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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontaktlosen Kühlen von Stahlblechen und eine Vorrichtung hierfür.
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Im technischen Bereich werden Kühlungen in vielen Bereichen benötigt, beispielsweise wenn ebene Platten gekühlt werden müssen, aber auch wenn z. B. Glasflächen bei der Glasherstellung oder Prozessoreinheiten o. ä. gekühlt werden müssen.
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Bisherige Kühlsysteme sind entweder sehr aufwändig, oder recht einfach gehalten, z. B. durch das Anblasen von Luft oder mit anderen Fluiden, insbesondere Wasser oder Öl, wobei hierbei von Nachteil ist, dass sich an der Oberfläche immer ungünstige, unkontrollierte Strömungsbedingungen ausbilden, die dann zum Problem werden, wenn eine besondere definierte Kühlung erforderlich ist.
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Insgesamt ist im Stand der Technik davon auszugehen, dass ungünstige Strömungsbedingungen auf der zu kühlenden ebenen Oberfläche, sogenannter Crossflow, bestehen und diese heterogene Oberflächentemperaturen erzeugen. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn im Bereich der Oberfläche zur Erzielung homogener Materialeigenschaften auch homogene Temperaturen notwendig sind. Insbesondere können inhomogene Oberflächentemperaturen auch zu Verzug führen.
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Darüber hinaus ist mit herkömmlichen Kühlmethoden ein kontrolliertes Erreichen einer vorgegebenen Zieltemperatur ebenso wenig möglich, wie die systematische Einstellung von nahezu beliebigen Kühlraten bis zu einer maximal erreichbaren Kühlrate. Besondere Schwierigkeiten bestehen dann, wenn unterschiedliche Materialdicken oder Ausgangstemperaturen auf einer Kühlfläche vorhanden sind, welche auf homogene Temperaturverhältnisse abgekühlt werden sollen.
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Es ist bekannt, dass insbesondere in Automobilen sogenannte pressgehärtete Bauteile aus Stahlblech eingesetzt werden. Diese pressgehärteten Bauteile aus Stahlblech sind hochfeste Bauteile, die insbesondere als Sicherheitsbauteile des Karosseriebereichs verwendet werden. Hierbei ist es durch die Verwendung dieser hochfesten Stahlbauteile möglich, die Materialdicke gegenüber einem normalfesten Stahl zu reduzieren und somit geringe Karosseriegewichte zu erzielen.
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Beim Presshärten gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung derartiger Bauteile. Unterschieden wird in das sogenannte direkte und indirekte Verfahren.
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Beim direkten Verfahren wird eine Stahlblechplatine über die sogenannte Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und gegebenenfalls so lange auf dieser Temperatur gehalten, bis ein gewünschter Austenitisierungsgrad erreicht ist. Anschließend wird diese erhitzte Platine in ein Formwerkzeug überführt und in diesem Formwerkzeug in einem einstufigen Umformschritt zum fertigen Bauteil umgeformt und hierbei durch das gekühlte Formwerkzeug gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt. Somit wird das gehärtete Bauteil erzeugt.
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Beim indirekten Verfahren wird zunächst, gegebenenfalls in einem mehrstufigen Umformprozess, das Bauteil fast vollständig fertig umgeformt. Dieses umgeformte Bauteil wird anschließend ebenfalls auf eine Temperatur über die Austenitisierungstemperatur erhitzt und gegebenenfalls für eine gewünschte erforderliche Zeit auf dieser Temperatur gehalten.
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Anschließend wird dieses erhitzte Bauteil in ein Formwerkzeug überführt und eingelegt, welches schon die Abmessungen des Bauteils bzw. die Endabmessungen des Bauteils, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Wärmedehnung des vorgeformten Bauteils, besitzt. Nach dem Schließen des insbesondere gekühlten Werkzeuges wird somit das vorgeformte Bauteil lediglich in diesem Werkzeug mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt und dadurch gehärtet.
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Das direkte Verfahren ist hierbei etwas einfacher zu realisieren, ermöglicht jedoch nur Formen, die tatsächlich mit einem einzigen Umformschritt zu realisieren sind, d.h. relativ einfache Profilformen.
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Das indirekte Verfahren ist etwas aufwändiger, dafür aber in der Lage auch komplexere Formen zu realisieren.
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Zusätzlich zum Bedarf an pressgehärteten Bauteilen entstand der Bedarf, derartige Bauteile nicht aus unbeschichtetem Stahlblech zu erzeugen, sondern derartige Bauteile mit einer Korrosionsschutzschicht zu versehen.
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Als Korrosionsschutzschicht kommen im Automobilbau lediglich das eher in geringem Maße verwendete Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Frage oder aber die erheblich häufiger verlangten Beschichtungen auf der Basis von Zink. Zink hat hierbei den Vorteil, dass Zink nicht nur eine Barriereschutzschicht wie Aluminium leistet, sondern einen kathodischen Korrosionsschutz. Zudem passen sich zinkbeschichtete pressgehärtete Bauteile besser in das Gesamtkorrosionsschutzkonzept der Fahrzeugkarosserien ein, da diese in heute gängiger Bauweise voll verzinkt sind. Insofern kann Kontaktkorrosion vermindert oder ausgeschlossen werden.
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Bei beiden Verfahren konnten jedoch Nachteile aufgefunden werden, die auch im Stand der Technik diskutiert werden. Bei dem direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung von presshärtenden Stählen mit Zinkbeschichtung kommt es zu Mikro- (10 µm bis 100 µm) oder sogar Makrorissen im Material, wobei die Mikrorisse in der Beschichtung erscheinen und die Makrorisse sogar durch den vollständigen Blechquerschnitt reichen. Derartige Bauteile mit Makrorissen sind für die weitere Verwendung ungeeignet.
