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Die Erfindung betrifft einen mehrlagigen Chargenofen für Platinen oder Bauteile, insbesondere verzinkte Platinen oder Bauteile, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Platinen oder Bauteilen, insbesondere verzinkten Platinen oder Bauteilen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 6.
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Es ist seit längerem bekannt, insbesondere zur Senkung des Gewichts von Fahrzeugkarosserien zumindest Teile der Fahrzeugkarosserien hochfest auszubilden, um eine hinreichende Festigkeit im Crash-Fall zu gewährleisten. Die Gewichtsersparnis entsteht dadurch, dass hochfeste Stahlsorten mit vergleichbar geringen Wandstärken verwendet werden können und somit ein geringes Gewicht besitzen.
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Auch bei der Verwendung von hochfesten Stahlsorten gibt es unterschiedliche Ansätze und die unterschiedlichsten Stahlsorten, welche verwendbar sind.
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Besonders häufig werden Stahlsorten verwendet, die durch eine Abschreckhärtung hochfest werden. Abschreckhärtung bedeutet, dass eine Kühlrate über der kritischen Kühlrate gewählt wird. Diese liegt bei etwa 15 bis 27 Kelvin pro Sekunde kann aber je nach Legierungszusammensetzung auch niedriger sein. Eine übliche Stahlsorte, welche durch Abschreckhärtung härtbar ist, sind die sogenannten Bor-Mangan-Stähle, wie zum Beispiel der am häufigsten eingesetzte 22MnB5, aber auch Varianten dieses Stahles, wie zum Beispiel 20MnB8, 30MnB8.
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Es können auch nicht härtbare Stähle wie z.B. ein mikrolegierter Stahl im direkten bzw. indirekten Verfahren warmumgeformt werden.
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Derartige Stahlgüten lassen sich im ungehärteten Zustand gut umformen und zuschneiden.
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Um derartige Stahlgüten insbesondere im Karosseriebau in die gewünschte Form zu bringen und zu härten, gibt es im Wesentlichen zwei unterschiedliche Verfahrenswege, nämlich das Presshärten (Austenitisierung der Platine und anschließende Warmumformung gefolgt von Abschreckhärtung) und Formhärten (Kaltumformung und anschließende Austenitisierung des Formteils gefolgt von Abschreckhärtung).
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Der erste und etwas ältere Verfahrensweg ist das sogenannte Presshärten. Beim Presshärten wird aus einem Stahlblechband aus einer abschreckhärtbaren Stahllegierung, zum Beispiel einem 22MnB5 oder einem ähnlichen Mangan-Bor-Stahl, eine ebene Platine ausgeschnitten. Diese ebene Platine wird anschließend so hoch erhitzt, dass das Stahlgefüge in der Erscheinungsform des Gammaeisens bzw. Austenits vorliegt. Um dieses Gefüge zu erreichen, muss somit die sogenannte Austenitisierungstemperatur Ac3 überschritten werden, zumindest, wenn eine vollständige Austenitisierung erwünscht wird.
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Diese Temperatur kann je nach Stahl zwischen 820°C und 900°C liegen, wobei derartige Stahlplatinen beispielsweise auf etwa 900°C bis 930°C erhitzt und auf dieser Temperatur bis zur vollständigen Gefügeänderung gehalten werden.
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Anschließend wird eine derartige Stahlplatine im heißen Zustand in einer Presse überführt, in der mittels eines Oberwerkzeuges und eines Unterwerkzeuges, die jeweils korrespondierend ausgeformt sind, die heiße Stahlplatine mit einem einzigen Pressenhub in die gewünschte Form gebracht wird. Durch den Kontakt des heißen Stahlmaterials mit dem vergleichsweise kühlen, insbesondere gekühlten Pressenwerkzeugen, also Umformwerkzeugen, wird dem Stahl Energie sehr schnell entzogen. Insbesondere muss die Wärme so schnell entzogen werden, dass die sogenannte kritische Härtegeschwindigkeit überschritten wird, welche üblicherweise zwischen 20 und 25 Kelvin pro Sekunde liegt.
