den Ansprüchen
festgelegten Merkmale gelöst
werden.
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Keine
besondere Einschränkung
besteht für
das in der Erfindung verwendete verzinkte Stahlblech, und eine ausgezeichnete
Verbesserungswirkung für
die Umformbarkeit läßt sich
erhalten, wenn sowohl reine Zinkbeschichtung als auch Legierungsbeschichtung
verwendet werden. Angesichts von Herstellungskosten sind aber galvanisches
Verzinkung, Feuerverzinkung, legierte Feuerverzinkung u. ä. bevorzugt.
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Mit
Ausnahme der Form der Kristalle der auf der Verzinkung gebildeten
Phosphatbeschichtung besteht keine spezielle Einschränkung, und
zu allgemeinen Beispielen dafür
können
gehören:
eine Zinkphosphatbeschichtung, die sogenannte Ho peitkristalle bildet,
eine Zinkphosphatbeschichtung, die durch ein solches Element wie
Fe, Ni, Co, Mn, Mg, Ca, Cu u. ä.
modifiziert ist, und komplexe phosphatbehandelte Beschichtungen,
bei denen eine Nachbehandlung an den o. g. Zinkphosphatbeschichtungen
vorgenommen ist.
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Gemäß 1 ist
die herkömmliche
phosphatbehandelte Beschichtung auf der Oberfläche verzinkter Stahlbleche
aus Nadelkristallen mit einer Länge
von mehreren Mikrometern gebildet, wogegen es in der Erfindung extrem
wichtig ist, daß die
Kristalle in einer körnigen
Kristallform gebildet sind.
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Die
Form der Kristalle läßt sich
durch Rasterelektronenmikroskopie (REM) der Oberfläche leicht
beobachten. Bei Beobachtung der Oberfläche eines Stahlblechs (nach
Lösungsmittelentfettung,
wenn es sich um ein ölbeschichtetes
Material handelt) durch REM (mit einer Beschleunigungsspannung von
15 kV, ohne Inklination und mit 5000-facher Vergrößerung)
ist es insbesondere möglich,
zwischen körnigen
Kristallen und Nadelkristallen leicht zu unterscheiden. Wichtig
in der Erfindung ist, daß diese
körnigen
Kristalle den Hauptanteil der Kristalle ausmachen. Eine phosphatbehandelte
Beschichtung, die grundsätzlich
mit körnigen
Kristallen gebildet ist, zeigt 2.
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Um
eine noch deutlichere Unterscheidung zu treffen, ist es möglich, eine
Unterscheidung mit Hilfe des Verhältnisses der Hauptachse der
Kristalle zu ihrer Nebenachse vorzunehmen. Liegt das Verhältnis der
Hauptachse zur Nebenachse nahe 1, bedeutet dies, daß die Kristalle
eine annähernd
körnige
Form haben. Unter den Kristallen, die man nach Fotografieren durch
REM (mit 5000-facher Vergrößerung)
in einem beliebigen Sichtfeld sieht, wird insbesondere das mittlere
Verhältnis über alle
Kristalle ermittelt, indem der Mittelwert jener Kristalle, deren
Längenverhältnis der
Hauptachse zur Nebenachse 1,00 am nächsten kommt, und jener Kristalle
gemessen wird, deren Längenverhältnis der
Hauptachse zur Nebenachse am größten ist.
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Beispielsweise
zeigen 3 und 4 die Aufzeichnungsergebnisse
der Kristalle gemäß 1 und 2 in
ebener Ansicht.
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Bei
den Nadelkristallen von 1 werden die Verhältnisse
der Hauptachse zur Nebenachse aller Kristalle im Sichtfeld gemessen,
es werden jene ausgewählt,
deren Längenverhältnis der
Hauptachse zur Nebenachse 1,00 am nächsten liegt (Abschnitt 3a
von 3), und jene, deren Längenverhältnis der Hauptachse zur Nebenachse
am größten ist
(Abschnitt 3b von 3), wonach ihr mittleres Verhältnis bestimmt
werden kann.
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Genauso
sind bei den körnigen
Kristallen von 2 jene, deren Längenverhältnis der
Hauptachse zur Nebenachse 1,00 am nächsten liegt, als Abschnitt
4a von 4 gekennzeichnet, und jene, deren Längenverhältnis der
Hauptachse zur Nebenachse am größten ist,
als Abschnitt 4b von 4 gekennzeichnet.
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Beträgt dieses
Verhältnis
mindestens 1,00 und höchstens
2,90, so ist gemäß 5 deutlich,
daß die Umformbarkeit
mit Ziehsicken ausgezeichnet ist. Zu beachten ist, daß die Umformbarkeit
mit Ziehsicken anhand der Häufigkeit
bewertet wird, mit der kontinuierliches Formen bei kontinuierlicher
Bearbeitung möglich
ist, und daß nur
jene Materialien akzeptabel sind, die mindestens 10 mal kontinuierlich
bearbeitet werden können.
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Im
Rahmen der Erfindung wurden mehrere Verfahren zur Änderung
der Form der Kristalle von einer Nadelform in eine körnige Form
gemäß der vorstehenden
Beschreibung untersucht, und es kam auch ein Herstellungsverfahren
zur gewerblichen und stabilen Gewährleistung körniger Kristalle
zustande.
