Härten Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen gehärteter Stahlblechplatinen und Stahlblechbauteile hieraus.

Es ist seit langem bekannt, auch im Automobilbau für Karosserieteile aus Stahlblech auf gehärtete Bauteile zurückzugreifen. Der Vorteil bei gehärteten Stahlblechbauteilen ist, dass diese aufgrund ihrer erheblich höheren Härte bzw. Zugfestigkeit (R _m ) eine Gewichtersparnis im Karosseriebau ergeben, da nicht auf weniger fest und dafür massive Bauteile zurückgegriffen werden muss, die deutlich schwerer wären.

In den vergangenen Jahren haben sich zum Herstellen gehärteter Blechbauteile zwei Verfah- ren am Markt etabliert.

Das erste Verfahren ist das sogenannte direkte Verfahren oder Presshärten. Bei diesem Verfahren wird aus einem Stahlblechband, welches auch mit einer Korrosionsschutzbeschichtung aus Metall versehen sein kann, eine Platine ausgestanzt, diese Platine anschließend aufge- heizt und die aufgeheizte Platine in einem Umformwerkzeug mit einem einzigen Hub umgeformt und gleichzeitig gehärtet. Hierbei erfolgt die Härtung dadurch, dass das härtbare Stahlmaterial seine Wärme an das Umformwerkzeug abgibt. Hierbei ist wichtig, dass die Abgabe der Wärme mit einer über der kritischen Härtetemperatur liegenden Geschwindigkeit erfolgt. Diese Abschreckhärtung führt dazu, dass die erhitzte Platine, welche ein austeniti- sches Gefüge besitzt, anschließend ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge und damit die hohe Zugfestigkeit besitzt.

Üblicherweise werden bei diesem Verfahren sogenannte Bor-Mangan-Stähle eingesetzt, also borlegierte Mangankohlenstoffstähle, wie zum Beispiel der hierfür am meisten verwendete 22MnB5, wobei es jedoch auch noch eine Anzahl weiterer, hierfür geeigneter Stähle aus dem grundsätzlich gleichen Legierungskonzept gibt.

Bei dem zweiten Verfahren, dem sogenannten Formhärten, welches von der Anmelderin entwickelt wurde, wird aus einem gegebenenfalls mit einer Korrosionsschutzbeschichtung versehenen Stahlblechband eine Stahlblechplatine ausgeschnitten und die Stahlblechplatine anschließend in einem herkömmlichen, mehrstufigen Umformprozess zu einem Bauteil umge- formt. Dieses Bauteil besitzt vorzugsweise eine Endkontur, die etwa 2% in allen Raumrichtungen kleiner ist als die fertige Kontur des Bauteils. Anschließend wird dieses Bauteil auf die Austenitisierungstemperatur erhitzt, so dass das Stahlblechgefüge austenitisch wird. Die Wärmedehnung führt hierbei dazu, dass dieses erhitzte Blechbauteil die 2%-ige kleinere Fertigung kompensiert.

Anschließend wird dieses austenitisierte Blechbauteil in ein Formhärtewerkzeug eingelegt, in dem es gepresst und gleichzeitig gekühlt, aber praktisch nicht mehr oder nur in sehr geringem Maße umgeformt wird. Auch hierbei werden die vorgenannten Stähle verwendet und auch hierbei muss die kritische Härtegeschwindigkeit überschritten werden. Auch das Gefüge ergibt sich dann in gleicher Weise.

Der Vorteil des indirekten Verfahrens bzw. Formhärtens ist, dass Geometrien auch aufwändiger ausgebildet werden können. Der Vorteil beim sogenannten direkten Verfahren oder Presshärten ist, dass einfache Bauteile schneller hergestellt werden können.

Eine Herausforderung bei der Umsetzung des direkten Presshärteprozesses liegt darin, die Platine aufzuheizen.

Üblicherweise erfolgt die Erwärmung der ebenen Platine in einem konventionellen Ofen mit einer Länge von ca. 40 m, wobei insbesondere 1,5 mm dicke Platinen zum Beispiel drei Minuten durch diesen Ofen hindurchlaufen. Darüber hinaus wurden bereits einige Versuche unternommen, derartige Platinen durch das Anlegen heißer Metallkörper aufzuheizen.