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Beim indirekten Prozess, d.h. der Kaltumformung mit einer anschließenden Härtung und Restformung, kann es ebenfalls zu Mikrorissen in der Beschichtung kommen, welche ebenfalls unerwünscht sind, aber bei weitem nicht so ausgeprägt.
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Zinkbeschichtete Stähle werden bislang - bis auf ein Bauteil im asiatischen Raum - im direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung, nicht eingesetzt. Hier werden vielmehr Stähle mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung eingesetzt.
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Einen Überblick erhält man in der Veröffentlichung „Corrosion resistance of different metallic coatings on press hardened steels for automotive“, Arcelor Mittal Maiziere Automotive Product Research Center F-57283 Maiziere-Les-Mez. In dieser Veröffentlichung wird ausgeführt, dass es für den Warmumformprozess einen aluminierten Bor-Mangan-Stahl gibt, der unter dem Namen Usibor 1500P kommerziell vertrieben wird. Zudem werden zum Zwecke des kathodischen Korrosionsschutzes zinkvorbeschichtete Stähle für das Warmumformverfahren vertrieben, nämlich der verzinkte Usibor GI mit einer Zinkbeschichtung, die geringe Anteile von Aluminium enthält, und ein sogenannter galvanealed beschichteter Usibor GA, der eine Zinkschicht mit 10 % Eisen enthält.
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Es wird darauf hingewiesen, dass das Zink-Eisen-Phasendiagramm zeigt, dass oberhalb von 782°C ein großer Bereich entsteht, in dem flüssige Zink-Eisen-Phasen auftreten, solange der Eisengehalt gering, insbesondere geringer als 60 % ist. Dies ist jedoch auch der Temperaturbereich, in dem der austenitisierte Stahl warm umgeformt wird. Es wird aber auch darauf hingewiesen, dass, wenn die Umformung oberhalb von 782°C stattfindet, ein großes Risiko der Spannungskorrosion durch flüssiges Zink besteht, welches vermutlich in die Korngrenzen des Basisstahls eindringt, welche zu Makrorissen im Basisstahl führt. Darüber hinaus ist bei Eisengehalten geringer als 30 % in der Beschichtung die Maximaltemperatur zum Umformen eines sicheren Produkts ohne Makrorisse niedriger als 782°C. Dies ist der Grund, warum hiermit kein direktes Umformverfahren betrieben wird, sondern dass indirekte Umformverfahren. Hiermit soll das geschilderte Problem umgangen werden.
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Eine weitere Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, soll darin liegen, galvannealed beschichteten Stahl zu verwenden, da der zu Beginn schon bestehende Eisengehalt von 10 % und die Abwesenheit einer Fe2Al5-Sperrschicht zu einer homogeneren Ausbildung der Beschichtung von überwiegend eisenreichen Phasen führt. Dies resultiert in einer Verringerung oder Vermeidung von zinkreichen, flüssigen Phasen.
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Aus der
EP 1 439 240 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines beschichteten Stahlproduktes bekannt, wobei das Stahlmaterial eine Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung aufweist, die auf der Oberfläche des Stahlmaterials ausgebildet ist und das Stahlbasismaterial mit der Beschichtung auf eine Temperatur von 700°C bis 1000°C erwärmt und warm umgeformt wird, wobei die Beschichtung eine Oxidschicht besitzt, die hauptsächlich aus Zinkoxid besteht, bevor das Stahlbasismaterial mit der Zink- oder Zinklegierungsschicht erwärmt wird, um dann ein Verdampfen des Zinks beim Erwärmen zu verhindern. Hierfür wird ein spezieller Verfahrensablauf vorgesehen.
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Aus der
EP 1 642 991 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines Stahles bekannt, bei dem ein Bauteil aus einem gegebenen Bor-Mangan-Stahl auf eine Temperatur am Ac
3-Punkt oder höher erhitzt wird, bei dieser Temperatur gehalten wird und dann das erhitzte Stahlblech zum fertigen Bauteil umgeformt wird, wobei das geformte Bauteil durch Kühlung von der Formgebungstemperatur während des Formens oder nach dem Formen in einer solchen Weise abgeschreckt wird, dass die Abkühlrate zum M
S-Punkt zumindest der kritischen Abkühlrate entspricht und dass die durchschnittliche Abkühlrate des geformten Bauteils vom M
S-Punkt zu 200°C sich im Bereich von 25°C/s bis 150°C/s befindet.
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Aus der
EP 1 651 789 B1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech bekannt, wobei hierbei Formteile aus einem mit einem kathodischen Korrosionsschutz versehenen Stahlblech kalt umgeformt werden und eine Wärmebehandlung zum Zwecke der Austenitisierung folgt, wobei vor, beim oder nach dem Kaltumformen des Formteils ein Endbeschnitt des Formteils und erforderliche Ausstanzungen oder die Erzeugung eines Lochbildes vorgenommen werden und die Kaltumformung sowie der Beschnitt und die Ausstanzung und Anordnung des Lochbildes auf dem Bauteil 0,5 % bis 2 % kleiner ausgeführt werden als die Dimensionen, die das endgehärtete Bauteil haben soll, wobei das zur Wärmebehandlung kalt umgeformte Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise unter Zutritt von Luftsauerstoff auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des Stahlwerkstoffes ermöglicht und das erhitzte Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird und in diesem Werkzeug eine sogenannte Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das Anlegen und Pressen (Halten) des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird und die kathodische Korrosionsschutzbeschichtung aus einer Mischung aus im Wesentlichen Zink besteht und zudem ein oder mehrere sauerstoffaffine Elemente enthält. Hierdurch wird an der Oberfläche der Korrosionsschutzbeschichtung eine Oxidhaut aus den sauerstoffaffinen Elementen während des Aufheizens gebildet, welche die kathodische Korrosionsschutzschicht, insbesondere die Zinkschicht, schützt. Zudem wird bei dem Verfahren durch die maßstäbliche Verkleinerung des Bauteils in Bezug auf seine Endgeometrie die Wärmedehnung des Bauteils berücksichtigt, so dass beim Formhärten weder eine Kalibrierung noch eine Umformung notwendig sind.
