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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines beschichteten Bauteils, insbesondere eines Stahlbauteils für ein Kraftfahrzeug.
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Insbesondere in der Automobilindustrie ist es bekannt, Stahlbauteile durch thermische Behandlung gezielt zu härten. Dazu werden Stahlbauteile wie beispielsweise B-Säulen bereichsweise unterschiedlich thermisch behandelt. Entsprechend entsteht eine bereichsweise unterschiedliche Duktilität, was für das Crashverhalten derartiger Bauteile vorteilhaft ist. So können Insassen durch einen harten Bereich der B-Säule auf Höhe der Sitze geschützt werden, während weiche Bereiche im oberen und unteren Bereich der B-Säule durch Verformung Energie aufnehmen.
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Weiterhin ist es bekannt, Stahlbauteile zu beschichten, um ein Verzundern während des thermischen Behandelns zu verhindern. Dabei ist es erstrebenswert, eine besonders feste Verbindung zwischen der zu beschichtenden Oberfläche des Bauteils und der Beschichtung zu erhalten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ausgehend vom beschriebenen Stand der Technik ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines beschichteten Bauteils vorzustellen, mit dem die Beschichtung besonders fest mit der zu beschichtenden Oberfläche verbunden wird. Zudem soll eine entsprechende Vorrichtung vorgestellt werden.
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Diese Aufgaben werden gelöst mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Die in den Ansprüchen und in der Beschreibung dargestellten Merkmale sind in beliebiger, technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines beschichteten Bauteils vorgestellt. Das Verfahren umfasst:
- a) thermisches Behandeln des Bauteils in einem ersten Durchlaufofen, welcher in Transportrichtung des Bauteils in eine erste Zone und eine an diese anschließende und von dem Bauteil später durchlaufene zweite Zone unterteilt ist, wobei sich das Bauteil in der ersten Zone auf eine oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegende erste Temperatur erwärmt und in der zweiten Zone auf eine unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegende zweite Temperatur abkühlt,
- b) Transferieren des Bauteils von dem ersten Durchlaufofen in eine Temperierstation,
- c) thermisches Behandeln des Bauteils in der Temperierstation, wobei ein erster Bereich des Bauteils einer Temperatur ausgesetzt wird, die im Durchschnitt oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt, und ein zweiter Bereich des Bauteils gekühlt wird.
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Mit dem beschriebenen Verfahren kann ein beschichtetes Bauteil thermisch behandelt werden. Bei dem Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Stahlbauteil. Der Stahl ist vorzugsweise ein Vergütungsstahl, insbesondere 22MnB5. Beispielsweise ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine B-Säule, kann mit dem beschriebenen Verfahren thermisch behandelt werden. Nach der thermischen Behandlung wird das Bauteil vorzugsweise in einer Presse pressgehärtet und insoweit warmumgeformt. Das Verfahren umfasst vorzugsweise als weiteren Schritt, dass das Bauteil nach der thermischen Behandlung in eine Presse transferiert wird und dort pressgehärtet wird. In dem Fall handelt es sich bei dem beschriebenen Verfahren um ein Verfahren zum thermischen Behandeln und Presshärten eines Bauteils. Das Bauteil ist vorzugsweise mit Al/Si beschichtet. Eine derartige Beschichtung wirkt einem Verzundern der Bauteiloberfläche während der thermischen Behandlung besonders gut entgegen. Die Schichtdicke der Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 10 und 50 µm. Als Material für das Bauteil wird ein härtbarer Kohlenstoffstahl mit einer Al-Si-Beschichtung bevorzugt.
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In Schritt a) wird das Bauteil in dem ersten Durchlaufofen thermisch behandelt. Nach Durchlaufen des ersten Durchlaufofens ist die Temperatur des Bauteils höher als vorher. Insoweit wird das Bauteil im ersten Durchlaufofen erwärmt. Das schließt nicht aus, dass die Temperatur des Bauteils noch im ersten Durchlaufofen von einem zunächst erreichten Maximalwert abfällt und sich insoweit abkühlt.
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Unter einem Ofen ist eine Einrichtung zu verstehen, die in ihrem Innern auf eine einstellbare Temperatur gebracht wird und in die ein Bauteil eingebracht werden kann. Mit der Zeit nimmt das Bauteil die im Innern des Ofens herrschende Temperatur an. Die Wärme wird also von dem im Ofen befindlichen Gas, bei dem es sich insbesondere um Luft handeln kann, auf das Bauteil übertragen. Ein Durchlaufofen ist ein Ofen, durch den das Bauteil hindurch bewegt werden kann, wobei das Bauteil während des Durchlaufens des Ofens erwärmt wird. Die Verweildauer im ersten Durchlaufofen liegt vorzugsweise im Bereich von 200 bis 450 s.