Hierbei ergibt sich jedoch eine Vielzahl von Problemen. Bei klassischen Strahlungsöfen ist von Nachteil, dass diese einen hohen Platzbedarf haben, da die Öfen relativ groß gebaut sind. Darüber hinaus ist von Nachteil, das im Störfall ein hoher Ausschuss anfällt, da alle im Ofen befindlichen Platinen, da sie länger als geplant im Ofen verblieben sind, nicht mehr verwendbar sind. Selbst im Normalbetrieb erfolgt eine starke Oxidation der Oberfläche, die unerwünscht ist.

Aus der DE 10 2014 101 539 AI ist ein Warmformling zur Herstellung von warmumgeformten und pressgehärteten Blech Produkten aus Metallplatinen bekannt, welche eine Heizstation und eine Umformstation umfasst. Die Heizstation besitzt ein Unterwerkzeug und ein Oberwerkzeug, zwischen denen eine Metallplatine zum Erwärmen aufgenommen wird. Die Erwärmung bzw. Aufheizung einer Metallplatine in der Heizstation erfolgt durch mittelbare Widerstandserwärmung. Die Wärme wird außerhalb der Metallplatine erzeugt und gelangt durch Wärmeleitung in die Metallplatine selbst. Hierzu weist das Unterwerkzeug und/oder auch das Oberwerkzeug eine elektrische Widerstandsheizung mit zumindest einem Flächenheizelement auf. Erfindungsgemäß ist das Flächenheizelement eine Heizplatte mit einem Plattenkörper aus einem elektrisch leitfähigen Material, wobei der Plattenkörper als Heizleiter ausgebildet ist. Hierzu ist der Plattenkörper geschlitzt und beispielsweise mit einem Schlitz versehen, welcher sich über die Dicke des Plattenkörpers erstreckt.

Aus der DE 10 2009 007 826 AI ist eine Heizvorrichtung zur Erwärmung einer metallenen Platine bekannt, welche eine untere Heizeinheit und eine obere Heizeinheit besitzt. Diese Heizeinheiten sind zwischen einer geschlossenen, die Platine zwischen sich aufnehmenden Heizstellung und einer voneinander beabstandeten Freigabestellung verstellbar. Jede Heiz- einheit weist eine mit der Platine in Kontakt tretende beheizbare Heizplatte auf. Hierbei ist vorgesehen, dass die Heizplatte der unten und/oder der oberen Heizeinheit eine Vielzahl von Heizsegmenten umfasst, die in einem vorbestimmten Raster relativ zueinander angeordnet sind und die in der von einer Kontaktfläche zwischen den Heizsegmenten und der Platine definierten Ebene relativ zueinander verschiebbar sind.

Aus der DE 10 2014 101 891 AI ist ein System zum Aufwärmen von Werkstücken, insbesondere für eine Warmformungsstation bekannt, welches eine Aufwärmvorrichtung und wenigstens einen durch die Aufwärmvorrichtung zu transportierenden Warenträger besitzt. Der Warenträger ist mit einem Werkstück bestückbar und eine Temperierungskomponente zum konduktiven Erwärmen des Werkstücks ist vorhanden, wobei die Aufwärmungsvorrichtung eine bewegliche Elektrode zum elektrischen Kontaktieren der Temperierungskomponente besitzt. Bei den bekannten Plattensystemen ist von Nachteil, dass induktiv beheizte Platten einen niedrigen Wirkungsgrad aufweisen und die Leistungsverteilung sich sehr schlecht regeln lässt. Auch die bereits vorgeschlagenen Keramikheizelemente leiden darunter, dass sie eine niedrige Lebensdauer haben, die Leistungsverteilung ebenfalls schlecht geregelt ist und der Ansteueraufwand bei vielen kleinen Elementen recht hoch ist.

