EP4673574A1 - Verfahren zum herstellen eines gehärteten stahlblechbauteils - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines gehärteten stahlblechbauteils

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Publication number
EP4673574A1
EP4673574A1 EP24706461.1A EP24706461A EP4673574A1 EP 4673574 A1 EP4673574 A1 EP 4673574A1 EP 24706461 A EP24706461 A EP 24706461A EP 4673574 A1 EP4673574 A1 EP 4673574A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
furnace
heating rate
temperature
steel
heating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24706461.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter ATZMÜLLER
Ernst Dietmar SCHACHINGER
Andreas Sommer
Christoph Wagner
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voestalpine Stahl GmbH
Voestalpine Metal Forming GmbH
Original Assignee
Voestalpine Stahl GmbH
Voestalpine Metal Forming GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/EP2023/055007 external-priority patent/WO2024179668A1/de
Application filed by Voestalpine Stahl GmbH, Voestalpine Metal Forming GmbH filed Critical Voestalpine Stahl GmbH
Publication of EP4673574A1 publication Critical patent/EP4673574A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/185—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering from an intercritical temperature
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/34—Methods of heating
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/02—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/06—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
    • C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
    • C22C38/32—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with boron
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/04—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the coating material
    • C23C2/06—Zinc or cadmium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C2/00—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor
    • C23C2/34—Hot-dipping or immersion processes for applying the coating material in the molten state without affecting the shape; Apparatus therefor characterised by the shape of the material to be treated
    • C23C2/36—Elongated material
    • C23C2/40—Plates; Strips

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a hardened sheet steel component.
  • sheet steel components with increased stability are usually hardened sheet steel components, i.e. sheet steel components that have a significantly higher hardness and tensile strength than sheet steel components made of conventional steel.
  • hardened sheet steel components are used because the hardening enables components that can have a reduced wall thickness compared to components made of non-hardenable steel types. This makes it possible to provide steel bodies for motor vehicles that are comparatively light while being extremely stable.
  • the hardening mechanism used is known as quench hardening, in which the steel material is first converted into its high-temperature phase, known as austenite or gamma iron, by heating. This fully or partially austenitic steel structure is then cooled at a cooling rate that is higher than the so-called critical cooling rate of the steel alloy.
  • critical cooling rate for the boron-manganese steel 22MnB5 is around 23 Kelvin per second.
  • the austenitic phase does not transform back into ferrite, but rather into martensite.
  • the rapid cooling essentially freezes this martensitic phase. Since austenite can dissolve significantly more carbon than martensite, carbon precipitation occurs, which distorts the lattice and leads to the high hardness.
  • the prerequisite for this is that the steel material or steel alloy contains sufficient carbon, which is ensured by using suitable alloys.
  • the steel industry usually provides so-called boron-manganese steels for this purpose, with one of the most common steels being 22MnB5, which is, however, part of a comparatively large family of steel grades.
  • a steel material with the following composition in mass percent is used:
  • Carbon up to 0.4 preferably 0.10 to 0.30 Silicon up to 1.9, preferably 0.11 to 1.5 Manganese up to 3.0, preferably 0.8 to 2.5 Chromium up to 1.5, preferably 0.1 to 0.9 Molybdenum up to 0.9, preferably 0.001 to 0.1 Nickel up to 0.9, preferably up to 0.2 Titanium up to 0.2, preferably 0.02 to 0.1 Vanadium up to 0.2 Tungsten up to 0.2, Aluminium up to 0.2, preferably 0.02 to 0.07 Boron up to 0.01, preferably 0.0005 to 0.005 Sulfur max. 0.01, preferably max. 0.008 Phosphorus max. 0.025, preferably max. 0.01
  • press hardening also known as the direct process, in which a blank is cut out of a flat steel sheet and then brought to the necessary austenitizing temperature and, if necessary, held at this temperature. This blank is then transferred to a forming press, in which the blank is formed in a hot state, preferably with a single stroke, and quenched by the cold press hardening tool. Since only one forming stroke and only one tool is available, the final trimming of outer edges and holes in press-hardened components can usually only be done in the hardened state; this is usually done by laser cutting.
  • This press hardening results in hardened components that usually do not have a shape that is too complex, since only one forming stroke is available.
  • form hardening also known as the indirect process, in which a blank is cut out of a steel sheet and this is first formed and trimmed in conventional cold forming processes to form a steel sheet pre-assembly part.
  • This pre-assembly part is It is formed in such a way that it is slightly smaller in all three spatial directions than the target geometry, as it is then heated to the austenitizing temperature and increases in size due to thermal expansion.
  • this pre-assembly is transferred to a hot-dip galvanizing press, in which the already fully formed pre-assembly is in contact with the hot-dip galvanizing tool in the closed press and is only held in place to cool it down quickly. Only minor calibrations or adjustments are usually made in the press. As the components are usually completely trimmed in the cold forming process, trimming in the hardened state is usually no longer necessary. Hot-dip galvanizing allows for more complex components, as the upstream, usually multi-stage forming and trimming process in the cold state allows for more freedom in shaping.
  • galvanized steel sheets for the two aforementioned processes, whereby these galvanized steel sheets usually have a zinc-based coating that contains a certain proportion of one or more elements with an even higher affinity for oxygen. These elements with an even higher affinity for oxygen diffuse to the surface during the high-temperature process required for austenitization and form a glassy layer there, an oxide skin, which protects the underlying zinc layer from evaporating during the high-temperature process.
  • the applicant uses suitable galvanized steel sheets in both processes.
  • ZF coatings also known as GA coatings or galvannealed coatings 7
  • ZF coatings also known as GA coatings or galvannealed coatings 7
  • steel sheets are heat-treated in the continuous hot-dip galvanizing plant shortly after the zinc coating, typically in the temperature range 460°C to 570°C, thus creating a zinc-iron-containing alloy layer on the steel strip.
  • the iron contained in the substrate thus reacts with the zinc from the coating material.
  • ZF coatings zinc is first deposited on the steel substrate and then subjected to heat treatment. This heat treatment is known as galvannealing.
  • the layer itself is also known as galvannealed.
  • aluminium which, during heat treatment for the purpose of austenitisation, forms a very thin aluminium oxide skin on the surface, which, as already mentioned, prevents large-scale zinc evaporation.
  • press-hardened components or form-hardened components with zinc coatings sometimes, in a fluctuating and unpredictable manner, have a silver coloring in addition to the familiar greenish-brownish color, either completely or only in certain areas.
  • a silver coloring in the sense of the invention can also be perceived as light gray or light grayish and can also appear matt or shiny in places.
  • the silver colouring develops when the entire zinc layer has not been converted into solid zinc-iron phases up to a temperature of 530 °C, i.e. there is still liquid zinc left on the surface at 530 °C and/or at higher temperatures there is a lack of oxygen.
  • the temperature of about 530 °C marks the end of the existence of the so-called zeta zinc iron phase.
  • Different and fluctuating coloring of the surface of a steel component is not necessarily a quality feature with regard to the surface itself, but can lead to problems.
  • circuit boards or components heat up differently and not really homogeneously in the oven.
  • different heating progresses can result in different iron contents in the coating, which in turn leads to different emissivities and thus to differences in the heating behavior.
  • the size of the finished hardened component depends on the size of the austenitized pre-component inserted into the hardening tool.
  • the size of the austenitized pre-component inserted into the hardening tool depends on the cooling behavior of the pre-component between the furnace and the hardening tool, which in turn depends on the emissivity of the surface of the pre-component due to the radiant heat losses.
  • the formation of the surface zinc oxide layer is also influenced by this. This occurs particularly with thin zinc-iron layers and thin sheets, especially with sheet thicknesses of less than 1.5 mm and zinc layer thicknesses such as ZF 80 according to EN 10346 - this means that the layer thickness is approximately 35 g/m 2 per side.
  • EP 2611945 Bl namely a rapid heating of sheets with a zinc-iron coating, whereby heating from room temperature to 500 °C is to be carried out at a minimum of 15 K/s to 50 K/s.
  • the object of the invention is to provide a method for producing sheet steel components and to ensure homogeneous properties of the components.
  • heating is carried out in such a way that optimized heating is always guaranteed, tailored to the sheet metal and the coating, which leads to more homogeneous properties.
  • a formula is provided for this purpose, which simplifies the implementation of the process. Heating can occur through radiation or convection.
  • it can be done by radiation and convection.
  • Heating by radiation can be achieved, for example, by an infrared heater.
  • a heating rate that is variable over the furnace residence time is set.
  • the temperature differences when the target temperature is reached across the entire steel sheet blank or the steel sheet prefabricated part should not exceed 25 K, preferably 18 K and more preferably 15 K. This can further homogenize the layer formation, in particular the reaction which takes place particularly pronouncedly in the temperature range up to 530 °C.
  • a steel sheet plate or a steel strip which has a zinc-iron-containing coating (ZF).
  • This layer can advantageously have a thickness of 4 pm to 14 pm per side. This can ensure good corrosion protection.
  • the coating can be a ZF60 or ZF80 or ZF90 or ZF100 or ZF120 or ZF140 or ZF180 according to DIN EN 10346.
  • the metallic corrosion protection layer can be applied using a hot-dip process. It is then galvannealed.
  • a press-hardened component coated with a zinc-iron layer (ZF) is heated in such a way that it has a homogeneous zinc oxide layer, and uniform heating of the board or the sheet steel component is possible. This leads to excellent mechanical properties and ensures optimal processing properties.
  • the invention enables an energy-optimized (reduced heat input into the annealing material and/or reduced heat losses) and process-reliable (secured austenitization) and, in the case of low loads, also economically advantageous (rapid heating even at low furnace temperatures) operation.
