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EP3408420B1 - Verfahren zur wärmebehandlung eines metallischen bauteils - Google Patents

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Publication number
EP3408420B1
EP3408420B1 EP17703343.8A EP17703343A EP3408420B1 EP 3408420 B1 EP3408420 B1 EP 3408420B1 EP 17703343 A EP17703343 A EP 17703343A EP 3408420 B1 EP3408420 B1 EP 3408420B1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
component
temperature
nozzle
furnace
oven
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
EP17703343.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP3408420A1 (de
EP3408420C0 (de
Inventor
Andreas Reinartz
Jörg Winkel
Frank WILDEN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schwartz GmbH
Original Assignee
Schwartz GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102016201025.5A external-priority patent/DE102016201025A1/de
Priority claimed from DE102016201024.7A external-priority patent/DE102016201024A1/de
Priority claimed from DE102016201936.8A external-priority patent/DE102016201936A1/de
Priority claimed from DE102016202766.2A external-priority patent/DE102016202766A1/de
Priority claimed from DE102016118253.2A external-priority patent/DE102016118253A1/de
Application filed by Schwartz GmbH filed Critical Schwartz GmbH
Publication of EP3408420A1 publication Critical patent/EP3408420A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP3408420B1 publication Critical patent/EP3408420B1/de
Publication of EP3408420C0 publication Critical patent/EP3408420C0/de
Active legal-status Critical Current
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0062—Heat-treating apparatus with a cooling or quenching zone
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/667—Quenching devices for spray quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/673—Quenching devices for die quenching
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/84—Controlled slow cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2211/00—Microstructure comprising significant phases
    • C21D2211/001—Austenite
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article

Definitions

  • the invention relates to a method for heat treating a metallic component.
  • the invention is particularly applicable to the partial hardening of optionally pre-coated components made of high-strength manganese-boron steel.
  • the middle area of a vehicle's B pillar should have a high level of strength in order to protect the occupants in the event of a side impact.
  • the upper and lower end areas of the B pillar should have a comparatively low level of strength in order to be able to absorb deformation energy during a side impact and to enable easy connection to other body components during assembly of the B pillar.
  • the hardened component has different material structures or strength properties in the partial areas.
  • the steel sheet to be hardened can, for example, already be provided with different, interconnected sheet sections or can be partially cooled differently in the press.
  • the steel sheet to be hardened can be hardened to partially different heat treatment processes before cooling and forming in the press.
  • a structural transformation to harder structures such as martensite
  • such a process usually has the disadvantage that the diffusion of a coating that is usually applied to the surface of the steel sheet to protect against scaling, such as an aluminum-silicon coating, cannot be efficiently integrated into the heat treatment process.
  • contact plates that are designed to partially temper the steel sheet by heat conduction.
  • this requires a certain contact time with the plates, which is usually longer than the (minimum) cycle time that can be achieved using the downstream press.
  • the coordination between a specific contact time and cycle time on the press regularly complicates the integration of corresponding tempering stations into a press hardening line on an industrial scale, in which production fluctuations during operation are usually unavoidable.
  • the object of the present invention is to at least partially solve the problems described with reference to the prior art.
  • a method for heat treating a metallic component is to be specified which allows a partially different heat treatment of the component to be carried out on an industrial scale, in particular as efficiently as possible.
  • the method is intended in particular to help reduce the influence of the process section of the heat treatment process that is located upstream of the press on the cycle time of the entire heat treatment process.
  • At least a first (more ductile in the finished treated component) partial area of the component is convectively cooled by means of at least one nozzle which discharges a fluid flow towards the first partial area, so that a temperature difference of at least 100 K [Kelvin] is set between the at least one first partial area and at least one second (harder in the finished treated component in comparison) partial area of the component, wherein the at least one nozzle is operated with an overpressure of at least 2 bar.
  • the proposed method which is not according to the invention, is used in particular for the targeted heat treatment of a (steel) component in individual component zones or for the targeted setting of different structures in different sub-areas of a steel component.
  • the method is preferably used for the partial hardening of optionally pre-coated components made of a (high-strength) manganese-boron steel.
  • the proposed method which is not according to the invention, allows, in a particularly advantageous manner, that a partially different heat treatment of a component can also be carried out reliably on an industrial scale.
  • the cooling of the at least one first partial area of the component is carried out by means of at least one nozzle operated with an overpressure of at least 2 bar, the influence of the process section of the heat treatment process that is upstream of a press on the cycle time of the entire heat treatment process can be reduced.
  • the cooling of the at least one first partial area of the component by means of at least one nozzle operated with an overpressure of at least 2 bar allows, in a particularly advantageous manner, that the at least one first partial area of the component can be cooled down very quickly by at least 100 K, in particular so quickly that a cooling time is less than or equal to a cycle time on a downstream press hardening tool (press cycle).
  • Such short cooling times cannot be achieved in particular with fans that can be used to generate a (cooling) air flow towards a component surface.
  • a cooling time in which the at least one first partial region of the component is cooled convectively or by means of the nozzle is less than fifteen seconds, in particular less than ten seconds or even less than five seconds or particularly preferably less than three seconds.
  • the metallic component is preferably a metallic plate, a steel sheet or an at least partially preformed semi-finished product.
  • the metallic component is preferably formed with or from a (hardenable) steel, for example a boron (manganese) steel, e.g. with the designation 22MnB5. More preferably, the metallic component is at least largely provided with or pre-coated with a (metallic) coating.
  • the metallic coating can, for example, be a coating (primarily) containing zinc or a coating (primarily) containing aluminum and/or silicon, in particular a so-called aluminum/silicon (Al/Si) coating.
  • the at least one nozzle is preferably arranged in a tempering station, wherein the tempering station is particularly preferably arranged downstream of a first oven and/or upstream of a second oven.
  • the at least one nozzle in particular a nozzle outlet of the nozzle, can be directed towards the first sub-area.
  • the at least one nozzle, in particular a nozzle inlet of the nozzle can be connected to a fluid source.
  • the fluid source can be a tank in which the fluid forming the fluid flow is stored in a compressed state.
  • the fluid can be, for example, (compressed) air, nitrogen, water or a mixture thereof.
  • the fluid is compressed air and/or the fluid flow is a (compressed) air flow.
  • the at least one nozzle is preferably at least one compressed air nozzle.
  • the at least one nozzle is preferably operated with compressed air.
  • the at least one nozzle in particular a nozzle inlet of the nozzle, can be connected to at least one compressor.
  • a provision of compressed air can be carried out with a Overpressure of at least 2 bar can be achieved by means of at least one compressor.
  • the compressed air thus provided can be supplied to the at least one nozzle. This can be done before, at the same time and/or at least partially parallel to the cooling by means of the at least one nozzle.
  • the compressor is provided and set up to supply compressed air to the at least one compressed air nozzle with an overpressure of at least 2 bar.
  • the compressor can, for example, provide a (system) overpressure of at least 2 bar, which is preferably kept or stored in a pressure (air) reservoir.
  • a (corresponding) pressure reservoir is arranged in a pipe system connecting the compressor to the at least one compressed air nozzle and/or connected to the pipe system between the compressor and the at least one compressed air nozzle.
  • At least one controllable valve can be arranged between the compressor and the at least one compressed air nozzle, which is actuated, in particular opened and closed, in accordance with a desired cooling time and/or a desired (compressed air) volume flow.
  • the (each) nozzle is shaped like a flat jet nozzle. Further preferably, several nozzles are provided, which are particularly preferably arranged to form a nozzle field. In particular, the shape of the nozzle field and/or the arrangement of the plurality of nozzles is adapted to the (to be achieved) geometry of at least one first partial region of the component.
  • cooling is carried out by means of a plurality, in particular by means of at least five or even at least ten nozzles, which can be controlled individually or in groups, in particular can be supplied with a (specific) fluid volume flow.
  • the nozzles are controlled in a time-dependent manner.
  • the nozzles are controlled in such a way (individually or in groups) that one or more temperature differences are specifically set between sub-areas of the component, for example between the at least one first sub-area and the at least one second sub-area.
  • the nozzles can be controlled in such a way (individually or in groups) that environmental influences in the temperature control station that can act on the component after it leaves the temperature control station are specifically compensated for.
  • Such compensation which is to be understood in particular as prevention, can be carried out, for example, in such a way that an area of the component that is further towards the edge, in particular an area of the at least one first sub-area that is further towards the component edge, is cooled less than an area of the component that is further away from the edge, in particular than an area of the at least one first sub-area of the component that is further away from the component edge, in order to take into account or even (substantially) compensate for a faster cooling of the component in its edge areas that may take place after leaving the temperature control station, in particular in the heat exchange with the environment.
  • the convective cooling creates a temperature difference of at least 100 K, preferably of at least 150 K or even of at least 200 K between the at least one first partial region and at least one second Partial region of the component is set.
  • the component has partially different (component) temperatures, with a temperature difference being set between a first temperature of the at least one first partial region and a second temperature of the at least one second partial region of the component.
  • several (different) temperature differences can be set between partial regions of the component. For example, it is possible to set three or more partial regions in the component, each with different temperatures.
  • the partially different temperatures can lead to different structures or strength properties being set in the component, in particular during any subsequent quenching, such as during a press hardening process.
  • the at least one nozzle is operated with an overpressure of at least 2 bar, preferably at least 2.5 bar, particularly preferably at least 3.5 bar or even at least 5 bar.
  • a fluid forming the fluid flow has an overpressure of at least 2 bar, preferably at least 2.5 bar, particularly preferably at least 3.5 bar or even at least 5 bar, at a nozzle inlet of the at least one nozzle, particularly during a cooling time.
  • this means in particular that the overpressure with which the at least one nozzle is operated is measurable at a nozzle inlet of the at least one nozzle.