Bekannte Mäanderlösungen haben ebenfalls den Nachteil, dass die Leistungsverteilung ungünstig ist. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Aufheizen von Stahlblechteilen zu schaffen, mit der eine schnelle und möglichst homogene Erwärmung der ebenen Platinen sichergestellt ist, welche einen geringstmöglichen Platzbedarf hat, bei Störungen geringen Ausschluss produziert und zudem einen verbesserten Korrosionsschutz gewährleistet. Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zum Aufheizen von Stahlblechbauteilen zu schaffen unter Verwendung der Vorrichtung.

Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß werden die Platinen mit erfindungsgemäß ausgebildeten Heizmodulen beheizt. Hierbei erfolgt eine Erwärmung der ebenen Platinen unter heißen Platten, wobei die hohe erforderliche Leistungsdichte und vor allem die gleichmäßige Temperaturverteilung durch ein gut wärmeleitfähiges Material, vorzugsweise Kupfer und eine elektrische Beheizung realisiert werden kann. Hierbei werden erfindungsgemäß mineralisolierte Heizleiter in Kupfer eingegossen, so dass höchste Leistungsdichten erzielt werden können. Hierzu alternativ sind andere elektrische Heizelemente, wie zum Beispiel Hochtemperaturheizpatronen, denkbar.

Erfindungsgemäß wird hierbei eine optimale Temperaturhomogenität und die Möglichkeit von Teilen mit unterschiedlichen Eigenschaften durch modularen Aufbau und modulare Ansteue- rung erzielt. Insbesondere, wenn mehrere, getrennt geregelte Heizmodule für eine Platinenfläche verwendet werden, können hierbei die mechanischen Eigenschaften durch unterschiedliche Härtegrade sehr genau eingestellt werden. Erfindungsgemäß wird vorteilhafterweise das Kupfer vor Oxidation dadurch geschützt, dass das Kupfer und damit auch die im Kupfer eingegossenen Heizleiter, hermetisch abgeschlossen in einem warmfesten Edelstahlgehäuse angeordnet sind.

Zusätzlich können vorteilhafterweise die Platten für höhere Standzeiten und geringstmögliche Anhaftungen von Korrosionsschichten und insbesondere Zink mit sehr verschleißfesten und glatten Beschichtungen versehen sein, die zum Beispiel aus Chromkarbid oder Aluminiumoxid und weiteren bekannten Beschichtungen bestehen können.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen hierbei: stark schematisiert ein erfindungsgemäßes Heizmodul; Figur 2 eine Anordnung mehrerer Heizmodule mit einer darunter angeordneten Platine in einer stark schematisierten Ansicht; eine Aufheizpresse für Platinen mit einer Mehrzahl von Heizmodulen in einer seitlichen geschnittenen, stark schematisierten Ansicht; die Vorrichtung nach Figur 3 in einem Horizontalschnitt durch die Heizmodule; eine Heizmodulanordnung mit oberen und unteren Heizmodulen, wobei mittlere Heizmodule zudem über eine aktive Kühlung verfügen zur Erzeugung von Bauteilen mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften; eine Modulanordnung mit eingebauten funktionsfreien Modulen, um bestimmte Bauteilbereiche nicht aufzuheizen; eine Anordnung von Heizmodulen mit Führungsbolzen und Federn zur Erzeugung einer gleichmäßigen Flächenpressung und zur Vermeidung von Verkippungen; eine teilgeschnittene perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Heizmoduls mit Heizpatronen und Kupferkern; das Heizmodul nach Figur 8 in einem Vertikalschnitt; Figur 10 das Heizmodul nach Figur 8 in einem Horizontalschnitt; das Heizmodul mit mineralisoliertem Heizkabel und Kupferkern in einer ge schnittenen perspektivischen Ansicht;

Figur 12 das Heizmodul nach Figur 12 in einer Draufsicht;

Figur 13 das Heizmodul nach Figur 13 in einer Schnittansicht entsprechend der Schnittlinie A-A;

Figur 14 das Heizmodul nach Figur 12 in einer Schnittansicht entsprechend der Schnittlinie B-B;

