Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gezielten

bauteilzonenindividuellen Wärmebehandlung eines Stahlbauteils.

In der Technik besteht bei vielen Anwendungsfällen in unterschiedlichen Branchen der Wunsch nach hochfesten Metallblechteilen bei geringem Teilegewicht.

Beispielsweise ist es in der Fahrzeugindustrie das Bestreben, den

Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen zu reduzieren und den CO ₂ -Ausstoß zu senken, dabei aber gleichzeitig die Insassensicherheit zu erhöhen. Es besteht daher ein stark zunehmender Bedarf an Karosseriebauteilen mit einem günstigen

Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht. Zu diesen Bauteilen gehören insbesondere A- und B-Säulen, Seitenaufprallschutzträger in Türen, Schweller, Rahmenteile,

Stoßstangenfänger, Querträger für Boden und Dach, vordere und hintere

Längsträger. Bei modernen Kraftfahrzeugen besteht die Roh ka rosse mit einem Sicherheitskäfig üblicherweise aus einem gehärteten Stahlblech mit ca. 1 .500MPa Festigkeit. Dabei werden vielfach Al-Si-beschichtete Stahlbleche verwendet. Zur Herstellung eines Bauteils aus gehärtetem Stahlblech wurde der Prozess des so genannten Presshärtens entwickelt. Dabei werden Stahlbleche zuerst auf

Austenittemperatur erwärmt, dann in ein Pressenwerkzeug gelegt, schnell geformt und durch das wassergekühlte Werkzeug zügig auf weniger als

M a rten s itsta rttem pera tu r abgeschreckt. Dabei entsteht hartes, festes

Martensitgefüge mit ca. 1 .SOOMPa Festigkeit. Ein solcherart gehärtetes Stahlblech weist aber nur eine geringe Bruchdehnung auf. Die kinetische Energie eines

Aufpralls kann deshalb nicht ausreichend in Verformungswärme umgesetzt werden. Für die Automobilindustrie ist es daher wünschenswert, Karosseriebauteile herstellen zu können, die mehrere unterschiedliche Dehnungs- und Festigkeitszonen im Bauteil aufweisen, so dass eher feste Bereiche (im Folgenden erste Bereiche) einerseits und eher dehnfähige Bereiche (im Folgenden zweite Bereiche) andererseits in einem Bauteil vorliegen. Einerseits sind Bauteile mit hoher Festigkeit grundsätzlich wünschenswert, um mechanisch hoch belastbare Bauteile mit geringem Gewicht zu erhalten. Auf der anderen Seite sollen auch hochfeste Bauteile partiell weiche Bereiche haben können. Dieses bringt die gewünschte, partiell erhöhte

Deformierbarkeit im Crashfall. Nur damit kann die kinetische Energie eines Aufpralls abgebaut werden und so die Beschleunigungskräfte auf Insassen und das übrige Fahrzeug minimiert werden. Zudem erfordern moderne Fügeverfahren entfestigte Stellen, die das Fügen artgleicher oder unterschiedlicher Materialien ermöglichen. Oft müssen beispielsweise Falz- Crimp- oder Nietverbindungen zum Einsatz kommen, die verformbare Bereiche im Bauteil voraussetzen.

Dabei sollten die allgemeinen Ansprüche an eine Produktionsanlage weiterhin beachtet sein: so sollte es zu keiner Taktzeiteinbuße an der Presshärteanlage kommen, die Gesamtanlage sollte uneingeschränkt allgemein verwendet und schnell produktspezifisch umgerüstet werden können. Der Prozess sollte robust und wirtschaftlich sein und die Produktionsanlage nur minimalen Platz benötigen. Die Form und Kantengenauigkeit des Bauteils sollte hoch sein. Bei allen bekannten Verfahren erfolgt die gezielte Wärmebehandlung des Bauteils in einem zeitintensiven Behandlungsschritt, der wesentlichen Einfluss auf die Taktzeit der gesamten Produktionslinie hat.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gezielten bauteilzonenindividuellen Wärmebehandlung eines Stahlbauteils anzugeben, wobei Bereiche unterschiedlicher Härte und Duktilität erzielbar sind, bei dem der Einfluss auf die Taktzeit der gesamten Wärmebehandlungsvorrichtung minimiert ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2 bis 6. Die Aufgabe wird ferner durch eine Vorrichtung nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen 9 bis 16.

