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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung, ein Verfahren zur Wärmebehandlung und ein Verfahren zur Warmumformung von Metallblechelementen mit einer metallischen Beschichtung mit verbesserter Maßhaltigkeit bei und nach Erwärmung sowie ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Personenkraftwagen.
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Auf Metallbleche, beispielsweise Werkstücke aus Stahl, wird häufig eine Beschichtung aufgebracht, um ein Verzundern bei hohen Temperaturen zu verhindern sowie um einen Korrosionsschutz der zu fertigenden Bauteile zu erhalten. So werden beispielsweise aluminiumhaltige und ggf. siliziumhaltige Beschichtungen mit Dicken von ca. 20 µm - 30 µm durch Schmelztauchen aufgebracht.
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Eine Erwärmung derart beschichteter Metallbleche wird beispielsweise zur Austenitisierung, etwa vor der Warmumformung von Stahlblechen, durchgeführt. Hierbei schmilzt die Beschichtung und bildet auf dem Werkstück eine flüssige Phase. Infolge ungleichmäßiger Erwärmung unterschiedlicher Bereiche der Metallbleche oder auch unregelmäßiger Werkstückgeometrien können sich Temperaturgradienten einstellen, die ein Verschieben bzw. Fließen der Beschichtung mit sich bringen. Derartige Temperaturgradienten treten insbesondere bei der Durchlauferwärmung, beispielsweise beim Durchlaufen von induktiven Erwärmungsvorrichtungen, in Längsrichtung der Bleche bzw. in der Durchlaufrichtung auf. Neben Temperaturgradienten können bei der induktiven Erwärmung auch Lorentzkräfte ein derartiges Fließen bedingen: Die magnetische Feldstärke ist innerhalb des Induktors höher als außerhalb, was zu einem „magnethydrodynamischen Druck“ auf die Flüssigphase und zu einer gleichgerichteten Verschiebung der Beschichtung führt.
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Das Verschieben der flüssigen Beschichtung kann lokale Materialanhäufungen und -verarmungen in der Beschichtung mit sich bringen, bis hin zu Bereichen, an denen kein Beschichtungsmaterial mehr vorhanden ist. An diesen Stellen besteht einerseits die Gefahr der Verzunderung während der Wärmebehandlung und andererseits ist aufgrund der gestörten Barrierewirkung der Aluminiumbeschichtung kein ausreichender Korrosionsschutz mehr gegeben. Auch die Verarbeitbarkeit wie z. B. die Schweißbarkeit und/oder die Lackierbarkeit der Bauteile kann durch das Fließen der Beschichtung beeinträchtigt werden.
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Die induktive Schnellerwärmung gilt als rasches und energieeffizientes Erwärmungsverfahren, welches als Alternative zur konventionellen Erwärmung in Rollenherdöfen genutzt wird. Zur Erwärmung der wie beschrieben beschichteten Bauteile bis hin zur Zieltemperatur von ca. 900°C - 950°C ist die induktive Schnellerwärmung bisher nicht geeignet, da hier das Verschieben bzw. Fließen der Beschichtung ein Problem darstellt. Dieses ergibt sich insbesondere durch die hohen Temperaturgradienten zwischen im Induktor befindlichen Blechbereichen und außerhalb des Induktors befindlichen Blechbereichen. Somit wird die induktive Schnellerwärmung bisher nur bis hin zu Temperaturen genutzt, die unterhalb des Schmelzpunkts der Beschichtungen liegen, also beispielsweise bis hin zu ca. 570°C - 600°C. In diesen Bereichen weist jedoch auch die Konvektionserwärmung in einem Rollenherdofen eine ausreichende Aufheizrate und Effizienz auf, sodass der Einsatz einer Schnellerwärmung bis 580°C aus wirtschaftlichen Gründen gegebenenfalls nicht rentabel ist.
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Zur Verhinderung des Schmelzens der Beschichtung kann ein als Vordiffusion bezeichneter Prozess genutzt werden. Hierbei wird das Blech vor der Erwärmung für die Warmumformung einer zusätzlichen Wärmebehandlungsstufe unterzogen, in der Eisenatome aus dem Grundmaterial in die Beschichtung diffundieren und sich als Legierungsbestandteil anlagern, wobei die geänderte Materialzusammensetzung zu einer Erhöhung des Schmelzpunktes führt. Dieser zusätzliche Schritt ist allerdings aufwändig und energieintensiv.