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Bei dem ersten Durchlaufofen handelt es sich vorzugsweise um einen Rollenherdofen. Der erste Durchlaufofen ist vorzugsweise gasbeheizt und/oder elektrisch beheizt. Dadurch kann das Bauteil eine besonders gleichmäßig verteilte Temperatur erhalten. Insbesondere wird nicht lediglich eine Schicht an der Oberfläche des Bauteils erwärmt. In dem ersten Durchlaufofen wird das gesamte Bauteil erwärmt. Das Bauteil wird von dem ersten Durchlaufofen vollständig aufgenommen. Zudem kann mit einem Durchlaufofen eine Erwärmung um eine besonders große Temperaturdifferenz erreicht werden. Mit einem Durchlaufofen kann das Bauteil insbesondere von Raumtemperatur auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt werden.
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Die Erwärmung in einem Durchlaufofen steht insbesondere im Gegensatz zu einer Erwärmung durch die sogenannte „direct energization“. Damit wäre es nur schwer möglich, das Bauteil gleichmäßig und um einen ausreichend hohen Betrag zu erwärmen. Beim direct energization kommt es vielmehr auf die Schnelligkeit der Erwärmung an. Zudem ist beim direct energization ein Kontakt mit dem Bauteil erforderlich. In Schritt a) des beschriebenen Verfahrens erfolgt das Erwärmen vorzugsweise kontaktlos. Das schließt nicht aus, dass das Bauteil mit Transportrollen durch den ersten Durchlaufofen bewegt wird und insoweit in Kontakt mit den Transportrollen steht. Das Erwärmen ist kontaktlos, wenn der Wärmeeintrag in das Bauteil über ein Gas und/oder über Wärmestrahlung erfolgt.
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Der erste Durchlaufofen und auch die übrige für das Verfahren verwendete Vorrichtung werden mithilfe einer „Transportrichtung des Bauteils“ beschrieben. Das ist die Richtung, mit der das Bauteil durch die Vorrichtung und deren Elemente bewegt wird. Die Transportrichtung des Bauteils ist also insbesondere die Richtung, mit der das Bauteil durch den ersten Durchlaufofen bewegt wird.
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Bei Betrachtung entlang der so definierten Transportrichtung hat der erste Durchlaufofen eine erste Zone und eine zweite Zone. Dass der erste Durchlaufofen in Transportrichtung des Bauteils in diese beiden Zonen „unterteilt“ ist, bedeutet, dass der erste Durchlaufofen bei Betrachtung entlang der Transportrichtung des Bauteils nur diese beiden Zonen aufweist. Quer zur Transportrichtung des Bauteils erstrecken sich die Zonen vorzugsweise jeweils über den gesamten ersten Durchlaufofen.
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Das Bauteil durchläuft zuerst die erste Zone und anschließend die zweite Zone. Bei Betrachtung in Transportrichtung ist die zweite Zone der ersten Zone insoweit nachgeordnet. Die erste Zone und die zweite Zone grenzen unmittelbar aneinander an. Die erste Zone grenzt an einen Einlass des ersten Durchlaufofens an, die zweite Zone grenzt an einen Auslass des ersten Durchlaufofens an. Über den Einlass kann das Bauteil in den ersten Durchlaufofen eingeführt werden. Über den Auslass kann das Bauteil den ersten Durchlaufofen verlassen.
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In der ersten Zone erwärmt sich das Bauteil auf eine oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegende erste Temperatur. Jedenfalls in einem Teil der ersten Zone ist also eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils eingestellt. Durch das Erwärmen auf die erste Temperatur kommt es zu einem Diffusions-Austausch zwischen den Materialien der Beschichtung und des übrigen Bauteils. Es bildet sich eine sogenannte Interdiffusionsschicht, in der die Materialien der Beschichtung und des übrigen Bauteils auf atomarer Ebene miteinander vermischt vorliegen. Versuche haben ergeben, dass sich durch die beschriebene Temperaturführung die gewünschte Dicke der Interdiffusionsschicht besonders genau voreinstellen lässt.