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Zinkphosphat-Behandlungslösungen,
die normalerweise verwendet werden, enthalten 0,5 bis 5 g/Liter Zn-Ionen,
5 bis 50 g/Liter Phosphorsäureionen,
0,5 bis 30 g/Liter Salpeter säureionen,
0,1 bis 2,0 g/Liter Fluoridionen oder komplexe Fluoridionen in Fluorumwandlung
und bei Bedarf 0,1 bis 5 g/Liter Ni-Ionen o. ä. Normalerweise wird das verzinkte
Stahlblech durch ein Spritzverfahren oder Tauchverfahren mit einer
Badtemperatur von 40 bis 70°C
und einer Reaktionszeit von 1 bis 10 Sekunden behandelt, um die
Behandlungsbeschichtung auf Zinkphosphatbasis abzuscheiden. Dabei
ist natürlich
die Form erzeugter Kristalle der Beschichtung eine Nadelform.
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Im
Rahmen der Erfindung wurden Mg-Ionen einer Zinkphosphat-Behandlungslösung zugegeben,
die die o. g. normale Behandlungslösung als Basis verwendet, und
es wurde festgestellt, daß bei
mindestens 10,25 g/l Mg-Ionen und mindestens 0,5 g/l Zn-Ionen stabile
körnige
Kristalle hergestellt werden können,
die das wesentliche Merkmal der Erfindung bilden.
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In
diesem Fall ist von besonderer Bedeutung, daß mindestens 10,25 g/l Mg-Ionen
vorliegen. Liegt die Menge von Mg-Ionen unter 10,25 g/l, werden keine
körnigen
Kristalle gebildet. Liegt die Menge von Zn-Ionen unter 0,5 g/l,
verläuft
die Reaktion langsam, und die Beschichtungsbildung ist schwierig.
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Im
folgenden wird die Phosphatbehandlungslösung der Erfindung beschrieben.
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In
der Phosphatbehandlungslösung,
die in der Erfindung verwendet wird, gilt keine besondere Einschränkung bezüglich der
Konzentration der Phosphorsäureionen,
Salpetersäureionen
und Fluoridionen, sondern es reicht aus, wenn die Phosphatbehandlungslösung 5 bis
50 g/l Phosphorsäureionen,
mindestens 0,5 g/l Salpetersäureionen
und 0,1 bis 2,0 g/l Fluoridionen oder komplexe Fluoridionen in Fluorumwandlung
enthält.
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Wie
zuvor dargestellt, besteht in der Erfindung der wichtigste Faktor
darin, daß die
Mg-Ionen mit mindestens 10,25 g/l und die Zn-Ionen mit mindestens
0,5 g/l vorliegen.
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Zudem
gilt keine spezielle Einschränkung
für die
Zufuhrquelle der Phosphorsäureionen,
Salpetersäureionen,
Zinkionen und Magnesiumionen, sondern Orthophosphorsäure, Salpetersäu re, Zinkphosphat
oder Zinknitrat bzw. Magnesiumnitrat werden verwendet.
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Keine
spezielle Einschränkung
gilt für
die Zufuhrquelle der Fluoridionen oder komplexen Fluoridionen, sondern
Fluorwasserstoffsäure,
Kieselfluorwasserstoffsäure,
Borfluorwasserstoffsäure
u. ä. können verwendet
werden.
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Auch
für die
Metallionen mit Ausnahme der gleichzeitig vorliegenden Zn- und Mg-Ionen
gilt keine spezielle Einschränkung,
sondern es können
eine oder mehrere Arten von Metallionen vorhanden sein, die aus Fe,
Ni, Co, Mn, Ca, Cu u. ä.
ausgewählt
sind. Im wesentlichen ist erwünscht,
daß die
Menge wegen der Konkurrenzreaktion beim Einbau des Mg in das Zink
höchstens
5 g/Liter beträgt.
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Für das erfindungsgemäße Phosphatbehandlungsverfahren
gilt keine spezielle Einschränkung,
wobei aber erwünscht
ist, daß ein
verzinktes Stahlblech eine Aktivierungsvorbehandlung in einer Titankolloid
aufweisenden Behandlungslösung
erhält.
Danach ist erwünscht,
daß die
erfindungsgemäße Phosphatbehandlungslösung mit
Hilfe eines Spritzbehandlungsverfahrens oder Tauchbehandlungsverfahrens
bei einer Badtemperatur von 40 bis 70°C für eine Behandlungszeit von
1 bis 10 Sekunden aufgebracht wird.
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Liegt
die Badtemperatur unter 40°C,
ist das Reaktionsvermögen
unzureichend, und ein vorbestimmtes Beschichtungsgewicht läßt sich
nicht gewährleisten.
Liegt die Badtemperatur über
70°C, wird
das Behandlungsbad schnell beeinträchtigt. Liegt die Bearbeitungszeit
unter 1 Sekunde, ist es schwierig, das vorbestimmte Auflagegewicht
zu bilden, während über 10 Sekunden
aus Sicht der Produktionskosten unvorteilhaft sind.