  • the overpressure with which the at least one nozzle is operated can in particular relate to the overpressure held or stored in the pressure reservoir.
  • An overpressure is to be understood here as a pressure that is determined relative to the ambient pressure or atmospheric pressure.
  • the fluid flow can be accelerated while flowing through the at least one nozzle.
  • the fluid flow exits the at least one nozzle at an exit speed of approximately the speed of sound.
  • the fluid flow discharged by means of the at least one nozzle exerts a blowing pressure of at least 3000 Pa [Pascal] or N/m 2 [Newton per square meter] on a component surface of the component in the at least one first partial area of the component.
  • a cooling rate of at least 100 K/s [Kelvin per second] is set by cooling by means of the at least one nozzle in the at least one first partial area of the component.
  • At least the at least one first partial area of the component is heated by at least 500 K, preferably by at least 600 K or even by at least 800 K before cooling.
  • the at least one first partial area of the component is heated by means of the at least one nozzle in a first oven and/or by means of radiant heat and/or convection before cooling. More preferably, cooling is carried out by means of the at least one nozzle in a tempering station arranged downstream of a first oven.
  • At least the at least one first partial region of the component is heated after cooling by at least 100 K, preferably by at least 150 K or even by at least 200 K.
  • the at least one first partial region of the component is heated after cooling by means of the at least one nozzle in a second oven and/or by means of radiant heat and/or convection.
  • the second oven is particularly preferably arranged downstream of the tempering station.
  • the (entire) component is heated in a first oven.
  • the component is heated homogeneously or uniformly in the first oven.
  • the component is heated in the first oven (exclusively) by means of radiant heat, for example from at least one electrically operated heating element (which does not physically or electrically contact the component), such as a heating loop and/or a heating wire, and/or from at least one (gas-heated) radiant tube.
  • the first oven can be a continuous oven or a chamber oven.
  • step b) the component is moved from the first oven to a tempering station.
  • a transport device can be provided, for example at least comprising a roller table and/or an (industrial) robot.
  • the component preferably travels a distance of at least 0.5 m [meters] from the first oven to the tempering station.
  • the component can be guided in contact with the ambient air or within a protective atmosphere.
  • step c) at least a first partial area of the component is (actively) cooled in the temperature control station.
  • thermal energy is introduced into the at least one second partial area of the component at the same time or at least partially parallel to the cooling of the at least one first partial area of the component.
  • the at least one second partial area of the component in the temperature control station is (exclusively) exposed to thermal radiation, which is generated and/or emitted, for example, by at least one electrically operated or heated heating element (which does not contact the component), such as a heating loop and/or a heating wire, and/or by at least one (gas-heated) jet pipe, particularly arranged in the temperature control station.
  • the introduction of thermal energy into the at least one second partial area of the component can preferably be carried out in the tempering station in such a way that a decrease in the temperature of the at least one second partial area and/or a cooling rate of the at least one second partial area is at least reduced while the component remains in the tempering station.
  • This method is particularly advantageous if the component is not heated to a temperature above the AC3 temperature in step a) according to the invention.
  • the introduction of thermal energy into the at least one second partial region of the component in the tempering station can be carried out in such a way that the at least one second partial region of the component is (significantly) heated, in particular heated by at least approximately 50 K. This method is particularly advantageous if the component was heated according to the invention in step a) to a temperature below the AC3 temperature or even below the AC1 temperature.
  • step d) the component is moved from the tempering station into a second oven.
  • a transport device can be provided, for example at least comprising a roller table and/or an (industrial) robot.
  • the component preferably travels a distance of at least 0.5 m from the tempering station to the second oven.
  • the component can be guided in contact with the ambient air or within a protective atmosphere.
  • the component is brought directly into the second oven immediately after being removed from the tempering station.
  • the second oven can be a continuous oven or a chamber oven.
  • step e) at least the at least one first partial area of the component is heated in the second furnace by at least 100 K, preferably by at least 150 K or even by at least 200 K.
  • a renewed heating process takes place in the second furnace, whereby at least the previously (actively) cooled at least one first partial region is heated by at least 100 K.
  • at least the at least one first partial region of the component is heated in the second furnace (exclusively) by means of radiant heat, for example from at least one electrically operated heating element (which does not contact the component), such as a heating loop and/or a heating wire, and/or from at least one (gas-heated) radiant pipe.
  • step e) in particular simultaneously or at least partially parallel to the heating of the at least one first partial region, the at least one second partial region of the component is heated in the second furnace by at least 50 K, particularly preferably by at least 70 K or even by at least 100 K, in particular (exclusively) by means of radiant heat.
  • the at least one second partial region of the component is heated to a temperature above the AC1 temperature or even above the AC3 temperature.
  • step e) in particular simultaneously or at least partially parallel to the heating of the at least one first partial region, a decrease in the temperature of the at least one second partial region and/or a cooling rate of the at least one second partial region is at least reduced while the component remains in the second furnace.
  • thermal energy can be introduced into the entire component, in particular by means of radiant heat.
  • the second furnace can (for this purpose) have a furnace interior, in particular (exclusively) heated by means of radiant heat, in which an almost uniform internal temperature preferably prevails.
  • the introduction of thermal energy into the at least one first partial region of the component in the second furnace preferably takes place in such a way that the temperature of the at least one first partial region is increased by at least 100 K, preferably by at least 120 K, particularly preferably by at least 150 K or even by at least 200 K.
  • the introduction of thermal energy into the at least one second partial region of the component can preferably take place in the second furnace in such a way that a decrease in the temperature of the at least one second partial region and/or a cooling rate of the at least one second partial region is at least reduced while the component remains in the second furnace. This process is particularly advantageous if the component was heated to a temperature above the AC3 temperature in step a).
  • the introduction of thermal energy into the at least one second partial region of the component in the second furnace can take place in such a way that the at least one second partial region of the component is at least (significantly) heated, in particular by at least 50 K, particularly preferably by at least 70 K or even by at least 100 K; and/or heated to a temperature above the AC1 temperature or even above the AC3 temperature.
  • This process is particularly advantageous if the component was heated to a temperature below the AC3 temperature or even below the AC1 temperature in step a).
  • the movement in step f) is carried out by means of a transport device, for example at least comprising a roller table and/or an (industrial) robot.
  • a transport device for example at least comprising a roller table and/or an (industrial) robot.
  • the component is placed from the second oven to the Press hardening tool travels a distance of at least 0.5 m.
  • the component can be guided in contact with the ambient air or within a protective atmosphere.
  • the component is placed directly into the press hardening tool immediately after being removed from the second furnace.
  • the component is heated in step a) to a temperature below the AC3 temperature or even below the AC1 temperature.
  • the AC1 temperature is the temperature at which the structural transformation from ferrite to austenite begins when a metallic component, in particular a steel component, is heated.
  • the component is heated in step a) to a temperature above the AC3 temperature.
  • the AC3 temperature is the temperature at which the structural transformation from ferrite to austenite ends or is (completely) completed when a metallic component, in particular a steel component, is heated.
  • the at least one first partial region in step c) is cooled convectively to a temperature below the AC1 temperature.
  • the at least one first partial region in step c) is cooled, in particular convectively, to a temperature below 550°C [° Celsius] (823.15 K), particularly preferably below 500°C (773.15 K) or even below 450°C (723.15 K).
  • the device not according to the invention can be used to carry out a method presented here.
  • the device is provided and set up to carry out a method presented here.
  • the device is assigned an electronic control unit that is suitable and set up to carry out a method proposed here.
  • the control unit has at least one program-controlled microprocessor and an electronic memory in which a control program is stored that is provided and set up to carry out a method proposed here.
  • the first furnace or the second furnace is a continuous furnace or a chamber furnace.
  • the first furnace is a continuous furnace, in particular a roller hearth furnace.
  • the second furnace is a continuous furnace, in particular a roller hearth furnace, or a chamber furnace, in particular a multi-layer chamber furnace with at least two chambers arranged one above the other.
  • the second furnace has a furnace interior, in particular (exclusively) heatable by means of radiant heat, in which preferably an almost uniform internal temperature can be set.
  • the second furnace is designed as a multi-layer chamber furnace, there can be several such furnace interiors, depending on the number of chambers.
  • radiant heat sources are (exclusively) arranged in the first furnace and/or in the second furnace.
  • at least one electrically operated heating element (which does not contact the component), such as at least one electrically operated heating loop and/or at least one electrically operated heating wire, is arranged in an oven interior of the first furnace and/or in an oven interior of the second furnace.
  • at least one radiant tube in particular gas-heated, can be arranged in the oven interior of the first furnace and/or the oven interior of the second furnace.
  • several radiant tube gas burners or radiant tubes are arranged in the oven interior of the first furnace and/or the oven interior of the second furnace, into each of which at least one gas burner burns. It is particularly advantageous here if the inner region of the steel tubes into which the gas burners burn is atmospherically separated from the oven interior, so that no combustion gases or exhaust gases enter the oven interior and can thus influence the oven atmosphere. Such an arrangement is also called "indirect gas heating".
  • At least one nozzle is arranged or held in the tempering station, which is provided and set up for discharging a fluid.
  • the at least one nozzle can be operated with an overpressure of at least 2 bar.
  • the device can furthermore have at least one compressor, in particular for providing the overpressure, which is preferably assigned to the tempering station.
  • the compressor can be connected to the at least one nozzle, in particular to a nozzle inlet of the nozzle (in terms of flow).
  • the device preferably has at least one pressure (air) reservoir, which is provided and set up to hold or store pressure provided by the compressor.
  • the pressure reservoir is preferably assigned to the temperature control station.
  • the pressure reservoir is also preferably arranged in a pipe system connecting the compressor to the at least one compressed air nozzle and/or connected to the pipe system between the compressor and the at least one compressed air nozzle.