  • the heat requirement when heating sheet steel blanks or sheet steel prefabricated parts in a furnace is made up of the amount of heat required for the desired heating of the annealing material (the blank or the part), plus the amount of heat due to undesirable furnace losses, e.g. at furnace doors or furnace casing or transport elements. Both can be minimized by the reduced heating rate according to the invention.
  • the first furnace zone i.e. the one until 530 °C is reached on the board or part
  • the entire furnace temperature can also be reduced, for example to a range of 860 °C to 890 °C compared to the previously usual furnace temperatures of 900 °C to 920 °C.
  • An energy-optimized, process-reliable and economically advantageous operating mode is provided especially for runs ZF100 and smaller.
  • Steel grades such as 34MnB5 or 20MnB8 can be processed in a more energy-optimized, process-safe and economical manner, as they have lower austenitizing temperatures than other steel grades.
  • Other boron-manganese grades with tensile strengths of 400 to 1200 MPa after the hardening process are also conceivable.
  • the basic idea here is to reduce the temperature of at least the first furnace zones of a continuous furnace or the furnace chamber temperature of a multi-layer chamber furnace and thus to reduce the average heating rates.
  • the average heating rate is set to a maximum of 14 K/s in the temperature range from room temperature (RT) to 530 °C. This applies in particular to coatings ZF60 to ZF180, preferably on steel strip material 22MnB5 or 20MnB8 or 34MnB8.
  • the average heating rate can be set to a maximum of 13 K/s, 12 K/s, 11 K/s, 10 K/s or 9 K/s.
  • heating is carried out in the temperature range from room temperature to 530 °C with an average heating rate rl and in the temperature range between 530 °C and 670 °C with an average heating rate r2 where the heating rates are set such that: rl ⁇ —
  • the average heating rate in the sense of the invention is the average of the heating rate of the sheet steel plate or sheet steel pre-assembly when heating from room temperature to 530 °C. This means that the heating rate can be comparatively high, especially in the first heating phase to 100 °C and more, and then decreases continuously as the temperature difference between the sheet steel plate or sheet steel pre-assembly and the furnace temperature decreases.
  • the average heating rate is calculated over the duration of heating from room temperature to 530 °C, ie if, for example, at a room temperature of 20 °C it takes 51 seconds to reach 530 °C in the furnace, the average heating rate is 10 K/s.
  • the sheet thickness range of the steel strip can be selected from 0.85 mm to 3 mm, preferably 0.9 mm to 2 mm.
  • an optimal zinc oxide layer is achieved by selecting an appropriate average heating rate rl in the range of 3 to 14 K/s, particularly 6 to 14 K/s in the target temperature range of RT to 530 °C.
  • the optimal heating rate range can be determined by calculating the sheet thickness.
  • the constant a (in K/s) is 6.37 K/s and is valid in the sheet thickness range d from 0.85 mm to 3 mm.
  • the homogeneity of the temperature of the sheet steel plate can be increased across the entire plate when heated to 530 °C.
  • the maximum temperature difference across the plate is less than 25 K.
  • the furnace atmosphere can be advantageous to adjust the furnace atmosphere so that at least 5 vol.% oxygen is present at least on the surface of the components to be heated.
  • oxygen saturation it was found that the oxygen available for zinc oxidation is influenced by burning oil, dew point, weather conditions, new furnace elements and the strength of convection in the furnace, especially during long production intervals.
  • the oxygen consumption by burning oil is influenced by the amount of anti-corrosive oil on the blank or pre-component surface and, if necessary, additionally by the amount of cold forming oil present on the pre-component surface.
  • the dew point is determined in particular by the climate zone and the system environment.
  • the weather conditions have an influence through chimney effects or through the displacement of oxygen by gaseous combustion products. It has also been found that new oven elements, such as stainless steel, ceramic or other insulating materials, can consume or bind oxygen or have an influence on the oxygen saturation.
  • composition of the furnace atmosphere especially with regard to the oxygen content, can be locally inhomogeneous.
  • At least 5 vol.% oxygen can be made available close to the surface starting at a temperature of 800 °C. Close to the surface here means in an area closer than 10 mm to the surface of the circuit board or the pre-assembled part.
  • the invention thus relates to a method for producing components from sheet steel, whereby a sheet steel blank is cut out of a flat steel strip with a zinc-iron-containing coating and the sheet steel blank is either at least partially is heated to a temperature above Ac3 and then formed in a press hardening tool in a hot state and quench hardened, or the coated sheet steel blank is cold formed into a sheet steel prefabricated part and the sheet steel prefabricated part is heated at least in part to a temperature above Ac3 and then quench hardened in a form hardening tool, wherein the heating takes place at a heating rate that is variable over the furnace residence time, wherein the heating takes place in the temperature range from room temperature to 530 °C with an average heating rate rl and in the temperature range between 530 °C and 670 °C with an average heating rate r2, where rl ⁇ r2 0.4
  • the average heating rate r2 is set between 1.6 K/s and 5.6 K/s.
  • the average heating rate rl is set between 3 K/s and 14 K/s.
  • Valid for the sheet thickness range d from 0.85 mm to 3 mm
  • a 5.32 K/s is selected. This can reduce the maximum temperature difference on the steel sheet plate heated to 530 °C to less than 18 K and further increase the previously mentioned effects.
  • furnace heating power is reduced at least in the first furnace zones, so that the average heating rate is reduced or set to a maximum of 14 K/s from room temperature to 530°C. This can advantageously minimize the energy losses in the furnace entrance area, since the steel sheet or prefabricated parts are fed into the furnace here and the losses can be minimized when the temperature in the first furnace zone is reduced.
  • heating takes place in the temperature range from 530°C to 670°C with an average heating rate r2, where: r2 ⁇ 0.9 * rl .
  • the zinc-iron-containing coating has an iron content of 8 to 14%, in particular 8 to 12%, and the remainder is zinc.
  • the iron content can advantageously be in this range in order to ensure optimal heating.
  • the coating is selected from the specifications ZF60 to ZF180 according to DIN EN 10346.
  • ZF60 i.e. a zinc-iron-containing coating with around 30 g/m 2 per side, can already offer a certain degree of corrosion protection and is also easy to process further. Depending on the corrosion protection requirement, a thicker layer of up to 90 g/m 2 per side can be advantageous.
  • the heating takes place in the temperature range from room temperature to 530 °C with an average heating rate rl of at least 3 K/s, preferably at least 6 K/s.
  • the average heating rate rl can advantageously be over 6 K/s in order to shorten the heating time and keep the cycle time low.
  • An advantageous further development provides that for heating above 800 °C an oxygen content in the furnace atmosphere in an area closer than 10 mm to the surface of the blank or the steel prefabricated part of at least 5 vol.% is ensured.
  • An advantageous further development provides that in a continuous furnace in the furnace area corresponding to a blank or pre-component temperature of up to 530 °C, the furnace heating power is reduced such that the heating rate of 14 K/s is not exceeded in the temperature range up to 530 °C.
  • furnace heating power is increased in the areas in which the board or the pre-assembled part has a temperature of more than 530 °C. This can keep the cycle time as short as possible.
  • An advantageous further development provides that the entire furnace temperature is reduced to a range of 860 °C to 890 °C. This advantageously allows the energy requirement and CO2 emissions to be kept low.
  • An advantageous further development provides that in the furnace areas in which the board or the pre-assembled part has a temperature of more than 530 °C, the furnace heating power is reduced or kept constant. This advantageously allows the energy requirement and CO2 emissions to be kept low.
  • An advantageous further development provides that in furnace areas in which the blank or the pre-assembled part is at 800 °C or more, the existing furnace atmosphere is circulated.
  • An advantageous further development provides that in heating devices in which the blank or the steel pre-component is heated stationary, such as multi-layer chamber furnaces, the furnace heating power is reduced permanently or over time in such a way that the average heating rate of 14 K/s is not exceeded in the temperature range from room temperature to 530 °C.
  • the zinc-iron-containing coating has a layer thickness of 4 pm to 14 pm per side.
  • the zinc-iron-containing coating is applied by means of a hot-dip galvanizing process, in particular by hot-dip galvanizing, and then galvannealed. This can be a simple and robust process with outstanding reproducibility.
  • the steel strip has a sheet thickness of 0.85 mm to 3 mm.
  • the steel strip is formed from a hardenable steel alloy, in particular a boron-manganese steel and particularly preferably a 22MnB5 or 20MnB8 or 34MnB5.
  • a steel strip with the following composition is used (all data in % by weight):
  • Carbon up to 0.4, preferably 0.10 to 0.30 and
  • Silicon up to 1.9, preferably 0.11 to 1.5 and
  • Chromium up to 1.5, preferably 0.1 to 0.9 and
  • Molybdenum up to 0.9, preferably 0.001 to 0.1 and
  • Nickel up to 0.9, preferably up to 0.2 and
  • Titanium up to 0.2 preferably 0.02 to 0.1 and
  • Aluminium up to 0.2, preferably 0.02 to 0.07 and
  • Phosphorus max. 0.025, preferably max. 0.01 and
  • Figure 1 the preferred average heating rate range from RT to 530 °C across the sheet thickness for a first constant a;
  • Figure 2 the preferred average heating rate range from RT to 530 °C across the sheet thickness for a second constant a;
  • Figure 3 a possible furnace temperature in the zone up to 530 °C for a first constant a;
  • Figure 4 the temperature distribution over the board with a heating rate rl after
  • Figure 5 two sheet metal samples approx. 220 mm x 300 mm with different heating rates in
  • Figure 6 two sheet metal samples with different heating rates in cross-section
  • Figure 7 an example heating curve for ZF110.
  • a press-hardened component coated with a zinc-iron layer is heated in such a way that it has a homogeneous zinc oxide layer and that uniform heating of the board is possible. This ensures excellent mechanical properties and ensures optimal processing properties.
