[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kontaktlosen Kühlen von Stahlblechen und
eine Vorrichtung hierfür.
[0002] Im technischen Bereich werden Kühlungen in vielen Bereichen benötigt, beispielsweise
wenn ebene Platten gekühlt werden müssen, aber auch wenn z. B. Glasflächen bei der
Glasherstellung oder Prozessoreinheiten o. ä. gekühlt werden müssen.
[0003] Bisherige Kühlsysteme sind entweder sehr aufwändig, oder recht einfach gehalten,
z. B. durch das Anblasen von Luft oder mit anderen Fluiden, insbesondere Wasser oder
Öl, wobei hierbei von Nachteil ist, dass sich an der Oberfläche immer ungünstige,
unkontrollierte Strömungsbedingungen ausbilden, die dann zum Problem werden, wenn
eine besondere definierte Kühlung erforderlich ist.
[0004] Insgesamt ist im Stand der Technik davon auszugehen, dass ungünstige Strömungsbedingungen
auf der zu kühlenden ebenen Oberfläche, sogenannter Crossflow, bestehen und diese
heterogene Oberflächentemperaturen erzeugen. Dies ist insbesondere dann von Nachteil,
wenn im Bereich der Oberfläche zur Erzielung homogener Materialeigenschaften auch
homogene Temperaturen notwendig sind. Insbesondere können inhomogene Oberflächentemperaturen
auch zu Verzug führen.
[0005] Aus der
US 5,871,686 ist eine Kühlvorrichtung für sich bewegende Stahlbänder bekannt, bei der eine Mehrzahl
von quer zur Laufrichtung des Stahlbandes befindliche Kühlleisten vorhanden sind und
die Kühlleisten über zum Stahlband gerichtete Kühl drüsen verfügen aus denen ein Kühlfluid
auf das sich bewegende Stahlband aufgestrahlt werden kann.
[0006] Aus der
US 2011/0018178 A1 ist eine vergleichbare Vorrichtung bekannt, bei der jedoch an Stelle von Kühlleisten
mit Düsen, eine Mehrzahl von zum Band gerichteten Kühlzylindern vorhanden sind, an
deren freien Ende Außströmöffnungen für ein auf ein sich bewegendes Stahlband zuführendes
Fluid vorhanden sind.
[0007] Aus der
DE 69833424 T2 ist eine Vorrichtung bekannt, die über eine Vielzahl von Kühlleisten verfügt, die
ebenfalls zu einem sich bewegenden Stahlband hingerichtet sind und in vergleichbarer
Weise wie der bereits genannte Stand der Technik auf das Stahlband mit Strahlen aus
einem Kühlfluid einwirken, wobei das sich bewegende Stahlband mit Rollen gespannt
wird um Bewegungen, die von der unidirektionalen Laufbewegung des Bandes abweichen,
zu verhindern
[0008] Aus der
WO 2007/014406 A1 ist ebenfalls eine Vorrichtung zum Kühlen eines sich bewegenden Metallbandes bekannt,
bei dem mithilfe von Düsen, ein Kühlmedium aus Gaskästen hinaus durch Gaskanäle hindurch
und mittels Düsenleisten aus dem Band führt.
[0009] Darüber hinaus ist mit herkömmlichen Kühlmethoden ein kontrolliertes Erreichen einer
vorgegebenen Zieltemperatur ebenso wenig möglich, wie die systematische Einstellung
von nahezu beliebigen Kühlraten bis zu einer maximal erreichbaren Kühlrate.
[0010] Besondere Schwierigkeiten bestehen dann, wenn unterschiedliche Materialdicken oder
Ausgangstemperaturen auf einer Kühlfläche vorhanden sind, welche auf homogene Temperaturverhältnisse
abgekühlt werden sollen.
[0011] Es ist bekannt, dass insbesondere in Automobilen sogenannte pressgehärtete Bauteile
aus Stahlblech eingesetzt werden. Diese pressgehärteten Bauteile aus Stahlblech sind
hochfeste Bauteile, die insbesondere als Sicherheitsbauteile des Karosseriebereichs
verwendet werden. Hierbei ist es durch die Verwendung dieser hochfesten Stahlbauteile
möglich, die Materialdicke gegenüber einem normalfesten Stahl zu reduzieren und somit
geringe Karosseriegewichte zu erzielen.
[0012] Beim Presshärten gibt es grundsätzlich zwei verschiedene Möglichkeiten zur Herstellung
derartiger Bauteile. Unterschieden wird in das sogenannte direkte und indirekte Verfahren.
[0013] Beim direkten Verfahren wird eine Stahlblechplatine über die sogenannte Austenitisierungstemperatur
aufgeheizt und gegebenenfalls so lange auf dieser Temperatur gehalten, bis ein gewünschter
Austenitisierungsgrad erreicht ist. Anschließend wird diese erhitzte Platine in ein
Formwerkzeug überführt und in diesem Formwerkzeug in einem einstufigen Umformschritt
zum fertigen Bauteil umgeformt und hierbei durch das gekühlte Formwerkzeug gleichzeitig
mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt.
Somit wird das gehärtete Bauteil erzeugt.
[0014] Beim indirekten Verfahren wird zunächst, gegebenenfalls in einem mehrstufigen Umformprozess,
das Bauteil fast vollständig fertig umgeformt. Dieses umgeformte Bauteil wird anschließend
ebenfalls auf eine Temperatur über die Austenitisierungstemperatur erhitzt und gegebenenfalls
für eine gewünschte erforderliche Zeit auf dieser Temperatur gehalten.
[0015] Anschließend wird dieses erhitzte Bauteil in ein Formwerkzeug überführt und eingelegt,
welches schon die Abmessungen des Bauteils bzw. die Endabmessungen des Bauteils, gegebenenfalls
unter Berücksichtigung der Wärmedehnung des vorgeformten Bauteils, besitzt. Nach dem
Schließen des insbesondere gekühlten Werkzeuges wird somit das vorgeformte Bauteil
lediglich in diesem Werkzeug mit einer Geschwindigkeit über der kritischen Härtegeschwindigkeit
abgekühlt und dadurch gehärtet.
[0016] Das direkte Verfahren ist hierbei etwas einfacher zu realisieren, ermöglicht jedoch
nur Formen, die tatsächlich mit einem einzigen Umformschritt zu realisieren sind,
d.h. relativ einfache Profilformen.
[0017] Das indirekte Verfahren ist etwas aufwändiger, dafür aber in der Lage auch komplexere
Formen zu realisieren.
[0018] Zusätzlich zum Bedarf an pressgehärteten Bauteilen entstand der Bedarf, derartige
Bauteile nicht aus unbeschichtetem Stahlblech zu erzeugen, sondern derartige Bauteile
mit einer Korrosionsschutzschicht zu versehen.
