DE102020131238A1

DE102020131238A1 - Thermisches Behandeln eines Bauteils

Info

Publication number: DE102020131238A1
Application number: DE102020131238.5A
Authority: DE
Inventors: Frank Wilden; Andreas Reinartz; Jörg Winkel
Original assignee: Schwartz GmbH
Current assignee: Schwartz GmbH
Priority date: 2020-11-25
Filing date: 2020-11-25
Publication date: 2022-05-25
Also published as: WO2022111929A1; EP4153789A1

Abstract

Verfahren zum thermischen Behandeln eines Bauteils (2), umfassend:a) Erwärmen des Bauteils (2) in einem ersten Durchlaufofen (3) auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur (TAC3) des Bauteils (2),b) Transferieren des Bauteils (2) von dem ersten Durchlaufofen (3) in eine Temperierstation (4),c) thermisches Behandeln des Bauteils (2) in der Temperierstation (4), wobei ein erster Bereich des Bauteils (2) einer Temperatur ausgesetzt wird, die im Durchschnitt oberhalb der AC3-Temperatur (TAC3) des Bauteils (2) liegt, und ein zweiter Bereich des Bauteils (2) gekühlt wird,d) Transferieren des Bauteils (2) von der Temperierstation (4) in einen zweiten Durchlaufofen (5),e) Thermisches Behandeln des Bauteils (2) in dem zweiten Durchlaufofen (5), so dass der erste Bereich auf eine erste Temperatur gebracht wird und der zweite Bereich auf eine zweite Temperatur gebracht wird, wobei die erste Temperatur oberhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils (2) liegt, und wobei die zweite Temperatur unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils (2) liegt.Durch die bereichsweise unterschiedliche thermische Behandlung erhält das Bauteil (2) eine bereichsweise unterschiedliche Duktilität. Das ist beispielsweise bei einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug vorteilhaft. Der beschriebene Temperaturverlauf bewirkt dabei, dass die Bereiche unterschiedlicher Duktilität besonders scharf voneinander getrennt sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Bauteils, insbesondere eines Stahlbauteils für ein Kraftfahrzeug.
Insbesondere in der Automobilindustrie ist es bekannt, Stahlbauteile durch thermische Behandlung gezielt zu härten. Dazu werden Stahlbauteile wie beispielsweise B-Säulen bereichsweise unterschiedlich thermisch behandelt. Entsprechend entsteht eine bereichsweise unterschiedliche Duktilität, was für das Crashverhalten derartiger Bauteile vorteilhaft ist. So können Insassen durch einen harten Bereich der B-Säule auf Höhe der Sitze geschützt werden, während weiche Bereiche im oberen und unteren Bereich der B-Säule durch Verformung Energie aufnehmen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik, ein Verfahren zum thermischen Behandeln von Bauteilen vorzustellen, mit dem Bereiche des Bauteils besonders scharf voneinander getrennt thermisch behandelt werden können. Zudem soll eine entsprechende Vorrichtung vorgestellt werden.
Diese Aufgaben werden gelöst mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines Bauteils vorgestellt. Das Verfahren umfasst:

a) Erwärmen des Bauteils in einem ersten Durchlaufofen auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils,
b) Transferieren des Bauteils von dem ersten Durchlaufofen in eine Temperierstation,
c) thermisches Behandeln des Bauteils in der Temperierstation, wobei ein erster Bereich des Bauteils einer Temperatur ausgesetzt wird, die im Durchschnitt oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt, und ein zweiter Bereich des Bauteils gekühlt wird,
d) Transferieren des Bauteils von der Temperierstation in einen zweiten Durchlaufofen,
e) Thermisches Behandeln des Bauteils in dem zweiten Durchlaufofen, so dass der erste Bereich auf eine erste Temperatur gebracht wird und der zweite Bereich auf eine zweite Temperatur gebracht wird, wobei die erste Temperatur oberhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils liegt. Die zweite Temperatur liegt unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils.

Mit dem beschriebenen Verfahren kann ein Bauteil thermisch behandelt werden. Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Stahlbauteil. Der Stahl ist vorzugsweise 22MnB5. Beispielsweise ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine B-Säule, kann mit dem beschriebenen Verfahren thermisch behandelt werden. Nach der thermischen Behandlung wird das Bauteil vorzugsweise in einer Presse pressgehärtet und insoweit warmumgeformt. Das Verfahren umfasst vorzugsweise als weiteren Schritt, dass das Bauteil nach der thermischen Behandlung in eine Presse transferiert wird und dort pressgehärtet wird. In dem Fall handelt es sich bei dem beschriebenen Verfahren um ein Verfahren zum thermischen Behandeln und Presshärten eines Bauteils.
Das Bauteil hat vorzugsweise eine Materialstärke von mindestens 0,7 mm, insbesondere im Bereich von 1 bis 4 mm. Die Materialstärke des Bauteils ist vorzugsweise über das gesamte Bauteil konstant. Alternativ kann das Bauteil auch eine bereichsweise unterschiedliche Materialstärke aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei dem Bauteil um ein „Tailor Rolled Blank (TRB)“ handeln, bei dem lokal unterschiedliche Materialstärken durch lokal unterschiedliches Walzen erhalten werden. Auch kann es sich bei dem Bauteil um ein „Tailor Welded Blank (TWB)“ handeln, bei dem lokal unterschiedliche Materialstärken erhalten werden, indem mehrere Bleche zusammengeschweißt werden. Auch eine Kombination von TRB und TWB ist möglich. Weiterhin kann das Verfahren gleichermaßen auf Bauteile mit und ohne Beschichtung angewendet werden. Als Beschichtung kommt insbesondere eine Al/Si-Beschichtung in Betracht.