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Wird derart schnell abgekühlt, wandelt sich das Gefüge des Austenits nicht wieder in ein ferritisches Ausgangsgefüge um, sondern es wird ein martensitisches Gefüge erreicht. Durch den Umstand, dass Austenit erheblich mehr Kohlenstoff in seinem Gitter lösen kann als Martensit, kommt es durch Kohlenstoffausscheidungen zur Gitterverzerrung, die zu der großen Härte des Endproduktes führt. Durch die schnelle Abkühlung wird sozusagen der martensitische Zustand stabilisiert. Hierdurch sind Härten bzw. Zugfestigkeiten Rm von mehr als 1500 MPa realisierbar. Durch geeignete Maßnahmen, auf die nicht nähere eingegangen werden soll, wie das vollständige oder teilbereichsweise Wiedererwärmen, können auch Härteprofile eingestellt werden.
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Ein weiterer, etwas jüngerer Weg gehärtete Stahlbauteile insbesondere für den Karosseriebau zu erzeugen, ist das von der Anmelderin entwickelte Formhärten. Beim Formhärten wird aus einem Stahlband eine ebene Stahlplatine ausgeschnitten und diese ebene Stahlplatine anschließend im kalten Zustand umgeformt. Diese Umformung erfolgt insbesondere nicht mit einem einzigen Pressenhub, sondern wie in herkömmlichen Pressenstraßen üblich, beispielsweise in einem fünfstufigen Prozess (Umformen und Formbeschnitt). Dieser Prozess lässt erheblich komplexere Formen zu, so dass am Ende ein komplex geformtes Bauteil, wie zum Beispiel die B-Säule oder ein Längsträger eines Kraftfahrzeuges erzeugt werden kann.
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Um ein solches fertig geformte Bauteil anschließend zu härten, wird dieses Bauteil in einem Ofen ebenfalls austenitisiert und im austenitisierten Zustand in ein Formwerkzeug überführt, wobei das Formwerkzeug die Kontur des endgültigen Bauteils besitzt. Vorzugsweise ist das vorgeformte Bauteil vor dem Erhitzen so ausgeformt, dass nach dem Erhitzen und somit auch einer erfolgten Wärmedehnung dieses Bauteil schon den Endabmessungen des gehärteten Bauteils weitestgehend entspricht. Dieser austenitisierte Rohling wird im austenitisierten Zustand in das Formwerkzeug eingelegt und das Formwerkzeug geschlossen. Vorzugsweise wird das Bauteil hierbei allseitig vom Formwerkzeug berührt und klemmend gehalten und durch den Kontakt mit dem Formwerkzeug die Wärme ebenfalls so entzogen, dass ein martensitisches Gefüge erzeugt wird.
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Im geklemmten Zustand kann eine Schrumpfung nicht stattfinden, so dass das gehärtete Endbauteil mit den entsprechenden Endabmessungen nach dem Härten und Abkühlen aus dem Formwerkzeug entnommen werden kann.
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Da Kraftfahrzeugkarosserien üblicherweise eine Korrosionsschutzbeschichtung aufweisen, wobei die dem die Karosserie ausbildenden Metallmaterial, insbesondere Stahl, am nächsten liegende Korrosionsschutzschicht eine metallische Beschichtung ist, wurden in der Vergangenheit auch Korrosionsschutzbeschichtungen für gehärtete Bauteile angestrebt und entwickelt.
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Korrosionsschutzbeschichtungen für zu härtende Bauteile sind jedoch anderen Anforderungen ausgesetzt als Korrosionsschutzbeschichtungen von Bauteilen, die nicht gehärtet werden. Die beim Härten entstehenden hohen Temperaturen müssen von den Korrosionsschutzbeschichtungen verkraftet werden. Da seit langem bekannt ist, dass feueraluminierte Beschichtungen auch hohen Temperaturen widerstehen, wurden zunächst Presshärtestähle entwickelt, welche eine Schutzschicht aus Aluminium besitzen. Derartige Beschichtungen sind in der Lage, nicht nur die hohen Temperaturen, sondern auch die Umformung im heißen Zustand zu überstehen. Von Nachteil ist jedoch, dass derartige Stähle keinen kathodischen Korrosionsschutz aufweisen.
