DE102008005116B4

DE102008005116B4 - Verfahren und Einrichtung zur Herstellung eines Metallbandes mit über Länge und Breite unterschiedlichen Materialeigenschaften

Info

Publication number: DE102008005116B4
Application number: DE200810005116
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Prof. Dr. Spitzer; Hellfried Eichholz; Joachim Dr. Kroos; Rune Dr. Schmidt-Jürgensen
Original assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Current assignee: Salzgitter Flachstahl GmbH
Priority date: 2008-01-14
Filing date: 2008-01-14
Publication date: 2010-01-28
Anticipated expiration: 2028-01-15
Also published as: DE102008005116A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes mit über Länge und Breite unterschiedlichen Materialeigenschaften, wobei das Band vor einem Aufwickeln zu Coils oder einer Weiterverarbeitung zu Tafeln einer partiellen Wärmebehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Band während und/oder im unmittelbaren Anschluss an die partielle Wärmebehandlung, bestehend aus einer partiellen Erwärmung und nachfolgenden Abkühlung, in einer kontinuierlichen Prozessabfolge einem Richtvorgang unterzogen wird, bei dem das Band eine Temperatur von Raumtemperatur bis Wärmebehandlungstemperatur aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes mit über Länge und Breite unterschiedlichen Materialeigenschaften, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens nach Patentanspruch 18.
Der heiß umkämpfte Automobilmarkt zwingt die Hersteller ständig nach Lösungen zur Senkung des Flottenverbrauches unter Beibehaltung eines höchstmöglichen Komforts und Insassenschutzes zu suchen. Dabei spielt einerseits die Gewichtsersparnis aller Fahrzeugkomponenten eine entscheidende Rolle andererseits aber auch ein möglichst günstiges Verhalten der einzelnen Bauteile bei hohen statischen und dynamischen Beanspruchungen im Betrieb und im Crashfall.
Die Vormaterial-Lieferanten versuchen diesen Anforderungen durch die Bereitstellung belastungsoptimierter Bleche aus Stahl (Taylored welded oder Taylored rolled Blanks) Rechnung zu tragen, die entsprechend den zu erwartenden Belastungen blechdickenoptimiert sind oder aus unterschiedlich festen Werkstoffen bestehen.
Derartige Bleche oder Bänder aus Stahl müssen vergleichsweise hohen Anforderungen hinsichtlich Festigkeit, Dehnfähigkeit, Zähigkeit, Energieaufnahme und Verarbeitbarkeit beispielsweise durch Kaltumformen, Schweißen und/oder Oberflächenbehandeln, genügen.
Nachteilig bei der Herstellung belastungsoptimierter Bleche aus Stahl sind bei den geschweißten Blechplatinen die aufwändigen Schneid- und Fügeprozesse sowie scharfe Eigenschaftsgradienten beim Werkstoffübergang.
Bei gewalzten Blechplatinen besteht der Nachteil einer nur eindimensionalen Dickeneinstellung. Nachteilig ist außerdem, dass eine gezielte separate bzw. lokale Einstellung von Materialeigenschaften und eine Herstellbarkeit im verzinkten Zustand nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist.
Ein Verfahren zum Herstellen eines entsprechend den Festigkeits- bzw. Steifigkeitsanforderungen unterschiedliche Materialstärken aufweisenden Blechformteiles durch Tiefziehen ist aus der DE 196 53 543 A1 bekannt.
Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Blechplatine im Bereich der Formgebung vor oder während des Tiefziehens erwärmt wird, wobei die Erwärmung zur Erreichung eines unterschiedlichen Werkstoff-Dehnungskoeffizienten über die Erstreckung der Blechplatine nur partiell oder mit unterschiedlicher Intensität erfolgt.
Zudem ist es möglich, die Erwärmung des Blechwerkstoffes nach einem der letzten Walzschritte und vor dem Aufwickeln zu einem Coil oder vor der Herstellung zur Blechplatine durchzuführen.
Der Nachteil dieses Verfahrens ist, dass partiell wärmebehandelte Stahlbänder vor dem Tiefziehen hohe Eigenspannungen aufweisen, die beim Aufteilen des Bandes in Blechplatinen frei werden und je nach Grad der Wärmebehandlung zu einem mehr oder weniger starken Verzug führen.
