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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Behandeln beschichteter Bleche.
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Ein
grundlegendes Verfahren zum Behandeln von Blechen stellt das Presshärten dar,
welches auch als Formhärten
bezeichnet wird. Bei diesem Verfahren werden Bleche, beispielsweise
aus vorlegierten Stählen,
zunächst
so lange auf eine Austenitisierungstemperatur von etwa 950°C erhitzt,
bis sich in den Blechen eine im Wesentlichen homogene Austenitstruktur
einstellt. Die austenitisierten Bleche werden dann möglichst
zügig vom
Ofen hin zu einem Umformwerkzeug transportiert, wobei generell angestrebt
wird, während
dieses Transports ein übermäßiges Abkühlen der
Bleche und eine damit einhergehende vorzeitige Gefügeumwandlung
zu vermeiden. Die Bleche werden sodann von einem Umformwerkzeug
mit hoher Umformgeschwindigkeit umgeformt. Anschließend erfolgt
in der Regel ein Vergüten
der Bleche, also insbesondere ein Härten und unter Umständen ein
anschließendes
Anlassen.
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Beim
Härten
der Bleche, d. h. beim Überführen der
Austenitstruktur in eine Martensitstruktur, werden die Bleche mit
einer Geschwindigkeit von etwa 27 Kelvin pro Sekunde (K/s) oder
schneller abgekühlt.
Durch die Martensitbildung werden bei den Blechen Festigkeiten von
beispielsweise bis zu 1600 Newton pro Quadratmillimeter (MPa) erreicht.
Dabei wird in der Regel angestrebt, eine möglichst homogene Festigkeitsverteilung
in den Blechen zu erreichen.
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Vor
dem Presshärten
werden die Bleche in der Regel mit einem geeigneten Material beschichtet, um
zum einen während
des Warmumformens Zunderbildung und Randentkohlungen zu vermeiden
und zum anderen die Bleche gegen Korrosionen zu schützen. Zunderrückstände an den
Blechen könnten
bekanntlich einen abrasiven Verschleiß von Werkzeugen bewirken.
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Eine
solche Beschichtung ist beispielsweise eine Aluminium-Silizium-(Al-Si)
Beschichtung, die umgangssprachlich und im Folgenden auch als feueraluminierte
(FAL-)Beschichtung bezeichnet wird, oder eine Zink-Beschichtung.
Derartige Beschichtungen werden insbesondere für Bleche verwendet, deren Grundwerkstoff
ein häufig
verwendeter Mangan-Bor-Stahl ist.
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Es
ist ein dieser Erfindung zugrundeliegendes technisches Problem,
ein verbessertes Verfahren und/oder eine verbesserte Vorrichtung
zum Behandeln beschichteter Bleche vorzuschlagen.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das technische Problem
gelöst
für ein
Verfahren zum Behandeln eines beschichteten Blechs aus einem Grundwerkstoff
und einem Beschichtungsmaterial mit folgenden Schritten:
- – Vorbehandeln
des beschichteten Blechs durch Einprägen von Energie in eine Randzone
des beschichteten Blechs für
eine bestimmte Zeitspanne zum Erwirken eines lokalen Erwärmens des
beschichteten Blechs in der Randzone sowie einer Diffusion zwischen
Beschichtungsmaterials und Grundwerkstoff, wobei
– die Randzone
von der Oberfläche
des beschichteten Blechs in den Grundwerkstoff hineinreicht und
– die bestimmte
Zeitspanne derart bestimmt ist und die Energie derart bemessen ist,
dass während
der bestimmten Zeitspanne ein Mindesttemperaturgradient zwischen
einer Temperatur in einem Kernbereich des Grundwerk stoffes außerhalb
der Randzone und einer Temperatur in der Randzone aufrechterhalten
bleibt und
- – Erhitzen
des vorbehandelten Blechs zum Erwirken eines Austenitisierens des
vorbehandelten Blechs.
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Die
vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei der Diffusion
zwischen Beschichtungsmaterials und Grundwerkstoff eine bestimmte Aufheizgeschwindigkeit,
von beispielsweise 12 K/s bis zu einer Temperatur von etwa 700°C, nicht überschritten
werden darf, um ein Abtropfen des Beschichtungsmaterials zu vermeiden.