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Aus der
WO 2010/109012 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile bekannt, wobei eine Platine aus einem härtbaren Stahlblech einer Temperaturerhöhung unterworfen wird, welche für eine Abschreckhärtung ausreicht, und die Platine nach Erreichen einer gewünschten Temperatur und gegebenenfalls einer gewünschten Haltezeit in ein Umformwerkzeug überführt wird, indem die Platine zu einem Bauteil umgeformt und gleichzeitig abgeschreckt gehärtet wird, oder die Platine kalt umgeformt wird und das durch die kalte Umformung erhaltene Bauteil anschließend einer Temperaturerhöhung unterzogen wird, wobei die Temperaturerhöhung so durchgeführt wird, dass eine Temperatur des Bauteils erreicht wird, die für eine Abschreckhärtung notwendig ist und das Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird, in dem das erhitzte Bauteil abgekühlt und dadurch abgeschreckt gehärtet wird, wobei während des Erhitzens der Platine oder des Bauteils zum Zwecke der Temperaturerhöhung auf eine zum Härten notwendige Temperatur in den Bereichen, die eine geringere Härte und/oder eine höhere Duktilität besitzen sollen, Absorptionsmassen anliegen oder mit einem geringen Spalt beabstandet sind, wobei die Absorptionsmasse bezüglich ihrer Ausdehnung und Dicke, ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer Wärmekapazität und/oder hinsichtlich ihres Emissionsgrades gerade so dimensioniert sind, dass die in dem duktil verbleibendem Bereich auf das Bauteil einwirkende Wärmeenergie durch das Bauteil hin durch in die Absorptionsmasse fließt, sodass diese Bereiche kühler bleiben und insbesondere die zum Härten notwendige Temperatur gerade nicht oder nur teilweise erreichen, sodass diese Bereiche nicht oder nur teilweise gehärtet werden können.
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Aus der
DE 10 2005 003 551 A1 ist ein Verfahren zur Warmumformung und Härtung eines Stahlblechs bekannt, bei dem ein Stahlblech auf eine Temperatur über den Ac
3-Punkt erwärmt wird, danach eine Abkühlung auf eine Temperatur im Bereich von 400°C bis 600°C erfährt und erst nach Erreichen dieses Temperaturbereichs umgeformt wird. Diese Schrift geht allerdings nicht auf die Rissproblematik bzw. eine Beschichtung ein, noch wird eine Martensitbildung beschrieben. Ziel der Erfindung ist die Bildung von Zwischengefüge, sogenanntem Bainit.
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Aus der
EP 2 290 133 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem metallischen, vor Korrosion schützenden Überzug versehenen Stahlbauteils durch Formen eines aus einem Mn-Stahl bestehenden Stahlflachproduktes, das vor dem Formen des Stahlbauteils mit einem ZnNi-Legierungsüberzug versehen wird, bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Platine auf eine Temperatur von mind. 800° C erhitzt, wobei sie zuvor mit dem ZiNi-Legierungsüberzug beschichtet wird. Auf die Problematik des „liquid metal embrittlement“ geht diese Druckschrift nicht ein.
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Aus der
DE 10 2011 053 941 A1 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem jedoch eine Platine oder eine umgeformte Platine lediglich teilbereichsweise auf eine Temperatur > Ac
3 erhitzt und für eine vorbestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten wird, um die Austenitbildung durchzuführen und anschließend in ein Härtewerkzeug überführt und in dem Härtewerkzeug gehärtet wird, wobei die Platine mit einer Geschwindigkeit abgekühlt wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt. Auch das dort verwendete Material ist ein umwandlungsverzögertes Material, wobei bei dem Zwischenkühlschritt die heißeren, austenitisierten Bereiche und die weniger heißen, nicht austenitisierten oder nur teilaustenitisierten Bereiche bezüglich der Temperatur angepasst und die Platine oder die umgeformte Platine bezüglich der Temperatur homogenisiert wird.
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Aus der
DE 10 2011 053 939 A1 ist ein Verfahren zum Erzeugen gehärteter Bauteile bekannt, wobei hier ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils offenbart wird, welches eine Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung besitzt. Aus diesem Blech wird eine Platine ausgestanzt und die ausgestanzte Platine auf eine Temperatur ≥ Ac
3 erhitzt und gegebenenfalls für eine vorbestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten, um die Austenitbildung durchzuführen und anschließend in ein Formwerkzeug überführt, in diesem umgeformt und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt und dadurch gehärtet. Der verwendete Stahlwerkstoff wird hierbei derart umwandlungsverzögert eingestellt, dass bei einer Umformtemperatur, die im Bereich von 450°C bis 700°C liegt, eine Abschreckhärtung durch Umwandlung des Austenits in Martensit stattfindet, wobei nach dem Erhitzen zum Zwecke der Austenitisierung aber vor dem Umformen ein aktives Kühlen stattfindet, sodass die Platine von einer Ausgangswärme, die das Austenitisieren sicherstellt, auf eine Temperatur zwischen 450°C bis 700°C abgekühlt wird, so dass trotz der niedrigen Temperaturen eine martensitische Härtung stattfindet. Hierdurch soll erzielt werden, dass möglichst keine Zinkschmelze mit Austenit während der Umformphase, also dem Eintrag von Spannungen, in Berührung kommt, denn durch die vorgenommene Zwischenkühlung findet die Umformung unter der peritektischen Temperatur des Systems Eisen-Zink statt. Es wird erwähnt, dass die Kühlung mit Luftdüsen erfolgen kann, jedoch nicht auf Luftdüsen beschränkt ist, sondern auch gekühlte Tische oder gekühlte Pressen verwendet werden können.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen und insbesondere zum Zwischenkühlen eines Stahlblechs zum Zwecke der Umformung und Härtung weiter zu verbessern.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen.
