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WO2024105076A1 - Thermisches behandeln eines metallischen bauteils - Google Patents

Thermisches behandeln eines metallischen bauteils Download PDF

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Publication number
WO2024105076A1
WO2024105076A1 PCT/EP2023/081847 EP2023081847W WO2024105076A1 WO 2024105076 A1 WO2024105076 A1 WO 2024105076A1 EP 2023081847 W EP2023081847 W EP 2023081847W WO 2024105076 A1 WO2024105076 A1 WO 2024105076A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
component
temperature
region
continuous furnace
edge
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.)
Ceased
Application number
PCT/EP2023/081847
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank WILDEN
David BULLER
Nathalie MACHEREY
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
Application filed by Schwartz GmbH filed Critical Schwartz GmbH
Priority to EP23808748.0A priority Critical patent/EP4619554A1/de
Priority to CN202380079182.3A priority patent/CN120303416A/zh
Priority to JP2025528174A priority patent/JP2025536088A/ja
Publication of WO2024105076A1 publication Critical patent/WO2024105076A1/de
Priority to MX2025005657A priority patent/MX2025005657A/es
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased 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
    • C21D9/0056—Furnaces through which the charge is moved in a horizontal straight path
    • 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
    • C21D1/185—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering from an intercritical temperature
    • 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
    • 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
    • C21D2221/00—Treating localised areas of an article
    • 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
    • C21D2221/02—Edge parts

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the thermal treatment of a metallic component, in particular a steel component for a motor vehicle.
  • steel components such as B-pillars are thermally treated differently in certain areas. This creates a different ductility in certain areas, which is advantageous for the crash behavior of such components.
  • occupants of a vehicle can be protected by a hard area of the B-pillar at seat height, while soft areas in the upper and lower areas of the B-pillar absorb energy through deformation.
  • a B-pillar can be made soft in those places where the B-pillar is to be connected to other body parts. Such soft joining areas can also be referred to as soft spots. In soft spots, the B-pillar can, for example, be easily drilled through to create holes for rivets or screws.
  • the entire component is first heated in a first oven, the component is then locally treated differently in a tempering station, and the entire component is then heated in a second oven.
  • the tempering station one area of the component is cooled, for example by applying a cooling fluid, and the rest of the component is kept at approximately its temperature. Excellent results can be achieved in this way for many applications.
  • known methods are not precise enough, especially for the creation of soft spots. This is because the cooling cannot be limited locally, for example using nozzles, or can only be limited with difficulty. Similar difficulties arise in general if more than a simple division of the component into soft and hard areas is desired.
  • the object of the present invention is to present a method for the thermal treatment of metallic components with which a soft area with a particularly precise contour can be obtained. A corresponding device will also be presented.
  • a method for thermally treating a metallic component comprises: a) heating the entire component in a first continuous furnace, b) transferring the component from the first continuous furnace to a tempering station, c) cooling at least a first region of the component in the tempering station, d) transferring the component from the tempering station to a second continuous furnace, e) thermally treating the component in the second continuous furnace, wherein after completion of step c) an edge of the first region is heated at least in sections with a laser unit, wherein a temperature of the component in a core of the first region enclosed by the edge of the first region is below the austenite re-transformation temperature of the component at least after cooling in step c) and does not exceed the AC3 temperature of the component after step c), and wherein a temperature of a second region of the component during method steps a) to e) at least temporarily exceeds the AC3 temperature of the component.
  • a metallic component can be thermally treated using the method described.
  • the metallic component is preferably a component made of steel.
  • the steel is preferably 22MnB5.
  • a metallic component for a motor vehicle in particular a B-pillar
  • the component preferably has a material thickness of at least 0.7 mm, in particular in the range of 1 to 4 mm. Such a material thickness is useful for many applications.
  • the process described can also be carried out with components of a different material thickness.
  • the material thickness of the component is preferably constant over the entire component.
  • the component can also have a different material thickness in certain areas.
  • the component can be a "Tailor Rolled Blank (TRB)", in which locally different material thicknesses are obtained by locally different rolling.
  • the component can also be a “Tailor Welded Blank (TWB)", in which locally different material thicknesses are obtained by welding several sheets together.
  • TRB Trimed Blank
  • TWB Teilor Welded Blank
  • the process can be applied equally to components with and without coating.
  • the component is particularly preferably coated with Al/Si.
  • the component is preferably press-hardened in a press and thus hot-formed.
  • the method preferably comprises the further steps of transferring the component from the second continuous furnace to the press (step f)) and press-hardening it in the press (step g)).
  • the method described is a method for thermally treating and press-hardening a component.
  • the press-hardening of the component it is not necessary for the press-hardening of the component to be carried out as part of the method described.
  • the method described can also serve as preparation for press-hardening carried out outside of the method described.
  • the component thermally treated with the method described can be subjected to further process steps which, together with other processes, can result in a finished motor vehicle, for example.
  • the thermal treatment of the component is, however, a separate sub-process in such an overall process. It is therefore sensible to consider the thermal treatment separately from the subsequent process steps, in particular also separately from the press-hardening.
  • step a) the entire component is heated in the first continuous furnace.
  • a furnace is a device that is heated to an adjustable temperature inside and into which a component can be placed. Over time, the temperature of the component approaches the temperature inside the furnace. The heat is therefore transferred from the gas in the furnace, which can be air in particular, to the component.
  • a continuous furnace is a furnace through which the component can be moved, whereby the component is heated as it passes through the furnace.
  • the first continuous furnace is preferably a roller hearth furnace.
  • the component is preferably heated by burners, in particular gas burners. This allows the component to have a particularly evenly distributed temperature.
  • the entire component is heated.
  • the component is completely taken up by the first continuous furnace.
  • a continuous furnace can be used to heat a component by a particularly large temperature difference. With a continuous furnace, a component can be heated in particular from room temperature to a temperature in the range of the AC3 temperature of the component. Such extensive heating is not possible with many other heating methods, or at least not without disproportionate effort.
  • the first continuous furnace can also be used to diffuse the coating into the remaining material of the component.
  • the component is heated in step a) in such a way that the material of the coating diffuses into the material of the remaining component in step a).
  • the component is therefore preferably heated in step a) to a temperature which is above the temperature at which the material of the coating diffuses into the material of the remaining component.
  • the temperature of the component in step a) is preferably above this temperature for at least 1 minute, in particular even at least 2 minutes.
  • the component is preferably heated in step a) to a temperature of at least 700 °C, in particular at least 780 °C.
  • the temperature of the component in step a) is above a temperature of 700 °C, in particular 780 °C, for at least 1 minute, in particular even at least 2 minutes or even 830 °C.
  • the component is particularly preferably heated in step a) to a temperature above the AC 1 temperature of the component, in particular above the AC3 temperature of the component.
  • the temperature of the component in step a) is at least 1 min, in particular even at least 2 min above the AC1 temperature of the component, in particular above the AC3 temperature of the component.
  • the heating in step a) can not only be used to diffuse the coating, but can also make a contribution to the structural transformation.
  • Heating in a continuous furnace is particularly in contrast to heating by so-called "direct energization". This would make it difficult to heat the component evenly and to a sufficiently high level. With direct energization, the speed of heating is more important. In addition, direct energization requires contact with the component. In step a) of the process described, heating is preferably carried out without contact. This does not exclude the component being moved through the first continuous furnace with transport rollers and thus being in contact with the transport rollers. Heating is contactless if the heat is introduced into the component via a gas and/or via thermal radiation.
  • step b) of the process the component is transferred from the first continuous furnace to the tempering station. This is preferably done with a first transfer device.
  • the component is thermally treated differently in certain areas. This is why the process described is a process for the locally different thermal treatment of metallic components. However, this does not need to be mentioned explicitly, since the locally different thermal treatment is explicitly defined.
  • the first continuous furnace and the tempering station are different components that are spatially separated from each other.
  • the transfer between the first continuous furnace and the tempering station facilitates the cooling of the component between heating in the first continuous furnace and thermal treatment in the tempering station.
  • the component In the tempering station, the component is cooled as quickly as possible in certain areas. Rapid cooling can be achieved more efficiently outside the heating en the first continuous furnace. This means that cooling can begin during the transfer.
  • the spatial separation of the first continuous furnace from the tempering station speeds up the process. This is in contrast to a solution in which all process steps are carried out in the same facility without having to transfer the component. Such solutions typically aim to keep the effort for component transfers to a minimum or to avoid them altogether.
  • the spatial separation between the first continuous furnace and the tempering station also makes the design easier because the requirements for the first continuous furnace and the tempering station are different.
  • step d the component is transferred from the tempering station to a second continuous furnace. This is preferably done using a second transfer device.
  • step e) the component is thermally treated in the second continuous furnace.
  • step e) the entire component is taken up by the second continuous furnace.
  • the tempering station and the second continuous furnace are different components that are spatially separated from each other.
  • the transfer between the tempering station and the second continuous furnace facilitates the cooling of the component between the thermal treatment in the tempering station and in the second continuous furnace. In this way, a part of the component that is to be cooled can be cooled during the transfer. This reduces the required residence time in the tempering station and speeds up the process. This is in contrast to a solution in which all process steps are carried out in the same facility if possible, without having to transfer the component. Such solutions typically aim to keep the effort for component transfers to a minimum or to avoid them altogether.
  • the spatial separation between the tempering station and the second continuous furnace also makes construction easier because the requirements for the tempering station and the second continuous furnace are different.
  • the second continuous furnace is preferably a roller hearth furnace.
  • the entire component is thermally treated, preferably heated.
  • the component is completely taken up by the second continuous furnace.
  • the thermal treatment in a continuous furnace is in particular especially in contrast to heating by so-called "direct energization".
  • the thermal treatment in the second continuous furnace serves in particular to promote the structural transformation. Because the component is not cooled immediately after the tempering station, for example in a press, there is sufficient time for the desired structural distribution to be established in the component. In particular, in step e), carbon atoms can diffuse within the component, whereby the structure of the component changes as desired.
  • the thermal treatment in the second continuous furnace can serve to reduce thermal stresses in the component. During subsequent press hardening, this can reduce the distortion of the component.
  • the first region can be given a particularly precise contour.
  • an edge of the first region is heated at least in sections with a laser unit after completion of step c).
  • the edge is formed to extend all the way around the remaining part of the first region.
  • the edge therefore encloses the remaining part of the first region.
  • the fact that the edge is heated at least in sections means that at least part of the edge is heated.
  • This part is formed to extend all the way around the remaining part of the first region, thus partially enclosing the remaining part of the first region.
