EP3013994A1 - Eindiffundieren von aluminium-silizium in eine stahlblechbahn - Google Patents

Eindiffundieren von aluminium-silizium in eine stahlblechbahn

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EP3013994A1
EP3013994A1 EP14733592.1A EP14733592A EP3013994A1 EP 3013994 A1 EP3013994 A1 EP 3013994A1 EP 14733592 A EP14733592 A EP 14733592A EP 3013994 A1 EP3013994 A1 EP 3013994A1
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EP
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web
steel
sheet web
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    • F27D2003/0034—Means for moving, conveying, transporting the charge in the furnace or in the charging facilities
    • F27D2003/0075—Charging or discharging vertically, e.g. through a bottom opening

Definitions

  • the invention relates to an apparatus and a method for diffusing aluminum-silicon (Al-Si) into a surface of an Al-Si-coated one
  • Sheet steel track which forms a high-melting aluminum-silicon-iron alloy due to the indiffusion.
  • Ratio of strength to weight include in particular A and B pillars, side impact protection in doors, sills, frame parts,
  • Bumper cross member for floor and roof, front and rear
  • the body shell with a safety cage usually consists of a hardened steel sheet with about 1, 500 MPa strength.
  • furnaces enforced for the heat treatment.
  • the metal parts to be treated are continuously conveyed through the oven.
  • chamber furnaces can also be used in which the metal parts are batchwise placed in a chamber, heated there and then removed again.
  • a board is also punched out of a steel strip, however, there is no pre-deformation, but the board is fed directly to the furnace. After the heat treatment, the hot board is fed to the press and deformed in an indirectly water-cooled tool and simultaneously press-hardened. Subsequently, the molded components are trimmed again if necessary.
  • roller hearth furnaces As an alternative furnace design, for example, the walking beam furnace may be mentioned, in which the metal parts are transported by lifting bars through the oven. Also, the walking beam furnace may be mentioned, in which the metal parts are transported by lifting bars through the oven. Also, the walking beam furnace may be mentioned, in which the metal parts are transported by lifting bars through the oven. Also, the walking beam furnace may be mentioned, in which the metal parts are transported by lifting bars through the oven. Also, the walking beam furnace may be mentioned, in which the metal parts are transported by lifting bars through the oven. Also
  • Multilayer kilns are becoming increasingly important.
  • Chamber furnaces for this procedure can also be equipped with a lock. However, it is also possible with this type of furnace to exchange the atmosphere in the furnace chamber for each cycle. Continuous furnaces for this process must be equipped with a product carrier return conveyor system to ensure the circulation of the product carriers. Ceramic ovens are used in these ovens. Only the entry and exit tables and the goods carrier return conveyor are equipped with metal conveyor rollers.
  • Another advantage of this type is the positive effect of the conveyor roller on the uniform heating of the metal parts to be treated to see: heated by the furnace heating with stationary rollers heated by radiation and heat conduction transported on them and therefore in contact with them in contact metal part in addition ,
  • these ovens are operated with a significantly lower energy consumption, since there are no goods carrier, which can cool down on the return transport after the furnace flow and therefore must be reheated in the oven in a new run again.
  • the direct method is therefore preferably used with the use of continuous furnaces.
  • the plates used in vehicle construction should not rust as much as possible. Also, scaling should be avoided during the machining process, since such scaling for further processing, at the latest before the welding or painting process, must be removed consuming and costly.
  • Aluminum-silicon (Al-Si) coated sheets used.
  • the coating prevents the rusting of the sheets, as well as a scaling of the hot sheets on the transfer from the oven to the press.
  • the Al-Si of the coating diffuses when heating the board to hardening temperature in the steel surface and protects the base material against scaling.
  • boron-alloyed tempering steels such as 22MnB5 (material number 1 .5528) or 30MnB5 (material number 1 .5531) are being used as base material.
  • Roller hearth furnaces are based on the fact that Al-Si-coated circuit boards are placed directly on the ceramic conveyor rollers, which leads to strong thermochemical reactions between the Al-Si coating and the ceramic rollers.
  • Another major disadvantage of the described process is the cycle time, as the predominant furnace time is used to melt the Al-Si on the surface and to diffuse into the substrate surface in order to achieve the desired welding, corrosion and paint adhesion properties.
  • rollers currently in use in roller hearth furnaces are hollow rollers made of the material sintered mullite (3AI 2 0 3 * 2Si0 2 ) and full rolls
  • Fused silica consist of more than 99% S1O2 and have an application limit of about 1 100 ° C with the disadvantage that they bend at about 700 ° C to 800 ° C by its own weight. Rollers made of sintered mullite can be loaded up to 1350 ° C without causing significant bending.
  • the big advantage of both materials is the high
  • the object of the invention is to specify a method and a device in which aluminum-silicon can be diffused into a surface of a sheet-steel web and wherein from the thus-treated sheet-steel web a form hardened in the press hardening steel sheet component can be produced, wherein the disadvantages described are avoided.
  • this object is achieved by a method having the features of independent claim 1.
  • Advantageous developments of the method will become apparent from the dependent claims 2 to 8.
  • the object is further achieved by a device according to claim 9.
  • Advantageous embodiments of the device will become apparent from the Unterretenl O to 16.
  • the sheet steel web is fed to a heatable to diffusion temperature oven and then passed through the heated to diffusion temperature furnace contact. At the same time, the steel sheet is going up
  • Process step can be produced by means of press hardening process form hardened sheet steel component. For example, in a punching process, a first
  • Steel sheet board are cut from the treated soft sheet steel web, which then for the press hardening process, for example, in a conventional
  • Roller hearth furnace can be heated to martensite formation temperature, without causing a liquid phase of the Al-Si and thus one of the roles of
  • Al-Si is in both
  • the steel sheet web is taken directly from a first Stahlblechcoil.