In Schritt a) wird das Bauteil in dem ersten Durchlaufofen erwärmt. Unter einem Ofen ist eine Einrichtung zu verstehen, die in ihrem Innern auf eine einstellbare Temperatur gebracht wird und in die ein Bauteil eingebracht werden kann. Mit der Zeit nimmt das Bauteil die im Innern des Ofens herrschende Temperatur an. Die Wärme wird also von dem im Ofen befindlichen Gas, bei dem es sich insbesondere um Luft handeln kann, auf das Bauteil übertragen. Ein Durchlaufofen ist ein Ofen, durch den das Bauteil hindurch bewegt werden kann, wobei das Bauteil während des Durchlaufens des Ofens erwärmt wird.
Bei dem ersten Durchlaufofen handelt es sich vorzugsweise um einen Rollenherdofen. In dem ersten Durchlaufofen wird das Bauteil vorzugsweise durch Brenner, insbesondere Gasbrenner, erwärmt. Dadurch kann das Bauteil eine besonders gleichmäßig verteilte Temperatur erhalten. In dem ersten Durchlaufofen wird das gesamte Bauteil erwärmt. Das Bauteil wird von dem ersten Durchlaufofen vollständig aufgenommen. Zudem kann mit einem Durchlaufofen eine Erwärmung um eine besonders große Temperaturdifferenz erreicht werden. Mit einem Durchlaufofen kann ein Bauteil insbesondere von Raumtemperatur auf eine Temperatur im Bereich der AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt werden. Eine derart umfangreiche Erwärmung ist mit vielen anderen Erwärmungsmethoden nicht oder jedenfalls nicht ohne unverhältnismäßig großen Aufwand möglich.
Die Erwärmung in einem Durchlaufofen steht insbesondere im Gegensatz zu einer Erwärmung durch die sogenannte „direct energization“. Damit wäre es nur schwer möglich, das Bauteil gleichmäßig und um einen ausreichend hohen Betrag zu erwärmen. Beim direct energization kommt es vielmehr auf die Schnelligkeit der Erwärmung an. Zudem ist beim direct energization ein Kontakt mit dem Bauteil erforderlich. In Schritt a) des beschriebenen Verfahrens erfolgt das Erwärmen vorzugsweise kontaktlos. Das schließt nicht aus, dass das Bauteil mit Transportrollen durch den ersten Durchlaufofen bewegt wird und insoweit in Kontakt mit den Transportrollen steht. Das Erwärmen ist kontaktlos, wenn der Wärmeeintrag in das Bauteil über ein Gas und/oder über Wärmestrahlung erfolgt.
In Schritt b) des Verfahrens wird das Bauteil von dem ersten Durchlaufofen in die Temperierstation transferiert. Dort wird das Bauteil in Schritt c) bereichsweise unterschiedlich thermisch behandelt, indem ein erster Bereich des Bauteils einer Temperatur ausgesetzt wird, die im Durchschnitt oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt, und ein zweiter Bereich des Bauteils gekühlt wird.
Der erste Durchlaufofen und die Temperierstation sind voneinander verschiedene Bauteile, die räumlich voneinander getrennt sind. Der Transfer zwischen dem ersten Durchlaufofen und der Temperierstation erleichtert das Abkühlen des Bauteils zwischen dem Erwärmen im ersten Durchlaufofen und dem thermischen Behandeln in der Temperierstation. In der Temperierstation wird das Bauteil jedenfalls bereichsweise möglichst rasch abgekühlt. Ein rasches Abkühlen kann effizienter außerhalb des heißen ersten Durchlaufofens erfolgen. So kann bereits während des Transfers das Abkühlen beginnen. Insoweit beschleunigt die räumliche Trennung des ersten Durchlaufofens von der Temperierstation das Verfahren. Dies steht im Gegensatz zu einer Lösung, bei der alle Verfahrensschritte in der gleichen Einrichtung durchgeführt werden, ohne das Bauteil transferieren zu müssen. Derartige Lösungen haben typischerweise das Ziel, den Aufwand für Bauteiltransfers gering zu halten oder ganz zu vermeiden. Die räumliche Trennung zwischen dem ersten Durchlaufofen und der Temperierstation erleichtert auch die Konstruktion, weil die Anforderungen an den ersten Durchlaufofen und an die Temperierstation unterschiedlich sind.
In der Temperierstation wird der erste Bereich einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils ausgesetzt. Vorzugsweise wird der erste Bereich in der Temperierstation dadurch erwärmt. Je nach Temperatur des ersten Bereichs bei Eintritt in die Temperierstation und je nach Verweildauer in der Temperierstation kann der erste Bereich in der Temperierstation aber auch auf seiner Temperatur gehalten werden oder ein Abkühlen des ersten Bereichs kann verlangsamt werden. Der erste Bereich des Bauteils wird vorzugsweise insoweit einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils ausgesetzt, als dass des Bauteils mit dem ersten Bereich an eine bauteilseitig offene Kammer gehalten wird, wobei die Kammer über eine Heizeinrichtung auf dieser Temperatur gehalten ist. Bevorzugt ist die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise ein Heizelement wie eine Heizschleife aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizeinrichtung ein Strahlrohr umfassen, welches mit einem Brenner, insbesondere mit einem Gasbrenner beheizt ist.