  • the edge of the first region is completely heated with a laser unit after completion of step c).
  • three areas can be thermally treated differently. Firstly, a distinction can be made between a first area and a second area. In addition, the edge of the first area is treated separately from the rest of the first area, i.e. from the core of the first area.
  • first area There is at least one first area. There can therefore be exactly one first area or several first areas. Preferably there are a number of first areas. The following primarily looks at the case of exactly one first area as an example. If several first areas are provided, the following statements apply to all first areas accordingly.
  • the edge of the first area represents a two-dimensional part of the first area. The edge of the first area could therefore also be referred to as an edge area.
  • the edge area represents a sub-area of the first area. The edge is therefore smaller than the first area.
  • the core of the first area is two-dimensional and could therefore also be referred to as a core area of the first area. If there are several first areas, each of the first areas has a core and an edge.
  • the component preferably, but not necessarily, has only the first region or the first regions and the second region, i.e. no further regions. It is irrelevant whether there is one second region or several second regions.
  • the areas of the component can be thermally treated differently. This can influence the structural composition of the component differently locally, so that different ductilities are obtained locally.
  • the first area becomes more ductile outside the edge than the edge of the first area and the second area.
  • the edge of the first area and the second area can have the same ductility or different ductilities. The case of equal ductilities is preferred.
  • the core of the first region can be designed as a soft spot, via which the component can be connected to another component, for example in the case of a B-pillar as a component with another body part.
  • the first region is therefore a soft joining region in which the component can be easily drilled through, for example, in order to obtain a hole for a rivet or a screw, for example.
  • the first region is preferably circular.
  • step a the entire component is heated in the first continuous furnace. All areas are therefore treated equally in step a). It is therefore not necessary for the areas to be able to be distinguished from one another in step a).
  • the process described is multi-stage and includes not only heating in the first continuous furnace but also thermal treatment in the tempering station and heating in the second continuous furnace. Therefore, heating in the first continuous furnace can basically be carried out to any temperature. If the component is only heated slightly in the first pass, the component can be heated more in the edge of the first area and more in the second area as the process progresses, and vice versa. In particular, heating of the component in the first continuous furnace can be carried out to a temperature above or below the AC3 temperature of the component.
  • the component is therefore heated in step a) to at least 400 °C, in particular to at least 600 °C.
  • the component is heated in step a) to a temperature above the AC1 temperature of the component.
  • the component is heated in step a) to a temperature which is a maximum of 400 K below the AC3 temperature of the component, in particular a maximum of 200 K below the AC3 temperature of the component.
  • the component does not exceed a temperature of 200 K above the AC3 temperature of the component in step a).
  • the component can be heated in step a) to a temperature in the range 600 to 800 °C.
  • higher temperatures are preferred, which are in particular above the AC3 temperature of the component.
  • the component in step a) is heated to a temperature of at least 900 °C, in particular of at least 1000 °C.
  • the component in step a) can be heated to a temperature in the range of 850 to 1200 °C.
  • the component is locally thermally treated differently by the tempering station downstream of the first continuous furnace.
  • the first area and the second area of the component are first thermally treated differently in the tempering station.
  • the first area is cooled in step c) in the tempering station. This is preferably done by cooling the first area with a cooling fluid. is applied, in particular with compressed air.
  • the compressed air preferably has a pressure in the range of 2 to 4.5 bar. Due to this comparatively high pressure, a large amount of compressed air can be directed to the first area of the component within a very short time, so that a sufficiently high cooling speed can be achieved.
  • the method used to cool the first area is generally not important for the functioning of the described method.
  • step c) does not have to be precise.
  • the desired soft spots do not have to be sharply demarcated from their surroundings.
  • the part of the component in which a soft spot is to be obtained is also cooled.
  • This is the core of the first area or, in the case of several first areas, the cores of the first areas. This can be done, for example, by simply blowing compressed air onto it. If a small area of the component is exposed to compressed air, the compressed air spreads over the surface of the component and thus cools the component in a weakened form even outside the area that is actually to be cooled - which is, for example, to form a soft spot.
  • the desired sharp contour of the core is obtained. The laser unit therefore completely or partially reverses the unwanted cooling outside the part of the component that is actually to be cooled.
  • the part of the component cooled in step c) is referred to as the first area.
  • This also includes the part of the component that is undesirably cooled due to the described insufficient precision.
  • This part represents the edge of the first area, which is subsequently reheated with the laser unit.
  • the area that actually only needs to be cooled is the part of the first area that does not belong to the edge of the first area.
  • This part of the first area is referred to as the core of the first area.
  • the edge of the first area encloses the core of the first area. A soft spot can therefore be obtained through the core of the first area.
  • contour of the first area can be sharpened with the described method is to be understood in such a way that the first area can be made into a soft spot by precisely heating its edge, a sharply defined core is obtained. It can be said that the contour of the core of the first area can be sharpened using the method described.
  • the high ductility in the core of the first region is obtained by thermal treatment using the method described.
  • a temperature of the component in the core of the first region is below the austenite retransformation temperature of the component at least after cooling in step c) and does not exceed the AC3 temperature of the component after step c).
  • austenite forms throughout the entire component.
  • the austenite re-transformation temperature is defined by the fact that austenite decomposes as soon as the temperature falls below the austenite re-transformation temperature.
  • the austenite re-transformation temperature is a material property. The fact that the temperature of the core of the first region is below the austenite re-transformation temperature of the component, at least after cooling, does not imply that austenite was previously formed in the component.
  • step a If the entire component is not heated to a temperature above the AC3 temperature in step a), no austenite is formed in this step. Cooling the core of the first area in step c) below the austenite re-transformation temperature of the component can, however, in this case help to ensure that no austenite is formed in the core of the first area in the further course of the process, even if the component is subjected to further heating. If no austenite is formed in step a), the austenite re-transformation temperature in step c) does not have to be undercut for the austenite to disintegrate. In the event that the entire component is not heated to a temperature above the AC3 temperature in step a), any cooling of the core of the first area in step c is sufficient.
  • austenite re-transformation temperature is generally significantly below the AC3 temperature.
  • the core of the first region is cooled in step c) by at least 100, in particular by at least 250 K.
  • the temperature of the core of the first region after step c) is preferably in the range from 400 to 700 °C, in particular in the range from 500 to 600 °C.
  • step a there is no austenite in the core of the first region after cooling in step c).
  • the AC3 temperature of the component in the core of the first region is not (again) exceeded after cooling in step c)
  • a ductile structure can be obtained in the core of the first region.
  • the AC3 temperature of the component is therefore not exceeded in steps d) to e). This prevents austenite from forming in the core of the first region after cooling.
  • step e) the core of the first region of the component is heated in such a way that the temperature of the core of the first region of the component is below the AC3 temperature of the component even after heating. The core of the first region of the component is therefore no longer heated above the AC3 temperature of the component after cooling in step c).
  • the component has the second region.
  • the process is carried out in such a way that a temperature of the second region of the component during process steps a) to e) at least temporarily exceeds the AC3 temperature of the component. This allows austenite to be formed in the second region. During press hardening, martensite can be formed from this, giving the second region a comparatively low ductility.
  • step a) the entire component is heated to a temperature above the AC3 temperature of the component, the above-mentioned condition is already fulfilled in step a). If in step a) the second area is heated to less than the AC3 temperature, the second area can be heated in the temperature control station or heated in the second oven to a temperature above the AC3 temperature.
  • the temperature of the second region after heating to a temperature above the AC3 temperature of the component does not fall below the austenite re-transformation temperature until step e) is completed.
  • the temperature in the second region does not fall below the austenite re-transformation temperature until it is in the press. This can prevent the austenite formed in the second region from breaking down before press hardening.
  • a temperature of the second region preferably changes by a maximum of 200 K, in particular by a maximum of 100 K. This can also be referred to as maintaining the temperature, whereby a change in the temperature within a tolerance of 200 K or 100 K is accepted.
  • the second region can be exposed to a temperature above the AC3 temperature of the component in the tempering station and/or in step e) it can be exposed to a temperature above the AC3 temperature of the component in the second oven.
  • the second region can be kept at its temperature in the tempering station or heated, or cooling of the second region can be slowed down.
  • the second region can also cool down in the tempering station in ambient air.
  • the temperature of the second region in steps a) to e) initially rises above the AC3 temperature, then falls below the austenite re-transformation temperature and then rises above the AC3 temperature again. In this case, it is sufficient that the temperature of the second region after the second heating to above the AC3 temperature does not fall below the austenite re-transformation temperature until the end of step e).
  • the core of the first area can be created particularly precisely by heating it with the laser unit.
  • the core of the first area can have a finer contour and/or be smaller than would be possible with other methods.
  • the process is particularly flexible.
  • the edge is part of the first area and is therefore, by definition, cooled in step c). Unlike the core of the first edge, however, the temperature to which this takes place is not important.
  • the edge of the first area can in particular be the part of the component that is only cooled in step c) due to a lack of precision in the cooling. It is in the nature of things that no precise information can be given about the temperature to which this part of the component is cooled.
  • the method described is intended to take into account the fact that the edge of the first area is cooled imprecisely during cooling.
  • the core of the first region does not exceed the AC3 temperature of the component after step c).
  • this is possible in the edge of the first region.
  • the AC3 temperature is exceeded in the edge of the first region by heating the edge of the first region with the laser unit. This can also form austenite in the edge of the first region.
  • the edge of the first region can thus have a low ductility, like the second region.
  • the same structure is obtained in the edge of the first region as in the second region. It is therefore preferred that the edge of the first region is brought to the temperature of the second region by heating with the laser unit. Preferably, the edge of the first region and the second region have the same temperature after heating with the laser unit until the end of the process. Temperature. The edge of the first area is treated like the second area.
  • each heating of the edge of the first region results in a delimitation of the edge of the first region from the core of the first region.
  • the contour of the core of the first region can therefore be sharpened by any heating of the edge of the first region.
  • Each heating of the edge of the first region counteracts an undesirable cooling effect which arises from a lack of precision in the cooling in step c). It is therefore not necessary to heat the edge of the first region by a minimum amount or even to heat it exactly to the temperature of the second region.
  • the more the edge of the first region is heated with the laser unit the more sharply the core of the first region is delimited from its surroundings. This applies at least until the edge of the first region exceeds the AC3 temperature.
  • the temperature of the edge of the first region after heating is preferably in the range of 900 to 1100 °C.
  • the temperature in the edge of the first region does not fall below the austenite re-transformation temperature of the component at least until the end of step e).
  • the austenite re-transformation temperature in the edge of the first region is preferably only fallen below in the press.