[0019] Als Korrosionsschutzschicht kommen im Automobilbau lediglich das eher in geringem
Maße verwendete Aluminium oder Aluminiumlegierungen in Frage oder aber die erheblich
häufiger verlangten Beschichtungen auf der Basis von Zink. Zink hat hierbei den Vorteil,
dass Zink nicht nur eine Barriereschutzschicht wie Aluminium leistet, sondern einen
kathodischen Korrosionsschutz. Zudem passen sich zinkbeschichtete pressgehärtete Bauteile
besser in das Gesamtkorrosionsschutzkonzept der Fahrzeugkarosserien ein, da diese
in heute gängiger Bauweise voll verzinkt sind. Insofern kann Kontaktkorrosion vermindert
oder ausgeschlossen werden.
[0020] Bei beiden Verfahren konnten jedoch Nachteile aufgefunden werden, die auch im Stand
der Technik diskutiert werden. Bei dem direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung
von presshärtenden Stählen mit Zinkbeschichtung kommt es zu Mikro- (10 µm bis 100
µm) oder sogar Makrorissen im Material, wobei die Mikrorisse in der Beschichtung erscheinen
und die Makrorisse sogar durch den vollständigen Blechquerschnitt reichen. Derartige
Bauteile mit Makrorissen sind für die weitere Verwendung ungeeignet.
[0021] Beim indirekten Prozess, d.h. der Kaltumformung mit einer anschließenden Härtung
und Restformung, kann es ebenfalls zu Mikrorissen in der Beschichtung kommen, welche
ebenfalls unerwünscht sind, aber bei weitem nicht so ausgeprägt.
[0022] Zinkbeschichtete Stähle werden bislang - bis auf ein Bauteil im asiatischen Raum
- im direkten Verfahren, d.h. der Warmumformung, nicht eingesetzt. Hier werden vielmehr
Stähle mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung eingesetzt.
[0023] Einen Überblick erhält man in der Veröffentlichung "Corrosion resistance of different
metallic coatings on press hardened steels for automotive", Arcelor Mittal Maiziere
Automotive Product Research Center F-57283 Maiziere-Les-Mez. In dieser Veröffentlichung
wird ausgeführt, dass es für den Warmumformprozess einen aluminierten Bor-Mangan-Stahl
gibt, der unter dem Namen Usibor 1500P kommerziell vertrieben wird. Zudem werden zum
Zwecke des kathodischen Korrosionsschutzes zinkvorbeschichtete Stähle für das Warmumformverfahren
vertrieben, nämlich der verzinkte Usibor GI mit einer Zinkbeschichtung, die geringe
Anteile von Aluminium enthält, und ein sogenannter galvanealed beschichteter Usibor
GA, der eine Zinkschicht mit 10 % Eisen enthält.
[0024] Es wird darauf hingewiesen, dass das Zink-Eisen-Phasendiagramm zeigt, dass oberhalb
von 782°C ein großer Bereich entsteht, in dem flüssige Zink-Eisen-Phasen auftreten,
solange der Eisengehalt gering, insbesondere geringer als 60 % ist. Dies ist jedoch
auch der Temperaturbereich, in dem der austenitisierte Stahl warm umgeformt wird.
Es wird aber auch darauf hingewiesen, dass, wenn die Umformung oberhalb von 782°C
stattfindet, ein großes Risiko der Spannungskorrosion durch flüssiges Zink besteht,
welches vermutlich in die Korngrenzen des Basisstahls eindringt, welche zu Makrorissen
im Basisstahl führt. Darüber hinaus ist bei Eisengehalten geringer als 30 % in der
Beschichtung die Maximaltemperatur zum Umformen eines sicheren Produkts ohne Makrorisse
niedriger als 782°C. Dies ist der Grund, warum hiermit kein direktes Umformverfahren
betrieben wird, sondern dass indirekte Umformverfahren. Hiermit soll das geschilderte
Problem umgangen werden.
[0025] Eine weitere Möglichkeit, dieses Problem zu umgehen, soll darin liegen, galvannealed
beschichteten Stahl zu verwenden, da der zu Beginn schon bestehende Eisengehalt von
10 % und die Abwesenheit einer Fe
2Al
5-Sperrschicht zu einer homogeneren Ausbildung der Beschichtung von überwiegend eisenreichen
Phasen führt. Dies resultiert in einer Verringerung oder Vermeidung von zinkreichen,
flüssigen Phasen.
[0027] Aus der
EP 1 439 240 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines beschichteten Stahlproduktes bekannt, wobei
das Stahlmaterial eine Zink- oder Zinklegierungsbeschichtung aufweist, die auf der
Oberfläche des Stahlmaterials ausgebildet ist und das Stahlbasismaterial mit der Beschichtung
auf eine Temperatur von 700°C bis 1000°C erwärmt und warm umgeformt wird, wobei die
Beschichtung eine Oxidschicht besitzt, die hauptsächlich aus Zinkoxid besteht, bevor
das Stahlbasismaterial mit der Zink- oder Zinklegierungsschicht erwärmt wird, um dann
ein Verdampfen des Zinks beim Erwärmen zu verhindern. Hierfür wird ein spezieller
Verfahrensablauf vorgesehen.
[0028] Aus der
EP 1 642 991 B1 ist ein Verfahren zum Warmumformen eines Stahles bekannt, bei dem ein Bauteil aus
einem gegebenen Bor-Mangan-Stahl auf eine Temperatur am Ac
3-Punkt oder höher erhitzt wird, bei dieser Temperatur gehalten wird und dann das erhitzte
Stahlblech zum fertigen Bauteil umgeformt wird, wobei das geformte Bauteil durch Kühlung
von der Formgebungstemperatur während des Formens oder nach dem Formen in einer solchen
Weise abgeschreckt wird, dass die Abkühlrate zum M
S-Punkt zumindest der kritischen Abkühlrate entspricht und dass die durchschnittliche
Abkühlrate des geformten Bauteils vom M
S-Punkt zu 200°C sich im Bereich von 25°C/s bis 150°C/s befindet.
[0029] Aus der
EP 1 651 789 B1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen von gehärteten Bauteilen aus Stahlblech
bekannt, wobei hierbei Formteile aus einem mit einem kathodischen Korrosionsschutz
versehenen Stahlblech kalt umgeformt werden und eine Wärmebehandlung zum Zwecke der
Austenitisierung folgt, wobei vor, beim oder nach dem Kaltumformen des Formteils ein
Endbeschnitt des Formteils und erforderliche Ausstanzungen oder die Erzeugung eines
Lochbildes vorgenommen werden und die Kaltumformung sowie der Beschnitt und die Ausstanzung
und Anordnung des Lochbildes auf dem Bauteil 0,5 % bis 2 % kleiner ausgeführt werden
als die Dimensionen, die das endgehärtete Bauteil haben soll, wobei das zur Wärmebehandlung
kalt umgeformte Formteil anschließend zumindest teilbereichsweise unter Zutritt von
Luftsauerstoff auf eine Temperatur erhitzt wird, welche eine Austenitisierung des
Stahlwerkstoffes ermöglicht und das erhitzte Bauteil anschließend in ein Werkzeug
überführt wird und in diesem Werkzeug eine sogenannte Formhärtung durchgeführt wird,
bei der durch das Anlegen und Pressen (Halten) des Bauteils durch die Formhärtewerkzeuge
das Bauteil gekühlt und dadurch gehärtet wird und die kathodische Korrosionsschutzbeschichtung
aus einer Mischung aus im Wesentlichen Zink besteht und zudem ein oder mehrere sauerstoffaffine
Elemente enthält. Hierdurch wird an der Oberfläche der Korrosionsschutzbeschichtung
eine Oxidhaut aus den sauerstoffaffinen Elementen während des Aufheizens gebildet,
welche die kathodische Korrosionsschutzschicht, insbesondere die Zinkschicht, schützt.
