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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf Profilbauteilen aus Stahlblech, insbesondere auf Struktur- oder Karosseriebauteilen von Kraftfahrzeugen.
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Die Beschichtung von Profilbauteilen aus Stahlblech erfolgt mit dem Ziel, deren Eigenschaften zu verbessern. Hierdurch können insbesondere die Korrosionsbeständigkeit aber auch die Verschleißfestigkeit erhöht werden.
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Verfahren zum Auftragen von festhaftenden Beschichtungen aus formlosen Stoffen auf metallische Oberflächen sind im Stand der Technik bekannt. Hierzu zählen das Feuerverzinken ebenso wie das Spritzverzinken, das galvanische Verzinken oder das Sherardisieren (Diffusionsverzinkung).
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Das Sherardisieren ist in der DIN EN ISO 17668:2016 „Zink-Diffusionsschichten auf Eisen - Sherardisieren - Anforderungen“ international spezifiziert. Der Prozess ist diffusionsgesteuert und wird über eine Wärmebehandlung ausgeführt, wobei eine Schicht über die Dampfphase des Zinks erzeugt wird. Die Schichtabscheidung erfolgt durch Phasenreaktion mit der Oberfläche der metallischen Profilbauteile, bei der eine Zink-Eisen-Legierungsschicht entsteht. Die Schicht wächst aus der Oberfläche der Profilbauteile und ist daher konturnah.
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Durch die
DE 10 2005 002 706 A1 zählt ein Verfahren zum Aufbringen einer festen metallischen Beschichtung, insbesondere aus Zink bzw. einer Zinklegierung, auf ein Profilbauteil aus Stahlblech zum Stand der Technik. Hierbei wird das Profilbauteil in einem Behandlungsraum mit einem Metallpulver eingenebelt. Das Metallpulver wird elektrostatisch auf der Oberfläche des Profilbauteils vollflächig abgeschieden. In einem sich anschließenden Wärmebehandlungsvorgang erfolgt ein Diffusionsprozess zwischen dem Stahlblech und dem Metallpulver, wobei die Beschichtung ausgebildet wird. Die Beschichtung der Profilbauteile erfolgt in einem Durchlaufprozess. Mit diesem an sich innovativen und rationellen Verfahren konnten jedoch bislang keine qualitativ befriedigenden Beschichtungen erzielt werden.
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Die
EP 2 271 784 B1 offenbart ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche eines metallischen Profilbauteils mit Zink, welches als Sherardisierverfahren durchgeführt wird. Die zu beschichtenden Profilbauteile werden zusammen mit Zink als Beschichtungsmittel bei einer Temperatur zwischen 200°C und 500°C in einem Reaktionsraum wärmebehandelt. Bei dem Reaktionsraum handelt es sich insbesondere um langsam rotierende geschlossene Behälter, beispielsweise einer Trommel oder einem Drehofen. Vor dem Beginn der Wärmebehandlung wird der Sauerstoffgehalt der in dem Reaktionsraum enthaltenen Atmosphäre auf weniger gleich 5 Vol.-% eingestellt. Des Weiteren wird dem Reaktionsraum vor der Wärmebehandlung ein Flussmittel zugeführt. Dieses Verfahren ist jedoch relativ aufwändig und kostenintensiv.
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Generell ist anzumerken, dass das Sherardisierverfahren mit einer Wärmebehandlung in langsam rotierenden geschlossenen Behältern bzw. Retorten sehr aufwändig und zeitintensiv ist. Hierbei wird neben der Retorte auch gegebenenfalls ein Füllstoff erhitzt, so dass große thermische Massen erhitzt werden müssen. Die Temperatur des Beschichtungsgutes wird indirekt über die Trommelwand gesteuert. Dieser Prozess ist sehr träge und schlecht steuerbar. Zudem erfolgt die Erwärmung der Bauteile indirekt über die Aufheizung der Retorte. Dies hat zur Folge, dass die Materialeigenschaften der zu beschichtenden Profilbauteile nachteilig beeinflusst werden können.
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Eine vergleichbare Technologie ist in der
DE 10 2004 035 049 A1 offenbart. Dort wird ein Sättigungsgemisch mit einem Anteil von etwa 99% bis 100% an feindispersem Zinkpulver verwendet und gleichzeitig mit dem Sättigungsgemisch ein wärmeleitender Füllstoff in Form von Granalien bzw. Kügelchen in einen Container eingebracht, in welchem die Stahlprofilerzeugnisse für den Beschichtungsvorgang aufgenommen sind.