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Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Erfindungsgemäß wird bei Temperaturen von 20°C bis 900°C eine Abkühlung gewährleistet, die eine maximale Temperaturschwankung von 30°C innerhalb eines Quadratmeters ermöglicht. Die verwendeten Kühlmedien sind Luftgase, Mischgase aber auch Wasser oder andere Fluide. Wenn nachfolgend nur eines dieser Fluide erwähnt wird, steht dies stellvertretend für alle diese genannten Fluide.
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Erfindungsgemäß soll ein geringer Investitionsaufwand mit geringen Betriebskosten, einer hohen Systemverfügbarkeit, hoher Flexibilität und der einfachen Integration in bestehende Produktionsprozesse erreicht werden.
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Erfindungsgemäß wird eine zu kühlende Oberfläche mittels Roboter oder Linearantrieben in der X-, Y- oder Z-Ebene bewegt, wobei eine beliebige Vorgabe der Bewegungstrajektorien und Geschwindigkeiten der zu kühlenden Oberflächen möglich ist. Bevorzugt ist hierbei die Oszillation um eine Ruhelage in der X- und Y-Ebene. Die weitere Oszillation in der Z-Ebene (also der Höhe) ist optional möglich.
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Ebenso ist eine ein- oder beidseitige Kühlung ohne weiteres möglich.
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Die erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen besitzen Düsen, die voneinander beabstandet sind, wobei die Düsen nicht nur voneinander beabstandet sind, sondern auch von einem Kasten, Träger oder sonstigen Oberflächen beabstandet angeordnet sind.
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Die Kühleinrichtungen sind dabei dementsprechend so ausgeführt, dass das von der heißen Platte abströmende Medium ausreichend Raum und Platz zwischen den Düsen vorfindet und zwischen den Düsen effektiv abgeführt werden kann und somit kein Crossflow bzw. Querströmungen auf der zu kühlenden Oberfläche entstehen.
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Die Zwischenräume zwischen den Düsen können hierbei mit einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um die Kühlrate zu erhöhen und damit das Kühlmedium, das von der heißen Platte abströmt, effektiv abzuführen, also quasi abzusaugen. Diese Querströmung sollte jedoch nicht das anströmende Kühlmedium von der Düse zur Platte, also den Freistrahl, beeinträchtigen.
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Die Kühleinrichtung kann dabei über Kühlschwerter verfügen, die sich von einem Kühlkasten wegerstrecken und an ihren freien Enden oder ihren freien Kanten eine Reihe von Düsen besitzen.
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Darüber hinaus kann die Kühleinrichtung auch durch einzelne, von einer Trägeroberfläche wegstehende Kühlsäulen ausgebildet sein, wobei diese Kühlsäulen an ihrer von der Trägeroberfläche wegweisenden Fläche oder Spitze zumindest je eine Düse tragen. Die Kühlsäulen können dabei einen zylindrischen oder sonstigen Querschnitt besitzen, wobei der Querschnitt der Kühlsäulen auch an gewünschte Querströmungen angepasst und oval, flach tragflächenartig, mehreckig oder ähnlich ausgebildet sein kann.
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Selbstverständlich sind auch Mischformen möglich, bei denen die Kühlschwerter nicht durchgehend, sondern unterbrochen ausgebildet sind oder, bei breit oval ausgeführten Kühlsäulen, mehrere Düsen an einer Säulenspitze austreten.
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Die Geometrie der Düsenöffnungen bzw. der Ausströmöffnungen der Düsen reicht von einfachen runden Geometrien bis hin zu komplexen geometrisch definierten Ausführungen.
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Vorzugsweise sind die Düsen oder Düsenreihen versetzt zueinander angeordnet, so dass auch die Kühlsäulen oder Schwerter so versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Düsen ein versetztes oder sonstiges Muster bilden. Dies gilt insbesondere bei beidseitiger Kühlung auch für die Anordnung der Düsen oder Düsenreihen der Oberseite zu denen der Unterseite.
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Die Düsen sind bevorzugt derart ansteuerbar ausgebildet, dass die Strömung durch die Düse begrenzt und gegebenenfalls sogar abgeschaltet werden kann. Beispielsweise sind für jede Düse einzelne, ansteuerbare Stifte vorhanden, die den Gasdurchtritt begrenzen können. Eine unterschiedliche Kühlwirkung kann beispielsweise auch dadurch erreicht werden, das der Abstand von Düsenaustrittsöffung zur zu kühlenden Oberfläche, z. B durch unterschiedliche Kühlsäulenhöhen, unterschiedlich eingestellt wird. Der Vorteil dieser Methode liegt in der gleichbleibenden Strömung je Düse und damit in gut vorhersehbaren Strömungsverhältnissen, da sich die Strömungswiderstände durch die Höhenänderungen nahezu nicht verändern.
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Erfindungsgemäß folgt das zu bevorzugende Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche einer wabenähnlichen Struktur.
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Erfolgt die Kühlung mit zumindest einem Kühlschwert, ist das Kühlschwert ein plattenähnliches Element, welches sich zusätzlich von einer Basis zu einer Ausströmleiste hin verjüngen kann, wobei in der Ausströmleiste mindestens eine Düse eingebracht ist. Das Schwert ist hierbei hohl ausgebildet, sodass die Düse aus dem hohlen Schwert heraus mit einem Kühlfluid versorgt werden kann. Die Düsen können voneinander mit keilartigen Elementen räumlich beabstandet sein, wobei die keilartigen Elemente auch den Raum für das strömende Fluid zur Düse hin verengen können.