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Für die weiteren Prozessschritte, insbesondere für Schritt c), ist es vorteilhaft, wenn das Bauteil den ersten Durchlaufofen mit einer Temperatur unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils verlässt. So kommt es bei Überschreitung der AC3-Temperatur zur Bildung von Austenit. Jedenfalls in Bereichen des Bauteils, die eine höhere Duktilität erhalten sollen, soll der so entstandene Austenit möglichst bald wieder abgebaut werden. Daher ist die Temperatur des ersten Durchlaufofens in der zweiten Zone so eingestellt, dass sich das Bauteil in dieser auf eine zweite Temperatur abkühlt, die unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt.
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Die Temperatur des Bauteils wird durch das eingestellte Temperaturprofil des ersten Durchlaufofens beeinflusst. Im einfachsten Fall ist die Temperatur in der ersten Zone auf die erste Temperatur eingestellt und in der zweiten Zone auf die zweite Temperatur. Wird das Bauteil hinreichend langsam durch den ersten Durchlaufofen bewegt, erreicht die Bauteiltemperatur am Ende der ersten Zone die erste Temperatur und am Ende der zweiten Zone die zweite Temperatur. Eine dazu geeignete Transportgeschwindigkeit hängt insbesondere von der Materialstärke und vom Material des Bauteils ab und kann leicht durch Versuche oder Simulationen ermittelt werden.
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Zu beachten ist, dass kurzzeitige und/oder lokal begrenzte Temperaturänderungen innerhalb des ersten Durchlaufofens für die Erwärmung des Bauteils nahezu keine Relevanz haben. Das liegt daran, dass sich die Temperatur des Bauteils vergleichsweise langsam an die Temperatur im ersten Durchlaufofen anpasst. Um dieser Tatsache Rechnung zu tragen, ist es bevorzugt, dass die Durchschnittstemperatur in der ersten Zone oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt und/oder dass die Durchschnittstemperatur in der zweiten Zone unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Als Durchschnittstemperatur ist dabei der Durchschnitt der Temperatur zu verstehen, der das Bauteil in der jeweiligen Zone ausgesetzt wird. Das ist die Temperatur in einer Bauteilebene des ersten Durchlaufofens, also der Ebene, in der das Bauteil durch den ersten Durchlaufofen transportiert wird. Insbesondere sollen im Falle eines gasbefeuerten ersten Durchlaufofens lokal erhöhte Temperaturen im Bereich der Brenner außer Acht gelassen werden, sofern diese von dem Bauteil beabstandet sind.
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Es genügt, dass sich die Zonen nur durch die sich im Bauteil einstellende Temperatur voneinander abgrenzen. Diese Temperatur lässt sich beispielsweise durch eine Schleppmessung bestimmen. Darüber hinaus ist es nicht erforderlich, dass sich die Zonen unterscheiden oder dass Grenzen zwischen den Zonen als solche erkennbar sind. Zudem ist es möglich, dass auf verschiedene Weisen eine erste Zone und eine zweite Zone in dem ersten Durchlaufofen definiert werden können. Es ist ausreichend, wenn es eine mögliche Zuweisung einer ersten Zone und eine mögliche Zuweisung einer zweiten Zone gibt, wobei alle für die beiden Zonen aufgestellten Bedingungen jeweils erfüllt sind. Auf alternative Zuweisungsmöglichkeiten kommt es dann nicht an. Gleichwohl erfolgt die Zuweisung der Zonen vorzugsweise nicht willkürlich. Sofern der Temperaturverlauf entlang der Transportrichtung des Bauteils klar erkennbare Sprünge aufweist, fällt die Grenze zwischen den Zonen vorzugsweise mit einem solchen klar erkennbaren Sprung zusammen. So ist es insbesondere bevorzugt, dass die im ersten Durchlaufofen eingestellte Temperatur an der Grenze zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone auf der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Das ist insbesondere der Fall, wenn die Grenze zwischen den beiden Zonen an einem Sprung der im ersten Durchlaufofen eingestellten Temperatur von einem Wert oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils auf einen Wert unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass die im ersten Durchlaufofen eingestellte Temperatur über mindestens 50 % einer Ausdehnung der ersten Zone in Transportrichtung des Bauteils oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Gleichermaßen ist es bevorzugt, dass die im ersten Durchlaufofen eingestellte Temperatur über mindestens 80 % einer Ausdehnung der zweiten Zone in Transportrichtung des Bauteils unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in der gesamten ersten Zone oberhalb der AC3-Temperatur. Besonders bevorzugt liegt die Temperatur in der gesamten zweiten Zone unterhalb der AC3-Temperatur. Auch diese Aussagen beziehen sich jeweils auf die Temperatur, der das Bauteil im ersten Durchlaufofen ausgesetzt wird.