Der zweite Bereich wird in der Temperierstation gekühlt. Das erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der zweite Bereich außerhalb der zuvor beschriebenen Kammer gehalten wird. Dort wird der zweite Bereich vorzugsweise mit einem Kühlfluid beaufschlagt, insbesondere mit Druckluft. Die Druckluft hat vorzugsweise einen Druck im Bereich von 2 bis 4,5 bar. Durch diesen vergleichsweise hohen Druck kann innerhalb kürzester Zeit eine große Menge der Druckluft auf den zweiten Bereich des Bauteils geleitet werden, so dass eine hinreichend hohe Kühlgeschwindigkeit erreicht werden kann.
Ob und inwieweit die Temperatur des Bauteils über oder unter der AC3-Temperatur des Bauteils liegt, beeinflusst maßgeblich die erhaltene Gefügezusammensetzung. Durch die unterschiedliche thermische Behandlung der Bereiche des Bauteils können die beiden Bereiche unterschiedliche Gefügezusammensetzungen und insoweit unterschiedliche Duktilitäten erhalten. Der erste Bereich wird so härter als der zweite Bereich. So können beispielsweise bei einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug die Crasheigenschaften gezielt eingestellt werden.
Der erste Bereich und der zweite Bereich sind nicht notwendigerweise jeweils zusammenhängende Bereiche. So ist es insbesondere möglich, dass ein mittlerer Teil einer B-Säule den ersten Bereich darstellt, während ein oberer und ein unterer Teil der B-Säule zusammen den zweiten Bereich darstellen. Das Bauteil weist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, nur den ersten Bereich und den zweiten Bereich auf, also keine weiteren Bereiche.
In Schritt d) wird das Bauteil von der Temperierstation in einen zweiten Durchlaufofen transferiert. In Schritt e) wird das Bauteil in dem zweiten Durchlaufofen thermisch behandelt, vorzugsweise erwärmt, so dass der erste Bereich auf eine erste Temperatur gebracht, vorzugsweise erwärmt wird und der zweite Bereich auf eine zweite Temperatur gebracht, vorzugsweise erwärmt wird, wobei die erste Temperatur oberhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils liegt und die zweite Temperatur unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils liegt. Die Austenit-Rückumwandlungstemperatur ist dadurch definiert, dass Austenit zerfällt, sobald die Austenit-Rückumwandlungstemperatur unterschritten wird. Vorzugsweise liegt die erste Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur.
Die Temperierstation und der zweite Durchlaufofen sind voneinander verschiedene Bauteile, die räumlich voneinander getrennt sind. Der Transfer zwischen der Temperierstation und dem zweiten Durchlaufofen erleichtert das Abkühlen des Bauteils zwischen der thermischen Behandlung in der Temperierstation und in dem zweiten Durchlaufofen. So kann auch noch während des Transfers der zweite Bereich des Bauteils abgekühlt werden. Das verringert die erforderliche Verweilzeit in der Temperierstation und beschleunigt das Verfahren. Dies steht im Gegensatz zu einer Lösung, bei der alle Verfahrensschritte nach Möglichkeit in der gleichen Einrichtung durchgeführt werden, ohne das Bauteil transferieren zu müssen. Derartige Lösungen haben typischerweise das Ziel, den Aufwand für Bauteiltransfers gering zu halten oder ganz zu vermeiden. Die räumliche Trennung zwischen der Temperierstation und dem zweiten Durchlaufofen erleichtert auch die Konstruktion, weil die Anforderungen an die Temperierstation und an den zweiten Durchlaufofen unterschiedlich sind.
Bei dem zweiten Durchlaufofen handelt es sich vorzugsweise um einen Rollenherdofen. In dem zweiten Durchlaufofen wird das gesamte Bauteil thermisch behandelt, vorzugsweise erwärmt. Das Bauteil wird von dem zweiten Durchlaufofen vollständig aufgenommen. Die thermische Behandlung in einem Durchlaufofen steht insbesondere im Gegensatz zu einer Erwärmung durch das sogenannte „direct energization“.
Es hat sich herausgestellt, dass die Trennung zwischen den Bereichen bei dem beschriebenen Verfahren besonders scharf ist, insbesondere weil das Bauteil im ersten Durchlaufofen auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt wird. Würde die AC3-Temperatur im ersten Durchlaufofen nicht überschritten, könnte kein stabiles Austenit gebildet werden. Der erste Bereiche müsste in der Temperierstation erst über die AC3-Temperatur erwärmt werden und dies über eine vergleichsweise lange Zeit. Durch die dafür erforderliche Verweilzeit in der Temperierstation, durch Wärmeleitung innerhalb des Bauteils und durch Strahlungsverluste am Rand der Temperierstation könnte es zu einem vergleichsweise großen Übergangsbereich kommen. Bei dem beschriebenen Verfahren kann dies verhindert werden. Durch die Erwärmung im zweiten Durchlaufofen können zudem Diffusionsvorgänge des Kohlenstoffs im Stahl im zweiten Bereich des Bauteils beschleunigt werden.
