-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Blech.
-
Verfahren zum Behandeln von Blech mit dem Ziel Blechteile zu erzeugen, die lokal, in Teilbereichen modifizierte Eigenschaften aufweisen, sind bekannt.
-
Blechteile mit lokal modifizierten Eigenschaften können durch ein lokales Einlegieren entsprechender Legierungselemente erzeugt werden.
DE 19650258 A1 beschreibt ein Verfahren zum Laserlegieren von Metallteilen mit Zuführung der Legierungskomponenten in Form von Stäben oder Drähten. Dieses Verfahren ist vor allem zum Legieren von linienhaften Bereichen geeignet, aber nicht zum gleichmäßigen Legieren von flächigen Bereichen. Außerdem ist der Einsatz von Lasern nur zum Modifizieren kleiner Flächenanteile eines Blechs oder Bauteils wirtschaftlich, nicht aber für größere Flächenanteile.
-
Eine Aufgabe der Erfindung ist, ein Verfahren zum kostengünstigen Behandeln von Blechen anzugeben, bei dem mindestens ein Teilbereich mit veränderter Legierungszusammensetzung an einer beliebigen Stelle des Blechs erzeugt wird.
-
Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zufolge gelöst durch ein Verfahren zum Behandeln von Blech mit den Schritten:
- a) Aufbringen eines Musters auf mindestens eine Oberfläche des Blechs, wobei das Muster aus einer mindestens ein Legierungselement enthaltenden Masse gebildet ist, anschließend
- b) Wärmebehandeln des Blechs, um das Legierungselement in das Blech einzudiffundieren, wobei wenigstens die das Muster aufweisende Oberfläche von einer kontaktierenden Schicht von gegen die Wärmebehandlung beständigem Material bedeckt ist.
-
Durch die kontaktierende Schicht wird die Blechoberfläche abgedeckt und beim Wärmebehandeln vor unerwünschten Reaktionen mit der umgebenden Atmosphäre weitgehend geschützt, so dass aufwendige Verfahren zur Einstellung der Atmosphäre entfallen können.
-
Die einfachste und kostengünstigste Möglichkeit, die kontaktierende Schicht bereitzustellen, ist, ein ebenfalls zu behandelndes Blech dafür zu verwenden.
-
Das Blech kann beim Wärmebehandeln in Form eines Stapels von Blechteilen gleicher Geometrie vorliegen. So kann die zu behandelnde Oberfläche eines Blechs durch ein benachbartes Blech als kontaktierende Schicht vollständig überdeckt werden.
-
Um die Breite eines Spalts zwischen der zu behandelnden Oberfläche und dem benachbarten Blech zu minimieren, sollten die Blechteile plattenförmig sein. So können sie beim Wärmebehandeln flach aufeinander liegen.
-
Alternativ kann das Blech beim Wärmebehandeln als Coil vorliegen. So kann jeweils eine äußere Lage des aufgewickelten Blechs die kontaktierende Schicht für die von ihr überdeckte innere Lage bilden.
-
Das Aufbringen des Musters kann ein Aufdrucken der Masse, insbesondere ein Siebdrucken, sein. Das Siebdrucken eignet sich besonders für plattenförmige Blechteile.
-
Das Aufbringen des Musters kann ein Aufsprühen der Masse sein. Dies ist insbesondere beim Bearbeiten eines Coils zweckmäßig, da eine relativ zum durchlaufenden Blechband unbewegliche oder nur quer zur Laufrichtung des Blechbands bewegliche Sprühdüse verwendet werden kann.
-
Das Muster kann auf beiden Oberflächen des Blechs aufgebracht werden. Dies kann geschehen, indem die Masse mit jeweils demselben Verfahren wie etwa Aufdrucken, -sprühen o. dgl. auf Vorder- und Rückseite des Blechs aufgetragen wird.
-
Einfacher ist es, die Masse auf nur eine erste Oberfläche des Blechs aufzutragen und das Muster auf der gegenüberliegenden zweiten Oberfläche aufzubringen, durch Inkontaktbringen dieser Oberfläche mit einem auf der kontaktierenden Schicht gebildeten Muster. Falls die Masse in Form einer Paste oder Suspension aufgebracht wird, die auf der kontaktierenden Schicht trocknet oder abbindet, kann es zweckmäßig sein, den Kontakt mit der zweiten Oberfläche herzustellen, solange die Masse noch nicht fest ist, so dass sie auch einen innigen Kontakt mit der zweiten Oberfläche eingehen und bei der anschließenden Wärmebehandlung das Legierungselement in das Blech und die kontaktierende Schicht zu gleichen Teilen eindiffundieren kann.