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Die Herstellung einer Beschichtung auf Profilbauteilen aus Stahl bzw. Stahlblech ist auch in der
WO 2014/089624 A1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, ein rationelles und effizientes Verfahren zur Herstellung von qualitativ hochwertigen Beschichtungen auf Profilbauteilen aus Stahlblech aufzuzeigen.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Verfahren nach Anspruch 1.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung einer Beschichtung auf Profilbauteilen aus Stahlblech sieht folgende Schritte vor:
- - Bereitstellen von zumindest bereichsweise gehärteten, insbesondere pressgehärteten, Profilbauteilen,
- - Aufbringen von Metallpulver auf die Oberfläche der Profilbauteile,
- - Wärmebehandlung der Profilbauteile in einem Wärmebehandlungsraum, wobei die Profilbauteile in einen Wärmebehandlungsbereich des Wärmebehandlungsraums hinein bewegt werden, welcher eine Inertgasatmosphäre aufweist, wobei
- - die Profilbauteile nach oben in die Inertgasatmosphäre bewegt werden, wenn die Gasdichte der Inertgasatmosphäre kleiner als die Gasdichte von Luft ist oder
- - die Profilbauteile nach unten in die Inertgasatmosphäre bewegt werden, wenn die Gasdichte der Inertgasatmosphäe größer als die Gasdichte von Luft ist und
- - die Wärmebehandlung in der Inertgasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 300 C° und 500 C° sowie über einen Zeitraum von 5 min bis 120 min erfolgt und
- - bei der Wärmebehandlung durch einen Diffusionsprozess zwischen den Profilbauteilen und dem Metallpulver die Beschichtung ausgebildet wird, wonach
- - die Profilbauteile aus dem Wärmebehandlungsraum heraus geführt werden.
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Die vorstehend aufgeführten Schritte zur Herstellung einer Beschichtung auf Profilbauteilen und von Stahlblech werden nacheinander durchgeführt.
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Es werden zumindest bereichsweise gehärtete, insbesondere pressgehärtete, Profilbauteile bereitgestellt. Insbesondere handelt es sich bei den Profilbauteilen um warmumgeformte und pressgehärtete Profilbauteile. Hierbei wird ein Stahlblech aus einem borlegierten Stahl, insbesondere einer Bor-Mangan-Stahl-Legierung, auf eine Temperatur über AC3 erwärmt und danach schnell, d. h. in der Regel in weniger als 5 s, umgeformt und im Presswerkzeug eingespannt einer Schnellkühlung unterzogen, so dass ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge erzielt wird. Durch diese Maßnahmen erhält man ein Produkt mit hoher Formgenauigkeit, guter Maßhaltigkeit und hohen Festigkeitswerten, welches sich sehr gut für Struktur-, Karosserie- und Sicherheitsbauteile im Fahrzeug eignet. Die Profilbauteile können auch nur bereichsweise gehärtet sein, also lokal unterschiedliche Gefüge und/oder Materialeigenschaften aufweisen.
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Die Umformung kann direkt oder indirekt erfolgen. Bei der direkten Warmumformung wird das Bauteil bei einer stahlabhängigen Temperatur austenitisiert, zur gekühlten Matrize bzw. dem Presswerkzeug transferiert und dann umgeformt. Auf diese Weise sind komplexe Geometrien formbar, weil der Werkstoff bei hohen Temperaturen über sehr gute Formbarkeit verfügt.
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Bei der indirekten Warmumformung wird das Bauteil zuerst kalt bzw. ungeheizt vorgeformt bzw. tiefgezogen. Anschließend wird das Bauteil auf die Austenitisierungstemperatur geheizt und fertiggeformt. Dieser zusätzliche Schritt erweitert die Formgrenzen für sehr komplexe Geometrien.
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Nach dem Umformvorgang werden die Profilbauteile einem Reinigungsprozess unterzogen, bevor diese dem Beschichtungsvorgang zugeführt werden.
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Auf die Oberfläche der Profilbauteile wird ein Metallpulver aufgebracht. Hierbei kann es sich um reines Zinkpulver oder ein Pulver aus einer Zinklegierung handeln. Es kann auch ein mit Additiven ergänzt formuliertes Metallpulver verwendet werden.
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Zum Aufbringen des Metallpulvers auf die Oberfläche der Profilbauteile werden die Profilbauteile mit dem Metallpulver in Kontakt gebracht. Dies kann durch Einstäuben oder Anpudern der Profilbauteile mit Metallpulver erfolgen. Die Profilbauteile können auch durch ein Wirbelbett aus Metallpulver geführt werden. Das Metallpulver haftet durch Kohäsion auf der Oberfläche der Profilbauteile. Auf der Oberfläche der Profilbauteile bildet sich eine dünne, nicht festhaftende Schicht aus Metallpulver.
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Vor dem Aufbringen des Metallpulvers auf die Oberfläche der zu beschichtenden Profilbauteile kann ein flüssiger Haftvermittler auf die Profilbauteile aufgetragen werden. Als Haftvermittler kommt eine Flüssigkeit zur Anwendung, insbesondere eine wässrige Lösung. Der Haftvermittler ist besonders bevorzugt ein aufgebrachter Flüssigkeitsfilm.
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Das Aufbringen des Metallpulvers auf die Oberfläche der Profilbauteile kann auch elektrostatisch erfolgen. Hierbei wird ein feines Metallpulver, insbesondere ein Zinkpulver mit dünner Oxidhaut, in einer Düse zerstäubt und an einer Elektrode entlanggeführt, so dass sich die einzelnen Metallpulverpartikel statisch aufladen.