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Durch
weitere Untersuchungen wurde zudem bestimmt, daß auch dann, wenn die Menge
von Zn-Ionen, die in der Phosphatbehandlungslösung enthalten sind, unter
0,5 g/l liegt oder gar 0 g/l beträgt und wenn die Menge von Mg-Ionen
mindestens 10 g/l und die Menge von Salpetersäureionen mindestens 40 g/l
beträgt, die
Beschichtung der Erfindung gebildet werden kann.
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Das
heißt,
unabhängig
von geringer Konzentration von Zn-Ionen in der Behandlungslösung oder
fehlenden Zn-Ionen in der Behandlungslösung wurde durch gleichzeitiges
Vorhandensein der Salpetersäureionen in
großer
Menge die Zn-Auflösung
in der Plattierung beschleunigt, und es wurde bestimmt, daß die Phosphatbeschichtung
gebildet werden konnte.
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Wie
zuvor beschrieben, besteht ein Hauptmerkmal der Erfindung darin,
daß die
Struktur der Kristalle geändert
wird, indem eine Phosphatbehandlung auf verzinktem Stahlblech mit
Hilfe einer Phosphatbehandlungslösung
realisiert wird, in der Mg-Ionen mit mindestens 10,25 g/l und Zn-Ionen
mit mindestens 0,5 g/l oder Mg-Ionen mit mindestens 10 g/l und Zn-Ionen
mit zwischen 0 und weniger als 0,5 g/l sowie Salpetersäureionen mit
mindestens 40 g/l vorhanden sind. Jedoch besteht ein weiteres Merkmal
darin, daß die
Mg-Menge erhöht ist,
die in die Zinkphosphatbeschichtung eingebaut ist. Als Ergebnis
weiterer umfangreicher Forschung wurde bestimmt, daß ausgezeichnete
Korrosionsbeständigkeit
durch die in die Zinkphosphatbeschichtung eingebaute Mg-Menge erreicht
wurde. Das heißt,
es wurde bestimmt, daß bei
einem Mg-Gehalt in der Phosphatbeschichtung von mindestens 10 mg/m2 die Korrosionsbeständigkeit ausgezeichnet ist.
Beträgt
z. B. die Konzentration von Zn-Ionen 1 g/l und die Konzentration
von Mg-Ionen 30 g/l, so beträgt
die Mg-Menge in der Beschichtung bei 1,6 g/m2 Zinkphosphatbeschichtungsmenge
60 mg/m2.
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Um
ferner gute Punktschweißbarkeit
zu erhalten, wurde bestimmt, daß die
Beschichtungsmenge auf 0,5 bis 3,0 g/m2 gesteuert
sein sollte. Liegt die Beschichtungsmenge unter 0,5 g/m2,
nimmt die direkte Kontaktfläche
zwischen der Zinkbeschichtung und den Elektroden (Cu-Cr) zu, und
die kontinuierliche Punktschweißleistung
sinkt, da Zn und Cu eine Legierung bilden. Liegt dagegen die Menge über 3,0
g/m2, ist der elektrische Widerstand der
Phosphatbeschichtung der Erfindung selbst zu groß, und die kontinuierliche
Punktschweißleistung
nimmt ab, da Oberflächengrat
beim Schweißen
gebildet wird.
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Das
erfindungsgemäße Stahlblech
hat ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit in diesem Zustand, aber
erwünscht
ist, Rostschutzöl
zum temporären
Rostschutz aufzutragen.
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Um
ferner die Korrosionsbeständigkeit
weiter zu verbessern, wurde ein Verfahren untersucht, bei dem eine
schwere wäßrige Magnesiumphosphatlösung auf
die Deckschicht der durch das o. g. Verfahren hergestellten zinkphosphatbehandelten
Beschichtung aufgetragen und getrocknet wurde. Als Ergebnis wurde
auch festgestellt, daß bei
einer Beschichtungsmenge von höchstens
0,5 g/m2 die Kristalle eine körnige Form
behalten und die Umformbarkeit mit Ziehsicken ausgezeichnet ist.
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Obwohl
der Mechanismus unklar ist, steht das aufgebrachte schwere Magnesiumphosphat
mit der Kristallstruktur der zinkphosphatbehandelten Beschichtung
in Beziehung, und angenommen wird, daß es entlang der stabilen Oberfläche der
Kristallstruktur ihrer unteren Schicht wächst. Übersteigt die Beschichtungsmenge
0,5 g/m2, sinkt die Umformbarkeit, da keine
körnigen,
sondern Nadelkristalle gebildet werden.
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Beträgt in der
erfindungsgemäßen komplexen
phosphatbehandelten Beschichtung die Gesamtbeschichtungsmenge der
zinkphosphatbehandelten Beschichtung und des aufgetragenen schweren
Magnesiumphosphats 0,5 bis 3,0 g/m2, läßt sich
gute Punktschweißbarkeit
erhalten.
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Weiterhin
ist erwünscht,
auf das erfindungsgemäße komplexe
Stahlblech ein Rostschutzöl
zum temporären
Rostschutz aufzutragen.