Für eine unterschiedliche Duktilität ist es bevorzugt, dass die thermische Behandlung der beiden Bereiche möglichst unterschiedlich ist. Bei einem an das thermische Behandeln anschließenden Presshärten ist es hingegen bevorzugt, dass das Bauteil keine großen Temperaturunterschiede aufweist, so dass es beim Presshärten zu keinen Verspannungen kommt. Eine Differenz zwischen der ersten Temperatur und der zweiten Temperatur im Bereich von 200 bis 300 K hat sich als guter Kompromiss herausgestellt.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt die erste Temperatur 20 bis 150 K oberhalb der AC3-Temperaturdes Bauteils und/oder liegt die zweite Temperatur 100 bis 200 K unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils.
Bevorzugt ist die Kombination, dass die erste Temperatur 50 bis 150 Koberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt und die zweite Temperatur 100 bis 200 K unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt.
In dieser Ausführungsform liegt die erste Temperatur signifikant oberhalb der AC3-Temperatur und/oder die zweite Temperatur signifikant unterhalb der AC3-Temperatur. Dadurch werden die Festigkeitseigenschaften des Bauteils entsprechend signifikant beeinflusst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Bereich in Schritt e) um mindestens 20 K erwärmt und/oder wird der zweite Bereich in Schritt e) um mindestens 100 K erwärmt.
Bevorzugt ist die Kombination, dass der erste Bereich in Schritt e) um mindestens 20 K erwärmt und der zweite Bereich in Schritt e) um mindestens 100 K erwärmt wird.
In dieser Ausführungsform werden beide Bereiche des Bauteils in Schritt e) erwärmt. Da der erste Bereich vor Durchlaufen des zweiten Durchlaufofens wärmer ist als der zweite Bereich bewirkt dies, dass der erste Bereich weniger erwärmt wird als der zweite Bereich. Insoweit nähern sich die Temperaturen der beiden Bereiche aneinander an.
Alternativ kann der erste Bereich in Schritt e) abkühlen, insbesondere um bis zu 100 K.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist der erste Durchlaufofen in Transportrichtung des Bauteils in eine erste Zone und eine an diese anschließende und von dem Bauteil später durchlaufene zweite Zone unterteilt, wobei sich die erste Zone in Transportrichtung des Bauteils über mindestens 70 % des ersten Durchlaufofens erstreckt, wobei eine Durchschnittstemperatur in der ersten Zone unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt, und wobei eine Durchschnittstemperatur in der zweiten Zone oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt.
Es genügt, dass die AC3-Temperatur im ersten Durchlaufofen kurzzeitig überschritten wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird dies dadurch realisiert, dass die erste Zone mit einer Temperatur unterhalb der AC3-Temperatur größer ist als die zweite Zone mit einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur. Bei langer Überschreitung der AC3-Temperatur des Bauteils würde ein stabiles Austenit gebildet, das bei Abkühlung nur langsam zerfällt. Das würde zu einer langen Taktzeit im Prozess führen, insbesondere wenn der zweite Bereich des Bauteils besonders weich sein soll. Das liegt an der Zeit, die das Austenits zum Zerfall benötigt. Insbesondere bei Bauteilen aus 22MnB5 ist dies der Fall, weil dieser Stahl durch die Legierungselemente umwandlungsverzögert ist. Mit dem beschriebenen Verfahren wird die AC3-Temperatur im ersten Durchlaufofen nur kurzzeitig überschritten. Dadurch kann das Austenit vergleichsweise schnell zerfallen. Das Austenit zerfällt im ersten Bereich langsamer als im gekühlten zweiten Bereich. Der erste Bereich kann dadurch in der Temperierstation schneller wieder vollständig in Austenit umgewandelt werden, insbesondere sofern die Rückumwandlung beim Transfer schon begonnen hat.
Zudem trägt die vergleichsweise niedrige Bauteiltemperatur am Ende des ersten Durchlaufofens und das weniger stabile Austenit dazu bei, die zweiten Bereiche des Bauteils in kürzerer Zeit zu entfestigen. Dies kann wiederum die Taktzeit verkürzen.
Der erste Durchlaufofen und auch die übrige für das Verfahren verwendete Vorrichtung werden mithilfe einer „Transportrichtung des Bauteils“ beschrieben. Das ist die Richtung, mit der das Bauteil durch die Vorrichtung und deren Elemente bewegt wird. Die Transportrichtung des Bauteils ist also insbesondere die Richtung, mit der das Bauteil durch den ersten Durchlaufofen bewegt wird.
Bei Betrachtung entlang der so definierten Transportrichtung hat der erste Durchlaufofen eine erste Zone und eine zweite Zone. Dass der erste Durchlaufofen in Transportrichtung des Bauteils in diese beiden Zonen „unterteilt“ ist, bedeutet, dass der erste Durchlaufofen bei Betrachtung entlang der Transportrichtung des Bauteils nur diese beiden Zonen aufweist. Quer zur Transportrichtung des Bauteils erstrecken sich die Zonen vorzugsweise jeweils über den gesamten ersten Durchlaufofen.
Das Bauteil durchläuft zuerst die erste Zone und anschließend die zweite Zone. Bei Betrachtung in Transportrichtung ist die zweite Zone der ersten Zone insoweit nachgeordnet. Die erste Zone und die zweite Zone grenzen unmittelbar aneinander an. Die erste Zone grenzt an einen Einlass des ersten Durchlaufofens an, die zweite Zone grenzt an einen Auslass des ersten Durchlaufofens an. Über den Einlass kann das Bauteil in den ersten Durchlaufofen eingeführt werden. Über den Auslass kann das Bauteil den ersten Durchlaufofen verlassen.
