Universität zu Köln

Dohr, Robin (2026). Phosphatierung von Al-Si-beschichtetem Stahl zur Optimierung der Wärmeaufnahme im Warmumformprozess. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde erstmals die Reinigung und Phosphatierung von Al-Si-beschichtetem Stahl im Zusammenhang mit der Warmumformung untersucht. Ziel war es, durch Reinigung und Phosphatierung den im Ausgangszustand niedrigen Emissionsgrad des Überzugs zu erhöhen, um die Wärmeaufnahme im Ofenprozess zu verbessern. Die alkalische Reinigung führte zu einer Erhöhung der oberflächennahen Siliziumkonzentration, wodurch die Reflexion im infraroten Spektralbereich abnahm und der Emissionsgrad signifikant anstieg. Die nachfolgende Phosphatierung bildete eine kristalline Hopeitschicht, welche die Reflexion weiter reduzierte. Nach Optimierung der Phosphatierungsparameter stieg der Emissionsgrad ε_920 von 0,36 (Referenz) auf bis zu 0,71 (120 s Phosphatierungszeit). Die in einem Muffelofen in situ erfassten Aufheizkurven zeigten eine Halbierung der Aufheizzeit bis 900 °C (t_900) von etwa 200 s bei der unbehandelten Referenz auf ca. 100 s bei der phosphatierten Variante (120 s Phosphatierungszeit). Diese Beschleunigung korrelierte direkt mit dem erhöhten Emissionsgrad. Der Effekt der Emissionsgraderhöhung beruht einerseits auf einer oberflächennahen Siliziumanreicherung in der Aluminium-Matrix des Überzugs, die infolge der alkalischen Reinigung sowie des fluoridhaltigen, leicht sauren Phosphatierbades entsteht. Andererseits führt die Ausbildung der kristallinen Hopeitschicht zu einer Abdeckung der stark reflektierenden Aluminiumoberfläche und damit zu zusätzlicher Absorption durch Mehrfachreflexionen innerhalb der Schicht und durch Gittervibrationen der Phosphat- und Kristallwasser-Einheiten. Darüber hinaus entstehen während der Phosphatierung metallische Nanopartikel (Zn, Ni, Cu) an der Überzugsoberfläche, die zusätzliche, breitbandige Absorptionsbeiträge liefern und den Emissionsgrad weiter erhöhen. Während der Wärmebehandlung reagiert die Phosphatschicht über ein amorphes, kristallwasserhaltiges Zwischenprodukt zu kristallinem Zn3(PO4)2, das sich bei längeren Haltezeiten weiter zu ZnAl2O4 (Gahnit) und AlPO4 (Tridymit-Struktur) umsetzt. Nach der Wärmebehandlung wird ein signifikanter Phosphorverlust von etwa 60 % beobachtet, der auf die Bildung flüchtiger Phosphoroxide hindeutet. Nach der Wärmebehandlung zeigen alle Varianten ein martensitisches Stahlgefüge mit typischem Überzugsaufbau, bestehend aus Fe2Al5 als Hauptphase. Unterschiede im Überzugsaufbau bestehen hauptsächlich in der Dicke der Interdiffusionszone, die mit steigender Aufheizgeschwindigkeit, bedingt durch verstärkte Diffusion, zunimmt. Die Phosphatierung beeinflusst die Lackhaftung und das Korrosionsverhalten nicht signifikant, erhöht jedoch den elektrischen Widerstand bei der Widerstandspunktschweißung, weshalb für die Weiterverarbeitung kurze Phosphatierungszeiten bevorzugt werden sollten. Insgesamt zeigt die Arbeit, dass die Phosphatierung von Al-Si-beschichtetem Stahl den Emissionsgrad signifikant erhöhen und dadurch einen effizienteren Warmumformprozess ermöglichen kann. Die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Weiterverarbeitungseigenschaften weisen darauf hin, dass die Phosphatierung die nachgeschalteten Prozessschritte nicht maßgeblich beeinträchtigt.