WO2016192993A1 - Verfahren zum kontaktlosen kühlen von stahlblechen und vorrichtung hierfür - Google Patents

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Markus Brummayer
Kurt Etzelsdorfer
Reiner Kelsch
Andreas Sommer
Benedikt TUTEWOHL
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Voestalpine Stahl Gmbh
Voestalpine Metal Forming Gmbh
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    • F27D9/00—Cooling of furnaces or of charges therein
    • F27D2009/007—Cooling of charges therein

Definitions

  • the invention relates to a method for the contactless cooling of steel sheets and a device therefor.
  • cooling is required in many areas, for example, when flat plates must be cooled, but also when z. B. glass surfaces in the glass manufacturing treatment or processor units o. ⁇ . Must be cooled.
  • Previous cooling systems are either very expensive, or kept fairly simple, z. B. by the blowing of air or other fluids, especially water or oil, which is disadvantageous in that form on the surface always ungünsti ⁇ ge, uncontrolled flow conditions, which then become a problem when a special defined cooling is required ,
  • press-hardened components made of sheet steel are used.
  • the ⁇ se press-hardened components made of sheet steel are high-strength construction ⁇ parts that are used in particular as security components of the body region. It is possible by the USAGE ⁇ dung these high-strength steel components, to reduce the material thickness compared to a normal strength steel and thus to achieve low body weights.
  • press hardening There are two basic variety of ways at ⁇ possibilities for producing such components. A distinction is made in the so-called direct and indirect procedure.
  • the hardened component is produced.
  • the component is initially optionally in egg ⁇ nem multi-stage forming process, almost completely finished reshaped. This formed component is then also heated to a temperature above the Austenitmaschinestempe- heated and optionally maintained for a desired erforder Lent time at this temperature.
  • this heated component is transferred to a mold and inserted, which already has the dimensions of the component or the final dimensions of the component, optionally taking into account the thermal expansion of the preformed component.
  • a mold which already has the dimensions of the component or the final dimensions of the component, optionally taking into account the thermal expansion of the preformed component.
  • the direct method is a little easier to implement, but only allows shapes to be realized with a single forming step, i. relatively simple profile shapes.
  • the indirect process is a bit more complex, but it is also able to realize more complex shapes.
  • Zinc has the advantage here that zinc not only provides a barrier protection layer such as aluminum, but cathodic corrosion protection.
  • zinc-coated press-hardened construction parts fit better into the overall corrosion protection concept of driving ⁇ convincing bodywork one, as these fully in common today construction are galvanized. In this respect, contact corrosion can be reduced or eliminated.
  • microcracks in the coating can also occur which are also undesirable, but not nearly as pronounced.
  • Zinc-coated steels have so far not been used in a direct process, ie hot forming, with the exception of one component in Asia. Here steels are rather used with ei ⁇ ner aluminum-silicon coating.
  • the zinc-iron phase diagram shows that above 782 ° C, a large area arises in which liquid zinc-iron phases occur as long as the iron content is low, in particular less than 60%. However, this is also the temperature range in which the austenitized steel is thermoformed. However, it is also pointed out that if the deformation takes place above 782 ° C, there is a great risk of stress corrosion by liquid zinc, which presumably penetrates into the grain boundaries of the base steel, leading to macrocracks in the base steel. In addition, for iron levels less than 30% in the coating, the maximum temperature for forming a safe product with no macrocracks is less than 782 ° C. This is the reason why hereby no direct forming process is operated, but that indirect forming process. This is intended to circumvent the problem described.
  • a method for hot forming a steel in which a component made of a given boron-manganese steel is heated to a temperature at the Ac 3 point or higher, kept at this temperature and then heated steel sheet is deformed to the finished component, wherein the molded component is quenched by cooling from the forming temperature ⁇ structure during molding or after molding in such a manner that the cooling rate to ⁇ least the M s point corresponds to the critical cooling rate, and that the average cooling rate of the molded component from Ms point to 200 ° C in the range of 25 ° C / s to 150 ° C / s befin ⁇ det.
  • an oxide skin of the oxygen-affine elements is formed on the surface of the corrosion protection coating during heating, which protects the cathodic corrosion-protection layer, in particular the zinc layer.
  • the thermal expansion of the component is taken into account, so that neither a calibration nor a deformation are necessary in the form of curing ⁇ .
  • a method for producing partially hardened steel components wherein a board is subjected from a hardenable steel sheet turer ture- which is sufficient for a quench hardening, and the board after reaching a desired temperature and optionally a desired holding time is transferred to a forming tool by the board is formed into a component and simultaneously quenched, or the board is cold formed and the component obtained by the cold forming is then subjected to a Temperaturerhö ⁇ hung, wherein the temperature increase is carried out so that a temperature of the component is achieved, which is necessary for a quenching and the component then in a tool is transferred, in which the heated ⁇ component cooled and thereby quenched hardened, wherein during the heating of the board or the ⁇ part for the purpose of increasing the temperature to a temperature necessary for curing in the areas that a lesser
  • Hardness and / or a higher ductility should have absorption masses or are spaced with a small gap, the absorption mass with respect to their size and thickness, their thermal conductivity and their heat capacity and / or in terms of their emissivity just so dimensi ⁇ are that the in the ductile remaining area on the component acting heat energy flows through the component out through the absorption mass, so that these regions remain cooler and in particular the time necessary for curing tem- not temperature straight or only partly reach so that ⁇ se areas are not or only partially cured can be.
  • EP 2 290 133 A1 discloses a process for producing a coating which protects against corrosion and which protects against corrosion. see steel component by molding a made of a Mn steel flat steel product, which is provided before forming the steel component with a ZnNi alloy coating, be ⁇ known. In this process, the board is heated to a temperature of at least 800 ° C, where it is previously coated with the ZiNi alloy coating. This document does not deal with the problem of "liquid metal embrittlement".
  • the material used therein is an environmentally conversion retarded material, wherein in the intercooling step, the hotter, austenitized portions and the less hot, not austenitized or adapted only teilaustenitinstrumenten areas with respect to temperature and Plati ⁇ ne or the re-formed circuit board with respect to temperature homo ⁇ geninstrument.
  • a method for producing hardened components is known, wherein here a method for producing a hardened steel component is disclosed, which has a coating of zinc or a zinc alloy. From this sheet, a blank is punched out and heated to be ⁇ punched board to a temperature> AC 3 and, where ⁇ appropriate, ge ⁇ hold for a predetermined time at this temperature to complete the austenite and then transferred into a mold, formed into this and by doing Mold with a speed that is above the kriti ⁇ rule hardening speed, cooled and thus gehär ⁇ tet.
  • the steel material used is adjusted in such a way that it is delayed in conversion so that at a forming temperature which is in the range of 450 ° C.
  • a quenching hardening takes place by transformation of the austenite into martensite, but after the heating for the purpose of austenitizing before forming takes place, an active cooling, such that the circuit board from an initial heat Si cher Victoria austenitizing at a temperature of between 450 ° C to 700 ° C
  • To ⁇ is cooled, so that, despite the low temperatures takes place martensitic hardening , This is to be achieved ⁇ that that no molten zinc with austenite during the forming phase, so the entry of tensions comes into contact, because by the intercooling carried out the transformation takes place under the peritectic temperature of the iron-zinc system.
  • the cooling can be done with Heildü ⁇ sen, but is not limited to air nozzles, but also cooled tables or refrigerated presses can be used.
  • the object of the invention is to further improve a method for cooling and in particular for intermediate cooling of a steel sheet for the purpose of forming and hardening.
  • the object is achieved with a device having the features of claim 15.
  • a cooling is ensured at temperatures of 20 ° C to 900 ° C, which allows a maximum Temperaturschwan ⁇ kung of 30 ° C within a square meter.
  • the cooling media used are air gases, mixed gases but also water or other fluids. Subsequently, when only one of these Flu ⁇ ide is mentioned, this is representative of all these mentioned fluids.
  • the invention provides a low investment cost with ge ⁇ wrestle operating costs, high system availability, high flexibility and easy integration into existing production processes pro ⁇ to be achieved.
  • a surface to be cooled by means of Robo ⁇ ter or linear drives in the X, Y or Z plane moved with any specification of theorientstra ektorien and Ge ⁇ speeds is possible to cooling surfaces. In this case, the oscillation around a rest position in the X and Y plane is preferred. The further oscillation in the Z-plane (ie the height) is optionally possible.
  • the cooling means according to the invention have nozzles that are spaced from each other, wherein the nozzles are not only vonei ⁇ Nander spaced, but also from a box, bracket, or other surfaces are spaced apart.
  • the cooling devices are accordingly so executed ⁇ that the effluent from the hot plate medium finds out ⁇ reaching room and space between the nozzle and can be dissipated effectively between the nozzles and thus not cause any cross-flow or cross-flow on the surface to be cooled.
  • the intermediate spaces between the nozzles can in this case be subjected to an additional transverse flow in order to increase the cooling rate and thus effectively dissipate the cooling medium which flows out of the hot plate, that is to say virtually suck it off.
  • this crossflow should not affect the inflowing cooling medium from the nozzle to the plate, so the free jet.
  • the cooling device can have cooling fins which extend away from a cooling box and have a number of nozzles at their free ends or their free edges.
  • the cooling device may also be formed by individual cooling columns projecting away from a carrier surface, these cooling columns carrying at least one nozzle each at their surface or tip pointing away from the carrier surface.
  • the cooling columns can have a cylindrical or other cross-section, wherein the cross section of the cooling columns can also be adapted to desired cross flows and oval, flat wing-like, polygonal or similar.
  • cooling blades are not formed continuously, but interrupted or, at wide oval executed cooling columns, several nozzles emerge at a column tip.
  • the geometry of the nozzle openings or the outflow openings of the nozzles ranges from simple circular geometries to complex geometrically defined designs.
  • the nozzles or rows of nozzles are arranged offset to one another, so that the cooling columns or swords are arranged so offset from one another that the nozzles form a ver ⁇ set or other pattern. This is especially true for bilateral cooling and for the arrangement of the nozzle or nozzle rows of the top to those of the bottom.
  • the nozzles are preferably designed so controlled that the flow through the nozzle can be limited and possibly even switched off.
  • individual, controllable pins are present for each nozzle, which can limit the passage of gas.
  • a different cooling effect can for example also be achieved by the distance from the nozzle outlet opening to the surface to be cooled, for. B by different cooling column heights, is set differently.
