Wärmebehandlungslinie und Verfahren zum Betreiben der Wärmebehandlungslinie

Abstract

 Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungslinie 1 zur Herstellung eines wärmebehandelnden Metallbauteils, wobei eine Erwärmungsstation 2 vorgesehen ist, die das Metallbauteil auf eine Bauteiltemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt, die dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Temperierstation 4 vorgesehen ist, wobei die Temperierstation 4 eine Innentemperatur aufweist, die im Wesentlichen der Temperatur des Metallbauteils entspricht. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieben der Wärmebehandlungslinie 1.

Beschreibung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungslinie zur Herstellung eines zumindest bereichsweise wärmebehandelten Metallbauteils gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben einer Wärmebehandlungslinie gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8.

[0003] Im Kraftfahrzeugbau ist es bekannt, zur Herstellung von Karosseriebauteilen und Kraftfahrzeugstrukturbauteilen die Bauteile selbst als Blechumformbauteile aus einer Stahllegierung herzustellen. Hierzu wird eine Blechplatine in einer Umformpresse zu einem Blechumformbauteil hergestellt.

[0004] Es ist ferner bekannt, diese Blechumformbauteile aus hochfesten oder gar höchstfesten Stahllegierungen herzustellen, wobei die mechanische Widerstandsfähigkeit, insbesondere die Festigkeit sowie die Duktilitätseigenschaft gegenüber Bauteilen aus konventionellem Stahl deutlich erhöht sind.

[0005] Zur Herstellung von gehärteten Blechumformbauteilen ist seit Jahren die Warmumform- und Presshärtetechnologie standardisiert, wobei eine auf Austenitisierungstemperatur erwärmte Blechplatine in ein Umformwerkzeug eingelegt wird, in diesem Umformwerkzeug warmumgeformt wird und gleichzeitig in dem Umformwerkzeug abgeschreckt und dadurch gehärtet wird.

[0006] Zur Härtung von Bauteilen ist es ferner möglich, das Bauteil zunächst umzuformen, im Anschluss auf über Austenitisierungstemperatur zu erwärmen und daran anknüpfend wiederrum das Bauteil zu erfassen und in einer Abschreckstation derart schnell abzukühlen, dass das Werkstoffgefüge des Bauteils gehärtet wird. Eine solche Vorrichtung ist beispielsweise aus der DE 102 009 051 157 B4 bekannt.

[0007] Hieraus sind Kammeröfen bekannt, die platzsparend in einer Montagehalle angeordnet werden können. Ein derartiger Kammerofen ist in seiner Aufnahmekapazität jedoch beschränkt, so dass er im Wesentlichen immer nur ein Bauteil aufnehmen kann. Wird nunmehr die Weiterverarbeitungsmöglichkeit unterbrochen, ist beispielsweise ein Manipulator zum Bestücken des Kammerofens ausgefallen, so kommt es zu einem Stocken im Produktionsablauf, so dass mitunter die Bauteile in den Kammeröfen für einen längeren Zeitraum verbleiben. Die Kammeröfen sind dabei auf über Austenitisierungstemperatur aufgeheizt und benötigen daher einen hohen Energieverbrauch zum Betreiben des Ofens selber.

[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Möglichkeit aufzuzeigen, Metallbauteile effizienter wärmezubehandeln, wobei ein geringer Platzbedarf in einer Montagehalle eingenommen wird, Produktionsschwankungen ausgeglichen werden und der Energieverbrauch optimiert wird.

[0009] Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Wärmebehandlungslinie zur Herstellung eines zumindest bereichsweise wärmebehandelten Metallbauteils gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.

[0010] Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zum Betreiben der Wärmebehandlungslinie gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 8 gelöst.

[0011] Vorteilhafte Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

[0012] Die Wärmebehandlungslinie zur Herstellung eines wärmebehandelten, insbesondere vorbeschichteten Metallbauteils, wobei eine Erwärmungsstation vorgesehen ist, die das Metallbauteil zumindest bereichsweise auf eine Bauteiltemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperierstation vorgesehen ist, wobei die Temperierstation zumindest bereichsweise eine Innentemperatur aufweist, die im Wesentlichen einer Temperatur des Metallbauteils entspricht.

