EP3184655A1

EP3184655A1 - Wärmebehandlungsofen sowie verfahren zur wärmebehandlung einer vorbeschichteten stahlblechplatine und verfahren zur herstellung eines kraftfahrzeugbauteils

Info

Publication number: EP3184655A1
Application number: EP16205353.2A
Authority: EP
Inventors: Georg Frost; Markus Kettler; Karsten Bake
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2016-12-20
Publication date: 2017-06-28

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmebehandlungsofen sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer Stahlblechplatine gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 sowie Patentanspruch 7. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Kraftfahrzeugbauteils (26) gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 14.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmebehandlungsofen gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Wärmebehandeln einer beschichteten Stahlplatine gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 14.
Aus dem Stand der Technik ist die Warmumform- und Presshärtetechnologie bekannt. Hierbei wird eine Blechplatine aus einer härtbaren Stahllegierung auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt, was zumeist mehr als 900°C entspricht. Die auf dieser Temperatur befindliche Stahlblechplatine wird dann in ein Warmumformwerkzeug eingelegt und in diesem warmen Zustand umgeformt. Ist die Formgebung abgeschlossen, wird das umgeformte Stahlblechprodukt in dem Warmumformwerkzeug gehalten oder in ein separates Presshärtewerkzeug überführt und derart rasch abgekühlt, dass eine Härtung des Werkstoffgefüges einsetzt.
Nachteilig hierbei ist, dass das so hergestellte Stahlblechprodukt zwar zumindest partiell eine hohe Härte aufweist gegenüber Korrosion jedoch anfällig ist. Da diese Bauteile gerade im Karosseriebau von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ist eine entsprechend Korrosionsschutzmaßnahme zu treffen. Die hergestellten Bauteile werden beispielsweise in einem KTL-Verfahren mit einer Korrosionsschutzschicht versehen.
Es ist jedoch auch bekannt, vorbeschichtete Stahlblechplatinen bereitzustellen, die beispielsweise eine Aluminiumsiliziumbeschichtung (Al-Si) aufweisen. Diese werden derart thermisch behandelt, dass ein Durchlegieren der Vorbeschichtung mit der Stahlblechplatine erfolgt und dadurch eine Korrosionsschutzschicht an dem hergestellten Bauteil hergestellt ist. Zugleich ist die Vorbeschichtung auch als Zunderschutz vorgesehen.
Nachteilig dabei ist, dass es bei der dem Warmumformen vorgeschalteten Erwärmung der vorbeschichteten Platine gerade bei Blechplatinen mit geringer Wandstärke und/oder partiell abgewalzten Blechplatine zu einer wasserstoffinduzierten Spannungsrissbildung kommen kann. Diese ist auch als Wasserstoffversprödung oder delayed cracking bekannt. Dies kann auch dazu führen, dass nach dem Warmumformen und Presshärten Risse auftreten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit aufzuzeigen, die auftretende Wasserstoffversprödung bei vorbeschichteten Stahlblechplatinen für einen nachgelagerten Warmumform- und Presshärteprozess möglichst zu vermeiden. Es können Stahlblechplatinen mit homogener Wandstärke verarbeitet werden, jedoch auch Stahlblechplatinen mit voneinander verschiedener Wandstärke verarbeitet werden.
Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Wärmebehandlungsofen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird weiterhin mit einem Verfahren zum Wärmebehandeln einer vorbeschichteten Stahlblechplatine gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 7 gelöst.
Der weitere verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird mit einem Verfahren zum Herstellen eines Kraftfahrzeugbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Die vorliegende Erfindung sieht vor, dass eine vorbeschichtete Stahlblechplatine zunächst vorerwärmt wird, danach mit der Vorbeschichtung durchlegiert wird und dann die mit der Beschichtung durchlegierte Platine gezielt abgekühlt wird. Erst im Anschluss daran erfolgt dann das eigentliche Erwärmen in Vorbereitung zum Warmumformen. Die Abkühlung erfolgt dabei nicht zu schnell, so dass die in der Platine vorhandenen diffusiblen Wasserstoffatome aus dem Material ausdiffundieren können. Es stellt sich ein Wasserstoffgehalt kleiner 0,5 ppm, bevorzugt kleiner 0,3 ppm ein.