  • the advantage of this method lies in the constant flow per nozzle and thus in easily predictable flow conditions, since the flow resistance almost does not change due to the height ⁇ changes.
  • the flow pattern to be preferred follows on the surface to be cooled of a honeycomb-like structure.
  • cooling with at least one cooling sword which cooling blade is a plate-like element which may be tapered from a base to a delivery strip himself zusharm ⁇ Lich, wherein in the delivery strip at least one nozzle is turned ⁇ introduced.
  • the sword is here hollow, so that the nozzle out of the hollow sword with a cooling fluid can be supplied.
  • the nozzles can be spaced apart spatially with wedge-like elements, said keilarti ⁇ gene elements may also narrow the space for the fluid flowing towards the nozzle.
  • a plurality of swords arranged side by side, wherein the swords are offset from each other.
  • Hydraulic diameter Nozzle DH
  • H ⁇ 6 x DH, especially 4 to 6 x DH
  • Oscillation half the distance between two cooling blades in X, Y (possibly Z)
  • the cooling with cooling columns are arranged in a similar manner.
  • the element to be cooled for. As a cow ⁇ loin plate, this moves so that the movement of the plate on the one hand and the staggered arrangement of the nozzle on the other hand ensures that the cooling fluid flows over all areas of the plate, so that a homogeneous cooling is achieved.
  • Figure 1 is a plan view of a plurality of parallel zuei ⁇ Nander nozzles arranged swords; the arrangement of the nozzle blades according to the section AA in Figure 1; a longitudinal section through a nozzle sword entspre ⁇ accordingly the section line CC in Figure 2;
  • FIG. 4 shows the detail enlargement D from FIG. 3 showing the nozzles
  • FIG. 5 shows the arrangement of the nozzle blades in a schematic perspective view
  • FIG. 6 shows an enlarged detail of the edge region of the nozzle blades with an offset within the blade arrangement
  • Figure 7 is a perspective view of an inventive
  • FIG. 10 is a highly schematic perspective view of an arrangement of nozzle columns on a frame
  • Figure 11 shows the embodiment of Figure 10 in a plan view.
  • Figure 12 shows the arrangement of Figures 10 and 11 in one
  • FIG. 13 shows the embodiment of Figures 10 to 12 with
  • Figure 14 indicates the cooling blades with the nozzles, showing a plate to be cooled with the temperature distribution and the fluid temperature distribution; 15 shows the arrangement of Figure 10, showing the VELOCITY ⁇ speed distribution;
  • FIG. 16 schematically shows the arrangement of two opposing ones
  • FIG. 17 shows the temperature distribution on a circuit board which has been cooled with a device according to the invention
  • FIG. 18 shows a structured cooled component
  • FIG. 19 shows the time-temperature curve during cooling between the furnace and forming
  • Figure 20 shows the zinc-iron diagram, with corresponding Abkühlkurven for sheets with different heated areas.
  • the cooling device 1 has cooling devices 2, 15, which have nozzles 10 which are spaced from each other, wherein the nozzles 10 not only spaced apart ⁇ stands, but also from a box 16, a carrier or other, the cooling means 2, 15 supporting Surface are arranged spaced.
  • the cooling devices 2, 15 are guided accordingly from ⁇ that the effluent from the hot plate medium finds sufficient room and space between the nozzle 10 and can dip between the nozzles quasi and thus flow does not cross or cooled, cross-flows on the Surface arise.
  • the spaces between the nozzles 10 can be applied with additional cross-flow ei ⁇ ner this case, in order to increase the cooling rate and hence, quasi exhaust the cooling medium that flows out from the hot plate ⁇ SEN.
  • this crossflow should not affect the inflowing cooling medium from the nozzle to the plate, so the free jet.
  • the cooling device 1 can have as a cooling device 2 via at least one cooling blade 2, which extends away from a cooling box 16 and at its free ends or its free edge 6 has a number of nozzles 10.
  • the cooling device can also be formed by individual cooling columns 15 projecting away from a surface, these cooling columns 15 carrying at least one nozzle 10 on their surface or tip 17 pointing away from the surface.
  • the cooling columns 15 can have a cylindrical or other cross section, wherein the cross section of the cooling columns 15 can also be adapted to desired cross flows and oval, flat wing-like or similar.
  • cooling blades 2 are not formed continuously but interrupted or, in wide oval designed cooling columns 15, several nozzles 10 emerge at a column tip.
  • Another conceivable alternative would be the connection of several cooling columns through baffles to allow an influence on the cross flow.
  • the geometry of the nozzle openings or the outflow openings of the nozzles ranges from simple circular geometries to complex geometrically defined designs.
  • the nozzles 10 or rows of nozzles are arranged offset to one another, so that the cooling columns 15 or swords 2 are arranged so offset from one another that the nozzles 10 form a staggered or other pattern.
  • An exemplary device according to the invention for cooling 1 has at least one cooling bar 2.
  • the cooling bar 2 is designed elongated flap-like and has a cooling ⁇ sword base 3, two of the cooling base sword concernedre ⁇ ckende cooling sword broadsides 4, two cooling sword sides 5, which connect the cooling sword broad sides, and a free nozzle edge. 6
  • the cooling blade 2 is hollow with a cooling-plate cavity 7, wherein the cavity is enclosed by the cooling-width sides 4, the cooling-sword partial sides 5 and the nozzle edge 6, the cooling-off blade being open at the base 3.
  • the cooling sword is inserted into a frame 8, wherein the frame 8 can be placed on a hollow fluid delivery box 16.
  • a plurality of nozzles 10 or openings is provided, which extend into the cavity 7 and thus allow the outflow of fluid out of the cavity through the nozzles 10 therethrough.
  • nozzle channels 11 extend into the cavity 7, which spatially separate the nozzles 10, at least in the area of the nozzle edge 6.
  • the nozzle channels 11 are preferably wedge-shaped in cross section, so that the nozzle channels or nozzles are separated from one another by wedge-shaped webs 12.
  • the nozzle channels are formed so that they erwei ⁇ tern to the cavity 7, so that an inflowing fluid is accelerated by the constriction of the nozzle channels.
  • the cooling-shaft broad sides 4 may be formed converging from the cooling-plate base 3 toward the nozzle edge 6, so that the cavity 7 narrows towards the nozzle edge 6.
  • cooling-sword partial sides 5 can be designed to converge or divergent.
  • at least two cooling blades 2 are provided, which are arranged with respect to the broad sides parallel to each other, wherein the cooling blades 2 are offset with respect to the distance of the nozzles 10 by half a nozzle distance from each other.
  • the nozzles 10 may, based on the extent of the nozzle edge 6, also be oblong aligned to the nozzle edge 6adedbil ⁇ det, the nozzles 10 but also round, oval in alignment with the nozzle edge 6 or oval transverse to the nozzle edge, six, eight or polygonal be educated.
  • a plurality of projecting cooling columns 15 or cylinders 15 are arranged on the frame 8 and carry at least one nozzle 10 each at their free outer tip 17 or surface 17.
  • This frame 8 is likewise inserted in a cooling box 16 (FIG. 13) so that fluid flowing into the cooling box 16 emerges from the respective cooling columns 15 and the nozzles 10.
  • the nozzles 10 are thus virtually isolated in this embodiment, with the previously to the nozzles 10 and their geometry and with respect to the Nozzle channels 11 made statements apply to this embodiment as well.
  • nozzle channels 11 devices may be present, which can reduce the effective nozzle cross-section by axial displacement and thus influence the gas flow.
  • pins are suitable which have a cross section corresponding to the cross section of the SI ⁇ se in the outlet region, wherein the pins may be adapted to a shape of the nozzle channel 11, for example a conical shape.
  • the pins can be designed to be individually displaceable in such a way that they reduce the effective nozzle cross-section or nozzle channel cross-section when advancing into the nozzle channel and thus influence the gas flow and the flow velocity.
  • the nozzle 10 Upon complete insertion of a pin, the nozzle 10 is preferably completely closed.
  • the pins of the nozzles 10 can be controlled individually, row by row, sword ⁇ wise or grouped in any other way, whereby it is possible to form a certain flow profile in the cooling device so that an object to be cooled is not uniform, but different degrees of cooling.
  • diaphragms or stencils with arbitrary embodiments can also be provided for this purpose, which ensure the desired flow profile on the object to be cooled.
  • a device for cooling 1 ( Figure 12) has z. B. two arrangements of cooling fins 2 or two rows of cooling columns 15 in a frame 8, wherein the frame 8 are formed with corresponding fluid supply lines 14 and in particular on the cooling fins 2 or cooling columns 15 side facing away with a fluid box 16, in which Pressure fluid is present, in particular by the supply of pressurized fluid.
  • a movement means 18 is provided, wherein the movement means 18 is designed so that it can pass a body to be cooled between the opposite cooling blade assemblies so that on Cooling body can be acted on both sides cooling.
  • the body to be cooled does not have to be discontinued by the movement device or it must not be overturned, ie the cooling takes place in the gripped state of the body to be cooled on the way from oven to press.
  • the distances of the nozzle edges 6 to be cooled body amount to z. B. 5 mm to 250 mm.
  • the cooling pattern moves according to Figure 10 over the surface of the body to be cooled, wherein the effluent from the hot body medium between the cooling blades 2 or cooling columns 15 finds sufficient space around flow out and thus no crossflow on the surface to be cooled is formed.
  • the intermediate spaces can be acted upon by corresponding flow means with an additional transverse flow in order to suck the medium flowing onto the hot body between the swords.
  • a conventional boron-manganese steel is Example ⁇ , a 22MnB5 or 20MnB8 for use as a press-hardened steel material with respect to the transformation of the austenite in ande ⁇ re phases used in which the conversion into deeper areas shifts and martensite can be formed.
  • Titanium (Ti) 0, 01-0, 08
  • Titanium (Ti) 0, 03-0, 04 Nitrogen (N) ⁇ 0.007
  • FIG. 19 shows a favorable temperature profile for an austenitized steel sheet, wherein it can be seen that after heating to a temperature above the austenitizing temperature and the corresponding introduction into a cooling device, a certain cooling already takes place. This is followed by a rapid intermediate cooling step.
  • the intermediate is advantageously carried out with Abkühlgeschwin ⁇ speeds of at least 15 K / s, preferably at least 30 K / s, more preferably at least 50 K / s rule cooling step.