  • the invention enables energy-optimized operation (reduced heat input into the annealing material and/or reduced heat losses) because the furnace zone can be operated at a reduced temperature until the sheet metal blank reaches 530 °C and therefore the energy losses in the first furnace zone can be minimized. This reduces energy costs and increases process efficiency.
  • the basic idea here is to reduce the temperature of the first furnace zones and thus reduce the average heating rates rl from room temperature (RT) to 530 °C.
  • the average heating rate rl should therefore be set in such a way that it satisfies the following relationship, where r2 represents the average heating rate r2 in the range from 530°C to 670°C, where: ' 3 rl ⁇ — 0.4
  • the heating rate rl is set to a maximum of 14 K/s. This applies in particular to coatings ZF60 to ZF180 with a sheet thickness of 0.85 mm to 3 mm.
  • the room temperature is the initial temperature that sheets or prefabricated parts have before they are placed in a furnace. It is the temperature that prevails in the production facility or is slightly warmed by a warm product carrier, i.e. an initial temperature of 50 °C or 60 °C is also conceivable. This temperature can of course fluctuate seasonally, but its range of fluctuation is irrelevant for the subsequent process.
  • the room temperature is set to the standard temperature of 20 °C.
  • the average heating rate rl is set depending on the sheet thickness. With increasing sheet thickness, the heating rate rl is reduced accordingly, so that if dl ⁇ d2 ⁇ d3, the heating rate rl is set such that rl(dl) > rl(d2) > rl(d3).
  • a 5.32 K/s is selected. This can reduce the maximum temperature difference on the steel sheet heated to 530 °C to less than 18 K.
  • blanks or formed prefabricated parts heat up inhomogeneously during heating by means of radiation or convection for the purpose of austenitization, particularly from the outside to the inside.
  • This effect is more pronounced in a zinc-iron alloy (ZF) due to locally different iron contents.
  • ZF zinc-iron alloy
  • an optimal zinc oxide layer is formed at an average heating rate rl in the range of 4 to 14 Kelvin per second in the target temperature range from room temperature to 530 °C.
  • heating rate r2 is set between 1.6 and 5.6 Kelvin per second in the temperature range from 530°C to 670°C.
  • the heating rate rl is set in the range of 4 to 14 Kelvin per second in the target temperature range from room temperature to 530 °C and the heating rate r2 in the temperature range from 530 °C to 670 °C is set between 1.6 to 5.6 Kelvin per second in order to realize an optimal zinc oxide layer.
  • the preferred average heating rate range rl is plotted across the sheet thickness, whereby it can be seen that the maximum permissible average heating rate rl decreases across the sheet thickness.
  • the particularly preferred lower limit of 6 K/s is shown as a dashed line.
  • the effect according to the invention is also visually visible in Figure 5.
  • two 1.5 mm thick steel sheet samples measuring approximately 220 mm x 300 mm are heated at different heating rates.
  • the layer is absolutely uniform due to the low heating rate rl of approximately 6.5 K/s up to 530 °C according to the invention, while in the right image, at a heating rate rl of approximately 20 K/s up to 530 °C, an edge effect can be seen due to uneven layer growth.
  • Figure 4 shows how the temperatures behave in different areas of the sheet at a heating rate rl of around 18 K/s, and significant differences can be seen, particularly in the upper temperature ranges. But even when the temperature of around 530 °C is reached, temperature differences of up to 40 K are possible on a board. This can also have a strong influence on the layer reaction and therefore lead to undesirable effects in the layer.
  • a suitable unit for heating is, for example, a continuous furnace, in which jacketed radiant tubes, which are heated by gas, for example, carry out the heating.
  • heating is carried out in such a way that the critical heating rate rl is not exceeded, while in the ranges above this a significantly higher heating rate r2 and/or r3 is possible.
  • the heating rate rl is set to satisfy the following relationship: especially 0.5
  • a multi-layer chamber furnace is also suitable; in any case, heating should be carried out by means of radiation and convection, whereby the furnace temperature is preferably kept constant and, if necessary, a reduction in the furnace temperature leads to the critical temperature range being passed through at a correspondingly low heating rate rl.
  • a furnace temperature that can be varied over the furnace residence time i.e. a furnace temperature that is low at the beginning (i.e. rl) and raised from 530 °C to adjust r2 and/or r3, is also conceivable. This is shown, for example, in Figure 3, where the furnace temperature is reduced in the first zone and adjusted accordingly depending on the sheet thickness.
  • Figure 7 shows an example of a heating curve for an oiled steel plate coated with ZF110. It can be seen that the heating rate rl from RT to 530°C is set relatively low in order to achieve the most homogeneous heating possible. rl and r2 were chosen so that the relationship rl ⁇ — applies. For example, rl can be set at 10 K/sec and r2 at 5 K/sec and r3 at 3 K/sec.
  • the heating rate r2 is set, which is set lower than rl * 0.9, so that the relationship r2 ⁇ 0.9 * rl applies.
  • the heating rate r3 was further reduced to achieve the most homogeneous heating possible of the entire surface of the board.
  • the heating rate should not be too low in order not to extend the furnace residence time too much. Therefore, r3 2 r2 was chosen between —and r2 so that the relationship — ⁇ r3 ⁇ r2 applies.
  • the heating rates rl, r2 and r3 are set variably over the furnace residence time. It is particularly advantageous if the heating rate rl is set depending on the sheet thickness in the temperature range from RT to 530 °C.
  • the advantage of the invention is that with the inventive setting of the heating rate rl in the critical temperature range from RT to 530 °C, repeatable results are achieved with regard to a uniform, homogeneous coating.
  • a heating rate that is variable over the furnace residence time advantageously enables a targeted combination of homogeneous heating and optimal furnace residence time.
  • the heating rates rl, r2 and r3 can be adjusted variably without causing undesirable edge effects due to uneven layer growth.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Stahlblech wobei aus einem ebenen Stahlband mit einer Zink-Eisen-haltige Beschichtung eine Stahlblechplatine ausgeschnitten wird und die Stahlblechplatine entweder zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Presshärtewerkzeug in heißem Zustand umgeformt und abschreckgehärtet wird, oder die beschichtete Stahlblechplatine zu einem Stahlblechvorbauteil kalt umgeformt wird und das Stahlblechvorbauteil zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Formhärtewerkzeug abschreckgehärtet wird, wobei die Erwärmung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C mit einer mittleren Heizrate r1 und im Temperaturbereich zwischen 530 °C und 670 °C mit einer mittleren Heizrate r2 erfolgt, wobei (I).

Description

Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahl blech bautei Is
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlblechbauteils.
Es ist bekannt, im Automobilbau zur Erhöhung der Steifigkeit der Fahrgastzelle Stahlblechbauteile mit erhöhter Stabilität zu verwenden. Diese Stahlblechbauteile mit erhöhter Stabilität sind üblicherweise gehärtete Stahlblechbauteile, d.h. Stahlblechbauteile, die gegenüber Stahlblechbauteilen aus üblichem Stahl eine erheblich höhere Härte und Zugfestigkeit aufweisen. Derartige gehärtete Stahlblechbauteile werden verwendet, weil durch die Härtung Bauteile ermöglicht werden, die verglichen mit Bauteilen aus nicht-härtbaren Stahlsorten eine verringerte Wanddicke aufweisen können. Somit ist es möglich, Stahlkarosserien für Kraftfahrzeuge bereitzustellen, die bei extrem hoher Stabilität vergleichsweise leicht sind.
Die Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlblechbauteile sind bekannt.
Als Härtemechanismus wird die sogenannte Abschreckhärtung verwendet, bei der das Stahlmaterial zunächst durch Aufheizen in seine Hochtemperaturphase, Austenit oder Gamma-Eisen genannt, umgewandelt wird. Dieses voll- oder teilaustenitische Stahlgefüge wird anschließend mit einer Abkühlgeschwindigkeit, die über der sogenannten kritischen Abkühlgeschwindigkeit der Stahllegierung liegt, abgekühlt. Die kritische Abkühlgeschwindigkeit liegt beispielsweise für den Bor-Mangan-Stahl 22MnB5 bei circa 23 Kelvin pro Sekunde.
Bei diesen Abkühlgeschwindigkeiten wandelt sich die austenitische Phase nicht wieder in Ferrit um, sondern es findet eine Umwandlung in Martensit statt. Durch das rasche Abkühlen wird diese martensitische Phase quasi eingefroren. Da Austenit erheblich mehr Kohlenstoff lösen kann als Martensit, kommt es hierbei zu einer Kohlenstoffausscheidung, welche das Gitter verzerrt und zu der hohen Härte führt. Voraussetzung hierfür ist, dass das Stahlmaterial bzw. die Stahllegierung ausreichend Kohlenstoff enthält, was durch die Verwendung geeigneter Legierungen gesichert ist. Die Stahlindustrie stellt hierfür üblicherweise sogenannte Bor-Mangan-Stähle zur Verfügung, wobei einer der häufigsten Stähle der 22MnB5 ist, der jedoch Teil einer vergleichsweise großen Stahlsortenfamilie ist. Insbesondere wird ein Stahlmaterial mit der folgenden Zusammensetzung in Massenprozent verwendet:
Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,10 bis 0,30 Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5 Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9 Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,001 bis 0,1 Nickel bis 0,9, vorzugsweise bis 0,2 Titan bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,1 Vanadin bis 0,2 Wolfram bis 0,2, Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008 Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01
Rest Eisen und Verunreinigungen.
In der Vergangenheit haben sich für die Verarbeitung zwei grundsätzliche Verfahren herausgebildet.