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Alternativ können von vornherein Beschichtungen mit höheren Schmelzpunkten gewählt werden. Das damit verbundene Verfahren ist allerdings häufig aufwändig und die derart beschichteten Bleche weisen Nachteile bezüglich der Weiterverarbeitung auf, beispielsweise durch mangelnde Schweißbarkeit. Hier muss die Beschichtung vor der Weiterverarbeitung lokal entfernt werden. Andere Beschichtungen enthalten Nickel, was ökologische und gesundheitliche Nachteile mit sich bringt.
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Die
DE 10 2008 006 624 A1 offenbart ein Verfahren zum Fügen mehrerer Stahlsubstrate, von denen wenigstens eines eine Oberflächenbeschichtung aufweist. Dabei wird die Oberflächenbeschichtung in einem Fügebereich entfernt, so dass im anschließenden Verbinden der Stahlsubstrate mittels Schweißen keine Beeinträchtigung der Schweißnaht erfolgt. Das Entfernen der Oberflächenbeschichtung erfolgt unter Verwendung von Mitteln zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, insbesondere mittels eines Induktionsleiters. Dabei kann die Oberflächenbeschichtung verdampft werden.
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Die
DE 10 2008 006 241 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abtragen einer metallischen Beschichtung einer Stahlplatine mittels eines Laserstrahls. Die Beschichtung wird dabei mittels des Laserstrahls erhitzt und das flüssige und/oder gasförmige Material wird mittels einer Absaugvorrichtung entfernt. Weiterhin kann eine Abblasvorrichtung unterstützend zum Abtransport des Materials genutzt werden. Das Entfernen der Beschichtung erfolgt insbesondere in einem zu schweißenden Bereich und kann mittels mechanischer Verfahren unterstützt werden.
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Die
DE 10 2011 050 316 A1 offenbart ein Verfahren zum zumindest teilweisen Entschichten von beschichteten Platinen aus Metall. Dieses umfasst das Auflegen der Platine auf eine Presse und das Entfernen der Beschichtung der Platine durch Schaben mittels wenigstens eines Schabemessers während der Schließbewegung der Presse. Insbesondere erfolgt dies in einem Kanten- und/oder Schweißnahtbereich, um auf diese Weise eine Verbindung mehrerer Platinen mittels Schweißen zu ermöglichen, ohne dass Beschichtungsbestandteile in die Schweißnaht eindringen. Das genutzte Verfahren ist insbesondere als Durchlaufverfahren zur Entfernung der Beschichtungsbereiche in Längserstreckungs- und Durchlaufrichtung der Platinen ausgestaltet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, jeweils ein Verfahren zur Herstellung, zur Wärmebehandlung sowie zur Warmumformung von Metallblechelementen zur Verfügung zu stellen, die es auf einfache und effiziente Weise erlauben, eine Wärmebehandlung ohne ein Verschieben von Beschichtungen durchzuführen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren zur Herstellung von Metallblechelementen gemäß Anspruch 1, durch das Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallblechelementen gemäß Anspruch 8 und durch das Verfahren zur Warmumformung von Metallblechelementen gemäß Anspruch 9. Ausgestaltungen des Verfahrens zur Herstellung von Metallblechelementen sind in den Unteransprüchen 2-7 angegeben. Des Weiteren wird ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Ein erster Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von Metallblechelementen mit einer metallischen Beschichtung mit verbesserter Maßhaltigkeit bei und nach Erwärmung. Dieses umfasst das Bereitstellen eines Metallblechelements, welches zumindest teilweise eine metallische Beschichtung aufweist, insbesondere eines Stahlblechs mit einer aluminiumhaltigen Beschichtung wie z.B. mit einer Beschichtung aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, und das Erzeugen einer flächensegmentartigen Anordnung der Beschichtung. Dies erfolgt durch Einbringen wenigstens eines Trennbereichs in die Beschichtung derart, dass durch den Trennbereich die Flächensegmente der Beschichtung zumindest bereichsweise voneinander separiert werden. Insbesondere können die Flächensegmente vollständig voneinander separiert werden.