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Zwischen der Elektrode in der Düse und den zu beschichtenden Profilbauteilen, welche die Gegenelektroden bilden, entsteht ein elektrisches Feld. Die Metallpulverpartikel werden entlang der elektrischen Feldlinien zum Profilbauteil geleitet und erreichen aufgrund der Feldlinienform bezogen auf die Düse auch rückwärtige Oberflächen der Profilbauteile. Hierdurch kommt es zu einem Kantenumgriff des Beschichtungsstoffs. Berühren die Metallpulverpartikel die Bauteiloberfläche, entladen sie sich und haften dann aufgrund von Van-der-Waals-Kräften und ähnlichen Phänomenen an der Oberfläche der Profilbauteile.
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Vorzugsweise erfolgt das Aufbringen des Metallpulvers über eine elektroneutrale Abscheidung des Metallpulvers auf der Oberfläche der Profilbauteile. Hierzu wird ein flüssiger Haftvermittler auf die Oberfläche der Profilbauteile aufgebracht. Die Oberfläche der Profilbauteile wird befeuchtet, vorzugsweise durch Auftrag eines Flüssigkeitsfilms auf Basis einer wässrigen Lösung, eines Flussmittels oder reinem Wasser. Anschließend werden die feuchten Profilbauteile mit dem Beschichtungspulver in Kontakt gebracht. Durch die Feuchtigkeit haftet das Pulver auf der Oberfläche der Profilbauteile. Gegebenenfalls ist dem Pulverauftrag ein Trocknungsschritt nachgeschaltet. Die Haftung des Pulvers auf der Oberfläche der Profilbauteile ist ausreichend, so dass auch Erschütterungen infolge des weiteren Transports der zu beschichtenden Profilbauteile nicht zum Ablösen der Pulverschicht führen.
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Nach dem Auftrag des Metallpulvers auf der Oberfläche der Profilbauteile werden diese in einen Wärmebehandlungsraum geführt. Die Wärmebehandlung der Profilbauteile erfolgt in dem Wärmebehandlungsraum, wobei die Profilbauteile in einen Wärmebehandlungsbereich des Wärmebehandlungsraums bewegt werden, welcher eine Inertgasatmosphäre aufweist.
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Die Inertgasatmosphäre ist in ihrer Zusammensetzung und Gasdichte so formuliert, dass sie entweder leichter als Luft, d. h. die Umgebungsluft, oder schwerer als Luft ist. Die relative Dichte ist der Quotient aus der Dichte des Inertgases und der Dichte der Umgebungsluft im Wärmebehandlungsraum. Sie stellt das Schwereverhältnis zwischen dem Inertgas und der Umgebungsluft dar. Ein Inertgas mit einer relativen Dichte kleiner als 1,0 ist leichter als Luft, steigt also nach oben. Ein Inertgas mit einer relativen Dichte größer als 1,0 ist schwerer als Luft und fällt somit nach unten.
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Die Profilbauteile werden nach oben in die Inertgasatmosphäre bewegt, wenn die Gasdichte der Inertgasatmosphäre kleiner ist als die Gasdichte von Luft. Alternativ werden die Profilbauteile nach unten in die Inertgasatmosphäre bewegt, wenn die Gasdichte der Inertgasatmosphäre größer ist als die Gasdichte von Luft. Maßgeblich ist die relative Dichte, d. h. das Größenverhältnis zwischen den Quotienten der Dichte des Inertgases und der Dichte von Luft.
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Der Wärmebehandlungsbereich kann sich im oberen Bereich des Wärmebehandlungsraums befinden. Es kommt dann ein Inertgas zur Anwendung, dessen Dichte kleiner als die Dichte von Luft ist. Die Inertgasatmosphäre befindet sich im oberen Bereich des Wärmebehandlungsraums. Durch diese Maßnahme wird der Luftsauerstoff aus dem oberen Bereich des Wärmebehandlungsraums verdrängt und eine sauerstoffarme oder gar sauerstofffreie Atmosphäre eingestellt. Ist die Dichte des Inertgases größer als die Gasdichte von Luft, sinkt das Inertgas relativ zur Luft nach unten. Der Wärmebehandlungsbereich liegt dann im unteren Bereich des Wärmebehandlungsraums. In diesem Fall wird der Luftsauerstoff aus dem unteren Bereich des Wärmebehandlungsraums verdrängt und eine sauerstoffarme oder gar sauerstofffreie Atmosphäre eingestellt.
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Die Inertgasatmosphäre kann aus Stickstoff N2 bestehen oder Stickstoff N2 als Hauptbestandteil enthalten. Hauptbestandteil bedeutet, dass das maßgebliche Inertgas in einem Anteil von mehr als 50% in der Inertgasatmosphäre vorliegt. Eine Inertgasatmosphäre aus Stickstoff oder auf Basis von Stickstoff ist leichter als Luft. Die Gasdichte ist kleiner als die Gasdichte von Luft. Diese Inertgasatmosphäre sammelt sich folglich im oberen Wärmebehandlungsbereich des Wärmebehandlungsraums. Die Gasdichte grundsätzlich ist gemessen in kg/m3. Bei einer Temperatur von 20°C und einem Druck von 1013 mbar beträgt die Dichte von Luft ca. 1,204 kg/m3. Die Dichte von Stickstoff bei diesen Bedingungen liegt bei 1,251 kg/m3.