Das Stahlbauteil wird zunächst bis oberhalb Austenitisierungstemperatur AC3 erwärmt, damit sich das Gefüge vollständig in Austenit umwandeln kann. Bei einem nachfolgenden Härteprozess, beispielsweise dem Presshärteprozess wird dann derart schnell abgeschreckt, dass sich vorrangig martensitisches Gefüge ausbildet und Festigkeiten von rund 1 ,500MPa erreicht werden. Das Abschrecken erfolgt dabei vorteilhafterweise aus dem vollständig austenitisierten Gefüge. Dazu muss

spätestens nach Unterschreiten der Gefügeumwandlungsstarttemperatur θι , bei der Gefügeumwandlungen starten können, mit mindestens der unteren kritischen

Abkühlgeschwindigkeit abgekühlt werden. Beispielsweise sollten bei dem

üblicherweise zum Presshärten verwendeten Werkstoff 22MnB5 rund 660°C als Grenze d- _\ angesehen werden. Ein zumindest teilweise martensitisches Gefüge kann zwar auch noch entstehen, wenn die Abschreckung bei tieferer Temperatur startet, es ist aber dann eine reduzierte Festigkeit des Bauteils in diesem Bereich zu erwarten.

Dieser Temperaturverlauf ist beim Presshärteverfahren insbesondere für vollständig gehärtete Bauteile üblich.

Ein zweiter Bereich oder mehrere zweite Bereiche werden zunächst ebenfalls bis oberhalb der Austenitisierungstemperatur AC3 erwärmt, damit sich das Gefüge vollständig in Austenit umwandeln kann. Anschließend wird möglichst rasch innerhalb einer Behandlungszeit t _B bis zu einer Abkühlstopptemperatur θ ₂ abgekühlt, die beispielsweise, bei dem Werkstoff 22MnB5 unterhalb 650°C liegen sollte. Die Martensit-Starttemperatur liegt beispielsweise für 22 nB5 bei ca. 410 °C. Ein leichtes Einschwingen in Temperaturbereiche unterhalb der Martensits- Starttemperatur ist ebenfalls möglich. Anschließend wird nicht weiter schnell abgekühlt, so dass sich mehrheitlich bainitisches Gefüge ausbildet. Diese

Gefügeumwandlung erfolgt nicht schlagartig, sondern bedarf einer Behandlungszeit. Die Umwandlung erfolgt exotherm. In einer forteilhaften Ausführungsform erfolgt in der Behandlungsstation während der Behandlungszeit t _B keine aktive Beheizung des oder der zweiten Bereiche. Eine mögliche Temperaturerhöhung des oder der zweiten Bereiche erfolgt während dieser Zeit allenfalls durch Rekaleszenz. Durch Einstellung der Abkühlgeschwindigkeit und/oder der Temperatur, auf die abgekühlt wird, sowie der Verweilzeit bis zum Abpressen des Bauteils, lassen sich grundsätzlich die gewünschten Festigkeits- und Dehnungswerte einstellen, die zwischen der maximal erreichbaren Festigkeit des Gefüges im ersten Bereich und den Werten des unbehandelten Bauteils liegen. Untersuchungen haben gezeigt, dass ein

Unterdrücken des Temperaturanstieges infolge der Rekaleszenz durch ein weiteres, erzwungenes Abkühlen eher nachteilig für die erreichbaren Dehnungswerte ist. Ein isothermes Halten auf der Abkühltemperatur scheint deshalb nicht vorteilhaft zu sein.