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Es wird mit anderen Worten ein Metallblechelement mit einer metallischen Beschichtung hergestellt, wobei die Beschichtung zumindest bereichsweise flächensegmentartig an bzw. auf einem Grundmaterial des Metallblechelements angeordnet ist und die Flächensegmente voneinander durch wenigstens einen Trennbereich separiert sind. Das hergestellte Metallblechelement weist somit wenigstens zwei Flächensegmente auf. Der die Flächensegmente separierende Trennbereich wirkt als Barriere, die sich einem Verschieben bzw. Fließen der Beschichtung in den Weg stellt.
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Die Beschichtung hat typischerweise eine Dicke von ca. 20-30 µm und ist einseitig oder beidseitig auf der Oberfläche des Blechelements angeordnet. Bei einer beidseitigen Anordnung werden insbesondere beidseitig Trennbereiche eingebracht, um die jeweiligen Flächensegmente zu separieren. Insbesondere ist die Beschichtung am gesamten Metallblechelement angeordnet.
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Die Trennbereiche umfassen insbesondere eine geänderte Zusammensetzung und/oder Geometrie der Beschichtung bzw. Bereiche ohne Beschichtung. Insbesondere wird der Trennbereich in die Beschichtung eingebracht, das Erzeugen der Flächensegmente erfolgt also nach dem Auftragen der Beschichtung. Alternativ ist es möglich, dass die Beschichtung derart aufgebracht wird, insbesondere durch bereichsweises Aufbringen, dass entsprechende Trennbereiche bereits von vornherein vorgesehen werden.
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Das Einbringen eines Trennbereichs meint das Erzeugen eines Trennbereichs, der wie beschrieben durch eine geänderte Zusammensetzung und/oder Geometrie der Beschichtung bzw. durch Bereiche ohne Beschichtung gekennzeichnet sein kann. Dies kann beispielsweise mittels Hinzufügen und/oder Entfernen von Material und/oder durch Ändern der Materialzusammensetzung erfolgen.
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Die Flächensegmente werden zumindest bereichsweise voneinander separiert. Es werden also wenigstens punktuelle Trennbereiche eingebracht. Zwischen den Trennbereichen und/oder beispielsweise in Randbereichen des Blechelements kann eine somit eine direkte Verbindung des Materials zweier benachbarter Flächensegmente bestehen. Die Flächensegmente können auch vollständig voneinander separiert werden. Dies bedeutet, dass das Material eines Flächensegments keine direkte Verbindung zum Material eines benachbarten Flächensegments aufweist und der Trennbereich beispielsweise als durchgezogene Linie ausgeführt ist. Selbstverständlich ist weiterhin eine indirekte Verbindung vorhanden, da das Material jedes Bereichs der Beschichtung das metallische Grundmaterial kontaktiert. Die Trennbereiche sind typischerweise ohne Unterbrechung ausgestaltet. Sie verlaufen insbesondere über die gesamte Dicke der Beschichtung, jedoch zumindest an der Oberfläche der Beschichtung.
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Die Trennbereiche können beispielsweise linien- oder gitterförmig angeordnet sein und auf der Oberfläche des beschichteten Metallblechelements sichtbar sein. Sie können als gebogene Linien ausgeführt sein, um optimal an eine erwartete Fließbewegung der Beschichtung angepasst zu sein. Beispielsweise kann im Falle eines bandförmigen Stahlblechelements, bei dem beim Durchlaufen einer induktiven Schnellerwärmungsvorrichtung eine bogenförmige Schmelzfront erwartet wird, ein ebenso bogenförmiger Trennbereich eingebracht werden, so dass die Schmelzfront den Trennbereich über die gesamte Breite des Stahlblechelements gleichzeitig erreicht. Insbesondere können die Trennbereiche senkrecht zur Richtung der erwarteten Flüssigphasenverschiebung der Beschichtung angeordnet werden. Eine gitterförmige Struktur kann das Fließen in mehrere Richtungen auf der Ebene des Blechelements verhindern. Die einzelnen linienförmigen Trennbereiche können beispielsweise Abstände zwischen 1 cm und 60 cm, insbesondere zwischen 1 cm 20 cm aufweisen. Die Trennbereiche machen hinsichtlich ihrer Fläche typischerweise weniger als 10% und insbesondere weniger als 2% der Oberfläche der Beschichtung aus. Sie sind typischerweise über die gesamte Oberfläche des Metallblechelements angeordnet und erstrecken sich also insbesondere nicht nur an den Randbereichen der Metallblechelemente. Insbesondere sind die Trennbereiche länglich geformt, weisen also eine Länge L auf, die deren Breite B um das Zehnfache und insbesondere um das Dreißigfache übersteigt.