Aufgrund dieser Begrenzung müssen
die beschichteten Bleche bei bekannten Verfahren, bei denen das
Diffundieren und das Austenitisieren gewöhnlich in einem einzigen Ofen
erfolgt und bei denen in einem eigenständigen Glühprozess immer das gesamte
beschichtete Blech erwärmt
wird, für
eine vergleichsweise lange Zeit in diesem Ofen verbleiben, was im
Falle eines häufig
eingesetzten Rollenherdofens, bei dem die beschichteten Bleche mittels
Schienenrollwagons durch den Ofen transportiert werden, in einer
sehr langen Ofenlänge
resultiert. Bekannt sind beispielsweise Rollenherdöfen mit
einer Länge
von 30 m bis 60 m. Die Länge
derartiger Öfen
hängt maßgeblich von
dem verwendeten Beschichtungsmaterial und dem zu fertigen Bauteilespektrum
ab.
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Unbeschichtete
Bleche hingegen können
mit weitaus höheren
Aufheizgeschwindigkeiten verarbeitet werden, da keine Rücksicht
auf eine Diffusion genommen werden muss.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht ein dem eigentlichen Presshärten vorgelagertes zweistufiges
Behandeln der beschichteten Bleche vor, nämlich erstens das Vorbehandeln
und zweitens das Erhitzen zum Zwecke des Austenitisierens. Insbesondere
sieht das erfindungsgemäße Verfahren
eine bevorzugt räumliche
und zeitliche Trennung dieser zwei Stufen vor, also eine Trennung
des Diffusionsprozesses vom Austenitisierungsprozess.
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Zunächst erfolgt
eine Wärmebehandlung, um
eine Diffusion zwischen Beschichtungsmaterial, wie bspw. Al-Si oder
Zink, und Grundwerkstoff, wie beispielsweise 22Mn65, zu bewirken.
Bei der Diffusion diffundiert insbesondere Eisen aus dem Grundwerkstoff
in das Beschichtungsmaterial. Dadurch steigt die Schmelztemperatur
der Beschichtung, beispielsweise von 600°C auf 1100°C und damit über die Austenitisierungstemperatur
von z. B. borlegiertem Stahl, die zwischen 850°C und 920°C liegt. Die Oberfläche des beschichten
Blechs bildet nach dem Vorbehandeln beispielsweise eine Fe-Al-Si-Schicht. Die
eingeprägte
Energie ist im Ergebnis eine Wärmeenergie.
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Das
Erwärmen
der Randzone erfolgt bevorzugt mit einer hohen Aufwärmgeschwindigkeit,
beispielsweise mit einer Geschwindigkeit von 100 bis 200 K/s, um
schnell eine hohe Temperatur in der Randzone zu erreichen, die eine
hohe Diffusionsrate bewirkt. Dabei ist vorteilhaft, wenn die Beschichtung kurzzeitig
aufgeschmolzen wird. Ein – möglichst
hoher – Mindesttemperaturgradient
zwischen Randzone und Kernbereich des Blechs erlaubt, dass sich
die Beschichtung nach Ablauf der bestimmten Zeitspanne, also nach
dem Einprägen
der bemessenen Energie, schnell wieder unter die Schmelztemperatur
der Beschichtung abkühlt,
weil der Grundwerkstoff des Bleches die eingeprägte Energie zu großen Teilen aufnimmt.
Dadurch werden ein Abtropfen der Beschichtung und/oder ähnliche
unerwünschte
Effekte vermieden.
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Der
Prozess des schnellen, kurzzeitigen und damit lokal begrenzten Erwärmens der
Randzone zum Hervorrufen einer Diffusion sowie eines schnellen anschließenden Abkühlens kann
mehrfach wiederholt werden, bis eine ausreichende Diffusion insbesondere
von Eisenatomen in die Beschichtung erfolgt ist. Letzteres erhöht die Schmelztemperatur
der Beschichtung und erlaubt anschließend ein effizientes Austenitisieren
des vorbehandelten, beschichteten Blechs.
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Die
Wärmebehandlung
zum Zwecke der Diffusion bleibt erfindungsgemäß auf die Randzone beschränkt.
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Die
lokale Beschränkung
der Erwärmung des
beschichteten Blechs ist beispielsweise durch Wählen einer geeignet hohen Relativgeschwindigkeit zwischen
für das
Einprägen
der Energie vorgesehenen Heizmitteln und der vorzubehandelnden beschichteten
Bleche sichergestellt. Während
des Erwärmens
der Randzone kann eine Temperatur des Beschichtungsmaterials kurzzeitig
Werte über
der Schmelztemperatur annehmen.