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Anhand
der Formänderung
der Kristalle wurde im Rahmen der Erfindung auch eine gewisse Strukturänderung
der Kristalle vorhergesagt, und es wurde ein Verfahren zu deren
Quantifizierung mittels einfacher Röntgenbeugung untersucht. Als
Ergebnis der Untersuchungen zur Beziehung zwischen der Mes sung des Röntgenbeugungsmusters
und der Umformbarkeit beim Ziehen im Sickenpreßverfahren wurde festgestellt, daß es in
der Messung des Röntgenbeugungsmusters
mit charakteristischen CuK-α-Röntgenstrahlen
eine starke Korrelation in der phosphatbehandelten Beschichtung
zwischen Umformbarkeit beim Ziehen im Sickenpreßverfahren und Stärkeverhältnis (Ia/Ib)
des maximalen Stärkewerts
(Ia) der maximalen Spitze, wenn 2θ mindestens 9,540° und höchstens
9,800° beträgt, zum
maximalen Stärkewert
(Ib) der maximalen Spitze besteht, wenn 2θ mindestens 19,200° und höchstens
19,660° beträgt, wodurch
die Erfindung zustande kam. Das heißt, hat gemäß dem Diagramm der Beziehung
zwischen der Ziehleistung im Sickenpreßverfahren und dem Stärkeverhältnis (Ia/Ib)
in 6 die phosphatbehandelte Beschichtung eine Kristallstruktur,
in der das Stärkeverhältnis (Ia/Ib)
mindestens 3,0 beträgt,
liegt ausgezeichnete Umformbarkeit beim Ziehen im Sickenpreßverfahren
vor. Zum Vergleich sind die Ergebnisse einer Messung des Röntgenbeugungsmusters
für ein
erfindungsgemäßes Produkt
mit Hilfe charakteristischer CuK-α-Röntgenstrahlen
in 7 gezeigt. Das Stärkeverhältnis (Ia/Ib) in 7 beträgt 9,9.
Zu beachten ist, daß in
der Messung des Musters in 8 das Stärkeverhältnis (Ia/Ib)
2,6 betrug.
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Der
zugrundeliegende Mechanismus, warum sich die Umformbarkeit im Sickenpreßverfahren ändert, wenn
sich das Stärkeverhältnis ändert, ist
unklar, wobei aber angenommen wird, daß sich die Symmetrie in den
monoklinen Ausgangskristallen bei Kristallstrukturänderung
verschlechtert, um so verschiedene Spitzen zu bilden. Gewerblich
ist es extrem schwierig, Monokristalle zu erzeugen und dann die
Kristallstruktur eines jeden festzulegen, aber die Erfindung besitzt
einen weiteren Vorteil darin, daß innerhalb der Grenzen dieses Bereichs
die Umformbarkeit ausgezeichnet ist und sich die Produktleistung auch
dann leicht bestimmen läßt, wenn
mehrere Kristallstrukturen vorliegen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine REM-Aufnahme (5000-fach vergrößert) von Nadelkristallen des
Vergleichsbeispiels.
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2 ist
eine REM-Aufnahme (5000-fach vergrößert) von körnigen Kristallen des Beispiels.
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3 ist
eine typische Ansicht von Phosphatkristallen in der Projektion von
der Oberfläche
von 1, wobei der schraffierte Abschnitt a ein Kristall
ist, dessen Verhältnis
der Hauptachse zur Nebenachse 1,00 am nächsten liegt, während der
schraffierte Abschnitt b ein Kristall ist, dessen Verhältnis der
Hauptachse zur Nebenachse am größten ist.
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4 ist
eine typische Ansicht von Phosphatkristallen in der Projektion von
der Oberfläche
von 2, wobei der schraffierte Abschnitt a ein Kristall
ist, dessen Verhältnis
der Hauptachse zur Nebenachse 1,00 am nächsten liegt, während der
schraffierte Abschnitt b ein Kristall ist, dessen Verhältnis der
Hauptachse zur Nebenachse am größten ist.
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5 ist
ein Beziehungsdiagramm der Beziehung zwischen Umformbarkeit mit
Ziehsicken und mittlerem Hauptachsen/Nebenachsen-Verhältnis.
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6 ist
ein Beziehungsdiagramm der Beziehung zwischen Stärkeverhältnis (Ia/Ib) und Umformbarkeit
mit Ziehsicken.
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7 ist
ein Diagramm des Röntgenbeugungsmusters
von Beispiel 9.
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8 ist
ein Diagramm des Röntgenbeugungsmusters
von Vergleichsbeispiel 10.
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BEVORZUGTE AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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Beispiele
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Im
folgenden werden Beispiele für
die Erfindung aufgeführt,
wobei aber die Erfindung durch diese Beispiele nicht eingeschränkt ist.
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1. Einstellung des Probenprüfmaterials
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Materialien:
Zum Einsatz kam galvanisch verzinktes Stahlblech (30 g je m2 auf jeder Seite) mit 0,7 mm Dicke und einem
r-Wert (Lankford-Wert) von 1,9.
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2. Oberflächenaktivierungsbehandlung
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Nach
Entfetten des Materials (d. h. des verzinkten Stahlblechs) kam ein
handelsübliches
Behandlungsmittel auf Titankolloidbasis (PL-ZN, hergestellt von
Nihon Parkerizing Co., Ltd.) zum Einsatz, um eine Vorbehandlung
durchzuführen.
Danach wurden verschiedene Zinkphosphatbehandlungen durchgeführt, wonach das
Material gewaschen und getrocknet wurde.