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Das Metallblechelement kann ein Stahlblechelement sein und beispielsweise aus einem manganlegierten Vergütungsstahl wie 22MnB5 hergestellt sein. Alternativ können andere Metalle wie beispielsweise Aluminium oder Titan genutzt werden. Das Metallblechelement kann hinsichtlich seiner Form beispielsweise ein Blech, eine Platine oder ein Band sein. Die Beschichtung kann eine Aluminium-Silizium-Legierung sein.
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In einer Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung von Metallblechelementen erfolgt das Einbringen wenigstens eines Trennbereichs dadurch, dass mittels bereichsweiser Wärmeeinbringung in die Beschichtung in dem Bereich der Beschichtung die Materialzusammensetzung verändert wird. Dies erfolgt insbesondere mittels bereichsweisen Aufschmelzens der Beschichtung. Die Materialzusammensetzung wird insbesondere dadurch verändert, dass Teilchen aus dem Grundmaterial in der Beschichtung eingelagert werden. Hierbei können durch Diffusion beispielsweise Eisenatome in die Aluminium-Silizium-Beschichtung gelangen und hochschmelzende Aluminium-Eisen-Silizium-Phasen bilden.
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Der erwünschte Effekt ist die sogenannte Vordiffusion. Die Temperaturerhöhung führt zu einer erhöhten Diffusionsgeschwindigkeit von Teilchen aus dem Grundmaterial, insbesondere von Eisenatomen aus dem Stahlblech, in die Beschichtung hinein. Diese lagern sich als Legierungsbestandteil an und die veränderte Materialzusammensetzung in dem wenigstens einen Trennbereich führt zur Erhöhung des Schmelzpunktes der Beschichtung in diesem Bereich. Somit können beispielsweise Schmelzpunkte oberhalb von 950°C erreicht werden, so dass die Trennbereiche bei einer anschließenden Erwärmung zwecks Warmumformung nicht schmelzen und als Barriere gegen das oberhalb von 570°C verflüssigte Beschichtungsmaterial aus den Flächensegmenten wirken. Somit weisen die Trennbereiche ein Material auf, welches einen höheren Schmelzpunkt als die Beschichtung hat. Der erzielte Schmelzpunkt liegt typischerweise im Bereich der Curie-Temperatur des Grundmaterials oder darüber.
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Es kann sich durch die Diffusion eine Strukturveränderung bis in das Grundmaterial des Metallblechelements hinein ergeben. Es kommt ggf. zu einer Durchmischung der Phasen an der Phasengrenze.
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Das Einbringen von Wärme in die Beschichtung muss nicht von außen erfolgen. Es kann auch mittels Wärmeleitung über den Kontaktierungsbereich zwischen dem Grundmaterial des Metallblechelements und der Beschichtung erfolgen, wobei das Grundmaterial beispielsweise induktiv erwärmt werden kann. Dabei wird insbesondere auch die Grenzschicht zwischen Grundmaterial und Beschichtung sowie die Beschichtung mit erwärmt, so dass die Diffusion von Teilchen aus dem Grundmaterial effizient erfolgen kann. Auch das Grundmaterial selbst kann erwärmt werden. Das Aufschmelzen der Beschichtung kann dabei in einem kleineren Bereich erfolgen als die Wärmeeinbringung.