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Die Inertgasatmosphäre kann auch schwerer als Luft sein. Die Inertgasatmosphäre kann dann aus Kohlendioxid CO2 bestehen oder Kohlendioxid CO2 als Hauptbestandteil enthalten. Kohlendioxid CO2 hat bei 20°C und einem Umgebungsdruck von 1013 mbar eine Dichte von 1,977 kg/m3.
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Reiner Stickstoff hat eine molare Masse von 14 g/mol. Trockene Luft hat eine molare Masse von 28,9 g/mol. Kohlendioxid hat eine molare Masse von 44 g/mol.
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Bei einem Wärmebehandlungsraum, dessen Wärmebehandlungsbereich oberhalb des Eingangs der Profilbauteile ist, wird eine Inertgasatmosphäre so formuliert, dass deren molare Masse kleiner 20 g/mol ist. Bei einem Wärmebehandlungsraum, dessen Wärmebehandlungsbereich unterhalb des Eingangs, also der Zuführebene, der Profilbauteile ist, wird eine Inertgasatmosphäre eingestellt mit einer molaren Masse größer 35 g/mol.
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Bei der Wärmebehandlung wird durch einen Diffusionsprozess zwischen den Profilbauteilen und dem Metallpulver die Beschichtung ausgebildet. Die Wärmebehandlung erfolgt mit einer genauen Temperaturführung. Hierbei liegt die Temperatur der Wärmebehandlung zwischen 300°C und 500°C, insbesondere zwischen 360°C und 420°C.
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Der Wärmebehandlungsraum ist mit geeigneten Heizmitteln ausgerüstet, um die Wärmebehandlungstemperatur im Wärmebehandlungsbereich zu erzeugen.
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Die Wärmebehandlung erfolgt in einer sauerstoffarmen Atmosphäre. Hierbei sollte der Sauerstoffgehalt im Wärmebehandlungsbereich kleiner als 0,2% betragen. Vorzugsweise beträgt der Sauerstoffgehalt in der Inertgasatmosphäre, die im Wärmebehandlungsbereich vorliegt, kleiner als 0,01 %. Die Wärmebehandlung erfolgt so in einer sauerstoffreduzierten Inertgasatmosphäre.
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Die Wärmebehandlung erfolgt über einen Zeitraum von 5 min bis 120 min, insbesondere in einem Zeitraum von 5 min bis 50 min. Vorteilhafterweise erstreckt sich die Wärmebehandlung über einen Zeitraum von 5 min bis 30 min, vorzugsweise über einen Zeitraum von 10 min bis 30 min.
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Im Zuge der Wärmebehandlung bildet sich auf den zu beschichtenden Profilbauteilen durch Diffusion eine festhaftende Beschichtung aus. Insbesondere handelt es sich bei der Beschichtung um eine Zink-Eisen-Legierungsschicht. Diese entspricht einer Sherardisierschicht. Gegenüber dem bekannten Sherardisierverfahren ist allerdings bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Aufheizphase und auch die Abkühlphase deutlich verkürzt, weil hier nur die Profilbauteile selbst direkt durch Konvektion erhitzt und anschließend abgekühlt werden. Bei einem bekannten Sherardisierverfahren werden immer auch eine Retorte und gegebenenfalls ein Füllstoff erhitzt, so dass hier wesentlich größere thermische Massen erhitzt werden müssen. Darüber hinaus erfolgt bei der bekannten Vorgehensweise die Erwärmung der Bauteile indirekt über die Erhitzung der Retorte.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zugfestigkeit der Bauteile weniger abgesenkt. Die Streckgrenze und die Duktilität verändern sich gegenüber den Ausgangswerten vorteilhaft.
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Bei der Wärmebehandlung werden die Profilbauteile auf einem Transportmittel durch den Wärmebehandlungsraum geführt. Dies kann in einem Durchlauf oder in einem Umlauf durch den Wärmebehandlungsraum erfolgen. Bei einem Durchlauf befinden sich der Eingang und der Ausgang für die Profilbauteile in den Wärmebehandlungsraum auf voneinander verschiedenen Seiten des Wärmebehandlungsraums. Bei einem Umlauf der Profilbauteile liegen Eingang und Ausgang vorzugsweise auf der gleichen Seite des Wärmebehandlungsraums. Eine Öffnung im Wärmebehandlungsraum kann den Eingang und den Ausgang bilden. Die Öffnungen für den Eingang und den Ausgang können aber auch horizontal oder vertikal zueinander versetzt in einer Seite bzw. Seitenwand des Wärmebehandlungsraums vorgesehen sein.
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Der Wärmebehandlungsbereich und die Inertgasatmosphäre im Wärmebehandlungsraum ist seitlich durch Seitenwände und nach oben oder unten durch Decke oder Boden insbesondere gasdicht umschlossen, wobei die Inertgasatmosphäre an einer nicht oder nur unvollständig geschlossenen Seite unmittelbar an den Bereich mit Umgebungsluft angrenzt.