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Daher wurden von der Anmelderin Verfahren entwickelt, welche es erlauben, Zinkbeschichtungen zur Verfügung zu stellen, welche ebenfalls derart hohen Temperaturen widerstehen.
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Grundsätzlich sind Zinkbeschichtungen, was die Umformung im kalten Zustand betrifft, erheblich unkomplizierter als Aluminiumbeschichtungen, da Aluminiumbeschichtungen bei herkömmlichen Umformtemperaturen dazu neigen, abzuplatzen oder zu reißen. Dies geschieht bei Zink nicht.
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Jedoch wurde zunächst erwartet, dass Zinkbeschichtungen den hohen Temperaturen nicht widerstehen können. Spezielle Zinkbeschichtungen, die jedoch einen gewissen Anteil sauerstoffaffiner Elemente besitzen, sind in der Lage, auch bei hohen Temperaturen verarbeitet zu werden, denn die sauerstoffaffinen Elemente diffundieren schnell an die luftseitige Oberfläche und oxidieren dort und bilden eine Oxidschicht auf der Zinkbeschichtung. Mittlerweile haben sich derartige Zinkbeschichtungen insbesondere für das Formhärten durchgesetzt. Auch beim Presshärten können derartige Zinkbeschichtungen mit großem Erfolg eingesetzt werden.
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Wenn in der Anmeldung von Zinkkorrosionsschutzschichten oder verzinkten Stahlband bzw. verzinkten Stahlplatinen oder verzinkten Stahlbauteilen die Rede ist, sind Legierungen auf der Basis von Zink mit umfasst.
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Erfindungsgemäß ist es allerdings auch möglich andere metallische Beschichtungen auf das Stahlband bzw. die Stahlplatinen aufzubringen, wie beispielsweise Beschichtung auf Basis von Aluminium insbesondere Aluminium Silizium Beschichtungen.
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Im industriellen Bereich werden die Stahlbauteile bzw. Stahlplatinen zur Vermeidung von Randoxidation und Entkohlung während der Aufwärmphase häufig unter einer Schutzgasatmosphäre wie Stickstoff, Edelgasen oder im Vakuum erwärmt.
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Es ist bekannt, die Erwärmung mittels industrieller Öfen durchzuführen. Dabei wird zwischen Durchlauföfen und Chargenöfen unterschieden. Chargenöfen weisen einen abgeschlossenen Ofenraum auf, in dem eine einzelne Charge wärmebehandelt wird. Ein Beispiel für einen Chargenofen sind sogenannte Kammeröfen.
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Ein solcher Kammerofen ist beispielsweise aus der
DE 102 27 499 A1 bekannt. Die zur Erwärmung benötigte Wärme wird mittels eines Wärmeübertragungsmittel übertragen. Dabei kann es sich um ein Fluid oder ein Gas handeln. Das Wärmeübertragungsmittel wird mittels Düsenwänden eingebracht, welche beweglich angeordnet sind. Auf diese Weise wird eine Relativbewegung zwischen den Düsenwänden und der zu erwärmenden Charge ausgeführt. Dies wird dadurch erreicht, dass die Düsenwände oder die Charge drehbar sind. Der Kammerofen ermöglicht eine homogene Erwärmung, bei der eine Beschädigung der Charge durch lokale Überhitzung vermieden wird und gleichmäßige Materialeigenschaften erreicht werden.
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Aus der
DE 689 17 032 T2 ist ein Kammerofen bekannt, der eine Mehrzahl vertikal angeordneter Ofenkammern aufweist, die voneinander durch wärmeisolierende Trennwände getrennt sind. Dies ermöglicht eine individuelle Temperatursteuerung in den Offenkammern.
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Aus der
DE 10 2016 114 841 A1 ist ein Einkammerofen bekannt, in dem die Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums nicht mittels eines Düsensystems, sondern mittels eines Ventilators gewährleistet wird. Dies verkürzt die Strömungswege und verringert die Druckverluste. Der Einkammerofen weist eine kompakte Bauweise auf, was den Platzbedarf des Ofens und die zu isolierende Außenfläche des Ofens verringert.