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3-1. Zinkphosphat-Behandlungsverfahren
1
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Behandlungsgrundlösung A (Beispiele 1 bis 6 und
Vergleichsbeispiele 1 und 2)
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Phosphatbehandlungsbad
A (5 g/l Phosphorsäureionen,
1 g/l Zn-Ionen, 2 g/l Ni-Ionen, 0,5 g/l Mg-Ionen, 0,15 g/l Fluor
und 1 g/l Salpetersäureionen)
wurde als Behandlungsgrundlösung
verwendet. Die Temperatur des Behandlungsbads war auf 60°C eingestellt,
und die Phosphatbehandlung wurde durch Spritzbehandlung durchgeführt. Danach
wurde das Material gewaschen und getrocknet (Vergleichsbeispiel
1).
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Magnesiumnitrat
in Metallionenmengen von 5,0, 10 und 30 g/l wurde dem Behandlungsbad
A zugegeben, und die gleiche Behandlung wurde durchgeführt. Danach
wurde die Behandlungszeit geändert,
um die Zinkphosphatbeschichtungen mit den Beschichtungsmengen gemäß Tabelle
1 zu bilden.
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Beträgt gemäß dieser
Tabelle die Konzentration der Mg-Ionen
im Bad 5,5 g/l (Vergleichsbeispiel 2), sind die Kristalle nicht
körnig,
und die Umformbarkeit ist nicht zufriedenstellend. Da hierbei die
Konzentration der Mg-Ionen im Bad in diesem Fall die Summe aus den
5, 0 g/l Mg-Ionen in Zugabe zu den 0,5 g/l Mg-Ionen im Grundbad
ist, beträgt
sie 5,5 g/l. Bei Zugabe von 10 und 30 g/l Mg-Ionen wurde in allen
Fällen (Beispiele
1 bis 6) ausgezeichnete Umformbarkeit erreicht. Weiterhin zeigten
die Beispiele 2 und 4, in denen die Mg-Menge in der Beschichtung groß war, auch
gute Korrosionsbeständigkeit.
Ist die Menge der Beschichtung wie im Beispiel 1 klein, verschlechtert
sich die Schweißbarkeit.
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Behandlungsgrundlösung B (Beispiele 7 und 8 und
Vergleichsbeispiel 3)
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Phosphatbehandlungsbad
B (2,5 g/l Phosphorsäureionen,
0,5 g/l Zn-Ionen, 1 g/l Ni-Ionen, 0,25 g/l Mg-Ionen, 0,1 g/l Fluor
und 1 g/l Salpetersäureionen)
wurde als Behandlungsgrundlösung
verwendet. Die Temperatur des Behandlungsbads war auf 60°C eingestellt,
und die Phosphatbehandlung wurde durch Spritzbehandlung durchgeführt. Danach
wurde das Material gewaschen und getrocknet (Vergleichsbeispiel
3).
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Magnesiumnitrat
in Metallionenmengen von 10 und 30 g/l wurde dem Behandlungsbad
B zugegeben, und die gleiche Behandlung wurde durchgeführt. Danach
wurde die Behandlungszeit geändert,
um die Zinkphosphatbeschichtungen gemäß Tabelle 1 zu bilden (Beispiel
7 und 8).
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Die
Umformbarkeit war im Vergleichsbeispiel schlecht, wogegen gute Umformbarkeit
im erfindungsgemäßen Bereich
erzielt wurde.
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Behandlungsgrundlösung C (Beispiel 9)
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Phosphatbehandlungsbad
C, das keine Mg-Ionen enthielt (10 g/l Phosphorsäureionen, 2,0 g/l Zn-Ionen,
5 g/l Ni-Ionen, 0,2 g/l Fluor und 1 g/l Salpetersäureionen),
wurde als Behandlungslösung
verwendet. Magnesiumnitrat in einer Metallionenmenge von 30 g/l
wurde zugegeben, und die Temperatur des Behandlungsbads wurde auf
60°C eingestellt.
Danach wurde die Phosphatbehandlung durch Spritzbehandlung durchgeführt. Anschließend wurde
das Material gewaschen und getrocknet (Beispiel 9). Im erfindungsgemäßen Bereich
wurde gute Umformbarkeit erreicht.
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Behandlungsgrundlösung D (Beispiel 10)
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Phosphatbehandlungsbad
D, das keine Mg-Ionen enthielt (20 g/l Phosphorsäureionen, 4,0 g/l Zn-Ionen,
1 g/l Ni-Ionen, 0,2 g/l Fluor und 1 g/l Salpetersäureionen),
wurde als Behandlungslösung
verwendet. Magnesiumnitrat in einer Metallionenmenge von 60 g/l
wurde zugegeben, und die Temperatur des Behandlungsbads wurde auf
60°C eingestellt.
Danach wurde die Phosphatbehandlung durch Spritzbehandlung durchgeführt. Anschließend wurde
das Material gewaschen und getrocknet (Beispiel 10). Im erfindungsgemäßen Bereich
wurde gute Umformbarkeit erreicht.