  • the austenite re-transformation temperature in the edge of the first region does not fall below the austenite re-transformation temperature after heating the edge of the first region with the laser unit until the end of step e).
  • Austenite does not decay instantly. Good results can be obtained even if part of the austenite in the edge of the first region has decayed before the press hardening.
  • Acceptable results can even be obtained if no austenite is formed at all in the edge of the first region or if it decays completely before the press hardening. This is also due to the fact that any heating of the edge of the first region counteracts an undesirable cooling effect, which is caused by a lack of precision of the cooling in step c).
  • the edge of the first region is already formed as such in step e). Whether and to what extent the temperature of the edge of the first region changes in step e) is irrelevant.
  • a temperature of the edge of the first region changes in step e) by a maximum of 200 K, in particular by a maximum of 100 K. This can also be referred to as maintaining the temperature, whereby a change in the temperature within a tolerance of 200 K or 100 K is accepted.
  • the edge of the first region in the second continuous furnace can be exposed to a temperature above the AC3 temperature of the component.
  • the edge of the first region can be kept at its temperature in the tempering station or heated, or cooling of the edge of the first region can be slowed down.
  • the laser unit can comprise one or multiple lasers. Electronics for supplying and controlling the at least one laser can be part of the laser unit or can be provided outside the laser unit, for example in a control unit of a device used for the method.
  • the first region of the component is cooled in step c) by exposure to a cooling fluid.
  • the cooling fluid is preferably compressed air.
  • the cooling fluid is preferably discharged onto the first area using nozzles. This allows the first area to be cooled in a simple manner and in a short time.
  • the use of nozzles has the fundamental disadvantage that the cooling fluid does not allow for a precise separation between the cooled and the non-cooled part of the component. With the described This is avoided in a process.
  • step c the first area including the edge is cooled.
  • the edge is then heated again with the laser unit. In principle, this results in a process in which the edge of the first area was left out during cooling. Depending on the desired contour of the areas, however, this would be difficult or impossible to achieve by cooling with nozzles.
  • the process described is simpler in comparison.
  • a temperature of the component in step a) does not exceed the AC3 temperature of the component.
  • the second region of the component and optionally the edge of the first region are only heated to above the AC3 temperature in the tempering station or only in the second oven.
  • the component is heated in step a) to a temperature above the Ad temperature of the component.
  • the component is therefore heated in step a) to a temperature between the A temperature and the AC3 temperature of the component.
  • the entire component is heated in step a) to a temperature above the AC3 temperature of the component.
  • the edge of the first region is heated at least in sections in step c) or after step e).
  • the laser unit is part of the tempering station. This is advantageous in that the tempering station offers a relatively large amount of space for a laser unit. In addition, it has proven advantageous to heat the edge of the first area with the laser unit immediately after cooling in step c). The undesirable cooling of the edge of the first area can be counteracted particularly quickly. There is therefore very little time for an undesirable structural transformation.
  • the edge of the first region can be heated in the present embodiment after step e).
  • the laser unit is arranged downstream of the second continuous furnace. Compared to arranging the laser unit inside the second continuous furnace, for example, this has the advantage that the laser unit can be arranged outside the second continuous furnace relatively easily.
  • the laser unit does not have to be designed for use inside a furnace. Maintenance is also easier if the laser unit is arranged outside the second continuous furnace. Heating the edge of the first region with the laser unit after step e) has the advantage that there is relatively little time left within which the sharp contour of the core of the first region achieved could be lost again, for example due to thermal conduction within the component. This advantage can be achieved in particular if the component is subjected to a press hardening process after step e).
  • step c) and after step e) each have advantages. It is even conceivable to heat the edge of the first area in step c) with a first laser unit and after step e) with a second laser unit. This solution would be complex, but would combine the advantages of both options.
  • the heating of the edge of the first region can also take place at other times in the method, in particular between step c) and d), in step d), between step d) and e) or in step e). Even if in these cases the previously described advantages of heating in step c) or after step e) are not achieved, the purpose of the heating, namely to sharpen the contour of the first region, is nevertheless achieved.
  • a device for thermally treating a metallic component comprises:
  • thermocontrol station with a cooling device for cooling at least a first region of the component
  • a laser unit for at least partially heating an edge of the first region of the component cooled by the tempering station.
  • the described advantages and features of the method are applicable and transferable to the device, and vice versa.
  • the device is preferably set up to operate according to the method.
  • the method is preferably carried out with the device.
  • the first continuous furnace serves step a), the first transfer device serves step b), the tempering station serves step c), the second transfer device serves step d) and the second continuous furnace serves step e).
  • the device comprises a control device which is configured to control the device according to the described method.
  • the device preferably has a press for press hardening the component and a third transfer device for transferring the component from the second continuous furnace into the press.
  • the laser unit comprises a VCSEL.
  • a vertical-cavity surface-emitting laser is a laser diode that emits light perpendicular to its surface.
  • a VCSEL can also be referred to as a surface emitter. It has been found that particularly good results can be achieved with a VCSEL in step c2).
  • Fig. 1 a device according to the invention for thermally treating a metallic component
  • Fig. 2 a temperature profile which can be obtained with the device of Fig. 1 by a method according to the invention
  • Fig. 3 an example of a component which has been treated with the method illustrated in Fig. 2, and Fig. 4: an enlargement of a first region from Fig. 3.
  • Fig. 1 shows a device 1 for thermally treating a metallic component 2.
  • the device 1 comprises a first continuous furnace 3, a tempering station 4 and a second continuous furnace 5, which are arranged one after the other in a transport direction r of the component 2.
  • a control device 6 is in particular designed to control the first continuous furnace 3, the tempering station 4 and the second continuous furnace 5.
  • the tempering station 4 has a cooling device 7 for cooling a first region 10 of the component 2 and a heating device 8 with a laser unit 9 for heating an edge 12 of the first region 10 of the component 2.
  • the regions 10, 11, 12, 15 of the component 2 are illustrated in Fig. 3.
  • the laser unit 9 can in particular comprise a VCSEL.
  • the device 1 comprises a first transfer device 13 for transferring the component 2 from the first continuous furnace 3 into the tempering station 4 and a second transfer device 14 for transferring the component 2 from the tempering station 4 into the second continuous furnace 5.
  • Fig. 2 shows a temperature curve that occurs in the component 2 when it is moved through the device 1 from Fig. 1.
  • the representation in Fig. 2 is schematic.
  • a plot of the temperature T over time t in arbitrary units is shown.
  • the component 2 is first heated in the first continuous furnace 3.
  • the residence time of the component 2 in the first continuous furnace 3 is designated by t D1 .
  • the entire component 2 is heated in the first continuous furnace 3 to a temperature above the AC3 temperature T AC 3 of the component 2.
  • the method could be carried out such that the temperature of the component 2 in the first continuous furnace 3 does not exceed the AC3 temperature T AC 3 of the component 2.
  • the component 2 is then transferred to the tempering station 4.
  • the associated transfer time is designated t T1 . During this transfer, the component 2 can cool down.
  • the component 2 remains in the tempering station 4 for a residence time t T s- During this time, a first region 10 of the component 2 is cooled, with a temperature of the first region 10 after cooling being below the austenite re-transformation temperature T AR of the component 2.
  • the temperature of the first region 10 is shown as T .
  • an edge 12 of the previously cooled first region 10 of the component 2 is heated with the laser unit 9 to a temperature above the AC3 temperature T AC3 of the component 2.
  • the temperature of the edge 12 of the first region 10 is shown as T 1A
  • the temperature of the core 15 of the first region 10 is shown as T 1B .
  • a uniform temperature T 1A is shown for the sub-region 12 of the first region 10 of the component 2.
  • Fig. 2 is particularly schematic.
  • the edge 12 of the first region 10 can have a locally varying temperature.
  • the temperature of the edge 12 of the first region 10 can increase radially from the inside to the outside after cooling. The same applies to the core 15 of the first region 10.
  • the component 2 After the thermal treatment of the component 2 in the tempering station 4, the component 2 is transferred to the second continuous furnace 5.
  • the transfer time for this is designated t T2 .
  • the component 2 can also cool down during this time, which can vary depending on the area.
  • the component 2 is further thermally treated.
  • the residence time of the component 2 in the second continuous furnace 5 is designated as t D2 .
  • the core 15 of the first region 10 of the component 2 is heated in such a way that the temperature T 1B of the core 15 of the first region 10 of the component 2 is below the AC3 temperature T AC3 of the component 2 even after heating.
  • a temperature T 2 of the second region 11 of the component 2 exceeds the AC3 temperature T AC3 of the component 2 in the first continuous furnace 3 and does not fall below this temperature again until the end of the process shown.
  • Fig. 3 an example of the design of the component 2 is shown in a top view.
  • the component 2 is a B-pillar for a motor vehicle.
  • a plurality of circular first regions 10 and the second region 11 can be seen.
  • Fig. 4 a section of Fig. 3 is shown enlarged. One of the first areas 10 can be seen. The edge 12 and the core 15 of the first

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Abstract

Verfahren zum thermischen Behandeln eines metallischen Bauteils (2), umfassend: a) Erwärmen des gesamten Bauteils (2) in einem ersten Durchlaufofen (3), b) Transferieren des Bauteils (2) von dem ersten Durchlaufofen (3) in eine Temperierstation (4), c) in der Temperierstation (4) Kühlen mindestens eines ersten Bereichs (10) des Bauteils (2), d) Transferieren des Bauteils (2) von der Temperierstation (4) in einen zweiten Durchlaufofen (5), e) thermisches Behandeln des Bauteils (2) in dem zweiten Durchlaufofen (5), wobei nach Abschluss von Schritt c) ein Rand (12) des ersten Bereichs zumindest abschnittsweise mit einer Lasereinheit (9) erwärmt wird, wobei eine Temperatur des Bauteils (2) in einem von dem Rand (12) des ersten Bereichs (10) umschlossenen Kern (15) des ersten Bereichs (10) zumindest nach dem Kühlen in Schritt c) unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur (TAR) des Bauteils (2) liegt und nach Schritt c) die AC3-Temperatur des Bauteils (2) nicht überschreitet, und wobei eine Temperatur eines zweiten Bereichs (11) des Bauteils (2) während der Verfahrensschritte a) bis e) zumindest zeitweise die AC3-Temperatur (TAC3) des Bauteils (2) überschreitet.

Description

Thermisches Behandeln eines metallischen Bauteils
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines metallischen Bauteils, insbesondere eines Stahlbauteils für ein Kraftfahrzeug.