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Bei der Härtung von verzinkten Bauteilen, insbesondere aus einem 22MnB5 Stahl, kann sich bei einem zu geringen Sauerstoffgehalt in der Ofenatmosphäre eine silberfarbene Oberfläche ausbilden, welche eine negative Auswirkung auf die vor dem nachträglichen Lackierprozess aufgetragene Phosphatschicht haben kann. Dies verringert die Hafteigenschaften und kann zu späteren Korrosionsproblemen führen.
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Die silberfarbene Oberfläche ist eine oxidische Schicht und besteht hauptsächlich aus Aluminiumoxiden.
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Bei den konventionellen Chargenöfen ist von Nachteil, dass oft zu wenig Sauerstoff in der Ofenatmosphäre insbesondere in unmittelbarer Nähe der Stahlplatine bzw. des Stahlbauteils vorhanden ist. So wird die Bildung von Aluminiumoxiden begünstigt und die Bildung von anderen Oxiden, insbesondere von Zink- und/oder Manganoxiden, welche eine dunkle Färbung der Oberfläche bedingen, unterbunden.
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Es ist bekannt, für eine ausreichende Sauerstoffzufuhr die Ofenklappen zeitlich verzögert zu verschließen und auf diese Weise für einen entsprechenden Sauerstoffaustausch zu sorgen. Alternativ kann die Ofenklappe ganz oder zeitweise geöffnet werden. Dies führt allerdings zu Energieverlusten und ist somit kostenintensiv. Zudem kann der Sauerstoffgehalt nur bedingt geregelt werden
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Ofen zu schaffen, in dem presszuhärtende mit einer metallischen Beschichtung beschichtete, insbesondere verzinkte Platinen oder formzuhärtende mit einer metallischen Beschichtung beschichtete, insbesondere verzinkte Bauteile einer Austenitisierung unter gleichmäßigem Sauerstoffzutritt über das Ofenvolumen ausgesetzt werden.
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Die Aufgabe wird mit einem Chargenofen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Austenitisierung presszuhärtender mit einer metallischen Beschichtung beschichtete, insbesondere verzinkter Platinen oder formzuhärtender mit einer metallischen Beschichtung beschichtete, insbesondere verzinkter Bauteile unter gleichmäßigem Sauerstoffzutritt über das Ofenvolumen zu schaffen.
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Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung sieht vor, dass einzelne Kammern in einem Chargenofen nicht voneinander isoliert ausgebildet sind, sondern miteinander in gasführender Verbindung stehen und Durchbrechungen, insbesondere Bohrungen und/oder Spalten, aufweisen. Die einzelnen Ofenkammern werden durch die Durchbrechungen, insbesondere Bohrungen und/oder Spalten, derart verbunden, dass ein gleichmäßiger Gasaustausch bzw. eine gleichmäßige Gaszirkulation im Ofeninneren gewährleistet wird. Hierzu können Mittel zur aktiven Gaszirkulation der Ofenatmosphäre vorhanden sein, beispielsweise Ventilatoren, Ringleitungen oder andere Elemente vorgesehen sein.
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Vorteilhafterweise kann der Gasaustausch bzw. die Gaszirkulation durch eine seitlich von außen angebrachte Ringleitung sichergestellt werden, da hierbei der Gasstrom gut steuerbar als auch die Wahl des Mediums und deren Menge effizient regelbar ist.
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Weiterhin kann für die Einstellung eines optimalen Sauerstoffgehaltes eine zusätzliche Sauerstoffzufuhr durch Einblasen von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen vorgesehen werden.
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Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
- 1: Ofeninnenraum mit Sauerstoffzirkulationspfaden;
- 2: Ofenaußenraum mit einer Ringleitung;
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Der erfindungsgemäße Chargenofen 1 weist einen Ofeninnenraum 2 und einen Ofenaußenraum 3 auf. Der Ofeninnenraum 2 ist in 1 dargestellt und wird durch die Seitenwände 4 des Chargenofens 1 definiert.
