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.
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).
Der so behandelte Überzug des beschichteten Bandes besteht nur aus Eisen-Zink-Verbindungen mit ca. 10-12% Fe.
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.
Bei einem so oberflächenbeschichteten Stahlband wird der Galvannealing-Prozeß durch eine sich anschließende Glühung in einem zusätzlichen Ofen vervollständigt.
Ein solcher Galvannealing-Prozeß ist aus der JP-08-165550 A bekannt. Diese beschreibt ein Feuerverzinkungsverfahren mit zwei Aufwärmschritten während der sich anschließenden Glühbehandlung, um ein mit Zink galvanisiertes Blech dahingehend zu verbessern, dass sich die Platierungsschichten beim Umformen des Blechs nicht abheben (sog. "flaking").
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.
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.
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.
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 Bandeinlauf temperatur 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.
Galvannealing-behandeltes Feinblech findet überwiegend in der Automobilindustrie Verwendung und zeichnet sich durch gute Schweißbarkeit und Lackierbarkeit aus.
Bisher wurden für dieses Einsatzgebiet fast ausschließlich IF-Stähle als Grundwerkstoff für Tiefzieh-, Sondertiefzieh- und Extratiefziehgüten für eine Galvannealing-Behandlung verwendet.
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%).
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.
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.
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
Diese Aufgabe wird mittels der Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 sowie der Vorrichtungsmerkmale des Anspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen offenbart.
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.
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.
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.
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.
Das vorgeschlagene Verfahren der stufenweise durchgeführten Glühbehandlung in einem Galvannealing-Prozeß sowie der vorgeschlagene Aufbau des Glühofens zeigen die folgenden Vorteile:
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.
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.
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.
Im Gegensatz hierzu bedeutet das erfindungsgemäße Verfahren sowie der vorgeschlagene Ofen keine Leistungseinbuße der Feuerverzinkungsanlage.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Hierbei zeigen:
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.
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.
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.
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.
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.