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Behandlungsgrundlösung E (Beispiel 11 und Vergleichsbeispiele
4 und 5)
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Phosphatbehandlungsbad
E, das keine Mg- oder Ni-Ionen enthielt (10 g/l Phosphorsäureionen,
2,0 g/l Zn-Ionen, 0,2 g/l Fluor und 1 g/l Salpetersäureionen),
wurde als Behandlungsgrundlösung
verwendet. Die Temperatur des Behandlungsbads war auf 60°C eingestellt,
und die Phosphatbehandlung wurde durch Spritzbehandlung durchgeführt. Anschließend wurde
das Material gewaschen und getrocknet (Vergleichsbeispiele 4 und
5).
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Magnesiumnitrat
in einer Metallionenmenge von 30 g/l wurde dem Behandlungsbad E
zugegeben, wonach die gleiche Behandlung durchgeführt wurde.
Anschließend
wurde eine Zinkphosphatbeschichtung gebildet (Beispiel 11). Im Vergleichsbeispiel
war die Umformbarkeit schlecht, wogegen im erfindungsgemäßen Bereich
gute Umformbarkeit erreicht wurde.
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Behandlungsgrundlösung F (Beispiel 12 und Vergleichsbeispiel
6)
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Co
wurde der o. g. Behandlungsgrundlösung A zugegeben, um das Phosphatbehandlungsbad
F herzustellen (5 g/l Phosphorsäureionen,
1,0 g/l Zn-Ionen, 2 g/l Ni-Ionen, 0,5 g/l Mg-Ionen, 2 g/l Co-Ionen,
0,15 g/l Fluor und 1 g/l Salpetersäure ionen). Die Temperatur des
Behandlungsbads war auf 60°C
eingestellt, und die Phosphatbehandlung wurde durch Spritzbehandlung
durchgeführt.
Danach wurde das Material gewaschen und getrocknet (Vergleichsbeispiel
6).
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Magnesiumnitrat
in einer Metallionenmenge von 30 g/l wurde dem Behandlungsbad F
zugegeben, wonach die gleiche Behandlung durchgeführt wurde.
Anschließend
wurde eine Zinkphosphatbeschichtung von 1,6 g/m2 gebildet.
Im Vergleichsbeispiel war die Umformbarkeit schlecht, wogegen im
erfindungsgemäßen Bereich
gute Umformbarkeit erreicht wurde.
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Gemäß Tabelle
1 zeigten im Gegensatz zur ausgezeichneten Umformbarkeit, die mit
gutem Formgebungsvermögen
mit Ziehsicken in den Beispielen der Erfindung erhalten wurde, die
außerhalb
des Bereichs der Erfindung liegenden Vergleichsbeispiele eine erhebliche
Beeinträchtigung
der Umformbarkeit.
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3-1. Zinkphosphat-Behandlungsverfahren
2
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Behandlungsgrundlösung G (Beispiele 13 und 14
und Vergleichsbeispiele 7 und 8)
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Phosphatbehandlungsbad
G, das keine Mg-Ionen oder Zn-Ionen
enthielt (10 g/l Phosphorsäureionen, 0,2
g/l Fluor und 1 g/l Salpetersäureionen),
wurde als Behandlungsgrundlösung
hergestellt.
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Zinknitrat,
Magnesiumnitrat und Salpetersäure
wurden dem Behandlungsbad G zugegeben, um die Konzentration von
Zn-Ionen, Mg-Ionen und Salpetersäureionen
gemäß Tabelle
2 einzustellen. Die Temperatur des Behandlungsbads war auf 60°C eingestellt,
und die Phosphatbehandlung wurde durch Spritzbehandlung durchgeführt. Danach
wurde das Material gewaschen und getrocknet. Zu beachten ist, daß die Behandlungszeit
in den Beispielen auf 2 Sekunden eingestellt war, während die
Behandlungszeit in den Vergleichsbeispielen auf 10 Sekunden eingestellt
war.
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In
den Beispielen 13 und 14 ist es möglich, eine Beschichtung zu
bilden, wenn die Lösung
mindestens 10 g/l Mg-Ionen
und mindestens 40 g/l Salpetersäureionen
enthält,
und jedes fällt
in den Bereich der Erfindung.
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Dagegen
wurde in den Vergleichsbeispielen 7 und 8, da diese ungenügend Mg-Ionen
und Salpetersäureionen
enthielten, auch mit einer Behandlungszeit von 10 Sekunden keine
Beschichtung gebildet.
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3-3. Herstellungsverfahren der komplexen
phosphatbehandelten Beschichtung (Beispiele 15 bis 18 und Vergleichsbeispiele
9 bis 11
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Nach
Entfetten des Materials (d. h. verzinkten Stahlblechs) kam ein handelsübliches
Behandlungsmittel auf Titankolloidbasis (PL-ZN, hergestellt von
Nihon Parkerizing Co., Ltd.) zum Einsatz, um eine Vorbehandlung
durchzuführen.
Anschließend
wurden mit dem gleichen Verfahren wie in den Beispielen 4 und 6
ein Grundmaterial a (Beschichtungsmenge 0,6 g/m2)
und ein Grundmaterial b (Beschichtungsmenge 1,6 g/m2) hergestellt,
auf denen Zinkphosphatbeschichtungen vorab gebildet waren.
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Ferner
wurde ein Grundmaterial c mit dem gleichen Verfahren wie im Vergleichsbeispiel
1 hergestellt.