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 beispielsweise Insassen eines Kraftfahrzeugs 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. Darüber hinaus kann beispielsweise eine B-Säule an den Stellen gezielt weich ausgebildet werden, an denen die B-Säule mit anderen Karosserieteilen verbunden werden soll. Derartige weiche Fügebereiche können auch als Soft-Spots bezeichnet werden. In Soft-Spots kann die B-Säule beispielsweise leicht durchbohrt werden, um Löcher für Niete oder Schrauben zu erhalten.
Zum lokal unterschiedlichen thermischen Behandeln von Bauteilen haben sich Verfahren bewährt, bei welchen zuerst das gesamte Bauteil in einem ersten Ofen erwärmt wird, das Bauteil anschließend in einer Temperierstation lokal unterschiedlich thermisch behandelt wird und das gesamte Bauteil anschließend in einem zweiten Ofen erwärmt wird. In der Temperierstation wird ein Bereich des Bauteils beispielsweise durch Beaufschlagung mit einem Kühlfluid gekühlt und der übrige Teil des Bauteils in etwa auf seiner Temperatur gehalten. Für viele Anwendungsfälle können damit ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden. Insbesondere für die Erzeugung von Soft- Spots sind bekannte Verfahren allerdings nicht präzise genug. Das liegt daran, dass die Kühlung beispielsweise mittels Düsen nicht oder nur schwer lokal begrenzt werden kann. Ähnliche Schwierigkeiten ergeben sich allgemein, wenn mehr als eine einfache Aufteilung des Bauteils in weiche und harte Bereiche gewünscht ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur thermischen Behandlung von metallischen Bauteilen vorzustellen, mit denen ein weicher Bereich mit be sonders präziser Kontur erhalten werden kann. Außerdem soll eine entsprechende Vorrichtung vorgestellt werden.
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.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum thermischen Behandeln eines metallischen Bauteils vorgestellt. Das Verfahren umfasst: a) Erwärmen des gesamten Bauteils in einem ersten Durchlaufofen, b) T ransferieren des Bauteils von dem ersten Durchlaufofen in eine Temperierstation, c) in der Temperierstation Kühlen mindestens eines ersten Bereichs des Bauteils, d) T ransferieren des Bauteils von der Temperierstation in einen zweiten Durchlaufofen, e) thermisches Behandeln des Bauteils in dem zweiten Durchlaufofen, wobei nach Abschluss von Schritt c) ein Rand des ersten Bereichs zumindest abschnittsweise mit einer Lasereinheit erwärmt wird, wobei eine Temperatur des Bauteils in einem von dem Rand des ersten Bereichs umschlossenen Kern des ersten Bereichs zumindest nach dem Kühlen in Schritt c) unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils liegt und nach Schritt c) die AC3-Temperatur des Bauteils nicht überschreitet, und wobei eine Temperatur eines zweiten Bereichs des Bauteils während der Verfahrensschritte a) bis e) zumindest zeitweise die AC3-Temperatur des Bauteils überschreitet.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann ein metallisches Bauteil thermisch behandelt werden. Bei dem metallischen Bauteil handelt es sich vorzugsweise um ein Bauteil aus Stahl. Der Stahl ist vorzugsweise 22MnB5. Es ist allerdings nicht erforderlich, dass das metallische Bauteil die Definition von Stahl erfüllt. Daher wird hierin allgemein von einem metallischen Bauteil gesprochen. Beispielsweise ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eine B-Säule, kann mit dem beschriebenen Verfahren thermisch behandelt werden. Das Verfahren kann aber auch für beliebige andere Anwendungen eingesetzt werden. Das Bauteil hat vorzugsweise eine Materialstärke von mindestens 0,7 mm, insbesondere im Bereich von 1 bis 4 mm. Eine solche Materialstärke ist für viele Anwendungsfälle sinnvoll. Das beschriebene Verfahren kann allerdings auch mit Bauteilen anderer Materialstärke durchgeführt werden. Die Materialstärke des Bauteils ist vorzugsweise über das gesamte Bauteil konstant. Alternativ kann das Bauteil auch eine bereichsweise unterschiedliche Materialstärke aufweisen. Beispielsweise kann es sich bei dem Bauteil um ein „Tailor Rolled Blank (TRB)" handeln, bei dem lokal unterschiedliche Materialstärken durch lokal unterschiedliches Walzen erhalten werden. Auch kann es sich bei dem Bauteil um ein „Tailor Welded Blank (TWB)" handeln, bei dem lokal unterschiedliche Materialstärken erhalten werden, indem mehrere Bleche zusammengeschweißt werden. Auch eine Kombination von TRB und TWB ist möglich. Weiterhin kann das Verfahren gleichermaßen auf Bauteile mit und ohne Beschichtung angewendet werden. Besonders bevorzugt ist das Bauteil mit Al/Si beschichtet.
Nach der thermischen Behandlung wird das Bauteil vorzugsweise in einer Presse pressgehärtet und insoweit warmumgeformt. Das Verfahren umfasst vorzugsweise als weitere Schritte, dass das Bauteil von dem zweiten Durchlaufofen in die Presse transferiert wird (Schritt f)) und in der Presse pressgehärtet wird (Schritt g)). In dem Fall handelt es sich bei dem beschriebenen Verfahren um ein Verfahren zum thermischen Behandeln und Presshärten eines Bauteils. Es ist aber nicht erforderlich, dass das Presshärten des Bauteils als Teil des beschriebenen Verfahrens durchgeführt wird. Das beschriebene Verfahren kann auch als Vorbereitung für ein außerhalb des beschriebenen Verfahrens durchgeführtes Presshärten dienen. Allgemein kann das mit dem beschriebenen Verfahren thermisch behandelte Bauteil weiteren Prozessschritten unterzogen werden, welche zusammen mit weiteren Prozessen beispielsweise im Ergebnis zu einem fertigen Kraftfahrzeug führen können. Die thermische Behandlung des Bauteils ist aber ein abgegrenztes Unterverfahren in einem solchen Gesamtprozess. Es ist daher sinnvoll, die thermische Behandlung losgelöst von den nachfolgenden Prozessschritten zu betrachten, insbesondere auch losgelöst vom Presshärten.
In Schritt a) wird das gesamte Bauteil in dem ersten Durchlaufofen erwärmt. 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 nähert sich die Temperatur des Bauteils der im Innern des Ofens herrschenden 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.
Bei dem ersten Durchlaufofen handelt es sich vorzugsweise um einen Rollenherdofen. In dem ersten Durchlaufofen wird das Bauteil vorzugsweise durch Brenner, insbesondere Gasbrenner, erwärmt. Dadurch kann das Bauteil eine besonders gleichmäßig verteilte Temperatur erhalten. 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 ein Bauteil insbesondere von Raumtemperatur auf eine Temperatur im Bereich der AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt werden. Eine derart umfangreiche Erwärmung ist mit vielen anderen Erwärmungsmethoden nicht oder jedenfalls nicht ohne unverhältnismäßig großen Aufwand möglich.
Im Falle eines beschichteten Bauteils kann der erste Durchlaufofen auch dazu dienen, die Beschichtung in das übrige Material des Bauteils einzudiffundieren. Das gilt insbesondere für eine Al/Si-Beschichtung. Im Falle eines beschichteten Bauteils ist es bevorzugt, dass das Bauteil in Schritt a) derart erwärmt wird, dass das Material der Beschichtung in Schritt a) in das Material des übrigen Bauteils eindiffundiert. Das Bauteil wird also in Schritt a) vorzugsweise auf eine Temperatur erwärmt, welche oberhalb der Temperatur liegt, bei welcher das Material der Beschichtung in das Material des übrigen Bauteils eindiffundiert. Vorzugsweise liegt die Temperatur des Bauteils in Schritt a) mindestens 1 min, insbesondere sogar mindestens 2 min oberhalb dieser Temperatur. Vorzugsweise wird das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur von mindestens 700 °C, insbesondere von mindestens 780 °C erwärmt. Bei diesen Temperaturen wurden bereits zufriedenstellende Ergebnisse erzielt. Um die Prozesssicherheit zu steigern, ist allerdings eine Erwärmung auf mindestens 830 °C bevorzugt. Vorzugsweise liegt die Temperatur des Bauteils in Schritt a) mindestens 1 min, insbesondere sogar mindestens 2 min oberhalb einer Temperatur von 700 °C, insbesondere von 780 °C oder sogar von 830 °C. Besonders bevorzugt wird im Falle eines beschichteten Bauteils das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur oberhalb der AC 1 -Temperatur des Bauteils, insbesondere oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt. Vorzugsweise liegt die Temperatur des Bauteils in Schritt a) mindestens 1 min, insbesondere sogar mindestens 2 min oberhalb der AC1 -Temperatur des Bauteils, insbesondere oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils. Insoweit kann die Erwärmung in Schritt a) nicht nur zum Eindiffundieren der Beschichtung genutzt werden, sondern bereits einen Beitrag zur Gefügeumwandlung liefern.
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 T ransportrollen steht. Das Erwärmen ist kontaktlos, wenn der Wärmeeintrag in das Bauteil über ein Gas und/oder über Wärmestrahlung erfolgt.
In Schritt b) des Verfahrens wird das Bauteil von dem ersten Durchlaufofen in die Temperierstation transferiert. Dies erfolgt vorzugsweise mit einer ersten Transfereinrichtung. In der Temperierstation wird das Bauteil bereichsweise unterschiedlich thermisch behandelt. Insbesondere deshalb handelt es sich bei dem beschriebenen Verfahren um ein Verfahren zum lokal unterschiedlichen thermischen Behandeln von metallischen Bauteilen. Dies muss allerdings nicht explizit erwähnt werden, da die lokal unterschiedliche thermische Behandlung explizit definiert ist.
Der erste Durchlaufofen und die Temperierstation sind voneinander verschiedene Bauteile, die räumlich voneinander getrennt sind. Der T ransfer 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 hei- ßen 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.
In Schritt d) wird das Bauteil von der Temperierstation in einen zweiten Durchlaufofen transferiert. Das erfolgt vorzugsweise mit einerzweiten Transfereinrichtung. In Schritt e) wird das Bauteil in dem zweiten Durchlaufofen thermisch behandelt. Für Schritt e) wird das gesamte Bauteil von dem zweiten Durchlaufofen aufgenommen.
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 insbesondere ein zu kühlender Teil des Bauteils abgekühlt werden. Das verringert die erforderliche Verweilzeit in 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. Die räumliche Trennung zwischen der Temperierstation und dem zweiten Durchlaufofen erleichtert auch die Konstruktion, weil die Anforderungen an die Temperierstation und an den zweiten Durchlaufofen unterschiedlich sind.