In einer Ausführungsform werden der zweite Bereich oder die zweiten Bereiche in dieser Phase zusätzlich aktiv beheizt. Dies kann beispielsweise durch

Wärmestrahlung erfolgen.

In einer Ausführungsform wird die Abkühlstopptemperatur d ₂ oberhalb der Martensit- Starttemperatur M _s gewählt. In einer alternativen Ausführungsform wird die Abkühlstopptemperatur £ ₂ unterhalb der Martensit-Starttemperatur M _s gewählt.

Die Wärmebehandlung der ersten und zweiten Bereiche ist prinzipiell

unterschiedlich, wobei in erster Linie die Behandlung des zweiten Bereichs oder der zweiten Bereiche eine Abhängigkeit zur Behandlungsdauer hat. Erfindungsgemäß werden zweite Bereiche in einem Ofen zur Erreichung der

Austenitisierungstemperatur nachgeordneten Behandlungsstation innerhalb einer Behandlungszeit t _B von wenigen Sekunden partiell bis zur Abkühlstopptemperatur d ₂ abgekühlt. In dieser Behandlungsstation wird, nötigenfalls durch Wärmezufuhr, sichergestellt, dass der erste Bereich beziehungsweise die ersten Bereiche während der Behandlungsdauer nicht unter eine Temperatur fallen, unter der keine

ausreichende Martensitbildung beim nachfolgenden Presshärten zu erwarten wäre. Je nach Behandlungsdauer genügt es, die Abstrahlverluste des oder der ersten Bereiche zu minimieren, beispielsweise durch Wärmedämmung oder Reflektoren für Wärmestrahlung. Optional kann die Behandlungsstation zu diesem Zweck zumindest teilweise beheizt sein. Dazu kann beispielsweise die Wärmeeinbringung über Konvektion oder

Wärmestrahlung verwendet werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann hier auch zusätzlich oder ausschließlich eine Erwärmung über Laserstrahlung zum

Einsatz kommen.

Erfindungsgemäß verbleiben die Bauteile eine kurze Zeit, beispielsweise einige Sekunden in der Behandlungsstation, um die Gefügeumwandlung der zweiten Bereiche stattfinden zu lassen. Sollte die Verweildauer zur ausreichenden Gefügeumwandlung in der

Behandlungsstation so groß sein, dass die geforderte Taktzeit nicht mehr erreicht wird, empfiehlt es sich, zwei oder mehrere gleichartige Behandlungsstationen vorzusehen, die aufeinanderfolgend beschickt werden. In einer vorteilhaften

Ausführung sind die Kammern übereinander angeordnet. Dabei ist es unerheblich, ob für die Überwindung des Höhenversatzes die Behandlungsstationen vertikal bewegt werden oder das Beschickungssystem die notwendige Vertikalbewegung ausführt.

Als Ofen kann beispielsweise ein Durchlaufofen oder ein Batchofen, wie

beispielsweise ein Kammerofen, vorgesehen sein. Durchlauföfen weisen in der Regel eine große Kapazität auf und sind für die Massenproduktion besonders gut geeignet, da sie sich ohne großen Aufwand beschicken und betreiben lassen.

In vorteilhafter Ausführungsform wird das Bauteil nur von einer Seite her angeblasen. Dadurch wird eine klare Trennung von Fördertechnik, beispielsweise unterhalb des Bauteils, und Abkühleinrichtung, beispielsweise oberhalb des Bauteils, erreicht, was die konstruktive Gestaltung der Behandlungsstation oder der Behandlungsstationen erheblich vereinfacht.