[0013] Erfindungsgemäß ist in der Wärmebehandlungslinie somit zunächst eine Erwärmungsstation vorgesehen, die bevorzugt als Kammerofen, alternativ auch als Drehofen oder Durchlaufofen ausgebildet sein kann. In der Erwärmungsstation wird das Bauteil auf die gewünschte Bauteiltemperatur erwärmt. Diese Bauteiltemperatur ist besonders bevorzugt oberhalb der Austenitisierungstemperatur angesetzt und beträgt mithin somit zwischen 800°C und 1000°C, insbesondere zwischen 850°C und 950°C. Zumindest wird diese Austenitisierungstemperatur mit der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungslinie bereichsweise in dem Bauteil erzeugt. Die übrigen Bereiche des Bauteils sind dann auf einer Temperatur unterhalb der Austenitisierungstemperatur verbleibend. Mithin ist die Innentemperatur der Erwärmungsstation oberhalb diese Temperatur anzusetzen. Sofern eine besonders schnelle Aufwärmzeit des Metallbauteils herbeigeführt werden soll, ist die Innentemperatur der Erwärmungsstation deutlich oberhalb der Bauteiltemperatur einzustellen. Mithin beträgt die Temperatur innerhalb der Erwärmungsstation bevorzugt zwischen 950°C bis 1300°C, insbesondere 1100°C bis 1200°C.

[0014] Relativ zu der Bauteiltemperatur ist die Innentemperatur der Erwärmungsstation insbesondere 5 bis 30% oberhalb der Bauteiltemperatur zu wählen, bevorzugt 10 bis 25% oberhalb der Bauteiltemperatur. Die Erwärmungsstation kann dabei insbesondere als Ofen mit einem Brenner ausgebildet sein.

[0015] Die so auf die Bauteiltemperatur erwärmten Bauteile werden dann aus der Erwärmungsstation entnommen und erfindungsgemäß in eine Temperierstation überführt. Die Temperierstation ist dabei als Zwischenstation ausgeführt, um die in dem Bauteil selbst eingestellte Bauteiltemperatur zumindest bereichsweise zu halten. Auch in der Temperierstation selber wird dann die Bauteiltemperatur zumindest bereichsweise gehalten, wohingegen die nichterwärmten Bereiche entsprechend unterhalb der Bauteiltemperatur liegen. Hierbei ist es dann möglich, dass in der Temperierstation bevorzugt eine Innentemperatur vorherrscht, die der Bauteiltemperatur selbst entspricht. Alternativ dazu ist es möglich, dass in der Temperierstation eine Innentemperatur vorherrscht, die geringfügig oberhalb, insbesondere zwischen 0 und 10%, ganz besonders bevorzugt zwischen 1 und 5% oberhalb der Bauteiltemperatur eingestellt ist. Somit ist es möglich innerhalb der Temperierstation die Bauteiltemperatur für einen längeren Zeitraum zu halten. Ein unter Umständen aufgrund von Produktionsschwankungen nicht vollständig im Inneren des Materials austenitisiertes Bauteil wird weiterhin innerhalb der Temperierstation auf der Bauteiltemperatur gehalten, so dass durch Wärmeleitung innerhalb des Bauteils selbst eine vollständige Austenitisierung stattfindet. Dadurch, dass die Innentemperatur der Temperierstation nicht höher, insbesondere nicht deutlich höher als die Bauteiltemperatur selbst gewählt ist, ist die Temperierstation im Vergleich zu der Erwärmungsstation mit geringeren Energiekosten zu betreiben.

[0016] Treten nunmehr in der Weiterverarbeitung nach der Tempereristation oder aber bereits bei der Erwärmungsstation Produktionsschwankungen auf, beispielsweise durch Ausfall einer Erwärmungsstation oder aber durch Ausfall eines Manipulators zum Transfer der Bauteile zwischen den einzelnen Stationen, so ist es mit der erfindungsgemäßen Temperierstation möglich, dass ein Puffer von zu erwärmenden Metallbauteilen aufgebaut ist, wobei der Puffer es ermöglicht, das die gesamte Produktion nicht zwangsläufig unterbrochen werden muss. Es können mithin Wartungsarbeiten durchgeführt werden, wobei durch die in der Temperierstation befindlichen Metallbauteile die Produktion zunächst weiterlaufen kann. Hierzu befinden sich bei normaler Produktion immer zwischen 40 und 60% der möglichen aufzunehmenden Bauteile innerhalb der Temperierstation. Hierdurch wird sichergestellt, dass im Falle eines Ausfalls der Produktionslinie nach der Temperierstation zunächst noch Bauteile von der Erwärmungsstation in die Temperierstation transferiert werden können. Wenn die Produktionslinie vor der Temperierstation ausfällt, sind zunächst immer noch Bauteile zur weiteren Produktion innerhalb der Temperierstation gelagert.