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Im Anschluss an die Wärmebehandlung werden die Bauteile abgekühlt und vom Transportmittel entladen. Vor und/oder nach dem Entladen vom Transportmittel werden die Profilbauteile gereinigt. Dies ist besonders vorteilhaft an den noch auf dem Transportmittel befindlichen Profilbauteilen möglich. Die Reinigung kann einen einfachen Waschprozess, z. B. mit Hilfe eines Hochdruckreinigers, beinhalten. Der Waschflüssigkeit können Reinigungsmittel zugegeben werden. Auch kann ein warmes oder heißes Waschmittel bzw. eine Waschflüssigkeit genutzt werden. Auch eine reine Trockenreinigung mit Hilfe von Druckluft oder eine Absaugung ist möglich.
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Optional können die beschichteten Profilbauteile einer weiteren Oberflächenbehandlung unterzogen werden, beispielsweise einer Phosphatisierung oder Passivierung. Dies kann gegebenenfalls auch in Fortführung der am Transportmittel befindlichen Profilbauteile durch eine weitere Behandlungsanlage erfolgen. Hierbei kann beispielsweise eine Bad- oder eine Sprühbeaufschlagung mit einem Reagenz erfolgen.
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Die Erfindung schafft einen Prozess, bei dem eine deutliche Kostenreduktion zu erwarten ist. Darüber hinaus ist eine deutliche Durchsatz- bzw. Leistungssteigerung realisierbar. Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorteilhaft hinsichtlich der Steuer- und Regelbarkeit. Das erfindungsgemäße Verfahren ist rationell und effizient. Es ermöglicht die Herstellung von qualitativ hochwertigen Beschichtungen auf Profilbauteilen aus Stahlblech.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zur Herstellung von crashrelevanten Kraftfahrzeugstrukturbauteilen geeignet, bei denen ein sehr guter Korrosionsschutz und eine sehr hohe Festigkeit in Verbindung mit relativ hoher Duktilität gefordert ist. Dies sind alle Bauteile der Fahrzeugkarosserie die im Bodenbereich liegen, also einer hohen Korrosionsbelastung ausgesetzt sind und/oder die im Crashfall ein hohen Widerstandmoment bereit stellen sollen ohne zu versagen. Hierbei handelt es sich um Bauteile die einer Knick- oder Biegebelastung und/oder einer Axialbelastung ausgesetzt sind. Hierzu zählen A-, B-, C-Säulen, Querträger, sowie Stoßfänger, Sitzquerträger, Stirnwand, Schweller und Längsträger und Schutzbauteile von Antriebsbatterieeinhausungen.
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Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass Profilbauteile aus einem Vergütungsstahl verwendet werden, welcher neben Eisen Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
Kohlenstoff C | 0,20 - 0,25 |
Silizium Si | 0,20 - 0,30 |
Mangan Mn | 1,10 - 1,40 |
Phosphor P | maximal 0,020 |
Schwefel S | maximal 0,005 |
Stickstoff N | maximal 0,01 |
Aluminium Al | 0,020 - 0,060 |
Bor B | 0,0020 - 0,0035 |
Chrom Cr | 0,10 - 0,30 |
Titan Ti | 0,020 - 0,050 |
Molybdän Mo) | maximal 0,35 |
Kupfer Cu | maximal 0,10 |
Nickel Ni | maximal 0,3 |
besteht.
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Ein weiterer Aspekt sieht vor, dass Profilbautele aus einem Vergütungsstahl verwendet werden, welcher neben Eisen Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
Kohlenstoff C | 0,21 - 0,26 |
Silizium Si | 0,15- 0,30 |
Mangan Mn | 1,10 - 1,35 |
Phosphor P | maximal 0,020 |
Schwefel S | maximal 0,010 |
Stickstoff N | maximal 0,01 |
Aluminium Al | 0,010 - 0,060 |
Bor B | 0,0010 - 0,0025 |
Chrom Cr | maximal 0,08 |
Titan Ti | 0,020 - 0,070 |
Molybdän Mo) | maximal 0,04 |
Kupfer Cu | maximal 0,08 |
Nickel Ni | maximal 0,05 |
besteht.
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Mit den vorstehend definierten Vergütungsstählen lassen sich Profilbauteile für Kraftfahrzeuge herstellen, die nach der Härtungsbehandlung ein rein oder überwiegend martensitisches Gefüge aufweisen. Die Zugfestigkeiten nach dem Beschichtungsvorgang liegen zwischen 1.300 MPa bis 1.500 MPa.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung sieht vor, dass Profilbauteile aus einem Vergütungsstahl verwendet werden, welcher neben Eisen Fe und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
Kohlenstoff C | 0,3 - 0,4 |
Silizium Si | 0,15-1,0 |
Mangan Mn | 0,5-2,0 |
Phosphor P | maximal 0,05 |
Schwefel S | maximal 0,01 |
Stickstoff N | maximal 0,01 |
Chrom Cr | 0,05 - 1,0 |
Nickel Ni | maximal 0,3 |
Kupfer Cu | maximal 0,1 |
Molybdän Mo) | maximal 0,5 |
Aluminium Al | maximal 0,1 |
Niob Nb | 0,02 - 0,1 |
Vanadium V | maximal 0,06 |
Titan Ti | maximal 0,1 |
Bor B | 0,001 -0,01 |
besteht.