Zudem wird bei dem Verfahren durch die maßstäbliche Verkleinerung des Bauteils in
Bezug auf seine Endgeometrie die Wärmedehnung des Bauteils berücksichtigt, so dass
beim Formhärten weder eine Kalibrierung noch eine Umformung notwendig sind.
[0030] Aus der
WO 2010/109012 A1 der Anmelderin ist ein Verfahren zum Herstellen partiell gehärteter Stahlbauteile
bekannt, wobei eine Platine aus einem härtbaren Stahlblech einer Temperaturerhöhung
unterworfen wird, welche für eine Abschreckhärtung ausreicht, und die Platine nach
Erreichen einer gewünschten Temperatur und gegebenenfalls einer gewünschten Haltezeit
in ein Umformwerkzeug überführt wird, indem die Platine zu einem Bauteil umgeformt
und gleichzeitig abgeschreckt gehärtet wird, oder die Platine kalt umgeformt wird
und das durch die kalte Umformung erhaltene Bauteil anschließend einer Temperaturerhöhung
unterzogen wird, wobei die Temperaturerhöhung so durchgeführt wird, dass eine Temperatur
des Bauteils erreicht wird, die für eine Abschreckhärtung notwendig ist und das Bauteil
anschließend in ein Werkzeug überführt wird, in dem das erhitzte Bauteil abgekühlt
und dadurch abgeschreckt gehärtet wird, wobei während des Erhitzens der Platine oder
des Bauteils zum Zwecke der Temperaturerhöhung auf eine zum Härten notwendige Temperatur
in den Bereichen, die eine geringere Härte und/oder eine höhere Duktilität besitzen
sollen, Absorptionsmassen anliegen oder mit einem geringen Spalt beabstandet sind,
wobei die Absorptionsmasse bezüglich ihrer Ausdehnung und Dicke, ihrer Wärmeleitfähigkeit
und ihrer Wärmekapazität und/oder hinsichtlich ihres Emissionsgrades gerade so dimensioniert
sind, dass die in dem duktil verbleibendem Bereich auf das Bauteil einwirkende Wärmeenergie
durch das Bauteil hin durch in die Absorptionsmasse fließt, sodass diese Bereiche
kühler bleiben und insbesondere die zum Härten notwendige Temperatur gerade nicht
oder nur teilweise erreichen, sodass diese Bereiche nicht oder nur teilweise gehärtet
werden können.
[0031] Aus der
DE 10 2005 003 551 A1 ist ein Verfahren zur Warmumformung und Härtung eines Stahlblechs bekannt, bei dem
ein Stahlblech auf eine Temperatur über den Ac
3-Punkt erwärmt wird, danach eine Abkühlung auf eine Temperatur im Bereich von 400°C
bis 600°C erfährt und erst nach Erreichen dieses Temperaturbereichs umgeformt wird.
Diese Schrift geht allerdings nicht auf die Rissproblematik bzw. eine Beschichtung
ein, noch wird eine Martensitbildung beschrieben. Ziel der Erfindung ist die Bildung
von Zwischengefüge, sogenanntem Bainit.
[0032] Aus der
EP 2 290 133 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines mit einem metallischen, vor Korrosion schützenden
Überzug versehenen Stahlbauteils durch Formen eines aus einem Mn-Stahl bestehenden
Stahlflachproduktes, das vor dem Formen des Stahlbauteils mit einem ZnNi-Legierungsüberzug
versehen wird, bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Platine auf eine Temperatur
von mind. 800° C erhitzt, wobei sie zuvor mit dem ZiNi-Legierungsüberzug beschichtet
wird. Auf die Problematik des "liquid metal embrittlement" geht diese Druckschrift
nicht ein.
[0033] Aus der
DE 10 2011 053 941 A1 ist ein ähnliches Verfahren bekannt, bei dem jedoch eine Platine oder eine umgeformte
Platine lediglich teilbereichsweise auf eine Temperatur > Ac
3 erhitzt und für eine vorbestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten wird, um die
Austenitbildung durchzuführen und anschließend in ein Härtewerkzeug überführt und
in dem Härtewerkzeug gehärtet wird, wobei die Platine mit einer Geschwindigkeit abgekühlt
wird, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit liegt. Auch das dort verwendete
Material ist ein umwandlungsverzögertes Material, wobei bei dem Zwischenkühlschritt
die heißeren, austenitisierten Bereiche und die weniger heißen, nicht austenitisierten
oder nur teilaustenitisierten Bereiche bezüglich der Temperatur angepasst und die
Platine oder die umgeformte Platine bezüglich der Temperatur homogenisiert wird.
[0034] Aus der
DE 10 2011 053 939 A1 ist ein Verfahren zum Erzeugen gehärteter Bauteile bekannt, wobei hier ein Verfahren
zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils offenbart wird, welches eine Beschichtung
aus Zink oder einer Zinklegierung besitzt. Aus diesem Blech wird eine Platine ausgestanzt
und die ausgestanzte Platine auf eine Temperatur ≥ Ac
3 erhitzt und gegebenenfalls für eine vorbestimmte Zeit bei dieser Temperatur gehalten,
um die Austenitbildung durchzuführen und anschließend in ein Formwerkzeug überführt,
in diesem umgeformt und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der
kritischen Härtegeschwindigkeit liegt, abgekühlt und dadurch gehärtet. Der verwendete
Stahlwerkstoff wird hierbei derart umwandlungsverzögert eingestellt, dass bei einer
Umformtemperatur, die im Bereich von 450°C bis 700°C liegt, eine Abschreckhärtung
durch Umwandlung des Austenits in Martensit stattfindet, wobei nach dem Erhitzen zum
Zwecke der Austenitisierung aber vor dem Umformen ein aktives Kühlen stattfindet,
sodass die Platine von einer Ausgangswärme, die das Austenitisieren sicherstellt,
auf eine Temperatur zwischen 450°C bis 700°C abgekühlt wird, so dass trotz der niedrigen
Temperaturen eine martensitische Härtung stattfindet. Hierdurch soll erzielt werden,
dass möglichst keine Zinkschmelze mit Austenit während der Umformphase, also dem Eintrag
von Spannungen, in Berührung kommt, denn durch die vorgenommene Zwischenkühlung findet
die Umformung unter der peritektischen Temperatur des Systems Eisen-Zink statt. Es
wird erwähnt, dass die Kühlung mit Luftdüsen erfolgen kann, jedoch nicht auf Luftdüsen
beschränkt ist, sondern auch gekühlte Tische oder gekühlte Pressen verwendet werden
können.