  • At- closing the board is transferred to the press and carried out the forming and curing.
  • Figure 20 can be seen in the iron-carbon diagram, such as a board with different hot Berei ⁇ chen is treated accordingly. It can be seen for the hot, to be cured areas a high starting temperature between 800 ° C and 900 ° C while the soft areas have been heated to a temperature below 700 ° C and in particular are then not available for curing. A temperature adjustment can be seen at a temperature of about 550 ° C or slightly lower, and after an increased cooling of the hotter areas, the temperature of the softer areas undergoes a rapid cooling at about 20 K / s.
  • the temperature equalization is carried out such that there are still differences in the temperatures of the (previously) hot regions and the (previously) colder regions, which do not exceed 75 ° C., in particular 50 ° C. exceed (in both directions).
  • the intermediate cooling is preferably carried out in such a way that the board is brought into the cooling device and is homogeneously flown with the nozzles of the cooling blades with a gaseous cooling medium and cooled to a uniform, lower temperature.
  • the nozzles or the cooling blades are controlled in such a way and in particular the nozzles by means of the devices or pins so controlled that only the hot areas to at least the peritectic temperature of zinc Iron diagram are cooled and the remaining areas may be less or not flown be used to equalize the temperature in the board. This ensures that a bezüg ⁇ lich the temperature homogeneous board is inserted into the forming and quenching.
  • blanks can be processed, which are made of different sheets, ie sheets of different steel grades or sheets of different thicknesses.
  • a composite board which is assembled from different sheets of different thickness, must also be cooled differently, since a thicker sheet of the same temperature must be cooled more than a correspondingly thinner sheet.
  • the device can thus also a board with different sheet thicknesses, regardless of whether this is formed by different thickness composite or welded together sheet metal pieces or under defenceli ⁇ che roll thicknesses are rapidly intercooled homogeneously.
  • a homogeneous cooling of hot elements is possible, which is inexpensive and has a high variability in the target temperature and possible throughput times.
  • a sheet steel plate can be very reliably intercooled over its entire area or in some areas very accurately and with high reliability and speed prior to insertion into a forming tool or a form hardening tool.

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Abstract

Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils, wobei eine Platine ausgestanzt wird und die ausgestanzte Platine entweder vollständig oder teilbereichsweise auf eine Temperatur ≥Ac3 erhitzt und ggf. bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird, um die Austenitbildung durchzuführen, und anschließend die vollständig oder teilbereichsweise aufgeheizte Platine in ein Formwerkzeug überführt wird, in dem Formwerkzeug umgeformt wird und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt und dadurch gehärtet wird, oder fertig kalt umgeformt wird und die umgeformte Platine vollständig oder teilbereichsweise auf eine Temperatur ≥Ac3 erhitzt und gegebenenfalls bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird, um die Austenitbildung durchzuführen, und anschließend die vollständig oder teilbereichsweise aufgeheizte und umgeformte Platine in ein Härtewerkzeug überführt wird, in dem Härtewerkzeug mit einer Geschwindigkeit gehärtet wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, wobei der Stahlwerkstoff derart umwandlungsverzögert eingestellt ist, dass bei einer Umformtemperatur, die im Bereich von 450°C bis 700 °C liegt, eine Abschreckhärtung durch Umwandlung des Austenits in Martensit stattfindet, wobei nach dem Erhitzen und vor dem Umformen ein aktives Kühlen stattfindet, bei dem die Platine oder Teile der Platine oder die umgeformte Platine oder Bereiche hiervon mit einer Abkühlgeschwindigkeit >15K/s abgekühlt wird, wobei zum homogenen, kontaktlosen Kühlen der heißen Platinen oder Bauteile eine Kühlvorrichtung und ein Objekt mit einer heißen Oberfläche relativ zueinander bewegt werden, wobei die Kühlvorrichtung zumindest zwei parallele, beabstandete Kühlschwerter oder Kühlsäulen verfügt, wobei die Kühlschwerter oder Kühlsäulen zur zu kühlenden Platine oder zum zu kühlenden Bauteil hin eine Düsenkante mit Düsen besitzen, wobei ein Kühlfluid durch die Düsen auf die Oberfläche der Platine oder des Bauteils gelenkt wird und das Kühlfluid in den Zwischenraum zwischen den Schwertern oder Kühlsäulen nach der Kontaktierung der heißen Oberfläche abströmt.

Description

Verfahren zum kontaktlosen Kühlen von Stahlblechen und Vorrichtung hierfür Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontaktlosen Kühlen von Stahlblechen und eine Vorrichtung hierfür.
Im technischen Bereich werden Kühlungen in vielen Bereichen benötigt, beispielsweise wenn ebene Platten gekühlt werden müssen, aber auch wenn z. B. Glasflächen bei der Glasherstel lung oder Prozessoreinheiten o. ä. gekühlt werden müssen.
Bisherige Kühlsysteme sind entweder sehr aufwändig, oder recht einfach gehalten, z. B. durch das Anblasen von Luft oder mit anderen Fluiden, insbesondere Wasser oder Öl, wobei hierbei von Nachteil ist, dass sich an der Oberfläche immer ungünsti¬ ge, unkontrollierte Strömungsbedingungen ausbilden, die dann zum Problem werden, wenn eine besondere definierte Kühlung erforderlich ist.
Insgesamt ist im Stand der Technik davon auszugehen, dass ungünstige Strömungsbedingungen auf der zu kühlenden ebenen Oberfläche, sogenannter Crossflow, bestehen und diese heterogene Oberflächentemperaturen erzeugen. Dies ist insbesondere dann von Nachteil, wenn im Bereich der Oberfläche zur Erzie¬ lung homogener Materialeigenschaften auch homogene Temperaturen notwendig sind. Insbesondere können inhomogene Oberflä¬ chentemperaturen auch zu Verzug führen.
Darüber hinaus ist mit herkömmlichen Kühlmethoden ein kontrol liertes Erreichen einer vorgegebenen Zieltemperatur ebenso we nig möglich, wie die systematische Einstellung von nahezu be¬ liebigen Kühlraten bis zu einer maximal erreichbaren Kühlrate Besondere Schwierigkeiten bestehen dann, wenn unterschiedliche Materialdicken oder Ausgangstemperaturen auf einer Kühlfläche vorhanden sind, welche auf homogene Temperaturverhältnisse ab¬ gekühlt werden sollen.
Es ist bekannt, dass insbesondere in Automobilen sogenannte pressgehärtete Bauteile aus Stahlblech eingesetzt werden. Die¬ se pressgehärteten Bauteile aus Stahlblech sind hochfeste Bau¬ teile, die insbesondere als Sicherheitsbauteile des Karosse- riebereichs verwendet werden. Hierbei ist es durch die Verwen¬ dung dieser hochfesten Stahlbauteile möglich, die Materialdicke gegenüber einem normalfesten Stahl zu reduzieren und somit geringe Karosseriegewichte zu erzielen. Beim Presshärten gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Mög¬ lichkeiten zur Herstellung derartiger Bauteile. Unterschieden wird in das sogenannte direkte und indirekte Verfahren.
Beim direkten Verfahren wird eine Stahlblechplatine über die sogenannte Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und gegebe¬ nenfalls so lange auf dieser Temperatur gehalten, bis ein gewünschter Austenitisierungsgrad erreicht ist. Anschließend wird diese erhitzte Platine in ein Formwerkzeug überführt und in diesem Formwerkzeug in einem einstufigen Umformschritt zum fertigen Bauteil umgeformt und hierbei durch das gekühlte
Formwerkzeug gleichzeitig mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt. Somit wird das gehärtete Bauteil erzeugt. Beim indirekten Verfahren wird zunächst, gegebenenfalls in ei¬ nem mehrstufigen Umformprozess , das Bauteil fast vollständig fertig umgeformt. Dieses umgeformte Bauteil wird anschließend ebenfalls auf eine Temperatur über die Austenitisierungstempe- ratur erhitzt und gegebenenfalls für eine gewünschte erforder liehe Zeit auf dieser Temperatur gehalten.
Anschließend wird dieses erhitzte Bauteil in ein Formwerkzeug überführt und eingelegt, welches schon die Abmessungen des Bauteils bzw. die Endabmessungen des Bauteils, gegebenenfalls unter Berücksichtigung der Wärmedehnung des vorgeformten Bauteils, besitzt. Nach dem Schließen des insbesondere gekühlten Werkzeuges wird somit das vorgeformte Bauteil lediglich in diesem Werkzeug mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit abgekühlt und dadurch gehärtet .
Das direkte Verfahren ist hierbei etwas einfacher zu realisie ren, ermöglicht jedoch nur Formen, die tatsächlich mit einem einzigen Umformschritt zu realisieren sind, d.h. relativ einfache Profilformen.
Das indirekte Verfahren ist etwas aufwändiger, dafür aber in der Lage auch komplexere Formen zu realisieren.
Zusätzlich zum Bedarf an pressgehärteten Bauteilen entstand der Bedarf, derartige Bauteile nicht aus unbeschichtetem
Stahlblech zu erzeugen, sondern derartige Bauteile mit einer Korrosionsschutzschicht zu versehen.
Als Korrosionsschutzschicht kommen im Automobilbau lediglich das eher in geringem Maße verwendete Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Frage oder aber die erheblich häufiger verlang ten Beschichtungen auf der Basis von Zink. Zink hat hierbei den Vorteil, dass Zink nicht nur eine Barriereschutzschicht wie Aluminium leistet, sondern einen kathodischen Korrosionsschutz. Zudem passen sich zinkbeschichtete pressgehärtete Bau teile besser in das Gesamtkorrosionsschutzkonzept der Fahr¬ zeugkarosserien ein, da diese in heute gängiger Bauweise voll verzinkt sind. Insofern kann Kontaktkorrosion vermindert oder ausgeschlossen werden.
Bei beiden Verfahren konnten jedoch Nachteile aufgefunden wer- den, die auch im Stand der Technik diskutiert werden. Bei dem direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung von presshärtenden Stählen mit Zinkbeschichtung kommt es zu Mikro- (10 μιη bis 100 μιη) oder sogar Makrorissen im Material, wobei die Mikrorisse in der Beschichtung erscheinen und die Makrorisse sogar durch den vollständigen Blechquerschnitt reichen. Derartige Bauteile mit Makrorissen sind für die weitere Verwendung ungeeignet.