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Der erste Durchlaufofen weist vorzugsweise eine Mehrzahl von Heizelementen auf, deren Temperatur vorzugsweise individuell eingestellt werden kann. Die erste Zone und die zweite Zone entsprechen vorzugsweise einer jeweiligen Gruppe der Heizelemente. Die Zuordnung der Heizelemente zu einer Zone kann durch eine Steuereinrichtung erfolgen und muss insoweit nicht an den Heizelementen selbst erkennbar sein. Maßgeblich ist allein die Temperaturverteilung. Durch Veränderung der Temperatureinstellung eines Heizelements an der Grenze zwischen der ersten Zone und der zweiten Zone kann die Zuordnung dieses Heizelements von der ersten Zone zur zweiten Zone verändert werden, und umgekehrt. Allgemein kann durch eine Änderung der Zuordnung von Heizelementen an der Grenze zwischen den Zonen die Ausdehnung der Zonen verändert werden. Durch die jeweilige Temperatureinstellung der Heizelemente kann die Temperaturverteilung der Zone eingestellt werden. Alle Heizelemente einer Zone sind vorzugsweise auf die gleiche Temperatur eingestellt.
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In Schritt b) des Verfahrens wird das Bauteil von dem ersten Durchlaufofen in die Temperierstation transferiert. Dort wird das Bauteil in Schritt c) bereichsweise unterschiedlich thermisch behandelt, indem ein erster Bereich des Bauteils einer Temperatur ausgesetzt wird, die im Durchschnitt oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt, und ein zweiter Bereich des Bauteils gekühlt wird.
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Der erste Durchlaufofen und die Temperierstation sind voneinander verschiedene Bauteile, die räumlich voneinander getrennt sind. Der Transfer zwischen dem ersten Durchlaufofen und der Temperierstation erleichtert das Abkühlen des Bauteils zwischen dem Erwärmen im ersten Durchlaufofen und dem thermischen Behandeln in der Temperierstation. In der Temperierstation wird das Bauteil jedenfalls bereichsweise möglichst rasch abgekühlt. Ein rasches Abkühlen kann effizienter außerhalb des heißen ersten Durchlaufofens erfolgen. So kann bereits während des Transfers das Abkühlen beginnen. Insoweit beschleunigt die räumliche Trennung des ersten Durchlaufofens von der Temperierstation das Verfahren. Dies steht im Gegensatz zu einer Lösung, bei der alle Verfahrensschritte in der gleichen Einrichtung durchgeführt werden, ohne das Bauteil transferieren zu müssen. Derartige Lösungen haben typischerweise das Ziel, den Aufwand für Bauteiltransfers gering zu halten oder ganz zu vermeiden. Die räumliche Trennung zwischen dem ersten Durchlaufofen und der Temperierstation erleichtert auch die Konstruktion, weil die Anforderungen an den ersten Durchlaufofen und an die Temperierstation unterschiedlich sind. Beides in einer Einrichtung zu integrieren, wäre daher entsprechend kompliziert.
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In der Temperierstation wird der erste Bereich einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils, insbesondere 170 bis 250 K oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils, ausgesetzt und insoweit erwärmt. Der erste Bereich des Bauteils wird vorzugsweise insoweit einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils ausgesetzt, als dass das Bauteil mit dem ersten Bereich an eine bauteilseitig offene Kammer gehalten wird, wobei die Kammer über eine Heizeinrichtung auf dieser Temperatur gehalten ist. Bevorzugt ist die Heizeinrichtung eine elektrische Heizeinrichtung. Die Heizeinrichtung kann beispielsweise ein Heizelement wie eine Heizschleife aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann die Heizeinrichtung ein Strahlrohr umfassen, welches mit einem Brenner, insbesondere mit einem Gasbrenner beheizt ist.
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Der zweite Bereich wird in der Temperierstation gekühlt. Das erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der zweite Bereich außerhalb der zuvor beschriebenen Kammer gehalten wird. Dort wird der zweite Bereich vorzugsweise mit einem Kühlfluid beaufschlagt, insbesondere mit Druckluft. Die Druckluft hat vorzugsweise einen Druck im Bereich von 2 bis 4,5 bar. Durch diesen vergleichsweise hohen Druck kann innerhalb kürzester Zeit eine große Menge der Druckluft auf den zweiten Bereich des Bauteils geleitet werden, so dass eine hinreichend hohe Kühlgeschwindigkeit erreicht werden kann.