[0035] Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Kühlen und insbesondere zum Zwischenkühlen
eines Stahlblechs zum Zwecke der Umformung und Härtung weiter zu verbessern.
[0036] Die Aufgabe wird mit einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
[0037] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0038] Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens
zu schaffen.
[0039] Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
[0040] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den hiervon abhängigen Unteransprüchen gekennzeichnet.
[0041] Erfindungsgemäß wird bei Temperaturen von 20°C bis 900°C eine Abkühlung gewährleistet,
die eine maximale Temperaturschwankung von 30°C innerhalb eines Quadratmeters ermöglicht.
Die verwendeten Kühlmedien sind Luftgase, Mischgase aber auch Wasser oder andere Fluide.
Wenn nachfolgend nur eines dieser Fluide erwähnt wird, steht dies stellvertretend
für alle diese genannten Fluide.
[0042] Erfindungsgemäß soll ein geringer Investitionsaufwand mit geringen Betriebskosten,
einer hohen Systemverfügbarkeit, hoher Flexibilität und der einfachen Integration
in bestehende Produktionsprozesse erreicht werden.
[0043] Erfindungsgemäß wird eine zu kühlende Oberfläche mittels Roboter oder Linearantrieben
in der X-, Y- oder Z-Ebene bewegt, wobei eine beliebige Vorgabe der Bewegungstrajektorien
und Geschwindigkeiten der zu kühlenden Oberflächen möglich ist. Bevorzugt ist hierbei
die Oszillation um eine Ruhelage in der X- und Y-Ebene. Die weitere Oszillation in
der Z-Ebene (also der Höhe) ist optional möglich.
[0044] Ebenso ist eine ein- oder beidseitige Kühlung ohne weiteres möglich.
[0045] Die erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen besitzen Düsen, die voneinander beabstandet
sind, wobei die Düsen nicht nur voneinander beabstandet sind, sondern auch von einem
Kasten, Träger oder sonstigen Oberflächen beabstandet angeordnet sind.
[0046] Die Kühleinrichtungen sind dabei dementsprechend so ausgeführt, dass das von der
heißen Platte abströmende Medium ausreichend Raum und Platz zwischen den Düsen vorfindet
und zwischen den Düsen effektiv abgeführt werden kann und somit kein Crossflow bzw.
Querströmungen auf der zu kühlenden Oberfläche entstehen.
[0047] Die Zwischenräume zwischen den Düsen können hierbei mit einer zusätzlichen Querströmung
beaufschlagt werden, um die Kühlrate zu erhöhen und damit das Kühlmedium, das von
der heißen Platte abströmt, effektiv abzuführen, also quasi abzusaugen. Diese Querströmung
sollte jedoch nicht das anströmende Kühlmedium von der Düse zur Platte, also den Freistrahl,
beeinträchtigen.
[0048] Die Kühleinrichtung kann dabei über Kühlschwerter verfügen, die sich von einem Kühlkasten
wegerstrecken und an ihren freien Enden oder ihren freien Kanten eine Reihe von Düsen
besitzen.
[0049] Darüber hinaus kann die Kühleinrichtung auch durch einzelne, von einer Trägeroberfläche
wegstehende Kühlsäulen ausgebildet sein, wobei diese Kühlsäulen an ihrer von der Trägeroberfläche
wegweisenden Fläche oder Spitze zumindest je eine Düse tragen. Die Kühlsäulen können
dabei einen zylindrischen oder sonstigen Querschnitt besitzen, wobei der Querschnitt
der Kühlsäulen auch an gewünschte Querströmungen angepasst und oval, flach tragflächenartig,
mehreckig oder ähnlich ausgebildet sein kann.
[0050] Selbstverständlich sind auch Mischformen möglich, bei denen die Kühlschwerter nicht
durchgehend, sondern unterbrochen ausgebildet sind oder, bei breit oval ausgeführten
Kühlsäulen, mehrere Düsen an einer Säulenspitze austreten.
[0051] Die Geometrie der Düsenöffnungen bzw. der Ausströmöffnungen der Düsen reicht von
einfachen runden Geometrien bis hin zu komplexen geometrisch definierten Ausführungen.
[0052] Vorzugsweise sind die Düsen oder Düsenreihen versetzt zueinander angeordnet, so dass
auch die Kühlsäulen oder Schwerter so versetzt zueinander angeordnet sind, dass die
Düsen ein versetztes oder sonstiges Muster bilden. Dies gilt insbesondere bei beidseitiger
Kühlung auch für die Anordnung der Düsen oder Düsenreihen der Oberseite zu denen der
Unterseite.
[0053] Die Düsen sind bevorzugt derart ansteuerbar ausgebildet, dass die Strömung durch
die Düse begrenzt und gegebenenfalls sogar abgeschaltet werden kann. Beispielsweise
sind für jede Düse einzelne, ansteuerbare Stifte vorhanden, die den Gasdurchtritt
begrenzen können. Eine unterschiedliche Kühlwirkung kann beispielsweise auch dadurch
erreicht werden, das der Abstand von Düsenaustrittsöffung zur zu kühlenden Oberfläche,
z. B durch unterschiedliche Kühlsäulenhöhen, unterschiedlich eingestellt wird. Der
Vorteil dieser Methode liegt in der gleichbleibenden Strömung je Düse und damit in
gut vorhersehbaren Strömungsverhältnissen, da sich die Strömungswiderstände durch
die Höhenänderungen nahezu nicht verändern.
[0054] Erfindungsgemäß folgt das zu bevorzugende Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche
einer wabenähnlichen Struktur.
[0055] Erfolgt die Kühlung mit zumindest einem Kühlschwert, ist das Kühlschwert ein plattenähnliches
Element, welches sich zusätzlich von einer Basis zu einer Ausströmleiste hin verjüngen
kann, wobei in der Ausströmleiste mindestens eine Düse eingebracht ist. Das Schwert
ist hierbei hohl ausgebildet, sodass die Düse aus dem hohlen Schwert heraus mit einem
Kühlfluid versorgt werden kann. Die Düsen können voneinander mit keilartigen Elementen
räumlich beabstandet sein, wobei die keilartigen Elemente auch den Raum für das strömende
Fluid zur Düse hin verengen können.
[0056] Hierdurch kommt es insbesondere zu einer Verdrehung des ausströmenden Fluidstrahls.
[0057] Vorzugsweise ist eine Mehrzahl von Schwertern nebeneinander angeordnet, wobei die
Schwerter zueinander versetzt sind.
[0058] Durch die versetzte Anordnung erfolgt eine Kühlung ebenfalls mit versetzten Punkten
zueinander, wobei die Punkte ineinanderlaufend homogen kühlen und das ausgeströmte
Fluid in den Bereich zwischen zwei Schwertern eingesaugt und abgeführt wird.
[0059] Bevorzugt gelten die folgenden Bedingungen:
Hydraulischer Durchmesser Düse = DH, wobei DH = 4 x A / U
Abstand Düse zu Körper = H
Abstand zwischen zwei Kühlschwerter/Kühlsäulen = S
Länge der Düse = L
L >= 6 x DH
H <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH
S <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH (staggered array)
Oszillation = halbe Teilung des Abstand zwischen zwei Kühlschwerter in X, Y (evtl.