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Die Trennbereiche können nach der Wärmeeinbringung auch eine größere Dicke aufweisen als die Beschichtung, da auch das Aufschmelzen aufgrund der lokalen Wärmeeintragung eine Bewegung des verflüssigten Materials mit sich bringen kann. Es können somit Bereiche mit erhöhter Dicke entstehen, die einem Fließen der Beschichtung bei der Erwärmung des Metallblechelements als physische Barrieren entgegenstehen. Beispielsweise kann sich im verflüssigten Bereich durch das beschriebene Fließen auch während des lokalen Einbringens von Wärme bereits eine Wellenform ausbilden, die nach Beendigung des Wärmeeintrags erstarrt. Die Erhöhung der Dicke kann dabei beispielsweise im Bereich von 10 µm - 30 µm erfolgen, insbesondere unterhalb von 20 µm. Dieser Effekt kann während der Wärmebehandlung zusätzlich oder alternativ zum erhöhten Schmelzpunkt wirken. Im anschließenden Erwärmungsverfahren können sich die lokal erhöhten Dicken wieder ausgleichen und es kann sich wieder eine im Wesentlichen konstante Dicke der Beschichtung einstellen.
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Es ergibt sich der Vorteil, dass die Metallblechelemente auf einfache Weise und ohne zusätzlichen Materialaufwand für ein induktives Erwärmungsverfahren eingerichtet werden können.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die Wärmeeinbringung induktiv.
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Es werden insbesondere lokal begrenzte Induktoren eingesetzt, die beispielsweise gepulst ansteuerbar sind. Es können linienförmige Induktoren genutzt werden. Dies kann nach einer beispielsweise induktiven Erwärmung des Blechs erfolgen, wenn das Blech in mehreren Schritten erwärmt wird. In diesem Fall kann ein gepulst betriebener Induktor innerhalb von 0,2 Sekunden - 0,3 Sekunden eine bereichsweise Erwärmung bis oberhalb der Schmelztemperatur erzielen. Die Diffusionszeit dauert allerdings nach Abschalten des Induktors an. Ausgehend von der Raumtemperatur werden beispielsweise 1 Sekunde - 3 Sekunden benötigt. Eine derartige Induktionsspule kann beispielsweise eine Breite von 0,5 mm bis 20 mm aufweisen.
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Diese Ausgestaltung weist den Vorteil eines einfachen, kostengünstigen und flexibel einsetzbaren Verfahrens auf.
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In einer alternativen Ausgestaltung erfolgt die Wärmeeinbringung mittels wenigstens eines Laserstrahls.
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Es wird somit ein Laserstrahl über Bereiche des Metallblechelements geführt, um die erfindungsgemäßen Trennbereiche zu erzeugen. Die Größe des Laserpunkts kann beispielsweise zwischen 50 µm und 400 µm betragen. Die Vorschubgeschwindigkeit des Lasers kann dabei bis zu 2000 mm/s betragen. Somit erfolgt die lokale Erwärmung im Millisekundenbereich. Es kann sich auch um einen statischen, also ortsfesten Laser handeln, der eine Art „Laservorhang“ bildet, den das Blech kontinuierlich durchläuft und dabei mittels des Lasers gepulst erwärmt wird. Dabei kann lokal der Schmelzpunkt des Eisens überschritten werden. Insbesondere werden Temperaturen oberhalb des Schmelzpunkts der Beschichtung erreicht, beispielsweise oberhalb von 581 °C. Dies erfolgt typischerweise über die gesamte Dicke der Beschichtung, beispielsweise 25 µm, bis zur Oberfläche des Grundmaterials und/oder bis in die hochschmelzende Interdiffusionsschicht aus einer Aluminium-Eisen-Silizium-Phase hinein, die sich typischerweise während des Beschichtungsvorgangs, beispielsweise in einem Schmelztauchprozess, ausbildet.
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Auch diese Ausgestaltung weist den Vorteil eines flexibel einsetzbaren, einfachen und kostengünstigen Verfahrens auf.
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In einer Ausgestaltung kann das Einbringen des Trennbereichs dadurch erfolgen, dass mittels bereichsweiser Wärmeeinbringung in die Beschichtung, insbesondere umfassend ein bereichsweises Aufschmelzen der Beschichtung, in dem Bereich der Beschichtung deren Dicke erhöht wird. Somit ergibt sich eine lokale Materialanhäufung, die als physische Barriere gegen ein Fließen des aufgeschmolzenen Beschichtungsmaterials bei der induktiven Schnellerwärmung dient.