  • the compressor is preferably provided and set up to provide the fluid forming the fluid flow with an overpressure of at least 2 bar.
  • the compressor is preferably a piston compressor, a rotary compressor, in particular a screw compressor, or a turbo compressor, which is particularly preferably designed with a plurality of rotatably driven blades (at least one impeller) and a plurality of fixed blades (at least one guide wheel).
  • a source for a fluid under pressure can be provided, which can be connected to the at least one nozzle.
  • This is preferably a source in which a liquefied gas is vaporized, for example via a corresponding heat exchanger, which causes the liquefied gas (for example liquefied nitrogen) to vaporize in ambient air, for example.
  • the vaporized gas can then preferably be fed to a compressor to increase the pressure if the gas pressure at the outlet of the source is too low.
  • At least one heating device is (also) arranged in the tempering station.
  • the heating device is provided and designed to transfer heat energy into the at least a second partial area of the component.
  • the heating device is particularly preferably arranged and/or aligned in the tempering station in such a way that the introduction of thermal energy into the at least one second partial area of the component can be carried out simultaneously or at least partially parallel to the cooling of the at least one first partial area of the component by means of the at least one nozzle.
  • the heating device preferably comprises (exclusively) at least one radiant heat source.
  • the at least one radiant heat source is particularly preferably formed with at least one electrically operated heating element (which does not contact the component), such as at least one electrically operated heating loop and/or at least one electrically operated heating wire.
  • at least one gas-heated jet pipe can be provided as the radiant heat source.
  • the device not according to the invention can comprise a press hardening tool which is arranged downstream of the second furnace.
  • the press hardening tool is in particular intended and set up to form and (at least partially) quench the component simultaneously or at least partially in parallel.
  • a use not according to the invention of at least one nozzle operated with an overpressure of at least 2 bar for convective cooling of at least a first partial area of a metallic component is proposed, wherein the nozzle is used in such a way that a temperature difference of at least 100 K is set between the at least one first partial area and at least one second partial area of the component.
  • Fig.1 shows schematically a device 12 not according to the invention for heat treatment of a metallic component 1, with which a method according to the invention can be carried out.
  • the device 12 has a first furnace 7, a tempering station 8, a second furnace 9 and a press hardening tool 11.
  • the device 12 here represents a hot forming line for press hardening.
  • the tempering station 8 is arranged (directly) downstream of the first furnace 7, so that a component 1 to be treated by means of the device 12 can be brought directly into the tempering station 8 after leaving the first furnace 7.
  • the second furnace 9 of the tempering station 8 and the press hardening tool 11 are arranged (directly) downstream of the second furnace 9.
  • Fig.2 shows a schematic detail view of the device from Fig.1 .
  • the tempering station 8 of the device is made of Fig.1 illustrated in more detail.
  • a nozzle 3 is arranged in the temperature control station 8, which discharges a fluid flow 4 to a first partial area 2 of the component in order to cool this first partial area 2 convectively (actively).
  • the nozzle 3 is operated, for example, with an overpressure of 5 bar.
  • the nozzle is connected to a compressor 13 on the inlet side.
  • a heating device 11 is arranged in the temperature control station 8, which is provided and set up to introduce heat energy into a second partial area 6 of the component 1.
  • the heating device 11 is designed, for example, as an electrically operated heating wire.
  • Fig. 3 shows schematically a temperature-time curve that can be achieved by means of a method according to the invention.
  • the temperature T of the metallic component or the temperatures T of the at least one first partial region and the at least one second partial region of the component are plotted against time t.
  • the metallic component 1 is first heated uniformly to a temperature below the AC1 temperature until time t 1 .
  • This heating takes place here, for example, in a first oven 2.
  • the metallic component is transferred from the first oven to a tempering station.
  • the component temperature can decrease slightly, for example due to heat being released into the environment.
  • a first part of the component is cooled in the tempering station (actively).
  • at least a second part of the component is heated (slightly) in the temperature control station.
  • a temperature difference 5 is set between at least one first partial area and at least one second partial area of the component.
  • the component is transferred from the tempering station to a second furnace that is different from the first furnace.
  • the partially different temperatures set in the tempering station can decrease slightly, for example due to heat being released into the environment.
  • the component is heated in the second furnace such that the temperature of the at least one first partial region of the component is increased by at least 150 K.
  • the heating in the second furnace is carried out such that at the same time the temperature of the at least one second part of the component is brought to a temperature above the AC3 temperature.
  • the component is transferred from the second furnace to a press hardening tool.
  • the partially different temperatures set in the second furnace can decrease slightly, for example due to heat being released into the environment.
  • the (entire) component is quenched in the press hardening tool.
  • an at least partially or even predominantly martensitic structure can develop in the at least one second partial area of the component, which has a comparatively high strength and a comparatively low ductility.
  • the at least one first partial area of the component essentially no structural transformation has taken place, since the at least one first partial area of the component has never exceeded the AC1 temperature at any time during the process, so that a predominantly ferritic structure remains in the at least one first partial area of the component, which has a comparatively low strength and a comparatively high ductility.
  • Fig.4 shows schematically another temperature-time curve that can be achieved using a method not according to the invention.
  • the metallic component is heated uniformly to a temperature above the AC3 temperature up to time t 1 . This heating takes place here, for example, in a first oven. Between times t 1 and t 2 , the metallic component is transferred from the first oven to a tempering station. The component temperature can decrease slightly during this process.
  • a first part of the component is cooled in the tempering station (actively).
  • the temperature of at least a second part of the component in the temperature control station can decrease slightly.
  • This (passive) temperature decrease in the at least one second partial area of the component has a significantly lower cooling rate than the parallel (active) cooling of the at least one first partial area of the component.
  • a temperature difference 5 is set between the at least one first partial area and at least one second partial area of the component.
  • the component is transferred from the tempering station to a second oven that is different from the first oven.
  • the partially different temperatures set in the tempering station can decrease slightly.
  • the component is heated in the second furnace such that the temperature of the at least one first partial region of the component is increased by at least 150 K.
  • the heating in the second furnace is carried out such that at the same time a cooling rate of the at least one second partial region of the component is reduced in comparison to a cooling rate during heat release to the environment.
  • the component is transferred from the second furnace to a press hardening tool.
  • the set partially different temperatures, for example due to heat loss to the environment.
  • the (entire) component is quenched in the press hardening tool.
  • an at least partially or even predominantly martensitic structure can develop in the at least one second partial area of the component, which has a comparatively high strength and a comparatively low ductility.
  • an at least partially or even predominantly bainitic structure can develop, which has a comparatively low strength and a comparatively high ductility.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines metallischen Bauteils. Die Erfindung findet insbesondere Anwendung beim partiellen Härten von gegebenenfalls vorbeschichteten Bauteilen aus einem hochfesten Mangan-Bor-Stahl.
  • Zur Herstellung sicherheitsrelevanter Fahrzeug-Karosseriebauteile aus Stahlblech ist es regelmäßig erforderlich das Stahlblech während oder nach der Umformung zu dem Karosseriebauteil zu härten. Hierzu hat sich ein Wärmebehandlungsverfahren etabliert, das als "Presshärten" bezeichnet wird. Dabei wird das Stahlblech, das regelmäßig in der Form einer Platine bereitgestellt wird zunächst in einem Ofen aufgeheizt und anschließend während der Umformung in einer Presse abgekühlt und dadurch gehärtet.
  • Seit einigen Jahren besteht nun das Bestreben mittels des Presshärtens Karosseriebauteile von Kraftfahrzeugen, wie z. B. A- und B-Säulen, Seitenaufprallschutzträger in Türen, Schweller, Rahmenteile, Stoßstangenfänger, Querträger für Boden und Dach, vordere und hintere Längsträger, bereitzustellen, die in Teilbereichen unterschiedliche Festigkeiten aufweisen, sodass das Karosseriebauteil partiell unterschiedliche Funktionen erfüllen kann. So soll zum Beispiel der mittlere Bereich einer B-Säule eines Fahrzeugs eine hohe Festigkeit aufweisen, um die Insassen im Falle eines Seitenaufpralls zu schützen. Gleichzeitig sollen der obere und untere Endbereich der B-Säule eine vergleichsweise geringe Festigkeit aufweisen, um zum einen Verformungsenergie während eines Seitenaufpralls aufnehmen zu können und zum anderen während der Montage der B-Säule eine einfache Verbindbarkeit mit anderen Karosseriebauteilen zu ermöglichen.
  • Zur Ausbildung eines solchen partiell gehärteten Karosseriebauteils ist es erforderlich, dass das gehärtete Bauteil in den Teilbereichen unterschiedliche Materialgefüge beziehungsweise Festigkeitseigenschaften aufweist. Zur Einstellung unterschiedlicher Materialgefüge beziehungsweise Festigkeitseigenschaften nach dem Härten kann beispielsweise das zu härtende Stahlblech bereits mit unterschiedlichen, miteinander verbundenen Blechabschnitten bereitgestellt oder in der Presse partiell unterschiedlich abgekühlt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich besteht die Möglichkeit, das zu härtende Stahlblech vor dem Abkühlen und Umformen in der Presse partiell unterschiedlichen Wärmebehandlungsprozessen zu unterwerfen. In diesem Zusammenhang können beispielsweise lediglich diejenigen Teilbereiche des zu härtenden Stahlblechs aufgeheizt werden, in denen eine Gefügeumwandlung hin zu härteren Gefügen, wie etwa Martensit stattfinden soll. Eine solche Verfahrensführung weist jedoch regelmäßig den Nachteil auf, dass das Eindiffundieren einer üblicherweise zum Schutz vor Verzunderung auf die Oberfläche des Stahlblechs aufzubringenden Beschichtung, etwa einer Aluminium-Silizium-Beschichtung nicht effizient in den Wärmebehandlungsprozess integriert werden kann. Ferner besteht die Möglichkeit, die partielle Wärmebehandlung mittels Kontaktplatten durchzuführen, die zur partiellen Temperierung des Stahlblechs durch Wärmeleitung ausgebildet sind. Dies erfordert jedoch eine bestimmte Kontaktzeit mit den Platten, die üblicherweise länger ist als eine mittels der nachgelagerten Presse erreichbare (minimale) Taktzeit. Weiterhin erschwert die Abstimmung zwischen bestimmter Kontaktzeit und Taktzeit an der Presse regelmäßig die Integration entsprechender Temperierstationen in eine Presshärtelinie im industriellen Maßstab, in der Produktionsschwankungen während des Betriebs in der Regel unvermeidbar sind.