Z)
Erfolgt die Kühlung mit Kühlsäulen, sind diese in entsprechender Weise angeordnet.
[0060] Vorzugsweise wird das zu kühlende Element, z. B. eine zu kühlende Platte, hierbei
bewegt, sodass die Bewegung der Platte einerseits und die versetzte Anordnung der
Düsen andererseits dafür sorgt, dass das Kühlfluid alle Bereiche der Platte überströmt,
sodass eine homogene Kühlung erzielt wird.
[0061] Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. Es zeigen dabei:
- Figur 1
- eine Draufsicht auf eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten Düsenschwertern;
- Figur 2
- die Anordnung der Düsenschwerter gemäß des Schnittes A-A in Figur 1;
- Figur 3
- einen Längsschnitt durch ein Düsenschwert entsprechend der Schnittlinie C-C in Figur
2;
- Figur 4
- die Detailvergrößerung D aus Figur 3 zeigend die Düsen;
- Figur 5
- die Anordnung der Düsenschwerter in einer schematischen perspektivischen Ansicht;
- Figur 6
- eine Detailvergrößerung des Randbereichs der Düsenschwerter mit einem Versatz innerhalb
der Schwertanordnung;
- Figur 7
- eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Anordnung von Kühlschwertern,
welche in einem Kühlblock zusammengefasst sind;
- Figur 8
- die Anordnung nach Figur 7 in einer perspektivischen Ansicht auf die Rückseite;
- Figur 9
- eine Ansicht von erfindungsgemäßen Kühlschwertern in deren Innenraum;
- Figur 10
- stark schematisiert eine perspektivische Ansicht auf eine Anordnung von Düsensäulen
an einem Rahmen;
- Figur 11
- die Ausführungsform nach Fig. 10 in einer Draufsicht;
- Figur 12
- die Anordnung nach den Figuren 10 und 11 in einer seitlichen Ansicht;
- Figur 13
- die Ausführungsform nach den Figuren 10 bis 12 mit Kühlkasten;
- Figur 14
- angedeutet die Kühlschwerter mit den Düsen, wobei eine zu kühlende Platte mit der
Temperaturverteilung und der Fluidtemperaturverteilung gezeigt ist;
- Figur 15
- die Anordnung nach Figur 10, zeigend die Geschwindigkeitsverteilung;
- Figur 16
- schematisch die Anordnung zweier gegenüberliegender Kühlkästen aus einer Mehrzahl
von versetzt zueinander angeordneten erfindungsgemäßen Kühlschwertern und einem Bewegungsschlitten
zum Hindurchbewegen eines zu kühlenden Objekts;
- Figur 17
- die Temperaturverteilung auf einer Platine, die mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
gekühlt wurde;
- Figur 18
- ein strukturiertes abgekühltes Bauteil;
- Figur 19
- die Zeit-Temperaturkurve bei der Abkühlung zwischen Ofen und Umformung;
- Figur 20
- das Zink-Eisen-Diagramm, mit entsprechenden Abkühlkurven für Bleche mit unterschiedlich
aufgeheizten Bereichen.
[0062] Eine mögliche Ausführungsform wird nachfolgend beschrieben.
[0063] Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung 1 besitzt Kühleinrichtungen 2, 15, welche Düsen
10 besitzen, die voneinander beabstandet sind, wobei die Düsen 10 nicht nur voneinander
beabstandet sind, sondern auch von einem Kasten 16, einem Träger oder sonstigen, die
Kühleinrichtungen 2, 15 tragenden Oberflächen beabstandet angeordnet sind.
[0064] Die Kühleinrichtungen 2, 15 sind dabei dementsprechend so ausgeführt, dass das von
der heißen Platte abströmende Medium ausreichend Raum und Platz zwischen den Düsen
10 vorfindet und zwischen den Düsen quasi eintauchen kann und somit kein Crossflow
bzw. Querströmungen auf der zu kühlenden Oberfläche entstehen.
[0065] Die Zwischenräume zwischen den Düsen 10 können hierbei mit einer zusätzlichen Querströmung
beaufschlagt werden, um die Kühlrate zu erhöhen und damit das Kühlmedium, das von
der heißen Platte abströmt, quasi abzusaugen. Diese Querströmung sollte jedoch nicht
das anströmende Kühlmedium von der Düse zur Platte, also den Freistrahl, beeinträchtigen.
[0066] Die Kühlvorrichtung 1 kann dabei als Kühleinrichtung 2 über zumindest ein Kühlschwert
2 verfügen, das sich von einem Kühlkasten 16 wegerstreckt und an seinen freien Enden
oder seiner freien Kante 6 eine Reihe von Düsen 10 besitzt.
[0067] Darüber hinaus kann die Kühleinrichtung auch durch einzelne, von einer Oberfläche
wegstehende Kühlsäulen 15 ausgebildet sein, wobei diese Kühlsäulen 15 an ihrer von
der Oberfläche wegweisenden Fläche oder Spitze 17 zumindest je eine Düse 10 tragen.
Die Kühlsäulen 15 können dabei einen zylindrischen oder sonstigen Querschnitt besitzen,
wobei der Querschnitt der Kühlsäulen 15 auch an gewünschte Querströmungen angepasst
und oval, flach tragflächenartig oder ähnlich ausgebildet sein kann.
[0068] Selbstverständlich sind auch Mischformen möglich, bei denen die Kühlschwerter 2 nicht
durchgehend sondern unterbrochen ausgebildet sind oder, bei breit oval ausgeführten
Kühlsäulen 15, mehrere Düsen 10 an einer Säulenspitze austreten. Eine weitere denkbare
Alternative wäre die Verbindung von mehreren Kühlsäulen durch Leitbleche um eine Beeinflussung
des Querstroms zu ermöglichen.
[0069] Die Geometrie der Düsenöffnungen bzw. der Ausströmöffnungen der Düsen reicht von
einfachen runden Geometrien bis hin zu komplexen geometrisch definierten Ausführungen.
[0070] Vorzugsweise sind die Düsen 10 oder Düsenreihen versetzt zueinander angeordnet, so
dass auch die Kühlsäulen 15 oder Schwerter 2 so versetzt zueinander angeordnet sind,
dass die Düsen 10 ein versetztes oder sonstiges Muster bilden.
[0071] Eine beispielhafte erfindungsgemäße Vorrichtung zum Kühlen 1 besitzt zumindest ein
Kühlschwert 2. Das Kühlschwert 2 ist lang gestreckt klappenartig ausgebildet und besitzt
eine Kühlschwertbasis 3, zwei sich von der Kühlschwertbasis weg erstreckende Kühlschwertbreitseiten
4, zwei Kühlschwertschmalseiten 5, welche die Kühlschwertbreitseiten verbinden, und
eine freie Düsenkante 6.