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Das Kühlen des zweiten Bereichs in Schritt c) beginnt vorzugsweise mit einer Verzögerung von 0,5 bis 15 s nach Abschluss von Schritt b). Mit dem Abkühlen wird also nicht unmittelbar nach Eintritt des Bauteils in die Temperierstation begonnen. Damit kann auch das Abkühlen durch freie Abstrahlung an die Umgebung zum Kühlen genutzt werden, wodurch beispielsweise Kühlfluid eingespart werden kann. Das nach der Verzögerung beginnende Kühlen ist ein aktives Kühlen. Durch dieses können die Festigkeitseigenschaften des Bauteils besonders genau eingestellt werden.
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Ob und inwieweit die Temperatur des Bauteils über oder unter der AC3-Temperatur des Bauteils liegt, beeinflusst maßgeblich die erhaltene Gefügezusammensetzung. Durch die unterschiedliche thermische Behandlung der Bereiche des Bauteils können die beiden Bereiche unterschiedliche Gefügezusammensetzungen und insoweit unterschiedliche Duktilitäten erhalten. Der erste Bereich wird so härter als der zweite Bereich. So können beispielsweise bei einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug die Crasheigenschaften gezielt eingestellt werden.
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Der erste Bereich und der zweite Bereich sind nicht notwendigerweise jeweils zusammenhängende Bereiche. So ist es insbesondere möglich, dass ein mittlerer Teil einer B-Säule den ersten Bereich darstellt, während ein oberer und ein unterer Teil der B-Säule zusammen den zweiten Bereich darstellen. Das Bauteil weist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, nur den ersten Bereich und den zweiten Bereich auf, also keine weiteren Bereiche.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Verfahren weiterhin:
- d) Transferieren des Bauteils von der Temperierstation in einen zweiten Durchlaufofen,
- e) thermisches Behandeln des Bauteils in dem zweiten Durchlaufofen.
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Die Temperierstation und der zweite Durchlaufofen sind voneinander verschiedene Bauteile, die räumlich voneinander getrennt sind. Der Transfer zwischen der Temperierstation und dem zweiten Durchlaufofen erleichtert das Abkühlen des Bauteils zwischen der thermischen Behandlung in der Temperierstation und in dem zweiten Durchlaufofen. So kann auch noch während des Transfers der zweite Bereich des Bauteils abgekühlt werden. Das verringert die erforderliche Größe der Temperierstation und beschleunigt das Verfahren. Dies steht im Gegensatz zu einer Lösung, bei der alle Verfahrensschritte nach Möglichkeit in der gleichen Einrichtung durchgeführt werden, ohne das Bauteil transferieren zu müssen. Derartige Lösungen haben typischerweise das Ziel, den Aufwand für Bauteiltransfers gering zu halten oder ganz zu vermeiden.
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Bei dem zweiten Durchlaufofen handelt es sich vorzugsweise um einen Rollenherdofen. In dem zweiten Durchlaufofen wird das gesamte Bauteil thermisch behandelt. Das Bauteil wird von dem zweiten Durchlaufofen vollständig aufgenommen. Die thermische Behandlung in einem Durchlaufofen steht insbesondere im Gegensatz zu einer Erwärmung durch das sogenannte „direct energization“.
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Es hat sich herausgestellt, dass insbesondere in dieser Ausführungsform der beschriebene Vorteil erreicht wird, dass durch die Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen im ersten Durchlaufofen eine besonders gut einstellbare Interdiffusionsschichtstärke erhalten werden kann. Dieser Vorteil wird mit der Kombination der Schritte a) bis e) in besonderer Weise erreicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens liegt die erste Temperatur im Bereich von 10 bis 30 K oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils und/oder liegt die zweite Temperatur im Bereich von 80 bis 150 K unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils.
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Bevorzugt ist die Kombination, dass die erste Temperatur im Bereich von 10 bis 30 K oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt und dass die zweite Temperatur im Bereich von 80 bis 150 K unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt.
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Versuche haben ergeben, dass insbesondere mit den angegebenen Temperaturwerten die beschriebenen Vorteile erreicht werden können.