Solche stark verzogenen Blechplatinen können entweder gar nicht verarbeitet werden oder müssen mit großem Aufwand einem Nachrichtprozess unterzogen werden. Zudem besteht die Gefahr, dass es bei Zuführung zu stark verzogener Platinen in nachfolgende Anlagen zu Beschädigungen von Anlagenteilen kommen kann.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes mit über Länge und Breite unterschiedlichen Materialeigenschaften anzugeben, mit dem nach dem Abtafeln oder Aufwickeln eigenspannungsoptimierte und verzugsarme Platinen oder Bänder für die Weiterverarbeitung bereitgestellt werden können. Eine weitere Aufgabe ist, eine entsprechende Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens anzugeben.
Nach der Lehre der Erfindung wird das Band während und/oder im unmittelbaren Anschluss an die partielle Wärmebehandlung in einer kontinuierlichen Prozessabfolge einem Richtvorgang unterzogen, bei dem das Band eine Temperatur von Raumtemperatur bis Wärmebehandlungstemperatur aufweist.
Der Richtvorgang kann z. B. ein Biegerichten, dressierendes Richten, Recken oder ein Streckrichten sein oder auch eine weitere Wärmebehandlung, die beispielsweise mittels Hochenergiestrahlquellen, wie z. B. Laser, oder über induktive Verfahren erfolgen kann. Vorteilhaft wird das Richten über eine Wärmebehandlung symmetrisch durchgeführt, um die entstehenden Eigenspannungen auf einem niedrigen Niveau zu halten.
Die partielle Wärmebehandlung kann dabei in vorteilhafter Weise durch eine induktive Querfelderwärmung erfolgen. Alternativ kann die Erwärmung durch Infrarotstrahlung flächig oder durch einen bewegten Laserstrahl erfolgen. Eine weitere Erwärmungsmöglichkeit besteht in der Anströmung der betreffenden Bereiche durch Heißgas (Plasma, erwärmtes Schutz- oder Formiergas, Flammen). Grundsätzlich ist es möglich diese Verfahren einzeln oder in Kombination anzuwenden.
Durch die lokale Erwärmung kommt es ohne Bandzug zur Ausbildung einer Verwerfung, die durch eine teilweise plastische und aufgrund der erhöhten Temperatur wenig verfestigend wirkenden Verformung nicht vollständig bei der Abkühlung zurückgeht.
Durch einen mit der partiellen Wärmebehandlung kombinierten oder sich daran anschließenden Streckvorgang werden die die Verwerfung umgebenden Bereiche gestreckt und verfestigt, während die Verwerfung selbst geringere plastische Dehnungen und somit Verfestigungen erfährt. Hierdurch entstehen die gewünschten lokalen Eigenschaftsverteilungen. Das gesamte Band ist danach weitestgehend verwertungsfrei.
Vorteilhaft kann es sein, die lokale Erwärmung unter definierter Bandzugspannung durchzuführen, um lokal optimierte Eigenschaften einzustellen. Insbesondere können die lokale Erwärmung und der Streckvorgang gleichzeitig durchgeführt werden. Der kalte Bereich wird dadurch zum einen stärker und zum anderen aufgrund der niedrigeren Temperatur stärker verfestigend gestreckt als der lokal erwärmte Bereich. Dies ermöglicht noch größere Eigenschaftsvariationen bei gleichzeitig planem Band.
Der Vorteil dieses erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass es jetzt möglich ist, auch bei partiell wärmebehandelten Bändern mit hohen Eigenspannungen nach dem Abtafeln oder Aufwickeln eigenspannungsoptimierte und verzugsarme Platinen oder Bänder für die Weiterverarbeitung herzustellen.
Im Vergleich zu den bekannten Richtvorgängen an warm- oder kaltgewalzten Bändern, bei denen der Richtvorgang losgelöst von den vorherigen Bearbeitungsschritten durchgeführt wird, ist der Richtvorgang des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft direkt mit der partiellen Wärmebehandlung des Bandes gekoppelt.