Beim indirekten Prozess, d.h. der Kaltumformung mit einer anschließenden Härtung und Restformung, kann es ebenfalls zu Mikrorissen in der Beschichtung kommen, welche ebenfalls unerwünscht sind, aber bei weitem nicht so ausgeprägt.
Zinkbeschichtete Stähle werden bislang - bis auf ein Bauteil im asiatischen Raum - im direkten Verfahren, d.h. der Warmum- formung, nicht eingesetzt. Hier werden vielmehr Stähle mit ei¬ ner Aluminium-Silizium-Beschichtung eingesetzt.
Einen Überblick erhält man in der Veröffentlichung "Corrosion resistance of different metallic coatings on press hardened steels for automotive", Arcelor Mittal Maiziere Automotive Product Research Center F-57283 Maiziere-Les-Mez . In dieser Veröffentlichung wird ausgeführt, dass es für den Warmumform- prozess einen aluminierten Bor-Mangan-Stahl gibt, der unter dem Namen Usibor 1500P kommerziell vertrieben wird. Zudem wer- den zum Zwecke des kathodischen Korrosionsschutzes zinkvorbe- schichtete Stähle für das Warmumformverfahren vertrieben, nämlich der verzinkte Usibor Gl mit einer Zinkbeschichtung, die geringe Anteile von Aluminium enthält, und ein sogenannter galvanealed beschichteter Usibor GA, der eine Zinkschicht mit 10 % Eisen enthält.
Es wird darauf hingewiesen, dass das Zink-Eisen-Phasendiagramm zeigt, dass oberhalb von 782°C ein großer Bereich entsteht, in dem flüssige Zink-Eisen-Phasen auftreten, solange der Eisengehalt gering, insbesondere geringer als 60 % ist. Dies ist jedoch auch der Temperaturbereich, in dem der austenitisierte Stahl warm umgeformt wird. Es wird aber auch darauf hingewie- sen, dass, wenn die Umformung oberhalb von 782°C stattfindet, ein großes Risiko der Spannungskorrosion durch flüssiges Zink besteht, welches vermutlich in die Korngrenzen des Basisstahls eindringt, welche zu Makrorissen im Basisstahl führt. Darüber hinaus ist bei Eisengehalten geringer als 30 % in der Be- Schichtung die Maximaltemperatur zum Umformen eines sicheren Produkts ohne Makrorisse niedriger als 782°C. Dies ist der Grund, warum hiermit kein direktes Umformverfahren betrieben wird, sondern dass indirekte Umformverfahren. Hiermit soll das geschilderte Problem umgangen werden.
Eine weitere Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, soll da¬ rin liegen, galvannealed beschichteten Stahl zu verwenden, da der zu Beginn schon bestehende Eisengehalt von 10 % und die Abwesenheit einer Fe2Al5-Sperrschicht zu einer homogeneren Aus- bildung der Beschichtung von überwiegend eisenreichen Phasen führt. Dies resultiert in einer Verringerung oder Vermeidung von zinkreichen, flüssigen Phasen.
In "'STUDY OF CRACKS PROPAGATION INSIDE THE STEEL ON PRESS HARDENED STEEL ZINC BASED COATINGS ' , Pascal Drillet, Raisa
Grigorieva, Gregory Leuillier, Thomas Vietoris, 8th Interna¬ tional Conference on Zinc and Zinc Alloy Coated Steel Sheet, GALVATECH 2011 - Conference Proceedings, Genova (Italy), 2011" wird darauf hingewiesen, dass verzinkte Bleche im direkten Verfahren nicht verarbeitbar sind.
Aus der EP 1 439 240 Bl ist ein Verfahren zum Warmumformen ei- nes beschichteten Stahlproduktes bekannt, wobei das Stahlmate¬ rial eine Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung aufweist, die auf der Oberfläche des Stahlmaterials ausgebildet ist und das Stahlbasismaterial mit der Beschichtung auf eine Temperatur von 700°C bis 1000°C erwärmt und warm umgeformt wird, wobei die Beschichtung eine Oxidschicht besitzt, die hauptsächlich aus Zinkoxid besteht, bevor das Stahlbasismaterial mit der Zink- oder Zinklegierungsschicht erwärmt wird, um dann ein Verdampfen des Zinks beim Erwärmen zu verhindern. Hierfür wird ein spezieller Verfahrensablauf vorgesehen.
Aus der EP 1 642 991 Bl ist ein Verfahren zum Warmumformen eines Stahles bekannt, bei dem ein Bauteil aus einem gegebenen Bor-Mangan-Stahl auf eine Temperatur am Ac3-Punkt oder höher erhitzt wird, bei dieser Temperatur gehalten wird und dann das erhitzte Stahlblech zum fertigen Bauteil umgeformt wird, wobei das geformte Bauteil durch Kühlung von der Formgebungstempera¬ tur während des Formens oder nach dem Formen in einer solchen Weise abgeschreckt wird, dass die Abkühlrate zum Ms-Punkt zu¬ mindest der kritischen Abkühlrate entspricht und dass die durchschnittliche Abkühlrate des geformten Bauteils vom Ms- Punkt zu 200°C sich im Bereich von 25°C/s bis 150°C/s befin¬ det .
Aus der EP 1 651 789 Bl der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech bekannt, wobei hierbei Formteile aus einem mit einem kathodischen Kor¬ rosionsschutz versehenen Stahlblech kalt umgeformt werden und eine Wärmebehandlung zum Zwecke der Austenitisierung folgt, wobei vor, beim oder nach dem Kaltumformen des Formteils ein Endbeschnitt des Formteils und erforderliche Ausstanzungen o- der die Erzeugung eines Lochbildes vorgenommen werden und die Kaltumformung sowie der Beschnitt und die Ausstanzung und Anordnung des Lochbildes auf dem Bauteil 0,5 % bis 2 % kleiner ausgeführt werden als die Dimensionen, die das endgehärtete Bauteil haben soll, wobei das zur Wärmebehandlung kalt umge¬ formte Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise unter Zutritt von LuftSauerstoff auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des Stahlwerkstoffes ermöglicht und das erhitzte Bauteil anschließend in ein Werkzeug über¬ führt wird und in diesem Werkzeug eine sogenannte Formhärtung durchgeführt wird, bei der durch das Anlegen und Pressen (Hal¬ ten) des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge das Bauteil ge¬ kühlt und dadurch gehärtet wird und die kathodische Korrosi- onsschut zbeschichtung aus einer Mischung aus im Wesentlichen Zink besteht und zudem ein oder mehrere Sauerstoffäffine Ele¬ mente enthält. Hierdurch wird an der Oberfläche der Korrosi- onsschut zbeschichtung eine Oxidhaut aus den Sauerstoffäffinen Elementen während des Aufheizens gebildet, welche die kathodi- sehe Korrosionsschutzschicht, insbesondere die Zinkschicht, schützt. Zudem wird bei dem Verfahren durch die maßstäbliche Verkleinerung des Bauteils in Bezug auf seine Endgeometrie die Wärmedehnung des Bauteils berücksichtigt, so dass beim Form¬ härten weder eine Kalibrierung noch eine Umformung notwendig sind.
Aus der WO 2010/109012 AI der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile bekannt, wobei eine Platine aus einem härtbaren Stahlblech einer Tempera- turerhöhung unterworfen wird, welche für eine Abschreckhärtung ausreicht, und die Platine nach Erreichen einer gewünschten Temperatur und gegebenenfalls einer gewünschten Haltezeit in ein Umformwerkzeug überführt wird, indem die Platine zu einem Bauteil umgeformt und gleichzeitig abgeschreckt gehärtet wird, oder die Platine kalt umgeformt wird und das durch die kalte Umformung erhaltene Bauteil anschließend einer Temperaturerhö¬ hung unterzogen wird, wobei die Temperaturerhöhung so durchgeführt wird, dass eine Temperatur des Bauteils erreicht wird, die für eine Abschreckhärtung notwendig ist und das Bauteil anschließend in ein Werkzeug überführt wird, in dem das er¬ hitzte Bauteil abgekühlt und dadurch abgeschreckt gehärtet wird, wobei während des Erhitzens der Platine oder des Bau¬ teils zum Zwecke der Temperaturerhöhung auf eine zum Härten notwendige Temperatur in den Bereichen, die eine geringere
Härte und/oder eine höhere Duktilität besitzen sollen, Absorptionsmassen anliegen oder mit einem geringen Spalt beabstandet sind, wobei die Absorptionsmasse bezüglich ihrer Ausdehnung und Dicke, ihrer Wärmeleitfähigkeit und ihrer Wärmekapazität und/oder hinsichtlich ihres Emissionsgrades gerade so dimensi¬ oniert sind, dass die in dem duktil verbleibendem Bereich auf das Bauteil einwirkende Wärmeenergie durch das Bauteil hin durch in die Absorptionsmasse fließt, sodass diese Bereiche kühler bleiben und insbesondere die zum Härten notwendige Tem- peratur gerade nicht oder nur teilweise erreichen, sodass die¬ se Bereiche nicht oder nur teilweise gehärtet werden können.
Aus der DE 10 2005 003 551 AI ist ein Verfahren zur Warmumformung und Härtung eines Stahlblechs bekannt, bei dem ein Stahl- blech auf eine Temperatur über den Ac3-Punkt erwärmt wird, da¬ nach eine Abkühlung auf eine Temperatur im Bereich von 400 °C bis 600°C erfährt und erst nach Erreichen dieses Temperaturbe¬ reichs umgeformt wird. Diese Schrift geht allerdings nicht auf die Rissproblematik bzw. eine Beschichtung ein, noch wird eine Martensitbildung beschrieben. Ziel der Erfindung ist die Bildung von Zwischengefüge, sogenanntem Bainit .