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In einer Ausgestaltung erfolgt die Wärmeeinbringung zum Teil induktiv und zum Teil mittels wenigstens eines Laserstrahls.
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In einer alternativen Ausgestaltung kann das Einbringen wenigstens eines Trennbereichs dadurch erfolgen, dass der Bereich der Beschichtung entfernt wird.
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Die Entfernung eines Bereichs der Beschichtung meint insbesondere die vollständige Entfernung der Beschichtung in diesem Bereich. Somit werden beispielsweise grabenförmige Aussparungen in die Beschichtung eingebracht, die bis zur Grenzschicht zwischen Grundmaterial und Beschichtung oder bis in das Grundmaterial reichen und somit die Flächensegmente der Beschichtung vollständig separieren. Somit sind die Trennbereiche durch Aussparungen in der Beschichtung gebildet. Alternativ ist auch ein nur teilweises Entfernen der Beschichtung bzw. ein im Wesentlichen vollständiges Entfernen der Beschichtung möglich, beispielsweise umfassend wenigstens 5/6 der Dicke der Beschichtung. Dabei ist insbesondere von Bedeutung, dass der bei den für die Austenitisierung benötigten Temperaturen fließfähige Anteil der Beschichtung vollständig entfernt wird, also die Aluminium-Silizium-Phase, die einen Schmelzpunkt unterhalb der zu erzielenden induktiven Erwärmungstemperatur aufweist.
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Diese Ausgestaltung bringt ebenfalls den Vorteil eines einfachen und kostengünstigen Verfahrens mit sich. Die Aussparungen schließen sich bei Aufschmelzen des Materials in der Erwärmung typischerweise wieder mit geschmolzenem Material, was eine durchgehende Beschichtung zur Wahrung des effektiven Korrosionsschutzes wiederherstellt.
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In einer weiteren Ausführungsform erfolgt das Entfernen des Bereichs der Beschichtung durch Abtragen von Beschichtungsmaterial und/oder durch Zerspanen, insbesondere mittels Ritzen, Fräsen, Bürsten und/oder Texturieren von Beschichtungsmaterial.
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Die Entfernung der Beschichtung kann somit mechanisch erfolgen, beispielsweise mittels Ritzen, Fräsen und/oder Bürsten. Alternativ oder zusätzlich kann sie mittels Warmabtragen erfolgen, beispielsweise mittels eines Drahtes. Auf diese Weise können selbstverständlich mehrere Bereiche der Beschichtung entfernt werden.
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Texturieren meint insbesondere das SBT-Verfahren, auch als Shot Blasting Texturing bezeichnet, das EDT-Verfahren, auch als Electro Discharge Texturing bezeichnet, oder das EBT-Verfahren, auch als Electron-Beam-Texturing bezeichnet.
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Das SBT-Verfahren ist das weitestverbreitete Verfahren. Mit Hilfe eines Schleuderrades wird ein definiertes Strahlkorn auf die Walzenoberfläche geschleudert und erzeugt dort einen Krater.
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Die Form und Ausprägung des Kraters kann über die Korngröße und über die Aufprallgeschwindigkeit variiert werden.
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Es hat den Vorteil, dass die Textur sehr einfach herzustellen ist und kleine Fehler in der Oberfläche kaschiert werden können, was insbesondere wichtig ist bei Außenteilproduktion. Die Textur kann ohne Nachteile für Nacharbeit eingesetzt werden. Beim EDT-Verfahren wird die Walzenoberfläche durch Funkenerosion aufgeraut. Dies geschieht, indem die Arbeitswalze in einem Tank, in dem sich ein Dielektrikum, also ein Isolatormedium, beispielsweise Öl, befindet, an einer Elektrode vorbeigeführt wird. Durch Funkenüberschlag werden kleine Krater in die Walzenoberfläche geschlagen. Es hat den Vorteil, dass die Oberfläche ähnliche Eigenschaften wie die SBT-Oberfläche hat, wobei jedoch eine höhere Spitzenanzahl erreicht wird. Beim EBT-Verfahren wird mit Hilfe eines Elektronenstrahls im Vakuum ein definierter Krater in die Walzenoberfläche geschossen. Der Elektronenstrahl kann gezielt eine definierte Textur aufbringen. Dies hat den Vorteil, dass die Rauheit sehr homogen ist und somit eine sehr gute Oberfläche für spätere Lackierprozesse hergestellt wird, wodurch ein hoher Lackglanz möglich ist.