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Hierdurch kommt es insbesondere zu einer Verdrehung des ausströmenden Fluidstrahls.
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Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Schwertern nebeneinander angeordnet, wobei die Schwerter zueinander versetzt sind.
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Durch die versetzte Anordnung erfolgt eine Kühlung ebenfalls mit versetzten Punkten zueinander, wobei die Punkte ineinanderlaufend homogen kühlen und das ausgeströmte Fluid in den Bereich zwischen zwei Schwertern eingesaugt und abgeführt wird.
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Erfolgt die Kühlung mit Kühlsäulen, sind diese in entsprechender Weise angeordnet.
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Vorzugsweise wird das zu kühlende Element, z. B. eine zu kühlende Platte, hierbei bewegt, sodass die Bewegung der Platte einerseits und die versetzte Anordnung der Düsen andererseits dafür sorgt, dass das Kühlfluid alle Bereiche der Platte überströmt, sodass eine homogene Kühlung erzielt wird.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
- 1 eine Draufsicht auf eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Düsenschwertern;
- 2 die Anordnung der Düsenschwerter gemäß des Schnittes A-A in 1;
- 3 einen Längsschnitt durch ein Düsenschwert entsprechend der Schnittlinie C-C in 2;
- 4 die Detailvergrößerung D aus 3 zeigend die Düsen;
- 5 die Anordnung der Düsenschwerter in einer schematischen perspektivischen Ansicht;
- 6 eine Detailvergrößerung des Randbereichs der Düsenschwerter mit einem Versatz innerhalb der Schwertanordnung;
- 7 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlschwertern, welche in einem Kühlblock zusammengefasst sind;
- 8 die Anordnung nach 7 in einer perspektivischen Ansicht auf die Rückseite;
- 9 eine Ansicht von erfindungsgemäßen Kühlschwertern in deren Innenraum;
- 10 stark schematisiert eine perspektivische Ansicht auf eine Anordnung von Düsensäulen an einem Rahmen;
- 11 die Ausführungsform nach 10 in einer Draufsicht;
- 12 die Anordnung nach den 10 und 11 in einer seitlichen Ansicht;
- 13 die Ausführungsform nach den 10 bis 12 mit Kühlkasten;
- 14 angedeutet die Kühlschwerter mit den Düsen, wobei eine zu kühlende Platte mit der Temperaturverteilung und der Fluidtemperaturverteilung gezeigt ist;
- 15 die Anordnung nach 10, zeigend die Geschwindigkeitsverteilung;
- 16 schematisch die Anordnung zweier gegenüberliegender Kühlkästen aus einer Mehrzahl von versetzt zueinander angeordneten erfindungsgemäßen Kühlschwertern und einem Bewegungsschlitten zum Hindurchbewegen eines zu kühlenden Objekts;
- 17 die Temperaturverteilung auf einer Platine, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gekühlt wurde;
- 18 ein strukturiertes abgekühltes Bauteil;
- 19 die Zeit-Temperaturkurve bei der Abkühlung zwischen Ofen und Umformung;
- 20 das Zink-Eisen-Diagramm, mit entsprechenden Abkühlkurven für Bleche mit unterschiedlich aufgeheizten Bereichen.
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Eine mögliche Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
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Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 besitzt Kühleinrichtungen 2, 15, welche Düsen 10 besitzen, die voneinander beabstandet sind, wobei die Düsen 10 nicht nur voneinander beabstandet sind, sondern auch von einem Kasten 16, einem Träger oder sonstigen, die Kühleinrichtungen 2, 15 tragenden Oberflächen beabstandet angeordnet sind.
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Die Kühleinrichtungen 2, 15 sind dabei dementsprechend so ausgeführt, dass das von der heißen Platte abströmende Medium ausreichend Raum und Platz zwischen den Düsen 10 vorfindet und zwischen den Düsen quasi eintauchen kann und somit kein Crossflow bzw. Querströmungen auf der zu kühlenden Oberfläche entstehen.
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Die Zwischenräume zwischen den Düsen 10 können hierbei mit einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um die Kühlrate zu erhöhen und damit das Kühlmedium, das von der heißen Platte abströmt, quasi abzusaugen. Diese Querströmung sollte jedoch nicht das anströmende Kühlmedium von der Düse zur Platte, also den Freistrahl, beeinträchtigen.
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Die Kühlvorrichtung 1 kann dabei als Kühleinrichtung 2 über zumindest ein Kühlschwert 2 verfügen, das sich von einem Kühlkasten 16 wegerstreckt und an seinen freien Enden oder seiner freien Kante 6 eine Reihe von Düsen 10 besitzt.
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Darüber hinaus kann die Kühleinrichtung auch durch einzelne, von einer Oberfläche wegstehende Kühlsäulen 15 ausgebildet sein, wobei diese Kühlsäulen 15 an ihrer von der Oberfläche wegweisenden Fläche oder Spitze 17 zumindest je eine Düse 10 tragen. Die Kühlsäulen 15 können dabei einen zylindrischen oder sonstigen Querschnitt besitzen, wobei der Querschnitt der Kühlsäulen 15 auch an gewünschte Querströmungen angepasst und oval, flach tragflächenartig oder ähnlich ausgebildet sein kann.
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Selbstverständlich sind auch Mischformen möglich, bei denen die Kühlschwerter 2 nicht durchgehend sondern unterbrochen ausgebildet sind oder, bei breit oval ausgeführten Kühlsäulen 15, mehrere Düsen 10 an einer Säulenspitze austreten. Eine weitere denkbare Alternative wäre die Verbindung von mehreren Kühlsäulen durch Leitbleche um eine Beeinflussung des Querstroms zu ermöglichen.
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Die Geometrie der Düsenöffnungen bzw. der Ausströmöffnungen der Düsen reicht von einfachen runden Geometrien bis hin zu komplexen geometrisch definierten Ausführungen.