  • the coil form corresponds to the usual delivery form of
  • the steel sheet web pretreated in the inventive method can also be further processed immediately, whereby the winding up to a second steel sheet coil can be dispensed with.
  • the steel sheet web is heated in a first furnace part to diffusion temperature. After reaching the
  • the sheet steel web cooled to a temperature at which ferrite / pearlite microstructure forms.
  • the cooling rate is less than 25K / sec.
  • the steel sheet web is guided on a hot air pad without contact through the oven.
  • the hot air can also have diffusion temperature, so that Al-Si is diffused into both surfaces of the sheet steel web.
  • the hot air cushion On the hot air cushion the floats
  • the steel sheet web is passed through the furnace by applying a tensile force.
  • the pulling force can over the
  • Take-off means for example a driven second reel, on which the
  • treated steel sheet web can be wound into a coil, in conjunction with a braked first reel, from which the untreated Al-Si-coated steel sheet web is unwound from a coil applied.
  • Steel sheet trajectory follows a rope line through the furnace, for example, between the unwinding of the first reel and the winding point on the second reel depending on the applied tensile force and the distance of the unwinding of the winding point sags.
  • the device for producing a hot air cushion can be dispensed with.
  • this cable pull method can also be combined with the hot air cushion. This is particularly advantageous if, for example, for reasons of faster passage through the furnace while maintaining constant the diffusion time and a possible final annealing and the slow cooling with a cooling rate of less than 25K / sec to a temperature at which forms ferrite / pearlite, the
  • Oven length is selected longer. With a larger furnace length, the tensile force applied to the sheet steel web must be increased. When combined with the hot air cushion, however, the tensile force can be reduced.
  • the oven is in
  • the sheet steel web is advantageously guided from top to bottom through the oven.
  • This feed-through direction has advantages in terms of temperature control, since the first furnace region with the higher diffusion temperature in this way is arranged above the second furnace region with the lower temperature at which a ferritic / pearlitic microstructure forms.
  • the inventive device for diffusing Al-Si into a surface of an Al-Si-coated sheet steel web is characterized in that the Device having a furnace, wherein the furnace has a heatable to diffusion temperature first region, wherein the Al-Si-coated steel sheet web is guided through the furnace without contact. From the so treated
  • Sheet steel web is a form hardened in the press hardening steel sheet component produced.
  • the oven has a device for
  • the hot air can also
  • Sheet steel thereby non-contact through the furnace, so that no harmful reaction of molten Al-Si to support devices, such as rollers or lifting beams take place.
  • the furnace as a device for producing a hot air cushion on a hot air nozzle.
  • the oven comprises a device for
  • Sheet steel track held under tension so that it at least does not sag so far that it touches the oven.
  • the cable can also with the
  • Hot air cushions are combined. This is particularly advantageous if the oven is too long, so that the sheet steel web would sag too much despite the applied tensile force. In this case, the tensile force can also be reduced in the combination of hot air cushion and cable, so that no or only low voltages are introduced into the sheet steel web.
  • the oven is in
  • Al-Si-coated sheet steel web can be guided without contact from top to bottom through the oven, without the need for a hot air cushion or a cable. Nevertheless, these too
  • Embodiment both with the application of a tensile force and / or a Hot air cushion can be combined, wherein the hot air cushion can also be present on both sides of the sheet steel web.
  • Furnace area can cool the steel sheet to such a temperature, the cooling rate of less than 25 K / sec process reliable
  • Soft ferrite / pearlite microstructure is formed, which makes it possible to later trim the individual blanks in the stamping process.
  • the device further comprises a
  • Feeding device for feeding the steel sheet web to the furnace and a take-off device for removing the steel sheet web from the furnace.
  • Steel sheet are applied so that they do not sag too much in a substantially horizontal furnace assembly and the tensile force does not exceed the tensile strength of a rope line.
  • the feed device has a first reel and the take-off device has a second reel.
  • a coil can be clamped as a standard delivery form of steel strip on the first reel.
  • the second reel can rewind the pre-treated sheet steel strip as a coil.
  • the second reel can also be omitted if the pretreated
  • Sheet steel strip immediately further processed, for example, fed to a punching device to be.
  • the low dew point furnace can be operated from -70 ° C to + 10 ° C, especially from about + 5 ° C to + 10 ° C.
  • Fig. 1 shows a device according to the invention in horizontal design
  • Fig. 2 shows a device according to the invention in vertical design
  • Fig. 1 shows a device according to the invention in horizontal design.
  • the device has a first reel 210 with a first Stahlblechcoil 310 located thereon.
  • the first steel sheet coil 310 consists of a
  • the furnace 100 has a first furnace area 110, which is heated to a temperature at which the Al-Si of the coating diffuses into the surface of the sheet-steel web 300. At the same time, iron diffuses from the steel sheet substrate into the Al-Si. The result is a high-melting aluminum-silicon-iron alloy at the
  • Other support or guide elements such as rollers or the like, are not required. As a result, no damaging reaction of molten Al-Si with these support and / or guide elements take place.
  • the heaters 160 are gas burners. But there are also conceivable, for example, electric infrared heaters or hot air heaters. The length of the first
  • Furnace area is dependent on the execution speed of
  • Sheet steel 300 sized so that the sheet steel web on the
  • a second furnace region 120 follows the first furnace region 1 10. The temperature control in the second furnace region 120 and length of the second furnace region 120 are dimensioned so that the steel sheet at a cooling rate of less than 25 K / sec in the temperature range of ferrite - / Perlitge Suite is cooled so that then a board can be punched out of the sheet steel web.