Hierdurch ist es möglich, dass die nach diesem erfindungsgemäßen Konzept erwärmten und beschichteten Stahlblechplatinen einen deutlich reduzierten Wasserstoffgehalt aufweisen und somit die Gefahr von wasserstoffinduzierten Spannungsrissen nahezu vermieden ist. Durch ein anschließendes Erwärmen, insbesondere Schnellerwärmen der beschichteten Stahlblechplatine mithin Austenitisieren ist somit die Gefahr von wasserstoffinduzierten Spannungsrissen nahezu vermieden.
Der Wärmebehandlungsofen für beschichtete Stahlblechplatinen weist dazu mindestens eine Ofenkammer sowie ein Transportsystem zum Durchführen der Stahlblechplatinen durch die Ofenkammer auf. Er zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass eine Vorwärmkammer, eine Durchlegierungsstrecke und eine Abkühlkammer vorgesehen sind, wobei die vorbeschichtete Stahlblechplatine in der Vorwärmkammer auf eine Temperatur größer 200°C erwärmbar ist, in der Durchlegierungsstrecke auf eine Temperatur über AC3 erwärmbar ist und in der Abkühlkammer auf eine Temperatur kleiner 450°C gesteuert abkühlbar ist.
Bevorzugt ist dazu zumindest die Durchlegierungsstrecke als Durchlaufofen mit einer Ofenkammer ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsvariante sind jedoch auch die Vorwärmkammer als Vorwärmstrecke und die Abkühlkammer als Abkühlstrecke ebenfalls nach dem Prinzip eines Durchlaufofens ausgebildet.
Damit der Wärmebehandlungsofen in Bezug auf den benötigten Stellplatz in einer Montagehalle, jedoch auch unter energetischen Aspekten, jeweils wirtschaftlich zu betreiben ist, ist vorgesehen, dass die Vorwärmstrecke, die Durchlegierungsstrecke und die Abkühlstrecke in einem Durchlaufofen angeordnet sind, insbesondere parallel übereinander oder parallel nebeneinander.
Der erfindungsgemäße Wärmebehandlungsofen zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Durchlegierungsstrecke hauptsächlich bzw. primär von darin angeordneten Wärmequellen bzw. Heizquellen beheizt wird. Beispielsweise erfolgt die Erwärmung mittels Heizstrahlern, Heizkartuschen, Induktion, Konduktion, Brennererwärmung und/oder in ähnlicher Weise. So kann in der Durchlegierungsstrecke ein Luftumwälzer vorgesehen sein. Durch die parallele Anordnung von der Vorwärmstrecke sowie der Abkühlstrecke ist es möglich, dass die Wärmeenergie, insbesondere überschüssige Wärmeenergie, der Durchlegierungsstrecke auch genutzt wird in der Vorwärmstrecke bzw. Abkühlstrecke. Hierzu ist eine temperaturdurchlässige Trennschicht vorgesehen. Dies kann beispielsweise ein Lochblech sein oder eine andere insbesondere physische Trennschicht, die einen gezielt vorausgelegten bzw. regel- und/oder steuerbaren Temperaturdurchlass ermöglicht. Hiermit kann dann ein Teil der in der Durchlegierungsstrecke vorherrschenden Wärmeenergie in die Vorwärmstrecke bzw. Abkühlstrecke überführt werden. Ferner kann durch einen geringen Abstand von Abkühlstrecke und Vorwärmstrecke die Wärmestrahlung der abzukühlenden Stahlblechplatinen dazu genutzt werden, die in der Vorwärmstrecke transportierten Stahlblechplatinen zu erwärmen.
Am jeweiligen Ende des Wärmebehandlungsofens sind Manipulatoren vorgesehen, so dass das Durchlaufen der einzelnen Strecken des Wärmebehandlungsofens insbesondere im Gegenlaufprinzip bzw. Gegenstromprinzip erfolgen kann. Insbesondere bei auf die Vertikalrichtung bezogen übereinander angeordneten Strecken werden Vertikalförderer eingesetzt, bei auf die Vertikalrichtung bezogen nebeneinander angeordneten Strecken werden Horizontalförderer eingesetzt.
Im Rahmen der Erfindung ist unter Strecke die Durchlegierungsstrecke, die Abkühlstrecke sowie die Vorwärmstrecke zu verstehen.
Für die Abkühlkammer aber auch für die Vorwärmkammer können jedoch auch andere Bauarten eingesetzt werden. Beispielsweise kann als Vorwärmkammer ein Etagenofen aber auch ein Drehofen oder aber auch ein Paternostraofen, mithin ein Vertikalförderofen, eingesetzt werden.
Die Abkühlkammer kann auch in Etagenbauweise ausgebildet sein. Weiterhin besonders bevorzugt ist es bei einer separaten Anordnung von Vorwärmkammer und/oder Abkühlkammer gegenüber der Durchlegierungsstrecke, dass die Abluft aus der Durchlegierungsstrecke in die Vorwärmkammer bzw. Abkühlkammer geleitet wird.
Die vorliegende Erfindung zeichnet sich weiterhin durch ein Verfahren zum Wärmebehandeln einer beschichteten Stahlblechplatine aus, wobei eine vorbeschichtete Stahlblechplatine durchlegiert wird. Das Verfahren wird insbesondere in einem vorbeschriebenen Wärmebehandlungsofen durchgeführt. Es zeichnet sich durch folgende Verfahrensschritte aus:

Erwärmen der vorbeschichteten Stahlblechplatine von Raumtemperatur auf eine Vorwärmtemperatur oberhalb von 200°C,
Danach Erwärmen auf Durchlegierungstemperatur über AC3 Temperatur, so dass die Vorbeschichtung durchlegiert wird,
Danach Abkühlen der durchlegierten Stahlblechplatine auf eine Abkühltemperatur kleiner 450°C in einer Zeit größer 30 s, insbesondere größer 90 s,
Danach Lagern oder Weiterverarbeiten der abgekühlten Stahlblechplatine.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es somit insbesondere möglich, das Durchlegieren der Stahlblechplatine von dem eigentlichen Warmumform- und Presshärteprozess zu entkoppeln.
Insbesondere liegt diese Vorwärmtemperatur oberhalb von 250°C, insbesondere auf einer Temperatur zwischen 250°C und 450°C.
Danach wird die vorbeschichtete und vorerwärmte Stahlblechplatine von der Vorwärmtemperatur auf eine Temperatur (Durchlegierungstemperatur) oberhalb der AC3 Temperatur erwärmt und optional gehalten, so dass die Vorbeschichtung mit der Oberfläche der Stahlblechplatine vollständig durchlegiert. Hierbei erfolgt eine Durchlegierung der Vorbeschichtung, so dass eine intermetallische Phase mit der Stahlblechplatine ausgebildet wird.
Nach dem Durchlegieren wird erfindungsgemäß eine gezielte Abkühlung durchgeführt in einer Abkühlkammer und/oder Abkühlstrecke. Dies erfolgt derart, dass auf eine Abkühltemperatur kleiner 450°C, insbesondere zwischen 450°C und 300°C gezielt abgekühlt wird. Weiterhin besonders bevorzugt kann ein zweistufiges Abkühlen durchgeführt werden. Insbesondere wird somit zunächst langsam und kontrolliert abgekühlt auf eine Abkühltemperatur. Dies erfolgt langsamer als eine Abkühlung an Luft bei Raumtemperatur. Ist die Abkühltemperatur erreicht, kann ein weiteres aktives Schnellabkühlen stattfinden. Durch das langsame Abkühlen kann somit der Wasserstoff langsam ausdiffundieren. Durch die nachgelagerte schnelle Abkühlung wird ein Verzug der Platine vermieden.
Weiterhin kann durch in Transportrichtung zumindest abschnittsweises paralleles Übereinander oder Nebeneinanderliegen von Abkühlstrecke und Vorwärmstrecke die Wärmestrahlung der abzukühlenden Stahlblechplatinen dazu genutzt werden, die durch die Vorwärmstrecke transportierten Stahlblechplatinen mitzuerwärmen.
Weiterhin bevorzugt wird das Erwärmen auf Durchlegierungstemperatur mithin das Erwärmen zum Durchlegieren von der Vorwärmtemperatur zum Durchlegieren als Schnellerwärmung durchgeführt, mit einer Zeit kleiner 20 s/mm der Blechdicke der vorbeschichteten Stahlblechplatine. Insbesondere mit einer Zeit weniger als 10 s pro mm Blechdicke bevorzugt weniger als 5 s pro mm Blechdicke. Mithin wird von der Vorwärmtemperatur auf über AC3 Temperatur in der vorbeschriebenen Zeitspanne erwärmt. Ungerade von einem vollen Millimeter abweichende Blechdicken können entsprechend interpoliert werden.
Weiterhin besonders bevorzugt wird das Abkühlen von der Erwärmungstemperatur auf die Abkühltemperatur in einer Zeit größer 30 s pro mm Blechdicke der abzukühlenden Blechplatine durchgeführt.
Insbesondere kann somit eine Schichtdicke der Beschichtung kleiner 0,6 µm erzeugt werden, wobei die Schichtdicke bevorzugt größer 0,15 µm ist. Besonders bevorzugt wird eine Schichtdicke zwischen 10 µm und 35 µm erzeugt.
Alternativ oder ergänzend ist der Anteil atomaren Wasserstoffs kleiner 0,5 ppm, insbesondere kleiner 0,3 ppm. Insbesondere bezieht sich diese Angabe auf den Wasserstoffgehalt in dem Stahlwerkstoff der durchlegierten Stahlblechplatine. Es kann somit mit dem erfindungsgemäßen Verfahren eine mit einer Aluminium-Silizium-Legierung vorbeschichtete Stahlblechplatine aus einer härtbaren Stahllegierung wärmebehandelt werden, so dass sich zwischen Stahlblechplatine und Vorbeschichtung eine intermetallische Phase insbesondere mit Eisen-Aluminiumanteil bildet. Insbesondere wird das Verfahren zum Wärmebehandeln der beschichteten Blechplatine genutzt, um diese homogen wärmezubehandeln.