[0017] Besonders bevorzugt ist die Temperierstation hierzu selbst als Durchlaufofen ausgebildet. Der Vorteil gegenüber dem Stand der Technik ist jedoch, dass die Temperierstation nicht als herkömmlicher Durchlaufofen Längen von mitunter mehreren Dutzend Metern aufweisen muss, damit das Bauteil die durch den Durchlaufofen über den zu transportierenden Zeitraum, auf eine Temperatur erwärmt wird, sondern nur auf der Temperatur gehalten wird. Mithin ist es möglich, die Temperierstation als Durchlaufofen nur wenige Meter lang auszubilden. Im Rahmen der Erfindung ist es auch in dem Durchlaufofen möglich, beispielsweise durch Dichtschotts oder ähnliches nur bereichsweise die herzustellende Bauteiltemperatur in der Temperierstation zu halten. Auch ist es im Rahmen der Erfindung möglich durch beispielsweise entsprechende Aufleger, insbesondere in Form von Kühlplatten und/oder Abschirmplatten, Bereiche nicht auf über Austenitisierungstemperatur zu bringen. Im Rahmen der Erfindung sind somit sowohl die Temperierstation als auch die Erwärmungsstation dazu geeignet die Metallbauteile nur partiell wärmezubehandeln.

[0018] Im Rahmen der Erfindung ist unter einem Metallbauteil insbesondere eine Platine zu verstehen, wobei das Metallbauteil auch als bereits dreidimensional geformtes Metallbauteil mit der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungslinie behandelbar ist. Weiterhin besonders bevorzugt können auch vorbeschichtete Materialien, beispielsweise eine Platine mit einer metallischen Beschichtung eingesetzt werden.

[0019] Alternativ dazu ist es im Rahmen der Erfindung auch möglich, dass die Temperierstation selbst als Kammerofen ausgebildet ist, wobei mehrere Kammeröfen übereinander und/oder nebeneinander gelagert sind. Mithin ist es dann möglich, durch Verwendung eines Manipulators, insbesondere in Form eines Industrieroboters, die mehreren Kammeröfen in der Temperierstation zu bestücken bzw. die dort temperierten Bauteile zu entnehmen. Auch in dem Kammerofen oder aber in dem nachfolgend beschriebenen Drehofen ist es wiederum möglich, dass das Bauteil in der Temperierstation zumindest nur bereichsweise auf die entsprechend gewünschte Bauteiltemperatur temperiert wird. Auch hier ist es wiederum möglich beispielsweise durch Aufleger in Form von Kühlplatten oder aber durch Zwischenwände, Dichtschotts oder aber eine Isolierung andere Bereiche kühl bzw. kälter als die Bauteiltemperatur zu halten.

[0020] Weiterhin bevorzugt ist die Temperierstation selbst als Drehofen ausgebildet. Sie bietet wiederum den Vorteil, dass ein Bestücken des Drehofens mit Hilfe nur eines Manipulators möglich ist. Der Drehofen ist insbesondere derart ausgebildet, dass er mehrere Aufnahmemöglichkeiten für Metallbauteile übereinander sowie radial umlaufend nebeneinander aufweist. Eine jeweils leere Kammer der Temperierstation kann dann durch den Manipulator bestückt werden.

[0021] Weiterhin bevorzugt ist dann in der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung vorgesehen, dass der Temperierstation eine Abkühlstation nachgeschaltet ist. Die auf über Austenitisierungstemperatur erwärmten Bauteile werden aus der Temperierstation entnommen und dann in der Abkühlstation abschreckgehärtet. Dies kann beispielsweise mit Hilfe einer Brause bzw. Dusche erfolgen, so dass das Bauteil durch ein aufgesprühtes Kühlmedium geführt wird. Alternativ dazu ist es möglich, dass die Abkühlstation als Tauchbad ausgebildet ist, so dass das Bauteil entnommen wird und in die Abkühlstation eingetaucht wird. Hierbei erfährt der Werkstoff des Bauteils eine derartige Gefügeumwandlung, dass das austenitische Gefüge in ein im Wesentlichen martensitisches Gefüge überführt wird. Die Abkühlstation kann im Rahmen der Erfindung auch eine Warmumform- und Presshärtewerkzeug sein. Das entsprechend wärmebehandelte Bauteil wird sodann aus der Temperierstation in das Warmumformwerkzeug transferiert und hier warmumgeformt und anschließend pressgehärtet. Insbesondere bei nur bereichsweise Austenitisierung des Bauteils erfolgt dann auch nur eine bereichsweise Presshärtung, wobei demgegenüber die Bereiche die nicht temperiert wurden, nicht vollständig austenitisiert sind und somit auch nicht vollständig gehärtet sind. Diese weisen eine eher duktile Bauteileigenschaft auf.