  • the second furnace area 120 is followed by a take-off device with a second reel 220.
  • the second reel 220 also rotates in the
  • a take-off device may further include guide rollers (not shown) adjacent to the second reel 220.
  • Fig. 2 shows a device according to the invention in vertical design.
  • the furnace 100 is designed as a tower in a substantially vertical direction.
  • the steel sheet 300 is passed from top to bottom through the furnace 100. Due to the vertical construction, no measures such as the provision of hot air cushions or cable pull devices are required in order to guide the sheet steel web without contact through the furnace 100.
  • the implementation direction from top to bottom facilitates the temperature control in the oven, since the cooler second furnace area 120 is below the heated to diffusion temperature first furnace area 1 10. Since a hot air cushion 165 is not needed, are to homogeneous
  • Feed and discharge device for the sheet steel strip 300 are constructed analogously to the horizontal embodiment.
  • the embodiments shown herein are only examples of the present invention and therefore should not be considered as limiting.
  • Alternative embodiments contemplated by one skilled in the art are

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Abstract

Die Erfindung betriffteine Vorrichtung und ein Verfahren zum Eindiffundieren von Al-Si in eine Oberfläche einer Al-Si-beschichteten Stahlblechbahn. Zunächst wird die Stahlblechbahn einem auf Diffusionstemperatur aufheizbaren Ofen zugeführt und anschließend durch den auf Diffusionstemperatur aufgeheizten Ofen berührungslos hindurchgeführt. Dabei wird die Stahlblechbahn auf Diffusionstemperatur aufgeheizt, wobei Al-Si in eine Oberfläche der Stahlblechbahn eindiffundiert. Anschließend wird die Stahlblechbahn mit in eine Oberfläche eindiffundiertem Al-Si mit einer Geschwindigkeit von weniger als circa 25K/sec abgekühlt.

Description

Eindiffundieren von Aluminium-Silizium in eine Stahlblechbahn
Beschreibung:
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Eindiffundieren von Aluminium-Silizium (Al-Si) in eine Oberfläche einer Al-Si-beschichteten
Stahlblechbahn, bei der sich durch die Eindiffundierung eine hochschmelzende Aluminium-Silizium-Eisen-Legierung bildet.
In der Technik besteht bei vielen Anwendungsfällen in unterschiedlichen Branchen der Wunsch nach hochfesten Metallblechteilen bei geringem Teilegewicht.
Beispielsweise ist es in der Fahrzeugindustrie das Bestreben, den
Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen zu reduzieren und den CO2-Ausstoß zu senken, dabei aber gleichzeitig die Insassensicherheit zu erhöhen. Es besteht daher ein stark zunehmender Bedarf an Karosseriebauteilen mit einem günstigen
Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Zu diesen Bauteilen gehören insbesondere A- und B-Säulen, Seitenaufprallschutzträger in Türen, Schweller, Rahmenteile,
Stoßstangenfänger, Querträger für Boden und Dach, vordere und hintere
Längsträger. Bei modernen Kraftfahrzeugen besteht die Rohkarosse mit einem Sicherheitskäfig üblicherweise aus einem gehärteten Stahlblech mit ca. 1 .500MPa Festigkeit.
Dies wird üblicherweise durch den Prozess des sogenannten Presshärtens erreicht. Dabei wird ein Stahlblechteil auf etwa 800 - 1000°C erwärmt und anschließend in einem gekühlten Werkzeug verformt und abgeschreckt. Die Festigkeit des Bauteils nimmt dadurch bis auf etwa das Dreifache zu.
Aus Gründen der Prozesssicherheit und der Wirtschaftlichkeit haben sich
Durchlauföfen für die Wärmebehandlung durchgesetzt. Dabei werden die zu behandelnden Metallteile kontinuierlich durch den Ofen hindurchgefördert. Alternativ können auch Kammeröfen eingesetzt werden, in denen die Metallteile chargenweise in eine Kammer verbracht, dort erwärmt und anschließend wieder entnommen werden.
Beim Presshärten unterscheidet man grundsätzlich das direkte und das indirekte Verfahren.
Beim indirekten Verfahren wird eine Platine aus einem Stahlblechband
herausgestanzt, kalt verformt und das so vorgeformte Bauteil der Wärmebehandlung zugeführt. Nach der Wärmebehandlung wird das heiße Bauteil der Presse zugeführt in einem indirekt gekühlten Werkzeug pressgehärtet. Anschließend werden die Bauteile noch einmal getrimmt und zur Entfernung eventuell vorhandener
Verzunderungen gesandstrahlt.
Beim direkten Verfahren wird ebenfalls eine Platine aus einem Stahlblechband herausgestanzt, allerdings findet hier keine Vorverformung statt, sondern die Platine wird direkt dem Ofen zugeführt. Nach der Wärmebehandlung wird die heiße Platine der Presse zugeführt und in einem indirekt wassergekühlten Werkzeug verformt und gleichzeitig pressgehärtet. Anschließend werden die geformten Bauteile noch einmal erforderlichenfalls getrimmt.
Für beide Verfahren haben sich aus Gründen der Prozesssicherheit und der
Wirtschaftlichkeit sogenannte Rollenherdöfen durchgesetzt. Als eine alternative Ofenbauform kann beispielsweise der Hubbalkenofen genannt werden, bei dem die Metallteile mittels Hubbalken durch den Ofen transportiert werden. Auch
Mehrlagenkammeröfen finden zunehmend Bedeutung.