Das erste und ältere Verfahren ist das sogenannte Presshärten, auch direktes Verfahren genannt, bei dem aus einem ebenen Stahlblech eine Platine ausgeschnitten und diese anschließend auf die notwendige Austenitisierungstemperatur gebracht und gegebenenfalls auf dieser gehalten wird. Diese Platine wird anschließend in eine Umformpresse überführt, in der die Platine mit vorzugsweise einem einzigen Hub im heißen Zustand umgeformt und durch das kalte Presshärtewerkzeug abgeschreckt wird. Da nur ein Umformhub und auch nur ein Werkzeug zur Verfügung steht, kann bei pressgehärteten Bauteilen der Endbeschnitt von Außenkanten und Löchern üblicherweise erst im gehärteten Zustand erfolgen, üblicherweise geschieht dies mittels Laserschneiden. Dieses Presshärten führt zu gehärteten Bauteilen, die üblicherweise eine nicht zu komplexe Form haben, da nur ein Umformhub zur Verfügung steht.
Für Bauteile mit komplexeren Geometrien und/oder höheren Stückzahlen hat die Anmelderin das sogenannte Formhärten, auch indirektes Verfahren genannt, entwickelt, bei dem aus einem Stahlblech eine Platine ausgeschnitten und diese zunächst in üblichen Kaltumformprozessen zu einem Stahlblechvorbauteil umgeformt und beschnitten wird. Dieses Vorbauteil wird dabei derart umgeformt, dass es in alle drei Raumrichtungen etwas kleiner dimensioniert ist als die Sollgeometrie, da es anschließend auf die Austenitisierungstemperatur aufgeheizt wird und sich durch die Wärmedehnung entsprechend vergrößert. Nach dem Austenitisieren wird dieses Vorbauteil in eine Formhärtepresse überführt, in dem dieses bereits fertig geformte Vorbauteil in der geschlossenen Presse mit dem Formhärtewerkzeug in Kontakt ist und lediglich gehalten wird, um es schnell abzukühlen. In der Presse geschehen üblicherweise nur mehr geringe Kalibrierungen oder Anpassungen. Da die Bauteile im Kaltumformprozess üblicherweise bereits vollständig beschnitten werden, ist ein Beschnitt im gehärteten Zustand üblicherweise nicht mehr erforderlich. Das Formhärten erlaubt komplexere Bauteile, da durch den vorgelagerten meist mehrstufigen Umform- und Beschneideprozess im kalten Zustand mehr Formgebungsfreiheiten bestehen.
Da Karosseriebauteile moderner Kraftfahrzeuge oft nicht aus unbeschichtetem Stahlblech bestehen, sondern zur Verbesserung der Korrosionsschutzeigenschaften mit metallischen Korrosionsschutzschichten versehen sind, liegt es nahe, auch für gehärtete Bauteile von metallisch beschichteten Stahlblechen auszugehen.
Es ist bekannt, für die beiden vorgenannten Verfahren auch verzinkte Stahlbleche zu verwenden, wobei diese verzinkten Stahlbleche üblicherweise eine Beschichtung auf der Basis von Zink besitzen, die einen gewissen Anteil eines oder mehrerer noch sauerstoffaffinerer Elemente aufweisen. Diese sauerstoffaffineren Elemente diffundieren während des für das Austenitisieren nötigen Hochtemperaturprozesses an die Oberfläche und bilden dort eine glasige Schicht, eine Oxidhaut, welche die darunterliegende Zinkschicht bei dem Hochtemperaturprozess vor dem Abdampfen bewahrt.
Die Anmelderin verwendet geeignete verzinkte Stahlbleche in beiden Prozessen.
Zusätzlich zu Stahlblechen mit fast reiner Zinkschicht, d.h. Stahlblechen mit einer Beschichtung im Wesentlichen aus Zink mit sauerstoffaffineren Elementen, sind auch sogenannte ZF-Be- schichtungen, auch als GA-Beschichtungen oder Galvannealed-Beschichtungen7 bekannt, bei denen Stahlbleche in der kontinuierlichen Feuerverzinkungsanlage kurz nach der Zinkbeschichtung typischerweise im Temperaturbereich 460°C bis 570 °C wärmebehandelt werden und damit am Stahlband eine Zink-Eisen-haltige Legierungsschicht entsteht. Somit reagiert das im Substrat enthaltene Eisen mit dem Zink aus dem Beschichtungsmaterial. Dies ist jedoch nur bei s.g. ZF-Beschichtungen der Fall. Bei diesen Beschichtungen wird zunächst Zink auf dem Stahlsubstrat abgeschieden und anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen. Diese Wärmebehandlung wird als Galvannealing bezeichnet. Die Schicht selbst auch als Galvannealed.
Bei der Wärmebehandlung kommt es zu einer Legierungsreaktion zwischen dem Eisen aus dem Stahl und dem Zink, sodass nach der Wärmebehandlung die Schicht eine Zink-Eisen- Legierungsschicht ist.
Das am meisten verwendete sauerstoffaffinere Element ist hierbei Aluminium, durch das sich bei der Wärmebehandlung zum Zwecke des Austenitisierens an der Oberfläche eine sehr dünne Aluminium-Oxidhaut ausbildet, die, wie schon ausgeführt, die großflächige Zinkabdampfung verhindert.
Beim Formhärten und beim Presshärten bilden sich in dieser sehr dünnen ALOs-Schicht üblicherweise Risse aus, so dass es zu geringem Verdampfen von Zink und der Bildung und Ablagerung von Zinkoxid auf der Oberfläche kommt. Nach dem Presshärten oder Formhärten weisen derartige Bauteile typischerweise eine hellgrüne bis bräunliche Oberfläche auf, die durch die Belegung mit diesen Zinkoxiden zustande kommt.
Es konnte beobachtet werden, dass pressgehärtete Bauteile oder formgehärtete Bauteile mit Zinkbeschichtungen manchmal, schwankend und unvorhersehbar, ganz oder auch nur bereichsweise, neben der bekannten grünlich-bräunlichen Farbe auch eine Silberfärbung aufweisen. Eine Silberfärbung im Sinne der Erfindung kann auch als hellgrau oder hell gräulich empfunden werden und kann zudem matt oder stellenweise auch glänzend in Erscheinung treten.
Weiter konnte herausgefunden werden, dass sich die Silberfärbung dann ausbildet, wenn bis zu einer Temperatur von 530 °C nicht die gesamte Zinkschicht in feste Zink-Eisen-Phasen umgewandelt ist, also bei 530 °C noch flüssiges Zink an der Oberfläche übrig ist und/oder es bei höheren Temperaturen an Sauerstoff mangelt. Die Temperatur von ca. 530 °C markiert das Ende der Existenz der sogenannten Zeta-Zink-Eisen-Phase.
Unterschiedliche und schwankende Färbungen der Oberfläche eines Stahlbauteils sind bezüglich der Oberfläche selbst nicht zwingend ein Qualitätsmerkmal, können jedoch zu Problemen führen.
Zudem ist es bekannt, dass sich Platinen oder Bauteile im Ofen unterschiedlich und nicht wirklich homogen erwärmen. Zudem können durch unterschiedliche Erwärmungsfortschritte unterschiedliche Eisengehalte in der Beschichtung auftreten, was wiederum zu unterschiedlichen Emissivitäten und hierdurch wiederum zu Unterschieden im Aufheizverhalten führt.
Ein inhomogenes Aufheizverhalten von Platinen beim Presshärten bzw. Bauteilen beim Formhärten ist für eine energieoptimierte, prozesssichere und wirtschaftliche Fertigung von Nachteil. In der Fertigung muss sichergestellt werden, dass die Platinen bzw. Bauteile in jedem Falle vollständig austenitisiert werden, um im Anschluss vollständig gehärtet werden zu können. Daher muss sich die minimale Ofenverweilzeit der Fertigung nach dem ungünstigsten Fall d.h. nach der langsamsten Aufheizung bzw. den niedrigsten Emissivitäten richten, selbst wenn diese Fälle nur einen Bruchteil der Fertigungsmenge ausmachen. Dies bedeutet, dass sich bei einer Fertigung mit inhomogenem Aufheizverhalten in der Regel die überwiegende Mehrheit der Platinen bzw. Bauteile länger im Ofen befinden als erforderlich, was für die die überwiegende Mehrheit der Platinen bzw. Bauteile zu einer geringeren Ausbringung und einem verringertem Prozessfenster und damit steigendem Ausschuss führt, als dies bei einem homogene- ren Aufheizverhalten der Fall wäre.
Darüber hinaus kann beim Formhärten eine unterschiedliche und schwankende Färbung der Oberfläche zu Maßhaltigkeitsproblemen führen, da die Größe des fertig gehärteten Bauteils abhängig ist von der Größe des in das Formhärtewerkzeug eingelegten austenitisierten Vorbauteils. Die Größe des in das Formhärtewerkzeug eingelegten austenitisierten Vorbauteil ist abhängig vom Abkühlverhalten des Vorbauteils zwischen Ofen und Formhärtewerkzeug, welches aufgrund der Strahlungswärmeverluste wiederum von der Emissivität der Oberfläche des Vorbauteils abhängt. Auch die Bildung der oberflächlichen Zinkoxid schicht wird hierdurch beeinflusst. Dies tritt insbesondere bei dünnen Zink-Eisen-Schichten und dünnen Blechen auf, insbesondere unter 1,5 mm Blechdicke und Zinkschichtdicke wie ZF 80 nach Norm EN 10346 - dies bedeutet, dass die Schichtauflage etwa 35 g/m2 je Seite aufweist.
Aus der DE 10 2020 113287 Al ist ein Verfahren zum Herstellen gehärteter Stahlblechbauteile bekannt, bei dem zur Vermeidung silbriger Stellen der Taupunkt im Ofen eingestellt wird.
Aus der DE 10 2020 106996 Al ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Erwärmen von zinkbeschichteten Bormanganstählen bekannt, bei der eine aktive oder passive Gaszirkulation zur Vermeidung von Silberfärbung vorgeschlagen wird.