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Unter
Verwendung der mit einer Zinkphosphatbeschichtung behandelten Grundmaterialien
a, b, und c wurde ferner eine schwere wäßrige Magnesiumsphosphatlösung (50
%ige wäßrige Lösung von
schwerem Mg-Phosphat, hergestellt von Yoneyama Chemical Industries
Co., Ltd., 5-fach verdünnt)
mit Hilfe eines Walzenbeschichters aufgetragen und so getrocknet,
daß die
Blechtemperatur 110°C
erreichte. Die Drehzahl wurde so gesteuert, daß die Gewichte der aufgetragenen
Beschichtungen die Beschichtungsgewichte gemäß Tabelle 3 waren.
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Gemäß Tabelle
3 zeigten im Gegensatz zur ausgezeichneten Umformbarkeit, die mit
gutem Formgebungsvermögen
mit Ziehsicken in den Beispielen der Erfindung erhalten wurde, die
außerhalb
des Bereichs der Erfindung liegenden Vergleichsbeispiele eine erhebliche
Beeinträchtigung
der Umformbarkeit.
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4. Bewertungsverfahren
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(1) Messung des mittleren Verhältnisses
der Hauptachse zur Nebenachse
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Nach
Entfetten jedes der Materialien mit Lösungsmittel (n-Hexan) wurde
das mittlere Verhältnis
durch Fotografieren willkürlicher
Stellen auf der Oberfläche
des Stahlblechs (mit einer Beschleunigungsspannung von 15 kV und
5000-fachen Vergrößerung)
durch REM (JSM-6400, hergestellt von JEOL Ltd.) gemessen.
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Mit
Hilfe der so erhaltenen Fotografien wurden jene Kristalle mit einem
Verhältnis
der Hauptachse zur Nebenachse, das 1,00 am nächsten lag, und jene Kristalle,
deren Verhältnis
der Hauptachse zur Nebenachse am größten war, aus allen Kristallen
im Sichtfeld vermessen, für
die eine Bestimmung bezüglich
der Kristallkorngrenzfläche
möglich
war.
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Abschließend wurde
das mittlere Verhältnis
anhand des Mittels der Kristalle, deren Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse
1,00 am nächsten
lag, und der Kristalle, deren Verhältnis der Hauptachse zur Nebenachse
am größten war,
ermittelt.
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(2) Messung des Stärkeverhältnisses Ia/Ib
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Nach
Entfetten jedes der Materialien mit Lösungsmittel (n-Hexan) wurde
ein 40 mm großes
Rundstück mit
Hilfe eines Röntgenbeugungsmessers
(XRD) (RINT-1500, hergestellt von Rigaku Denki K. K.) unter den folgenden
Bedingungen gemessen.
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XRD-Meßbedingungen:
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- Röntgenröhrenkathode:
Cu (Kα),
Röhrenspannung:
40 kV,
- Röhrenstrom:
200 mA
- Meßoberfläche: 5 mm × 12 mm
- Abtastwinkel des Meßbereichs:
5 bis 40°
- Divergenzschlitz: 1°,
Lichtempfangsschlitz: 0,6 mm
- Abtastschritt: 0.02°,
Abtastgeschwindigkeit: 4°/min
- Zähler:
Szintillationszähler
- Oberflächennormale:
senkrecht zur Oberfläche
der Materialplatte
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Der
größte Stärkewert
der maximalen Spitze (Ia) (Einheit Zyklen/s), bei dem 2θ mindestens
9,540° und höchstens
9,800° betrug,
und der größte Stärkewert
der maximalen Spitze (Ib) (Einheit Zyklen/s), bei dem 2θ mindestens
19,200° und
höchstens
19,660° betrug,
wurden anhand der gemessenen Spitzen erhalten.
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Abschließend wurde
das Stärkeverhältnis (Ia/Ib)
bestimmt.
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(3) Biegeumformbarkeit durch U-Ziehsicken
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Nach
Schneiden eines Probestücks
auf 30 mm × 300
mm Größe wurde
es in Detergensöl
(RL55, hergestellt von Idemitsu Industries Co., Ltd.) eingetaucht
und walzengezogen. Danach wurde ein kontinuierliches U-Sickenbiegeverfahren
durchgeführt.
Zur Bearbeitung kam eine 60-Tonnen-Kurbelpresse zum Einsatz. Die Bearbeitungsbedingungen
waren wie folgt: Niederhaltekraft = 1 Tonne, Bearbeitungshöhe = 40
mm, Sickenabschnittstempel R = 5 mm, Sickenabschnittgesenk R = 1
mm, Stempel R = 5 mm, und Bearbeitungsgeschwindigkeit = 25 Hübe/min.
Die Bewertung erfolgte anhand der möglichen Häufigkeit beim kontinuierlichen
Formen, und als Erfolg galt, wenn 10-faches Formen ohne Rißbildung
möglich
war.
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(4) Korrosionsbeständigkeit
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Nach
Schneiden eines Probestücks
auf 150 mm × 70
mm Größe wurde
die Kante der Schnittfläche versiegelt,
und es wurde eine Korrosionsbeständigkeitsuntersuchung
am Rohling mit Hilfe eines Korrosionszyklusprüfers durchgeführt (*die
Bedingungen dafür
werden später
beschrieben). Die Bewertung erfolgte durch Messung des Verhältnisses
der Oberfläche,
auf der Rost nach 5 Zyklen auftrat, mit Hilfe eines Bildanalysators.