Da die Bauteile beim indirekten Prozess vorgeformt sind, müssen sie auf Grund ihrer komplexen Form auf Warenträgern durch den Ofen gefördert bzw. in die
Ofenkammer verbracht werden. Weiterhin sind Durchlauföfen für dieses Verfahren üblicherweise mit Ein- und Auslaufschleusen ausgerüstet, da beim indirekten
Verfahren unbeschichtete Bauteile wärmebehandelt werden müssen. Um eine Verzunderung der Bauteiloberfläche zu vermeiden, muss ein solcher Ofen mit Schutzgas betrieben werden. Diese Ein- und Auslaufschleusen dienen zur
Vermeidung des Lufteintrittes in den Ofen. Kammeröfen für dieses Verfahren können ebenfalls mit einer Schleuse ausgerüstet sein. Es ist bei dieser Ofenbauform aber auch möglich, die Atmosphäre in der Ofenkammer für jeden Zyklus auszutauschen. Durchlauföfen für dieses Verfahren müssen mit einem Warenträger- Rückfördersystem ausgestattet werden, um den Kreislauf der Warenträger zu gewährleisten. In diesen Öfen werden keramische Förderrollen eingesetzt. Nur die Ein- und Auslauftische sowie der Warenträgerrückförderer sind mit metallischen Förderrollen ausgestattet.
Bei Durchlauföfen für das direkte Verfahren entfällt der Einsatz von Warenträgern. Daher ist die Konstruktion etwas einfacher als die der Durchlauföfen für den indirekten Prozess. Statt mittels Warenträger befördert zu werden, werden die Platinen beim direkten Verfahren unmittelbar auf keramische Förderrollen aufgelegt und durch den Ofen gefördert. Diese Öfen können mit und ohne Schutzgas betrieben werden. Auch hier ist das Ofengehäuse serienmäßig gasdicht geschweißt. Ein weiterer Vorteil dieser Bauart ist in dem positiven Effekt der Förderrolle auf die gleichmäßige Erwärmung der zu behandelnden Metallteile zu sehen: Die durch die Ofenheizung mit aufgewärmten ortsfesten Rollen erwärmen über Strahlung und Wärmeleitung das auf ihnen transportierte und daher mit ihnen in Kontakt stehende Metallteil zusätzlich auf. Darüber hinaus sind diese Öfen mit einem deutlich niedrigeren Energieeinsatz zu betreiben, da es keine Warenträger gibt, die auf dem Rücktransport nach dem Ofendurchlauf auskühlen können und daher im Ofen bei einem erneuten Durchlauf wieder mit aufgeheizt werden müssen. Das direkte Verfahren wird daher mit der Verwendung von Durchlauföfen bevorzugt verwendet.
Die im Fahrzeugbau verwendeten Bleche sollen möglichst nicht rosten. Auch soll eine Verzunderung während des Bearbeitungsprozesses vermieden werden, da solche Verzunderungen zur Weiterverarbeitung, spätestens vor dem Schweiß- oder Lackierprozess, aufwändig und kostspielig entfernt werden müssen. Da
unbehandelte Stahlbleche aber bei den beim Presshärten erforderlichen hohen Temperaturen unter Anwesenheit von Sauerstoff unweigerlich verzundern würden, ist es üblich, beschichtete Bleche zu verwenden und / oder den
Wärmebehandlungsprozess bei Abwesenheit von Sauerstoff durchzuführen. Üblicherweise werden für pressgehärtete Bauteile für die Automobilindusthe
Aluminium-Silizium-(AI-Si-)beschichtete Bleche verwendet. Die Beschichtung verhindert das Rosten der Bleche, ebenso wie ein Verzundern der heißen Bleche auf dem Transfer von dem Ofen zur Presse. Das Al-Si des Überzugs diffundiert bei der Aufheizung der Platine auf Härtetemperatur in die Stahloberfläche und schütz den Grundwerkstoff gegen Verzunderung. Als Grundwerkstoff kommen neuerdings borlegierte Vergütungsstähle, wie beispielsweise 22MnB5 (Werkstoffnummer 1 .5528) oder 30MnB5 (Werkstoffnummer 1 .5531 ), zum Einsatz.
Ein großer Nachteil des direkten Presshärtens in den oben beschriebenen
Rollenherdöfen liegt darin begründet, dass Al-Si-beschichtete Platinen direkt auf die keramischen Förderrollen aufgelegt werden, und es dadurch zu starken thermo- chemischen Reaktionen zwischen der Al-Si-Beschichtung und den keramischen Rollen kommt. Ein weiterer großer Nachteil des beschriebenen Verfahrens liegt in der Zykluszeit, da die überwiegende Ofenzeit dazu gebraucht wird, das Al-Si auf der Oberfläche zu schmelzen und in die Substratoberfläche zu diffundieren, damit die gewünschten Schweiß-, Korrosions- und Lackhafteigenschaften erreicht werden.