Aus der EP 2 290 133 AI ist ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem metallischen, vor Korrosion schützenden Überzug ver- sehenen Stahlbauteils durch Formen eines aus einem Mn-Stahl bestehenden Stahlflachproduktes, das vor dem Formen des Stahlbauteils mit einem ZnNi-Legierungsüberzug versehen wird, be¬ kannt. Bei diesem Verfahren wird die Platine auf eine Tempera- tur von mind. 800° C erhitzt, wobei sie zuvor mit dem ZiNi- Legierungsüberzug beschichtet wird. Auf die Problematik des "liquid metal embrittlement " geht diese Druckschrift nicht ein . Aus der DE 10 2011 053 941 AI ist ein ähnliches Verfahren be¬ kannt, bei dem jedoch eine Platine oder eine umgeformte Plati¬ ne lediglich teilbereichsweise auf eine Temperatur > AC3 er¬ hitzt und für eine vorbestimmte Zeit bei dieser Temperatur ge¬ halten wird, um die Austenitbildung durchzuführen und an- schließend in ein Härtewerkzeug überführt und in dem Härte¬ werkzeug gehärtet wird, wobei die Platine mit einer Geschwin¬ digkeit abgekühlt wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt. Auch das dort verwendete Material ist ein um- wandlungsverzögertes Material, wobei bei dem Zwischenkühl- schritt die heißeren, austenitisierten Bereiche und die weniger heißen, nicht austenitisierten oder nur teilaustenitisierten Bereiche bezüglich der Temperatur angepasst und die Plati¬ ne oder die umgeformte Platine bezüglich der Temperatur homo¬ genisiert wird.
Aus der DE 10 2011 053 939 AI ist ein Verfahren zum Erzeugen gehärteter Bauteile bekannt, wobei hier ein Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils offenbart wird, welches eine Beschichtung aus Zink oder einer Zinklegierung besitzt. Aus diesem Blech wird eine Platine ausgestanzt und die ausge¬ stanzte Platine auf eine Temperatur > AC3 erhitzt und gegebe¬ nenfalls für eine vorbestimmte Zeit bei dieser Temperatur ge¬ halten, um die Austenitbildung durchzuführen und anschließend in ein Formwerkzeug überführt, in diesem umgeformt und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der kriti¬ schen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt und dadurch gehär¬ tet. Der verwendete Stahlwerkstoff wird hierbei derart umwand- lungsverzögert eingestellt, dass bei einer Umformtemperatur, die im Bereich von 450°C bis 700°C liegt, eine Abschreckhär¬ tung durch Umwandlung des Austenits in Martensit stattfindet, wobei nach dem Erhitzen zum Zwecke der Austenitisierung aber vor dem Umformen ein aktives Kühlen stattfindet, sodass die Platine von einer Ausgangswärme, die das Austenitisieren si- cherstellt, auf eine Temperatur zwischen 450°C bis 700°C abge¬ kühlt wird, so dass trotz der niedrigen Temperaturen eine mar- tensitische Härtung stattfindet. Hierdurch soll erzielt wer¬ den, dass möglichst keine Zinkschmelze mit Austenit während der Umformphase, also dem Eintrag von Spannungen, in Berührung kommt, denn durch die vorgenommene Zwischenkühlung findet die Umformung unter der peritektischen Temperatur des Systems Eisen-Zink statt. Es wird erwähnt, dass die Kühlung mit Luftdü¬ sen erfolgen kann, jedoch nicht auf Luftdüsen beschränkt ist, sondern auch gekühlte Tische oder gekühlte Pressen verwendet werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen und insbesondere zum Zwischenkühlen eines Stahlblechs zum Zwecke der Umformung und Härtung weiter zu verbessern.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekenn- zeichnet.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens zu schaffen. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
Erfindungsgemäß wird bei Temperaturen von 20°C bis 900°C eine Abkühlung gewährleistet, die eine maximale Temperaturschwan¬ kung von 30 °C innerhalb eines Quadratmeters ermöglicht. Die verwendeten Kühlmedien sind Luftgase, Mischgase aber auch Wasser oder andere Fluide. Wenn nachfolgend nur eines dieser Flu¬ ide erwähnt wird, steht dies stellvertretend für alle diese genannten Fluide. Erfindungsgemäß soll ein geringer Investitionsaufwand mit ge¬ ringen Betriebskosten, einer hohen Systemverfügbarkeit, hoher Flexibilität und der einfachen Integration in bestehende Pro¬ duktionsprozesse erreicht werden. Erfindungsgemäß wird eine zu kühlende Oberfläche mittels Robo¬ ter oder Linearantrieben in der X-, Y- oder Z-Ebene bewegt, wobei eine beliebige Vorgabe der Bewegungstra ektorien und Ge¬ schwindigkeiten der zu kühlenden Oberflächen möglich ist. Bevorzugt ist hierbei die Oszillation um eine Ruhelage in der X- und Y-Ebene. Die weitere Oszillation in der Z-Ebene (also der Höhe) ist optional möglich.
Ebenso ist eine ein- oder beidseitige Kühlung ohne weiteres möglich .
Die erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen besitzen Düsen, die voneinander beabstandet sind, wobei die Düsen nicht nur vonei¬ nander beabstandet sind, sondern auch von einem Kasten, Träger oder sonstigen Oberflächen beabstandet angeordnet sind. Die Kühleinrichtungen sind dabei dementsprechend so ausge¬ führt, dass das von der heißen Platte abströmende Medium aus¬ reichend Raum und Platz zwischen den Düsen vorfindet und zwischen den Düsen effektiv abgeführt werden kann und somit kein Crossflow bzw. Querströmungen auf der zu kühlenden Oberfläche entstehen .
Die Zwischenräume zwischen den Düsen können hierbei mit einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um die Kühlrate zu erhöhen und damit das Kühlmedium, das von der heißen Platte abströmt, effektiv abzuführen, also quasi abzusaugen. Diese Querströmung sollte jedoch nicht das anströmende Kühlmedium von der Düse zur Platte, also den Freistrahl, beeinträchtigen.
Die Kühleinrichtung kann dabei über Kühlschwerter verfügen, die sich von einem Kühlkasten wegerstrecken und an ihren freien Enden oder ihren freien Kanten eine Reihe von Düsen besitzen .
Darüber hinaus kann die Kühleinrichtung auch durch einzelne, von einer Trägeroberfläche wegstehende Kühlsäulen ausgebildet sein, wobei diese Kühlsäulen an ihrer von der Trägeroberfläche wegweisenden Fläche oder Spitze zumindest je eine Düse tragen. Die Kühlsäulen können dabei einen zylindrischen oder sonstigen Querschnitt besitzen, wobei der Querschnitt der Kühlsäulen auch an gewünschte Querströmungen angepasst und oval, flach tragflächenartig, mehreckig oder ähnlich ausgebildet sein kann .
Selbstverständlich sind auch Mischformen möglich, bei denen die Kühlschwerter nicht durchgehend, sondern unterbrochen ausgebildet sind oder, bei breit oval ausgeführten Kühlsäulen, mehrere Düsen an einer Säulenspitze austreten. Die Geometrie der Düsenöffnungen bzw. der Ausströmöffnungen der Düsen reicht von einfachen runden Geometrien bis hin zu komplexen geometrisch definierten Ausführungen.
Vorzugsweise sind die Düsen oder Düsenreihen versetzt zueinander angeordnet, so dass auch die Kühlsäulen oder Schwerter so versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Düsen ein ver¬ setztes oder sonstiges Muster bilden. Dies gilt insbesondere bei beidseitiger Kühlung auch für die Anordnung der Düsen oder Düsenreihen der Oberseite zu denen der Unterseite.
Die Düsen sind bevorzugt derart ansteuerbar ausgebildet, dass die Strömung durch die Düse begrenzt und gegebenenfalls sogar abgeschaltet werden kann. Beispielsweise sind für jede Düse einzelne, ansteuerbare Stifte vorhanden, die den Gasdurchtritt begrenzen können. Eine unterschiedliche Kühlwirkung kann beispielsweise auch dadurch erreicht werden, das der Abstand von Düsenaustrittsöffung zur zu kühlenden Oberfläche, z. B durch unterschiedliche Kühlsäulenhöhen, unterschiedlich eingestellt wird. Der Vorteil dieser Methode liegt in der gleichbleibenden Strömung je Düse und damit in gut vorhersehbaren Strömungsverhältnissen, da sich die Strömungswiderstände durch die Höhen¬ änderungen nahezu nicht verändern.
Erfindungsgemäß folgt das zu bevorzugende Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche einer wabenähnlichen Struktur.
Erfolgt die Kühlung mit zumindest einem Kühlschwert, ist das Kühlschwert ein plattenähnliches Element, welches sich zusätz¬ lich von einer Basis zu einer Ausströmleiste hin verjüngen kann, wobei in der Ausströmleiste mindestens eine Düse einge¬ bracht ist. Das Schwert ist hierbei hohl ausgebildet, sodass die Düse aus dem hohlen Schwert heraus mit einem Kühlfluid versorgt werden kann. Die Düsen können voneinander mit keilartigen Elementen räumlich beabstandet sein, wobei die keilarti¬ gen Elemente auch den Raum für das strömende Fluid zur Düse hin verengen können.
Hierdurch kommt es insbesondere zu einer Verdrehung des aus¬ strömenden Fluidstrahls .
Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Schwertern nebeneinander angeordnet, wobei die Schwerter zueinander versetzt sind.
Durch die versetzte Anordnung erfolgt eine Kühlung ebenfalls mit versetzten Punkten zueinander, wobei die Punkte ineinanderlaufend homogen kühlen und das ausgeströmte Fluid in den Bereich zwischen zwei Schwertern eingesaugt und abgeführt wird .
Bevorzugt gelten die folgenden Bedingungen: Hydraulischer Durchmesser Düse = DH, wobei DH = 4 x A / U Abstand Düse zu Körper = H
Abstand zwischen zwei Kühlschwerter/Kühlsäulen = S
Länge der Düse = L L >= 6 x DH
H <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH
S <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH (staggered array)
Oszillation = halbe Teilung des Abstand zwischen zwei Kühlschwerter in X, Y (evtl. Z)
Erfolgt die Kühlung mit Kühlsäulen, sind diese in entsprechender Weise angeordnet. Vorzugsweise wird das zu kühlende Element, z. B. eine zu küh¬ lende Platte, hierbei bewegt, sodass die Bewegung der Platte einerseits und die versetzte Anordnung der Düsen andererseits dafür sorgt, dass das Kühlfluid alle Bereiche der Platte über- strömt, sodass eine homogene Kühlung erzielt wird.
Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläu¬ tert. Es zeigen dabei: Figur 1 eine Draufsicht auf eine Mehrzahl von parallel zuei¬ nander angeordneten Düsenschwertern; die Anordnung der Düsenschwerter gemäß des Schnittes A-A in Figur 1 ; einen Längsschnitt durch ein Düsenschwert entspre¬ chend der Schnittlinie C-C in Figur 2 ;
Figur 4 die Detailvergrößerung D aus Figur 3 zeigend die Dü- sen;
Figur 5 die Anordnung der Düsenschwerter in einer schematischen perspektivischen Ansicht; Figur 6 eine Detailvergrößerung des Randbereichs der Düsenschwerter mit einem Versatz innerhalb der Schwertanordnung;
Figur 7 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen
Anordnung von Kühlschwertern, welche in einem Kühlblock zusammengefasst sind;
Figur 8 die Anordnung nach Figur 7 in einer perspektivischen
Ansicht auf die Rückseite; Figur 9 eine Ansicht von erfindungsgemäßen Kühlschwertern in deren Innenraum; Figur 10 stark schematisiert eine perspektivische Ansicht auf eine Anordnung von Düsensäulen an einem Rahmen;
Figur 11 die Ausführungsform nach Fig. 10 in einer Draufsicht; Figur 12 die Anordnung nach den Figuren 10 und 11 in einer
seitlichen Ansicht;
Figur 13 die Ausführungsform nach den Figuren 10 bis 12 mit
Kühlkasten;
Figur 14 angedeutet die Kühlschwerter mit den Düsen, wobei eine zu kühlende Platte mit der Temperaturverteilung und der Fluidtemperaturverteilung gezeigt ist; Figur 15 die Anordnung nach Figur 10, zeigend die Geschwindig¬ keitsVerteilung;
Figur 16 schematisch die Anordnung zweier gegenüberliegender
Kühlkästen aus einer Mehrzahl von versetzt zueinander angeordneten erfindungsgemäßen Kühlschwertern und einem Bewegungsschlitten zum Hindurchbewegen eines zu kühlenden Objekts;
Figur 17 die Temperaturverteilung auf einer Platine, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gekühlt wurde;
Figur 18 ein strukturiertes abgekühltes Bauteil; Figur 19 die Zeit-Temperaturkurve bei der Abkühlung zwischen Ofen und Umformung;
Figur 20 das Zink-Eisen-Diagramm, mit entsprechenden Abkühlkurven für Bleche mit unterschiedlich aufgeheizten Bereichen .
Eine mögliche Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 besitzt Kühleinrichtungen 2, 15, welche Düsen 10 besitzen, die voneinander beabstandet sind, wobei die Düsen 10 nicht nur voneinander beab¬ standet sind, sondern auch von einem Kasten 16, einem Träger oder sonstigen, die Kühleinrichtungen 2, 15 tragenden Oberflächen beabstandet angeordnet sind.
Die Kühleinrichtungen 2, 15 sind dabei dementsprechend so aus¬ geführt, dass das von der heißen Platte abströmende Medium ausreichend Raum und Platz zwischen den Düsen 10 vorfindet und zwischen den Düsen quasi eintauchen kann und somit kein Cross- flow bzw. Querströmungen auf der zu kühlenden Oberfläche entstehen .
Die Zwischenräume zwischen den Düsen 10 können hierbei mit ei¬ ner zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um die Kühlrate zu erhöhen und damit das Kühlmedium, das von der hei¬ ßen Platte abströmt, quasi abzusaugen. Diese Querströmung sollte jedoch nicht das anströmende Kühlmedium von der Düse zur Platte, also den Freistrahl, beeinträchtigen.
Die Kühlvorrichtung 1 kann dabei als Kühleinrichtung 2 über zumindest ein Kühlschwert 2 verfügen, das sich von einem Kühlkasten 16 wegerstreckt und an seinen freien Enden oder seiner freien Kante 6 eine Reihe von Düsen 10 besitzt. Darüber hinaus kann die Kühleinrichtung auch durch einzelne, von einer Oberfläche wegstehende Kühlsäulen 15 ausgebildet sein, wobei diese Kühlsäulen 15 an ihrer von der Oberfläche wegweisenden Fläche oder Spitze 17 zumindest je eine Düse 10 tragen. Die Kühlsäulen 15 können dabei einen zylindrischen o- der sonstigen Querschnitt besitzen, wobei der Querschnitt der Kühlsäulen 15 auch an gewünschte Querströmungen angepasst und oval, flach tragflächenartig oder ähnlich ausgebildet sein kann.
Selbstverständlich sind auch Mischformen möglich, bei denen die Kühlschwerter 2 nicht durchgehend sondern unterbrochen ausgebildet sind oder, bei breit oval ausgeführten Kühlsäulen 15, mehrere Düsen 10 an einer Säulenspitze austreten. Eine weitere denkbare Alternative wäre die Verbindung von mehreren Kühlsäulen durch Leitbleche um eine Beeinflussung des Querstroms zu ermöglichen. Die Geometrie der Düsenöffnungen bzw. der Ausströmöffnungen der Düsen reicht von einfachen runden Geometrien bis hin zu komplexen geometrisch definierten Ausführungen.
Vorzugsweise sind die Düsen 10 oder Düsenreihen versetzt zuei- nander angeordnet, so dass auch die Kühlsäulen 15 oder Schwerter 2 so versetzt zueinander angeordnet sind, dass die Düsen 10 ein versetztes oder sonstiges Muster bilden.
Eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen 1 besitzt zumindest ein Kühlschwert 2. Das Kühlschwert 2 ist lang gestreckt klappenartig ausgebildet und besitzt eine Kühl¬ schwertbasis 3, zwei sich von der Kühlschwertbasis weg erstre¬ ckende Kühlschwertbreitseiten 4, zwei KühlschwertSchmalseiten 5, welche die Kühlschwertbreitseiten verbinden, und eine freie Düsenkante 6.
Das Kühlschwert 2 ist hohl mit einem Kühlschwerthohlraum 7 ausgebildet, wobei der Hohlraum von den Kühlschwertbreitseiten 4, den KühlschwertSchmalseiten 5 und der Düsenkante 6 umschlossen wird, wobei das Kühlschwert an der Basis 3 offen ist. Mit der Kühlschwertbasis 3 ist das Kühlschwert in einen Rahmen 8 eingesetzt, wobei der Rahmen 8 auf einen hohlen Flu- idzuführkasten 16 aufsetzbar ist.
Im Bereich der Düsenkante 6 ist eine Mehrzahl von Düsen 10 bzw. Öffnungen eigebracht, welche in den Hohlraum 7 reichen und somit das Ausströmen von Fluid aus dem Hohlraum nach außen durch die Düsen 10 hindurch ermöglicht.
Von den Düsen 10 erstrecken sich Düsenkanäle 11 in den Hohlraum 7 hinein, welche die Düsen 10 zumindest im Bereich der Düsenkante 6 räumlich voneinander trennen. Die Düsenkanäle 11 sind dabei im Querschnitt vorzugsweise keilförmig ausgebildet, sodass die Düsenkanäle bzw. Düsen durch keilförmige Stege 12 voneinander getrennt sind. Vorzugsweise sind die Düsenkanäle dabei so ausgebildet, dass sie sich zum Hohlraum 7 hin erwei¬ tern, sodass ein einströmendes Fluid durch die Verengung der Düsenkanäle beschleunigt wird.
Die Kühlschwertbreitseiten 4 können von der Kühlschwertbasis 3 zur Düsenkante 6 hin konvergierend ausgebildet sein, sodass der Hohlraum 7 sich zur Düsenkante 6 hin verengt.
Zudem können die KühlschwertSchmalseiten 5 konvergierend oder divergierend ausgebildet sein. Vorzugsweise sind zumindest zwei Kühlschwerter 2 vorhanden, welche bezüglich der Breitseiten parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Kühlschwerter 2 bezüglich des Abstandes der Düsen 10 um einen halben Düsenabstand zueinander versetzt sind.
Darüber hinaus können auch mehr als zwei Kühlschwerter 2 vorhanden sein. Die Düsen 10 können, bezogen auf die Erstreckung der Düsenkante 6, ebenfalls länglich fluchtend zur Düsenkante 6 ausgebil¬ det sein, die Düsen 10 können jedoch auch rund, oval fluchtend zur Düsenkante 6 oder oval quer zur Düsenkante, sechs-, acht- oder mehreckig ausgebildet sein.
Insbesondere wenn die Düsen 10, bezogen auf die Längserstre¬ ckung der Düsenkante, ebenfalls länglich ausgebildet sind, insbesondere länglich oval oder länglich vieleckig, ergibt sich eine Drehung eines austretenden Fluidstrahls (Figuren 10, 11), wobei sich durch eine versetzte Anordnung um einen halben Düsenabstand ein Kühlmuster auf einem plattenartigen Körper ergibt (Figur 10), welche entsprechend versetzt ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Figuren 10 bis 13) ist auf dem Rahmen 8 eine Mehrzahl von vorstehenden Kühlsäulen 15 oder Zylindern 15 angeordnet, welche an ihrer freien äußeren Spitze 17 oder Fläche 17 zumindest je eine Düse 10 tragen. Dieser Rahmen 8 ist ebenfalls in einem Kühlkasten 16 (Fig. 13) eingesetzt, so dass in den Kühlkasten 16 einströ- mendes Fluid aus den jeweiligen Kühlsäulen 15 und den Düsen 10 austritt. Gegenüber den Kühlschwertern 2 sind bei dieser Ausführungsform somit die Düsen 10 quasi vereinzelt, wobei die zuvor zu den Düsen 10 und ihrer Geometrie und bezüglich der Düsenkanäle 11 gemachten Aussagen auf diese Ausführungsform ebenso zutreffen.
In den Düsenkanälen 11 können Einrichtungen vorhanden sein, die durch axiales Verschieben den effektiven Düsenquerschnitt verringern können und damit den Gasstrom beeinflussen. Als derartige Einrichtungen sind beispielsweise Stifte geeignet, welche einen Querschnitt besitzen, der dem Querschnitt der Dü¬ se im Austrittsbereich entspricht, wobei die Stifte an eine Form des Düsenkanals 11, beispielsweise eine konische Form, angepasst sein können. Die Stifte können einzeln verschiebbar derart ausgebildet sein, dass sie bei dem Vorschieben in den Düsenkanal den effektiven Düsenquerschnitt bzw. Düsenkanal- querschnitt verringern und damit den Gasstrom und die Strö- mungsgeschwindigkeit beeinflussen.