Die so homogen wärmebehandelte Stahlblechplatine kann dann in einem nachgelagerten Warmumform- und Presshärteprozess zu einem gehärteten Stahlbauteil, insbesondere zu einem Kraftfahrzeugbauteil verarbeitet werden. Insbesondere erfolgt die erneute Erwärmung als Schnellerwärmung. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass die nach der Wärmebehandlung wieder neu zu erwärmende beschichtete und durchlegierte Stahlblechplatine in einer Zeit von weniger als 20 s, bevorzugt weniger als 10 s, insbesondere weniger als 5 s auf Austenitisierungstemperatur, mithin AC3 Temperatur erwärmt wird. Insbesondere erfolgt die Erwärmung in einer Zeit kleiner 20 s pro mm, bevorzugt kleiner 10 s pro mm, besonders bevorzugt kleiner 5 s pro mm Blechdicke der zu erwärmenden Stahlblechplatine. Hierdurch wird eine erneute Eindiffusion von Wasserstoff vermieden. Somit wird auch am warmgeformten und pressgehärteten Bauteil der Wasserstoffgehalt kleiner 0,5 ppm, bevorzugt kleiner 0,3 ppm eingestellt. Die Schnellerwärmung kann insbesondere mit Kontaktplatten oder Induktion oder aber als direkte Widerstandserwärmung ausgeführt werden. Im Anschluss daran wird die beschichtete austenitisierte Stahlblechplatine warmumgeformt und pressgehärtet. Bevorzugt wird ein Bauteil mit einer Zugfestigkeit Rm größer 1250 MPa, insbesondere größer 1450 MPa hergestellt.
Das zuvor genannte Bauteil ist insbesondere ein Blechumformbauteil, ganz besonders bevorzugt ein Kraftfahrzeugbauteil. Dieses wird insbesondere derart hergestellt, dass die mit dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellte wärmebehandelte und durchlegierte Stahlblechplatine einen atomaren Wasserstoffgehalt kleiner 0,5 ppm, insbesondere 0,3 ppm aufweist. Die durchlegierte Stahlblechplatine wird entweder direkt nach dem Wärmebehandeln einem Warmumform- und Presshärteprozess zugeführt oder aber mit einem diesem zwischengeschalteten Lagern. Mithin wird entweder die Stahlblechplatine von der Abkühltemperatur, beispielsweise in einem Bereich zwischen 450°C und 100°C für den nachgelagerten Warmumformprozess wiederum auf über Ac3 erwärmt oder wenn die Blechplatine aus dem Lager entnommen wird von Raumtemperatur auf über Ac3 erwärmt.
Die Erwärmung auf über Ac3 findet zumindest bereichsweise insbesondere vollständig statt mit einem Schnellerwärmungsprozess. Dies bedeutet, dass die Stahlblechplatine in einer Zeit kleiner 20 s, bevorzugt kleiner 10 s, insbesondere kleiner 5 s von ihrer Ist-Temperatur auf eine Temperatur größer gleich Ac3 Temperatur erwärmt wird. Es kann beispielsweise mittels Kontakterwärmung erfolgen, jedoch auch mittels Induktion oder aber als direkte Widerstandserwärmung. Durch die Schnellerwärmung wird es wiederum ermöglicht, dass kein in der Umgebungsluft befindlicher Wasserstoff in die Beschichtung, die zwischen Beschichtung und Stahlblechplatine gebildete intermetallische Phase sowie die Stahlblechplatine selber eindringt. Nach dem Warmumformen und Presshärten auftretende Sprödbrüche werden somit vermieden.
Das somit hergestellte Kraftfahrzeugbauteil weist mithin einen Anteil an atomaren Wasserstoff kleiner 0,5 ppm, insbesondere kleiner 0,3 ppm auf. Weiterhin bevorzugt kann somit ein hochfestes bzw. höchstfestes, bevorzugt ultrahöchstfestes umgeformtes Stahlbauteil hergestellt werden. Die Angabe ppm ist bevorzugt im Sinne dieser Erfindung als Massenangabe bezogen auf das gesamte Kraftfahrzeugbauteil zu verstehen. Insbesondere liegt der Wasserstoffgehalt auch in den gehärteten Bereichen vor. Die Angabe ppm bezieht sich somit auf die Gesamtmasse des hergestellten Kraftfahrzeugbauteils; $ppm = μg Wasserstoff / g Kraftahrzeugbauteil .$
Das Kraftfahrzeugbauteil weist bereichsweise, insbesondere vollständig eine Zugfestigkeit Rm größer 1250 MPa, insbesondere größer 1450 MPa auf. Die Zugfestigkeit sollte mit den technisch möglich erreichbaren Zugfestigkeiten begrenzt sein. Insbesondere ist die Zugfestigkeit somit kleiner 3000 MPa bevorzugt kleiner 2000 MPa.
Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