Erfindungsgemäß weist die die Behandlungsstation eine Vorrichtung zum schnellen Abkühlen eines oder mehrerer zweiter Bereiche des Stahlbauteils auf. In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Düse zum Anblasen des oder der zweiten Bereiche des Stahlbauteils mit einem gasförmigen Fluid,

beispielsweise Luft oder ein Schutzgas, wie beispielsweise Stickstoff auf. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Anblasen des zweiten oder der zweiten Bereiche durch Anblasen mit einem gasförmigen Fluid, wobei dem gasförmigen Fluid Wasser, beispielsweise in vernebelter Form, beigefügt ist. Dazu weist die Vorrichtung in einer vorteilhaften Ausführungsform eine oder mehrere Vernebelungsdüsen auf. Durch das Anblasen mit dem mit Wasser versetzten gasförmigen Fluid wird die Wärmeabfuhr aus dem oder aus den zweiten Bereichen erhöht. Mit der Verdampfung des Wassers auf dem Stahlbauteil wird eine große Wärmeabfuhr und ein hoher Energietransport erreicht.

In einer weiteren Ausführungsform wird der zweite beziehungsweise werden die zweiten Bereiche über Wärmeleitung, beispielsweise durch das Inkontaktbringen mit einem Stempel oder mehreren Stempeln gekühlt, der beziehungsweise die eine deutlich niedrigere Temperatur als das Stahlbauteil aufweist oder aufweisen. Dazu kann der Stempel aus einem gut wärmeleitenden Werkstoff hergestellt sein und / oder direkt oder indirekt gekühlt sein. Auch eine Kombination der Kühlungsarten ist denkbar.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen

Wärmebehandlungsvorrichtung kann Stahlbauteilen mit jeweils einem oder mehreren ersten und/oder zweiten Bereichen, die auch komplex geformt sein können, wirtschaftlich ein entsprechendes Temperaturprofil aufgeprägt werden, da die unterschiedlichen Bereiche konturscharf sehr schnell auf die notwendigen

Prozesstemperaturen gebracht werden können. Zwischen den beiden Bereichen sind klar konturierte Abgrenzungen der einzelnen Bereiche realisierbar. Geringe

Spreizungen im Temperaturniveau des Bauteils wirken sich vorteilhaft bei der weiteren Verarbeitung in der Presse aus. Erfindungsgemäß ist es mit dem gezeigten Verfahren und mit der

erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsvorrichtung möglich, nahezu beliebig viele zweite Bereiche einzustellen, die innerhalb eines Stahlbauteils zudem jeweils untereinander noch unterschiedliche Festig keits- und Dehnungswerte aufweisen können. Auch ist die gewählte Geometrie der Teilbereiche frei wählbar. Punkt- oder linienförmige Bereiche sind ebenso wie z.B. großflächige Bereiche darstellbar. Auch die Lage der Bereiche ist unerheblich. Die zweiten Bereiche können vollständig von ersten Bereichen umschlossen sein oder sich am Rand des Stahlbauteils befinden. Selbst eine vollflächige Behandlung ist denkbar. Eine Begrenzung der Anzahl der gleichzeitig behandelten Stahlbauteile ist allenfalls durch das Presshärtewerkzeug oder die Fördertechnik der gesamten Wärmebehandlungsvorrichtung gegeben. Die Anwendung des Verfahrens auf bereits vorgeformte Stahlbauteile ist ebenfalls möglich. Durch die dreidimensional ausgeformten Oberflächen bereits vorgeformter Stahlbauteile ergibt sich lediglich ein höherer konstruktiver Aufwand zur Darstellung der Gegenflächen.

Weiterhin ist es vorteilhaft, dass auch bereits vorhandene

Wärmebehandlungsanlangen auf das erfindungsgemäße Verfahren adaptiert werden können. Hierzu muss bei einer konventionellen Wärmebehandlungsvorrichtung mit nur einem Ofen hinter diesem nur die Behandlungsstation vorgesehen und die Beschickungseinrichtungen angepasst werden.

Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele anhand der Abbildungen.