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Vorzugsweise sind die Düsen 10 oder Düsenreihen versetzt zueinander angeordnet, so dass auch die Kühlsäulen 15 oder Schwerter 2 so versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Düsen 10 ein versetztes oder sonstiges Muster bilden.
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Eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen 1 besitzt zumindest ein Kühlschwert 2. Das Kühlschwert 2 ist lang gestreckt klappenartig ausgebildet und besitzt eine Kühlschwertbasis 3, zwei sich von der Kühlschwertbasis weg erstreckende Kühlschwertbreitseiten 4, zwei Kühlschwertschmalseiten 5, welche die Kühlschwertbreitseiten verbinden, und eine freie Düsenkante 6.
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Das Kühlschwert 2 ist hohl mit einem Kühlschwerthohlraum 7 ausgebildet, wobei der Hohlraum von den Kühlschwertbreitseiten 4, den Kühlschwertschmalseiten 5 und der Düsenkante 6 umschlossen wird, wobei das Kühlschwert an der Basis 3 offen ist. Mit der Kühlschwertbasis 3 ist das Kühlschwert in einen Rahmen 8 eingesetzt, wobei der Rahmen 8 auf einen hohlen Fluidzuführkasten 16 aufsetzbar ist.
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Im Bereich der Düsenkante 6 ist eine Mehrzahl von Düsen 10 bzw. Öffnungen eigebracht, welche in den Hohlraum 7 reichen und somit das Ausströmen von Fluid aus dem Hohlraum nach außen durch die Düsen 10 hindurch ermöglicht.
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Von den Düsen 10 erstrecken sich Düsenkanäle 11 in den Hohlraum 7 hinein, welche die Düsen 10 zumindest im Bereich der Düsenkante 6 räumlich voneinander trennen. Die Düsenkanäle 11 sind dabei im Querschnitt vorzugsweise keilförmig ausgebildet, sodass die Düsenkanäle bzw. Düsen durch keilförmige Stege 12 voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind die Düsenkanäle dabei so ausgebildet, dass sie sich zum Hohlraum 7 hin erweitern, sodass ein einströmendes Fluid durch die Verengung der Düsenkanäle beschleunigt wird.
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Die Kühlschwertbreitseiten 4 können von der Kühlschwertbasis 3 zur Düsenkante 6 hin konvergierend ausgebildet sein, sodass der Hohlraum 7 sich zur Düsenkante 6 hin verengt.
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Zudem können die Kühlschwertschmalseiten 5 konvergierend oder divergierend ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sind zumindest zwei Kühlschwerter 2 vorhanden, welche bezüglich der Breitseiten parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Kühlschwerter 2 bezüglich des Abstandes der Düsen 10 um einen halben Düsenabstand zueinander versetzt sind.
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Darüber hinaus können auch mehr als zwei Kühlschwerter 2 vorhanden sein.
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Die Düsen 10 können, bezogen auf die Erstreckung der Düsenkante 6, ebenfalls länglich fluchtend zur Düsenkante 6 ausgebildet sein, die Düsen 10 können jedoch auch rund, oval fluchtend zur Düsenkante 6 oder oval quer zur Düsenkante, sechs-, acht- oder mehreckig ausgebildet sein.
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Insbesondere wenn die Düsen 10, bezogen auf die Längserstreckung der Düsenkante, ebenfalls länglich ausgebildet sind, insbesondere länglich oval oder länglich vieleckig, ergibt sich eine Drehung eines austretenden Fluidstrahls (10, 11), wobei sich durch eine versetzte Anordnung um einen halben Düsenabstand ein Kühlmuster auf einem plattenartigen Körper ergibt (10), welche entsprechend versetzt ist.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (10 bis 13) ist auf dem Rahmen 8 eine Mehrzahl von vorstehenden Kühlsäulen 15 oder Zylindern 15 angeordnet, welche an ihrer freien äußeren Spitze 17 oder Fläche 17 zumindest je eine Düse 10 tragen. Dieser Rahmen 8 ist ebenfalls in einem Kühlkasten 16 (13) eingesetzt, so dass in den Kühlkasten 16 einströmendes Fluid aus den jeweiligen Kühlsäulen 15 und den Düsen 10 austritt. Gegenüber den Kühlschwertern 2 sind bei dieser Ausführungsform somit die Düsen 10 quasi vereinzelt, wobei die zuvor zu den Düsen 10 und ihrer Geometrie und bezüglich der Düsenkanäle 11 gemachten Aussagen auf diese Ausführungsform ebenso zutreffen.
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In den Düsenkanälen 11 können Einrichtungen vorhanden sein, die durch axiales Verschieben den effektiven Düsenquerschnitt verringern können und damit den Gasstrom beeinflussen. Als derartige Einrichtungen sind beispielsweise Stifte geeignet, welche einen Querschnitt besitzen, der dem Querschnitt der Düse im Austrittsbereich entspricht, wobei die Stifte an eine Form des Düsenkanals 11, beispielsweise eine konische Form, angepasst sein können. Die Stifte können einzeln verschiebbar derart ausgebildet sein, dass sie bei dem Vorschieben in den Düsenkanal den effektiven Düsenquerschnitt bzw. Düsenkanalquerschnitt verringern und damit den Gasstrom und die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussen.
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Bei vollständigem Einschieben eines Stiftes wird die Düse 10 vorzugsweise vollständig verschlossen.
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Die Stifte der Düsen 10 können einzeln, reihenweise, schwertweise oder in sonstiger Weise gruppiert angesteuert werden, wodurch es möglich ist, ein gewisses Strömungsprofil in der Kühleinrichtung so auszubilden, dass ein zu kühlendes Objekt nicht gleichmäßig, sondern unterschiedlich stark gekühlt wird.