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Im Falle von 22MnB5 ist es bevorzugt, dass die erste Temperatur bei 856 bis 876 °C liegt und die zweite Temperatur bei 696 bis 766 °C.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Bauteil in Schritt a) vor Verlassen der ersten Zone des ersten Durchlaufofens für 30 bis 100 s, insbesondere für 50 bis 80 s, auf einer Temperatur innerhalb von 10 K um die erste Temperatur gehalten und/oder wird das Bauteil in Schritt a) vor Verlassen des ersten Durchlaufofens für 20 bis 60 s, insbesondere für 35 bis 45 s, auf einer Temperatur innerhalb von 10 K um die zweite Temperatur gehalten.
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Bevorzugt ist die Kombination, dass das Bauteil in Schritt a) vor Verlassen der ersten Zone des ersten Durchlaufofens für 30 bis 100 s, insbesondere für 50 bis 80 s, auf einer Temperatur innerhalb von 10 K um die erste Temperatur gehalten wird und dass das Bauteil in Schritt a) vor Verlassen des ersten Durchlaufofens für 20 bis 60 s, insbesondere für 35 bis 45 s, auf einer Temperatur innerhalb von 10 K um die zweite Temperatur gehalten wird.
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Vorzugsweise wird das Bauteil in Schritt a) vor Verlassen der ersten Zone des ersten Durchlaufofens für 30 bis 100 s, insbesondere für 50 bis 80 s, auf der ersten Temperatur gehalten und vor Verlassen des ersten Durchlaufofens für 20 bis 60 s, insbesondere für 35 bis 45 s, auf der zweiten Temperatur gehalten. Da es aber auf geringfügige Temperaturschwankungen nicht ankommt, genügt auch das Halten auf einer Temperatur, die sich um höchstens 10 K von der ersten Temperatur beziehungsweise von der zweiten Temperatur unterscheidet.
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Durch das Halten auf der ersten Temperatur steht genügend Zeit für die Ausbildung der Interdiffusionsschicht zur Verfügung. Durch das Halten auf der zweiten Temperatur kann der zuvor gebildete Austenit hinreichend abgebaut werden, ohne dass die Temperatur stärker abfällt als für die weiteren Prozessschritte vorteilhaft.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erstreckt sich die erste Zone in Transportrichtung des Bauteils über 30 bis 80 % des ersten Durchlaufofens.
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Die erste Zone ist derart lang ausgebildet, dass das Bauteil in dieser die AC3-Temperatur überschreiten kann und vorzugsweise für die oben angegebene Haltezeit auf dieser Temperatur gehalten werden kann. Die zweite Zone ist derart lang ausgebildet, dass sich das Bauteil in der zweiten Zone auf die zweite Temperatur abkühlen kann und für die oben angegebene Haltezeit auf dieser Temperatur gehalten werden kann. Je länger die erste Zone ist, umso kürzer ist die zweite Zone Es hat sich herausgestellt, dass die Interdiffusionsschicht in dieser Ausführungsform besonders gut einstellbar ist.
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Besonders bevorzugt erstreckt sich die erste Zone in Transportrichtung des Bauteils über 50 bis 70 % des ersten Durchlaufofens.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist eine Durchschnittstemperatur in einer von dem Bauteil zuerst durchlaufenen Hälfte der ersten Zone um mindestens 20 K höher als in der übrigen ersten Zone.
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In dieser Ausführungsform ist die in der ersten Zone eingestellte Temperatur nicht konstant, sondern in der ersten Hälfte der ersten Zone im Durchschnitt höher als in der zweiten Hälfte der ersten Zone. Durch die höhere Temperatur wird das Bauteil am Anfang der ersten Zone vergleichsweise schnell erwärmt. Ein schnelles Erwärmen ist in der ersten Zone vorteilhaft, weil die erste Zone so kürzer ausgebildet sein kann und ein entsprechend größerer Teil des ersten Durchlaufofens für die zweite Zone verbleibt. Allerdings soll das erste Bauteil in der ersten Zone nur auf die erste Temperatur erwärmt werden. Daher wird die Temperatur des ersten Durchlaufofens in der zweiten Hälfte der ersten Zone geringer gewählt. Am Ende der ersten Zone ist die Temperatur vorzugsweise auf die erste Temperatur eingestellt.
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Als weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines beschichteten Bauteils vorgesellt. Die Vorrichtung umfasst:
- - einen ersten Durchlaufofen, welcher in Transportrichtung des Bauteils in eine erste Zone und eine dieser nachgeordnete zweite Zone unterteilt ist,
- - eine dem ersten Durchlaufofen in Transportrichtung des Bauteils nachgeordnete Temperierstation,
- - eine Steuereinrichtung, die dazu eingerichtet ist, in dem ersten Durchlaufofen eine derartige Temperaturverteilung einzustellen, dass sich das Bauteil in der ersten Zone auf eine oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegende erste Temperatur erwärmt und in der zweiten Zone auf eine unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegende zweite Temperatur abkühlt.