Figur 15 einen Horizontalschnitt des Heizmoduls nach Figur 12 entsprechend der Linie

C-C nach Figur 15;

Figur 16 das Heizmodul in einer Seitenansicht;

Figur 17 eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Heizmoduls mit einer

Kühlung;

Figur 18 das Heizmodul nach Figur 17 in einem Schnitt entlang der Linie A-A;

Figur 19 das Heizmodul nach Figur 17 in einer Darstellung, geschnitten entlang der

Linie B-B;

Figur 20 das Heizmodul nach Figur 19 in einer Schnittansicht entlang der Linie C-C;

[API] Figur 23 eine teilgeschnittene perspektivische Ansicht entlang der Linie A-A gemäß Figur 17;

Figur 24 den Erwärmungsverlauf eines 1,5 mm dicken Stahlblechs zwischen 870°C heißen Platten.

Ein erfindungsgemäßes Heizmodul 1 ist ein kassettenartig ausgebildetes kastenartiges Element, welches einen platten- oder rechteckförmigen Hohlraum 2 besitzt, der auf einer Unterseite 3 eine ebene Platte 4 besitzt, sowie Seitenwandungen 5, die von der Platte senkrecht abgehen und eine Deckplatte 6, die das kastenartige Element 2 allseitig begrenzen. Nach oben ist an der Platte 6 eine Isolierung 7 angeordnet.

In dem Hohlraum 2 sind Heizwendeln bzw. Heizelemente 8 angeordnet, welche über eine Zu- und eine Ableitung 9, 10 mit Strom beaufschlagt werden können. Zusätzlich kann vorteilhafterweise ein Temperaturfühler 11 vorhanden sein, der mit einem Temperaturregler 12 verbunden ist, der den Stromfluss regelt.

Insbesondere bei einem rechteckförmigen Heizmodul 1 sind mehrere mineralisolierte Heiz- wendein 8 in Reihe geschaltet und nebeneinander liegend angeordnet, so dass das Heizmodul auf gesamter Fläche aufgeheizt werden kann.

Zusätzlich zu den Heizelemente 8 können Kühlschlangen oder -leitungen 9 (Figur 5) vorhanden sein, so dass die Heizmodule nicht nur aufgeheizt, sondern auch insbesondere gegen- über benachbarten Heizmodulen abgekühlt werden können.

Eine Mehrzahl von Heizmodulen 1 kann zu einer Heizeinrichtung 14 zusammengefasst werden, die beispielsweise so angeordnete Module 1 umfasst, dass diese eine aufzuheizende Platine 15 entsprechend abdecken.

Vorzugsweise sind die Heizmodule 1 innerhalb je einer Heizeinrichtung 14 angeordnet, wobei die Heizeinrichtung 14 einmal an einem Aufheizpressenoberteil 16 und einem Aufheizpressenunterteil 17 angeordnet sein können, welche aufeinander zu und voneinander weg bewegbar sind, so dass zwischen den Heizmodulen 1 der jeweiligen Heizeinrichtungen 14 eine Platine 15 klemmend gehalten und aufgeheizt werden kann.

Eine entsprechende Heizeinrichtung 14 kann beispielsweise sechs Module 1 umfassen (Figur 4), wobei die Module randseitig der Heizeinrichtung 14 mit einer Isolierung 18 umfasst sind. Die Zahl der Module ist aber beliebig.