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Die
vorbehandelten Bleche, bei denen die Diffusion zwischen Beschichtungsmaterial
und Grundwerkstoff bereits stattgefunden hat, können damit mit einer ähnlichen
Geschwindigkeit erhitzt werden wie unbeschichtete Bleche, also mit
einer höheren
Geschwindigkeit. Entsprechend dem Vorstehenden stellt das erfindungsgemäße Verfahren
damit insbesondere ein in ökonomischer
Hinsicht verbessertes Verfahren zum Behandeln beschichteter Bleche
dar, da beispielsweise die Zeit, die die beschichteten Bleche im Austenitisierungsofen
und/oder die Länge
des Austenitisierungsofens reduziert ist/sind. Beispielsweise kann
die Länge
des Ofens, der ein Austenitisieren des vorbehandelten Blechs erwirken soll,
um etwa 30% reduziert werden.
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Die
beschichteten Bleche sind beispielsweise Fein-, Mittel- oder Grobbleche.
Die beschichteten Bleche, die im Rahmen der Beschreibung der vorliegenden
Erfindung auch als Platinen bezeichnet sind, weisen einen inneren
Grundwerkstoff auf, der mit dem Beschichtungsmaterial beschichtet
ist. Der Grundwerkstoff ist beispielsweise ein borlegierter Stahl,
wie eine Mangan-Bor-Stahllegierung, bevorzugt 22Mn65.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bildet insbesondere ein Verfahren zum Behandeln feueraluminierter
Bleche. Bei derartigen Blechen ist das Beschichtungsmaterial eine
Aluminium-Silizium-Legierung, beispielsweise mit einem 87%igen Aluminiumanteil,
einem 10%igen Siliziumanteil und einem 3%igen Eisenanteil.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
bildet ferner ein Verfahren zum Behandeln mit Zink beschichteter
Bleche.
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Zum
Erzielen einer geeigneten Beschichtungseigenschaft wird das beschichtete
Blech bevorzugt wiederholt nach Art des erfindungsgemäßen Verfahrens
behandelt.
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Das
Bestimmen der Zeitspanne erfolgt beispielsweise durch ein Festlegen
einer Transportgeschwindigkeit der beschichteten Bleche durch einen für das Vorbehandeln
ausgelegten Diffusionsofen.
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Bevorzugt
erfolgt während
des Vorbehandelns überhaupt
kein Austenitisieren des beschichteten Blechs.
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Nachfolgend
werden weitere Ausführungsbeispiele
des ersten Aspektes der vorliegenden Erfindung beschrieben. Die
zusätzlichen
Merkmale der weiteren Ausführungsbeispiele
können
miteinander und/oder mit den oben bereits beschriebenen optionalen
Merkmalen zur Bildung neuer Ausführungsformen
kombiniert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird das beschichtete Blech in einem Diffusionsofen vorbehandelt,
das vorbehandelte Blech sodann in einen zweiten Ofen überführt und
in diesem zum Zwecke des Austenitisierens erhitzt.
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Diese
Ausführungsform
erweist sich als zweckmäßig, da
der Diffusionsofen und der dem Austenitisieren des vorbehandelten
Blechs dienende zweite Ofen zum einen räumlich voneinander getrennt
angeordnet werden können
und zum anderen unabhängig
voneinander ausgestaltet werden können.
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Es
sind aber auch Ausführungsformen
denkbar, bei denen das Vorbehandeln und das anschließende Erhitzen
in Reihe in einem einzigen Ofen erfolgt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die bemessene Energie mittels elektromagnetischer Wellen in
die Randzone eingeprägt
und das lokale Erwärmen
durch Erzeugen von Wirbelströmen
in der Randzone erwirkt.
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In
dieser Ausführungsform
erfolgt das Einprägen
der Energie induktiv und damit kontaktfrei, beispielsweise über Längsfeldinduktion.
In dieser Ausführungsform
wird das lokal begrenzte Erwärmen des
beschichteten Blechs insbesondere unter Ausnutzung des sog. Skin-Effektes
erzielt. Die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen in die
Randzone bestimmt sich dabei durch den dem Fachmann bekannten Zusammenhang
von Eindringtiefe einerseits und elektrischer Leitfähigkeit
und Permeabilität der
Randzone sowie Frequenz der elektromagnetischen Wellen andererseits.
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In
einer Ausführungsform
bilden die elektromagnetischen Wellen ein Wechselmagnetfeld und erfolgt
das Einprägen
der bemessenen Energie in die Randzone per Längsfeldinduktion, beispielsweise mittels
einer Induktorspule, die auch als Induktionsspule bezeichnet wird.
Die Frequenz des Wechselmagnetfeldes beziehungsweise eines von der
Induktorspule gefüllten
Wechselstroms beträgt
beispielsweise zwischen 5 kHz und 150 kHz. Im Falle eines feueraluminierten
22MnB5 Stahls bevorzugt 100 kHz.