  • Aus der DE 15 08 378 B1 ist ein Verfahren zum Härten von Stahlplatten bekannt, bei dem die Stahlplatten durch einen Wasserstrahl abgeschreckt werden. Aus der DE 102 08 216 C1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines gehärteten metallischen Bauteils bekannt, bei dem zur Abkühlung Düsen verwendet werden, die an die Kontur des Bauteils angepasst sind. Die KR 2012 0110961 A offenbart eine Wärmebehandlungsvorrichtung, mit der ein Übergangsbereich zwischen unterschiedlich wärmebehandelten Bereichen eines Bauteils verringert werden können soll. Weiterhin offenbart die EP 2 548 975 A1 ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines gehärteten metallischen Bauteils, bei dem Düsen zur Kühlung eingesetzt werden. US2015299817 A1 offenbart ein Verfahren zur Verfestigung eines Stahlbleches durch Erhitzen und Abschrecken. US2003189027 A1 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Metallgegenstandes mit Bereichen von grösserer und geringerer Härte.
  • Hiervon ausgehend ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die mit Bezug auf den Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen. Insbesondere soll ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines metallischen Bauteils angegeben werden, das eine im industriellen Maßstab, insbesondere möglichst effizient durchführbare partiell unterschiedliche Wärmebehandlung des Bauteils erlaubt. Zudem soll das Verfahren insbesondere dazu beitragen, den Einfluss des Prozessabschnitts des Wärmebehandlungsprozesses, der der Presse vorgelagert ist auf die Taktzeit des gesamten Wärmebehandlungsprozesses zu reduzieren.
  • Diese Aufgaben werden gelöst durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der hier vorgeschlagenen Lösung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Darüber hinaus werden die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
  • Bei einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren zur (partiell unterschiedlichen) Wärmebehandlung eines metallischen Bauteils wird mindestens ein erster (im fertig behandelten Bauteil duktileren) Teilbereich des Bauteils mittels mindestens einer Düse, die einen Fluidstrom hin zu dem ersten Teilbereich austrägt konvektiv gekühlt, sodass eine Temperaturdifferenz von mindestens 100 K [Kelvin] zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einem zweiten (im fertig behandelten Bauteil im Vergleich dazu härteren) Teilbereich des Bauteils eingestellt wird, wobei die mindestens eine Düse mit einem Überdruck von mindestens 2 bar betrieben wird.
  • Das vorgeschlagene nicht erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur gezielten bauteilzonenindividuellen Wärmebehandlung eines (Stahl-)Bauteils beziehungsweise zum gezielten Einstellen unterschiedlicher Gefüge in verschiedenen Teilbereichen eines Stahlbauteils. Bevorzugt dient das Verfahren zum partiellen Härten von gegebenenfalls vorbeschichteten Bauteilen aus einem (hochfesten) Mangan-Bor-Stahl.
  • Das vorgeschlagene nicht erfindungsgemäße Verfahren erlaubt in besonders vorteilhafter Weise, dass eine partiell unterschiedliche Wärmebehandlung eines Bauteils auch im industriellen Maßstab zuverlässig durchführbar ist. Insbesondere dadurch, dass das Kühlen des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils mittels mindestens einer mit einem Überdruck von mindestens 2 bar betriebenen Düse durchgeführt wird, kann der Einfluss des Prozessabschnitts des Wärmebehandlungsprozesses, der einer Presse vorgelagert ist auf die Taktzeit des gesamten Wärmebehandlungsprozesses reduziert werden. Mit anderen Worten ausgedrückt, erlaubt das Kühlen des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils mittels mindestens einer mit einem Überdruck von mindestens 2 bar betriebenen Düse in besonders vorteilhafter Weise, dass der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils sehr schnell um mindestens 100 K heruntergekühlt werden kann, insbesondere derart schnell, dass eine Abkühlzeit kleiner oder gleich einer Taktzeit an einem nachgeordneten Presshärtewerkzeug (Pressentakt) ist. Derart kurze Abkühlzeiten können insbesondere nicht mit Gebläsen erreicht werden, die zum Erzeugen eines (Kühl-) Luftstroms hin zu einer Bauteiloberfläche verwendet werden können. Bevorzugt beträgt eine Abkühlzeit, in der der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils konvektiv beziehungsweise mittels der Düse gekühlt wird weniger als fünfzehn Sekunden, insbesondere weniger als zehn Sekunden oder sogar weniger als fünf Sekunden oder besonders bevorzugt weniger als drei Sekunden.
  • Bei dem metallischen Bauteil handelt es sich vorzugsweise um eine metallische Platine, ein Stahlblech oder ein zumindest teilweise vorgeformtes Halbzeug. Das metallische Bauteil ist bevorzugt mit beziehungsweise aus einem (härtbaren) Stahl, beispielweise einem Bor-(Mangan-)Stahl, z. B. mit der Bezeichnung 22MnB5, gebildet. Weiter bevorzugt ist das metallische Bauteil zumindest zu einem Großteil mit einer (metallischen) Beschichtung versehen beziehungsweise vorbeschichtet. Bei der metallischen Beschichtung kann es sich beispielsweise um eine (vorrangig) Zink enthaltende Beschichtung oder eine (vorrangig) Aluminium und/oder Silizium enthaltende Beschichtung, insbesondere eine sogenannte Aluminium/Silizium(Al/Si)-Beschichtung handeln.
  • Die mindestens eine Düse ist vorzugsweise in einer Temperierstation angeordnet, wobei die Temperierstation besonders bevorzugt einem ersten Ofen nachgeordnet und/oder einem zweiten Ofen vorgeordnet ist. Die mindestens eine Düse, insbesondere ein Düsenauslass der Düse, kann hin zu dem ersten Teilbereich ausgerichtet sein. Weiterhin kann die mindestens eine Düse, insbesondere ein Düseneinlass der Düse mit einer Fluidquelle verbunden sein. Bei der Fluidquelle kann es sich um einen Tank handeln, in dem das den Fluidstrom bildende Fluid komprimiert gelagert ist. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um (Druck- )Luft, Stickstoff, Wasser oder einem Gemisch hiervon handeln.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem Fluid um Druckluft und/oder bei dem Fluidstrom um einen (Druck-)Luftstrom. Bei der mindestens einen Düse handelt es sich vorzugsweise um mindestens eine Druckluftdüse. Mit anderen Worten ausgedrückt, wird die mindestens eine Düse bevorzugt mit Druckluft betrieben. Zur Bereitstellung der Druckluft kann die mindestens eine Düse, insbesondere ein Düseneinlass der Düse mit mindestens einem Kompressor verbunden sein. Mit anderen Worten ausgedrückt, kann ein Bereitstellen von Druckluft mit einem Überdruck von mindestens 2 bar mittels mindestens eines Kompressors erfolgen. Darüber hinaus kann ein Zuführen der so bereitgestellten Druckluft zu der mindestens einen Düse erfolgen. Dies kann vor, gleichzeitig und/oder zumindest teilweise parallel zu dem Kühlen mittels der mindestens einen Düse erfolgen. Wenn mehrere Düsen vorgesehen sind, können diese mit einem gemeinsamen Kompressor verbunden sein. Bevorzugt ist der Kompressor dazu vorgesehen und eingerichtet, der mindestens einen Druckluftdüse Druckluft mit einem Überdruck von mindestens 2 bar zuzuführen. Hierzu kann der Kompressor beispielsweise einen (System-)Überdruck von mindestens 2 bar bereitstellen, der bevorzugt in einem Druck(-luft-)speicher vorgehalten beziehungsweise gespeichert wird. Besonders bevorzugt ist ein (entsprechender) Druckspeicher in einem den Kompressor mit der mindestens einen Druckluftdüse verbindenden Rohrleitungssystem angeordnet und/oder zwischen dem Kompressor und der mindestens einen Druckluftdüse mit dem Rohrleitungssystem verbunden. Zwischen dem Kompressor und der mindestens einen Druckluftdüse kann darüber hinaus mindestens ein ansteuerbares Ventil angeordnet sein, das entsprechend einer gewünschten Abkühlzeit und/oder eines gewünschten (Druckluft)-Volumenstroms betätigt, insbesondere geöffnet und geschlossen wird. Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, zwischen dem Kompressor und der mindestens einen Druckluftdüse ein bevorzugt ansteuerbares Ventil auszubilden, mittels dem der Durchfluss des Fluidstroms durch die Düse anpassbar ist, so dass der Volumenstrom durch die Düse beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebssituation und/oder in Abhängigkeit von Eigenschaften des Bauteils wie beispielsweise der Dicke des Bauteils angepasst werden kann.
  • Bevorzugt ist die (jede) Düse in der Art einer Flachstrahldüse geformt. Weiter bevorzugt sind mehrere Düsen vorgesehen, die besonders bevorzugt zu einem Düsenfeld angeordnet sind. Insbesondere ist die Form des Düsenfelds und/oder die Anordnung der mehreren Düsen an die (zu erzielende) Geometrie des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils angepasst.