Von den Abbildungen zeigt: Fig. 1 eine typische Temperaturkurve bei der Wärmebehandlung eines Stahlbauteils mit einem ersten und einem zweiten Bereich

Fig. 2 eine erfindungsgemäße thermische Wärmebehandlungsvorrichtung in einer Draufsicht als Schemazeichnung

Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße thermische Wärmebehandlungsvorrichtung in einer Draufsicht als Schemazeichnung Fig. 4 eine weitere erfindungsgemäße thermische Wärmebehandlungsvorrichtung in einer Draufsicht als Schemazeichnung

In der Fig. 1 ist eine typische Temperaturkurve bei der Wärmebehandlung eines Stahlbauteils 200 mit einem ersten Bereich 210 und einem zweiten Bereich 220 gemäß dem erfinderischen Verfahren. Das Stahlbauteil 200 wird im Ofen 1 10 gemäß des schematisch eingezeichneten Temperaturlaufs θ ₂ οο _, ι ιο während der Verweilzeit im Ofen t ₁₁₀ aufgeheizt auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur.

Anschließend wird das Stahlbauteil 200 mit einer Transferzeit t ₁₂ o in die

Behandlungsstation 150 transferiert. Dabei verliert das Stahlbauteil Wärme. In der Behandlungsstation wird ein zweiter Bereich 220 des Stahlbauteils 200 schnell abgekühlt, wobei der zweite Bereich 220 schnell gemäß des eingezeichneten Verlaufs θ ₂₂ ο _, ΐ5ο an Wärme verliert. Das Abkühlen endet nach Ablauf der

Behandlungszeit t _B , die in Abhängigkeit der Dicke des Stahlbauteils 200, den gewünschten Materialeigenschaften und der Größe des zweiten Bereichs 220 nur einige wenige Sekunden beträgt. Der zweite Bereich 220 hat nun die

Abkühlstopptemperatur θ ₂ oberhalb der Martensitstarttemperatur M _s erreicht. Dabei kann die Temperatur des ersten Bereichs 210 des Stahlbauteils 200 unter die AC3- Temperatur fallen, was aber nicht zwingend erfolgen muss. Dahingegen kann die Temperatur des zweiten Bereichs 220 des Stahlbauteils 200 gemäß dem

eingezeichneten Temperaturverlauf θ ₂₂ ο,ΐ 3ο während der Verweilzeit t ₁₅₀ aufgrund der Rekaleszenz leicht wieder ansteigen, ohne die AC3-Temperatur zu erreichen, bevor sie dann langsam weiter fällt.

Nach Beendigung der Verweilzeit t ₁₅₀ des Stahlbauteils 200 in der

Behandlungsstation wird es während der Transferzeit t ₁₃₁ in ein Presshärtewerkzeug

160 transferiert, wo es während der Verweilzeit t ₁₆ o umgeformt und gehärtet wird.

Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmebehandlungsvorrichtung 100 in 90°- Anordnung. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 weist eine Beladungsstation 101 auf, über die Stahlbauteile dem Ofen 1 10 zugeführt werden. Weiterhin weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 die Behandlungsstation 150auf. Weiter in Hauptdurchflussrichtung D hinter Ofen 1 10 angeordnet befindet sich eine

Entnahmestation 131 , die mit einer Positioniervorrichtung (nicht gezeigt) ausgerüstet ist. Die Hauptdurchflussrichtung knickt nun um im Wesentlichen 90° ab, um ein Presshärtewerkzeug 160 in einer Presse (nicht gezeigt) folgen zu lassen, in dem das Stahlbauteil 200 pressgehärtet wird. In Achsrichtung des-Ofens 1 10 ist ein Behälter

161 angeordnet, in den Ausschussteile verbracht werden können.