Die Heizeinrichtungen 14 können dabei auch an bevorzugten Stellen gekühlte Heizmodule mit Kühlleitungen 9 bzw. Leermodule 20 oder Isolierblöcke aus Isoliermaterial besitzen, in deren Bereichen keine Aufheizung erfolgt (Figur 6). Der Hohlraum 2 ist erfindungsgemäß mit Kupfer ausgefüllt, so dass die Heizleiter 8 durch eine nicht elektrisch leitfähige Mineralisolierung gegen das Kupfer isoliert sind und vom Kupfer vollständig umgeben und eingebettet sind, um einen besonders guten Wärmeübergang zu gewährleisten. Die Platte 4, die Seitenwandungen 5 und die Deckenwandung 6 sind vor- zugsweise aus wärmebeständigem bzw. hoch wärmefestem Edelstahl ausgebildet und schließen den gut wärmeleitfähigen Kern, insbesondere Kupferkern idealerweise hermetisch ein um eine Oxidation des Kerns zu verhindern. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besitzt das Heizmodul 1 ebenfalls einen Kupferkern, wobei hier jedoch Heizpatronen angeordnet sind. Hierbei sind die Heizmodule 1 auch an dem Bereich der Außenwandungen 5 mit einer vollständigen Isolierung ausgebildet (Figuren 8, 9, 10). Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Figuren 11 bis 15) sind die Heizmodule ebenfalls mit mineralisolierten Heizleiter und dem Kupferkern ausgebildet, wobei die Heizmodule bei der Ausbildung als einzelnes Modul im Bereich der Seitenwandungen und der Deckenwandung über eine einheitliche, im Querschnitt C-förmige Isolierung 20 verfügen, wobei die Isolierung 20 den eigentlichen Heizbereich, bestehend aus dem Kupfer gefüllten Edelstahlkasten mit den mineralisolierten Heizleiter, aufnimmt.

Um den Kasten an der Isolierung 20 zu halten, sind in dem Kasten Verbindungselemente 21 vorhanden, welche insbesondere als Gewindesäulen ausgebildet sind, welche die Isolierung 20 nach oben durchgreifen und auf der Oberseite 22 der Isolierung eine Gegenlagerplatte 23 durchgreifen und gegen diese verschraubt sind. Zudem sind an der Gegenlagerplatte 23

Kontaktpole 24 angeordnet, welche die Gegenlagerplatte 23 und die Isolierung 22 durchgreifen und die Heizelemente 8 kontaktierend ausgebildet sind.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Figuren 17 bis 23) ist das Heizmodul ebenfalls so ausgebildet, dass der Kasten 2 aus Edelstahl, aufgefüllt mit Kupfer und umfassend die als Heizspiralen angeordneten Heizleiter 8, zusätzlich eine Kühleinrichtung in Form einer Kühlschlange 25 oder Kühlleitungen 25 umfasst, wobei die Kühlschlange 25 von außen mit einem Zulauf 26 und einem Ablauf 27 versehen ist. Der Zulauf 26 und der Ablauf 27 durchgreifen sowohl die Isolierung 20 als auch die Platte 6 und reichen bis in den Kupferkern hinein.

Bei der Kombination von Heizmodulen 1 können die Isolierungen 20 bis auf die Deckenisolierung zwischen der Platte 6 und der Gegenlagerplatte 23 entfernt werden, so dass die Heiz- module aneinanderliegend angeordnet sind und eine uniforme Beheizung bzw. Kühlung ohne Temperaturbrücken ermöglichen. Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass durch die Kopplung von mineralisolierten Heizleitungen einerseits und einem Kupferkern andererseits, verbunden mit einer warmfesten platinenseiti- gen Edelstahlplatte, ein besonders guter und hoch effektiver Wärmeübergang realisiert wird. Man erkennt am Erwärmungsverlauf (Figur 24), dass innerhalb von wenigen Sekunden eine entsprechende Stahlplatine, die 1,5 mm dick ist, unter heißen Platten (vorzugsweise größer 870°C temperiert) auf über die Ac3 des Werkstoffes beispielsweise 850°C aufgeheizt wird, wobei insbesondere der Temperaturbereich bis 700°C sehr schnell durchschritten wird. Sehr schnell bedeutet, dass dies in etwa 10 Sekunden in Anspruch nimmt.

Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass durch die Verwendung von nicht beheizbaren oder wassergekühlten Modulen in einer Heizeinrichtung zudem bestimmte Bereiche, die nicht gehärtet werden sollen, ausgespart werden können. Hierdurch können Platinen mit unterschiedlichen Gefügen ausgebildet werden, so dass hierdurch nach dem Presshärten Bauteile mit unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften (Taylored Property Parts=TPP) erzielt werden.