[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Durchführung der Glühung
eines Galvannealing-Prozesses, bei dem Bänder und Bleche, insbesondere aus Stahl,
nach einem Feuerverzinken einer Glühung unterzogen werden durch Aufheizen des beschichteten
Materials mit nachfolgendem Halten auf Glühendtemperatur.
[0002] Wird feuerverzinktes Blech oder Band nach dem Schmelztauchen geglüht (bei Temperaturen
oberhalb des Schmelzpunktes von Zink), so nennt man das Produkt Galvannealed-Blech
bzw. Band, den Prozeß Galvannealing ("galvanizing" = Galvanisieren, Feuerverzinken
von Metallen sowie "annealing" = Glühen).
[0003] Der so behandelte Überzug des beschichteten Bandes besteht nur aus Eisen-Zink-Verbindungen
mit ca. 10-12% Fe.
[0004] Der Glühung eines Galvannealing-Prozesses geht ein herkömmlicher Feuerverzinkungsprozeß
voraus. Hierbei wird die Stahloberfläche zuerst gereinigt. Dann wird eine rekristallisierende
Glühung des walzharten Eingangsmaterials in einem Ofen unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
Das Band wird anschließend auf Verzinkungstemperatur abgekühlt und mittels einer aluminiumhaltigen
Zinkschmelze feuerverzinkt. Abschließend wird die überschüssigen Zinkschmelze mittels
Luft oder Stickstoff abgestriffen.
[0005] Bei einem so oberflächenbeschichteten Stahlband wird der Galvannealing-Prozeß durch
eine sich anschließende Glühung in einem zusätzlichen Ofen vervollständigt.
[0006] Hierbei läuft zwischen der Stahlmatrix und dem Zinküberzug ein diffusionsgesteuerter
Prozeß ab. In Abhängigkeit von der bei der Glühung eingestellten Temperatur und der
Glühzeit bilden sich unterschiedliche FeZn-Phasen gemäß Zink-Eisen-Zustandsdiagramm
aus. Die jeweiligen Phasenanteile bestimmen den Gesamteisengehalt des Überzuges.
[0007] Der bei dieser Glühung eingestellte Phasenaufbau ist für die Qualität des Überzuges
sowie für die Verwendbarkeit des galvannealing-behandelten Grundwerkstoffes entscheidend,
beispielsweise beim späteren Tiefziehvorgang im Preßwerk.
[0008] In konventionellen Anlagen besteht dieser Galvannealing-Ofen aus zwei Zonen: zum
einen die Zone zum induktiven Aufheizen des Bandes und zum anderen die sich daran
anschließende Zone zum Halten auf der gewünschten Endtemperatur. Die Haltezone wird
üblicherweise über widerstandsbeheizte oder gasbefeuerte Ofenteile beheizt.
[0009] Die Galvannealing-Glühung und somit die Erzielung eines definierten Phasenaufbaus
des Überzugmaterials ist insbesondere von den Parametern Temperatur und Zeit abhängig.
Diese wichtigen Parameter können durch die Anlagenparameter, die Bandeinlauftemperatur
in die Zinkschmelze, die Temperatur der Zinkschmelze, die Aluminium-Konzentration
in der Zinkschmelze sowie der Dicke der Beschichtung beeinflußt werden. Die wesentlichste
Einflußgröße ist der Grundwerkstoff, d.h. die Legierungszusammensetzung des Stahls
und dessen Zustand.
[0010] Galvannealing-behandeltes Feinblech findet überwiegend in der Automobilindustrie
Verwendung und zeichnet sich durch gute Schweißbarkeit und Lackierbarkeit aus.
[0011] Bisher wurden für dieses Einsatzgebiet fast ausschließlich IF-Stähle als Grundwerkstoff
für Tiefzieh-, Sondertiefzieh- und Extratiefziehgüten für eine Galvannealing-Behandlung
verwendet.