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Bei
dem lokalen Erwärmen
des beschichteten Blechs in der Randzone ist in der Ausführungsform,
bei der die bemessene Energie mittels elektromagnetischer Wellen
in die Randzone eingeprägt wird,
sichergestellt, dass das beschichtete Blech nirgends eine Temperatur
oberhalb der Curie-Temperatur überschreitet.
Unterhalb der Curie-Temperatur, die
bei einigen borlegierten Stählen
beispielsweise bei etwa 740°C
liegt, ist die Eindringtiefe der elektromagnetischen Wellen durch
den Skin-Effekt und der ver gleichsweise hohen Permeabilität begrenzt.
Oberhalb der Curie-Temperatur nimmt die Permeabilität bei einigen
Stoffen bekanntlich mit steigender Temperatur rapide ab und die
Eindringtiefe damit zu.
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In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform
werden die elektromagnetischen Wellen mittels eines Lasers erzeugt.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird das oben genannte
technische Problem gelöst
für eine
Vorrichtung zum Behandeln eines beschichteten Blechs aus einem Grundwerkstoff
und einem Beschichtungsmaterial, die folgende Komponenten umfasst:
- – einen
Diffusionsofen mit einer ersten Heizeinrichtung zum Vorbehandeln
des beschichteten Blechs, der ausgebildet ist, für eine bestimmte Zeitspanne
Energie in eine Randzone des beschichteten Blechs zum Erwirken eines
lokalen Erwärmens
des beschichteten Blechs in der Randzone sowie einer Diffusion zwischen
Beschichtungsmaterial und Grundwerkstoff einzuprägen, wobei
– die Randzone
von der Oberfläche
des beschichteten Blechs in den Grundwerkstoff hineinreicht und
– die bestimmte
Zeitspanne derart bestimmt ist und die Energie derart bemessen ist,
dass während
der bestimmten Zeitspanne ein Mindesttemperaturgradient zwischen
einer Temperatur in einem Kernbereich des Grundwerkstoffes außerhalb
der Randzone und einer Temperatur in der Randzone aufrechterhalten
bleibt, um ein schnelles Abkühlen
der Randzone nach Ende der bestimmten Zeitspanne zu erlauben, und
- – einen
zweiten Ofen mit einer zweiten Heizeinrichtung zum Erhitzen des
vorbehandelten Blechs, der ausgebildet ist, ein Austenitisieren des
vorbehandelten Blechs zu erwirken.
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Die
Vorrichtung des zweiten Aspekts der Erfindung teilt die Vorteile
des Verfahrens des ersten Aspektes der Erfindung.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist der zweite Ofen räumlich
getrennt vom Diffusionsofen angeordnet.
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Die
erste Heizeinrichtung ist in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
der Vorrichtung ausgebildet, die bemessene Energie mittels elektromagnetischer
Wellen in die Randzone einzuprägen
und das lokale Erwärmen
durch Erzeugen von Wirbelströmen
in der Randzone zu erwirken. In dieser Ausführungsform ist die erste Heizeinrichtung
beispielsweise eine Induktorspule oder ein Laser.
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Die
zweite Heizeinrichtung ist beispielsweise ein Gasbrenner oder ein
elektrischer Widerstandsheizer.
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Mit
anderen Worten kann die vorliegende Erfindung auch wie folgt beschrieben
werden: Zur Lösung
des oben genannten technischen Problemes werden erfindungsgemäß Al-Si-beschichtete Bleche, im
Folgenden auch als Platinen bezeichnet, vor dem eigentlichen Presshärten in
zwei Schritten vorbehandelt: zunächst
erfolgt eine Wärmebehandlung
um die Diffusion der Al-Si-Beschichtung darunter liegendem Stahlblech
zu bewirken. Dadurch steigt die Schmelztemperatur der Al-Si-Schicht
von 600°C
auf 1100°C infolge
der Einlagerung von Eisenatomen. Die Oberflächenschicht nach der Diffusion
ist eine Fe-Al-Si-Schicht.
Anschließend
kann eine so vorbehandelte Platine vor dem Presshärten mit
wesentlich höherer
Aufheizgeschwindigkeit auf die erforderliche Temperatur vor dem
eigentlichen Presshärten
gebracht werden.
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Außerdem kann
das Erwärmen
zum Zwecke der Diffusion auf die beschichtete Oberfläche begrenzt
bleiben, z. B. durch induktive Erwärmung oder durch Infrarot-Bestrahlung.