Bei dem zweiten Durchlaufofen handelt es sich vorzugsweise um einen Rollenherdofen. In dem zweiten Durchlaufofen wird das gesamte Bauteil thermisch behandelt, vorzugsweise erwärmt. Das Bauteil wird von dem zweiten Durchlaufofen vollständig aufgenommen. Die thermische Behandlung in einem Durchlaufofen steht ins- besondere im Gegensatz zu einer Erwärmung durch das sogenannte „direct energization". Die thermische Behandlung im zweiten Durchlaufofen dient insbesondere dazu, die Gefügeumwandlung zu begünstigen. Dadurch, dass das Bauteil nach der Temperierstation nicht unmittelbar beispielsweise in einer Presse abgekühlt wird, ist ausreichend Zeit gegeben, damit sich die gewünschte Gefügeverteilung im Bauteil einstellen kann. Insbesondere können in Schritt e) Kohlenstoffatome innerhalb des Bauteils diffundieren, wodurch sich das Gefüge des Bauteils wie gewünscht verändert. Zudem kann die thermische Behandlung im zweiten Durchlaufofen dazu dienen, thermische Spannungen im Bauteil zu reduzieren. Bei einem anschließenden Presshärten kann dadurch der Verzug des Bauteils reduziert werden.
Mit dem beschriebenen Verfahren kann der erste Bereich eine besonders präzise Kontur erhalten. Dazu wird ein Rand des ersten Bereichs nach Abschluss von Schritt c) zumindest abschnittsweise mit einer Lasereinheit erwärmt.
Der Rand ist um den übrigen Teil des ersten Bereichs umlaufend ausgebildet. Der Rand schließt also den übrigen Teil des ersten Bereichs ein. Dass der Rand zumindest abschnittsweise erwärmt wird, bedeutet, dass zumindest ein Teil des Randes erwärmt wird. Dieser Teil ist um den übrigen Teil des ersten Bereichs umlaufend ausgebildet, schließt also den übrigen Teil des ersten Bereichs teilweise ein. Vorzugsweise wird der Rand des ersten Bereichs nach Abschluss von Schritt c) vollständig mit einer Lasereinheit erwärmt.
Es können also insbesondere drei Bereiche unterschiedlich thermisch behandelt werden. Zunächst kann zwischen einem ersten Bereich und einem zweiten Bereich unterschieden werden. Darüber hinaus wird der Rand des ersten Bereichs gesondert vom Rest des ersten Bereichs, also vom Kern des ersten Bereichs, behandelt.
Es gibt mindestens einen ersten Bereich. Es kann also genau einen ersten Bereich oder mehrere erste Bereiche geben. Bevorzugt gibt es eine Vielzahl erster Bereiche. Nachfolgend wird in erster Linie beispielhaft auf den Fall genau eines ersten Bereichs eingegangen. Sofern mehrere erste Bereiche vorgesehen sind, gelten die nachfolgenden Aussagen für alle ersten Bereiche jeweils entsprechend. Der Rand des ersten Bereichs stellt einen zweidimensionalen Teil des ersten Bereichs dar. Der Rand des ersten Bereichs könnte daher auch als ein Randbereich bezeichnet werden. Der Randbereich stellt einen Unterbereich des ersten Bereichs dar. Der Rand ist also kleiner als der erste Bereich. Es gibt also auch einen Teil des ersten Bereichs, welcher nicht zum Rand des ersten Bereichs gehört. Dieser Teil wird als Kern des ersten Bereichs bezeichnet. Der Kern des ersten Bereichs ist zweidimensional und könnte daher auch als ein Kernbereich des ersten Bereichs bezeichnet werden. Gibt es mehrere erste Bereiche, hat jeder der ersten Bereiche jeweils einen Kern und jeweils einen Rand.
Das Bauteil weist vorzugsweise, aber nicht notwendigerweise, nur den ersten Bereich beziehungsweise die ersten Bereiche und den zweiten Bereich auf, also keine weiteren Bereiche. Ob es einen zweiten Bereich oder mehrere zweite Bereiche gibt, ist unerheblich.
Mit dem beschriebenen Verfahren können die Bereiche des Bauteils unterschiedlich thermisch behandelt werden. Dadurch kann die Gefügezusammensetzung des Bauteils lokal unterschiedlich beeinflusst werden, so dass lokal unterschiedliche Dukti- litäten erhalten werden. Der erste Bereich wird außerhalb des Randes duktiler als der Rand des ersten Bereichs und der zweite Bereich. Der Rand des ersten Bereichs und der zweite Bereich können die gleiche Duktilität oder unterschiedliche Duktilitäten erhalten. Bevorzugt ist der Fall gleicher Duktilitäten.
Insbesondere kann der Kern des ersten Bereiches als ein Soft-Spot ausgebildet sein, über welchen das Bauteil mit einem anderen Bauteil verbunden werden kann, beispielsweise im Falle einer B-Säule als Bauteil mit einem anderen Karosserieteil. Der erste Bereich ist also ein weicher Fügebereich, in welchem das Bauteil beispielsweise leicht durchbohrt werden kann, um ein Loch beispielsweise für einen Niet oder eine Schraube zu erhalten. Der erste Bereich ist vorzugsweise kreisförmig ausgebildet.
In Schritt a) wird das gesamte Bauteil im ersten Durchlaufofen erwärmt. Alle Bereiche werden also in Schritt a) gleich behandelt. Es ist daher nicht erforderlich, dass die Bereiche bereits in Schritt a) voneinander unterschieden werden können. Das beschriebene Verfahren ist mehrstufig und umfasst neben der Erwärmung im ersten Durchlaufofen auch die thermische Behandlung in der Temperierstation und die Erwärmung im zweiten Durchlaufofen. Daher kann die Erwärmung im ersten Durchlaufofen grundsätzlich auf eine beliebige Temperatur erfolgen. Wird das Bauteil im ersten Durchlaufen nur wenig erwärmt, kann das Bauteil im weiteren Verlauf des Verfahrens im Rand des ersten Bereichs und im zweiten Bereich umso mehr erwärmt werden, und umgekehrt. Insbesondere kann die Erwärmung des Bauteils im ersten Durchlaufofen auf eine Temperatur oberhalb oder unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils erfolgen.
Insbesondere aus energetischen Gründen ist es vorteilhaft, das Bauteil im ersten Durchlaufofen vergleichsweise stark zu erwärmen. Dadurch kann der zuvor beschriebene Vorteil der Erwärmung in einem Durchlaufofen gegenüber anderen Erwärmungsarten, insbesondere gegenüber dem direct energization, ausgenutzt werden. Vorzugsweise wird das Bauteil daher in Schritt a) auf mindestens 400 °C, insbesondere auf mindestens 600 °C erwärmt. Vorzugsweise wird das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur oberhalb der AC1 -Temperatur des Bauteils erwärmt. Vorzugsweise wird das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur erwärmt, welche maximal 400 K unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt, insbesondere maximal 200 K unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils. Vorzugsweise überschreitet das Bauteil in Schritt a) eine Temperatur von 200 K oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils nicht. Beispielsweise kann das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur im Bereich 600 bis 800 °C. Alternativ sind höhere Temperaturen bevorzugt, welche insbesondere oberhalb der AC3- Temperatur des Bauteils liegen. So ist es auch bevorzugt, dass das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur von mindestens 900 °C erwärmt wird, insbesondere von mindestens 1000 °C. Beispielsweise kann das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur im Bereich von 850 bis 1200 °C erwärmt werden.
Durch die dem ersten Durchlaufofen nachgelagerte Temperierstation wird das Bauteil lokal unterschiedlich thermisch behandelt. Dazu werden in der Temperierstation zunächst der erste Bereich und der zweite Bereich des Bauteils unterschiedlich thermisch behandelt. Der erste Bereich wird in Schritt c) in der Temperierstation gekühlt. Das erfolgt vorzugsweise dadurch, dass der erste Bereich mit einem Kühlfluid beaufschlagt wird, 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 ersten Bereich des Bauteils geleitet werden, so dass eine hinreichend hohe Kühlgeschwindigkeit erreicht werden kann. Für die Funktionsweise des beschriebenen Verfahrens kommt es allerdings im Allgemeinen nicht darauf an, mit welcher Methode der erste Bereich gekühlt wird.
Die Kühlung in Schritt c) muss nicht präzise sein. Insbesondere müssen bei der Kühlung in Schritt c) gewünschte Soft-Spots nicht scharf von ihrer Umgebung abgegrenzt werden. Es genügt, dass in Schritt c) jedenfalls auch der Teil des Bauteils gekühlt wird, in welchem ein Soft-Spot erhalten werden soll. Dies ist der Kern des ersten Bereichs beziehungsweise im Falle mehrerer erste Bereiche die Kerne der ersten Bereiche. Dies kann beispielsweise durch einfaches Anblasen mit Druckluft erfolgen. Wird ein kleiner Bereich des Bauteils mit Druckluft beaufschlagt, breitet sich die Druckluft allerdings über die Oberfläche des Bauteils aus und kühlt damit das Bauteil in abgeschwächter Form auch außerhalb des eigentlich zu kühlenden Bereichs - welcher beispielsweise einen Soft-Spot bilden soll. Durch die nachträgliche Erwärmung des Randes des ersten Bereichs mit der Lasereinheit wird die gewünschte scharfe Kontur des Kerns erhalten. Mit der Lasereinheit wird also die ungewollte Kühlung außerhalb des eigentlich zu kühlenden Teils des Bauteils ganz oder teilweise rückgängig gemacht.
Der in Schritt c) gekühlte Teil des Bauteils wird als erster Bereich bezeichnet. Dies umfasst auch den Teil des Bauteils, der durch die beschriebene unzureichende Präzision unerwünschter Weise gekühlt wird. Dieser Teil stellt den Rand des ersten Bereichs dar, welcher mit der Lasereinheit nachträglich wieder erwärmt wird. Der eigentlich nur zu kühlende Bereich ist der Teil des ersten Bereichs, welcher nicht zum Rand des ersten Bereichs gehört. Dieser Teil des ersten Bereichs wird als Kern des ersten Bereichs bezeichnet. Der Rand des ersten Bereichs umschließt den Kern des ersten Bereichs. Ein Soft-Spot kann also durch den Kern des ersten Bereichs erhalten werden. Dass mit dem beschriebenen Verfahren die Kontur des ersten Bereichs geschärft werden kann, ist also so zu verstehen, dass aus dem ersten Bereich durch präzises Erwärmen seines Randes ein scharf definierter Kern erhalten wird. Dem gleichbedeutend kann gesagt werden, dass mit dem beschriebenen Verfahren die Kontur des Kerns des ersten Bereichs geschärft werden kann.