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Eine weiterer vorteilhafter Vergütungsstahl besteht neben Eisen und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen in Gew.-% aus
Kohlenstoff C | 0,32 - 0,38 |
Silizium Si | 0,2 - 0,50 |
Mangan Mn | 0,8 - 1,5 |
Phosphor P | maximal 0,02 |
Schwefel S | maximal 0,005 |
Stickstoff N | maximal 0,005 |
Chrom Cr | 0,1 -0,5 |
Nickel Ni | maximal 0,1 |
Kupfer (Cu | maximal 0,05 |
Molybdän Mo | maximal 0,3 |
Aluminium Al | maximal 0,06 |
Niob Nb | 0,02 - 0,06 |
Vanadium V | maximal 0,05 |
Titan Ti | maximal 0,01 |
Bor B | 0,001 - 0,005 |
besteht.
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Die Zugfestigkeiten der beschichteten Profilbauteile aus einem Vergütungsstahl wie vorstehend dargelegt liegen zwischen 1.800 MPa und 2.200 MPa.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen ergänzend beschrieben. Es zeigen:
- 1 technisch schematisiert die Ansicht eines Wärmebehandlungsraums mit der Durchführung von Profilbauteilen bei der Wärmebehandlung;
- 2 eine alternative Ausgestaltung eines Wärmebehandlungsraums;
- 3 technisch schematisiert eine weitere Ausgestaltung eines Wärmebehandlungsraums und den Durchführungsprozess von Profilbauteilen bei der Wärmebehandlung;
- 4 wiederum eine Alternative eines Wärmebehandlungsraums und des Durchführungsprozesses bei der Wärmebehandlung von Profilbauteilen und
- 5 eine weitere Alternative eines Wärmebehandlungsraums und eines Durchführungsprozesses bei der Wärmebehandlung von Profilbauteilen.
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Einander entsprechende Bauteile oder Bauteilkomponenten sind in den 1 bis 5 mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Wärmebehandlungsraum 1, in welchem Profilbauteile 2 aus Stahlblech einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um durch einen Diffusionsprozess zwischen den Profilbauteilen 2 und einem auf die Oberfläche der Profilbauteile 2 aufgebrachten Metallpulver eine Beschichtung auszubilden.
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Zur Herstellung der Beschichtung werden zumindest bereichsweise gehärtete, insbesondere pressgehärtete, Profilbauteile 2 bereitgestellt. Auf die Oberfläche der Profilbauteile 2 wird ein Metallpulver aufgebracht. Das Metallpulver besteht vorzugsweise aus Zink oder einer Zinklegierung. Vor dem Aufbringen des Metallpulvers auf die Oberfläche der Profilbauteile 2 können diese einem Reinigungsprozess unterzogen werden. Die Reinigung erfolgt beispielsweise mechanisch durch Druckluftstrahlen oder Schleuderradstrahlen mit festem Strahlmittel.
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Das Aufbringen des Metallpulvers auf die Oberfläche der Profilbauteile 2 kann elektrostatisch erfolgen. Eine elektroneutrale Abscheidung des Metallpulvers auf der Oberfläche der Profilbauteile 2 ist vorteilhaft. Insbesondere wird die Oberfläche der Profilbauteile 2 hierzu befeuchtet, vorzugsweise durch Auftrag eines Flüssigkeitsfilms auf Basis einer wässrigen Lösung, eines Flussmittels oder reinem Wasser. Es wird folglich ein flüssiger Haftvermittler auf die Oberfläche der Profilbauteile 2 aufgebracht. Anschließend werden die feuchten Profilbauteile 2 mit dem Metallpulver in Kontakt gebracht. Durch die Feuchtigkeit haftet das Pulver auf der Oberfläche der Profilbauteile 2. Gegebenenfalls ist dem Pulverauftrag ein Trocknungsschritt nachgeschaltet.
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Nach dem Auftrag des Metallpulvers auf die Oberfläche der Profilbauteile 2 werden diese zu dem Wärmebehandlungsraum 1 transportiert und in diesen eingeführt. Die 1 zeigt ein mit Metallpulver versehenes Profilbauteil 2 in der Bildebene links, bevor dieses über einen Eingang 3 im Boden 4 des Wärmebehandlungsraums 1 in diesen eingeführt wird.
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Zur Wärmebehandlung werden die Profilbauteile 2 mit Hilfe eines hier andeutungsweise dargestellten Transportmittels 5 in den Wärmebehandlungsraum 1 geführt. Die Pfeile im angedeutet dargestellten Transportmittel 5 verdeutlichen die Bewegungsrichtungen der Profilbauteile 2.