Aus der CN 115125439 A ist es bekannt, einen Stahl 34MnB8 mit einer Zink-Eisen-beschichtung mit Haltezonen und vergleichsweise geringen Heizraten aufzuheizen.
Aus der EP 2611945 Bl ist das Gegenteil bekannt, nämlich eine Schnellaufheizung von Blechen mit einer Zink-Eisen-Beschichtung, wobei von Raumtemperatur bis 500 °C mit mindestens 15 K/s bis 50 K/s aufgeheizt werden soll.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen von Stahlblechbauteilen zu schaffen und homogene Eigenschaften der Bauteile zu gewährleisten.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird eine Aufheizung so durchgeführt, dass abgestimmt auf das Blech und die Beschichtung immer eine optimierte Aufheizung gewährleistet wird, welche zu homogene- ren Eigenschaften führt. Hierfür wird eine Formel zur Verfügung gestellt, welche die Durchführung des Verfahrens vereinfacht. Die Erwärmung kann durch Strahlung oder Konvektion erfolgen.
In einer anderen Ausführungsform kann sie durch Strahlung und Konvektion erfolgen.
Die Erwärmung durch Strahlung kann beispielsweise durch einen Infrarotstrahler bewerkstelligt werden.
Um die optimale Aufheizung vornehmen zu können, wird eine über die Ofenverweilzeit variable Heizrate eingestellt.
Insbesondere sollen die Temperaturunterschiede bei Erreichen der Zieltemperatur über die gesamte Stahlblechplatine oder des Stahlblechvorbauteils 25 K, vorzugsweise 18 K und weiter bevorzugt 15 K, nicht überschreiten. Dies kann die Schichtausbildung, insbesondere die Durchreaktion welche insbesondere im Temperaturbereich bis 530 °C ausgeprägt stattfindet, weiter homogenisieren.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass eine Aufheizung entsprechend der EP 2611945 Bl nicht zum Erfolg führt, sondern im Gegenteil die Probleme noch vergrößert.
Erfindungsgemäß wird eine Stahlblechplatine oder ein Stahlband verwendet, welche eine Zink- Eisen-haltige Beschichtung (ZF) aufweist.
Vorteilhafterweise kann diese Schicht eine Dicke von 4 pm bis 14 pm je Seite aufweisen. Dies kann einen guten Korrosionsschutz gewährleisten. Insbesondere kann die Beschichtung ein ZF60 oder ZF80 oder ZF90 oder ZF100 oder ZF120 oder ZF140 oder ZF180 nach DIN EN 10346 sein.
Besonders bevorzugt kann die metallische Korrosionsschutzschicht mittels Schmelztauchverfahren aufgebracht sein. Anschließend wird diese galvannealed. Dies kann ein einfaches und robustes Verfahren zur Aufbringung darstellen. Erfindungsgemäß wird ein pressgehärtetes, mit einer Zink-Eisen-Schicht (ZF) beschichtetes Bauteil so erwärmt, dass es eine homogene Zinkoxidschicht aufweist, eine vergleichmäßigte Erwärmung der Platine oder des Stahlblechvorbauteils möglich ist. Dies führt zu hervorragenden mechanischen Eigenschaften und stellt optimale Verarbeitungseigenschaften sicher.
Zudem wird erfindungsgemäß eine energieoptimierte (verringerter Wärmeeintrag in das Glühgut und/oder verringerte Wärmeverluste) und prozessichere (gesicherte Austenitisierung) und bei niedrigen Auflagen auch wirtschaftlich vorteilhafte (auch bei niedrigen Ofentemperaturen noch schnelle Erwärmung) Fahrweise ermöglicht.
Der Wärmebedarf beim Aufheizen von Stahlblechplatinen bzw. Stahlblechvorbauteilen in einem Ofen setzt sich zusammen aus der Wärmemenge, welche für die erwünschte Erwärmung des Glühgutes (der Platine bzw. des Teils) benötigt wird, zuzüglich der Wärmemenge durch unerwünschte Ofenverluste z.B. an Ofentüren oder Ofenhülle oder Transportelementen. Beides kann durch die erfindungsgemäß verringerte Aufheizrate minimiert werden.
Einerseits kann beispielsweise die erste Ofenzone, also jene bis zur Erreichung von 530 °C an der Platine oder Teil „kühler" eingestellt werden, als bei Verfahren nach dem Stand der Technik. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch die gesamte Ofentemperatur verringert werden, beispielsweise auf einen Bereich von 860°C bis 890°C im Vergleich zu den bisher üblichen Ofentemperaturen von 900°C bis 920°C.
Eine energieoptimierte, prozesssichere und wirtschaftlich vorteilhafte Fahrweise ist insbesondere für Auflagen ZF100 und kleiner gegeben.
Stahlgüten wie 34MnB5 oder 20MnB8 lassen sich hierbei noch energieoptimierter, prozessi- cherer und wirtschaftlicher verarbeiten, da sie niedrigere Austenitisierungstemperaturen besitzen als andere Stahlgüten. Denkbar sind auch andere Bor-Mangan-Güten mit Zugfestigkeiten von 400 bis 1200 MPa nach dem Härtevorgang.
Ein verringerter Energiebedarf wirkt sich unmittelbar auf die COz-Emissionen aus, kann daher nachhaltig umweltfreundlich durchgeführt werden. Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass möglichst einheitliche Emissionsgrade und damit ein einheitliches Aufheiz- und Abkühlverhalten der Platinen bzw. Vorbauteile dann sichergestellt werden können, wenn in einem bestimmten Temperaturbereich eine Heizrate gewählt wird, die unter einer bestimmten mittleren Heizrate liegt. Darüber hinaus kann in den anderen Temperaturbereichen bewusst eine andere Heizrate eingestellt werden, um eine optimale Aufheizung sicherstellen zu können.
Grundidee ist hierbei, die Verringerung der Temperatur mindestens der ersten Ofenzonen eines Durchlaufofens bzw. der Ofenkammertemperatur eines Mehrlagenkammerofens und damit die Herabsetzung der mittleren Aufheizraten.
Es ist vorteilhaft, wenn die mittlere Aufheizrate auf maximal 14 K/s im Temperaturbereich von Raumtemperatur (RT) bis 530 °C eingestellt wird. Dies gilt insbesondere für Beschichtungen ZF60 bis ZF180 bevorzugt auf Stahlbandmaterial 22MnB5 oder 20MnB8 oder 34MnB8.
In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die mittlere Aufheizrate auf maximal 13 K/s, 12 K/s, 11 K/s, 10 K/s oder 9 K/s eingestellt werden.
Vorteilhafterweise erfolgt die Erwärmung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C mit einer mittleren Heizrate rl und im Temperaturbereich zwischen 530 °C und 670 °C mit einer mittleren Heizrate r2 wobei die Heizraten derart eingestellt werden so dass gilt: rl < —
7*2
Insbesondere soll folgende Beziehung gelten: rl < —
Die mittlere Heizrate im Sinne der Erfindung ist der Durchschnitt der Heizrate der Stahlblechplatine bzw. Stahlblechvorbauteils bei der Aufheizung von Raumtemperatur bis 530 °C. Dies bedeutet, dass die Heizrate gerade bei der ersten Aufheizphase auf 100 °C und mehr vergleichsweise hoch liegen kann und dann kontinuierlich abnimmt, da die Temperaturdifferenz der Stahlblechplatine bzw. Stahlblechvorbauteils zur Ofentemperatur sich verringert. Berechnet wird die mittlere Heizrate über die Dauer der Erwärmung von Raumtemperatur bis 530 °C, d.h. wenn beispielsweise bei einer Raumtemperatur von 20 °C bis zur Erreichung von 530 °C im Ofen 51 Sekunden benötigt werden, beträgt die mittlere Heizrate 10 K/s.
Der Blechdickenbereich des Stahlbands kann von 0,85 mm bis 3 mm gewählt sein, bevorzugt ist 0,9 mm bis 2 mm.
Es konnte herausgefunden werden, dass sich bei der entsprechenden Auswahl einer mittleren Heizrate rl im Bereich von 3 bis 14 K/s insbesondere 6 bis 14 K/s im Zieltemperaturbereich von RT bis 530 °C eine optimale Zinkoxidschicht einstellt. Mittels der Berechnung über die Blechdicke kann der optimale Heizratenbereich ermittelt werden.
Die erfindungsgemäße Formel für die mittlere Heizrate rl von RT bis 530 °C abhängig von der Blechdicke d (in mm) lautet:
Die Konstante a (in K/s) beträgt erfindungsgemäß 6,37 K/s und ist gültig im Blechdickenbereich d von 0,85 mm bis 3 mm.
Damit kann erfindungsgemäß die Homogenität der Temperatur der Stahlblechplatine über die gesamte Platine bei einer Erwärmung auf 530 °C erhöht werden. Die maximale Temperaturdifferenz über die Platine beträgt dabei weniger als 25 K.
Darüber hinaus wurde herausgefunden, dass es alternativ oder zusätzlich sinnvoll ist, ab einer bestimmten Temperatur eine gewisse Sauerstoffsättigung an der Blechoberfläche sicherzustellen.
Insbesondere in einem Temperaturbereich oberhalb von 800 °C kann es vorteilhaft sein, die Ofenatmosphäre so einzustellen, dass zumindest 5 Vol.-% Sauerstoff zumindest an der Oberfläche der zu erhitzenden Bauteile vorhanden ist. Bezüglich der Sauerstoffsättigung wurde festgestellt, dass der für die Zinkoxidation zur Verfügung stehende Sauerstoff insbesondere bei langen Produktionsintervallen durch verbrennendes Öl, Taupunkt, Wetterlage, neue Ofenelemente und durch die Stärke der Konvektion im Ofen beeinflusst wird.