Bei den derzeit in Rollenherdöfen im Einsatz befindlichen Rollen handelt es sich um Hohlrollen aus dem Werkstoff Sinter-Mullit (3AI203*2Si02) und Vollrollen aus
Quarzgut. Die Quarzgut-Rollen bestehen zu über 99 % aus S1O2 und haben eine Anwendungsgrenze von ca. 1 100°C mit dem Nachteil, dass sie sich bei ca. 700°C bis 800°C durch das Eigengewicht verbiegen. Rollen aus Sinter-Mullit können belastet bis 1350°C eingesetzt werden, ohne dass es zu signifikanten Verbiegungen kommt. Der große Vorteil beider Werkstoffe ist die hohe
Temperaturwechselbeständigkeit. Allerdings haben beide Werkstoffe eine sehr hohe Affinität, mit geschmolzenem Aluminium zu unterschiedlichen Aluminium-Silikat oder gar Silizid-Verbindungen zu reagieren. Durch die Al-Si-Beschichtung kommt es während der Erwärmung auf die zur Diffusion erforderlichen circa 930°C zu einem Durchschreiten einer schmelzflüssigen Phase der Beschichtung bei circa 670°C. Die kurzzeitige Schmelze der Beschichtung hat sich als sehr aggressiv auf die Ofenrollen herausgestellt und zerstört diese unter ungünstigen Umständen innerhalb weniger Tage. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei dem Aluminium-Silizium in eine Oberfläche einer Stahlblechbahn eindiffundierbar ist und wobei aus der so behandelten Stahlblechbahn ein im Presshärteverfahren formgehärtetes Stahlblechbauteil herstellbar ist, wobei die beschriebenen Nachteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 8. Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchenl O bis 16.
Das Erfindungsgemäße Verfahren zum Eindiffundieren von Al-Si in eine Oberfläche einer Al-Si-beschichteten Stahlblechbahn zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus:
Zunächst wird die Stahlblechbahn einem auf Diffusionstemperatur aufheizbaren Ofen zugeführt und anschließend durch den auf Diffusionstemperatur aufgeheizten Ofen berührungslos hindurchgeführt. Dabei wird die Stahlblechbahn auf
Diffusionstemperatur aufgeheizt, wobei Al-Si in eine Oberfläche der Stahlblechbahn eindiffundiert. Gleichzeitig diffundiert auch Eisen aus dem Stahlblechsubstrat in die Al-Si-Schicht auf der Oberfläche der Stahlblechbahn ein. Es entsteht eine
hochschmelzende Aluminium-Silizium-Eisen-Legierung an der Oberfläche der Stahlblechbahn. Anschließend wird die Stahlblechbahn mit einer Geschwindigkeit von weniger als circa 25K/sec abgekühlt, so dass ein Ferrit-/Perlitgefüge entsteht. Dabei entsteht eine behandelte Stahlblechbahn, aus der in einem späteren
Prozessschritt ein mittels Presshärteverfahren formgehärtetes Stahlblechbauteil herstellbar ist. Beispielsweise kann in einem Stanzverfahren zunächst eine
Stahlblechplatine aus der behandelten weichen Stahlblechbahn geschnitten werden, die dann für das Presshärteverfahren beispielsweise in einem üblichen
Rollenherdofen auf Martensitbildungstemperatur aufgeheizt werden kann, ohne dass es zu einer flüssigen Phase des Al-Si und damit zu einer die Rollen des
Rollenherdofens schädigenden Reaktion kommt. In einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird Al-Si in beide
Oberflächen einer beidseitig mit Al-Si beschichteten Stahblechbahn eindiffundiert.
Vorteilhafterweise wird die Stahlblechbahn direkt von einem ersten Stahlblechcoil entnommen. Dabei entspricht die Coilform der üblichen Lieferform von
Stahlblechbahnen.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Stahlblechbahn nach der Durchführung durch den Ofen und langsamen Abkühlen auf eine Temperatur, bei der sich weiches Ferrit-/Perlit-Gefüge bildet, zu einem zweiten Stahlblechcoil
aufgewickelt wird. Durch die Aufwicklung lässt sich das Eindiffundieren des Al-Si von dem nächsten Prozessschritt, beispielsweise dem Ausstanzen von Platinen, entkoppeln, so dass Zykluszeiten nicht aufeinander abgestimmt werden müssen. Die in dem erfinderischen Verfahren vorbehandelte Stahlblechbahn kann aber alternativ auch sogleich weiterverarbeitet werden, wobei die Aufwicklung zu einem zweiten Stahlblechcoil entfallen kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird die Stahlblechbahn in einem ersten Ofenteil auf Diffusionstemperatur aufgeheizt. Nach Erreichen der
erforderlichen Diffusionszeit und einem eventuellen Schlussglühen zum Erreichen bestimmter gewünschter physikalischer Parameter wird die Stahlblechbahn in einem zweiten Ofenteil desselben Ofens nach dem Eindiffundieren des Al-Si in eine
Oberfläche der Stahlblechbahn auf eine Temperatur abgekühlt, bei der sich Ferrit- /Perlitgefüge bildet. Dabei beträgt die Abkühlgeschwindigkeit weniger als 25K/sec. Somit wird ein späteres Zuschneiden der Einzelplatinen im Stanzverfahren möglich. Zum besseren Handling kann die Stahlblechbahn anschließend schnell auf eine Handlingstemperatur weiter abgekühlt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Stahlblechbahn auf einem Heißluftkissen berührungsfrei durch den Ofen geführt. Dabei kann die Heißluft ebenfalls Diffusionstemperatur aufweisen, so dass Al-Si in beide Oberflächen der Stahlblechbahn eindiffundiert wird. Auf dem Heißluftkissen schwebt die
Stahlblechbahn dabei berührungslos durch den Ofen, so dass keine schädigende Reaktion des aufgeschmolzenen Al-Si mit Trageinrichtungen, wie beispielsweise Rollen oder Hubbalken, stattfinden kann.