Versuche haben gezeigt, dass es gerade bei partiell wärmebehandelten Metallbändern in Bezug auf den bei der Wärmebehandlung entstehenden Eigenspannungszustand günstig ist, den erforderlichen Richtprozess nicht zeitlich losgelöst von der Wärmebehandlung sondern zeitgleich oder in direktem Anschluss daran durchzuführen. Dadurch werden in den nachfolgenden Prozessstufen mögliche Anlagenbeschädigungen durch eigenspannungsbedingte Verwerfungen vermieden.
Durch Ausnutzung von z. B. beim Streckvorgang noch bestehender Temperaturunterschiede kann die Planheit optimiert werden. Wird ein Bereich nur erwärmt ohne Streckung werden in diesem Bereich Welligkeiten auftreten. Durch Strecken der umgebenden Bereiche können diese Welligkeiten prinzipiell beseitigt werden. Das Band kann vor dem Richtvorgang Raumtemperatur (RT) bis Wärmebehandlungstemperatur aufweisen, wobei sich ein Richten nahe der Raumtemperatur als besonders günstig erwiesen hat.
Zur Herstellung eines eigenspannungsoptimierten Bandes ist es vorteilhaft, eine Bandtemperatur von unterhalb 200°C einzuhalten. Hierzu ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Band nach der partiellen Wärmebehandlung mittels Luft oder auch beschleunigt abgekühlt wird.
Insbesondere können durch eine unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeit auch in Verbindung mit optimierten Reckvorgängen, z. B. durch die damit verbundenen verformungsinduzierten Gefügeumwandlungen, unterschiedliche Gefügeausbildungen realisiert werden, die zu lokal unterschiedlichen Eigenschaften führen.
Um eine Oxidation des Bandes während des Richtens mittels Wärmebehandlung zu vermeiden, wird in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, den Richtvorgang in einer Schutzgasatmosphäre durchzuführen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass sowohl der Prozess der partiellen Wärmebehandlung wie auch der Richtvorgang mittels Wärmebehandlung unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden. Ein zusätzlicher Kostenvorteil kann erzielt werden, wenn diese Prozessschritte in einer gemeinsamen Einhausung unter Schutzgasatmosphäre stattfinden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1a eine schematische Darstellung einer ersten Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung,
1b eine schematische Darstellung eines partiell wärmebehandelten und gerichteten Stahlbandes,
2 eine schematische Darstellung einer zweiten Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung,
3 eine schematische Darstellung einer dritten Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung.
1a zeigt in einer schematische Darstellung eine erste Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung zum partiellen Wärmebehandeln und Richten bzw. Strecken eines Metallbandes.
Das Metallband 7 ist hier ein zu einem Coil aufgewickeltes Stahlband, das entweder warm- oder kaltgewalzt sein kann.
Die erfindungsgemäße Einrichtung 1 besteht aus einem Einlauf-Rollenpaar 2, welches das Metallband 7 vom Coil in Pfeilrichtung abwickelt und in Fertigungsrichtung transportiert.
Hinter dem Einlauf-Rollenpaar 2 befindet sich im Auslauf der Einrichtung eine Richtanlage 3, die zum Dressieren und/oder Strecken des Metallbandes 7 geeignet ist. Anschließend wird das Metallband 7 einer hier nicht dargestellten Haspel zum Aufwickeln oder einer Schere bzw. Schneidanlage zugeführt, die das Band abtafelt.
In Fertigungsrichtung hinter dem Einlauf-Rollenpaar 2 befindet sich eine Anlage 5 zur partiellen Wärmebehandlung des Metallbandes 7.
Die Wärmebehandlungsanlage 5 ist in diesem Fall ein Laser, der über die Breite des Metallbandes 7 verfahrbar angeordnet ist und so eine über die Bandlänge und die Bandbreite steuerbare partielle Wärmebehandlung durchführen kann. Anstelle eines Lasers sind auch induktiv oder konduktiv arbeitende Wärmequellen einsetzbar.