[0012] Bei IF-Stählen (= Abkürzung für Interstitial Free) handelt es sich um Stähle, die
im Eisengitter keine interstitiell gelösten Atome aufweisen. Die C- und die N-Atome
werden durch gezielt zulegierte Carbonitridbildner (Ti, Nb, V) abgebunden. IF-Stähle
weisen keine nennenswerten Gehalte an festigkeitssteigernden Elementen wie P, Mn oder
B auf. Das Element Si kann hingegen zur Verbesserung der Haftung des Galvanealed-Überzuges
zulegiert werden (bis ca. 0,10%).
[0013] Um der Forderung nach einer Gewichtsreduzierung von PKWs nachzukommen, werden zunehmend
dünnere Bleche eingesetzt, die aber die gleichen Festigkeitseigenschaften wie herkömmliche
Bleche aufweisen müssen. Diese Anforderung kann nur mittels Verwendung höherfester
Stähle, auch höherfester IF-Stähle, erfüllt werden. Höherfeste IF-Stähle weisen nennenswerte
Gehalte obengenannter Elemente auf. Werden nachfolgend höherfeste Stähle erwähnt,
sind damit auch höherfeste IF-Stähle, BH-Stähle und TRIP-Stähle gemeint.
[0014] Die beiden Stahlgruppen, IF-Stähle und höherfeste Stähle, weisen allerdings im Verhältnis
zum aufgebrachten Zinküberzug ein deutlich unterschiedliches Legierungsverhalten auf,
insbesondere hinsichtlich ihrer Geschwindigkeit. Hierbei läuft die Legierungsbildung
bei den höherfesten Stählen wesentlich langsamer ab als bei den IF-Stählen.
[0015] Damit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung für die Glühung eines Galvannealing-Prozesses vorzuschlagen, der Bleche
und Bänder aus unterschiedlichen Grundwerkstoffen, insbesondere aus höherfesten Stählen,
ohne Leistungseinbußen unterworfen werden können
[0016] Diese Aufgabe wird mittels der Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 sowie der Vorrichtungsmerkmale
des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
[0017] Kern der Erfindung ist die Anpassung des Glühzyklusses hinsichtlich der Parameter
Temperatur und Zeit an die Grundwerkstoffe, hier insbesondere höherfeste Stähle, zur
Berücksichtigung des werkstoffspezifischen Legierungsfortschrittes. Die vorgeschlagene
Verfahrenstechnik in Form einer stufenweise Glühbehandlung gibt eine Möglichkeit zum
kontrollierten Einstellen der Eigenschaften zwischen Grundwerkstoff und Überzugmaterial
sowie des Überzugmaterials selbst.
[0018] Vorteilhafterweise soll diese Glühbehandlung so durchgeführt werden, daß der Aufheizvorgang
mit anschließendem Halten auf Endtemperatur durch einen zweiten Haltevorgang auf einer
Temperatur unterhalb der Endtemperatur unterbrochen wird.
[0019] Hinsichtlich der Vorrichtungsmerkmale zum Aufbau eines geeigneten Ofens wird vorgeschlagen,
daß dieser eine Zone zum induktiven Aufheizen des Bandes sowie eine weitere Zone zum
Halten des Bandes auf der Aufwärmtemperatur umfaßt, wobei zwischen der Zone zum induktiven
Aufheizen des Bandes und der Endhaltezone mindestens eine weitere Haltezone vorgesehen
ist.
[0020] Bei einer vorteilhaften Ausführungsform, die insbesondere für höherfeste Stahlbänder
geeignet ist, besteht dieser Ofen aus vier Zonen, nämlich einer erste Induktionszone
mit einer nachfolgenden ersten Haltezone sowie einer zweiten sich daran anschließenden
Induktionszone mit nachfolgender zweiter Haltezone.