Bei vollständigem Einschieben eines Stiftes wird die Düse 10 vorzugsweise vollständig verschlossen. Die Stifte der Düsen 10 können einzeln, reihenweise, schwert¬ weise oder in sonstiger Weise gruppiert angesteuert werden, wodurch es möglich ist, ein gewisses Strömungsprofil in der Kühleinrichtung so auszubilden, dass ein zu kühlendes Objekt nicht gleichmäßig, sondern unterschiedlich stark gekühlt wird.
Alternativ zu Stiften können hierfür auch Blenden oder Schablonen mit beliebigen Ausgestaltungsformen vorgesehen sein, welche das gewünschte Strömungsprofil am zu kühlenden Objekt sicherstellen .
Zur Beeinflussung der Abkühlrate wäre auch eine partielle Ver¬ änderung der Länge bzw. Höhe der Kühlschwerter bzw. Kühlsäule denkbar . Diese Beeinflussung der Abkühlung ist für viele Anwendungszwecke vorteilhaft, einerseits zur unterschiedlichen Abkühlung von ebenen Platinen um Bereiche mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften zu schaffen, aber auch für tailor-welded blanks (TWB) , tailor-rolled blanks (TRB) oder tailored heated blanks(THB) um die unterschiedlich dicken Blechabschnitte bzw. die unterschiedlich temperierten Blechbereiche mit einer jeweils angepassten Abkühlrate zu kühlen um ein homogen temperiertes Objekt zu erhalten.
Auch das entsprechende Geschwindigkeitsprofil ergibt eine ent¬ sprechende Verteilung (Figur 15) .
Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass aus den Düsen 10 ausströmendes Fluid zwar auf die Oberfläche eines zu kühlenden Körpers prallt (Figuren 10, 11), jedoch offensichtlich zwischen den zumindest zwei Schwertern 2 bzw. Kühlsäulen 15 der Kühlvorrichtung 1 eintauchend abfließt, sodass die Kühlströ¬ mung an der Oberfläche eines zu kühlenden Körpers nicht ge- stört wird.
Eine Vorrichtung zum Kühlen 1 (Figur 12) besitzt z. B. zwei Anordnungen von Kühlschwertern 2 oder zwei Reihen von Kühlsäulen 15 in einem Rahmen 8, wobei die Rahmen 8 mit entsprechen- den Fluidzuführungen 14 und insbesondere auf der den Kühlschwertern 2 oder Kühlsäulen 15 abgewandten Seite mit einem Fluidkasten 16 ausgebildet sind, in dem unter Druck stehendes Fluid vorhanden ist, insbesondere durch die Zuführung unter Druck stehenden Fluids.
Zusätzlich ist eine Bewegungseinrichtung 18 vorhanden, wobei die Bewegungseinrichtung 18 so ausgebildet ist, dass sie einen zu kühlenden Körper zwischen den gegenüberliegenden Kühlschwertanordnungen so hindurchführen kann, dass auf den zu kühlenden Körper beidseitig kühlend eingewirkt werden kann. Als Bewegungseinrichtung einer Serienpresshärteanlage kann z. B. die Transfereinrichtung zwischen Ofen und Presse beispielsweise mittels Roboter oder Linearantrieb verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführung muss dabei der zu kühlende Körper durch die Bewegungseinrichtung nicht abgesetzt bzw. es muss nicht umgegriffen werden d.h. die Kühlung erfolgt im gegriffenen Zustand des zu kühlenden Körpers auf dem Weg von Ofen zu Presse .
Die Abstände der Düsenkanten 6 zum zu kühlenden Körper betragen dabei z. B. 5 mm bis 250 mm.
Durch eine Relativbewegung entweder der Vorrichtung zum Kühlen 1 zu einem zu kühlenden Körper oder umgekehrt bewegt sich das Kühlmuster gemäß Figur 10 über die Oberfläche des zu kühlenden Körpers, wobei das von dem heißen Körper abströmende Medium zwischen den Kühlschwertern 2 oder Kühlsäulen 15 ausreichend Raum vorfindet um abzuströmen und somit kein Crossflow auf der zu kühlenden Oberfläche entsteht.
Erfindungsgemäß können die Zwischenräume mit entsprechenden Strömungsmitteln mit einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um das auf den heißen Körper strömende Medium zwischen den Schwertern abzusaugen.
Erfindungsgemäß wird ein üblicher Bor-Manganstahl beispiels¬ weise ein 22MnB5 oder 20MnB8 zur Verwendung als presshärtender Stahlwerkstoff bezüglich der Umwandlung des Austenits in ande¬ re Phasen verwendet, bei dem sich die Umwandlung in tiefere Bereiche verschiebt und Martensit gebildet werden kann.
Für die Erfindung sind somit Stähle dieser Legierungs zusammen- set zung geeignet (alle Angaben in Masse-%) C Si Mn P S AI Cr Ti B N
[%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%] [%]
0,20 0,18 2,01 0,0062 0,001 0,054 0,03 0,032 0,0030 0,0041 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.
Für die Erfindung sind auch Stähle der allgemeinen Legierungszusammensetzung geeignet (alle Angaben in Masse-%) :
Kohlenstoff (C) 0 08-0,6
Mangan (Mn) 0,8-3,0
Aluminium (AI) 0, 01-0, 07
Silizium (Si) 0, 01-0,5
Chrom (Cr) 0,02-0,6
Titan (Ti) 0, 01-0, 08
Stickstoff (N) < 0,02
Bor (B) 0,002-0,02
Phosphor (P) < 0,01
Schwefel (S) < 0,01
Molybdän (Mo) < 1
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Insbesondere als geeignet erwiesen haben sich Stahlanordnungen wie folgt (alle Angaben in Masse-%) :
Kohlenstoff (C) 0,08-0,30
Mangan (Mn) 1, 00-3, 00
Aluminium (AI) 0, 03-0, 06
Silizium (Si) 0, 01-0,20
Chrom (Cr) 0,02-0,3
Titan (Ti) 0, 03-0, 04 Stickstoff (N) < 0,007
Bor (B) 0,002-0,006
Phosphor (P) < 0,01
Schwefel (S) < 0,01
Molybdän (Mo) < 1
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Durch die Einstellung der als Umwandlungsverzögerer wirkenden Legierungselemente wird eine Abschreckhärtung, d. h. eine ra- sehe Abkühlung mit einer über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegenden Abkühlgeschwindigkeit auch noch unter 780°C, sicher erreicht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall unterhalb des Peritektikums des Systems Zink-Eisen gearbeitet wird, d. h. erst unterhalb des Peritektikums mechanische Spannung aufgebracht wird. Dies bedeutet ferner, dass in dem Moment, in dem mechanische Spannung aufgebracht wird, keine flüssigen Zinkphasen mehr vorhanden sind, welche mit dem Austenit in Kontakt kommen können. Ein weiterer Vorteil der Einstellung einer höheren Umwandlungsverzögerung ist die dadurch mögliche längere Transferzeit zwischen Kühleinrichtung und Umformpres¬ se, die aufgrund von Wärmeleitung innerhalb des zu kühlenden Körpers zu einer zusätzlichen Vergleichmäßigung der Temperatur genutzt werden kann. In Figur 19 erkennt man einen günstigen Temperaturverlauf für ein austenitisiertes Stahlblech, wobei erkennbar ist, dass nach dem Aufheizen auf eine Temperatur über der Austenitisie- rungstemperatur und dem entsprechenden Verbringen in eine Kühleinrichtung bereits eine gewisse Abkühlung stattfindet. An- schließend folgt ein rascher Zwischenkühlschritt . Der Zwi- schenkühlschritt wird vorteilhafterweise mit Abkühlgeschwin¬ digkeiten mit mindestens 15 K/s, vorzugsweise mindestens 30 K/s, weiter bevorzugt mindestens 50 K/s, durchgeführt. An- schließend wird die Platine in die Presse transferiert und die Umformung und Härtung durchgeführt.
In Figur 20 erkennt man im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, wie beispielsweise eine Platine mit unterschiedlich heißen Berei¬ chen entsprechend behandelt wird. Hierbei erkennt man für die heißen, zu härtenden Bereiche eine hohe Starttemperatur zwischen 800°C und 900°C während die weichen Bereiche auf eine Temperatur unter 700 °C aufgeheizt worden sind und insbesondere dann für eine Härtung nicht zur Verfügung stehen. Einen Temperaturangleich erkennt man bei einer Temperatur von etwa 550 °C oder etwas darunter, wobei nach einer verstärkten Abkühlung der heißeren Bereiche auch die Temperatur der weicheren Bereiche eine rasche Abkühlung mit etwa 20 K/s erfährt.
Für die Zwecke der Erfindung ist es dabei ausreichend, wenn die Temperaturangleichung so durchgeführt wird, dass noch Differenzen in den Temperaturen der (vormals) heißen Bereiche und der (vormals) kälteren Bereiche bestehen, die 75°C, insbeson- dere 50°C nicht überschreiten (in beide Richtungen) .
Bei einer homogen aufgeheizten Platine erfolgt die Zwischenkühlung vorzugsweise derart, dass die Platine in die Abkühl- vorrichtung verbracht wird und mit den Düsen der Kühlschwerter homogen mit einem gasförmigen Kühlmedium angeströmt und auf eine einheitliche, tiefere Temperatur abgekühlt wird.
Für den Fall, dass eine Platine nur teilbereichsweise auf Aus- tenitisierungstemperatur aufgeheizt wurde, werden die Düsen bzw. die Kühlschwerter derart angesteuert und insbesondere die Düsen mittels der Einrichtungen bzw. Stifte so angesteuert, dass nur die heißen Bereiche auf mindestens die peritektische Temperatur des Zink-Eisen-Diagramms abgekühlt werden und die übrigen Bereiche gegebenenfalls weniger oder nicht angeströmt werden, um eine Vergleichmäßigung der Temperatur in der Platine zu erreichen. Hiermit wird sichergestellt, dass eine bezüg¬ lich der Temperatur homogene Platine in die Umform- und Abschreckeinrichtung eingelegt wird.