Als Erfolg galt, wenn das Verhältnis
der Oberfläche,
auf der Rost auftrat, nach 5 Zyklen unter 1% lag.
- *Bedingungen
für die
Korrosionszyklusprüfung
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Ein
Zyklus mit:
Salzwassersprühen
(6 Stunden) → Trocknen
(3 Stunden) → Benetzen
(14 Stunden) → Trocknen
(1 Stunde) wurde bei jeweiligen Prüfbedingungen wie folgt wiederholt:
5%
NaCl, 35°C → 50°C, 45% relative
Luftfeuchtigkeit → 50°C, 95% relative
Luftfeuchtigkeit → 50°C, 45% relative
Luftfeuchtigkeit.
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(5) Schweißbarkeit
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Nach
Schneiden eines Probestücks
auf 100 mm × 300
mm Größe wurde
es mit Rostschutzöl
(Noxrust 530F60, hergestellt von Parker Industries Co., Ltd.) beschichtet
und danach unter den (*später
beschriebenen) Bedingungen mit Hilfe eines Geräts ND 70-24, hergestellt von
Dengen Ltd., vermessen. Vorab wurde der Wert des streuungserzeugenden
Stroms gemessen, und anhand des Werts des streuungserzeugenden Stroms wurde
bei einem Stromwert von höchstens
0,3 kA die zusammengesetzte kontinuierliche Punktschweißleistung
untersucht. Als Erfolg galt ein Linsendurchmesser von mindestens
3,6 mm nach 500 Punktschweißungen.
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Punktschweißbedingungen
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- Elektrode: CF-(Cu-Cr-) Elektrode mit 5 mm Spitzendurchmesser
- Wasservolumen: 3 l/min, Anpreßdruck: 200 kp
- Folge: Vorhaltezeit 60 Zyklen, Anstieg 1 Zyklus, Schweißzeit 13
Zyklen, Nachhaltezeit 2 Zyklen
- Zusammengesetztes kontinuierliches Punktschweißverfahren:
Prüfer (25
Punkte) → 10
Sekunden Pause → kaltgezogenes
Stahlblech (25 Punkte) → 10
Sekunden Pause, wiederholt für
500 Punktschweißungen
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(6) Analyse der Beschichtungsmenge und
Mg-Menge in der Beschichtung
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- 1) Die Menge der zinkphosphatbehandelten Beschichtung
wurde mit dem im folgenden dargestellten Verfahren gemessen.
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Zunächst wurde
ein Prüfstück mit Hilfe
einer Präzisionswaage
gewogen, wonach das Prüfstück in 5 %iger
Chromsäure
5 Minuten bei Raumtemperatur aufgelöst wurde. Anschließend wurde
es mit Wasser gewaschen, getrocknet, und das Prüfstück wurde gewogen. Die Beschichtungsmenge
(g/m2) wurde als Gewichtsdifferenz vor und
nach Auflösung
dividiert durch die aufgelöste
Oberfläche
ermittelt.
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Als
nächstes
wurde mit Hilfe der bei der Beschichtungsgewichtsmessung verwendeten
Chromsäurelösung die
Mg-Haftmenge je Flächeneinheit
in der Phosphorsäurebeschichtung
durch ICP (Lichtemissionsverfahren mit induktiv gekoppeltem Plasma)
gemessen.
- 2) Die Gesamtmenge der komplexen
phosphatbehandelten Beschichtung wurde mit dem im folgenden dargestellten
Verfahren gemessen.
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Zuerst
wurde das Prüfstück gewogen,
das eine vorab darauf gebildete zinkphosphatbehandelte Beschichtung
hatte. Danach wurde schweres Magnesiumphosphat darauf aufgetragen,
und das Prüfstück wurde gewogen.
Der Betrag der Zunahme wurde als Menge der schweren Magnesiumphosphatbeschichtung
ermittelt.
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Als
nächstes
wurde das Prüfstück zur Messung
der gesamten komplexen Phosphatbeschichtungsmenge gewogen, wonach
das Prüfstück in 5
%iger Chromsäure
5 Minuten bei Raumtemperatur aufgelöst wurde. Anschließend wurde
das Prüfstück gewaschen
und getrocknet, und das Prüfstück wurde
gewogen. Die Beschichtungsmenge (g/m2) wurde
als Gewichtsdifferenz vor und nach Auflösung dividiert durch die aufgelöste Oberfläche ermittelt.
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Als
nächstes
wurde mit Hilfe der bei der Beschichtungsgewichtsmessung verwendeten
Chromsäurelösung die
Mg-Haftmenge je Flächeneinheit
in der komplexen Phosphatbeschichtung durch ICP (Lichtemissionsverfahren
mit induktiv gekoppeltem Plasma) gemessen.
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GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT
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Erfindungsgemäß ist es
möglich,
ein phosphatbehandeltes verzinktes Stahlblech mit ausgezeichneter Umformbarkeit
zu erhalten, die im Stand der Technik nicht erreicht wird. Das Stahlblech
der Erfindung ist einfach herzustellen und kostengünstig und
läßt sich
vorzugsweise für
verschiedene Einsatzzwecke anwenden, z. B. in Fahrzeugen, Hausgeräten, Baumaterialien
und dergleichen.