Durch die schnelle Randschichterwärmung zur Diffusion ergibt
sich ein Zeitvorteil gegenüber
konventionellen Methoden, bei denen auch bei einem eigenständigen Glühprozess
immer das vollständige
Material erwärmt
wird.
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Eine
Trennung des Diffusionsprozesses vom eigentlichen Erwärmungsprozess
zum Zwecke des Austenitisierens führt entsprechend zu einer deutlichen
Verkürzung
der eingesetzten Ofenanlagen und damit zu einer Steigerung der Wirtschaftlichkeit.
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Vorgeschlagen
wird demnach eine Trennung des Diffusionsprozesses (zwischen FAL-Beschichtung und
Basismaterial) und dem eigentlichen Erwärmungsprozess zur Austenitisierung
des Halbzeugs. Die Diffusion wird über einen gezielten Eintrag
von Wärmeener gie
an der Oberfläche
erreicht. Hierzu können
beispielsweise die Längsfeldinduktion
oder auch Infrarotlampen eingesetzt werden.
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Bei
der Längsfeldinduktion
muss bei der Auslegung der Induktorspule darauf geachtet werden,
dass nur ein schmaler Bereich des Blechs erwärmt wird. Die Relativgeschwindigkeit
zwischen Spule und Blech muss so gewählt werden, dass es lediglich
zu einer Erwärmung
der oberflächennahen Schicht
kommt. So kann die Temperatur der Beschichtung auch kurzzeitig über deren
Schmelzpunkt liegen, da nach einem Verlassen der Wirkzone der Spule
die Oberflächentemperatur
durch Wärmeleitung
in das Grundmaterial sofort wieder reduziert wird.
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Bei
der Verwendung von Infrarotlampen erfolgt der Energieeintrag zunächst von
der Ober- und anschließend
von der Unterseite. Auch bei einem Aufschmelzen der Beschichtung
kann so die Diffusion ohne ein Abtropfen der Beschichtung vom Blech erzielt
werden.
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Durch
die Erwärmung
von vordiffundiertem Material kann die Ofenlänge eines konventionellen Rollenherdofens
(ähnlich
wie bei unbeschichtetem Material) deutlich verkürzt werden. Auch der Einsatz alternativer
Erwärmungstechnologien,
wie Induktion und Konduktion, wird für FAL-beschichtetes Material möglich.
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Die
Diffusion und die Erwärmung
auf Austenitisierungstemperatur können wahlweise in Reihe oder örtlich getrennt
erfolgen.
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Nachfolgend
werden weitere Vorteile der Erfindung anhand der Beschreibung der
Figuren erläutert.
Es zeigen
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1:
ein beschichtetes Blech in schematischer Schnittdarstellung und
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2:
eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt
ein beschichtetes Blech aus einem Grundwerkstoff 12 und
einem Beschichtungsmaterial 14 in schematischer Schnittdarstellung.
Der Bereich einer Randzone, in die die bemessene Energie eingeprägt wird,
ist durch die gestrichelten Linien und die Pfeile 16 markiert.
Ein Kernbereich, markiert durch die gestrichelten Linien und den
Pfeil 18 liegt außerhalb
der Randzone. Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist sichergestellt, dass für
eine bestimmte Zeitspanne während
des Vorbehandelns ein Mindesttemperaturgradient zwischen einer Temperatur
im Kernbereich und einer Temperatur im Randbereich eingehalten wird.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung eine bevorzugte Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 20 zum
Behandeln des beschichteten Blechs 10 aus dem Grundwerkstoff 12 und
dem Beschichtungsmaterial 14 umfasst einen Diffusionsofen 22 mit
einer ersten Heizeinrichtung, die in der in 2 dargestellten
Ausführungsform
eine Induktorspule 26 ist.
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Der
Diffusionsofen 22 ist ausgebildet, für eine bestimmte Zeitspanne,
die beispielsweise durch eine Transportgeschwindigkeit des beschichteten Blechs 10 im
Diffusionsofen 22 bestimmt ist, eine bemessene Energie
mittels elektromagnetischer Wellen in die Randzone des beschichteten
Blechs 10 einzuprägen
und ein lokales Erwärmen
durch Erzeugen von Wirbelströmen
in der Randzone zu bewirken.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung 20 umfasst
ferner einen vom Diffusionsofen 22 räumlich getrennt angeordneten
zweiten Ofen 24. Dieser ist ausgebildet, das vorbehandelte
Blech (30) zum Zwecke eines Austenitisierens zu erhitzen.