In einer alternativen Ausführungsform wird die Stahlblechbahn mittels Aufbringens einer Zugkraft durch den Ofen geführt. Die Zugkraft kann dabei über das
Abzugsmittel, beispielsweise eine angetriebene zweite Haspel, auf der die
behandelte Stahlblechbahn zu einem Coil aufgewickelt werden kann, in Verbindung mit einer gebremsten ersten Haspel, von der die unbehandelte Al-Si-beschichte Stahlblechbahn von einem Coil abgewickelt wird, aufgebracht werden. Die
Stahlblechbahn folgt dabei einer Seillinie durch den Ofen, wobei sie beispielsweise zwischen dem Abwickelpunkt von der ersten Haspel und dem Aufwickelpunkt auf der zweiten Haspel in Abhängigkeit von der aufgebrachten Zugkraft und dem Abstand des Abwickel- von dem Aufwickel punkt durchhängt. Dabei kann auf die Vorrichtung zur Erzeugung eines Heißluftkissens verzichtet werden. Dieses Seilzugverfahren kann aber auch mit dem Heißluftkissen kombiniert werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn beispielsweise aus Gründen des schnelleren Durchfahrens des Ofens bei gleichzeitiger Konstanthaltung der Diffusionszeit und einer eventuellen Schlussglühzeit und der langsamen Abkühlung mit einer Abkühlgeschwindigkeit von unter 25K/sec auf eine Temperatur, bei der sich Ferrit-/Perlitgefüge bildet, die
Ofenlänge länger gewählt wird. Bei einer größeren Ofenlänge muss die auf die Stahlblechbahn aufgebrachte Zugkraft vergrößert werden. Bei der Kombination mit dem Heißluftkissen kann die Zugkraft hingegen verringert werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Ofen im
Wesentlichen vertikal angeordnet. Dabei wird die Stahlblechbahn vorteilhafterweise von oben nach unten durch den Ofen geführt. Diese Durchführungsrichtung weist Vorteile bezüglich der Temperaturführung auf, da der erste Ofenbereich mit der höheren Diffusionstemperatur auf diese Weise oberhalb des zweiten Ofenbereichs mit der niedrigeren Temperatur, bei der sich ein ferritisches/perlitsches Gefüge bildet, angeordnet ist. Es ist aber auch möglich, die Durchführungsrichtung der
Stahlblechbahn von unten nach oben zu wählen.
Die erfinderische Vorrichtung zum Eindiffundieren von Al-Si in eine Oberfläche einer Al-Si-beschichteten Stahlblechbahn ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Ofen aufweist, wobei der Ofen einen auf Diffusionstemperatur aufheizbaren ersten Bereich aufweist, wobei die Al-Si-beschichteten Stahlblechbahn berührungslos durch den Ofen hindurchführbar ist. Aus der so behandelten
Stahlblechbahn ist ein im Presshärteverfahren formgehärtetes Stahlblechbauteil herstellbar.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Ofen eine Vorrichtung zur
Erzeugung eines Heißluftkissens auf, auf dem die Stahlblechbahn berührungslos durch den Ofen hindurchführbar ist. Dabei kann die Heißluft ebenfalls
Diffusionstemperatur aufweisen, so dass Al-Si in beide Oberflächen der
Stahlblechbahn eindiffundierbar ist. Auf dem Heißluftkissen schwebt die
Stahlblechbahn dabei berührungslos durch den Ofen, so dass keine schädigende Reaktion von aufgeschmolzenem Al-Si an Trageinrichtungen, wie beispielsweise Rollen oder Hubbalken, stattfinden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der Ofen als Vorrichtung zur Erzeugung eines Heißluftkissens eine Heißluftdüse auf.
In einer alternativen Ausführungsform weist der Ofen eine Vorrichtung zur
Aufbringung einer Zugkraft auf die Stahlblechbahn zum berührungslosen
Hindurchführen der Stahlblechbahn durch den Ofen auf. Dabei wird die
Stahlblechbahn so unter Spannung gehalten, dass sie zumindest nicht soweit durchhängt, dass sie den Ofen berührt. Der Seilzug kann aber auch mit dem
Heißluftkissen kombiniert werden. Dies ist besonders dann von Vorteil, wenn der Ofen zu lang ist, so dass die Stahlblechbahn trotz der aufgebrachten Zugkraft zu weit durchhängen würde. Dabei kann bei der Kombination von Heißluftkissen und Seilzug die Zugkraft auch verringert werden, so dass keine oder nur geringe Spannungen in die Stahlblechbahn eingebracht werden.
In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der Ofen im
Wesentlichen vertikal angeordnet. Dabei ist die Al-Si-beschichtete Stahlblechbahn berührungslos von oben nach unten durch den Ofen hindurchführbar, ohne dass es eines Heißluftkissens oder eines Seilzugs bedarf. Trotzdem kann auch diese
Ausführungsform sowohl mit dem Aufbringen einer Zugkraft und/oder einem Heißluftkissen kombiniert werden, wobei das Heißluftkissen auch beidseitig der Stahlblechbahn vorliegen kann.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn der Ofen weiterhin einen in Durchführungsrichtung der Stahlblechbahn hinter dem ersten Ofenbereich
angeordneten zweiten Ofenbereich aufweist, wobei die Stahlblechbahn während des Hindurchführens durch den zweiten Ofenbereich mit einer Geschwindigkeit von weniger als 25K/sec auf eine Temperatur abkühlbar ist, bei der sich weiches ferritsches / perlitisches Gefüge bildet. Durch das Vorsehen des zweiten
Ofenbereichs lässt sich die Stahlblechbahn auf eine solche Temperatur abkühlen, wobei die Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 25 K/sec prozesssicher
eingehalten werden kann. Dabei bildet sich weiches Ferrit/Perl itgefüge, womit ein späteres Zuschneiden der Einzelplatinen im Stanzverfahren möglich wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist die Vorrichtung weiterhin eine
Zuführungseinrichtung zum Zuführen der Stahlblechbahn zu dem Ofen und eine Abzugsvorrichtung zum Abziehen der Stahlblechbahn aus dem Ofen auf. Dabei kann von der Zuführungs- und der Abzugsvorrichtung eine Spannung auf die
Stahlblechbahn aufgebracht werden, so dass sie bei im Wesentlichen waagerechter Ofenanordnung nicht zu sehr durchhängt sowie die Zugkraft die Reißfestigkeit einer Seillinie folgend nicht überschreitet.
Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Zuführungseinrichtung eine erste Haspel und die Abzugsvorrichtung eine zweite Haspel aufweist. Dabei kann ein Coil als übliche Lieferform von Stahlblechbändern auf die erste Haspel aufgespannt werden. Die zweite Haspel kann das vorbehandelte Stahlblechband wieder als Coil aufwickeln. Die zweite Haspel kann auch entfallen, wenn das vorbehandelte
Stahlblechband sogleich weiterverarbeitet, beispielsweise einer Stanzvorrichtung zugeführt, werden soll. Um diffusible Wasserstoffbildung zu minimieren, kann der Ofen mit niedrigem Taupunkt von -70°C bis +10°C, insbesondere von circa +5°C bis +10°C betrieben werden. Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Waagerechtausführung
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Vertikalausführung
Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Waagerechtausführung. Die Vorrichtung weist eine erste Haspel 210 mit einem sich darauf befindlichen ersten Stahlblechcoil 310 auf. Das erste Stahlblechcoil 310 besteht aus einer
aufgewickelten Al-Si-beschichteten Stahlblechbahn 300 in Bandform. Durch Drehen der ersten Haspel 210 im Uhrzeigersinn wird das Stahlband 300 abgewickelt und dem Ofen 100 zugeführt. Dabei kann eine Zuführungseinrichtung neben der ersten Haspel 210 weiterhin Führungsrollen (nicht gezeigt) aufweisen. Der Ofen 100 weist einen ersten Ofenbereich 1 10 auf, der auf eine Temperatur aufgeheizt ist, bei der das Al-Si der Beschichtung in die Oberfläche der Stahlblechbahn 300 eindiffundiert. Gleichzeitig diffundiert aus Eisen aus dem Stahlblechsubstrat in das Al-Si. Es entsteht eine hochschmelzende Aluminium-Silizium-Eisen-Legierung an der
Oberfläche der Stahlblechbahn. Dabei geschieht die Aufheizung des Ofens über die Heizungen 150 und ein Heißluftkissen 165, das über Heißluftdüsen 160 unter der Stahlblechbahn erzeugt wird. Die Stahlblechbahn 300 schwebt auf dem
Heißluftkissen 165 durch den Ofen 100, ohne diesen zu berühren. Weitere Tragoder Führungselemente, wie beispielsweise Rollen oder dergleichen, sind nicht erforderlich. Dadurch kann keine schädigende Reaktion von aufgeschmolzenem Al- Si mit diesen Trag- und/oder Führungselementen stattfinden. Bei den Heizungen 160 handelt es sich um Gasbrenner. Es sind aber auch beispielsweise elektrische Infrarotheizungen oder Heißluftheizungen denkbar. Die Länge des ersten
Ofenbereichs ist in Abhängigkeit der Durchführungsgeschwindigkeit der
Stahlblechbahn 300 so bemessen, dass die Stahlblechbahn auf die
Diffusionstemperatur von beispielsweise 930 °C bis 950 °C aufgeheizt wird und die erforderliche Diffusionszeit auf dieser Temperatur verbleibt. Ebenfalls ist eine eventuelle Schlussglühzeit bei der Längenbemessung des ersten Ofenbereichs 1 10 berücksichtigt. In Durchführungsrichtung der Stahlblechbahn folgt ein zweiter Ofenbereich 120 dem ersten Ofenbereich 1 10. Die Temperaturführung in dem zweiten Ofenbereich 120 und Länge des zweiten Ofenbereichs 120 sind so bemessen, dass die Stahlblechbahn mit einer Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 25 K/sec in den Temperaturbereich von Ferrit-/Perlitgefüge abgekühlt wird, damit anschließend eine Platine aus der Stahlblechbahn ausgestanzt werden kann.
An den zweiten Ofenbereich 120 schließt sich eine Abzugsvorrichtung mit einer zweiten Haspel 220 an. Die zweiten Haspel 220 dreht sich ebenfalls im
Uhrzeigersinn, wodurch die vorbehandelte Stahlblechbahn wieder zu einem zweiten Coil 320 aufgewickelt wird. Eine Abzugsvorrichtung kann neben der zweiten Haspel 220 weiterhin Führungsrollen (nicht gezeigt) aufweisen.