Die Durchschnittstemperatur in der ersten Zone liegt unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils; die Durchschnittstemperatur in der zweiten Zone liegt oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils. Das Bauteil wird also in dem ersten Durchlaufofen zuerst auf eine Temperatur unterhalb der AC3-Temperatur erwärmt und anschließend kurzzeitig einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur ausgesetzt. Vorzugsweise wird das Bauteil in der zweiten Zone auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt. Wenn die Verweildauer des Bauteils in der zweiten Zone hinreichend lang ist, kann dies die in der zweiten Zone eingestellte Temperatur sein.
Es ist bevorzugt, dass die Temperaturen in der ersten Zone und in der zweiten Zone jeweils konstant sind. Dadurch wird das Bauteil innerhalb der Zonen gleichmäßig erwärmt. Zu beachten ist aber, dass kurzzeitige und/oder lokal begrenzte Temperaturänderungen innerhalb des ersten Durchlaufofens für die Erwärmung des Bauteils nahezu keine Relevanz haben. Das liegt daran, dass sich die Temperatur des Bauteils vergleichsweise langsam an die Temperatur im ersten Durchlaufofen anpasst. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, sind die Zonen über die jeweilige Durchschnittstemperatur definiert. Die Durchschnittstemperatur in der ersten Zone liegt unterhalb der AC3-Temperatur, die Durchschnittstemperatur in der zweiten Zone oberhalb der AC3-Temperatur. Die erste Zone wird also beispielsweise nicht dadurch unterbrochen, dass die Temperatur in einem kleinen Bereich oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Entsprechendes gilt für die zweite Zone. Als Durchschnittstemperatur ist der Durchschnitt der Temperatur zu verstehen, der das Bauteil in der jeweiligen Zone ausgesetzt wird. Das ist die Temperatur in einer Bauteilebene des ersten Durchlaufofens, also der Ebene, in der das Bauteil durch den ersten Durchlaufofen transportiert wird. Insbesondere sollen im Falle eines gasbefeuerten ersten Durchlaufofens lokal erhöhte Temperaturen im Bereich der Brenner außer Acht gelassen werden, sofern diese von dem Bauteil beabstandet sind.
Die erste Zone erstreckt sich in Transportrichtung des Bauteils über mindestens 70 % des ersten Durchlaufofens, vorzugsweise sogar über mindestens 80 %. Es hat sich herausgestellt, dass es genügt, wenn das Bauteil zunächst vergleichsweise langsam aufgewärmt wird und anschließend nur kurz einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur ausgesetzt wird. Entsprechend ist es bevorzugt, dass die erste Zone deutlich länger ausgebildet ist als die zweite Zone. Es hat sich herausgestellt, dass dadurch ein besonders kleiner Übergangsbereichs zwischen den Bereichen unterschiedlicher Duktilität erhalten werden kann. Die Bereiche unterschiedlicher Duktilität sind also besonders scharf voneinander abgegrenzt. Das ist insofern überraschend, als dass ein Zusammenhang zwischen der Ausdehnung des Übergangsbereichs mit der Art und Weise der Erwärmung vor Einstellen einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur bisher nicht bekannt war.
Es genügt, dass sich die Zonen nur durch die eingestellte Temperatur voneinander abgrenzen. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, dass sich die Zonen unterscheiden oder dass Grenzen zwischen den Zonen als solche erkennbar sind. Zudem ist es möglich, dass auf verschiedene Weisen eine erste Zone und eine zweite Zone in dem ersten Durchlaufofen definiert werden können. Es ist ausreichend, wenn es eine mögliche Zuweisung einer ersten Zone und eine mögliche Zuweisung einer zweiten Zone gibt, wobei alle für die beiden Zonen aufgestellten Bedingungen jeweils erfüllt sind. Auf alternative Zuweisungsmöglichkeiten kommt es dann nicht an. Gleichwohl erfolgt die Zuweisung der Zonen vorzugsweise nicht willkürlich. Sofern der Temperaturverlauf entlang der Transportrichtung des Bauteils klar erkennbare Sprünge aufweist, fällt die Grenze zwischen den Zonen vorzugsweise mit einem solchen klar erkennbaren Sprung zusammen. So ist es insbesondere bevorzugt, dass die Temperatur an der Grenze zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone auf der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Das ist insbesondere der Fall, wenn die Grenze zwischen den beiden Zonen an einem Sprung der Temperatur von einem Wert unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils auf einen Wert oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Temperatur über mindestens 80 % einer Ausdehnung der ersten Zone in Transportrichtung des Bauteils unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass die Temperatur über mindestens 80 % einer Ausdehnung der zweiten Zone in Transportrichtung des Bauteils oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in der gesamten ersten Zone unterhalb der AC3-Temperatur. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in der gesamten zweiten Zone oberhalb der AC3-Temperatur. Auch diese Aussagen beziehen sich jeweils auf die Temperatur, der das Bauteil im ersten Durchlaufofen ausgesetzt wird.