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Der sich ergebende Vorteil dieser Ausgestaltung ist, dass diese Verfahren kostengünstig sind und leicht in bestehende Prozesse integriert werden können.
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Alternativ oder zusätzlich kann das Entfernen des Bereichs der Beschichtung mittels wenigstens eines Laserstrahls erfolgen.
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Es kann mittels eines Lasers, insbesondere eines Kurzpulslasers, ein hoher Energieeintrag erfolgen, der zum lokalen Verflüssigen bzw. Verdampfen der Beschichtung führt. Das entstehende Material kann abgeblasen und/oder abgesaugt werden. Auch kann ein Absprengen mittels Schockwellen erfolgen. Hierbei wird mittels des hochenergetischen Lasers ein Plasma erzeugt, welches durch eine rasche bzw. explosionsartige Volumenvergrößerung zum gezielten Absprengen des Materials führt.
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Diese Verfahren weisen den Vorteil auf, dass sie schnell und effizient sind.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallblechelementen mit einer metallischen Beschichtung mit verbesserter Maßhaltigkeit bei und nach Erwärmung. Dieses umfasst die Herstellung eines Metallblechelements mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sowie das Erwärmen zumindest eines Bereichs des Metallblechelements, insbesondere mittels induktiver Erwärmung.
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Die Erwärmung erfolgt insbesondere mittels eines Schnellerwärmungsverfahrens und typischerweise mittels Induktion. Hier kommt es aufgrund der großen Temperaturgradienten im herkömmlichen Verfahren zu einem Verschieben der aufgeschmolzenen Beschichtung, was mit den erfindungsgemäßen Aspekten überwunden wird. Insbesondere erfolgt die Erwärmung des gesamten Metallblechelements auf eine zur Austenitisierung notwendige Temperatur, die beispielsweise bei 22MnB5 zwischen 880°C und 960°C liegt, insbesondere zwischen 900°C und 950°C. Es bietet sich also der Vorteil, dass ein Metallblechelement mit einer metallischen Beschichtung in der effizienten induktiven Schnellerwärmung erwärmt werden kann ohne dass Einbußen im Korrosionsschutz oder in der Gleichmäßigkeit der Beschichtung in Kauf genommen werden müssen.
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Im Falle eines in wenigstens mehreren Schritten erfolgenden Erwärmungsverfahrens kann vor der Herstellung des Metallblechelements bereits eine teilweise Erwärmung des Metallblechelements bis zu einer unterhalb des Schmelzpunks der Beschichtung liegenden Temperatur erfolgen. Bei einer lokalen Temperaturerhöhung zur Veränderung der Materialzusammensetzung oder zum Schmelzen bzw. Verdampfen der Beschichtung ist somit nur noch eine geringere Temperaturerhöhung notwendig und das Verfahren wird energetisch effizienter.
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Ein dritter Aspekt ist ein Verfahren zur Warmumformung von Metallblechelementen mit einer metallischen Beschichtung mit verbesserter Maßhaltigkeit bei und nach Erwärmung. Dieses umfasst die Wärmebehandlung eines Metallblechelements mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung sowie das Warmumformen des erwärmten Metallblechelements, insbesondere mittels Formhärten. Insbesondere erfolgt eine Erwärmung des gesamten Metallblechelements, wie beschrieben, auf eine Temperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur des Werkstoffs, die bei 22MnB5 zwischen 880°C und 960°C liegt.
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Die Erwärmung wird wie beschrieben insbesondere mit dem Ziel der Gefügeumwandlung des Werkstoffs durchgeführt, beispielsweise zur Austenitisierung. Im Anschluss erfolgt typischerweise ein Abschrecken mit dem Ziel der Härtung. Dies kann beim Formhärten, also dem Abkühlen des umgeformten Metallblechelements in der Form durch Übertragung von Wärme an die Form und Ableitung dieser Wärme, gemeinsam mit der Warmumformung realisiert werden. Das Härten des Materials findet somit in der Form statt. Dieses Verfahren wird auch als Presshärten bezeichnet. Auf diese Weise werden beispielsweise hochfeste bzw. höchstfeste Karosseriebauteile hergestellt.