Der Wärmebehandlungsanlage 5 ist eine durch Pfeile angedeutete Kühleinrichtung 4 nachgeschaltet, die das Metallband 7 vor dem anschließenden Dressieren und/oder Strecken auf Richttemperatur, vorzugsweise unterhalb von 200°C, abkühlt. Die Kühlung des Metallbandes 7 kann beispielsweise durch einen auf das Band gerichteten Gasstrom erfolgen wobei das Gas vorzugsweise inerte Eigenschaften aufweist.
Die gesamte Einrichtung ist mit einer Einhausung 6 umgeben, die eine Schutzgasatmosphäre aufweist, um z. B. mögliche Oxidationen des Metallbandes 7 während der partiellen Wärmebehandlung und des Richtens zu vermeiden.
Erfindungsgemäß sind alle Anlagenkomponenten miteinander gekoppelt, so dass der Richtprozess in einer kontinuierlichen Prozessabfolge während und/oder im unmittelbaren Anschluss an die Wärmebehandlung durchgeführt werden kann.
In 1b ist ein mit der erfindungsgemäßen Einrichtung 1 erzeugtes partiell wärmebehandeltes und gerichtetes Metallband 7 dargestellt. Das Metallband 7 weist über die Länge und Breite verteilt wärmebehandelte Bereiche 8 auf, die entsprechend der Lage der späteren Beanspruchung im Bauteil in der abzutafelnden Platine 9 angeordnet sind.
Das Metallband 7 ist nach dem Dressieren eigenspannungsoptimiert, so dass nach dem Abtafeln die einzelnen Platinen 9 verzugsarm der Weiterverarbeitung zugeführt werden können.
2 zeigt in einer schematischen Darstellung als alternative Ausgestaltung der Erfindung eine weitere Einrichtung zum partiellen Wärmebehandeln und Richten von Metallbändern. Die Einrichtung 1' besteht bis auf eine Richtanlage 10 zum Biegerichten aus den gleichen Komponenten wie die zu 1 beschriebene Einrichtung, so dass sich eine nähere Beschreibung erübrigt. Gleiche Bezugsziffern entsprechen dabei gleichen Anlagekomponenten.
In 2 ist anstelle der Richtanlage 3 zum Dressieren und/oder Strecken (1a), die Richtanlage 10 im Auslauf der Einrichtung 1' als Mehrrollen-Richtanlage ausgeführt, um auch Metallbänder mit hohen Eigenspannungen eigenspannungsoptimiert über einen Biegerichtprozess richten zu können.
Erfindungsgemäß ist die gesamte Anlage mit einer unter Schutzgas stehenden Einhausung 6' umgeben.
In 3 ist eine dritte Variante der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt, bei der das Metallband 7 sowohl einem Streck-, Biegericht- und Dressiervorgang unterzogen werden kann, wobei die Bearbeitungsschritte jeweils einzeln oder in Kombination durchgeführt werden können.
Die Einrichtung 1'' besteht im Wesentlichen aus den gleichen Anlagenkomponenten wie die zu 1 und 2 beschriebene, so dass sich eine detaillierte Beschreibung erübrigt. Gleiche Bezugsziffern entsprechen dabei gleichen Anlagekomponenten.
Die Richtanlage 3 wird bei der gezeigten Variante vornehmlich zum Strecken des Metallbandes 7 schon während der partiellen Wärmebehandlung verwendet, um lokal optimierte Eigenschaften des Metallbandes 7 nach der Abkühlung über die Bandkühlung 4 zu erreichen.
Der Richtanlage 3 nachgeschaltet ist eine Richtanlage 10, mit der, falls erforderlich, das Metallband 7 einem zusätzlichen Biegerichtvorgang unterzogen werden kann.
Mit einer weiteren Richtanlage 3' kann das Metallband 7 im Anschluss an den Richtvorgang wahlweise zusätzlich dressiert werden, bevor es einer Haspel oder einer Schere bzw. Schneidanlage zur weiteren Verarbeitung zugeführt wird.