[0072] Das Kühlschwert 2 ist hohl mit einem Kühlschwerthohlraum 7 ausgebildet, wobei der
Hohlraum von den Kühlschwertbreitseiten 4, den Kühlschwertschmalseiten 5 und der Düsenkante
6 umschlossen wird, wobei das Kühlschwert an der Basis 3 offen ist. Mit der Kühlschwertbasis
3 ist das Kühlschwert in einen Rahmen 8 eingesetzt, wobei der Rahmen 8 auf einen hohlen
Fluidzuführkasten 16 aufsetzbar ist.
[0073] Im Bereich der Düsenkante 6 ist eine Mehrzahl von Düsen 10 bzw. Öffnungen eigebracht,
welche in den Hohlraum 7 reichen und somit das Ausströmen von Fluid aus dem Hohlraum
nach außen durch die Düsen 10 hindurch ermöglicht.
[0074] Von den Düsen 10 erstrecken sich Düsenkanäle 11 in den Hohlraum 7 hinein, welche
die Düsen 10 zumindest im Bereich der Düsenkante 6 räumlich voneinander trennen. Die
Düsenkanäle 11 sind dabei im Querschnitt vorzugsweise keilförmig ausgebildet, sodass
die Düsenkanäle bzw. Düsen durch keilförmige Stege 12 voneinander getrennt sind. Vorzugsweise
sind die Düsenkanäle dabei so ausgebildet, dass sie sich zum Hohlraum 7 hin erweitern,
sodass ein einströmendes Fluid durch die Verengung der Düsenkanäle beschleunigt wird.
[0075] Die Kühlschwertbreitseiten 4 können von der Kühlschwertbasis 3 zur Düsenkante 6 hin
konvergierend ausgebildet sein, sodass der Hohlraum 7 sich zur Düsenkante 6 hin verengt.
[0076] Zudem können die Kühlschwertschmalseiten 5 konvergierend oder divergierend ausgebildet
sein.
[0077] Vorzugsweise sind zumindest zwei Kühlschwerter 2 vorhanden, welche bezüglich der
Breitseiten parallel zueinander angeordnet sind, wobei die Kühlschwerter 2 bezüglich
des Abstandes der Düsen 10 um einen halben Düsenabstand zueinander versetzt sind.
[0078] Darüber hinaus können auch mehr als zwei Kühlschwerter 2 vorhanden sein.
[0079] Die Düsen 10 können, bezogen auf die Erstreckung der Düsenkante 6, ebenfalls länglich
fluchtend zur Düsenkante 6 ausgebildet sein, die Düsen 10 können jedoch auch rund,
oval fluchtend zur Düsenkante 6 oder oval quer zur Düsenkante, sechs-, acht- oder
mehreckig ausgebildet sein.
[0080] Insbesondere wenn die Düsen 10, bezogen auf die Längserstreckung der Düsenkante,
ebenfalls länglich ausgebildet sind, insbesondere länglich oval oder länglich vieleckig,
ergibt sich eine Drehung eines austretenden Fluidstrahls (Figuren 10, 11), wobei sich
durch eine versetzte Anordnung um einen halben Düsenabstand ein Kühlmuster auf einem
plattenartigen Körper ergibt (Figur 10), welche entsprechend versetzt ist.
[0081] Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform (Figuren 10 bis 13) ist auf dem
Rahmen 8 eine Mehrzahl von vorstehenden Kühlsäulen 15 oder Zylindern 15 angeordnet,
welche an ihrer freien äußeren Spitze 17 oder Fläche 17 zumindest je eine Düse 10
tragen. Dieser Rahmen 8 ist ebenfalls in einem Kühlkasten 16 (Fig. 13) eingesetzt,
so dass in den Kühlkasten 16 einströmendes Fluid aus den jeweiligen Kühlsäulen 15
und den Düsen 10 austritt. Gegenüber den Kühlschwertern 2 sind bei dieser Ausführungsform
somit die Düsen 10 quasi vereinzelt, wobei die zuvor zu den Düsen 10 und ihrer Geometrie
und bezüglich der Düsenkanäle 11 gemachten Aussagen auf diese Ausführungsform ebenso
zutreffen.
[0082] In den Düsenkanälen 11 können Einrichtungen vorhanden sein, die durch axiales Verschieben
den effektiven Düsenquerschnitt verringern können und damit den Gasstrom beeinflussen.
Als derartige Einrichtungen sind beispielsweise Stifte geeignet, welche einen Querschnitt
besitzen, der dem Querschnitt der Düse im Austrittsbereich entspricht, wobei die Stifte
an eine Form des Düsenkanals 11, beispielsweise eine konische Form, angepasst sein
können. Die Stifte können einzeln verschiebbar derart ausgebildet sein, dass sie bei
dem Vorschieben in den Düsenkanal den effektiven Düsenquerschnitt bzw. Düsenkanalquerschnitt
verringern und damit den Gasstrom und die Strömungsgeschwindigkeit beeinflussen.
[0083] Bei vollständigem Einschieben eines Stiftes wird die Düse 10 vorzugsweise vollständig
verschlossen.
[0084] Die Stifte der Düsen 10 können einzeln, reihenweise, schwertweise oder in sonstiger
Weise gruppiert angesteuert werden, wodurch es möglich ist, ein gewisses Strömungsprofil
in der Kühleinrichtung so auszubilden, dass ein zu kühlendes Objekt nicht gleichmäßig,
sondern unterschiedlich stark gekühlt wird.
[0085] Alternativ zu Stiften können hierfür auch Blenden oder Schablonen mit beliebigen
Ausgestaltungsformen vorgesehen sein, welche das gewünschte Strömungsprofil am zu
kühlenden Objekt sicherstellen.
[0086] Zur Beeinflussung der Abkühlrate wäre auch eine partielle Veränderung der Länge bzw.
Höhe der Kühlschwerter bzw. Kühlsäule denkbar.
[0087] Diese Beeinflussung der Abkühlung ist für viele Anwendungszwecke vorteilhaft, einerseits
zur unterschiedlichen Abkühlung von ebenen Platinen um Bereiche mit unterschiedlichen
mechanischen Eigenschaften zu schaffen, aber auch für tailor-welded blanks (TWB),
tailor-rolled blanks (TRB) oder tailored heated blanks(THB) um die unterschiedlich
dicken Blechabschnitte bzw. die unterschiedlich temperierten Blechbereiche mit einer
jeweils angepassten Abkühlrate zu kühlen um ein homogen temperiertes Objekt zu erhalten.
[0088] Auch das entsprechende Geschwindigkeitsprofil ergibt eine entsprechende Verteilung
(Figur 15).
[0089] Erfindungsgemäß hat sich herausgestellt, dass aus den Düsen 10 ausströmendes Fluid
zwar auf die Oberfläche eines zu kühlenden Körpers prallt (Figuren 10, 11), jedoch
offensichtlich zwischen den zumindest zwei Schwertern 2 bzw. Kühlsäulen 15 der Kühlvorrichtung
1 eintauchend abfließt, sodass die Kühlströmung an der Oberfläche eines zu kühlenden
Körpers nicht gestört wird.