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Weiteres Ziel der Erwärmung ist die Einsparung von Umformenergie, wie es aus Warmumformungsprozessen bekannt ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Warmumformung weist den Vorteil auf, dass das effiziente und vielseitige Verfahren der Warmumformung für beschichtete Bauteile genutzt werden kann.
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Ein vierter Aspekt der Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen. Dieses weist wenigstens ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wärmebehandlung behandeltes und/oder wenigstens ein mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Warmumformung umgeformtes Metallblechelement auf.
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Das Metallbauteil kann jedes wärmebehandelte und/oder warmumgeformte Metallbauteil sein. Insbesondere sind Karosseriebauteile und/oder Bauteile aus Stahl gemeint.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen und Beispiele erläutert.
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Es zeigen
- 1: eine perspektivische Darstellung eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallblechelements,
- 2: eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallblechelements,
- 3: eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Metallblechelements, sowie
- 4: eine perspektivische Darstellung eines Metallblechelements während der Herstellung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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Ein Metallblechelement 10, welches mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, ist in 1 dargestellt. Es handelt sich um ein rechteckiges Blechteil, welches parallel angeordnete Trennbereiche 14 aufweist. Diese sind als Linien ausgebildet, die senkrecht zur Längserstreckungsrichtung des Blechteils ausgerichtet sind. Zwischen den Trennbereichen 14 ist die Beschichtung 12, bestehend aus einer Aluminium-Silizium-Legierung, in streifenförmige Flächensegmente unterteilt.
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Das gezeigte Blechteil ist insbesondere für eine Schnellerwärmung in einer Längsfeld-Induktionseinrichtung geeignet, bei welcher es entlang seiner Längserstreckungsrichtung durch die quer dazu angeordnete Induktionsspule geführt wird. Hierbei würde ohne die erfindungsgemäßen Trennbereiche 14 das aufgeschmolzene Material typischerweise entgegen der Vorschubrichtung vom wärmeren zum kälteren Bereich fließen, was durch die quer zur Fließrichtung angeordneten Trennbereiche 14 verhindert wird.
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In 2 sind zusätzlich zu den quer verlaufenden Trennbereichen 14 senkrecht dazu längs verlaufende Trennbereiche 14 angeordnet, die die Beschichtung 12 in rechteckige Flächensegmente unterteilen, die in jeweils zwei Ausdehnungsrichtungen nebeneinander angeordnet sind. Hierbei wird auch ein Fließen in Querrichtung verhindert. Eine alternative Anordnung der Trennbereiche 14 zeigt 3, wo die diagonalen Trennbereiche 14 die Beschichtung 12 des Metallblechelements 10 in rautenförmige Flächensegmente unterteilen.
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4 zeigt die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Metallblechelements 10. Hierbei wird mittels einer Laserquelle 20 ein Laserstrahl 22 erzeugt, der zur lokalen Erwärmung der Beschichtung 12 über das Metallblechelement 10 geführt wird. Dabei wird mittels eines lokalen Aufschmelzens der Beschichtung 12 und einer lokalen Erwärmung des anliegenden Grundmaterials, hier eines Bor-Mangan-Stahls, eine Diffusion von Eisenatomen in die Beschichtung 12 erzielt. In der Folge wird in diesen Bereichen, den Trennbereichen 14, eine lokale Schmelzpunkterhöhung realisiert, so dass sich während der anschließenden induktiven Erwärmung hier Barrieren bestehen, die ein Fließen des verflüssigten Beschichtungsmaterials verhindern. In der gezeigten Variante wird eine parallele Anordnung von Trennbereichen 14 erzeugt, wie sie auch in 1 dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- Metallblechelement
- 10
- Beschichtung
- 12
- Trennbereich
- 14
- Laserquelle
- 20
- Laserstrahl
- 22
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008006624 A1 [0008]
- DE 102008006241 A1 [0009]
- DE 102011050316 A1 [0010]