Der Sauerstoffverbrauch durch verbrennendes Öl wird durch die Menge an Korrosionsschutzöl auf der Platinen- oder Vorbauteiloberfläche sowie, im Bedarfsfall, zusätzlich durch die Menge an vorhandenem Umformöl der Kaltumformung auf der Vorbauteiloberfläche beeinflusst.
Der Taupunkt wird insbesondere durch die Klimazone und die Anlagenumgebung bestimmt.
Die Wetterlage hat einen Einfluss durch Kamineffekte bzw. auch durch Verdrängung von Sauerstoff durch gasförmige Verbrennungsprodukte. Zudem konnte festgestellt werden, dass neue Ofenelemente, wie Edelstahl- oder Keramik- oder sonstige Dämm Werkstoffe, Sauerstoff verbrauchen bzw. binden können bzw. einen Einfluss auf die Sauerstoffsättigung haben.
Es wurde herausgefunden, dass die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre, insbesondere hinsichtlich des Sauerstoffanteils, lokal inhomogen sein kann.
Vorteilhafterweise kann mindestens 5 Vol.-% Sauerstoff oberflächennah ab einer Temperatur von 800 °C zur Verfügung gestellt werden. Oberflächennah bedeutet hierbei in einem Bereich näher als 10 mm zur Oberfläche der Platine oder des Vorbauteils.
Dies kann beispielsweise mittels Frischlufteinblasung erfolgen, wobei die Frischluft vorzugsweise entsprechend vorgeheizt wird. In Mehrlagenkammeröfen, d.h. ohne eine Transportbewegung der Platinen bzw. Vorbauteile während der Erwärmung wie sie in einem Durchlaufofen erfolgt, kann zudem Konvektion durch Spülen, Anströmen, Umwälzen oder zeitweiliges Öffnen von Ofentüren erzwungen werden.
Die Erfindung betrifft somit ein Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Stahlblech, wobei aus einem ebenen Stahlband mit einer Zink-Eisen-haltigen Beschichtung eine Stahlblechplatine ausgeschnitten wird und die Stahlblechplatine entweder zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Presshärtewerkzeug in heißem Zustand umgeformt und abschreckgehärtet wird, oder die beschichtete Stahlblechplatine zu einem Stahlblechvorbauteil kalt umgeformt wird und das Stahlblechvorbauteil zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Formhärtewerkzeug abschreckgehärtet wird, wobei die Erwärmung mit einer über die Ofenverweilzeit variablen Heizrate erfolgt, wobei die Erwärmung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C mit einer mittleren Heizrate rl und im Temperaturbereich zwischen 530 °C und 670 °C mit einer mittleren Heizrate r2 erfolgt, wobei rl < r2 0,4
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die mittlere Heizrate r2 unter 7 K/s eingestellt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die mittlere Heizrate r2 zwischen 1,6 K/s und 5,6 K/s eingestellt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die mittlere Heizrate rl unter 14 K/s eingestellt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die mittlere Heizrate rl zwischen 3 K/s und 14 K/s eingestellt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass mit zunehmender Blechdicke d die Heizrate rl entsprechend reduziert wird, sodass wenn dl < d2 < d3 ist, die Heizrate rl derart eingestellt wird, dass rl(dl) > rl(d2) > rl(d3) ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die maximale mittlere Heizrate rl im Bereich von Raumtemperatur bis 530 °C gewählt wird, welche der folgenden Formel bei der Blechdicke d in mm gehorcht: rl < O (l + i) , wobei gilt: a = 6,37 K/s
Gültig für den Blechdickenbereich d von 0,85 mm bis 3 mm
Dies kann vorteilhafterweise die maximale Temperaturdifferenz bei der auf 530 °C erwärmten Stahlblechplatine auf unter 25 K verringern und damit die Homogenität der Temperaturverteilung auf der Platine bzw. Vorbauteil erhöhen. Dies kann sich vorteilhaft für die Schichtausbildung insbesondere die Durchreaktion auswirken. In einer bevorzugten Variante wird a= 5,32 K/s gewählt. Dies kann die maximale Temperaturdifferenz auf der auf 530 °C erwärmten Stahlblechplatine auf unter 18 K verringern und die zuvor erwähnten Effekte noch verstärken.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Ofenheizleistung zumindest in den ersten Ofenzonen verringert wird, sodass die mittlere Aufheizrate herabgesetzt bzw. auf maximal 14 K/s von Raumtemperatur bis 530°C eingestellt wird. Dies kann vorteilhafterweise die Energieverluste im Ofeneingangsbereich minimieren, da hier die Stahlblechplatine oder Vorbauteile entsprechen in den Ofen geführt werden und bei einer Absenkung der Temperatur in der ersten Ofenzone die Verluste minimiert werden können.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Erwärmung im Temperaturbereich von 530°C bis 670°C mit einer mittleren Heizrate r2 erfolgt, wobei gilt: r2 < 0,9 * rl . Damit kann vorteilhafterweise der Zerfall der Delta-ZnFe-Phase vergleichmäßigt werden und die Oxidbildung für die weiteren Verarbeitungseigenschaften wie Schweißen bzw. Phosphatier- barkeit günstig beeinflusst werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Erwärmung im Temperaturbereich über r2
670°C bis 780°C mit einer mittleren Heizrate r3 erfolgt, wobei gilt: — < r3 < r2. Dadurch kann vorteilhaftweise der Zerfall der Gamma-ZnFe-Phase vergleichmäßigt und damit kann eine homogenere Erwärmung der gesamten Oberfläche sichergestellt als auch das spätere Abkühlverhalten homogener gestalten werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Zink-Eisen-haltige Beschichtung einen Eisengehalt von 8 bis 14%, insbesondere 8 bis 12%, aufweist und als Rest Zink. Der Eisengehalt kann vorteilhafterweise in diesem Bereich liegen, um die Erwärmung optimal zu gewährleisten.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass die Beschichtung aus der Spezifikationen ZF60 bis ZF180 nach DIN EN 10346 gewählt wurde. ZF60, also eine Zink-Eisen-haltige Beschichtung mit etwa 30 g/m2 je Seite kann bereits einen gewissen Korrosionsschutz bieten und lässt sich auch gut weiterverarbeiten. Je nach Korrosionsschutzanforderung kann eine dickere Schichtauflage bis zu 90 g/m2 je Seite vorteilhaft sein.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Erwärmung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C mit einer mittleren Heizrate rl von mindestens 3 K/s, bevorzugt mindestens 6 K/s, erfolgt. Vorteilhafterweise kann die mittlere Heizrate rl über 6 K/s liegen, um die Aufheizdauer zu verkürzen und die Taktzeit gering zu halten.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass für die Erwärmung oberhalb von 800 °C ein Sauerstoffgehalt in der Ofenatmosphäre in einem Bereich näher als 10 mm zur Oberfläche der Platine oder des Stahlvorbauteils von mindestens 5 Vol.-% gewährleistet wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass bei einem Durchlaufofen im Ofenbereich, der einer Platinen- oder Vorbauteiltemperatur bis 530 °C entspricht, die Ofenheizleistung derart verringert wird, dass die Heizrate von 14 K/s im Temperaturbereich bis 530 °C nicht überschritten wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in den Bereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil eine Temperatur von mehr als 530 °C aufweist, die Ofenheizleistung erhöht wird. Dies kann die Taktzeit möglichst gering halten.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die gesamte Ofentemperatur auf einen Bereich von 860 °C bis 890 °C gesenkt wird. Damit können vorteilhafterweise der Energiebedarf sowie die COz-Emissionen gering gehalten werden. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in den Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil eine Temperatur von mehr als 530 °C aufweist, die Ofenheizleistung reduziert oder konstant gehalten wird. Dadurch können vorteilhafterweise der Energiebedarf und die COz-Emissionen gering gehalten werden.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil 800 °C oder mehr aufweist, der Ofenatmosphäre Frischluft, insbesondere vorgeheizte Frischluft oder Sauerstoff, zugeführt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil 800 °C oder mehr aufweist, die vorhandene Ofenatmosphäre umgewälzt wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass in Erwärmungseinrichtungen in denen die Platine oder das Stahl vorbauteil stationär aufgewärmt wird, wie beispielsweise Mehrlagenkam- meröfen, die Ofenheizleistung dauerhaft oder im zeitlichen Verlauf derart verringert wird, dass die mittlere Heizrate von 14 K/s im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C nicht überschritten wird.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Zink-Eisen-haltige Beschichtung eine Schichtdicke von 4 pm bis 14 pm je Seite aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass die Zink-Eisen-haltige Beschichtung mittels eines Schmelztauchverfahrens, insbesondere durch Feuerverzinken, aufgebracht und anschließend galvannealed wurde. Dies kann ein einfaches und robustes Verfahren mit herausragender Reproduzierbarkeit darstellen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Stahlband eine Blechdicke von 0,85 mm bis 3 mm aufweist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass das Stahlband aus einer härtbaren Stahllegierung, insbesondere einem Bor-Mangan-Stahl und besonders bevorzugt eines 22MnB5 oder 20MnB8 oder 34MnB5, gebildet ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, dass als Stahlband ein Band mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wird (alle Angaben in Gew.-%):
Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,10 bis 0,30 und
Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5 und
Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 und
Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9 und
Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,001 bis 0,1 und
Nickel bis 0,9, vorzugsweise bis 0,2 und
Titan bis 0,2 vorzugsweise 0,02 bis 0,1 und
Vanadin bis 0,2 und
Wolfram bis 0,2 und
Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 und
Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 und
Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008 und
Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01 und
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
Figur 1: der bevorzugte mittlere Heizratenbereich von RT bis 530 °C über die Blechdicke für eine erste Konstante a;
Figur 2: der bevorzugte mittlere Heizratenbereich von RT bis 530 °C über die Blechdicke für eine zweite Konstante a; Figur 3: eine mögliche Ofentemperatur in der Zone bis 530 °C für eine erste Konstante a;
Figur 4: die Temperaturverteilung über die Platine mit einer Heizrate rl nach dem
Stand der Technik;
Figur 5: zwei Blechproben ca. 220 mm x 300 mm mit unterschiedlichen Aufheizraten in
Draufsicht;
Figur 6: zwei Blechproben mit unterschiedlichen Aufheizraten in Querschliffaufnahme;
Figur 7: eine beispielhafte Aufheizkurve für ZF110.