  • Bevorzugt erfolgt das Kühlen mittels einer Vielzahl, insbesondere mittels mindestens fünf oder sogar mindestens zehn Düsen, die einzeln oder in Gruppen angesteuert, insbesondere mit einem (bestimmten) Fluid-Volumenstrom beaufschlagt werden können. Bevorzugt werden die Düsen zeitabhängig angesteuert. Weiterhin bevorzugt werden die Düsen derart (einzeln oder in Gruppen) angesteuert, dass gezielt eine oder mehrere Temperaturdifferenz(en) zwischen Teilbereichen des Bauteils, etwa zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und dem mindestens einen zweiten Teilbereich eingestellt werden. Darüber hinaus können die Düsen derart (einzeln oder in Gruppen) angesteuert werden, dass in der Temperierstation gezielt Umgebungseinflüsse, die auf das Bauteil nach Verlassen der Temperierstation wirken können, ausgeglichen werden. Ein solches Ausgleichen, das insbesondere als ein Vorbeugen zu verstehen ist, kann beispielsweise derart erfolgen, dass ein weiter am Rand liegender Bereich des Bauteils, insbesondere ein weiter am Bauteilrand liegender Bereich des mindestens einen ersten Teilbereichs, weniger stark gekühlt wird als ein im Vergleich dazu weiter entfernt vom Rand liegender Bereich des Bauteils, insbesondere als ein weiter entfernt vom Bauteilrand liegender Bereich des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils, um so eine gegebenenfalls nach Verlassen der Temperierstation, insbesondere im Wärmeaustausch mit der Umgebung stattfindende schnellere Abkühlung des Bauteils in dessen Randbereichen zu berücksichtigen oder sogar (im Wesentlichen) zu kompensieren.
  • Durch das konvektive Kühlen wird eine Temperaturdifferenz von mindestens 100 K, bevorzugt von mindestens 150 K oder sogar von mindestens 200 K zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einem zweiten Teilbereich des Bauteils eingestellt. Nach dem Kühlen weist das Bauteil partiell unterschiedliche (Bauteil-)Temperaturen auf, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen einer ersten Temperatur des mindestens einen ersten Teilbereichs und einer zweiten Temperatur des mindestens einen zweiten Teilbereichs des Bauteils eingestellt ist. Darüber hinaus können mehrere (verschiedene) Temperaturdifferenzen zwischen Teilbereichen des Bauteils eingestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, in dem Bauteil drei oder mehr Teilbereiche mit jeweils voneinander verschiedenen Temperaturen einzustellen. Die partiell unterschiedlichen Temperaturen können dazu führen, dass sich in dem Bauteil, insbesondere während eines gegebenenfalls anschließenden Abschreckens, wie etwa während eines Presshärtevorgangs unterschiedliche Gefüge beziehungsweise Festigkeitseigenschaften einstellen.
  • Die mindestens eine Düse wird mit einem Überdruck von mindestens 2 bar, bevorzugt von mindestens 2,5 bar, besonders bevorzugt von mindestens 3,5 bar oder sogar von mindestens 5 bar betrieben. Bevorzugt weist ein den Fluidstrom bildendes Fluid, insbesondere während einer Abkühlzeit, an einem Düseneinlass der mindestens einen Düse einen Überdruck von mindestens 2 bar, bevorzugt von mindestens 2,5 bar, besonders bevorzugt von mindestens 3,5 bar oder sogar von mindestens 5 bar auf. Dies bedeutet mit anderen Worten insbesondere, dass der Überdruck, mit dem die mindestens eine Düse betrieben wird an einem Düseneinlass der mindestens einen Düse messbar ist. Wenn die Düse mit einem Druck(-luft-)speicher verbunden ist, kann der Überdruck mit dem die mindestens eine Düse betrieben wird sich insbesondere auf den im Druckspeicher vorgehaltenen beziehungsweise gespeicherten Überdruck beziehen. Unter einem Überdruck ist hier ein Druck zu verstehen, der relativ zum Umgebungsdruck beziehungsweise Atmosphärendruck bestimmt wird.
  • Während des Strömens durch die mindestens eine Düse kann der Fluidstrom beschleunigt werden. Vorzugsweise tritt der Fluidstrom mit einer Austrittsgeschwindigkeit von annähernd Schallgeschwindigkeit aus der mindestens einen Düse aus. Weiter bevorzugt übt der mittels der mindestens einen Düse ausgetragene Fluidstrom auf eine Bauteiloberfläche des Bauteils in dem mindestens einen ersten Teilbereich des Bauteils einen Blasdruck von mindestens 3000 Pa [Pascal] beziehungsweise N/m2 [Newton pro Quadratmeter] aus. Vorzugsweise wird durch das Kühlen mittels der mindestens einen Düse in dem mindestens einen ersten Teilbereich des Bauteils eine Abkühlgeschwindigkeit von mindestens 100 K/s [Kelvin pro Sekunde] eingestellt.
  • Nach einer vorteilhaften nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils vor dem Kühlen um mindestens 500 K, bevorzugt um mindestens 600 K oder sogar um mindestens 800 K erwärmt wird. Bevorzugt wird der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils vor dem Kühlen mittels der mindestens einen Düse in einem ersten Ofen und/oder mittels Strahlungswärme und/oder Konvektion erwärmt. Weiter bevorzugt erfolgt das Kühlen mittels der mindestens einen Düse in einer einem ersten Ofen nachgeordneten Temperierstation.
  • Nach einer vorteilhaften nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils nach dem Kühlen um mindestens 100 K, bevorzugt um mindestens 150 K oder sogar um mindestens 200 K erwärmt wird. Bevorzugt wird der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils nach dem Kühlen mittels der mindestens einen Düse in einem zweiten Ofen und/oder mittels Strahlungswärme und/oder Konvektion erwärmt. Besonders bevorzugt ist der zweite Ofen der Temperierstation nachgeordnet.
  • Nach der Erfindung wird ein Verfahren zur (partiell unterschiedlichen) Wärmebehandlung eines metallischen Bauteils mit zumindest folgenden Schritten vorgeschlagen:
    1. a) Erwärmen des Bauteils in einem ersten Ofen, insbesondere mittels Strahlungswärme und/oder Konvektion,
    2. b) Bewegen des Bauteils in eine Temperierstation,
    3. c) konvektives (partielles) Kühlen mindestens eines ersten Teilbereichs des Bauteils in der Temperierstation mittels mindestens einer Düse, die einen Fluidstrom hin zu dem ersten Teilbereich austrägt, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einem zweiten Teilbereich des Bauteils eingestellt wird und wobei die mindestens eine Düse mit einem Überdruck von mindestens 2 bar betrieben wird.
  • In Schritt a) wird das (ganze) Bauteil in einem ersten Ofen erwärmt. Bevorzugt wird das Bauteil im ersten Ofen homogen beziehungsweise uniform aufgeheizt. Weiter bevorzugt wird das Bauteil im ersten Ofen (ausschließlich) mittels Strahlungswärme, beispielsweise von mindestens einem elektrisch betriebenen (das Bauteil nicht körperlich oder elektrisch kontaktierendem) Heizelement, wie beispielsweise einer Heizschleife und/oder einem Heizdraht, und/oder von mindestens einem (gasbeheizten) Strahlrohr erwärmt. Der erste Ofen kann ein Durchlaufofen oder ein Kammerofen sein.
  • In Schritt b) wird das Bauteil von dem ersten Ofen in eine Temperierstation bewegt. Hierzu kann eine Transporteinrichtung, beispielsweise zumindest umfassend einen Rollentisch und/oder einen (Industrie-)Roboter vorgesehen sein. Bevorzugt legt das Bauteil von dem ersten Ofen bis hin zur Temperierstation eine Wegstrecke von mindestens 0,5 m [Meter] zurück. Hierbei kann das Bauteil im Kontakt mit der Umgebungsluft oder innerhalb einer Schutzatmosphäre geführt werden.
  • In Schritt c) wird mindestens ein erster Teilbereich des Bauteils in der Temperierstation (aktiv) gekühlt. Es erfolgt in der Temperierstation gleichzeitig oder zumindest teilweise parallel zu dem Kühlen des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils ein Eintragen von Wärmeenergie in den mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils. Vorzugsweise wird der mindestens eine zweite Teilbereich des Bauteils in der Temperierstation (ausschließlich) mit einer Wärmestrahlung beaufschlagt, die beispielsweise von mindestens einem elektrisch betriebenen beziehungsweise aufgeheizten, insbesondere in der Temperierstation angeordneten, (das Bauteil nicht kontaktierenden) Heizelement, wie beispielsweise einer Heizschleife und/oder einem Heizdraht, und/oder von mindestens einem, insbesondere in der Temperierstation angeordneten, (gasbeheizten) Strahlrohr erzeugt und/oder abgestrahlt wird.
  • Das Eintragen von Wärmeenergie in den mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils kann in der Temperierstation vorzugsweise derart erfolgen, dass eine Temperaturabnahme der Temperatur des mindestens einen zweiten Teilbereichs und/oder eine Abkühlgeschwindigkeit des mindestens einen zweiten Teilbereichs während des Verbleibs des Bauteils in der Temperierstation zumindest reduziert wird. Diese Verfahrensführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil in Schritt a) nicht erfindungsgemäß auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt wurde. Alternativ kann das Eintragen von Wärmeenergie in den mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils in der Temperierstation derart erfolgen, dass der mindestens eine zweite Teilbereich des Bauteils (deutlich) erwärmt, insbesondere um mindestens ca. 50 K aufgeheizt, wird. Diese Verfahrensführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil erfindungsgemäß in Schritt a) auf eine Temperatur unterhalb der AC3-Temperatur oder sogar unterhalb der AC1-Temperatur erwärmt wurde.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Verfahren weiterhin zumindest folgende Schritte umfasst:
    • d) Bewegen des Bauteils von der Temperierstation in einen zweiten Ofen,
    • e) Erwärmen zumindest des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils in dem zweiten Ofen um mindestens 100 K, insbesondere mittels Strahlungswärme und/oder Konvektion.