Die hohe Duktilität im Kern des ersten Bereichs wird mit dem beschriebenen Verfahren durch thermische Behandlung erhalten. Eine Temperatur des Bauteils in dem Kern des ersten Bereichs liegt zumindest nach dem Kühlen in Schritt c) unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils und überschreitet nach Schritt c) die AC3-Temperatur des Bauteils nicht.
Wird das gesamte Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur oberhalb der AC3- Temperatur erwärmt, bildet sich im gesamten Bauteil Austenit. Durch Abkühlen des Kerns des ersten Bereichs in Schritt c) unter die Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils zerfällt dieses Austenit im Kern des ersten Bereichs wieder. Die Austenit-Rückumwandlungstemperatur ist dadurch definiert, dass Austenit zerfällt, sobald die Austenit-Rückumwandlungstemperatur unterschritten wird. Die Austenit- Rückumwandlungstemperatur ist eine Materialeigenschaft. Dass die Temperatur des Kerns des ersten Bereichs zumindest nach dem Kühlen unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils liegt, impliziert also nicht, dass zuvor Austenit in dem Bauteil gebildet worden ist.
Wird das gesamte Bauteil in Schritt a) nicht auf eine Temperatur oberhalb der AC3- Temperatur erwärmt, bildet sich in diesem Schritt kein Austenit. Das Abkühlen des Kerns des ersten Bereichs in Schritt c) unter die Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils kann aber in diesem Fall dazu beitragen, dass auch im weiteren Verlauf des Verfahrens im Kern des ersten Bereichs kein Austenit gebildet wird, auch wenn das Bauteil einer weiteren Erwärmung unterzogen wird. Wird in Schritt a) kein Austenit gebildet, muss die Austenit-Rückumwandlungstemperatur in Schritt c) nicht unterschritten werden, damit das Austenit zerfällt. Für den Fall, dass das gesamte Bauteil in Schritt a) nicht auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt wird, genügt daher in Schritt c) eine beliebige Abkühlung des Kerns des ersten Bereichs. Nichtsdestotrotz ist es auch in dem Fall sinnvoll die Austenit-Rückumwandlungstemperatur zu unterschreiten. Dies ergibt sich nicht aus dem Umstand der Austenit-Rückumwandlung unterhalb dieser Temperatur, sondern lediglich aus dem Um- stand, dass die Austenit-Rückumwandlungstemperatur im Allgemeinen signifikant unterhalb der AC3-Temperatur liegt.
Vorzugsweise wird der Kern des ersten Bereichs in Schritt c) um mindestens 100 insbesondere um mindestens 250 K gekühlt. Die Temperatur des Kerns des ersten Bereichs liegt nach Schritt c) vorzugsweise im Bereich von 400 bis 700 °C, insbesondere im Bereich von 500 bis 600 °C.
Unabhängig von der in Schritt a) erreichten Temperatur liegt so nach dem Kühlen in Schritt c) in dem Kern des ersten Bereichs kein Austenit vor. Soweit die AC3- Temperatur des Bauteils im Kern des ersten Bereichs nach dem Kühlen in Schritt c) nicht (wieder) überschritten wird, kann in dem Kern des ersten Bereichs ein duktiles Gefüge erhalten werden. Im Kern des ersten Bereichs wird daher die AC3-Temperatur des Bauteils in den Schritten d) bis e) nicht überschritten. Dadurch wird vermieden, dass sich nach dem Kühlen im Kern des ersten Bereichs Austenit bildet. In Schritt e) wird der Kern des ersten Bereichs des Bauteils derart erwärmt, dass eine Temperatur des Kerns des ersten Bereichs des Bauteils auch nach dem Erwärmen unterhalb der AC3-Temperatur des Bauteils liegt. Der Kern des ersten Bereichs des Bauteils wird also jedenfalls nach dem Kühlen in Schritt c) nicht mehr über die AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt.
Neben dem mindestens einen ersten Bereich mit dem Kern und dem Rand weist das Bauteil den zweiten Bereich auf. Das Verfahren wird so durchgeführt, dass eine Temperatur des zweiten Bereichs des Bauteils während der Verfahrensschritte a) bis e) zumindest zeitweise die AC3-Temperatur des Bauteils überschreitet. Dadurch kann in dem zweiten Bereich Austenit gebildet werden. Beim Presshärten kann daraus Martensit gebildet werden, wodurch der zweite Bereich eine vergleichsweise geringe Duktilität erhält.
Es ist unerheblich, zu welchem Zeitpunkt die Temperatur des zweiten Bereichs die AC3-Temperatur des Bauteils überschreitet. Wird in Schritt a) das gesamte Bauteil auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt, ist die genannte Bedingung bereits in Schritt a) erfüllt. Wird der zweite Bereich in Schritt a) auf weniger als die AC3-Temperatur erwärmt, kann der zweite Bereich in der Temperierstation oder in dem zweiten Ofen auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt werden.
Es ist bevorzugt, dass die Temperatur des zweiten Bereichs nach dem Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils bis zum Abschluss von Schritt e) die Austenit-Rückumwandlungstemperatur nicht mehr unterschreitet. Vorzugsweise wird in dem zweiten Bereich die Austenit-Rückumwandlungstemperatur erst in der Presse unterschritten. Dadurch kann vermieden werden, dass das in dem zweiten Bereich gebildete Austenit vor dem Presshärten zerfällt.
In den Schritten b) bis e) verändert sich eine Temperatur des zweiten Bereichs vorzugsweise um maximal 200 K, insbesondere um maximal 100 K. Dies kann auch als ein Halten der Temperatur bezeichnet werden, wobei eine Änderung der Temperatur innerhalb einer Toleranz von 200 K bzw. 100 K akzeptiert wird. Beispielsweise kann der zweite Bereich in Schritte c) in der Temperierstation einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils ausgesetzt sein und/oder in Schritt e) in dem zweiten Ofen einer Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils ausgesetzt sein. Je nach Temperatur des zweiten Bereichs bei Eintritt in die Temperierstation beziehungsweise in den zweiten Ofen und je nach Verweildauer des Bauteils in der Temperierstation beziehungsweise in dem zweiten Ofen kann der zweite Bereich in der Temperierstation auf seiner Temperatur gehalten werden oder erwärmt werden oder ein Abkühlen des zweiten Bereichs kann verlangsamt werden. Insbesondere kann der zweite Bereich aber auch in der Temperierstation an Umgebungsluft abkühlen.
Es ist möglich, dass die Temperatur des zweiten Bereichs in den Schritten a) bis e) zunächst über die AC3-Temperatur steigt, anschließend unter die Austenit- Rückumwandlungstemperatur fällt und anschließend erneut über die AC3-Temperatur steigt. In dem Fall genügt es, dass die Temperatur des zweiten Bereichs nach dem zweiten Erwärmen auf oberhalb der AC3-Temperatur bis zum Abschluss von Schritt e) die Austenit-Rückumwandlungstemperatur nicht mehr unterschreitet. Dies ist von der Formulierung umfasst, dass eine Temperatur des zweiten Bereichs des Bauteils während der Verfahrensschritte a) bis e) zumindest zeitweise die AC3-Temperatur des Bauteils überschreitet und anschließend eine Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils nicht unterschreitet. Mit dem beschriebenen Verfahren kann also in dem Kern des ersten Bereichs ein duktiles Gefüge erhalten werden, während in dem zweiten Bereich ein weniger duktiles Gefüge erhalten wird.
Der Kern des ersten Bereichs kann durch die Erwärmung mit der Lasereinheit besonders präzise erzeugt werden. Insbesondere kann der Kern des ersten Bereichs eine feinere Kontur haben und/oder kleiner ausgebildet sein als dies durch andere Methoden möglich wäre. Insoweit ist das Verfahren besonders flexibel anwendbar.
An die thermische Behandlung des Randes des ersten Bereichs gibt es nur wenige Anforderungen. Der Rand ist Teil des ersten Bereichs und wird daher definitionsgemäß in Schritt c) gekühlt. Im Unterschied zum Kern des ersten Randes kommt es aber nicht darauf an, auf welche Temperatur dies erfolgt. Der Rand des ersten Bereichs kann insbesondere der Teil des Bauteils sein, welcher in Schritt c) nur aufgrund mangelnder Präzision der Kühlung gekühlt wird. Es liegt in der Natur der Sache, dass keine genauen Angaben dazu gemacht werden können, auf welche Temperatur dieser Teil des Bauteils gekühlt wird. Mit dem beschriebenen Verfahren soll gerade dem Umstand Rechnung getragen werden, dass der Rand des ersten Bereichs bei der Kühlung unpräzise gekühlt wird.
Weiterhin genügt es, dass der Kern des ersten Bereichs nach Schritt c) die AC3- Temperatur des Bauteils nicht überschreitet. Im Rand des ersten Bereichs ist dies hingegen möglich. Es ist sogar bevorzugt, dass durch die Erwärmung des Randes des ersten Bereichs mit der Lasereinheit im Rand des ersten Bereichs die AC3-Temperatur überschritten wird. Dadurch kann auch im Rand des ersten Bereichs Austenit gebildet werden. Der Rand des ersten Bereichs kann damit wie der zweite Bereich eine geringe Duktilität erhalten.
Im Idealfall wird im Rand des ersten Bereichs das gleiche Gefüge erhalten wie im zweiten Bereich. Es ist daher bevorzugt, dass der Rand des ersten Bereichs durch das Erwärmen mit der Lasereinheit auf die Temperatur des zweiten Bereichs gebracht wird. Vorzugsweise haben der Rand des ersten Bereichs und der zweite Bereich nach dem Erwärmen mit der Lasereinheit bis zum Abschluss des Verfahrens die gleiche Temperatur. Der Rand des ersten Bereichs wird insoweit wie der zweite Bereich behandelt.