-
Das Muster kann auf beide Oberflächen kongruent aufgebracht werden. Soll eine Eindiffusion des Legierungselements über die gesamte Blechdicke erfolgen, kann dadurch die Wärmebehandlungszeit verkürzt werden.
-
Eine solche kongruente Aufbringung ist insbesondere bei stapelbaren Blechteilen auf einfache Weise realisierbar, indem die Masse auf jeweils eine erste Oberfläche jedes Blechteils aufgetragen wird und anschließend die Blechteile kongruent zu einem Stapel aufgeschichtet werden, so dass auf die zweite Oberfläche das Muster durch Kontakt mit der auf ein benachbartes Blechteil aufgetragenen Masse aufgebracht wird.
-
Die Masse kann ein Pulver des mindestens einen Legierungselements enthalten. Die Masse kann aber auch eine Mischung von Pulvern mehrerer Legierungselemente oder Pulver einer Legierung enthalten.
-
Das Wärmebehandeln kann in einem Standofen, insbesondere in einem Haubenofen erfolgen. Gerade bei kleinen Chargen oder Stückzahlen ist dies kostengünstiger als der Einsatz von Durchlauföfen.
-
Das Wärmebehandeln kann in einer Inertgasatmosphäre oder im Vakuum erfolgen. Die Verwendung von Inertgas oder Vakuum ist dann sinnvoll, wenn der Kontakt zwischen den Blechteilen oder den Wicklungen des Coils nicht ausreichend ist, um einen ausreichenden Schutz der einander gegenüberliegenden Oberflächen der Blechlagen gegen Einflüsse der Umgebungsatmosphäre zu gewährleisten, bzw. wenn an den Rändern der Bleche oder des Coils nach außen offene Spalte zwischen den Blechlagen vorhanden sind.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
-
1 den schematischen Ablauf des Verfahrens für ein erstes Ausführungsbeispiel;
-
2 einen schematischen ausschnittweisen Querschnitt durch ein Coil;
-
3 den Ausschnitt aus 3 nach einer Diffusionsglühung;
-
4 eine Draufsicht auf einen Blechstapel;
-
5 einen schematischen ausschnittweisen Querschnitt durch den Blechstapel;
-
6 den Ausschnitt aus 5 nach einer Diffusionsglühung.
-
1 zeigt schematisch verschiedene Stadien des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Stadium, gezeigt im linken Teil von 1, liegt das zu bearbeitende Blech als zu einem Coil 2 gewickeltes Blechband 1 vor.
-
Das Blechband besteht hier aus niedrig legiertem Aluminium, bevorzugt aus einer Legierungsgruppe 1xxx, mit einer Blechdicke von 0,5 bis 3,5 mm. Das Verfahren ist aber auch auf andere Bleche, insbesondere niedrig legierte Stahlbleche, bevorzugt aus einem IF-Stahl, und andere Materialstärken anwendbar.
-
1 zeigt in ihrem mittleren Teil das Blechband 1, das vom Coil 2 teilweise ab- und zu einem neuen Coil 5 aufgewickelt ist. Zwischen den Coils 2, 5 sind eine oder mehrere Sprühdüsen 4 angeordnet, um durch Aufsprühen eine Masse 6 auf eine erste Oberfläche 3 (Vorderseite) des Bands 1 aufzubringen, während dieses vom Coil 2 auf das Coil 5 umgewickelt wird. Die Sprühdüsen 4 können ortsfest angeordnet oder quer zur Laufrichtung des Blechbands 1 beweglich sein. Die Düsen 4 sind angeordnet, um auf der Oberfläche 3 ein Muster aus mit der Masse 6 bedeckten und von der Masse 6 freien Bereichen zu bilden.
-
Die Masse 6 enthält wenigstens ein Legierungselement in Form eines Pulvers, das, um nach dem Sprühen an der Oberfläche 3 zu haften, in einer – ggf. mit einem Bindemittel versetzten – Flüssigkeit suspendiert ist. Wenn das Blechband 1 aus Aluminium besteht, können die Legierungselemente insbesondere Kupfer und/oder Zink sein. Wenn es ein Stahlblech ist, kommt als Legierungselement auch Kohlenstoff in Betracht.
-
Die Flüssigkeit kann flüchtig sein, um zumindest weitgehend zu verdampfen, bevor die frisch besprühte Oberfläche 3 das Coil 5 erreicht und weitere Verdampfung dadurch verhindert wird, dass die Masse zwischen dem bereits vorhandenen Coil 5 und der Oberfläche 3 eingeschlossen wird.