  • In Schritt d) wird das Bauteil von der Temperierstation in einen zweiten Ofen bewegt. Hierzu kann eine Transporteinrichtung, beispielsweise zumindest umfassend einen Rollentisch und/oder einen (Industrie-)Roboter vorgesehen sein. Bevorzugt legt das Bauteil von der Temperierstation bis hin zu dem zweiten Ofen eine Wegstrecke von mindestens 0,5 m zurück. Hierbei kann das Bauteil im Kontakt mit der Umgebungsluft oder innerhalb einer Schutzatmosphäre geführt werden. Bevorzugt wird das Bauteil unmittelbar nach einer Entnahme aus der Temperierstation direkt in den zweiten Ofen verbracht. Der zweite Ofen kann ein Durchlaufofen oder Kammerofen sein.
  • In Schritt e) wird zumindest der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils in dem zweiten Ofen um mindestens 100 K, bevorzugt um mindestens 150 K oder sogar um mindestens 200 K erwärmt. Mit anderen Worten ausgedrückt, erfolgt im zweiten Ofen ein erneuter Erwärmungsvorgang, wobei zumindest der zuvor (aktiv) gekühlte mindestens eine erste Teilbereich um mindestens 100 K erwärmt wird. Bevorzugt wird zumindest der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils im zweiten Ofen (ausschließlich) mittels Strahlungswärme, beispielsweise von mindestens einem elektrisch betriebenen (das Bauteil nicht kontaktierenden) Heizelement, wie beispielsweise einer Heizschleife und/oder einem Heizdraht, und/oder von mindestens einem (gasbeheizten) Strahlrohr erwärmt. Weiter bevorzugt wird in Schritt e), insbesondere gleichzeitig oder zumindest teilweise parallel zum Erwärmen des mindestens einen ersten Teilbereichs, der mindestens eine zweite Teilbereich des Bauteils in dem zweiten Ofen um mindestens 50 K, besonders bevorzugt um mindestens 70 K oder sogar um mindestens 100 K, insbesondere (ausschließlich) mittels Strahlungswärme, erwärmt. Besonders bevorzugt wird in Schritt e) der mindestens eine zweite Teilbereich des Bauteils auf eine Temperatur oberhalb der AC1-Temperatur oder sogar oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt. Alternativ wird in Schritt e), insbesondere gleichzeitig oder zumindest teilweise parallel zum Erwärmen des mindestens einen ersten Teilbereichs, eine Temperaturabnahme der Temperatur des mindestens einen zweiten Teilbereichs und/oder eine Abkühlgeschwindigkeit des mindestens einen zweiten Teilbereichs während des Verbleibs des Bauteils in dem zweiten Ofen zumindest reduziert.
  • Mit anderen Worten ausgedrückt kann in Schritt e) ein Eintragen von Wärmeenergie, insbesondere mittels Strahlungswärme, in das gesamte Bauteil erfolgen. Beispielsweise kann der zweite Ofen (hierzu) einen, insbesondere (ausschließlich) mittels Strahlungswärme beheizten, Ofeninnenraum aufweisen, in dem vorzugsweise eine nahezu einheitliche Innentemperatur herrscht. Das Eintragen von Wärmeenergie in den mindestens einen ersten Teilbereich des Bauteils erfolgt in dem zweiten Ofen vorzugsweise derart, dass die Temperatur des mindestens einen ersten Teilbereichs um mindestens 100 K, bevorzugt um mindestens 120 K, besonders bevorzugt um mindestens 150 K oder sogar um mindestens 200 K erhöht wird.
  • Das Eintragen von Wärmeenergie in den mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils kann in dem zweiten Ofen vorzugsweise derart erfolgen, dass eine Temperaturabnahme der Temperatur des mindestens einen zweiten Teilbereichs und/oder eine Abkühlgeschwindigkeit des mindestens einen zweiten Teilbereichs während des Verbleibs des Bauteils in dem zweiten Ofen zumindest reduziert wird. Diese Verfahrensführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt wurde. Alternativ kann das Eintragen von Wärmeenergie in den mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils im zweiten Ofen derart erfolgen, dass der mindestens eine zweite Teilbereich des Bauteils zumindest (deutlich) erwärmt, insbesondere um mindestens 50 K, besonders bevorzugt um mindestens 70 K oder sogar um mindestens 100 K; und/oder auf eine Temperatur oberhalb der AC1-Temperatur oder sogar oberhalb der AC3-Temperatur aufgeheizt wird. Diese Verfahrensführung ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur unterhalb der AC3-Temperatur oder sogar unterhalb der AC1-Temperatur erwärmt wurde.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Verfahren weiterhin zumindest folgende Schritte umfasst:
    • f) Bewegen des Bauteils von der Temperierstation beziehungsweise von dem zweiten Ofen in ein Presshärtewerkzeug,
    • g) Umformen und Kühlen des Bauteils in dem Presshärtewerkzeug.
  • Bevorzugt erfolgt das Bewegen in Schritt f) mittels einer Transporteinrichtung, beispielsweise zumindest umfassend einen Rollentisch und/oder einen (Industrie-) Roboter. Bevorzugt legt das Bauteil von dem zweiten Ofen bis hin zu dem Presshärtewerkzeug eine Wegstrecke von mindestens 0,5 m zurück. Hierbei kann das Bauteil im Kontakt mit der Umgebungsluft oder innerhalb einer Schutzatmosphäre geführt werden. Bevorzugt wird das Bauteil unmittelbar nach einer Entnahme aus dem zweiten Ofen direkt in das Presshärtewerkzeug verbracht.
  • Nach der Erfindung wird vorgeschlagen, dass das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur unterhalb der AC3-Temperatur oder sogar unterhalb der AC1-Temperatur erwärmt wird. Die AC1-Temperatur ist die Temperatur, ab der die Gefügeumwandlung von Ferrit hin zu Austenit bei einem Erwärmen eines metallischen Bauteils, insbesondere Stahlbauteils, beginnt.
  • Nach einer (alternativen) vorteilhaften nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt wird. Die AC3-Temperatur ist die Temperatur, bei der die Gefügeumwandlung von Ferrit hin zu Austenit bei einem Erwärmen eines metallischen Bauteils, insbesondere Stahlbauteils, endet beziehungsweise (vollständig) abgeschlossen ist.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine erste Teilbereich in Schritt c) konvektiv auf eine Temperatur unterhalb der AC1-Temperatur gekühlt wird. Bevorzugt wird der mindestens eine erste Teilbereich in Schritt c), insbesondere konvektiv, auf eine Temperatur unterhalb von 550°C [° Celsius] (823,15 K), besonders bevorzugt unterhalb von 500°C (773,15 K) oder sogar unterhalb von 450°C (723,15 K) gekühlt.
  • Die im Zusammenhang mit dem zuerst vorgestellten nicht erfindungsgemäßen Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten erfindungsgemäßen Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Zur Lösung der genannten Aufgabe(n) könnte auch ein nicht erfindungsgemäßes Verfahren zur (partiell unterschiedlichen) Wärmebehandlung eines metallischen Bauteils mit zumindest folgenden Schritten dienen:
    1. a) Erwärmen des Bauteils in einem ersten Ofen, insbesondere mittels Strahlungswärme und/oder Konvektion,
    2. b) Bewegen des Bauteils in eine Temperierstation,
    3. c) konvektives (partielles) Kühlen mindestens eines ersten Teilbereichs des Bauteils in der Temperierstation mittels mindestens einer Düse, die einen Fluidstrom hin zu dem ersten Teilbereich austrägt, wobei eine Temperaturdifferenz zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einem zweiten Teilbereich des Bauteils eingestellt wird und wobei die mindestens eine Düse mit Druckluft betrieben wird.
  • Die im Zusammenhang mit den zuerst vorgestellten Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei dem hier vorgestellten nicht erfindungsgemäßen Verfahren auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird eine nicht erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines metallischen Bauteils vorgeschlagen, die zumindest umfasst:
    • einen, insbesondere mittels Strahlungswärme und/oder Konvektion beheizbaren ersten Ofen,
    • eine dem ersten Ofen nachgeordnete Temperierstation, in der mindestens eine Düse angeordnet beziehungsweise gehalten ist, die zum Austragen eines Fluids zum Kühlen mindestens eines ersten Teilbereichs des Bauteils vorgesehen und eingerichtet ist, insbesondere sodass eine Temperaturdifferenz zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einem zweiten Teilbereich des Bauteils einstellbar ist, wobei die mindestens eine Düse bevorzugt dazu vorgesehen und eingerichtet ist, mit einem Überdruck von mindestens 2 bar betrieben zu werden,
    • einen der Temperierstation nachgeordneten, insbesondere mittels Strahlungswärme und/oder Konvektion beheizbaren zweiten Ofen, der dazu vorgesehen und eingerichtet ist zumindest den mindestens einen ersten Teilbereich des Bauteils um mindestens 100 K zu erwärmen.
  • Die nicht erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Durchführen eines hier vorgestellten Verfahrens dienen. Bevorzugt ist die Vorrichtung zur Durchführung eines hier vorgestellten Verfahrens vorgesehen und eingerichtet. Bevorzugt ist der Vorrichtung eine elektronische Steuereinheit zugeordnet, die zur Durchführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens geeignet und eingerichtet ist. Besonders bevorzugt weist die Steuereinheit hierzu zumindest einen programmgesteuerten Mikroprozessor sowie einen elektronischen Speicher auf, in dem ein Steuerprogramm abgelegt ist, das zur Ausführung eines hier vorgeschlagenen Verfahrens vorgesehen und eingerichtet ist.