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Alternativ zu Stiften können hierfür auch Blenden oder Schablonen mit beliebigen Ausgestaltungsformen vorgesehen sein, welche das gewünschte Strömungsprofil am zu kühlenden Objekt sicherstellen.
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Zur Beeinflussung der Abkühlrate wäre auch eine partielle Veränderung der Länge bzw. Höhe der Kühlschwerter bzw. Kühlsäule denkbar.
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Diese Beeinflussung der Abkühlung ist für viele Anwendungszwecke vorteilhaft, einerseits zur unterschiedlichen Abkühlung von ebenen Platinen um Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zu schaffen, aber auch für tailor-welded blanks (TWB), tailor-rolled blanks (TRB) oder tailored heated blanks(THB) um die unterschiedlich dicken Blechabschnitte bzw. die unterschiedlich temperierten Blechbereiche mit einer jeweils angepassten Abkühlrate zu kühlen um ein homogen temperiertes Objekt zu erhalten.
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Auch das entsprechende Geschwindigkeitsprofil ergibt eine entsprechende Verteilung (15).
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Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass aus den Düsen 10 ausströmendes Fluid zwar auf die Oberfläche eines zu kühlenden Körpers prallt (10, 11), jedoch offensichtlich zwischen den zumindest zwei Schwertern 2 bzw. Kühlsäulen 15 der Kühlvorrichtung 1 eintauchend abfließt, sodass die Kühlströmung an der Oberfläche eines zu kühlenden Körpers nicht gestört wird.
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Eine Vorrichtung zum Kühlen 1 (12) besitzt z. B. zwei Anordnungen von Kühlschwertern 2 oder zwei Reihen von Kühlsäulen 15 in einem Rahmen 8, wobei die Rahmen 8 mit entsprechenden Fluidzuführungen 14 und insbesondere auf der den Kühlschwertern 2 oder Kühlsäulen 15 abgewandten Seite mit einem Fluidkasten 16 ausgebildet sind, in dem unter Druck stehendes Fluid vorhanden ist, insbesondere durch die Zuführung unter Druck stehenden Fluids.
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Zusätzlich ist eine Bewegungseinrichtung 18 vorhanden, wobei die Bewegungseinrichtung 18 so ausgebildet ist, dass sie einen zu kühlenden Körper zwischen den gegenüberliegenden Kühlschwertanordnungen so hindurchführen kann, dass auf den zu kühlenden Körper beidseitig kühlend eingewirkt werden kann. Als Bewegungseinrichtung einer Serienpresshärteanlage kann z. B. die Transfereinrichtung zwischen Ofen und Presse beispielsweise mittels Roboter oder Linearantrieb verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführung muss dabei der zu kühlende Körper durch die Bewegungseinrichtung nicht abgesetzt bzw. es muss nicht umgegriffen werden d.h. die Kühlung erfolgt im gegriffenen Zustand des zu kühlenden Körpers auf dem Weg von Ofen zu Presse.
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Die Abstände der Düsenkanten 6 zum zu kühlenden Körper betragen dabei z. B. 5 mm bis 250 mm.
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Durch eine Relativbewegung entweder der Vorrichtung zum Kühlen 1 zu einem zu kühlenden Körper oder umgekehrt bewegt sich das Kühlmuster gemäß 10 über die Oberfläche des zu kühlenden Körpers, wobei das von dem heißen Körper abströmende Medium zwischen den Kühlschwertern 2 oder Kühlsäulen 15 ausreichend Raum vorfindet um abzuströmen und somit kein Crossflow auf der zu kühlenden Oberfläche entsteht.
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Erfindungsgemäß können die Zwischenräume mit entsprechenden Strömungsmitteln mit einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um das auf den heißen Körper strömende Medium zwischen den Schwertern abzusaugen.
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Erfindungsgemäß wird ein üblicher Bor-Manganstahl beispielsweise ein 22MnB5 oder 20MnB8 zur Verwendung als presshärtender Stahlwerkstoff bezüglich der Umwandlung des Austenits in andere Phasen verwendet, bei dem sich die Umwandlung in tiefere Bereiche verschiebt und Martensit gebildet werden kann.
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Für die Erfindung sind somit Stähle dieser Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%):
| C | Si | Mn | P | S | Al | Cr | Ti | B | N |
| [%] | [%] | [%] | [%] | [%] | [%] | [%] | [%] | [%] | [%] |
| 0,20 | 0,18 | 2,01 | 0,0062 | 0,001 | 0,054 | 0,03 | 0,032 | 0,0030 | 0,0041 |
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Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.
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Für die Erfindung sind auch Stähle der allgemeinen Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%):
| Kohlenstoff (C) | 0,08-0,6 |
| Mangan (Mn) | 0,8-3,0 |
| Aluminium (Al) | 0,01-0,07 |
| Silizium (Si) | 0,01-0,5 |
| Chrom (Cr) | 0,02-0,6 |
| Titan (Ti) | 0,01-0,08 |
| Stickstoff (N) | < 0, 02 |
| Bor (B) | 0,002-0,02 |
| Phosphor (P) | < 0, 01 |
| Schwefel (S) | < 0, 01 |
| Molybdän (Mo) | < 1 |
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Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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Insbesondere als geeignet erwiesen haben sich Stahlanordnungen wie folgt (alle Angaben in Masse-%):
| Kohlenstoff (C) | 0,08-0,30 |
| Mangan (Mn) | 1,00-3,00 |
| Aluminium (Al) | 0,03-0,06 |
| Silizium (Si) | 0,01-0,20 |
| Chrom (Cr) | 0,02-0,3 |
| Titan (Ti) | 0,03-0,04 |
| Stickstoff (N) | < 0,007 |
| Bor (B) | 0,002-0,006 |
| Phosphor (P) | < 0,01 |
| Schwefel (S) | < 0,01 |
| Molybdän (Mo) | < 1 |
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Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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Durch die Einstellung der als Umwandlungsverzögerer wirkenden Legierungselemente wird eine Abschreckhärtung, d. h. eine rasche Abkühlung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Abkühlgeschwindigkeit auch noch unter 780°C, sicher erreicht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall unterhalb des Peritektikums des Systems Zink-Eisen gearbeitet wird, d. h. erst unterhalb des Peritektikums mechanische Spannung aufgebracht wird. Dies bedeutet ferner, dass in dem Moment, in dem mechanische Spannung aufgebracht wird, keine flüssigen Zinkphasen mehr vorhanden sind, welche mit dem Austenit in Kontakt kommen können. Ein weiterer Vorteil der Einstellung einer höheren Umwandlungsverzögerung ist die dadurch mögliche längere Transferzeit zwischen Kühleinrichtung und Umformpresse, die aufgrund von Wärmeleitung innerhalb des zu kühlenden Körpers zu einer zusätzlichen Vergleichmäßigung der Temperatur genutzt werden kann.