[0021] Das vorgeschlagene Verfahren der stufenweise durchgeführten Glühbehandlung in einem
Galvannealing-Prozeß sowie der vorgeschlagene Aufbau des Glühofens zeigen die folgenden
Vorteile:
[0022] Durch die stufenweise durchgeführte Erhöhung der Temperatur wird eine Anpassung der
Glühbehandlung an die langsameren Diffusionsprozesse und somit Legierungsgeschwindigkeit
in höherfesten Stählen erreicht. Der Legierungsvorgang ist kontrollier- und regelbar.
Dadurch ist eine gleichmäßige Produktqualität unter kontrollierbaren Produktionsbedingungen
möglich. Dieses stufenweise Erwärmen zeigt keine Nachteile bei den IF-Stählen.
[0023] Die Glühparameter, insbesondere die Aufheiztemperatur und - geschwindigkeit, sind
dem Legierungsablauf der Kombination Stahl/Überzugmaterials angepaßt. Damit kommt
es nicht zu einer Überhitzung im Überzugmaterial, ohne daß eine Legierungsbildung
eintritt. Weiterhin wird einer möglichen verstärkten Verdampfung von Zink entgegengewirkt.
Dieses ist ein wesentlicher Vorteil sowohl für den Betrieb des Galvannealed-Ofens
als auch für die Morphologie des Galvanealed-Überzuges.
[0024] Zur Vermeidung einer Überhitzung des Zinküberzugs in herkömmlichen Öfen zur Galvannealing-Behandlung,
die nur eine einzige Aufheizzone aus mehreren oder nur einer einzigen Induktionsspule
aufweisen, sowie zur Einstellung eines kontrollierten Legierungsvorgangs müßte die
Leistung der Induktions-Zone abgesenkt werden. Um aber noch die gewünschte Galvannealing-Temperatur
zu erreichen, ist es notwendig, die Anlagengeschwindigkeit zu vermindern. Dies ist
aber mit einer Leistungseinbuße der Feuerverzinkungsanlage verbunden.
[0025] Im Gegensatz hierzu bedeutet das erfindungsgemäße Verfahren sowie der vorgeschlagene
Ofen keine Leistungseinbuße der Feuerverzinkungsanlage.
[0026] Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und
der nachfolgenden Beschreibung. Hierbei zeigen:
- Figur 1
- schematisch den Aufbau einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ofenaufbaus zur
Durchführung einer Glühung während eines Galvannealing-Prozesses;
- Figuren 2a und b
- schematisch den Aufbau von herkömmlichen Öfen zur Durchführung einer Glühung während
eines Galvannealing-Prozesses;
- Figur 3
- den Bandtemperaturverlauf über der Zeit bei den verschiedenen Galvannealing-Ofenvarianten
nach Figur 1 und Figuren 2a und b.
[0027] Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Galvannealing-Ofenvariante
mit unterbrochener Aufheizzone. Der Galvanealing-Ofen 1 umfaßt eine erste Zone 2a
zum induktiven Aufheizen. Daran schließt sich eine Haltezone 3a an. Nach dieser Haltezone
3a wird das Band wiederum durch eine Aufheizzone 2b geführt. Anschließend wird in
einer zweiten Haltezone 3b das beschichtete Band auf Endtemperatur gehalten.
[0028] Figur 3 zeigt an einem Beispiel die sich bei einem solchen Ofenaufbau ergebende stufenweise
verlaufende Aufheizkurve (Kurvenverlauf c). Die Anlagengeschwindigkeit beträgt hierbei
90m/min. Das Band läuft mit einer Anfangstemperatur von 420°C in den Ofen ein und
wird schnell in einer ersten Stufe auf 470°C erhitzt. Danach läuft das Band in die
erste Haltezone (3a) und wird etwa 7s auf der Zwischentemperatur gehalten. Anschließend
findet ein weiterer Aufheizvorgang auf die Glühendtemperatur von 520°C statt.