Fig. 3 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmebehandlungsvorrichtung 100 in gerader Anordnung. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 weist eine Beladungsstation 101 auf, über die Stahlbauteile dem Ofen 1 10 zugeführt werden. Weiterhin weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 die Behandlungsstation 150 auf. Weiter in Hauptdurchflussrichtung D hinter Ofen 1 10 angeordnet befindet sich eine

Entnahmestation 131 , die mit einer Positioniervorrichtung (nicht gezeigt) ausgerüstet ist. Weiter folgt in nun weiter gerader Hauptdurchflussrichtung ein

Presshärtewerkzeug 160 in einer Presse (nicht gezeigt), in dem das Stahlbauteil 200 pressgehärtet wird. Im Wesentlich in 90° zu der Entnahmestation 131 ist ein Behälter 161 angeordnet, in den Ausschussteile verbracht werden können. Fig 4 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen

Wärmebehandlungsvorrichtung 100. Die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 weist wieder eine Beladungsstation 101 auf, über die Stahlbauteile dem Ofen 1 10 zugeführt werden. Der Ofen 1 10 ist bei dieser Ausführung vorzugsweise als

Durchlaufofen ausgebildet. Weiterhin weist die Wärmebehandlungsvorrichtung 100 die Behandlungsstation 150 auf. Die Entnahmevorrichtung 131 kann beispielsweise über eine Greifvorrichtung (nicht gezeigt) verfügen. Die Entnahmestation 131 entnimmt beispielsweise mittels der Greifvorrichtung die Stahlbauteile 200 aus dem Ofen 1 10. Im Gegensatz zu der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ist hier die Behandlungsstation 150 auf dem Ofen 1 10 angeordnet. Diese Anordnung spart Aufstellungsfläche. Die Hauptdurchflussrichtung wechselt bei dieser

Ausführungsform die Ebene, in dem das Stahlbauteil 200 von der Entnahmestation nach dem Verlassen des Ofens 1 10 angehoben und in die Behandlungsstation 150 eingelegt wird. Nach Ablauf der Verweilzeit 1 ₁₅₀ des Stahlbauteils 200 in der Behandlungsstation 150 entnimmt die Entnahmestation 131 das Stahlbauteil 200 wieder der Behandlungsstation 150 und legt es in ein in einer Presse eingebautes Presshärtewerkzeug 160 ein. In der gezeigten Ausführungsform ist die Presse in Linie mit dem Ofen 1 10 angeordnet, während ein Behälter 161 für Ausschuss im Winkel zur Ofenachse angeordnet ist. Die Positionen von Presse mit Werkzeug 160 und Behälter 161 können auch vertauscht werden.

Die hier gezeigten Ausführungsformen stellen nur Beispiele für die vorliegende Erfindung dar und dürfen daher nicht einschränkend verstanden werden. Alternative durch den Fachmann in Erwägung gezogene Ausführungsformen sind

gleichermaßen vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung umfasst.

Bezugszeichenliste:

100 Wärmebehandlungsvorrichtung

1 10 Ofen

131 Entnahmestation

150 Behandlungsstation

160 Presshärtewerkzeug

161 Behälter

200 Stahlbauteil

210 erster Bereich

220 zweiter Bereich

D Hauptdurchflussrichtung

M _s Martensit-Starttemperatur

t _B Behandlungszeit

t _{1 10} Verweilzeit im Ofen

t ₁₂ o Transferzeit Stahlbauteil in Behandlungsstation

t ₁₃₁ Transferzeit Stahlbauteil in Presshärtewerkzeug

ti 5o Verweilzeit in Behandlungsstation

t ₁₆₀ Verweilzeit im Presshärtewerkzeug

d† Gefügeumwandlungsstarttemperatur

d ₂ Abkühlstopptemperatur

$ ₃ Innentemperatur Ofen

2oo,i io Temperaturverlauf des Stahlbauteils im Ofen

#210,150 Temperaturverlauf des ersten Bereichs des Stahlbauteils in der

Behandlungsstation

$220,150 Temperaturverlauf des zweiten Bereichs des Stahlbauteils in der

Behandlungsstation

$2oo,i6o Temperaturverlauf des Stahlbauteils in dem Presshärtewerkzeug