Das Verfahren kann aber auch vorteilhaft eingesetzt werden, wenn von dem beschriebenen Idealfall abgewichen wird. Jede Erwärmung des Randes des ersten Bereichs bewirkt eine Abgrenzung des Randes des ersten Bereichs vom Kern des ersten Bereichs. Die Kontur des Kerns des ersten Bereichs kann also durch eine beliebige Erwärmung des Randes des ersten Bereichs geschärft werden. Jede Erwärmung des Randes des ersten Bereichs wirkt einer ungewünschten Kühlwirkung entgegen, welche durch mangelnde Präzision der Kühlung in Schritt c) entsteht. Daher ist es nicht erforderlich, den Rand des ersten Bereichs um einen Mindest bet rag zu erwärmen oder sogar genau auf die Temperatur des zweiten Bereichs zu erwärmen. Allerdings wird der Kern des ersten Bereichs umso schärfer von seiner Umgebung abgegrenzt, je mehr der Rand des ersten Bereichs mit der Lasereinheit erwärmt wird. Dies gilt jedenfalls solange, bis der Rand des ersten Bereichs die AC3-Temperatur überschreitet.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Rand des ersten Bereichs mit der Lasereinheit um mindestens 100 K, insbesondere um mindestens 250 Kzu erwärmen. Die Temperatur des Randes des ersten Bereichs liegt nach der Erwärmung vorzugsweise im Bereich von 900 bis 1100 °C.
Es ist bevorzugt, dass an das Erwärmen des Randes des ersten Bereichs mit der Lasereinheit anschließend in dem Rand des ersten Bereichs die Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils zumindest bis zum Abschluss von Schritt e) nicht mehr unterschritten wird. Sofern das Presshärten Teil des beschriebenen Verfahrens ist, wird die Austenit-Rückumwandlungstemperatur in dem Rand des ersten Bereichs vorzugsweise erst in der Presse unterschritten. Allerdings ist es nicht erforderlich, dass die Austenit-Rückumwandlungstemperatur im Rand des ersten Bereichs nach dem Erwärmen des Randes des ersten Bereichs mit der Lasereinheit nicht mehr bis zum Abschluss von Schritt e) unterschritten wird. Austenit zerfällt nicht instantan. Gute Ergebnisse können auch dann erhalten werden, wenn ein Teil des Austenits im Rand des ersten Bereichs vor dem Presshärten zerfallen ist. Akzeptable Ergebnisse können sogar erhalten werden, wenn im Rand des ersten Bereichs gar kein Austenit gebildet wird beziehungsweise wenn dieses vollständig vor dem Presshärten zerfällt. Auch dies liegt daran, dass jede Erwärmung des Randes des ersten Bereichs einer ungewünschten Kühlwirkung entgegenwirkt, welche durch mangelnde Präzision der Kühlung in Schritt c) entsteht.
Soweit die Erwärmung mit dem Laser vor Schritt e) erfolgt, ist der Rand des ersten Bereichs bereits in Schritt e) als solcher ausgebildet. Ob und inwieweit sich die Temperatur des Randes des ersten Bereichs in dem Fall in Schritt e) verändert, ist unerheblich. Vorzugsweise ändert sich eine Temperatur des Randes des ersten Bereichs in Schritt e) um maximal 200 K, insbesondere um maximal 100 K. Dies kann auch als ein Halten der Temperatur bezeichnet werden, wobei eine Änderung der Temperatur innerhalb einer Toleranz von 200 K bzw. 100 K akzeptiert wird. Beispielsweise kann der Rand des ersten Bereichs in dem zweiten Durchlaufofen einer Temperatur oberhalb der AC3- Temperatur des Bauteils ausgesetzt sein. Je nach Temperatur des Randes des ersten Bereichs bei Eintritt in den zweiten Ofen und je nach Verweildauer des Bauteils in dem zweiten Ofen kann der Rand des ersten Bereichs in der Temperierstation auf seiner Temperatur gehalten werden oder erwärmt werden oder ein Abkühlen des Randes des ersten Bereichs kann verlangsamt werden.
Für die Funktionsweise des beschriebenen Verfahrens kommt es auch nicht darauf an, ob die Erwärmung des Randes des ersten Bereichs mit einem einzelnen Laser oder mit mehreren Lasern erfolgt. Daher ist vorgesehen, dass die Erwärmung mit einer Lasereinheit erfolgt. Die Lasereinheit kann einen oder mehrere Laser umfassen. Eine Elektronik zur Versorgung und Steuerung des mindestens einen Lasers kann Teil der Lasereinheit sein oder außerhalb der Lasereinheit vorgesehen sei, beispielsweise in einer Steuereinheit einer für das Verfahren verwendeten Vorrichtung.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird der erste Bereich des Bauteils in Schritt c) durch Beaufschlagung mit einem Kühlfluid gekühlt.
Das Kühlfluid ist vorzugsweise Druckluft. Das Kühlfluid wird vorzugsweise mit Düsen auf den ersten Bereich ausgetragen. Dadurch kann der erste Bereich auf einfache Weise in kurzer Zeit gekühlt werden. Die Verwendung von Düsen hat allerdings grundsätzlich den Nachteil, dass das Kühlfluid keine präzise Trennung zwischen dem gekühlten und dem nicht gekühlten Teil des Bauteils ermöglicht. Mit dem beschriebe- nen Verfahren wird dies umgangen. Zuerst wird in Schritt c) der erste Bereich einschließlich des Randes gekühlt. Der Rand wird anschließend mit der Lasereinheit erneut erwärmt. Im Ergebnis entspricht dies grundsätzlich einem Verfahren, bei welchem der Rand des ersten Bereichs beim Kühlen ausgespart wurde. Dies wäre je nach gewünschter Kontur der Bereiche allerdings nicht oder nur schwer durch eine Kühlung mit Düsen zu realisieren. Das beschriebene Verfahren ist demgegenüber einfacher.
In einerweiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens überschreitet eine Temperatur des Bauteils in Schritt a) die AC3-Temperatur des Bauteils nicht.
In dieser Ausführungsform werden der zweite Bereich des Bauteils und optional der Rand des ersten Bereichs erst in der Temperierstation oder erst im zweiten Ofen auf oberhalb der AC3-Temperatur erwärmt. Vorzugsweise wird das Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur oberhalb der Ad-Temperatur des Bauteils erwärmt. In dem Fall wird das Bauteil also in Schritt a) auf eine Temperatur zwischen der A -Temperatur und der AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das gesamte Bauteil in Schritt a) auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur des Bauteils erwärmt.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens erfolgt die zumindest abschnittsweise Erwärmung des Randes des ersten Bereichs in Schritt c) oder nach Schritt e).
Erfolgt die Erwärmung des Randes des ersten Bereichs in Schritt c), ist die Lasereinheit Teil der Temperierstation. Dies ist insoweit vorteilhaft, als dass die Temperierstation vergleichsweise viel Platz für eine Lasereinheit bietet. Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den Rand des ersten Bereichs unmittelbar nach dem Kühlen in Schritt c) mit der Lasereinheit zu erwärmen. Der unerwünschten Kühlung des Randes des ersten Bereichs kann dabei besonders schnell entgegengewirkt werden. Für eine ungewünschte Gefügeumwandlung besteht daher besonders wenig Zeit. Alternativ kann die Erwärmung des Randes des ersten Bereichs in der vorliegenden Ausführungsform nach Schritt e) erfolgen. In dem Fall ist die Lasereinheit dem zweiten Durchlaufofen nachgelagert angeordnet. Gegenüber einer Anordnung der Lasereinheit beispielsweise innerhalb des zweiten Durchlaufofens hat dies den Vorteil, dass die Lasereinheit außerhalb des zweiten Durchlaufofens vergleichsweise einfach angeordnet werden kann. Zudem muss die Lasereinheit nicht für die Verwendung innerhalb eines Ofens ausgelegt sein. Auch die Wartung ist einfacher, wenn die Lasereinheit außerhalb des zweiten Durchlaufofens angeordnet ist. Die Erwärmung des Randes des ersten Bereichs mit der Lasereinheit nach Schritt e) hat den Vorteil, dass vergleichsweise wenig Zeit verbleibt, innerhalb derer die erreichte scharfe Kontur des Kerns des ersten Bereichs wiederverlorengehen könnte, beispielsweise durch thermische Leitung innerhalb des Bauteils. Dieser Vorteil kann insbesondere dann erzielt werden, wenn das Bauteil nach Schritt e) einem Presshärtevorgang unterzogen wird.
Die beiden Möglichkeiten der Erwärmung in Schritt c) und nach Schritt e) haben also jeweils Vorteile. Denkbar ist sogar, den Rand des ersten Bereichs in Schritt c) mit einer ersten Lasereinheit zu erwärmen und nach Schritt e) mit einer zweiten Lasereinheit. Diese Lösung wäre zwar aufwendig, würde aber die Vorteile beider Möglichkeiten miteinander kombinieren.
Alternativ zu den beiden Möglichkeiten der vorliegenden Ausführungsform kann die Erwärmung des Randes des ersten Bereichs auch zu anderen Zeitpunkten des Verfahrens erfolgen, insbesondere zwischen Schritt c) und d), in Schritt d), zwischen Schritt d) und e) oder in Schritt e). Auch wenn in den Fällen die zuvor beschriebenen Vorteile der Erwärmung in Schritt c) oder nach Schritt e) nicht erreicht werden, wird doch jedenfalls der Zweck der Erwärmung erreicht, die Kontur des ersten Bereichs zu schärfen.
Als ein weiterer Aspekt der Erfindung wird eine Vorrichtung zum thermischen Behandeln eine metallischen Bauteils vorgestellt. Die Vorrichtung umfasst:
- einen ersten Durchlaufofen zum Erwärmen des gesamten Bauteils,
- eine Temperierstation mit einer Kühleinrichtung zum Kühlen mindestens eines ersten Bereichs des Bauteils,
- einen zweiten Durchlaufofen zum thermischen Behandeln des Bauteils, - eine erste Transfereinrichtung zum Transferieren des Bauteils von dem ersten Durchlaufofen in die Temperierstation, und
- eine zweite Transfereinrichtung zum Transferieren des Bauteils von der Temperierstation in den zweiten Durchlaufofen,
- eine Lasereinheit zum zumindest abschnittsweisen Erwärmen eines Randes des mit der Temperierstation gekühlten ersten Bereichs des Bauteils.
Die beschriebenen Vorteile und Merkmale des Verfahrens sind auf die Vorrichtung anwendbar und übertragbar, und umgekehrt. Die Vorrichtung ist vorzugsweise zum Betrieb gemäß dem Verfahren eingerichtet. Das Verfahren wird vorzugsweise mit der Vorrichtung durchgeführt. Der erste Durchlaufofen dient Schritt a), die erste Transfereinrichtung dient Schritt b), die Temperierstation dient Schritt c), die zweite Transfereinrichtung dient Schritt d) und der zweite Durchlaufofen dient Schritt e).
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Steuereinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, die Vorrichtung gemäß dem beschriebenen Verfahren zu steuern.