Figur 1a und b: eine erste erfindungsgemäße Variante eines Wärmebehandlungsofens mit Temperaturprofil,
Figur 2a und b: eine zweite erfindungsgemäße Variante eines Wärmebehandlungsofens mit Temperaturprofil,
Figur 3a und b: eine dritte erfindungsgemäße Variante eines Wärmebehandlungsofens mit Temperaturprofil,
Figur 4a und b: eine vierte erfindungsgemäße Variante eines Wärmebehandlungsofens mit Temperaturprofil,
Figur 5a und b: eine fünfte erfindungsgemäße Variante eines Wärmebehandlungsofens mit Temperaturprofil und
Figur 6: eine Ansicht des erfindungsgemäß durchgeführten Verfahrens zur Herstellung eines Kraftfahrzeugbauteils.

In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
Figur 1a zeigt einen erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofen 1 in Form eines Durchlaufofens. Dieser weist einen auf die Bildebene bezogen unten angeordnete Durchlegierungsstrecke 2 auf, in der Mitte eine Abkühlstrecke 3 und oben eine Vorwärmstrecke 4. Hierzu werden vorbeschichtete Stahlblechplatinen 5 von einem Stapel 6 an einem Ende 7 des Wärmebehandlungsofens 1 in die Vorwärmstrecke 4 eingelegt. Die Wärmestrahlung der durch die Abkühlstrecke 3 transportierten abzukühlenden Stahlblechplatinen 16 kann gleichzeitig dazu genutzt werden, die durch die Vorwärmstrecke 4 zu transportierenden Stahlblechplatinen mit vorzuwärmen. Ferner ist ein Abstand A von Vorwärmstrecke 4 zu Abkühlstrecke 3 eingezeichnet, so dass der Wärmeübergang Q̇ in Form von Wärmestrahlung der abzukühlenden Stahlblechplatinen an die vorzuerwärmenden Stahlblechplatinen erfolgt. Dieser Abstand beträgt bevorzugt 20 bis 300 mm.
Als Transportmittel 9 können überall in dem Ofen Rollen 8 angeordnet sein. Es ist jedoch auch möglich andere Transportmittel zur Durchführung zu verwenden. In einer Transportrichtung der Vorwärmstrecke 4 werden die vorbeschichteten Stahlblechplatinen 5 durch die Vorwärmstrecke 4 befördert.
Am gegenüberliegenden Ende 10 des Wärmebehandlungsofens 1 ist ein Vertikalförderer 11 vorgesehen, der die vorerwärmten Stahlblechplatinen 5 auf die Bildebene bezogen absenkt und in die Durchlegierungsstrecke 2 überführt. Im Anschluss daran werden die vorerwärmten Stahlblechplatinen in Transportrichtung 12 durch die Durchlegierungstrecke 2 befördert. In der Durchlegierungsstrecke 2 sind Heizmittel 13 angeordnet, beispielsweise Brenner oder aber auch Induktionsspulen. Die durch die Durchlegierungsstrecke 2 transportierten vorerwärmten Stahlblechplatinen sind zumindest am Ende der Durchlegierungsstrecke 2 auf eine Temperatur oberhalb der AC3 Temperatur erwärmt, so dass die Vorbeschichtung eine intermetallische Phase mit der Stahlblechplatine ausbildet und die Stahlblechplatinen 14 durchlegiert sind.
Wiederum am zuvor beschriebenen Ende 7 ist ebenfalls ein Vertikalförderer 11 vorgesehen, der die durchlegierten Stahlblechplatinen 14 anhebt und in die Abkühlstrecke 3 einführt. In Transportrichtung 15 durch die Abkühlstrecke 3 werden die durchlegierten Stahlblechplatinen 14 auf eine Temperatur abgekühlt und am Ende der Abkühlstrecke 3 entnommen und die durchlegierten und abgekühlten Stahlblechplatinen 16 auf einem Platinenstapel 17 gelagert. Diese können einer nicht näher dargestellten weiteren Verarbeitung zugeführt werden, insbesondere einem nachgelagerten Warmumform- und Presshärteprozess.
In Figur 1b ist ein beispielhaftes Temperaturprofil dargestellt, welches in den einzelnen Strecken 2, 3, 4 vorherrschend ist. Auf die Bildebene bezogen von links nach rechts nimmt die Temperatur innerhalb der Durchlegierungsstrecke 2 von 750°C auf 930°C zu. Die durch die Durchlegierungsstrecke 2 beförderte Stahlblechplatine erwärmt sich somit aufgrund der innerhalb der Durchlegierungsstrecke 2 herrschenden Ofentemperatur bzw. Wärmeeinwirkung auf die zu erwärmende durchzulegierende Stahlblechplatine. In der Abkühlstrecke 3 bzw. Vorwärmstrecke 4 ist eine relativ kontinuierliche Temperatur von 350°C vorherrschend. Aufgrund einer Wahl der Transportgeschwindigkeit durch die Vorwärmstrecke 4 bzw. Abkühlstrecke 3 ist es somit möglich die Erwärmungszeit sowie am Ende 7, 10 der jeweiligen Strecke 2, 3, 4 eingenommene Vorerwärmungstemperatur bzw. Abkühltemperatur zu beeinflussen. Die Vorwärmstrecke 4 und die Abkühlstrecke 3 weisen keine eigenen Heizmittel auf. Hierzu ist eine Trennschicht 18 vorgesehen, zwischen Durchlegierungsstrecke 2 und Abkühlstrecke 3 bzw. Vorerwärmungsstrecke 4. Durch Vorauswahl, Regelung und/oder Steuerung der Trennschicht ist es möglich den Wärmeübergang von der Durchlegierungsstrecke 2 in die Abkühlstrecke 3 bzw. Vorerwärmungsstrecke 4 zu beeinflussen.