Der erste Durchlaufofen weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Heizelementen auf, deren Temperatur vorzugsweise individuell eingestellt werden kann. Die erste Zone und die zweite Zone entsprechen vorzugsweise einer jeweilige Gruppe der Heizelemente. Die Zuordnung der Heizelemente zu einer Zone kann durch eine Regeleinrichtung erfolgen und muss insoweit nicht an den Heizelementen selbst erkennbar sein. Maßgeblich ist allein die Temperaturverteilung. Durch Veränderung der Temperatureinstellung eines Heizelements an der Grenze zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone kann die Zuordnung dieses Heizelements von der ersten Zone zur zweiten Zone verändert werden, und umgekehrt. Allgemein kann durch eine Änderung der Zuordnung von Heizelementen an der Grenze zwischen den Zonen die Ausdehnung der Zonen verändert werden. Durch die jeweilige Temperatureinstellung der Heizelemente kann die Temperaturverteilung der Zone eingestellt werden. Alle Heizelemente einer Zone sind vorzugsweise auf die gleiche Temperatur eingestellt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt die Durchschnittstemperatur in der ersten Zone des ersten Durchlaufofens im Bereich von 10 bis 30 K unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils und/oder liegt die Durchschnittstemperatur in der zweiten Zone des ersten Durchlaufofens im Bereich von 10 bis 30 K oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils.
Bevorzugt ist die Kombination, dass die Durchschnittstemperatur in der ersten Zone des ersten Durchlaufofens im Bereich von 10 bis 30 K unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt und dass die Durchschnittstemperatur in der zweiten Zone des ersten Durchlaufofens im Bereich von 10 bis 30 K oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt.
Im Falle von 22MnB5 ist es bevorzugt, dass die Temperatur in der ersten Zone im Durchschnitt bei 814 bis 836 °C liegt und in der zweiten Zone im Durchschnitt bei 856 bis 876 °C. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in der ersten Zone konstant im Bereich von 816 bis 836 °C und in der zweiten Zone konstant bei 856 bis 876 °C.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt eine Verweildauer des Bauteils in der zweiten Zone des ersten Durchlaufofens im Bereich von 10 bis 30 s.
Die Verweildauer im ersten Durchlaufofen liegt vorzugsweise im Bereich von 250 bis 400 s. Entsprechend ist eine Verweildauer im Bereich von 10 bis 30 s in der zweiten Zone vergleichsweise kurz. Es hat sich gezeigt, dass eine derart kurze Verweildauer in der zweiten Zone für die beschriebenen Vorteile ausreichend ist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens beginnt in Schritt c) das Kühlen des zweiten Bereichs mit einer Verzögerung von 0,5 bis 15 s nach Abschluss von Schritt b).
Mit dem Abkühlen wird nicht unmittelbar nach Eintritt des Bauteils in die Temperierstation begonnen. Damit kann auch das Abkühlen durch freie Abstrahlung an die Umgebung zum Kühlen genutzt werden, wodurch beispielsweise Kühlfluid eingespart werden kann. Das nach der Verzögerung beginnende Kühlen ist ein aktives Kühlen. Durch dieses können die Festigkeitseigenschaften des Bauteils besonders genau eingestellt werden. Eine längere Verzögerung kann zu einer Vergrößerung des Übergangsbereichs zwischen Bereichen unterschiedlicher Duktilität führen. Die Kombination aus der beschriebenen zonenweisen Erwärmung im ersten Durchlaufofen mit der vergleichsweise geringen Verzögerung zeigte eine besonders scharfe Trennung zwischen den unterschiedlichen Duktilitäts-Bereichen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Bereich des Bauteils in Schritt c) einer Temperatur ausgesetzt, die im Durchschnitt 10 bis 250 K oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt.
Es hat sich herausgestellt, dass auch die Temperaturführung in der Temperierstation einen Einfluss auf die Ausdehnung des Übergangsbereichs zwischen den Bereichen unterschiedlicher Duktilität hat. Eine vergleichsweise hohe Temperatur für die thermische Behandlung des ersten Bereichs in der Temperierstation ergab einen kleineren Übergangsbereich.
Bevorzugt wird das Bauteil in Schritt c) einer Temperatur ausgesetzt, die konstant im Bereich von 10 bis 250 K oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Im Falle von 22MnB5 ist es bevorzugt, dass das der erste Bereich in Schritt c) einer Durchschnittstemperatur im Bereich von 900 bis 1100 °C ausgesetzt wird, insbesondere einer konstanten Temperatur in diesem Bereich.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens verbleibt das Bauteil in Schritt c) über eine Verweildauer im Bereich von 10 bis 30 s in der Temperierstation.
Als ein weiterer Aspekt wird eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Bauteils vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:

- einen ersten Durchlaufofen,
- eine dem ersten Durchlaufofen in Transportrichtung des Bauteils nachgeordnete Temperierstation,
- einen der Temperierstation in Transportrichtung des Bauteils nachgeordneten zweiten Durchlaufofen
- eine Regeleinrichtung, die dazu eingerichtet ist, in jedenfalls einem Teil des ersten Durchlaufofens eine Durchschnittstemperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils einzustellen, und in dem zweiten Durchlaufofen eine Durchschnittstemperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils einzustellen.

Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfahrens sind auf die Vorrichtung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem Verfahren bestimmt und eingerichtet. Das Verfahren wird vorzugsweise mit der Vorrichtung durchgeführt.
Die Regeleinrichtung ist vorzugsweise so eingerichtet, dass durch diese im ersten Durchlaufofen ein solches Temperaturprofil eingestellt wird, dass das Bauteil in der zweiten Zone des ersten Durchlaufofens auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt wird.
Der erste Durchlaufofen ist in Transportrichtung des Bauteils vorzugsweise in eine erste Zone und eine an diese anschließende und dieser nachgeordnete zweite Zone unterteilt ist, wobei sich die erste Zone in Transportrichtung des Bauteils über mindestens 70 % des ersten Durchlaufofens erstreckt. Die Regeleinrichtung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, in der ersten Zone des ersten Durchlaufofens eine Durchschnittstemperatur unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils einzustellen, und in der zweiten Zone des ersten Durchlaufofens eine Durchschnittstemperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils einzustellen.