[0022] Weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben der Wärmebehandlungslinie gemäß den zuvor genannten Merkmalen, wobei die Wärmebehandlungslinie derart betrieben wird, dass in der Erwärmungsstation eine Innentemperatur vorherrscht, die oberhalb der Bauteiltemperatur ausgebildet ist und in der Temperierstation eine Innentemperatur vorherrscht, die der Bauteiltemperatur entspricht. Bevorzugt wird innerhalb der Erwärmungsstation eine Innentemperatur eingestellt, die zwischen 1000°C und 1300°C, insbesondere zwischen 1100°C und 1200°C liegt und die Innentemperatur der Temperierstation zwischen 800°C und 1000°C, bevorzugt zwischen 850 und 950°C beträgt.

[0023] Weiterer Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass die Temperierstaton als Puffer verwendet wird, um Ausfallzeit und/oder Produktionsunterbrechungen an der Erwärmungsstation und/oder an der Abkühlstation auszugleichen.

[0024] Im Rahmen der Erfindung ist es insbesondere möglich ein Metallbauteil mit einer metallischen Vorbeschichtung zumindest bereichsweise wärmezubehandeln, so dass zumindest bereichsweise eine intermetallische Phase hergestellt wird.

[0025] Als erfindungsgemäß besonders vorteilige Ausgestaltungsvariante des Verfahrens hat sich dabei erwiesen, wenn das Metallbauteil bei einer Ist-Bauteiltemperatur von 700°C bis 1100°C, bevorzugt 800°C bis 1000°C, insbesondere 850°C bis 950°C aus der Erwärmungsstation entnommen wird und anschließend zumindest bereichsweise in der Temperierstation auf über Austenitisierungstemperatur, insbesondere auf die Bauteiltemperatur besonders bevorzugt bei mindestens 900°C nacherwärmt wird. Auch ist es möglich, das gesamte Bauteil dann in der anschließenden Temperiertstation auf über 900°C nachzuerwärmen. Es ergibt sich hierdurch eine insgesamt verkürzte Laufzeit, die das vorbeschichtete Metallbauteil auf der entsprechenden Wärmebehandlungslinie bei Herstellung einer zumindest bereichsweisen homogenen intermetallischen Legierungsbeschichtung benötigt zu realisieren. Insbesondere wird beispielsweise eine Aluminium-Siliziumbeschichtung als metallische Vorbeschichtung an dem wärmezubehandelnden, insbesondere warmumzuformenden und presszuhärtenden Metallbauteil genutzt. Im Rahmen der Erfindung kann die Erwärmungsphase zeitlich weiter verkürzt werden, wenn ein Metallbauteil mit einer vorlegierten metallischen Vorbeschichtung hergestellt wird. Unter vorlegiert ist zu verstehen, dass bereits vor der Erwärmungsstation insbesondere beim Stahlproduzenten eine Wärmebehandlung mit Diffusionsvorgängen zwischen Stahlsubstrat und den Elementen der metallischen Beschichtung durchgeführt wird.

[0026] Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:

Figur 1

eine erfindungsgemäße Wärmebehandlungslinie mit einer Temperierstation in Form eines Rollenherdofens und

Figur 2

eine erfindungsgemäße Wärmebehandlungslinie mit einer Temperierstation in Form eines Drehofens.

[0027] In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.

[0028] Figur 1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmebehandlungslinie 1 zur Herstellung von wärmebehandelten Metallbauteilen. Die Wärmebehandlungslinie 1 weist eine Erwärmungsstation 2 in Form von drei nebeneinanderliegenden Kammeröfen 3 auf sowie eine der Erwärmungsstation 2 nachgeschaltete Temperierstation 4. Die Temperierstation 4 selbst ist als Rollenherdofen 5 ausgebildet, so dass der Rollenherdofen 5 eine Aufnahmeseite 6 mit einer nicht näher dargestellten Aufnahmeöffnung sowie eine Entnahmeseite 7 mit einer nicht näher dargestellten Entnahmeöffnung aufweist. Auf die Temperierstation 4 folgt eine Abkühlstation 8, beispielsweise in Form eines Tauchbades. Zwischen den einzelnen Stationen ist jeweils in Industrieroboter 9 eingesetzt, der die nicht näher dargestellten Metallbauteile zwischen den einzelnen Stationen überführt.