Erfindungsgemäß wird ein pressgehärtetes, mit einer Zink-Eisen-Schicht (ZF) beschichtetes Bauteil so erwärmt, dass es eine homogene Zinkoxidschicht aufweist und dass eine ver- gleichmäßigte Erwärmung der Platine möglich ist. Dies gewährleistet hervorragende mechanische Eigenschaften und stellt optimale Verarbeitungseigenschaften sicher.
Zudem wird erfindungsgemäß eine energieoptimierte Fahrweise (verringerter Wärmeeintrag in das Glühgut und/oder verringerte Wärmeverluste) ermöglicht, da jene Ofenzone bis die Blechplatine 530 °C erreicht mit verringerter Temperatur gefahren werden kann und daher die Energieverluste in der ersten Ofenzone minimiert werden können. Dies senkt die Energiekosten und erhöht die Verfahrenseffizienz.
Erfindungsgemäß wurde herausgefunden, dass möglichst einheitliche Emissionsgrade und damit ein einheitliches Aufheiz- und Abkühlverhalten der Platinen bzw. Vorbauteile dann sichergestellt werden kann, wenn in einem bestimmten Temperaturbereich eine Heizrate rl gewählt wird, die unter einer kritischen Heizrate liegt.
Grundidee ist hierbei, die Verringerung der Temperatur der ersten Ofenzonen und damit Herabsetzung der mittleren Aufheizraten rl von Raumtemperatur (RT) bis 530 °C. Somit soll die mittlere Aufheizrate rl derart eingestellt werden, dass sie folgende Beziehung erfüllt, wobei r2 die mittlere Aufheizrate r2 im Bereich von 530°C bis 670°C darstellt, wobei gilt: ' 3 rl < — 0,4
7*2 insbesondere soll gelten: rl < —
Es ist besonders vorteilhaft, wenn die Heizrate rl auf maximal 14 K/s eingestellt wird. Dies gilt insbesondere für Beschichtungen ZF60 bis ZF180 mit einer Blechdicke von 0,85 mm bis 3 mm.
Die Raumtemperatur ist im Sinne der Erfindung die Ausgangstemperatur, die Bleche oder Vorbauteile haben, bevor sie in einen Ofen eingebracht werden. Es ist die Temperatur, die in der Fertigungsstätte herrscht bzw. durch einen warmen Warenträger geringfügig angewärmt wird, d.h. eine Ausgangstemperatur von 50 °C oder 60 °C sind auch denkbar. Diese Temperatur kann natürlich jahreszeitlich schwanken, ist aber an sich in ihrer Schwankungsbreite irrelevant für den nachfolgenden Prozess.
Für den Fall, dass eine klare Definition benötigt wird, wird die Raumtemperatur auf die Standardtemperatur von 20 °C festgelegt.
Nachfolgend angegebene Temperaturen sind in °C zu verstehen. Temperaturdifferenzen können in K (Kelvin) angegeben sein. So weit nicht anders angegeben, sind Gehalte in Legierungen in Masseprozent (M-%) angegeben.
Es konnte herausgefunden werden, dass sich bei der entsprechenden Auswahl einer mittleren Heizrate rl im Bereich von 4 bis 14 K/s, insbesondere 6 bis 14 K/s, im Zieltemperaturbereich von RT bis 530 °C eine gleichmäßige Zinkoxidschicht einstellt.
Die erfindungsgemäße Formel für die mittlere Heizrate rl abhängig von der Blechdicke d (in mm) lautet: wobei gilt: a = 6,37 K/s gültig für den Blechdickenbereich d von 0,85 mm bis 3 mm.
Somit wird die mittlere Heizrate rl in Abhängigkeit von der Blechdicke eingestellt. Mit zunehmender Blechdicke wird die Heizrate rl entsprechend reduziert, sodass wenn dl < d2 < d3 ist, die Heizrate rl derart eingestellt wird, dass rl(dl) > rl(d2) > rl(d3) ist.
Dies kann vorteilhafterweise die maximale Temperaturdifferenz bei der auf 530 °C erwärmten Stahlblechplatine auf unter 25 K verringern und damit die Homogenität erhöhen. In einer bevorzugten Variante wird a = 5,32 K/s gewählt. Dies kann die maximale Temperaturdifferenz auf der auf 530 °C erwärmten Stahlblechplatine auf unter 18 K verringern.
Wie bereits ausgeführt, erwärmen sich Platinen oder umgeformte Vorbauteile während der Erhitzung mittels Strahlung oder Konvektion zum Zwecke der Austenitisierung inhomogen, insbesondere von außen nach innen. Dieser Effekt tritt bei einer Zink-Eisen-Legierung (ZF) durch lokal unterschiedliche Eisenanteile verstärkt auf. Hierdurch wird auch die Zink-Oxid- Schicht-Bildung durch die lokal inhomogene Erwärmung beeinflusst.
Wie ausgeführt, zeigt sich überraschend, dass bei einer mittleren Heizrate rl im Bereich von 4 bis 14 Kelvin pro Sekunde im Zieltemperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C sich eine optimale Zink-Oxid-Schicht einstellt.
Dieser Effekt tritt ebenfalls ein, wenn die Heizrate r2 im Temperaturbereich von 530°C bis 670°C zwischen 1,6 bis 5,6 Kelvin pro Sekunde eingestellt wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird die Heizrate rl im Bereich von 4 bis 14 Kelvin pro Sekunde im Zieltemperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C und die Heizrate r2 im Temperaturbereich von 530°C bis 670°C zwischen 1,6 bis 5,6 Kelvin pro Sekunde eingestellt, um eine optimale Zink-Oxid-Schicht zu realisieren. In der Figur 1 ist der bevorzugte mittlere Heizratenbereich rl über die Blechdicke eingetragen, wobei man erkennt, dass die maximal zulässige mittlere Heizrate rl über die Blechdicke abnimmt. Figur 1 zeigt dabei die Darstellung für die Konstante a = 6,37 K/s - in Figur 2 erkennt man die mittlere Heizrate rl über die Blechdicke für a = 5,32 K/s. Dies kann die Homogenität der Erwärmung weiter erhöhen, in dem die maximal zulässige mittlere Heizrate rl reduziert wird. Zusätzlich wird die besonders bevorzugte Untergrenze von 6 K/s als strichlierte Linie dargestellt.
In Figur 5 ist der erfindungsgemäße Effekt auch optisch sichtbar. Hier werden zwei 1,5 mm dicke Stahlblechproben mit etwa 220 mm x 300 mm Größe mit unterschiedlich hohen Heizraten erwärmt. In der linken Aufnahme ist die Schicht aufgrund der erfindungsgemäß geringen Heizrate rl von etwa 6,5 K/s bis 530 °C absolut gleichmäßig, während sich in der rechten Aufnahme bei einer Heizrate rl von etwa 20 K/s bis 530 °C ein Randeffekt aufgrund eines ungleichmäßigen Schichtwachstums darstellt.
Dies erkennt man auch in Figur 6, wobei rechts die Beschichtung ZF80 mit einer Aufheizrate rl nach dem Stand der Technik von Raumtemperatur bis 530 °C mit 20 Kelvin pro Sekunde angewandt wurde. Gegenüber der linken Darstellung, die die gleiche Beschichtung zeigt, jedoch bei einer Aufheizrate rl nach der Erfindung, in diesem Fall mit 7,7 Kelvin pro Sekunde, erkennt man, dass die Beschichtung und Oberflächenmorphologie erheblich gleichmäßiger ist. Auch hier betrug die Blechdicke 1,5 mm.
In Figur 4 ist gezeigt, wie sich die Temperaturen in unterschiedlichen Bereichen des Blechs bei einer Aufheizrate rl von etwa 18 K/s verhalten, und man sieht insbesondere in oberen Temperaturbereichen erhebliche Unterschiede. Aber auch bei Erreichung der Temperatur um 530 °C sind bereits Temperaturunterschiede an einer Platine von bis zu 40 K möglich. Dies kann auch die Schichtreaktion stark beeinflussen und daher zu unerwünschten Effekten in der Schicht führen.
Ein geeignetes Aggregat zum Erwärmen ist beispielsweise ein Durchlaufofen, wobei Mantelstrahlrohre, welche zum Beispiel gasbeheizt sind, die Erhitzung vornehmen. In dem kriti- sehen Bereich der Temperatur zwischen RT und 530 °C, wird hierbei die Beheizung so durchgeführt, dass die kritische Heizrate rl nicht überschritten wird, während in den Bereichen darüber auch eine deutlich höhere Heizrate r2 und/oder r3 möglich ist.
Somit wird die Heizrate rl derart eingestellt, dass sie folgende Beziehung erfüllt: insbesondere 0,5
Auch ein Mehrlagenkammerofen ist geeignet, jedenfalls soll die Erwärmung mittels Strahlung und Konvektion erfolgen, wobei hierbei die Ofentemperatur vorzugsweise konstant gehalten wird und gegebenenfalls eine Absenkung der Ofentemperatur dazu führt, dass der kritische Temperaturbereich mit einer entsprechend niedrigen Heizrate rl durchschritten wird. Eine über die Ofenverweilzeit veränderliche Ofentemperatur, d.h. eine zu Beginn niedrige (also rl) und ab 530 °C angehobene Ofentemperatur zur Anpassung von r2 und/oder r3, ist jedoch auch denkbar. Dies ist beispielsweise in Figur 3 dargestellt, dabei wird die Ofentemperatur in der ersten Zone reduziert und je nach Blechdicke entsprechend angepasst.