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Der Wärmebehandlungsraum 1 weist einen Wärmebehandlungsbereich 6 auf, in welchem eine Inertgasatmosphäre vorliegt. Der Wärmebehandlungsbereich 6 mit der Inertgasatmosphäre befindet sich in der Bildebene der 1 oberhalb der Einführebene für die Profilbauteile 2. Die Inertgasatmosphäre besteht aus Stickstoff (N2) oder enthält Stickstoff als Hauptbestandteil. Stickstoff bzw. die auf Stickstoff basierende Inertgasatmosphäre hat eine Gasdichte, die kleiner als die Gasdichte von Luft ist. Der Wärmebehandlungsbereich 6 mit der Inertgasatmosphäre befindet sich im oberen Bereich des Wärmebehandlungsraums 1 oberhalb der Einführebene der Profilbauteile 2. Unterhalb des Wärmebehandlungsbereichs 6 mit der Inertgasatmosphäre befindet sich ein Bereich 7 mit Luft. Hierbei handelt es sich um atmosphärische Umgebungsluft. Die Inertgasatmosphäre grenzt unmittelbar an die Umgebungsluft an.
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Die Profilbauteile 2 werden über den Eingang 3 in den Wärmebehandlungsraum 1 geführt. Im Wärmebehandlungsraum 1 werden die Profilbauteile 2 in den Wärmebehandlungsbereich 6 hinein bewegt, welche eine Inertgasatmosphäre aufweist. Hierzu werden die Profilbauteile 2 nach oben in die Inertgasatmosphäre bewegt. Es findet folglich eine Aufwärtsbewegung der Profilbauteile 2 von der Einführebene in den Wärmebehandlungsbereich 6 mit der Inertgasatmosphäre statt.
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Für die Dauer der Wärmebehandlung verharren die Profilbauteile 2 im Wärmebehandlungsbereich 6 des Wärmebehandlungsraums 1.
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Der Wärmebehandlungsraum 1 ist mit hier nicht dargestellten Heizmitteln versehen, über welche die Wärmebehandlungstemperatur erzeugt wird.
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Die Wärmebehandlung der Profilbauteile 2 in der Inertgasatmosphäre erfolgt bei einer Temperatur zwischen 300°C und 500°C über einen Zeitraum von 5 min bis 120 min. Hierbei bildet sich durch einen Diffusionsprozess zwischen den Profilbauteilen 2 und dem Metallpulver auf der Oberfläche eine Beschichtung aus. Die Beschichtung ist insbesondere eine aus einem Zink-Eisen-Überzug bestehende Zink-Diffusionsbeschichtung.
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Anschließend werden die Profilbauteile 2 vom oberen Niveau im Wärmebehandlungsbereich 6 abgesenkt und aus dem Wärmebehandlungsraum 1 geführt. Dies erfolgt über einen Ausgang 8. Bei dem Wärmebehandlungsraum 1, wie in der 1 dargestellt, liegen der Eingang 3 und der Ausgang 8 mit Abstand versetzt zueinander im Boden 4 des Wärmebehandlungsraums 1. Die Führung der Profilbauteile 2 durch den Wärmebehandlungsraum 1 erfolgt im Durchlauf. Das bedeutet, die Profilbauteile 2 werden über den Eingang 3 in den Wärmebehandlungsraum 1 gebracht und nach oben in den Wärmebehandlungsbereich 6 mit der Inertgasatmosphäre bewegt. Dort verharren die Profilbauteile 2 für die Dauer der Wärmebehandlung und der Beschichtungsausbildung. Anschließend wird die Bewegung fortgesetzt und die Profilbauteile 2 aus dem Wärmebehandlungsbereich 6 abwärts und über den Ausgang 8 aus dem Wärmebehandlungsraum 1 hinaus geführt.
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Die Bauteile werden vom Transportmittel 5 entladen. Vor oder nach dem Entladen können die mit der Beschichtung versehenden Bauteile etwaigen nachgeschalteten Behandlungsprozessen zugeführt werden, beispielsweise einer Phosphatierung oder einer Passivierung.
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Bei dem Wärmebehandlungsraum 1, wie in der 2 dargestellt, liegen der Eingang 3 und der Ausgang 8 auf einander gegenüberliegenden Seitenwänden 9, 10 des Wärmebehandlungsraums 1. Ansonsten entspricht der Verfahrensablauf zur Herstellung einer Beschichtung auf den Profilbauteilen 2 der zuvor beschriebenen Vorgehensweise. Die mit dem Metallpulver versehenen Profilbauteile 2 werden in den Wärmebehandlungsbereich 6 des Wärmebehandlungsraums 1 bewegt, welcher eine Inertgasatmosphäre aufweist. Die Gasdichte der Inertgasatmosphäre ist kleiner als die Gasdichte der darunter befindlichen Luft bzw. des Bereichs 7, der in dem Wärmebehandlungsraum 1 mit Luft befüllt ist. Die Profilbauteile 2 werden nach oben in die Inertgasatmosphäre bewegt, dort der Wärmebehandlung unterzogen, wobei sich durch einen Diffusionsprozess zwischen den Profilbauteilen 2 und dem Metallpulver, insbesondere dem Zinkpulver, die Beschichtung ausbildet als Zink-Diffusionsbeschichtung. Danach werden die Profilbauteile 2 aus dem Wärmebehandlungsraum 1 über den Ausgang 8 herausgeführt.