-
Es kann aber auch vorgesehen werden, dass die Masse 6 im Moment ihres Einschlusses am Coil 5 die Flüssigkeit noch größtenteils enthält, so dass sie weiterhin plastisch ist und sich eng an die – beim Durchgang unter den Sprühdüsen 4 nicht mit der Masse 6 beschichtete Rückseite des Blechbands 1 anschmiegt.
-
Nachdem das gesamte Blechband 1 zum Coil 5 umgespult und dabei mit der Masse 6 versehen worden ist, wird das Coil 5 wie im rechten Teil von 1 gezeigt in einem Haubenofen 10 einer Wärmebehandlung unterzogen.
-
Einer alternativen Ausgestaltung zufolge sind die Sprühdüsen ersetzt durch eine Walze, auf der das aufzubringende Muster vorgeformt ist. Diese Vorformung kann darin bestehen, das die Walze in vom Tiefdruck her bekannter Weise Vertiefungen aufweist, die die mit Hilfe eines Rakels auf die Walze aufgestrichene Masse 6 aufnehmen, während nicht vertiefte Oberflächenbereiche der Walze die Masse nicht aufnehmen, und die im Kontakt mit dem Band 1 die Masse 6 auf dessen Oberfläche 3 übertragen.
-
Während die Düsen 4 sich in erster Linie zum Aufbringen von Mustern mit in Laufrichtung des Blechbandes 1 langgestreckten Elementen eignen, können mit Hilfe der Walze auch Muster erzeugt werden, die quer zur Laufrichtung langgestreckte Elemente aufweisen.
-
2. zeigt in einem ausschnittweisen Querschnitt durch das Coil 5 das Blechband 1 mit der aufgebrachten Masse 6. Ein Randbereich 9 an beiden Rändern des Blechbandes 1 ist frei von der Masse 6. Zwischen diesen beiden Randbereichen 9 kann die Masse 6 flächendeckend aufgebracht sein.
-
Obwohl die Masse 6 zunächst nur auf die Vorderseite 3 des Blechs 1 aufgesprüht oder – gewalzt worden ist, ist sie nun auch in innigem Kontakt mit dessen Rückseite 7. Auf diese Weise liegt das Muster auf beiden Oberflächen 3, 7 des Bands 1 vor.
-
Dieses Verfahren ist vor allem für Muster geeignet, die aus Linien gebildet sind, welche sich in Richtung der Längskanten des Bands 1 erstrecken. Durch die Übertragung solcher linienhaften Muster auf die Rückseite 7 des Blechs ergibt sich ein kongruentes Muster auf beiden Blechoberflächen 3, 7. Dabei kann das Muster auch aus mehreren Linien beliebiger Breite bestehen. Zu beachten ist dabei, dass beim Aufwickeln des Blechbandes 1 zum Coil 5 der Kontakt der aufgebrachten Masse 6 mit der Außenseite 7 möglichst vollflächig sein muss, da sonst das Muster nicht gleichmäßig auf die Außenseite 7 übertragen wird.
-
Bei der Wärmebehandlung im Haubenofen 10 wird das mit der Masse 6 versehene Coil 5 aus Aluminiumblech aufgeheizt und bei einer Temperatur zwischen 200°C und 600°C für 10 bis 60 min gehalten, um eine Eindiffusion der Legierungselemente aus der Masse 6 zu erreichen. Im Falle eines Coils aus Stahlblech sind die Temperaturen höher zu wählen, z. B. zwischen 900 und 1100°C, idealerweise bei 1050°C. Bei dieser Diffusionsglühung sind Temperaturverlauf und Zeit beim Aufheizen und Halten abhängig von den Abmessungen des Coils 5 und der Blechdicke. Wenn möglich, werden sie so eingestellt, dass eine vollständige Eindiffusion der Legierungselemente aus der Masse 6 in das Blech 1 erreicht wird.
-
Die Diffusionsglühung kann unter Luftatmosphäre erfolgen. Wenn die Masse 6 oder ein in ähnlicher Weise wie die Masse 6 aufgetragenes Dichtmaterial Zwischenräume zwischen im Coil 5 benachbarten Windungen des Blechbands 1 dicht verschließt, bleiben Reaktionen mit dem Luftsauerstoff auf die Bandkanten beschränkt und haben insbesondere dann keine Auswirkungen auf aus dem geglühten Blechband gefertigte Teile, wenn beim Vereinzeln dieser Teile die eventuell verzunderten oder anderweitig veränderten Bandkanten weggeschnitten werden.