[0090] Eine Vorrichtung zum Kühlen 1 (Figur 12) besitzt z. B. zwei Anordnungen von Kühlschwertern
2 oder zwei Reihen von Kühlsäulen 15 in einem Rahmen 8, wobei die Rahmen 8 mit entsprechenden
Fluidzuführungen 14 und insbesondere auf der den Kühlschwertern 2 oder Kühlsäulen
15 abgewandten Seite mit einem Fluidkasten 16 ausgebildet sind, in dem unter Druck
stehendes Fluid vorhanden ist, insbesondere durch die Zuführung unter Druck stehenden
Fluids.
[0091] Zusätzlich ist eine Bewegungseinrichtung 18 vorhanden, wobei die Bewegungseinrichtung
18 so ausgebildet ist, dass sie einen zu kühlenden Körper zwischen den gegenüberliegenden
Kühlschwertanordnungen so hindurchführen kann, dass auf den zu kühlenden Körper beidseitig
kühlend eingewirkt werden kann. Als Bewegungseinrichtung einer Serienpresshärteanlage
kann z. B. die Transfereinrichtung zwischen Ofen und Presse beispielsweise mittels
Roboter oder Linearantrieb verwendet werden. In einer bevorzugten Ausführung muss
dabei der zu kühlende Körper durch die Bewegungseinrichtung nicht abgesetzt bzw. es
muss nicht umgegriffen werden d.h. die Kühlung erfolgt im gegriffenen Zustand des
zu kühlenden Körpers auf dem Weg von Ofen zu Presse.
[0092] Die Abstände der Düsenkanten 6 zum zu kühlenden Körper betragen dabei z. B. 5 mm
bis 250 mm.
[0093] Durch eine Relativbewegung entweder der Vorrichtung zum Kühlen 1 zu einem zu kühlenden
Körper oder umgekehrt bewegt sich das Kühlmuster gemäß Figur 10 über die Oberfläche
des zu kühlenden Körpers, wobei das von dem heißen Körper abströmende Medium zwischen
den Kühlschwertern 2 oder Kühlsäulen 15 ausreichend Raum vorfindet um abzuströmen
und somit kein Crossflow auf der zu kühlenden Oberfläche entsteht.
[0094] Erfindungsgemäß können die Zwischenräume mit entsprechenden Strömungsmitteln mit
einer zusätzlichen Querströmung beaufschlagt werden, um das auf den heißen Körper
strömende Medium zwischen den Schwertern abzusaugen.
[0095] Erfindungsgemäß wird ein üblicher Bor-Manganstahl beispielsweise ein 22MnB5 oder
20MnB8 zur Verwendung als presshärtender Stahlwerkstoff bezüglich der Umwandlung des
Austenits in andere Phasen verwendet, bei dem sich die Umwandlung in tiefere Bereiche
verschiebt und Martensit gebildet werden kann.
[0096] Für die Erfindung sind somit Stähle dieser Legierungszusammensetzung geeignet (alle
Angaben in Masse-%):
C [%] |
Si [%] |
Mn [%] |
P [%] |
S [%] |
Al [%] |
Cr [%] |
Ti [%] |
B [%] |
N [%] |
0,20 |
0,18 |
2,01 |
0,0062 |
0,001 |
0,054 |
0,03 |
0,032 |
0,0030 |
0,0041 |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen,
wobei als Umwandlungsverzögerer in derartigen Stählen insbesondere die Legierungselemente
Bor, Mangan, Kohlenstoff und optional Chrom und Molybdän verwendet werden.
[0097] Für die Erfindung sind auch Stähle der allgemeinen Legierungszusammensetzung geeignet
(alle Angaben in Masse-%):
Kohlenstoff (C) |
0,08-0,6 |
Mangan (Mn) |
0,8-3,0 |
Aluminium (Al) |
0,01-0,07 |
Silizium (Si) |
0,01-0,5 |
Chrom (Cr) |
0,02-0,6 |
Titan (Ti) |
0,01-0,08 |
Stickstoff (N) |
< 0,02 |
Bor (B) |
0,002-0,02 |
Phosphor (P) |
< 0,01 |
Schwefel (S) |
< 0,01 |
Molybdän (Mo) |
< 1 |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
[0098] Insbesondere als geeignet erwiesen haben sich Stahlanordnungen wie folgt (alle Angaben
in Masse-%):
Kohlenstoff (C) |
0,08-0,30 |
Mangan (Mn) |
1,00-3,00 |
Aluminium (Al) |
0,03-0,06 |
Silizium (Si) |
0,01-0,20 |
Chrom (Cr) |
0,02-0,3 |
Titan (Ti) |
0,03-0,04 |
Stickstoff (N) |
< 0,007 |
Bor (B) |
0,002-0,006 |
Phosphor (P) |
< 0,01 |
Schwefel (S) |
< 0,01 |
Molybdän (Mo) |
< 1 |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
[0099] Durch die Einstellung der als Umwandlungsverzögerer wirkenden Legierungselemente
wird eine Abschreckhärtung, d. h. eine rasche Abkühlung mit einer über der kritischen
Härtegeschwindigkeit liegenden Abkühlgeschwindigkeit auch noch unter 780°C, sicher
erreicht. Dies bedeutet, dass in diesem Fall unterhalb des Peritektikums des Systems
Zink-Eisen gearbeitet wird, d. h. erst unterhalb des Peritektikums mechanische Spannung
aufgebracht wird. Dies bedeutet ferner, dass in dem Moment, in dem mechanische Spannung
aufgebracht wird, keine flüssigen Zinkphasen mehr vorhanden sind, welche mit dem Austenit
in Kontakt kommen können. Ein weiterer Vorteil der Einstellung einer höheren Umwandlungsverzögerung
ist die dadurch mögliche längere Transferzeit zwischen Kühleinrichtung und Umformpresse,
die aufgrund von Wärmeleitung innerhalb des zu kühlenden Körpers zu einer zusätzlichen
Vergleichmäßigung der Temperatur genutzt werden kann.
[0100] In Figur 19 erkennt man einen günstigen Temperaturverlauf für ein austenitisiertes
Stahlblech, wobei erkennbar ist, dass nach dem Aufheizen auf eine Temperatur über
der Austenitisierungstemperatur und dem entsprechenden Verbringen in eine Kühleinrichtung
bereits eine gewisse Abkühlung stattfindet. Anschließend folgt ein rascher Zwischenkühlschritt.
Der Zwischenkühlschritt wird vorteilhafterweise mit Abkühlgeschwindigkeiten mit mindestens
15 K/s, vorzugsweise mindestens 30 K/s, weiter bevorzugt mindestens 50 K/s, durchgeführt.
Anschließend wird die Platine in die Presse transferiert und die Umformung und Härtung
durchgeführt.
[0101] In Figur 20 erkennt man im Eisen-Kohlenstoff-Diagramm, wie beispielsweise eine Platine
mit unterschiedlich heißen Bereichen entsprechend behandelt wird. Hierbei erkennt
man für die heißen, zu härtenden Bereiche eine hohe Starttemperatur zwischen 800°C
und 900°C während die weichen Bereiche auf eine Temperatur unter 700°C aufgeheizt
worden sind und insbesondere dann für eine Härtung nicht zur Verfügung stehen. Einen
Temperaturangleich erkennt man bei einer Temperatur von etwa 550°C oder etwas darunter,
wobei nach einer verstärkten Abkühlung der heißeren Bereiche auch die Temperatur der
weicheren Bereiche eine rasche Abkühlung mit etwa 20 K/s erfährt.