Dass die zweite Zone des ersten Durchlaufofens der ersten Zone in Transportrichtung des Bauteils nachgeordnet ist, bedeutet, dass das Bauteil die zweite Zone später durchläuft als die erste Zone. Entsprechendes gilt für die Temperierstation und den zweiten Durchlaufofen, die dem ersten Durchlaufofen beziehungsweise der Temperierstation in Transportrichtung des Bauteils nachgeordnet sind.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:

1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Bauteils,
2: einen Temperaturverlauf, der sich mit der Vorrichtung aus 1 bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum thermischen Behandeln des Bauteils einstellt.

1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln eines Bauteils 2. Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Durchlaufofen 3, welcher in Transportrichtung r des Bauteils 2 eine erste Zone 6 und eine der ersten Zone 6 nachgeordnete zweite Zone 7 aufweist. Die zweite Zone 7 wird also von dem Bauteil 2 später durchlaufen und liegt daher in 1 rechts von der ersten Zone 6. Die erste Zone 6 erstreckt sich in Transportrichtung r des Bauteils 2 über 70 % des ersten Durchlaufofens 3. Die erste Zone 6 und die zweite Zone 7 erstrecken sich quer zur Transportrichtung r - also in 1 nach oben und unten sowie senkrecht zur Zeichenebene - über den gesamten ersten Durchlaufofen 3.
Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine dem ersten Durchlaufofen 3 in Transportrichtung r des Bauteils 2 nachgeordnete Temperierstation 4 auf. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 einen zweiten Durchlaufofen 5 auf, der in Transportrichtung r des Bauteils 2 der Temperierstation 4 nachgeordnet ist. Die Temperaturen in der ersten Zone 6 des ersten Durchlaufofens 3, in der zweiten Zone 7 des ersten Durchlaufofens 3, in der Temperierstation 4 und im zweiten Durchlaufofen 5 sind über eine Regeleinrichtung 8 einstellbar. Dies ist durch gepunktete Linien angedeutet. Die Regeleinrichtung 8 ist insbesondere dazu eingerichtet, in der ersten Zone 6 des ersten Durchlaufofens 3 eine Durchschnittstemperatur unterhalb der AC3-Temperatur T_AC3 des Bauteils 2 einzustellen, in der zweiten Zone 7 des ersten Durchlaufofens 3 eine Durchschnittstemperatur oberhalb der AC3-Temperatur T_AC3 des Bauteils 2 einzustellen und im zweiten Durchlaufofen 5 eine solche Temperatur einzustellen, dass der erste Bereich auf eine erste Temperatur gebracht wird und der zweite Bereich auf eine zweite Temperatur gebracht wird, wobei die erste Temperatur oberhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils 2 liegt.
2 zeigt einen Temperaturverlauf, der sich in dem Bauteil 2 einstellt, wenn es durch die Vorrichtung 1 aus 1 bewegt wird. Die Darstellung von 2 ist schematisch. Gezeigt ist ein Plot der Temperatur T über der Zeit t in beliebigen Einheiten. Das Bauteil 2 wird zunächst in dem ersten Durchlaufofen 3 erwärmt. Die Verweildauer des Bauteils 2 in dem ersten Durchlaufofen 3 ist mit t_D1 bezeichnet und in die mit t_Z1 bezeichnete Verweildauer in der ersten Zone 6 und die mit t_Z2 bezeichnete Verweildauer in der zweiten Zone 7 unterteilt. In der ersten Zone 6 ist die Temperatur konstant auf einen Wert T_Z1 geregelt, der unterhalb der AC3-Temperatur T_AC3 des Bauteils 2 liegt. In der zweiten Zone 7 ist die Temperatur konstant auf einen Wert T_Z2 geregelt, der oberhalb der AC3-Temperatur T_AC3 des Bauteils 2 liegt. Die Temperatur des Bauteils 2 steigt dadurch zunächst auf den Wert T_Z1. In t_Z2 erfolgt eine weitere Erwärmung auf T_Z2.
Anschließend wird das Bauteil 2 in die Temperierstation 4 transferiert. Die zugehörige Transferzeit ist mit t_T1 bezeichnet. Während dieses Transfers kühlt das Bauteil 2 ab.
In der Temperierstation 4 verbleibt das Bauteil 2 über eine Verweildauer t_TS. In dieser Zeit wird das Bauteil 2 in der Temperierstation 4 thermisch behandelt, indem ein erster Bereich des Bauteils 2 einer Temperatur ausgesetzt wird, die konstant auf einem Wert T_TS oberhalb der AC3-Temperatur T_AC3 des Bauteils 2 liegt, und ein zweiter Bereich des Bauteils 2 gekühlt wird. Das Kühlen des zweiten Bereichs des Bauteils 2 beginnt mit einer Verzögerung tv. Die Verzögerung t_V beginnt mit Eintritt des Bauteils 2 in die Temperierstation 4, also mit Ende von t_T1 und Beginn von t_TS. Nach dem Kühlen kann ein Anstieg der Temperatur T_B des zweiten Bereichs zu erkennen sein. Das ist durch die Freisetzung latenter Wärme bedingt. Dieser Effekt wird auch als „Rekaleszenz“ bezeichnet.