In Figur 7 wird eine beispielhafte Aufheizkurve für eine mit ZF110 beschichtete, beölte Stahlplatine dargestellt. Man erkennt dabei, dass die Aufheizrate rl von RT bis 530°C vergleichsweise gering eingestellt ist, um eine möglichst homogene Aufheizung zu erzielen. Dabei wurde rl und r2 so gewählt, dass die Beziehung rl < — gilt. Beispielsweise kann rl bei 10 K/sek und r2 bei 5 K/sek und r3 bei 3 K/sek eingestellt sein.
Von 530°C bis 670°C wird die Heizrate r2 eingestellt, welche geringer als rl * 0,9 eingestellt wurde, sodass die Beziehung r2 < 0,9 * rlgilt In diesem Beispiel wäre
Von 670°C bis 780°C wurde zur Erzielung einer möglichst homogenen Erwärmung der gesamten Oberfläche der Platine die Heizrate r3 weiter reduziert. Andererseits soll die Heizrate nicht zu niedrig sein, um die Ofenverweilzeit nicht zu sehr auszudehnen. Daher wurde r3 2 r2 zwischen —und r2 gewählt, sodass die Beziehung — < r3 < r2 gilt.
Demzufolge ist es vorteilhaft, wenn die Heizraten rl, r2 und r3 variabel über die Ofenverweildauer eingestellt werden. Es ist besonders vorteilhaft, wenn insbesondere die Heizrate rl in Abhängigkeit von der Blechdicke im Temperaturbereich von RT bis 530 °C eingestellt wird.
Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass mit der erfindungsgemäßen Einstellung der Heizrate rl im kritischen Temperaturbereich von RT bis 530 °C wiederholbare Ergebnisse bezüglich einer einheitlichen homogenen Beschichtung erzielt werden. Eine über die Ofenverweilzeit variable Heizrate ermöglicht vorteilhafterweise eine gezielte Kombination aus homogener Erwärmung und optimaler Ofenverweilzeit.
Die Heizraten rl, r2 und r3 können variabel eingestellt werden, ohne unerwünschte Randeffekte, welche auf einem ungleichmäßigen Schichtwachstum beruhen, zu verursachen.
Die Möglichkeit, die Heizraten insbesondere im Temperaturbereich oberhalb 530 °C zu erhö- hen, führt zu einer verkürzten Ofenverweilzeit. Dies reduziert die Kosten, die CO2-Emissio- nen und erhöht somit die Verfahrenseffizienz.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus Stahlblech, wobei aus einem ebenen Stahlband mit einer Zink-Eisen-haltigen Beschichtung eine Stahlblechplatine ausgeschnitten wird und die Stahlblechplatine entweder zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Presshärtewerkzeug in heißem Zustand umgeformt und abschreckgehärtet wird, oder die beschichtete Stahlblechplatine zu einem Stahlblechvorbauteil kalt umgeformt wird und das Stahlblechvorbauteil zumindest teilbereichsweise auf eine Temperatur oberhalb Ac3 erwärmt wird und anschließend in einem Formhärtewerkzeug abschreckgehärtet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung mit einer über die Ofenverweilzeit variablen Heizrate erfolgt, wobei die Erwärmung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C mit einer mittleren Heizrate rl und im Temperaturbereich zwi- sehen 530 °C und 670 °C mit einer mittleren Heizrate r2 erfolgt, wobei rl < — .
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mittlere Heizrate r2 unter 7 K/s eingestellt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mittlere Heizrate r2 zwischen 1,6 K/s und 5,6 K/s eingestellt wird.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mittlere Heizrate rl unter 14 K/s eingestellt wird.
5. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mittlere Heizrate rl zwischen 3 K/s und 14 K/s eingestellt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mit zunehmender Blechdicke d die Heizrate rl entsprechend reduziert wird, sodass wenn dl < d2 < d3 ist, die Heizrate rl derart eingestellt wird, dass rl(dl) > rl(d2) > rl(d3) ist.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale mittlere Heizrate rl im Bereich von Raumtemperatur bis 530 °C gewählt wird, welche der folgenden Formel bei der Blechdicke d in mm gehorcht: rl £ “ (1 + j) ' wobei gilt: a = 6,37 K/s
Gültig für den Blechdickenbereich d von 0,85 mm bis 3 mm
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenheizleistung zumindest in den ersten Ofenzonen verringert wird, sodass die mittlere Aufheizrate herabgesetzt bzw. auf maximal 14 K/s von Raumtemperatur bis 530°C eingestellt wird.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung im Temperaturbereich von 530°C bis 670°C mit einer mittleren Heizrate r2 erfolgt, wobei gilt: r2 < 0,9 * rl
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung im Temperaturbereich über 670°C bis 780°C mit einer mittleren Heizrate r3 erfolgt, wobei gilt:
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zink-Eisen-haltige Beschichtung einen Eisengehalt von 8 bis 14%, insbesondere 8 bis 12%, aufweist und als Rest Zink.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus der Spezifikation ZF60 bis ZF180 gewählt wurde.
13. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C mit einer mittleren Heizrate rl von mindestens 3 K/s, bevorzugt mindestens 6 K/s, erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für die Erwärmung oberhalb von 800 °C ein Sauerstoffgehalt in der Ofenatmosphäre in einem Bereich näher als 10 mm zur Oberfläche der Platine oder des Stahlvorbauteils von mindestens 5 Vol.-% gewährleistet wird.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Durchlaufofen im Ofenbereich, der einer Platinen- oder Vorbauteiltemperatur bis 530 °C entspricht, die Ofenheizleistung derart verringert wird, dass die Heizrate von 14 K/s im Temperaturbereich bis 530 °C nicht überschritten wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Bereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil eine Temperatur von mehr als 530 °C aufweist, die Ofenheizleistung erhöht wird.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die gesamte Ofentemperatur auf einen Bereich von 860 °C bis 890 °C gesenkt wird.
18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil eine Temperatur von mehr als 530 °C aufweist, die Ofenheizleistung reduziert oder konstant gehalten wird.
19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil 800 °C oder mehr aufweist, der Ofenatmosphäre Frischluft, insbesondere vorgeheizte Frischluft oder Sauerstoff, zugeführt wird.
20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Ofenbereichen, in denen die Platine oder das Vorbauteil 800 °C oder mehr aufweist, die vorhandene Ofenatmosphäre umgewälzt wird.
21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Erwärmungseinrichtungen in denen die Platine oder das Stahl vorbauteil stationär aufgewärmt wird, wie beispielsweise Mehrlagenkammeröfen, die Ofenheizleistung dauerhaft oder im zeitlichen Verlauf derart verringert wird, dass die mittlere Heizrate von 14 K/s im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 530 °C nicht überschritten wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zink-Eisen-haltige Beschichtung eine Schichtdicke von 4 pm bis 14 pm je Seite aufweist.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zink-Eisen-haltige Beschichtung mittels eines Schmelztauchverfahrens, insbesondere durch Feuerverzinken, aufgebracht und anschließend galvannealed wurde.
24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband eine Blechdicke von 0,85 mm bis 3 mm aufweist.
25. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stahlband aus einer härtbaren Stahllegierung, insbesondere einem Bor-Man- gan-Stahl und besonders bevorzugt eines 22MnB5 oder 20MnB8 oder 34MnB5, gebildet ist.
26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahlband ein Band mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wird (alle Angaben in Gew.-%):
Kohlenstoff bis 0,4, vorzugsweise 0,10 bis 0,30 und Silizium bis 1,9, vorzugsweise 0,11 bis 1,5 und
Mangan bis 3,0, vorzugsweise 0,8 bis 2,5 und
Chrom bis 1,5, vorzugsweise 0,1 bis 0,9 und
Molybdän bis 0,9, vorzugsweise 0,001 bis 0,1 und
Nickel bis 0,9, vorzugsweise bis 0,2 und Titan bis 0,2 vorzugsweise 0,02 bis 0,1 und
Vanadin bis 0,2 und
Wolfram bis 0,2 und
Aluminium bis 0,2, vorzugsweise 0,02 bis 0,07 und
Bor bis 0,01, vorzugsweise 0,0005 bis 0,005 und Schwefel max. 0,01, vorzugsweise max. 0,008 und
Phosphor max. 0,025, vorzugsweise max. 0,01 und
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4085876B2 (ja) * 2003-04-23 2008-05-14 住友金属工業株式会社 熱間プレス成形品およびその製造方法
CN103108964B (zh) 2010-08-31 2015-06-17 塔塔钢铁艾默伊登有限责任公司 热成形涂覆的金属部件的方法和成形的部件
EP3122486A1 (de) * 2014-03-28 2017-02-01 Tata Steel IJmuiden BV Verfahren zur warmverformung eines beschichteten stahlrohlings
US11149327B2 (en) 2019-05-24 2021-10-19 voestalpine Automotive Components Cartersville Inc. Method and device for heating a steel blank for hardening purposes
DE102020106996A1 (de) 2020-03-13 2021-09-16 Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft Chargenofen für presszuhärtende Platinen oder formzuhärtende Bauteile und Verfahren zur Wärmebehandlung von presszuhärtenden Platinen oder formzuhärtenden Bauteilen
CN111618146A (zh) * 2020-05-12 2020-09-04 首钢集团有限公司 一种锌基镀层涂覆钢材热冲压方法及热冲压成型构件
CN115125439B (zh) 2022-06-16 2023-10-31 唐山钢铁集团高强汽车板有限公司 一种锌基镀层1800Mpa级热冲压成型钢及制备方法

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