  • Nach einer weiteren vorteilhaften nicht erfindungsgemäßen Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass zumindest der erste Ofen oder der zweite Ofen ein Durchlaufofen oder ein Kammerofen ist. Bevorzugt ist der erste Ofen ein Durchlaufofen, insbesondere ein Rollenherdofen. Besonders bevorzugt ist der zweite Ofen ein Durchlaufofen, insbesondere ein Rollenherdofen, oder ein Kammerofen, insbesondere ein Mehrlagenkammerofen mit mindestens zwei übereinander angeordneten Kammern. Bevorzugt weist der zweite Ofen einen, insbesondere (ausschließlich) mittels Strahlungswärme beheizbaren, Ofeninnenraum auf, in dem vorzugsweise eine nahezu einheitliche Innentemperatur einstellbar ist. Insbesondere wenn der zweite Ofen als Mehrlagenkammerofen ausgeführt ist, können, entsprechend der Anzahl der Kammern, mehrere solcher Ofeninnenräume vorhanden sein.
  • Bevorzugt sind in dem ersten Ofen und/oder in dem zweiten Ofen (ausschließlich) Strahlungswärmequellen angeordnet. Besonders bevorzugt ist in einem Ofeninnenraum des ersten Ofens und/oder in einem Ofeninnenraum des zweiten Ofens mindestens ein elektrisch betriebenes (das Bauteil nicht kontaktierendes) Heizelement, wie beispielsweise mindestens eine elektrisch betriebene Heizschleife und/oder mindestens ein elektrisch betriebener Heizdraht angeordnet. Alternativ oder zusätzlich kann in dem Ofeninnenraum des ersten Ofens und/oder dem Ofeninnenraum des zweiten Ofens mindestens ein insbesondere gasbeheiztes Strahlrohr angeordnet sein. Vorzugsweise sind in dem Ofeninnenraum des ersten Ofens und/oder dem Ofeninnenraum des zweiten Ofens mehrere Strahlrohrgasbrenner beziehungsweise Strahlrohre angeordnet, in die jeweils mindestens ein Gasbrenner hineinbrennt. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der innere Bereich der Stahlrohre, in den die Gasbrenner hineinbrennen, atmosphärisch von dem Ofeninnenraum getrennt ist, so dass keine Verbrennungsgase oder Abgase in den Ofeninnenraum gelangen und somit die Ofenatmosphäre beeinflussen können. Eine solche Anordnung wird auch als "indirekte Gasbeheizung" bezeichnet.
  • In der Temperierstation ist mindestens eine Düse angeordnet beziehungsweise gehalten, die zum Austragen eines Fluids vorgesehen und eingerichtet ist. Die mindestens eine Düse kann mit einem Überdruck von mindestens 2 bar betrieben werden. Die Vorrichtung kann weiterhin, insbesondere zur Bereitstellung des Überdrucks, mindestens einen Kompressor aufweisen, der vorzugsweise der Temperierstation zugeordnet ist. Der Kompressor kann mit der mindestens einen Düse, insbesondere mit einem Düseneinlass der Düse (strömungstechnisch) verbunden sein. Bevorzugt weist die Vorrichtung mindestens einen Druck(-luft-) speicher auf, der dazu vorgesehen und eingerichtet ist, mittels des Kompressors bereitgestellten Druck vorzuhalten beziehungsweise zu speichern. Vorzugsweise ist der Druckspeicher der Temperierstation zugeordnet. Weiterhin bevorzugt ist der Druckspeicher in einem den Kompressor mit der mindestens einen Druckluftdüse verbindenden Rohrleitungssystem angeordnet und/oder zwischen dem Kompressor und der mindestens einen Druckluftdüse mit dem Rohrleitungssystem verbunden. Der Kompressor ist vorzugsweise dazu vorgesehen und eingerichtet das den Fluidstrom bildende Fluid mit einem Überdruck von mindestens 2 bar bereitzustellen. Bei dem Kompressor handelt es sich bevorzugt um einen Kolbenverdichter, einen Rotationsverdichter, insbesondere Schraubenverdichter, oder einen Turboverdichter, der besonders bevorzugt mit einer Vielzahl von rotierend antreibbaren Schaufeln (mindestens eines Laufrads) und einer Vielzahl von feststehenden Schaufeln (mindestens eines Leitrads) ausgeführt ist.
  • Alternativ oder zusätzlich kann auch statt oder zusätzlich zu einem Kompressor eine Quelle für ein unter Druck stehendes Fluid vorgesehen sein, welche mit der mindestens einen Düse verbindbar ist. Hierbei handelt es sich bevorzugt um eine Quelle, bei der ein verflüssigtes Gas verdampft wird, beispielsweise über einen entsprechenden Wärmetauscher, der beispielsweise an Umgebungsluft eine Verdampfung des verflüssigten Gases (beispielsweise verflüssigter Stickstoff) bewirkt. Das verdampfte Gas kann dann bevorzugt einem Kompressor zur Erhöhung des Druckes zugeführt werden, sollte der Gasdruck am Ausgang der Quelle zu niedrig sein.
  • Bevorzugt ist in der Temperierstation (zudem) mindestens eine Erwärmungseinrichtung angeordnet. Vorzugsweise ist die Erwärmungseinrichtung dazu vorgesehen und eingerichtet, Wärmeenergie in den mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils einzutragen. Besonders bevorzugt ist die Erwärmungseinrichtung derart in der Temperierstation angeordnet und/oder ausgerichtet, dass das Eintragen von Wärmeenergie in den mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils gleichzeitig oder zumindest teilweise parallel zu dem Kühlen des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils mittels der mindestens einen Düse ausführbar ist. Bevorzugt umfasst die Erwärmungseinrichtung (ausschließlich) mindestens eine Strahlungswärmequelle. Besonders bevorzugt ist die mindestens eine Strahlungswärmequelle mit mindestens einem elektrisch betriebenen (das Bauteil nicht kontaktierenden) Heizelement, wie beispielsweise mindestens einer elektrisch betriebenen Heizschleife und/oder mindestens einem elektrisch betriebenen Heizdraht gebildet. Alternativ oder zusätzlich kann als Strahlungswärmequelle mindestens ein gasbeheiztes Strahlrohr vorgesehen sein.
  • Weiterhin kann die nicht erfindungsgemäße Vorrichtung ein Presshärtewerkzeug umfassen, das dem zweiten Ofen nachgeordnet ist. Dass Presshärtewerkzeug ist insbesondere dazu vorgesehen und eingerichtet das Bauteil gleichzeitig oder zumindest teilweise parallel umzuformen und (zumindest teilweise) abzuschrecken.
  • Die im Zusammenhang mit den Verfahren erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Nach einem weiteren Aspekt wird eine nicht erfindungsgemäße Verwendung mindestens einer mit einem Überdruck von mindestens 2 bar betriebenen Düse zum konvektiven Kühlen mindestens eines ersten Teilbereichs eines metallischen Bauteils vorgeschlagen, wobei die Düse derart verwendet wird, dass eine Temperaturdifferenz von mindestens 100 K zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einem zweiten Teilbereich des Bauteils eingestellt wird.
  • Die vorstehend im Zusammenhang mit den Verfahren und/oder der Vorrichtung erörterten Details, Merkmale und vorteilhaften Ausgestaltungen können entsprechend auch bei der hier vorgestellten nicht erfindungsgemäßen Verwendung auftreten und umgekehrt. Insoweit wird auf die dortigen Ausführungen zur näheren Charakterisierung der Merkmale vollumfänglich Bezug genommen.
  • Die Erfindung, sowie das technische Umfeld werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es ist darauf hinzuweisen, dass die Erfindung durch die gezeigten Ausführungsbeispiele nicht beschränkt werden soll. Insbesondere ist es, soweit nicht explizit anders dargestellt, auch möglich, Teilaspekte der in den Figuren erläuterten Sachverhalte zu extrahieren und mit anderen Bestandteilen und/oder Erkenntnissen aus anderen Figuren und/oder der vorliegenden Beschreibung zu kombinieren. Es zeigen schematisch:
    • Fig. 1:
    ein Schaubild einer Vorrichtung, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist,
    Fig. 2:
    eine Detailansicht der Vorrichtung aus Fig. 1,
    Fig. 3:
    einen mittels einem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Temperatur-Zeit-Verlauf, und
    Fig. 4:
    einen weiteren mittels einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Temperatur-Zeit-Verlauf.
  • Fig. 1 zeigt schematisch eine nicht erfindungsgemäße Vorrichtung 12 zur Wärmebehandlung eines metallischen Bauteils 1, mit der ein erfindungsgemäßes Verfahren durchführbar ist. Die Vorrichtung 12 weist einen ersten Ofen 7, eine Temperierstation 8, einen zweiten Ofen 9 und ein Presshärtewerkzeug 11 auf. Die Vorrichtung 12 stellt hier eine Warmformlinie für das Presshärten dar. Die Temperierstation 8 ist dem ersten Ofen 7 (direkt) nachgeordnet, sodass ein mittels der Vorrichtung 12 zu behandelndes Bauteil 1 nach Verlassen des ersten Ofens 7 direkt in die Temperierstation 8 verbracht werden kann. Ferner sind der zweite Ofen 9 der Temperierstation 8 und das Presshärtewerkzeug 11 dem zweiten Ofen 9 (direkt) nachgeordnet.