Weiterhin weist die Vorrichtung vorzugsweise eine Presse zum Presshärten des Bauteils auf sowie eine dritte T ransfereinrichtung zum T ransferieren des Bauteils von dem zweiten Durchlaufofen in die Presse.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung umfasst die Lasereinheit einen VCSEL.
Ein „vertical-cavity surface-emitting laser" (VCSEL) ist eine Laserdiode, welche Licht senkrecht zu ihrer Oberfläche aussendet. Ein VCSEL kann auch als Oberflächenemitter bezeichnet werden. Es hat sich herausgestellt, dass in Schritt c2) mit einem VCSEL besonders gute Ergebnisse erzielt werden können.
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:
Fig. 1 : eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum thermischen Behandeln eines metallischen Bauteils, Fig. 2: einen Temperaturverlauf, welcher mit der Vorrichtung aus Fig. 1 durch ein erfindungsgemäßes Verfahren erhalten werden kann,
Fig. 3: ein Beispiel eines Bauteils, welches mit dem in Fig. 2 veranschaulichten Verfahren behandelt worden ist, und Fig. 4: eine Vergrößerung eines ersten Bereichs aus Fig. 3.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung 1 zum thermischen Behandeln eines metallischen Bauteils 2. Die Vorrichtung 1 umfasst einen ersten Durchlaufofen 3, eine Temperierstation 4 und einen zweiten Durchlaufofen 5, welche in einer Transportrichtung r des Bauteils 2 nacheinander angeordnet sind. Eine Steuereinrichtung 6 ist insbesondere dazu eingerichtet, den ersten Durchlaufofen 3, die Temperierstation 4 und den zweiten Durchlaufofen 5 zu steuern.
Die Temperierstation 4 weist eine Kühleinrichtung 7 zum Kühlen eines ersten Bereichs 10 des Bauteils 2 und eine Erwärmungseinrichtung 8 mit einer Lasereinheit 9 zum Erwärmen eines Randes 12 des ersten Bereichs 10 des Bauteils 2 auf. Die Berei- ehe 10,11,12,15 des Bauteils 2 sind in Fig. 3 veranschaulicht. Die Lasereinheit 9 kann insbesondere einen VCSEL umfassen.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung 1 eine erste Transfereinrichtung 13 zum Transferieren des Bauteils 2 von dem ersten Durchlaufofen 3 in die Temperierstation 4 und eine zweite Transfereinrichtung 14 zum Transferieren des Bauteils 2 von der Temperi- erstation 4 in den zweiten Durchlaufofen 5.
Fig. 2 zeigt einen Temperaturverlauf, der sich in dem Bauteil 2 einstellt, wenn es durch die Vorrichtung 1 aus Fig. 1 bewegt wird. Die Darstellung von Fig. 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. In dem gezeigten Beispiel wird das gesamte Bauteil 2 im ersten Durchlaufofen 3 auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur TAC3 des Bauteils 2 erwärmt. Alternativ könnte das Verfahren so durchgeführt werden, dass die Temperatur des Bauteils 2 im ersten Durchlaufofen 3 die AC3-Temperatur TAC3 des Bauteils 2 nicht überschreitet. Anschließend wird das Bauteil 2 in die Temperierstation 4 transferiert. Die zugehörige Transferzeit ist mit tT1 bezeichnet. Während dieses Transfers kann das Bauteil 2 abkühlen.
In der Temperierstation 4 verbleibt das Bauteil 2 über eine Verweildauer tTs- In dieser Zeit wird ein erster Bereich 10 des Bauteils 2 gekühlt, wobei eine Temperatur des ersten Bereichs 10 nach dem Kühlen unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur TAR des Bauteils 2 liegt. Die Temperatur des ersten Bereichs 10 ist als T eingezeichnet. Nach dem Kühlen wird ein Rand 12 des zuvor gekühlten ersten Bereichs 10 des Bauteils 2 mit der Lasereinheit 9 auf eine Temperatur oberhalb der AC3- Temperatur TAC3 des Bauteils 2 erwärmt. Die Temperatur des Randes 12 des ersten Bereichs 10 ist als T 1A eingezeichnet, während die Temperatur des Kerns 15 des ersten Bereichs 10 als T1 B eingezeichnet ist.
Eingezeichnet ist eine einheitliche Temperatur T1A für den Unterbereich 12 des ersten Bereichs 10 des Bauteils 2. Insbesondere insoweit ist Fig. 2 schematisch. Insbesondere der Rand 12 des ersten Bereichs 10 kann eine lokal variierende Temperatur haben. Beispielsweise kann die Temperatur des Randes 12 des ersten Bereichs 10 nach dem Kühlen radial von innen nach außen zunehmen. Entsprechendes gilt für den Kern 15 des ersten Bereichs 10.
Nach dem thermischen Behandeln des Bauteils 2 in der Temperierstation 4 wird das Bauteil 2 in den zweiten Durchlaufofen 5 transferiert. Die Transferzeit dafür ist mit tT2 bezeichnet. Auch dabei kann das Bauteil 2 abkühlen, was je nach Bereich unterschiedlich sein kann.
Im zweiten Durchlaufofen 5 wird das Bauteil 2 weiter thermisch behandelt. Die Verweildauer des Bauteils 2 im zweiten Durchlaufofen 5 ist mit tD2 bezeichnet. In dem zweiten Durchlaufofen 5 wird der Kern 15 des ersten Bereichs 10 des Bauteils 2 derart erwärmt, dass die Temperatur T1B des Kerns 15 des ersten Bereichs 10 des Bauteils 2 auch nach dem Erwärmen unterhalb der AC3-Temperatur TAC3 des Bauteils 2 liegt.
Eine Temperatur T2 des zweiten Bereichs 11 des Bauteils 2 überschreitet im ersten Durchlaufofen 3 die AC3-Temperatur TAC3 des Bauteils 2 und unterschreitet diese Temperatur bis zum Ende des gezeigten Verfahrens nicht wieder. In Fig. 3 ist ein Beispiel für die Ausgestaltung des Bauteils 2 in einer Draufsicht gezeigt. Das Bauteil 2 ist in diesem Beispiel eine B-Säule für ein Kraftfahrzeug. Zu erkennen ist eine Vielzahl kreisförmiger erster Bereiche 10 und der zweite Bereich 11.
In Fig. 4 ist ein Ausschnitt von Fig. 3 vergrößert gezeigt. Zu erkennen ist darin einer der ersten Bereiche 10. Eingezeichnet sind der Rand 12 und der Kern 15 des ersten
Bereichs 10.
Die gezeigten Formen des Bauteils 2 und der Bereiche 10,11,12,15 sind beispielhaft. Mit dem Verfahren aus Fig. 2 können Bauteile beliebiger Geometrie behandelt werden.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung
2 Bauteil
3 erster Durchlaufofen
4 Temperierstation
5 zweiter Durchlaufofen
6 Steuereinrichtung
7 Kühleinrichtung
8 Erwärmungseinrichtung
9 Lasereinheit
10 erster Bereich
11 zweiter Bereich
12 Rand
13 erste Transfereinrichtung
14 zweite Transfereinrichtung
15 Kern des ersten Bereichs
T Temperatur
TAC3 AC3-Temperatur des Bauteils
TAR Austenit-Rückumwandlungstemperatur des Bauteils
T -i Temperatur des ersten Bereichs des Bauteils
T 1A Temperatur des Randes des ersten Bereichs des Bauteils
T1B Temperatur des Kerns des ersten Bereichs des Bauteils
T2 Temperatur des zweiten Bereichs des Bauteils t Zeit tDi Verweildauer im ersten Durchlaufofen 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

Claims

Ansprüche Verfahren zum thermischen Behandeln eines metallischen Bauteils (2), umfassend: a) Erwärmen des gesamten Bauteils (2) in einem ersten Durchlaufofen (3), b) Transferieren des Bauteils (2) von dem ersten Durchlaufofen (3) in eine Temperierstation (4), c) in der Temperierstation (4) Kühlen mindestens eines ersten Bereichs (10) des Bauteils (2), d) Transferieren des Bauteils (2) von der Temperierstation (4) in einen zweiten Durchlaufofen (5), e) thermisches Behandeln des Bauteils (2) in dem zweiten Durchlaufofen (5), wobei nach Abschluss von Schritt c) ein Rand (12) des ersten Bereichs zumindest abschnittsweise mit einer Lasereinheit (9) erwärmt wird, wobei eine Temperatur des Bauteils (2) in einem von dem Rand (12) des ersten Bereichs (10) umschlossenen Kern (15) des ersten Bereichs (10) zumindest nach dem Kühlen in Schritt c) unterhalb der Austenit-Rückumwandlungstemperatur (TAR) des Bauteils (2) liegt und nach Schritt c) die AC3-Temperatur des Bauteils (2) nicht überschreitet, und wobei eine Temperatur eines zweiten Bereichs (11) des Bauteils (2) während der Verfahrensschritte a) bis e) zumindest zeitweise die AC3-Temperatur (TAC3) des Bauteils (2) überschreitet. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Bereich (10) des Bauteils (2) in Schritt c) durch Beaufschlagung mit einem Kühlfluid gekühlt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei eine Temperatur des Bauteils (2) in Schritt a) die AC3-Temperatur (TAC3) des Bauteils (2) nicht überschreitet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das gesamte Bauteil (2) in Schritt a) auf eine Temperatur oberhalb der AC3-Temperatur (TAC3) des Bauteils (2) erwärmt wird. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die zumindest abschnittsweise Erwärmung des Randes (12) des ersten Bereichs (10) in Schritt c) oder nach Schritt e) erfolgt. Vorrichtung (1) zum thermischen Behandeln eines metallischen Bauteils (2), um- fassend:
- einen ersten Durchlaufofen (3) zum Erwärmen des gesamten Bauteils (2),
- eine Temperierstation (4) mit einer Kühleinrichtung (7) zum Kühlen mindestens eines ersten Bereichs (10) des Bauteils (2),
- einen zweiten Durchlaufofen (5) zum thermischen Behandeln des Bauteils (2), - eine erste Transfereinrichtung (13) zum Transferieren des Bauteils (2) von dem ersten Durchlaufofen (3) in die Temperierstation (4), und
- eine zweite T ransfereinrichtung (14) zum T ransferieren des Bauteils (2) von der Temperierstation (4) in den zweiten Durchlaufofen (5),
- eine Lasereinheit (9) zum zumindest abschnittsweisen Erwärmen eines Ran- des (12) des mit der Temperierstation (4) gekühlten ersten Bereichs (10) des
Bauteils (2). Vorrichtung (1) nach Anspruch 6, wobei die Lasereinheit (9) einen VCSEL umfasst.
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