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Die beschriebenen besonderen Vorteile und Ausgestaltungsmerkmale des Verfahrens sind auf die Vorrichtung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem Verfahren bestimmt und eingerichtet. Das Verfahren wird vorzugsweise mit der Vorrichtung durchgeführt. Die Vorrichtung weist vorzugsweise einen zweiten Durchlaufofen auf, der der Temperierstation in Transportrichtung des Bauteils nachgeordnet ist.
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Dass die zweite Zone des ersten Durchlaufofens der ersten Zone in Transportrichtung des Bauteils nachgeordnet ist, bedeutet, dass das Bauteil die zweite Zone später durchläuft als die erste Zone. Entsprechendes gilt für die Temperierstation und den zweiten Durchlaufofen, die dem ersten Durchlaufofen beziehungsweise der Temperierstation in Transportrichtung des Bauteils nachgeordnet sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel, auf das die Erfindung jedoch nicht begrenzt ist. Die Figuren und die darin dargestellten Größenverhältnisse sind nur schematisch. Es zeigen:
- 1: eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines Bauteils,
- 2: einen Temperaturverlauf, der sich mit der Vorrichtung aus 1 bei Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum thermischen Behandeln des Bauteils einstellt.
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1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln eines beschichteten Bauteils 2. Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Durchlaufofen 3, welcher in Transportrichtung r des Bauteils 2 eine erste Zone 6 und eine der ersten Zone 6 nachgeordnete zweite Zone 7 aufweist. Die zweite Zone 7 wird also von dem Bauteil 2 später durchlaufen und liegt daher in 1 rechts von der ersten Zone 6. Der erste Durchlaufofen 3 ist in Transportrichtung r in die erste Zone 6 und die zweite Zone 7 unterteilt, weist in dieser Richtung also keine weiteren Zonen auf. Die erste Zone 6 erstreckt sich in Transportrichtung r des Bauteils 2 über 30 bis 80 % des ersten Durchlaufofens 3. Die erste Zone 6 und die zweite Zone 7 erstrecken sich quer zur Transportrichtung r - also in 1 nach oben und unten sowie senkrecht zur Zeichenebene - über den gesamten ersten Durchlaufofen 3.
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Die Vorrichtung 1 weist weiterhin eine dem ersten Durchlaufofen 3 in Transportrichtung r des Bauteils 2 nachgeordnete Temperierstation 4 auf. Weiterhin weist die Vorrichtung 1 einen zweiten Durchlaufofen 5 auf, der in Transportrichtung r des Bauteils 2 der Temperierstation 4 nachgeordnet ist. Die Temperaturen in der ersten Zone 6 des ersten Durchlaufofens 3, in der zweiten Zone 7 des ersten Durchlaufofens 3, in der Temperierstation 4 und im zweiten Durchlaufofen 5 sind über eine Steuereinrichtung 8 einstellbar. Dies ist durch gepunktete Linien angedeutet. Die Steuereinrichtung 8 ist insbesondere dazu eingerichtet, in dem ersten Durchlaufofen 3 eine derartige Temperaturverteilung einzustellen, dass sich das Bauteil 2 in der ersten Zone 6 auf eine oberhalb der AC3-Temperatur TAC3 des Bauteils 2 liegende erste Temperatur T1 erwärmt und in der zweiten Zone 7 auf eine unterhalb der AC3-Temperatur TAC3 des Bauteils 2 liegende zweite Temperatur T2 abkühlt.
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2 zeigt einen Temperaturverlauf, der sich in dem Bauteil 2 einstellt, wenn es durch die Vorrichtung 1 aus 1 bewegt wird. Die Darstellung von 2 ist schematisch. Gezeigt ist ein Plot der Temperatur T über der Zeit t in beliebigen Einheiten. Das Bauteil 2 wird zunächst in dem ersten Durchlaufofen 3 erwärmt. Die Verweildauer des Bauteils 2 in dem ersten Durchlaufofen 3 ist mit tD1 bezeichnet und in die mit tZ1 bezeichnete Verweildauer in der ersten Zone 6 und die mit tZ2 bezeichnete Verweildauer in der zweiten Zone 7 unterteilt. In der ersten Zone 6 ist die Temperatur des ersten Durchlaufofens 3 so eingestellt, dass sich das Bauteil 2 in der ersten Zone 6 auf die erste Temperatur T1 erwärmt. Das Bauteil 2 wird am Ende der ersten Zone 6 für eine erste Haltezeit tH1 auf der ersten Temperatur T1 gehalten. In der zweiten Zone 7 ist die Temperatur des ersten Durchlaufofens 3 so eingestellt, dass sich das Bauteil 2 in der zweiten Zone 7 auf die zweite Temperatur T2 abkühlt. Das Bauteil wird am Ende der zweiten Zone 7 für eine zweite Haltezeit tH2 auf der zweiten Temperatur T2 gehalten.