-
Erfolgt, wie in 2, entlang der Randbereiche 9 kein Auftrag von Masse 6 und sollen die Eigenschaften der Randbereiche 9 definiert eingestellt werden, können störende Reaktionen mit Sauerstoff durch die Verwendung einer Inertgasatmosphäre, zum Beispiel Stickstoff, vermieden werden. In Einzelfällen kann auch eine Wärmebehandlung im Vakuum sinnvoll sein.
-
3 zeigt den Ausschnitt der 2 nach der Diffusionsglühung. Eine Konzentrationserhöhung der Legierungselemente gegenüber dem Ausgangszustand ergibt sich durch die Eindiffusion der Legierungselemente aus der aufgetragenen Masse 6 ins Blech 1. Dadurch entsteht im Blech 1 ein Diffusionsbereich 8. Da das Muster auf beide Oberflächen des Bands 3, 7 kongruent aufgebracht wurde, erfolgt die Eindiffusion von beiden Blechoberflächen 3, 7 gleichzeitig. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Auflegieren im Diffusionsbereich 8 nnerhalb der gesamten Blechdicke erreicht. Durch Eindiffusion von beiden Blechoberflächen 3, 7 ist die Diffusionszeit gegenüber einseitiger Diffusion verkürzt. Außerdem kann die Legierungskonzentration symmetrisch über die Blechdicke eingestellt werden kann.
-
Auf der äußersten Wicklung des Coils 5 ist die Masse 6 nur einseitig aufgetragen. Außerdem ist sie einseitig nicht von einem kontaktierenden Blech bedeckt. Dadurch unterscheiden sich die Eigenschaften dieser Wicklung von denen der weiter innen liegenden Wicklungen. In der Praxis wird diese äußere Wicklung bei der Weiterverarbeitung des Coils 5 verworfen.
-
Die Höhe der Konzentration und die Verteilung der Legierungselemente im Blech bestimmen die erzielbare Festigkeits- und Härtesteigerung. Im vorliegenden Beispiel wird eine Steigerung von Festigkeit und Härte im Diffusionsbereich 8 erreicht, während die Randbereiche 9 duktil bleiben.
-
Für den Fall, dass das Inkontaktbringen der noch feuchten Masse 6 auf der Vorderseite 3 des Blechs im Coil 5 mit der Rückseite 7 des Blech nicht geeignet ist, um das Muster zufriedenstellend auf die Rückseite 7 zu übertragen, kann die Masse 6 auf beide Oberflächen 3, 7 des Blechs 1 kongruent aufgebracht werden. Dies kann durch ein kongruentes Aufsprühen oder Aufwalzen des Musters auf beide Oberflächen 3, 7 des Blechs 1 in Schritt S1 erreicht werden. Dabei kann es vorteilhaft sein, die Masse 6 zu trocknen, bevor das Blech 1 zum Coil 5 aufgewickelt wird. Ein Verschmieren der Masse 6 oder ein unerwünschtes Übertragen des Musters auf die kontaktierende Oberfläche 3 oder 7 wird so vermieden.
-
In einem zweiten Ausführungsbeispiel liegt das Blech 1 als Stapel von plattenförmigen, ebenen, unverformten Blechteilen aus Stahlblech vor. Im ersten Schritt wird die Masse 6 in Form eines Musters auf die Blechteile aufgebracht. Dazu wird jedes Blechteil einzeln in eine Siebdruckmaschine eingelegt und einseitig mit der Masse 6 bedruckt. In 4 ist eines der entnommenen Blechteile 14 dargestellt, das auf einem Stapel 15 mit den bereits bedruckten Blechteilen 14 abgelegt wird. Wie im ersten Ausführungsbeispiel kommt dabei die noch feuchte Masse 6 auf der bedruckten Oberfläche 17 mit der unbedruckten Oberfläche 19 (Rückseite) in Kontakt. Dabei ist zu beachten, dass das bedruckte Blechteil 14 möglichst gut mit dem darunterliegenden Blechteil des Stapels 15 kontaktiert und kongruent darauf liegt. In einem zweiten Schritt wird der Blechstapel 15 in einem Haubenofen 10 einer Wärmebehandlung unterzogen.
-
Das Muster auf dem Blechteil 14 in der Draufsicht ist in 4 ersichtlich. Es ist aus verschieden geformten Linien bestehend aus Masse 6 gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist in einem Bereich entlang der Ränder der Blechteile 14 keine Masse 6 aufgetragen. Das Muster kann, wie dargestellt, aus Linien gebildet sein, wobei sich die Linien auch kreuzen oder Kreise bilden können. Das Muster kann auch aus beliebig geformten Flächen gebildet sein. Der Randbereich kann auch vom Muster bedeckt sein.