[0029] In den Figuren 2a und b ist schematisch der Aufbau von herkömmlichen Galvannealing-Öfen
gezeigt. Beide Varianten bestehen aus einer ersten Zone zum induktiven Aufheizen 2
sowie einer zweiten, sich anschließenden Zone 3, zum Halten des Bandes auf Endtemperatur.
Bekannte Anlagen mit induktiver Banderwärmung weisen im induktiven Heizabschnitt 2
entweder mehrere Induktionsspulen 2a,b,c,d, in der Regel 4-7 Spulen, auf (Figur 2a)
oder umfassen nur noch eine einzige Induktionsspule 2 (Figur 2b). Diese einzige Spule
2 besitzt die gleiche installierte Leistung wie die bisherigen mehreren Spulen zusammen.
Der Unterschied besteht in der wesentlich geringeren Bandfläche im Induktor, wodurch
die spezifische Leistung bzw. Leistungsdichte signifikant erhöht wird, was sich in
einer höheren Aufheizrate bemerkbar macht.
[0030] Die Temperatur-Zeit-Verläufe der Glühbehandlungen nach den Ofenvarianten der Figuren
2a und b sind ebenfalls in Figur 3 dargestellt. Im Gegensatz zu dem erfindungsgemäßen
Ofen wird die Glühendtemperatur schnell erreicht. Dies ist günstig für IF-Stähle,
deren Durchlegierungspunkt bereits nach kürzerer Zeit erreicht wird.
[0031] Bei höherfesten Stählen wird der Durchlegierungspunkt auch aufgrund höherer Legierungsgehalte
im Stahl erst nach längerem Glühen erreicht. Um eine Überhitzung des Überzuges zu
vermeiden und einen kontrollierten Legierungsablauf zwischen Grundwerkstoff und Überzugmaterial
sowie im Überzugmaterial selbst einzustellen, wird eine Zwischenglühung eingeführt
mit anschließendem Aufheizen auf Glühendtemperatur. Ferner wird hiermit einer möglichen
Verdampfung von Zink im Galvannealing-Ofen entgegengewirkt.
1. Verfahren zur Durchführung der Glühung eines Galvannealing-Prozesses, bei dem Bänder
und Bleche, insbesondere aus Stahl, nach einem Feuerverzinken einer Glühung unterzogen
werden durch Aufheizen des beschichteten Materials mit nachfolgendem Halten auf Glühendtemperatur,
dadurch gekennzeichnet,
daß während der Glühung der Aufheizschritt von mindestens einem weiteren Halteschritt
unterbrochen wird und somit eine stufenweise Erhöhung der Temperatur über der Zeit
eingestellt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aufheizvorgang mit anschließendem Halten auf Endtemperatur durch eine Haltestufe
auf einer Temperatur unterhalb der Endtemperatur unterbrochen wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung der Glühung eines Galvannealing-Prozesses nach Anspruch
1,
umfassend eine Zone zum induktiven Aufheizen des Bandes sowie eine weitere Zone zum
Halten des Bandes auf Endtemperatur,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zone zum induktiven Aufheizen des Bandes (2a, 2b) von mindestens einer weiteren
Haltezone (3a) unterbrochen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine erste Induktionszone (2a) mit nachfolgender erster Haltezone (3a) sowie eine
zweite sich daran anschließende Induktionszone (2b) mit nachfolgender zweiter Haltezone
(3b) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zonen zum induktiven Aufheizen (2a, 2b) aus mehreren Induktionsspulen besteht.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Zonen zum induktiven Aufheizen (2a, 2b) aus einer Induktionsspule besteht.
7. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Haltezonen widerstands- oder gasbeheizt sind.
8. Beschichtetes Feinblech aus höherfestem Stahl, das nach einem Verfahren nach den Ansprüchen
1 bis 2 geglüht wird.
9. Beschichtetes Feinblech aus IF-Stahl, das nach einem Verfahren nach den Ansprüchen
1 bis 2 geglüht wird.