Darüber hinaus können Platinen verarbeitet werden, die aus unterschiedlichen Blechen, d.h. Bleche unterschiedlicher Stahlgüte oder Bleche unterschiedlicher Dicke, ausgebildet sind. Beispielsweise wird eine zusammengesetzte Platine, die aus un- terschiedlichen Blechen unterschiedlicher Dicke zusammengefügt ist, auch unterschiedlich abgekühlt werden müssen, da ein dickeres Blech gleicher Temperatur stärker abgekühlt werden muss als ein entsprechend dünneres Blech. Mit der Vorrichtung kann somit auch eine Platine mit unterschiedlichen Blechdicken, egal ob diese durch unterschiedlich dicke zusammengesetzte bzw. zusammengeschweißte Blechstücke oder durch unterschiedli¬ che Walzdicken ausgebildet ist, rasch homogen zwischengekühlt werden . Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass eine homogene Kühlung von heißen Elementen möglich ist, welche kostengünstig ist und eine hohe Variabilität hinsichtlich der Zieltemperatur und möglicher Durchlaufzeiten besitzt. Bei der Erfindung ist zudem von Vorteil, dass eine Stahlblechplatine über ihren gesamten Bereich oder teilbereichsweise sehr exakt und mit hoher Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit vor dem Einlegen in ein Umformwerkzeug oder ein Formhärtewerkzeug sehr zuverlässig zwischengekühlt werden kann. Bezugs zeichen
1 Vorrichtung zum Kühlen
2 Kühlschwert
3 Kühlschwertbasis
4 Kühlschwertbreitseiten
5 KühlschwertSchmalseiten
6 Düsenkante
7 Hohlraum
8 Rahmen
10 Düsen
11 Düsenkanäle
12 keilförmige Stege
14 Fluidzuführungen
15 Säulen
16 Kasten
17 Säulenkante/Spitze
18 Bewegungseinrichtung

Claims

Patentansprüche
Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils, wobei eine Platine ausgestanzt wird und die ausgestanzte Platine entweder vollständig oder teilbereichsweise auf ei¬ ne Temperatur ^Ac3 erhitzt und ggf. bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird, um die Austenit- bildung durchzuführen, und anschließend die vollständig o- der teilbereichsweise aufgeheizte Platine in ein Formwerk¬ zeug überführt wird, in dem Formwerkzeug umgeformt wird und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt und dadurch gehärtet wird, oder fertig kalt umgeformt wird und die umgeformte Platine vollständig oder teilbereichsweise auf eine Temperatur >AC3 erhitzt und gegebenenfalls bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird, um die Austenitbildung durchzuführen, und anschließend die vollständig oder teilbereichsweise aufgeheizte und umge¬ formte Platine in ein Härtewerkzeug überführt wird, in dem Härtewerkzeug mit einer Geschwindigkeit gehärtet wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, wobei der Stahlwerkstoff derart umwandlungsverzögert eingestellt ist, dass bei einer Umformtemperatur, die im Bereich von 450 °C bis 700 °C liegt, eine Abschreckhärtung durch Umwandlung des Austenits in Martensit stattfindet, wobei nach dem Erhitzen und vor dem Umformen ein aktives Kühlen stattfindet, bei dem die Platine oder Teile der Platine oder die umgeformte Platine oder Bereiche hiervon mit einer Abkühlgeschwindig¬ keit >15K/s abgekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass zum homogenen, kontaktlosen Kühlen der heißen Platinen oder Bauteile eine Kühlvorrichtung (1) und ein Objekt mit einer heißen Oberfläche relativ zueinander bewegt werden, wobei die Kühlvorrichtung (1) über zumindest zwei paralle¬ le, beabstandete Kühlschwerter (2) oder Kühlsäulen (15) verfügt, wobei die Kühlschwerter (2) oder Kühlsäulen (15) zur zu kühlenden Platine oder zum zu kühlenden Bauteil hin eine Düsenkante (6, 17) mit Düsen (10) besitzen, wobei ein Kühlfluid durch die Düsen (10) auf die Oberfläche der Pla¬ tine oder des Bauteils gelenkt wird und das Kühlfluid in den Zwischenraum zwischen den Schwertern (2) oder Kühlsäulen (15) nach der Kontaktierung der heißen Oberfläche abströmt .
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff als Umwandlungsverzögerer die Elemente Bor, Mangan und Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän ent¬ hält .
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff mit folgender Analyse verwendet wird (alle Angaben in Masse-%) :
Kohlenstoff (C) 0, 08- 0,6
Mangan (Mn) 0, 8-3 ,0
Aluminium (AI) 0, 01- 0,07
Silizium (Si) 0, 01- 0,5
Chrom (Cr) 0, 02- 0,6
Titan (Ti) 0, 01- 0,08
Stickstoff (N) < 0,02
Bor (B) 0, 002 -0,02
Phosphor (P) < 0,01
Schwefel (S) < 0,01
Molybdän (Mo) < 1 Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff mit folgender Analyse verwendet wird (alle Angaben in Masse-%) :
Kohlenstoff (C) 0,08-0,30
Mangan (Mn) 1, 00-3, 00
Aluminium (AI) 0, 03-0, 06
Silizium (Si) 0, 01-0,20
Chrom (Cr) 0,02-0,3
Titan (Ti) 0, 03-0, 04
Stickstoff (N) 0,007
Bor (B) 0,002-0,006
Phosphor (P) < 0,01
Schwefel (S) < 0,01
Molybdän (Mo) < 1
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine in einem Ofen auf eine Temperatur >AC3 aufgeheizt wird und für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird und anschließend die Platine auf eine Temperatur zwischen 500°C und 600°C abgekühlt wird, um eine Verfestigung der Zinkschicht zu erzielen, und anschließend in das Formwerkzeug überführt und dort umgeformt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung so durchgeführt wird, dass die Abkühlrate >30 K/s beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung so durchgeführt wird, dass die Abkühlung mit mehr als 50 K/s stattfindet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Platinen, welche zur Erzielung un¬ terschiedlicher Härtebereiche entsprechende Bereiche unter¬ schiedlich starker Aufheizung aufweisen, die aktive Kühlung so durchgeführt wird, dass nach der aktiven Kühlung die vormals heißeren, austenitisierten Bereiche vom Temperaturniveau her an die weniger stark aufgeheizten Bereiche angeglichen sind (+/- 50 K) , sodass die Platine mit einer im Wesentlichen einheitlichen Temperatur in das Umformwerk- zeug eingelegt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung durch Anblasen mit Luft oder Gas oder anderen Fluiden bewirkt wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlungsfortschritt und/oder die Einlegetemperatur in das Umformwerkzeug mittels Sensoren, insbesondere Pyrometern, überwacht und die Kühlung entspre¬ chend gesteuert wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahlwerkstoff ein mit Zink oder einer Zinklegierung beschichteter Stahlwerkstoff verwendet wird .
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlschwert (2) und/oder die
Kühlsäulen (15) bzw. die Vorrichtung zum Kühlen Einrichtungen (18) besitzt, mit denen die Vorrichtung um die X-, Y- oder Z-Achse bewegbar und insbesondere schwingbar oder oszillierend ausgebildet ist.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Bedingungen gelten:
Hydraulischer Durchmesser Düse = DH, wobei DH = 4 x A / U Abstand Düse zu Körper = H
Abstand zwischen zwei Kühlschwerter/Kühlsäulen = S
Länge der Düse = L
L >= 6 x DH
H <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH
S <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH (staggered array)
Oszillation = halbe Teilung des Abstand zwischen zwei Kühlschwerter in X, Y (evtl. Z) .
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (18) zur Bewegung der Vorrichtung eine Oszillationsgeschwindigkeit von 0,25 Sekunden pro Durchlauf erzeugen.
Vorrichtung zum Kühlen von heißen Stahlblechplatinen oder Stahlblechbauteilen, insbesondere zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Kühlen zumindest ein Kühlschwert (2) oder eine Anzahl von Kühlsäulen (15) besitzt, wobei das Kühlschwert (2) oder die Kühlsäule (15) hohl ausgebildet ist und eine Düsenkante (6, 17) besitzt, wobei in der Düsenkante (6, 17) mindestens eine Düse (10) vorhanden ist, welche zu einem zu kühlenden Objekt gerichtet ist, wobei eine Mehrzahl von Kühlschwertern (2) oder eine Mehrzahl von Reihen von Kühlsäulen (15) derart angeordnet ist, dass das Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche eine wabenähnliche Struktur ausbildet.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten, voneinander beabstandeten Kühlschwertern (2) oder Kühlsäulen (15) vorhanden ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschwerter (2) oder Kühlsäulen (15) jeweils um den halben Abstand zwischen den Düsen (10) an der Düsenkante (6) zueinander versetzt sind.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Kühlschwerter (2) eine Kühlschwertbasis (3), Kühlschwertbreitseiten (4), Kühlschwertschmalseiten (5) und je eine Düsenkante (6) besit- zen, wobei die Düsenkante (6) sowie die Kühlschwertbreit¬ seiten (4) und KühlschwertSchmalseiten (5) einen Hohlraum (7) begrenzen, und das oder die Kühlschwerter (2) mit der Kühlschwertbasis (3) in oder auf einem Rahmen (8) aufge¬ setzt sind, wobei der Rahmen (8) auf einem Fluidkasten (15) zum Zwecke der Fluidzuführung aufsetzbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungseinrichtung (18) vorhanden ist, mit der das oder die Kühlschwerter (2) oder die
Kühlsäulen (15) mit dem Rahmen (8) und dem Fluidzuführkas- ten (16) über einen zu kühlenden Körper bewegbar sind oder mit dem der zu kühlende Körper relativ zu den Kühlschwertern (2) oder den Kühlsäulen (15) bewegbar ist. 20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlschwert (2) und/oder die
Kühlsäulen (15) bzw. die Vorrichtung zum Kühlen Einrichtungen (18) besitzt, mit denen die Vorrichtung um die X-, Y- oder Z-Achse bewegbar und insbesondere schwingbar oder oszillierend ausgebildet ist.
21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Bedingungen gelten:
Hydraulischer Durchmesser Düse = DH, wobei DH = 4 x A / U Abstand Düse zu Körper = H
Abstand zwischen zwei Kühlschwerter/Kühlzylinder = S Länge der Düse = L
L >= 6 x DH
H <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH
S <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH (staggered array)
Oszillation = halbe Teilung des Abstand zwischen zwei Kühlschwerter in X, Y (evtl. Z) .
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (18) zur Bewegung der Vorrichtung eine Oszillationsgeschwindigkeit von 0,25 Se¬ kunden pro Durchlauf erzeugen.
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