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in Vertikalausführung. Der Ofen 100 ist als Turm in im Wesentlichen vertikaler Richtung ausgeführt. Die Stahlblechbahn 300 wird von oben nach unten durch den Ofen 100 hindurchgeführt. Durch die vertikale Bauweise sind keine Maßnahmen wie das Vorsehen von Heißluftkissen oder Seilzugvorrichtungen erforderlich, um die Stahlblechbahn berührungslos durch den Ofen 100 hindurch zu führen. Die Durchführungsrichtung von oben nach unten erleichtert die Temperaturführung im Ofen, da sich der kühlere zweite Ofenbereich 120 unterhalb des auf Diffusionstemperatur aufgeheizten ersten Ofenbereichs 1 10 befindet. Da ein Heißluftkissen 165 nicht benötigt wird, sind zur homogenen
Aufheizung beider Oberflächen des Stahlblechbands 300 auf beiden Seiten des Ofens 100 Heizungen 150 vorgesehen. Diese können wie im Fall der waagerechten Anordnung beispielsweise als Gasbrenner oder als Heißluftheizungen oder beispielsweise elektrische Strahlungsheizungen ausgeführt werden.
Zuführungs- und Abzugseinrichtung für das Stahlblechband 300 sind analog der waagerechten Ausführungsform aufgebaut. Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind
gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.
Bezugszeichenliste:
100 Ofen
1 10 erster Ofenbereich
120 zweiter Ofenbereich
150 Heizung
160 Heißluftdüse
165 Heißluftkissen
210 erste Haspel
220 zweite Haspel
300 Stahlblechbahn
310 erstes Stahlblechcoil
320 zweites Stahlblechcoil

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zum Eindiffundieren von Al-Si in eine Oberfläche einer Al-Si- beschichteten Stahlblechbahn (300), wobei aus der behandelte Stahlblechbahn (300) ein im Presshärteverfahren formgehärtete Stahlblechbauteil herstellbar ist,
g e k e n n z e i c h n e t d u r c h d i e S c h r i t t e ,
a. Zuführen der Stahlblechbahn (300) zu einem auf Diffusionstemperatur aufheizbaren Ofen (100);
b. Berührungsloses Durchführen der Al-Si-beschichteten Stahlblechbahn (300) durch den auf Diffusionstemperatur aufgeheizten Ofen (100), dabei Aufheizen der Stahlblechbahn (300) auf Diffusionstemperatur und Eindiffundieren des Al-Si in eine Oberfläche der Stahlblechbahn (300);
c. Abkühlen der Stahlblechbahn (300) mit in eine Oberfläche
eindiffundiertem Al-Si mit einer Geschwindigkeit von weniger als circa 25K/sec auf unter Martensitbildungstemperatur.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Stahlblechbahn (300) beidseitig mit Al-Si beschichtet ist und Al-Si in beide Oberflächen eindiffundiert.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Stahlblechbahn (300) von einem ersten Stahlblechcoil (310) entnommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Stahlblechbahn (300) nach der Durchführung durch den Ofen (100) und Abkühlen in den Temperaturbereich von Ferrit-/Perlitgefüge zu einem zweiten Stahlblechcoil (320) aufgewickelt wird. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Stahlblechbahn (300) in einem ersten Ofenteil (110) auf
Diffusionstemperatur aufgeheizt wird und in einem zweiten Ofenteil (120) desselben Ofens nach dem Eindiffundieren des Al-Si in eine Oberfläche der Stahlblechbahn (300) mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von weniger als 25K/sec in den Temperaturbereich von Ferrit-/Perlitgefüge abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Stahlblechbahn (300) auf einem Heißluftkissen (165) berührungsfrei durch den Ofen (100) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Stahlblechbahn (300) mittels Aufbringens einer Zugkraft durch den Ofen (100) geführt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Ofen(100) im Wesentlichen vertikal angeordnet ist und die
Stahlblechbahn (300) von oben nach unten durch den Ofen (100) geführt wird.
Vorrichtung zum Eindiffundieren von Al-Si in eine Oberfläche einer Al-Si- beschichteten Stahlblechbahn (300), wobei aus der behandelte Stahlblechbahn (300) eine im Presshärteverfahren form- und härtbare Stahlblechplatine herstellbar ist,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Vorrichtung einen Ofen (100) aufweist, wobei der Ofen (100) einen auf Diffusionstemperatur aufheizbaren ersten Bereich (110) aufweist, wobei die Al- Si-beschichteten Stahlblechbahn (300) berührungslos durch den Ofen (100) hindurchführbar ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Ofen (100) eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Heißluftkissens (165) aufweist, auf dem die Stahlblechbahn (300) berührungslos durch den Ofen (100) hindurchführbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Ofen (100) eine Heißluftdüse 160 zur Erzeugung eines Heißluftkissens (165) aufweist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Ofen (100) eine Vorrichtung zur Aufbringung einer Zugkraft auf die Stahlblechbahn (300) zum berührungslosen Hindurchführen der Stahlblechbahn (300) durch den Ofen (100) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Ofen (100) im Wesentlichen vertikal angeordnet ist, wobei die Al-Si- beschichtete Stahlblechbahn (300) berührungslos von oben nach unten hindurchführbar ist
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass der Ofen (100) weiterhin einen in Durchführungsrichtung der
Stahlblechbahn (300) hinter dem ersten Ofenbereich (110) angeordneten zweiten Ofenbereich (120) aufweist, wobei die Stahlblechbahn (100) während des Hindurchführens durch den zweiten Ofenbereich (120) mit einer
Geschwindigkeit von weniger als 25K/sec in den Temperaturbereich von Ferrit- /Perlitgefüge abkühlbar ist.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Vorrichtung weiterhin eine Zuführungseinrichtung zum Zuführen der Stahlblechbahn (300) zu dem Ofen (100) und eine Abzugsvorrichtung (220) zum Abziehen der Stahlblechbahn (300) aus dem Ofen (100) aufweist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t,
dass die Zuführungseinrichtung eine erste Haspel (210) und die
Abzugsvorrichtung (220) eine zweite Haspel (220) aufweist.
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