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1 zeigt, dass der Ofeninnenraum mindestens zwei vertikal übereinander angeordnete Ofenkammern 5 enthält, welche durch jeweils eine Trageinrichtung 6 voneinander getrennt sind. Oberhalb und/oder unterhalb der jeweiligen Trageinrichtung 6 sind Heizelemente 7 angeordnet.
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Jede Ofenkammer 5 wird durch eine Tür 8 verschlossen, welche an einer der Seitenwände 4 von außen angebracht ist. Die Trageinrichtungen 6 können an einer Rückwand 9 und/oder an einer oder mehrehren Seitenwänden 4 mittels eines Befestigungsmittels angebracht sein.
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Vorteilhafterweise weisen die Trageinrichtungen 6 eine Breite auf, die geringer als die Breite des Ofeninnenraumes 2 ist, so dass zwischen der Trageinrichtung 6 und mindestens einer der Seitenwänden 4 ein Spalt 10 entsteht.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Trageinrichtungen 6 gezielt eingebrachte Bohrungen 11 aufweisen.
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In 1 ist eine Tür 8 in einer geöffneten Position 12 dargestellt. Andere Türen sind in einer geschlossenen Position 13. Durch die offene Tür 8 können Sauerstoff oder sauerstoffhaltige Gase von außen in den Ofeninnenraum 2 gelangen.
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Die gezielt eingebrachten Spalten 10 und/oder Bohrungen 11 ermöglichen eine Gaszirkulation entlang des dargestellten Gaszirkulationspfades 14. Der Sauerstoff oder die sauerstoffhaltigen Gase werden im Ofeninnenraum 2 derart zirkuliert, dass das zu erwärmende Ofengut 15, insbesondere presszuhärtende Platinen oder formzuhärtende Bauteile, mit Sauerstoff versorgt werden.
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Der erfindungsgemäße Ofenaufbau ermöglicht einen gleichmäßigen Sauerstoffzutritt und eine effiziente Gaszirkulation im Ofeninnenraum 2.
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Zur Sicherstellung einer ausreichenden Sauerstoffzufuhr bzw. Zirkulation des Sauerstoffs oder Zufuhr eines sauerstoffhaltigen Gases kann der Ofeninnenraum 2 durch eine außen angebrachte Ringleitung 16 mit Sauerstoff oder sauerstoffhaltigen Gasen versorgt werden. Der Sauerstoff oder die sauerstoffhaltigen Gase können über die Ringleitung 16 eingeführt werden. Die Ringleitung 16 kann auch Mittel zur Regelung der Gaszirkulation wie beispielsweise Ventilatoren umfassen, welche die Geschwindigkeit und Menge des zugeführten Sauerstoffs bzw. sauerstoffhaltigen Gas in den Kammerofen leicht anpassbar machen.
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Zudem dient die Ringleitung 16 einer verbesserten Gaszirkulation im Ofeninnenraum 2. Eine derartige Ringleitung ist 2 dargestellt.
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Die Ringleitung 16 kann an einer der Seitenwände 4 oder an der Rückwand angebracht sein. Sie verbindet die obere Ofenkammer 5a mit der unteren Ofenkammer 5b. Die Ringleitung 16 enthält ein Ventil 17 zur Steuerung der Gaszufuhr.
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Für die Einstellung der Atmosphäre im Ofeninnenraum 2 und zur Ausbildung einer optimalen Oxidschicht wird der Sauerstoffgehalt in den Ofenkammern kontinuierlich gemessen. Es ist ferner vorteilhaft, wenn parallel zur Sauerstoffmessungen Taupunktmessungen gefahren werden.
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Bei einem zu niedrigen Sauerstoffgehalt kann der Sauerstoff durch das Öffnen des an der Ringleitung 16 angebrachten Ventils 17 zugeführt werden. Dies kann auch automatisiert anhand den Sauerstoff- und/oder Taupunktmessungen gesteuert werden.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn zur Erhöhung des Sauerstoffgehalts die Tür 8 anhand den Sauerstoff- und/oder Taupunktmessungen automatisiert geöffnet oder geschlossen wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10227499 A1 [0025]
- DE 68917032 T2 [0026]
- DE 102016114841 A1 [0027]