Figur 2a und b zeigen eine alternative Ausgestaltungsvariante zu Figur 1a und b. Auch hier sind auf die Vertikalrichtung V bezogen die einzelnen Strecken 2, 3, 4 übereinander gestapelt angeordnet. Im Gegensatz zu Figur 1 ist jedoch die Vorwärmstrecke 4 in der Mitte angeordnet, die Abkühlstrecke 3 oben angeordnet sowie die Durchlegierungsstrecke 2 wiederum unten angeordnet, jeweils auf die Bildebene bzw. Vertikalrichtung V bezogen. Die vorbeschichteten Stahlblechplatinen 5 werden somit wiederum von einem Stapel 6 an einem Ende 7 in die Vorwärmstrecke 4 eingeführt, durchlaufen die Vorwärmstrecke 4 und werden durch einen am Ende der Vorwärmstrecke 4 angeordneten Vertikalförderer 11 in die Durchlegierungsstrecke 2 überführt. Im Anschluss durchlaufen diese die Durchlegierungsstrecke 2 in deren Transportrichtung 12 und werden wiederum am anfänglichen Ende 7 von einem Vertikalförderer 11 in die Abkühlstrecke 3 überführt, in diesem Beispiel angehoben und durchlaufen die Abkühlstrecke 3.
Am Ende 10 der Abkühlstrecke 3 werden die abgekühlten Stahlblechplatinen 16 entnommen und einem Platinenstapel 17 zugeführt. Auch hier sind wiederum Heizmittel 13 vorgesehen, in der Durchlegierungsstrecke 2 sowie thermische Trennschicht 18, so dass Wärmeenergie von der Durchlegierungsstrecke 2 an die Vorwärmstrecke 4 bzw. Abkühlstrecke 3 übergeben wird.
Das Temperaturprofil des Wärmebehandlungsofens 1 gemäß Figur 2a findet sich in Figur 2b wieder.
Ebenfalls erkennbar in Figur 2b ist, dass das Temperaturprofil der Durchlegierungsstrecke 2 auf die Bildebene bezogen von links nach rechts zunimmt. Durch die thermische Trennschicht sind die Temperaturprofile von Abkühlstrecke 3 und Vorwärmstrecke 4 geringer als die der Durchlegierungsstrecke 2. Jedoch zeigt sich auch der Verlauf die Bildebene von links nach rechts, wonach die Temperatur innerhalb der Strecke zunimmt.
Figur 3a und b zeigt eine alternative Ausgestaltungsvariante des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofens 1. Hierbei sind die einzelnen Strecken 2, 3, 4 in Horizontalrichtung H nebeneinander liegend angeordnet. Die vorbeschichteten Stahlblechplatinen 5 werden wiederum von einem Stapel 6in eine Vorwärmstrecke 4 an einem Ende 7 des Wärmebehandlungsofens 1 eingelegt und durchlaufen die Vorwärmstrecke 4 in deren Transportrichtung 9. Am Ende 10 werden diese über einen Horizontalförderer 19 in Horizontalrichtung H in eine parallel liegende Durchlegierungsstrecke 2 überführt und durchlaufen die Durchlegierungsstrecke 2 in deren Transportrichtung 12, am anfänglichen Ende 7 werden die durchlegierten Stahlblechplatinen 14 von einem weiteren Horizontalförderer 19 in Horizontalrichtung H in eine parallel zur Durchlegierungsstrecke 2 liegende Abkühlstrecke 3 überführt und durchlaufen die Abkühlstrecke 3 in deren Transportrichtung 15. Am Ende 10 der Abkühlstrecke 3 werden die abgekühlten Stahlblechplatinen 16 entnommen und auf einem Platinenstapel 17 gelagert, so dass diese einer weiteren Verwendung zugeführt werden können.
Figur 3b zeigt wiederum ein Temperaturprofil der parallel nebeneinander liegenden Strecken 2, 3, 4. Zu erkennen ist, dass in der Vorwärmstrecke 4 zunächst mit einer Übertemperatur zur schnelleren Vorwärmung der vorbeschichteten Stahlblechplatinen 5 gearbeitet wird, im Anschluss daran wird in der Durchlegierungsstrecke 2 die Temperatur von 750°C auf 930°C Innentemperatur und somit auch der den Ofen durchlaufenden Platinen erhöht, so dass eine Durchlegierung stattfindet. Im Anschluss daran wird eine Abkühlstrecke 3 durchlaufen von 400°C auf 300°C, so dass eine kontrollierte Abkühlung der durchlegierten Stahlblechplatine 14 auf ca. kleiner 350°C am Ende der Abkühlstrecke 3 erfolgt. Die Abkühlstrecke 3 sowie die Vorwärmstrecke 4 liegen parallel neben der Durchlegierungsstrecke 2, so dass in dieser Ausgestaltungsvariante nicht dargestellte Heizmittel der Durchlegierungsstrecke 2 entsprechend auch die Abkühlstrecke 3 bzw. Vorwärmstrecke 4 mit temperieren.