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In 19 erkennt man einen günstigen Temperaturverlauf für ein austenitisiertes Stahlblech, wobei erkennbar ist, dass nach dem Aufheizen auf eine Temperatur über der Austenitisierungstemperatur und dem entsprechenden Verbringen in eine Kühleinrichtung bereits eine gewisse Abkühlung stattfindet. Anschließend folgt ein rascher Zwischenkühlschritt. Der Zwischenkühlschritt wird vorteilhafterweise mit Abkühlgeschwindigkeiten mit mindestens 15 K/s, vorzugsweise mindestens 30 K/s, weiter bevorzugt mindestens 50 K/s, durchgeführt. Anschließend wird die Platine in die Presse transferiert und die Umformung und Härtung durchgeführt.
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In 20 erkennt man im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, wie beispielsweise eine Platine mit unterschiedlich heißen Bereichen entsprechend behandelt wird. Hierbei erkennt man für die heißen, zu härtenden Bereiche eine hohe Starttemperatur zwischen 800°C und 900°C während die weichen Bereiche auf eine Temperatur unter 700°C aufgeheizt worden sind und insbesondere dann für eine Härtung nicht zur Verfügung stehen. Einen Temperaturangleich erkennt man bei einer Temperatur von etwa 550°C oder etwas darunter, wobei nach einer verstärkten Abkühlung der heißeren Bereiche auch die Temperatur der weicheren Bereiche eine rasche Abkühlung mit etwa 20 K/s erfährt.
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Für die Zwecke der Erfindung ist es dabei ausreichend, wenn die Temperaturangleichung so durchgeführt wird, dass noch Differenzen in den Temperaturen der (vormals) heißen Bereiche und der (vormals) kälteren Bereiche bestehen, die 75°C, insbesondere 50°C nicht überschreiten (in beide Richtungen).
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Bei einer homogen aufgeheizten Platine erfolgt die Zwischenkühlung vorzugsweise derart, dass die Platine in die Abkühlvorrichtung verbracht wird und mit den Düsen der Kühlschwerter homogen mit einem gasförmigen Kühlmedium angeströmt und auf eine einheitliche, tiefere Temperatur abgekühlt wird.
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Für den Fall, dass eine Platine nur teilbereichsweise auf Austenitisierungstemperatur aufgeheizt wurde, werden die Düsen bzw. die Kühlschwerter derart angesteuert und insbesondere die Düsen mittels der Einrichtungen bzw. Stifte so angesteuert, dass nur die heißen Bereiche auf mindestens die peritektische Temperatur des Zink-Eisen-Diagramms abgekühlt werden und die übrigen Bereiche gegebenenfalls weniger oder nicht angeströmt werden, um eine Vergleichmäßigung der Temperatur in der Platine zu erreichen. Hiermit wird sichergestellt, dass eine bezüglich der Temperatur homogene Platine in die Umform- und Abschreckeinrichtung eingelegt wird.
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Darüber hinaus können Platinen verarbeitet werden, die aus unterschiedlichen Blechen, d.h. Bleche unterschiedlicher Stahlgüte oder Bleche unterschiedlicher Dicke, ausgebildet sind. Beispielsweise wird eine zusammengesetzte Platine, die aus unterschiedlichen Blechen unterschiedlicher Dicke zusammengefügt ist, auch unterschiedlich abgekühlt werden müssen, da ein dickeres Blech gleicher Temperatur stärker abgekühlt werden muss als ein entsprechend dünneres Blech. Mit der Vorrichtung kann somit auch eine Platine mit unterschiedlichen Blechdicken, egal ob diese durch unterschiedlich dicke zusammengesetzte bzw. zusammengeschweißte Blechstücke oder durch unterschiedliche Walzdicken ausgebildet ist, rasch homogen zwischengekühlt werden.
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Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass eine homogene Kühlung von heißen Elementen möglich ist, welche kostengünstig ist und eine hohe Variabilität hinsichtlich der Zieltemperatur und möglicher Durchlaufzeiten besitzt.
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Bei der Erfindung ist zudem von Vorteil, dass eine Stahlblechplatine über ihren gesamten Bereich oder teilbereichsweise sehr exakt und mit hoher Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit vor dem Einlegen in ein Umformwerkzeug oder ein Formhärtewerkzeug sehr zuverlässig zwischengekühlt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung zum Kühlen
- 2
- Kühlschwert
- 3
- Kühlschwertbasis
- 4
- Kühlschwertbreitseiten
- 5
- Kühlschwertschmalseiten
- 6
- Düsenkante
- 7
- Hohlraum
- 8
- Rahmen
- 10
- Düsen
- 11
- Düsenkanäle
- 12
- keilförmige Stege
- 14
- Fluidzuführungen
- 15
- Säulen
- 16
- Kasten
- 17
- Säulenkante/Spitze
- 18
- Bewegungseinrichtung