[0029] Figur 2 zeigt eine dazu alternative Ausführungsvariante, wobei die Wärmebehandlungslinie 1 wiederum eine Erwärmungsstation 2 aufweist, in der Kammeröfen 3 nebeneinander angeordnet sind. Die Temperierstation 4 selbst ist in Form eines Drehofens 10 ausgebildet, der in Drehrichtung D frei drehbar ist, um einzelne Bauteile über einen Industrieroboter 9 von der Erwärmungsstation 2 in den Drehofen 10 zu überführen und nach einer gewissen Lagerzeit innerhalb des Drehofens 10 aus diesem zu entnehmen und der Abkühlstation 8 zuzuführen.

Bezugszeichen:

[0030] 

1 -

Wärmebehandlungslinie

2 -

Erwärmungsstation

3 -

Kammerofen

4 -

Temperierstation

5 -

Rollenherdofen

6 -

Aufnahmeseite

7 -

Entnahmeseite

8 -

Abkühlstation

9 -

Industrieroboter

10 -

Drehofen

D -

Drehrichtung

Ansprüche

1. Wärmebehandlungslinie (1) zur Herstellung eines wärmebehandelten, insbesondere vorbeschichteten Metallbauteils, wobei eine Erwärmungsstation (2) vorgesehen ist, die das Metallbauteil zumindest bereichsweise auf eine Bauteiltemperatur oberhalb der Austenitisierungstemperatur erwärmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperierstation (4) vorgesehen ist, wobei die Temperierstation (4) zumindest bereichsweise eine Innentemperatur aufweist, die im Wesentlichen der Bauteiltemperatur des Metallbauteils entspricht.

2. Wärmebehandlungslinie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierstation (4) als Durchlaufofen ausgebildet ist, insbesondere weist der Durchlaufofen zumindest bereichsweise die Innentemperatur der Temperierstation (4) auf.

3. Wärmebehandlungslinie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierstation (4) als Kammerofen ausgebildet ist, wobei mehrere Kammeröfen übereinander und/oder nebeneinander gelagert sind und/oder dass der Kammerofen zumindest bereichsweise die Innentemperatur der Temperierstation (4) aufweist.

4. Wärmebehandlungslinie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierstation (4) als Drehofen (10) ausgebildet ist.

5. Wärmebehandlungslinie nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperierstation (4) eine Abkühlstation (8) nachgeschaltet ist, wobei die Abkühlstation (8) bevorzugt als Warmumform- und Presshärtewerkzeug ausgebildet ist.

6. Wärmebehandlungslinie nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlstation (8) als Tauchbad ausgebildet ist.

7. Wärmebehandlungslinie nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Überführung der Metallbauteile zwischen den einzelnen Stationen (2, 4, 8) ein Manipulator, insbesondere ein Industrieroboter (9) vorgesehen ist.

8. Verfahren zum Betreiben einer Wärmebehandlungslinie (1) nach mindestens Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Erwärmungsstation (2) eine Innentemperatur oberhalb der Bauteiltemperatur vorherrscht und in der Temperierstation (4) eine Innentemperatur vorherrscht, die der Bauteiltemperatur entspricht.

9. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Innentemperatur der Erwärmungsstation (2) zwischen 1000 und 1300°C, insbesondere zwischen 1100 und 1200°C eingestellt wird und dass die Innentemperatur der Temperierstation (4) zwischen 800 und 1000°C, bevorzugt zwischen 850 und 950°C eingestellt wird.

10. Verfahren nach den vorhergehenden Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperierstation (4) als Puffer verwendet wird, um Ausfallzeiten und/oder Produktionsunterbrechungen an der Erwärmungsstation (2) und/oder der Abkühlstation (8) auszugleichen.

11. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein vorbeschichtetes Metallbauteil mit einer metallischen Vorbeschichtung zur Erzeugung einer zumindest bereichsweisen intermetallischen Phase wärmebehandelt wird.

12. Verfahren nach einen der vorhergehenden Ansprüchen 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallbauteil bei Erreichen einer IstBauteiltemperatur von 700°C bis 1100°C, bevorzugt 800°C bis 1000°C, insbesondere 850°C bis 950°C aus der Erwärmungsstation (2) entnommen wird und in die Temperierstation (4) überführt wird und in der Temperierstation (4) zumindest bereichsweise auf die Bauteiltemperatur, insbesondere bei mindestens 900°C nacherwärmt wird.

Zeichnung