  • Fig. 2 zeigt schematisch eine Detailansicht der Vorrichtung aus Fig. 1. In Fig. 2 ist die Temperierstation 8 der Vorrichtung aus Fig. 1 näher veranschaulicht. In der Temperierstation 8 ist eine Düse 3 angeordnet, die einen Fluidstrom 4 hin zu einem ersten Teilbereich 2 des Bauteils austrägt, um diesen ersten Teilbereich 2 konvektiv (aktiv) zu kühlen. Die Düse 3 wird beispielhaft mit einem Überdruck von 5 bar betrieben. Hierzu ist die Düse einlassseitig mit einem Kompressor 13 verbunden. Zudem ist in der Temperierstation 8 eine Erwärmungseinrichtung 11 angeordnet, die zum Eintragen von Wärmeenergie in einen zweiten Teilbereich 6 des Bauteils 1 vorgesehen und eingerichtet ist. Hierzu ist die Erwärmungseinrichtung 11 beispielhaft als elektrisch betreibbarer Heizdraht ausgeführt.
  • Fig. 3 zeigt schematisch einen mittels einem erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Temperatur-Zeit-Verlauf. Hierin ist die Temperatur T des metallischen Bauteils beziehungsweise sind die Temperaturen T des mindestens einen ersten Teilbereichs und des mindestens einen zweiten Teilbereichs des Bauteils über der Zeit t aufgetragen.
  • Gemäß dem in Fig. 3 gezeigten Temperatur-Zeit-Verlauf wird das metallische Bauteil 1 zunächst, bis zum Zeitpunkt t1 uniform auf eine Temperatur unterhalb der AC1-Temperatur erwärmt. Dieses Erwärmen erfolgt hier beispielhaft in einem ersten Ofen 2. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird das metallische Bauteil von dem ersten Ofen in eine Temperierstation transferiert. Hierbei kann die Bauteiltemperatur, beispielsweise durch Wärmeabgabe an die Umgebung leicht abnehmen.
  • Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wird mindestens ein erster Teilbereich des Bauteils in der Temperierstation (aktiv) gekühlt. Dies ist in Fig. 3 anhand des unteren Temperatur-Zeit-Verlaufs zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 veranschaulicht. Parallel wird mindestens ein zweiter Teilbereich des Bauteils in der Temperierstation (leicht) erwärmt. Dies ist in Fig. 3 anhand des oberen Temperatur-Zeit-Verlaufs zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 veranschaulicht. So wird in der Temperierstation eine Temperaturdifferenz 5 zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einem zweiten Teilbereich des Bauteils eingestellt.
  • Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 wird das Bauteil von der Temperierstation in einen sich von dem ersten Ofen unterscheidenden zweiten Ofen transferiert. Hierbei können die in der Temperierstation eingestellten, partiell unterschiedlichen Temperaturen, beispielsweise durch Wärmeabgabe an die Umgebung leicht abnehmen.
  • Vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 wird das Bauteil in dem zweiten Ofen derart erwärmt, dass die Temperatur des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils um mindestens 150 K erhöht wird. Zudem erfolgt das Erwärmen im zweiten Ofen derart, dass gleichzeitig die Temperatur des mindestens einen zweiten Teilbereichs des Bauteils auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur gebracht wird.
  • Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 wird das Bauteil von dem zweiten Ofen in ein Presshärtewerkzeug transferiert. Hierbei können die in dem zweiten Ofen eingestellten, partiell unterschiedlichen Temperaturen, beispielsweise durch Wärmeabgabe an die Umgebung leicht abnehmen.
  • Ab dem Zeitpunkt t6 bis zu einem Prozessende erfolgt ein Abschrecken des (gesamten) Bauteils in dem Presshärtewerkzeug. Hierbei kann sich in dem mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils ein zumindest teilweise oder sogar mehrheitlich martensitisches Gefüge einstellen, das eine vergleichsweise hohe Festigkeit und eine vergleichsweise geringe Duktilität aufweist. In dem mindestens einen ersten Teilbereich des Bauteils hat im Wesentlichen keine Gefügeumwandlung stattgefunden, da der mindestens eine erste Teilbereich des Bauteils zu keinem Zeitpunkt des Prozesses die AC1-Temperatur überschritten hat, sodass in dem mindestens einen ersten Teilbereich des Bauteils ein mehrheitlich ferritisches Gefüge verbleibt, das eine vergleichsweise geringe Festigkeit und eine vergleichsweise hohe Duktilität aufweist.
  • Fig. 4 zeigt schematisch einen weiteren mittels einem nicht erfindungsgemäßen Verfahren erzielbaren Temperatur-Zeit-Verlauf. Zunächst wird das metallische Bauteil bis zum Zeitpunkt t1 uniform auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt. Dieses Erwärmen erfolgt hier beispielhaft in einem ersten Ofen. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 wird das metallische Bauteil von dem ersten Ofen in eine Temperierstation transferiert. Hierbei kann die Bauteiltemperatur leicht abnehmen.
  • Zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 wird mindestens ein erster Teilbereich des Bauteils in der Temperierstation (aktiv) gekühlt. Dies ist in Fig. 4 anhand des unteren Temperatur-Zeit-Verlaufs zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 veranschaulicht. Parallel kann die Temperatur mindestens eines zweiten Teilbereichs des Bauteils in der Temperierstation leicht abnehmen. Dies ist in Fig. 4 anhand des oberen Temperatur-Zeit-Verlaufs zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 veranschaulicht. Diese (passive) Temperaturabnahme in dem mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils weist eine deutlich geringere Abkühlgeschwindigkeit auf, als das parallele (aktive) Abkühlen des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils. In Fig. 4 ist erkennbar, dass in der Temperierstation eine Temperaturdifferenz 5 zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich und mindestens einem zweiten Teilbereich des Bauteils eingestellt wird.
  • Zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 wird das Bauteil von der Temperierstation in einen sich von dem ersten Ofen unterscheidenden zweiten Ofen transferiert. Hierbei können die in der Temperierstation eingestellten, partiell unterschiedlichen Temperaturen leicht abnehmen.
  • Vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 wird das Bauteil in dem zweiten Ofen derart erwärmt, dass die Temperatur des mindestens einen ersten Teilbereichs des Bauteils um mindestens 150 K erhöht wird. Zudem erfolgt das Erwärmen im zweiten Ofen derart, dass gleichzeitig eine Abkühlgeschwindigkeit des mindestens einen zweiten Teilbereichs des Bauteils, im Vergleich zu einer Abkühlgeschwindigkeit während einer Wärmeabgabe an die Umgebung reduziert ist.
  • Zwischen den Zeitpunkten t5 und t6 wird das Bauteil von dem zweiten Ofen in ein Presshärtewerkzeug transferiert. Hierbei können die in dem zweiten Ofen eingestellten, partiell unterschiedlichen Temperaturen, beispielsweise durch Wärmeabgabe an die Umgebung leicht abnehmen.
  • Ab dem Zeitpunkt t6 bis zu einem Prozessende erfolgt ein Abschrecken des (gesamten) Bauteils in dem Presshärtewerkzeug. Hierbei kann sich in dem mindestens einen zweiten Teilbereich des Bauteils ein zumindest teilweise oder sogar mehrheitlich martensitisches Gefüge einstellen, das eine vergleichsweise hohe Festigkeit und eine vergleichsweise geringe Duktilität aufweist. In dem mindestens einen ersten Teilbereich des Bauteils kann sich ein zumindest teilweise oder sogar mehrheitlich bainitisches Gefüge einstellen, das eine vergleichsweise geringe Festigkeit und eine vergleichsweise hohe Duktilität aufweist.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Bauteil
    2
    erster Teilbereich
    3
    Düse
    4
    Fluidstrom
    5
    Temperaturdifferenz
    6
    zweiter Teilbereich
    7
    erster Ofen
    8
    Temperierstation
    9
    zweiter Ofen
    10
    Presshärtewerkzeug
    11
    Erwärmungseinrichtung
    12
    Vorrichtung
    13
    Kompressor

Claims (4)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines metallischen Bauteils (1) mit zumindest folgenden Schritten:
    a) Erwärmen des Bauteils (1) in einem ersten Ofen (7),
    b) Bewegen des Bauteils (1) in eine Temperierstation (8),
    c) konvektives Kühlen mindestens eines ersten Teilbereichs (2) des Bauteils (1) in der Temperierstation (8) mittels mindestens einer Düse (3), die einen Fluidstrom (4) hin zu dem ersten Teilbereich (2) austrägt, wobei eine Temperaturdifferenz (5) zwischen dem mindestens einen ersten Teilbereich (2) und mindestens einem zweiten Teilbereich (6) des Bauteils (1) eingestellt wird und wobei die mindestens eine Düse (3) mit einem Überdruck von mindestens 2 bar betrieben wird, und wobei in der Temperierstation (8) gleichzeitig oder zumindest teilweise parallel zu dem Kühlen des mindestens einen ersten Teilbereichs (2) des Bauteils (1) ein Eintragen von Wärmeenergie in den mindestens einen zweiten Teilbereich (6) des Bauteils (1) erfolgt,
    wobei das Bauteil (1) in Schritt a) auf eine Temperatur unterhalb der AC3-Temperatur erwärmt wird,.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren weiterhin zumindest folgende Schritte umfasst:
    d) Bewegen des Bauteils (1) von der Temperierstation (8) in einen zweiten Ofen (9),
    e) Erwärmen zumindest des mindestens einen ersten Teilbereichs (2) des Bauteils (1) in dem zweiten Ofen (9) um mindestens 100 K.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren weiterhin zumindest folgende Schritte umfasst:
    f) Bewegen des Bauteils (1) von der Temperierstation (8) beziehungsweise von dem zweiten Ofen (9) in ein Presshärtewerkzeug (10),
    g) Umformen und Kühlen des Bauteils (1) in dem Presshärtewerkzeug (10).
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der mindestens eine erste Teilbereich (2) in Schritt c) konvektiv auf eine Temperatur unterhalb der AC1-Temperatur gekühlt wird.
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