-
5 zeigt in einem ausschnittweisen Querschnitt durch den Blechstapel 15 die auf den Blechteilen 14 aufgebrachte Masse 6. Infolge der Stapelung kommt die unbedruckte Rückseite eines Blechs 14 mit der noch feuchten Masse 6 auf der bedruckten Vorderseite 17 eines anderen Blechs 14 in Kontakt, so dass sich das Muster auf die unbedruckte Rückseite 19 überträgt. Auf diese Weise liegt das Muster auf beiden Oberflächen 17, 19 der Blechteile kongruent vor.
-
Im zweiten Schritt wird der Blechstapel 15 im Haubenofen 10 einer Wärmebehandlung unterzogen. In einer ersten Stufe der Wärmebehandlung wird der Stapel 15 aufgeheizt und bei einer Temperatur zwischen 900°C und 1100°C für 15 bis 60 min gehalten, um eine Eindiffusion des Kohlenstoffs aus der Masse 6 in die Stahlblechteile 14 zu erreichen. Bei dieser Diffusionsglühung sind Temperaturverlauf und Zeit beim Aufheizen und Halten abhängig von den Abmessungen des Stapels 15 und der Blechdicke. Sie werden vorzugsweise so eingestellt, dass eine vollständige Eindiffusion der Legierungselemente aus der Masse 6 in die Blechteile 14 erreicht wird.
-
Anschließend wird der Blechstapel 15 von der Tenmperatur der Diffusionsglühung in bekannter Weise abgeschreckt. Die Wahl des Abschreckmediums und der Abschreckbedingungen hängt vom Stahlwerkstoff und den zu erzielenden Eigenschaften ab.
-
In einer zweiten Stufe der Wärmebehandlung wird der Stapel 15 im Haubenofen 10 einer Anlassbehandlung unterzogen. Die Anlassbedingungen hängen in bekannter Weise vom Stahlwerkstoff und den zu erzielenden Eigenschaften ab. Temperaturverlauf und Zeit beim Aufheizen und Halten sind abhängig von den Abmessungen des Stapels 15 und der Blechdicke.
-
Die Diffusionsglühung und die Anlassbehandlung können unter Luftatmosphäre erfolgen. Reaktionen mit dem Luftsauerstoff treten wie oben erläutert insbesondere entlang der Ränder der Blechteile 14 auf. Sind die daraus resultierenden Eigenschaften der Ränder unwichtig, weil die Ränder später beispielsweise beschnitten werden, kann Luftatmosphäre verwendet werden. Erfolgt, wie in 5, entlang des Randes kein Auftrag von Masse 6 und sollen die Eigenschaften der Ränder definiert eingestellt werden, können störende Reaktionen mit Sauerstoff durch die Verwendung einer Inertgasatmosphäre, zum Beispiel Stickstoff, vermieden werden. In Einzelfällen kann auch eine Wärmebehandlung im Vakuum sinnvoll sein.
-
6 zeigt den Ausschnitt aus 5 nach der Diffusionsglühung. Eine Konzentrationserhöhung der Legierungselemente gegenüber dem Ausgangszustand ergibt sich durch die Eindiffusion der Legierungselemente aus der aufgetragenen Masse 6 ins Blech 14. Dadurch entsteht im Blech 14 ein Diffusionsbereich 18. Da das Muster auf beide Oberflächen 17, 19 der Blechteile kongruent aufgebracht wurde, erfolgt die Eindiffusion von beiden Blechoberflächen 17, 19 gleichzeitig. Im vorliegenden Beispiel wurde ein Auflegieren im Diffusionsbereich 18 innerhalb der gesamten Blechdicke erreicht. Durch Eindiffusion von beiden Blechoberflächen 17, 19 ist die Diffusionszeit gegenüber einseitiger Diffusion verkürzt. Außerdem kann die Legierungskonzentration symmetrisch über die Blechdicke eingestellt werden kann.
-
Beide Ausführungsbeispiel sind nicht auf die angegebenen Werkstoffe und Legierungselemente beschränkt.
-
Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Blechband
- 2
- Coil
- 3
- Vorderseite
- 4
- Düse
- 5
- Coil
- 6
- Masse
- 7
- Rückseite
- 8
- Diffusionsbereich
- 9
- Randbereich
- 10
- Haubenofen
- 14
- Blechteil
- 15
- Stapel
- 17
- Vorderseite
- 18
- Diffusionsbereich
- 19
- Rückseite
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-