Figur 4a zeigt einen Wärmebehandlungsofen 1 mit separater Vorwärmkammer 20 sowie einer Durchlegierungsstrecke 2 und Abkühlstrecke 3 in Form eines übereinander liegenden Durchlaufofens. Zunächst werden die vorbeschichteten Stahlblechplatinen 5 von einem Stapel 6 überführt in die Vorwärmkammer 20. Die Vorwärmkammer 20 wird dabei optional mit Abluft 21 aus dem eigentlichen Wärmebehandlungsofen 1 betrieben. Die vorbeschichteten Stahlblechplatinen 5 werden in Transportrichtung 9 durch die Vorwärmkammer 20 auf die Vertikalrichtung V bezogen nach oben transportiert und dort von einem Vertikalförderer 11 wiederum abwärts bewegt in die Durchlegierungsstrecke 2. Diese ist wiederum als Durchlaufofen mit Heizmitteln 13 ausgebildet, so dass die Platinen durchlegiert werden und die durchlegierten Stahlblechplatinen 14 von einem Vertikalförderer 11 an einem Ende 7 der Durchlegierungsstrecke 2 auf die Vertikalrichtung V bezogen angehoben werden und in die Abkühlstrecke 3 überführt werden. Die Abkühlstrecke 3 durchlaufen sie im Gegenstromprinzip zu der Durchlegierungsstrecke 2 in deren Transportrichtung 15. Am Ende der Abkühlstrecke 3 können zusätzlich Kühlmittel 22, beispielsweise auflegbare Kühlplatten vorgesehen sein. Die durchlegierten und abgekühlten Stahlblechplatinen 16 können dann einer weiteren Verarbeitung oder Lagerung zugeführt werden.
Figur 4b zeigt wiederum ein Temperaturprofil der Abkühlstrecke 3 und Durchlegierungsstrecke 2 sowie der Vorwärmkammer 20 gemäß Figur 4a.
Figur 5a und b zeigen eine weitere alternative Ausgestaltungsvariante mit einer Vorwärmstrecke 4 sowie einer auf die Vertikalrichtung V bezogen darunter angeordneten Durchlegierungstrecke 2 sowie ein beispielhaftes Temperaturprofil. Hier ist eine Vorwärmstrecke 4 und eine Durchlegierungsstrecke 2 dargestellt. Am Ende der Durchlegierungsstrecke 2 ist ein Kühlmittel 22 vorgesehen. Alternativ oder ergänzend zu dem Kühlmittel 22 ist ein Isolationstransportgestell 23 vorgesehen, in welches die durchlegierten Stahlblechplatinen 14 eingelegt werden und dann in diesem gezielt abkühlen. Die Abkühlrate kann durch die Dicke des Isolationsmaterials des Isolationsabkühlgestells beeinflusst werden.
In Figur 6 wird zunächst eine vorbeschichtete Stahlblechplatine 5 einem Wärmebehandlungsofen 1 zugeführt. Nach Durchlaufen des Wärmebehandlungsofens 1 ist diese Stahlblechplatine 14 durchlegiert und wird einer Temperierstation 24 zugeführt und es wird eine Schnellerwärmung durchgeführt. Die zumindest bereichsweise mit der Schnellerwärmung auf über Ac3 temperierte durchlegierte Stahlblechplatine 14 wird dann einem kombinierten Warmumform- und Presshärtewerkzeug 25 zugeführt und warmumgeformt sowie durch rasches Abkühlen gehärtet. Somit wird erfindungsgemäß ein Kraftfahrzeugbauteil 26 hergestellt, welches aufgrund der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung sowohl eine Korrosionsschutzschicht aufweist als auch eine reduzierte Rissneigung. Das Verfahren ist insbesondere anwendbar auf Stahlblechplatinen aus AlSi-vorbeschichteten Blechbändern mit in Walzrichtung der Bänder bereichsweise reduzierter Blechdicke, auch Tailor Rolled Blanks genannt. Insbesondere sind die stärker dickenreduzierten Bereiche mit dünnerer Blechdicke aufgrund des geringen Wasserstoffgehalts weniger riss- bzw. bruchanfällig. Das Walzen erfolgt idealerweise als Kaltwalzen. So lassen sich beschichtete Bauteile mit belastungsgerechter Blechdickenverteilung ohne Rissneigung herstellen. Es können auch andere Stahlbauteile mit mindestens zwei Bereichen unterschiedlicher Wandstärke bzw. Blechdicke mit dem Verfahren hergestellt werden. Oben genannte Vorteile gelten entsprechend.