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Bei dem Wärmebehandlungsraum 1, wie in der 3 dargestellt, werden die Profilbauteile 2 bei der Wärmebehandlung in einem Umlauf geführt, d. h. die Profilbauteile 2 werden auf einer Seitenwand 9 des Wärmebehandlungsraums 1 in den Wärmebehandlungsraum 1 eingeführt und über die gleiche Seitenwand 9 wieder ausgeführt. Dies kann über einen gemeinsamen Ein- bzw. Ausgang erfolgen oder aber über nebeneinander oder übereinander liegende Eingänge und Ausgänge. Die Wärmebehandlung und die Ausbildung der Beschichtung auf den Profilbauteilen 2 erfolgt wie zuvor beschrieben mit dem dargelegten Temperatur- und Zeitregime.
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Ein weiterer Wärmebehandlungsraum 1 ist in der 4 zu erkennen. Auch hier werden die Profilbauteile 2 in einem Umlauf durch den Wärmebehandlungsraum 1 bewegt. Hierzu werden die Profilbauteile 2 nach oben in den Wärmebehandlungsbereich 6 und in die Inertgasatmosphäre hineinbewegt. Das Herausführen der Profilbauteile 2 aus dem Wärmebehandlungsbereich 6 bzw. Wärmebehandlungsraum 1 erfolgt gegenläufig durch eine der Aufwärtsbewegung entgegengesetzte Abwärtsbewegung der Profilbauteile 2. Die Ein- und Ausschleusung der Profilbauteile 2 erfolgt auf der gleichen Seitenwand 9 des Wärmebehandlungsraums 1 über einen Eingang bzw. einen Ausgang.
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Im Wärmebehandlungsraum 1, wie in der 5 dargestellt, befindet sich ein Wärmebehandlungsbereich 6 mit einer Inertgasatmosphäre, wobei die Gasdichte der Inertgasatmosphäre größer als die Gasdichte von Luft ist. Dementsprechend ist der Wärmebehandlungsbereich 6 unterhalb des Flurniveaus, über welchem die Zuführung bzw. Abführung der Profilbauteile 2 erfolgt. Der Wärmebehandlungsbereich 6 befindet sich oberhalb des Bodens 11 des Wärmebehandlungsraums 1. Der Eingang 3 und der Ausgang 8 in den Wärmebehandlungsraum 1 befinden sich in der Decke 12 des Wärmebehandlungsraums 1. Die Inertgasatmosphäre besteht aus Kohlendioxid (CO2) oder enthält Kohlendioxid (CO2) als Hauptbestandteil. Die Gasdichte von Kohlendioxid ist größer als die Gasdichte von Luft. Das Inertgas bzw. die Inertgasatmosphäre weist folglich eine relative Dichte größer als 1,0 auf und ist schwerer als Luft. Somit fällt das Inertgas nach unten. Oberhalb des Wärmebehandlungsbereichs 6 und der Inertgasatmosphäre befindet sich der Bereich 7 mit Luft.
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Die Profilbauteile 2 werden über den Eingang 3 in den Wärmebehandlungsraum 1 gebracht. Im Wärmebehandlungsraum 1 werden die Profilbauteile 2 nach unten in den Wärmebehandlungsbereich 6 und die Inertgasatmosphäre bewegt. Es wird folglich eine Absenk- bzw. Abwärtsbewegung der Profilbauteile 2 durchgeführt. Im Wärmebehandlungsbereich 6 verharren die Profilbauteile 2 bei der Wärmebehandlungstemperatur über den Wärmebehandlungszeitraum. Die Beschichtung auf den Profilbauteilen 2 wird ausgebildet. Es handelt sich um eine Metall-Diffusionsbeschichtung, insbesondere eine Zink-Diffusionsbeschichtung.
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Danach werden die Profilbauteile 2 aus dem Wärmebehandlungsbereich 6 heraus hach oben bewegt und über den Ausgang 8 aus dem Wärmebehandlungsraum 1 herausgebracht.
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Bei allen zuvor beschriebenen Wärmebehandlungsprozessen erfolgt die Wärmebehandlung in der Inertgasatmosphäre bei einer Temperatur zwischen 300°C und 500°C, insbesondere bei einer Temperatur zwischen 360°C und 420°C.
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Die Wärmebehandlung erfolgt über einen Zeitraum von 5 min bis 120 min. Insbesondere erfolgt die Wärmebehandlung über einen Zeitraum von 5 min bis 50 min, vorzugsweise bis 30 min.
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Der Wärmebehandlungsbereich 6 und die Inertgasatmosphäre im Wärmebehandlungsraum 1 ist seitlich und nach oben oder unten durch Seitenwände 9, 10, Boden 4 oder Decke 12 gasdicht umschlossen, wobei die Inertgasatmosphäre an einer nicht oder nur unvollständig geschlossenen Seite unmittelbar an den Bereich 7 mit Umgebungsluft angrenzt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmebehandlungsraum
- 2
- Profilbauteil
- 3
- Eingang
- 4
- Boden
- 5
- Transportmittel
- 6
- Wärmebehandlungbereich
- 7
- Bereich
- 8
- Ausgang
- 9
- Seitenwand
- 10
- Seitenwand
- 11
- Boden
- 12
- Decke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005002706 A1 [0005]
- EP 2271784 B1 [0006]
- DE 102004035049 A1 [0008]
- WO 2014/089624 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN ISO 17668:2016 [0004]