Nach dem thermischen Behandeln des Bauteils 2 in der Temperierstation 4 wird das Bauteil 2 in den zweiten Durchlaufofen 5 transferiert. Die Transferzeit dafür ist mit t_T2 bezeichnet. Auch dabei kühlt das Bauteil 2 ab, was je nach Bereich unterschiedlich sein kann.
Im zweiten Durchlaufofen 5 wird das Bauteil 2 weiter thermisch behandelt. Der erste Bereich wird auf eine erste Temperatur erwärmt und der zweite Bereich wird auf eine zweite Temperatur erwärmt. Die erste Temperatur liegt oberhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur TAR des Bauteils 2; die zweite Temperatur liegt unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur TAR des Bauteils 2. Die Verweildauer des Bauteils 2 im zweiten Durchlaufofen 5 ist mit t_D2 bezeichnet.
Durch die bereichsweise unterschiedliche thermische Behandlung erhält das Bauteil 2 eine bereichsweise unterschiedliche Duktilität. Das ist beispielsweise bei einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug vorteilhaft. Der beschriebene Temperaturverlauf bewirkt dabei, dass die Bereiche unterschiedlicher Duktilität besonders scharf voneinander getrennt sind.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Bauteil
3: erster Durchlaufofen
4: Temperierstation
5: zweiter Durchlaufofen
6: erste Zone
7: zweite Zone
8: Regeleinrichtung
T: Temperatur
TAC3: AC3-Temperatur des Bauteils
TAR: Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils
TZ1: Temperatur in der ersten Zone
TZ2: Temperatur in der zweiten Zone
TTS: Temperatur für den zweiten Bereich in der Temperierstation
TA: Temperatur des ersten Bereichs des Bauteils
TB: Temperatur des zweiten Bereichs des Bauteils
t: Zeit
tD1: Verweildauer im ersten Durchlaufofen
tZ1: Verweildauer in der ersten Zone des ersten Durchlaufofens
tZ2: Verweildauer in der zweiten Zone des ersten Durchlaufofens
tT1: Transferdauer vom ersten Durchlaufofen zur Temperierstation
tTS: Verweildauer in der Temperierstation
tV: Verzögerung des Kühlens des zweiten Bereichs des Bauteils
tT2: Transferdauer von der Temperierstation zum zweiten Durchlaufofen
tD2: Verweildauer im zweiten Durchlaufofen
r: Transportrichtung des Bauteils

Claims

Verfahren zum thermischen Behandeln eines Bauteils (2), umfassend: a) Erwärmen des Bauteils (2) in einem ersten Durchlaufofen (3) auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur (T_AC3) des Bauteils (2), b) Transferieren des Bauteils (2) von dem ersten Durchlaufofen (3) in eine Temperierstation (4), c) thermisches Behandeln des Bauteils (2) in der Temperierstation (4), wobei ein erster Bereich des Bauteils (2) einer Temperatur ausgesetzt wird, die im Durchschnitt oberhalb der AC3-Temperatur (T_AC3) des Bauteils (2) liegt, und ein zweiter Bereich des Bauteils (2) gekühlt wird, d) Transferieren des Bauteils (2) von der Temperierstation (4) in einen zweiten Durchlaufofen (5), e) Thermisches Behandeln des Bauteils (2) in dem zweiten Durchlaufofen (5), so dass der erste Bereich auf eine erste Temperatur gebracht wird und der zweite Bereich auf eine zweite Temperatur gebracht wird, wobei die erste Temperatur oberhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils (2) liegt, und wobei die zweite Temperatur unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils (2) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Temperatur 20 bis 150 K oberhalb der AC3-Temperatur (T_AC3) des Bauteils (2) liegt und/oder wobei die zweite Temperatur 100 bis 200 K unterhalb der AC3-Temperatur (T_AC3) des Bauteils (2) liegt.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Bereich in Schritt e) um mindestens 20 K erwärmt wird und/oder wobei der zweite Bereich in Schritt e) um mindestens 100 K erwärmt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der erste Durchlaufofen (3) in Transportrichtung (r) des Bauteils (2) in eine erste Zone (6) und eine an diese anschließende und von dem Bauteil (2) später durchlaufene zweite Zone (7) unterteilt ist, wobei sich die erste Zone (6) in Transportrichtung (r) des Bauteils (2) über mindestens 70 % des ersten Durchlaufofens (3) erstreckt, wobei eine Durchschnittstemperatur in der ersten Zone (6) unterhalb der AC3-Temperatur (T_AC3) des Bauteils (2) liegt, und wobei eine Durchschnittstemperatur in der zweiten Zone (7) oberhalb der AC3-Temperatur (T_AC3) des Bauteils (2) liegt.
Vorrichtung (1) zum thermischen Behandeln eines Bauteils (2), umfassend: - einen ersten Durchlaufofen (3), - eine dem ersten Durchlaufofen (3) in Transportrichtung (r) des Bauteils (2) nachgeordnete Temperierstation (4), - einen der Temperierstation (4) in Transportrichtung (r) des Bauteils (2) nachgeordneten zweiten Durchlaufofen (5), - eine Regeleinrichtung (8), die dazu eingerichtet ist, in jedenfalls einem Teil des ersten Durchlaufofens (3) auf eine Durchschnittstemperatur oberhalb der AC3-Temperatur (T_AC3) des Bauteils (2) zu regeln, und in dem zweiten Durchlaufofen (5) auf eine Durchschnittstemperatur oberhalb der AC3-Temperatur (T_AC3) des Bauteils (2) zu regeln.