Bezugszeichen:

1 -: Wärmebehandlungsofen
2 -: Durchlegierungsstrecke
3 -: Abkühlstrecke
4 -: Vorwärmstrecke
5 -: vorbeschichtete Stahlblechplatine
6 -: Stapel zu 5
7 -: Ende zu 1
8 -: Rolle
9 -: Transportrichtung zu 4
10 -: Ende zu 1
11 -: Vertikalförderer
12 -: Transportrichtung zu 2
13 -: Heizmittel
14 -: durchlegierte Stahlblechplatine
15 -: Transportrichtung zu 3
16 -: gekühlte Stahlblechplatine
17 -: Platinenstapel zu 16
18 -: Trennschicht
19 -: Horizontalförderer
20 -: Vorwärmkammer
21 -: Abluft
22 -: Kühlmittel
23 -: Isolationstransportgestell
24 -: Temperierstation
25 -: Warmumform- und Presshärtewerkzeug
26 -: Kraftfahrzeugbauteil

A -: Abstand
H -: Horizontalrichtung
V -: Vertikalrichtung
Q̇ _-: Wärmestrahlung

Claims

Wärmebehandlungsofen (1) für beschichtete Stahlblechplatinen (5), aufweisend mindestens eine Ofenkammer sowie ein Transportsystem zum Durchführen der Stahlblechplatinen durch die Ofenkammer, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorwärmkammer (20), eine Durchlegierungsstrecke (2) und eine Abkühlkammer vorgesehen sind, wobei die Stahlblechplatine in der Vorwärmkammer auf eine Temperatur größer 200°C erwärmbar ist, in der Durchlegierungsstrecke (2) auf eine Temperatur über AC3 Temperatur erwärmbar ist und in der Abkühlkammer auf eine Temperatur kleiner 450°C abkühlbar ist.
Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorwärmkammer (20) als Vorwärmstrecke (4) und/oder die Abkühlkammer als Abkühlstrecke (3) ausgebildet ist/sind.
Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchlegierungsstrecke (2) und die Vorwärmstrecke (4), und/oder die Abkühlstrecke (3) in einem Durchlaufofen angeordnet sind, insbesondere parallel übereinander oder parallel nebeneinander.
Wärmebehandlungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Durchlegierungsstrecke (2) Heizmittel (13) angeordnet sind, so dass eine Temperatur größer Ac3 vorherrscht und dass die Abkühlstrecke (3) und/oder die Vorwärmstrecke (4) über eine temperaturdurchlässige Trennschicht von der Durchlegierungsstrecke (2) separiert sind, so dass ein Teil der Wärmeenergie der Durchlegierungsstrecke (2) die Vorwärmstrecke (4) und/oder die Abkühlstrecke (3) heizt.
Wärmebehandlungsofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einem jeweiligen Ende (7, 10) des Wärmebehandlungsofens (1) Manipulatoren vorgesehen sind, so dass die wärmebehandelten Stahlblechplatinen in die einzelnen Strecken überführbar sind, insbesondere Vertikalförderer (11) oder Horizontalförderer (19).
Wärmebehandlungsofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlkammer von dem Wärmebehandlungsofen (1) separiert ist und insbesondere mit Abluft (21) aus dem Wärmebehandlungsofen (1) betrieben ist.
Verfahren zum Wärmebehandeln einer vorbeschichteten Stahlblechplatine, wobei eine vorbeschichtete Stahlblechplatine (5) durchlegiert wird, gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte:
- Erwärmen der vorbeschichteten Stahlblechplatine (5) von Raumtemperatur auf eine Vorwärmtemperatur oberhalb von 200°C,

- Danach Erwärmen auf Durchlegierungstemperatur über AC3 Temperatur, so dass die Vorbeschichtung durchlegiert wird,

- Danach Abkühlen der durchlegierten Stahlblechplatine (14) auf eine Abkühltemperatur kleiner 450°C in einer Zeit größer 30s,

- Danach Lagern oder Weiterverarbeiten der abgekühlten Stahlblechplatine (16).
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen auf Vorwärmtemperatur oberhalb von 250°C, insbesondere 250°C bis 450°C erfolgt und/oder dass das Abkühlen auf eine Abkühltemperatur zwischen 450°C und 300°C erfolgt und optional in einem weiteren Abkühlprozess auf eine Temperatur kleiner 300°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen auf Durchlegierungstemperatur als Schnellerwämung durchgeführt wird mit einer Zeit kleiner 20s pro mm Blechdicke der zu erwärmenden Stahlblechplatine, bevorzugt weniger als 10s pro mm Blechdicke, insbesondere weniger als 5s pro mm Blechdicke.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Abkühlen größer 30 s pro mm Blechdicke der abzukühlenden Blechplatine erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtdicke der Beschichtung kleiner 0,6 µm erzeugt wird und bevorzugt größer 0,15 µm und/oder dass der Anteil atomaren Wasserstoffs kleiner 0,5 ppm, insbesondere kleiner 0,3 ppm ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stahlblechplatine aus einer härtbaren Stahllegierung mit einer Vorbeschichtung aus eine Al-Si Legierung wärmebehandelt wird, so dass sich wenigstens eine intermetallische Phase aus Fe-Al bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmestrahlung der durch die Abkühlstrecke (3) geführten Stahlblechplatinen (14) genutzt wird, um die durch die Vorwärmstrecke (4) geführten Stahlblechplatinen (5) mit zu erwärmen.
Verfahren zur Herstellung eines warmumgeformten und pressgehärteten Kraftfahrzeugbauteils (26), wobei eine vorbeschichtete, durchlegierte Stahlblechplatine (14) hergestellt gemäß dem Verfahren von Anspruch 7 verwendet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die durchlegierte Stahlblechplatine (14) einer Zeit von weniger als 20 s zumindest partiell, bevorzugt vollständig auf eine Temperatur größer gleich der Austenitisierungstemperatur (Ac3) erwärmt wird, danach warmumgeformt und pressgehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die durchlegierte Stahlblechplatine (14) von der Abkühltemperatur schnell erwärmt wird oder dass die durchlegierte Stahlblechplatine (14) aus einem Lager entnommen wird und sich auf Raumtemperatur befindet.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das hergestellte Kraftfahrzeugbauteil (26) zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig eine Zugfestigkeit Rm größer 1250 MPa, insbesondere größer 1450 MPa aufweist und/oder dass der Anteil atomaren Wasserstoffs kleiner 0,5 ppm, insbesondere kleiner 0,3 ppm ist.