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In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform ist T2 so tief gewählt, dass das Bauteil 2 die Temperatur T2 in der vorgegebenen Zeit nicht erreicht, aber die für die den Zerfall des Austenits erforderliche Temperatur lange genug unterschritten hat. In diesem Fall findet kein annähernd isothermes Halten auf T2 statt.
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Anschließend wird das Bauteil 2 in die Temperierstation 4 transferiert. Die zugehörige Transferzeit ist mit tT1 bezeichnet. Während dieses Transfers kühlt das Bauteil 2 ab. In der Temperierstation 4 verbleibt das Bauteil 2 über eine Verweildauer tTS . In dieser Zeit wird das Bauteil 2 in der Temperierstation 4 thermisch behandelt, indem ein erster Bereich des Bauteils 2 einer Temperatur ausgesetzt wird, die konstant auf einem Wert oberhalb der AC3-Temperatur TAC3 des Bauteils 2 liegt, und ein zweiter Bereich des Bauteils 2 gekühlt wird. Die Temperatur des ersten Bereichs ist mit TA gekennzeichnet, die Temperatur des zweiten Bereichs mit TB .
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Nach dem thermischen Behandeln des Bauteils 2 in der Temperierstation 4 wird das Bauteil 2 in den zweiten Durchlaufofen 5 transferiert. Die Transferdauer dafür ist mit tT2 bezeichnet. Auch dabei kühlt das Bauteil 2 ab, was je nach Materialstärke und Transferdauer tT2 unterschiedlich sein kann.
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Im zweiten Durchlaufofen 5 wird das Bauteil 2 weiter thermisch behandelt, indem es insgesamt erwärmt wird. Dazu wird das Bauteil 2 bevorzugt einer Temperatur ausgesetzt, die oberhalb der AC3-Temperatur TAC3 des Bauteils 2 liegt. Der kältere zweite Bereich des Bauteils 2 wird dabei aufgrund der größeren Temperaturdifferenz schneller erwärmt als der wärmere erste Bereich. Die Verweildauer des Bauteils 2 im zweiten Durchlaufofen 5 ist mit TD2 bezeichnet.
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Durch die bereichsweise unterschiedliche thermische Behandlung erhält das beschichtete Bauteil 2 eine bereichsweise unterschiedliche Duktilität. Das ist beispielsweise bei einer B-Säule für ein Kraftfahrzeug vorteilhaft. Durch das Erwärmen auf über AC3 und durch das anschließende Abkühlen auf unter AC3 im ersten Durchlaufofen 3 wird dabei eine besonders gut einstellbare Dicke der Interdiffusionsschicht der Beschichtung des Bauteils 2 erreicht.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Bauteil
- 3
- erster Durchlaufofen
- 4
- Temperierstation
- 5
- zweiter Durchlaufofen
- 6
- erste Zone
- 7
- zweite Zone
- 8
- Steuereinrichtung
- T
- Temperatur
- TAC3
- AC3-Temperatur des Bauteils
- T1
- erste Temperatur
- T2
- zweite Temperatur
- TA
- Temperatur des ersten Bereichs des Bauteils
- TB
- Temperatur des zweiten Bereichs des Bauteils
- t
- Zeit
- tD1
- Verweildauer im ersten Durchlaufofen
- tZ1
- Verweildauer in der ersten Zone des ersten Durchlaufofens
- tH1
- erste Haltezeit
- tZ2
- Verweildauer in der zweiten Zone des ersten Durchlaufofens
- tH2
- zweie Haltezeit
- tT1
- Transferdauer vom ersten Durchlaufofen zur Temperierstation
- tTS
- Verweildauer in der Temperierstation
- tT2
- Transferdauer von der Temperierstation zum zweiten Durchlaufofen
- tD2
- Verweildauer im zweiten Durchlaufofen
- r
- Transportrichtung des Bauteils