Erfindungsgemäß sind zumindest die Anlagenkomponenten 2, 3, 4 und 5 mit einer Einhausung 6 versehen, die ebenfalls mit Schutzgas geflutet werden kann. Bezugszeichenliste

Nr.	Bezeichnung
1, 1', 1''	Einrichtung zur partiellen Wärmebehandlung und Richten
2	Einlauf-Rollenpaar
3, 3'	Richtanlage zum Dressieren und/oder Strecken
4	Bandkühleinrichtung
5	Wärmebehandlungsanlage zum partiellen Wärmebehandeln
6, 6'	Einhausung
7	Metallband
8	wärmebehandelter Bereich
9	Platine
10	Richtanlage zum Biegerichten

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Metallbandes mit über Länge und Breite unterschiedlichen Materialeigenschaften, wobei das Band vor einem Aufwickeln zu Coils oder einer Weiterverarbeitung zu Tafeln einer partiellen Wärmebehandlung unterzogen wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Band während und/oder im unmittelbaren Anschluss an die partielle Wärmebehandlung, bestehend aus einer partiellen Erwärmung und nachfolgenden Abkühlung, in einer kontinuierlichen Prozessabfolge einem Richtvorgang unterzogen wird, bei dem das Band eine Temperatur von Raumtemperatur bis Wärmebehandlungstemperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Richtvorgang ein dressierendes Richten ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Richtvorgang ein Streckrichter ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Richtvorgang ein Biegerichten ist.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Richtvorgang eine Wärmebehandlung ist.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung symmetrisch durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung induktiv durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mittels Hochenergiestrahlquellen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Hochenergiestrahlquelle ein Laser verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5 und 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung mittels Brennern durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5–10 dadurch gekennzeichnet, dass eine Kombination verschiedener Wärmebehandlungsmethoden verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–11 dadurch gekennzeichnet, dass der Richtvorgang aus einer Kombination von dressierendem Richten und/oder Streckrichten und/oder Biegerichten und/oder Wärmebehandlung besteht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–12 dadurch gekennzeichnet, dass der Richtvorgang unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–13 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl der Richtvorgang wie auch die partielle Wärmebehandlung unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–14 dadurch gekennzeichnet, dass das Band vor dem Richtvorgang auf eine Temperatur unterhalb von 200°C abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass zur Kühlung ein Gasstrom verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1–16 dadurch gekennzeichnet, dass die lokale Erwärmung unter einer definierten Bandzugspannung durchgeführt wird.
Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–17 mit einem Einlauf-Rollenpaar, einer Wärmebehandlungsanlage für die partielle Wärmebehandlung, einer Bandkühleinrichtung und einer Richtanlage dadurch gekennzeichnet, dass das Einlauf-Rollenpaar (2) und die Richtanlage (3, 3', 10) gekoppelt sind und die Wärmebehandlungsanlage (5) dem Einlauf-Rollenpaar (2) nachgeschaltet ist.
Einrichtung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens die Wärmebehandlungsanlage (5) mit einer das Metallband (7) partiell schützenden Einhausung umgeben ist, die mit Schutzgas geflutet werden kann.
Einrichtung nach Anspruch 18 und 19 dadurch gekennzeichnet, dass die Richtanlage (3, 10) mit einer Einhausung umgeben ist, die mit Schutzgas geflutet werden kann.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18–20 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsanlage (5) und die Richtanlage (3, 10) mit einer gemeinsamen Einhausung umgeben ist, die mit Schutzgas geflutet werden kann.
Einrichtung nach Anspruch 18 dadurch gekennzeichnet, dass die Anlagenkomponenten (2, 3, 4, 5, 10) mit einer gemeinsamen Einhausung (6, 6') umgeben sind, die mit Schutzgas geflutet werden kann.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18–22 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsanlage (5) eine Hochenergiestrahlquelle beinhaltet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18–23 dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlungsanlage (5) eine Induktionswärmequelle beinhaltet.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18–24 dadurch gekennzeichnet, dass die Richtanlage (10) eine Biegerichtanlage ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18–25 dadurch gekennzeichnet, dass die Richtanlage (3) eine Dressier- und/oder Streckrichtanlage ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18–26 dadurch gekennzeichnet, dass die Richtanlage (3') eine Dressieranlage ist.
Einrichtung nach einem der Ansprüche 18–26 dadurch gekennzeichnet, dass die Bandkühleinrichtung (4) zwischen der Wärmebehandlungsanlage (5) und der Richtanlage (3, 10) angeordnet ist.