[0102] Für die Zwecke der Erfindung ist es dabei ausreichend, wenn die Temperaturangleichung
so durchgeführt wird, dass noch Differenzen in den Temperaturen der (vormals) heißen
Bereiche und der (vormals) kälteren Bereiche bestehen, die 75°C, insbesondere 50°C
nicht überschreiten (in beide Richtungen).
[0103] Bei einer homogen aufgeheizten Platine erfolgt die Zwischenkühlung vorzugsweise derart,
dass die Platine in die Abkühlvorrichtung verbracht wird und mit den Düsen der Kühlschwerter
homogen mit einem gasförmigen Kühlmedium angeströmt und auf eine einheitliche, tiefere
Temperatur abgekühlt wird.
[0104] Für den Fall, dass eine Platine nur teilbereichsweise auf Austenitisierungstemperatur
aufgeheizt wurde, werden die Düsen bzw. die Kühlschwerter derart angesteuert und insbesondere
die Düsen mittels der Einrichtungen bzw. Stifte so angesteuert, dass nur die heißen
Bereiche auf mindestens die peritektische Temperatur des Zink-Eisen-Diagramms abgekühlt
werden und die übrigen Bereiche gegebenenfalls weniger oder nicht angeströmt werden,
um eine Vergleichmäßigung der Temperatur in der Platine zu erreichen. Hiermit wird
sichergestellt, dass eine bezüglich der Temperatur homogene Platine in die Umform-
und Abschreckeinrichtung eingelegt wird.
[0105] Darüber hinaus können Platinen verarbeitet werden, die aus unterschiedlichen Blechen,
d.h. Bleche unterschiedlicher Stahlgüte oder Bleche unterschiedlicher Dicke, ausgebildet
sind. Beispielsweise wird eine zusammengesetzte Platine, die aus unterschiedlichen
Blechen unterschiedlicher Dicke zusammengefügt ist, auch unterschiedlich abgekühlt
werden müssen, da ein dickeres Blech gleicher Temperatur stärker abgekühlt werden
muss als ein entsprechend dünneres Blech. Mit der Vorrichtung kann somit auch eine
Platine mit unterschiedlichen Blechdicken, egal ob diese durch unterschiedlich dicke
zusammengesetzte bzw. zusammengeschweißte Blechstücke oder durch unterschiedliche
Walzdicken ausgebildet ist, rasch homogen zwischengekühlt werden.
[0106] Bei der Erfindung ist von Vorteil, dass eine homogene Kühlung von heißen Elementen
möglich ist, welche kostengünstig ist und eine hohe Variabilität hinsichtlich der
Zieltemperatur und möglicher Durchlaufzeiten besitzt.
[0107] Bei der Erfindung ist zudem von Vorteil, dass eine Stahlblechplatine über ihren gesamten
Bereich oder teilbereichsweise sehr exakt und mit hoher Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit
vor dem Einlegen in ein Umformwerkzeug oder ein Formhärtewerkzeug sehr zuverlässig
zwischengekühlt werden kann.
Bezugszeichen
[0108]
- 1
- Vorrichtung zum Kühlen
- 2
- Kühlschwert
- 3
- Kühlschwertbasis
- 4
- Kühlschwertbreitseiten
- 5
- Kühlschwertschmalseiten
- 6
- Düsenkante
- 7
- Hohlraum
- 8
- Rahmen
- 10
- Düsen
- 11
- Düsenkanäle
- 12
- keilförmige Stege
- 14
- Fluidzuführungen
- 15
- Säulen
- 16
- Kasten
- 17
- Säulenkante/Spitze
- 18
- Bewegungseinrichtung
1. Verfahren zum Herstellen eines gehärteten Stahlbauteils, wobei eine Platine ausgestanzt
wird und die ausgestanzte Platine entweder vollständig oder teilbereichsweise auf
eine Temperatur ≥Ac3 erhitzt und ggf. bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird,
um die Austenitbildung durchzuführen, und anschließend die vollständig oder teilbereichsweise
aufgeheizte Platine in ein Formwerkzeug überführt wird, in dem Formwerkzeug umgeformt
wird und in dem Formwerkzeug mit einer Geschwindigkeit, die über der kritischen Härtegeschwindigkeit
liegt, abgekühlt und dadurch gehärtet wird, oder fertig kalt umgeformt wird und die
umgeformte Platine vollständig oder teilbereichsweise auf eine Temperatur >Ac3 erhitzt und gegebenenfalls bei dieser Temperatur für eine vorbestimmte Zeit gehalten
wird, um die Austenitbildung durchzuführen, und anschließend die vollständig oder
teilbereichsweise aufgeheizte und umgeformte Platine in ein Härtewerkzeug überführt
wird, in dem Härtewerkzeug mit einer Geschwindigkeit gehärtet wird, die über der kritischen
Härtegeschwindigkeit liegt, wobei der Stahlwerkstoff derart umwandlungsverzögert eingestellt
ist, dass bei einer Umformtemperatur, die im Bereich von 450°C bis 700°C liegt, eine
Abschreckhärtung durch Umwandlung des Austenits in Martensit stattfindet, wobei nach
dem Erhitzen und vor dem Umformen ein aktives Kühlen stattfindet, bei dem die Platine
oder Teile der Platine oder die umgeformte Platine oder Bereiche hiervon mit einer
Abkühlgeschwindigkeit >15K/s abgekühlt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum homogenen, kontaktlosen Kühlen der heißen Platinen oder Bauteile eine Kühlvorrichtung
(1) und ein Objekt mit einer heißen Oberfläche relativ zueinander bewegt werden, wobei
die Kühlvorrichtung (1) über zumindest zwei parallele, beabstandete Kühlschwerter
(2) oder Kühlsäulen (15) verfügt, wobei die Kühlschwerter (2) oder Kühlsäulen (15)
zur zu kühlenden Platine oder zum zu kühlenden Bauteil hin eine Düsenkante (6, 17)
mit Düsen (10) besitzen, wobei ein Kühlfluid durch die Düsen (10) auf die Oberfläche
der Platine oder des Bauteils gelenkt wird und das Kühlfluid in den Zwischenraum zwischen
den Schwertern (2) oder Kühlsäulen (15) nach der Kontaktierung der heißen Oberfläche
abströmt, wobei das Kühlschwert (2) und/oder die Kühlsäulen (15) bzw. die Vorrichtung
zum Kühlen Einrichtungen (18) besitzt, mit denen die Vorrichtung um die X-, Y- oder
Z-Achse schwingbar oder oszillierend ausgebildet ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stahlwerkstoff als Umwandlungsverzögerer die Elemente Bor, Mangan und Kohlenstoff
und optional Chrom und Molybdän enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff mit folgender Analyse verwendet wird (alle Angaben in Masse-%):
Kohlenstoff (C) |
0,08-0,6 |
Mangan (Mn) |
0,8-3,0 |
Aluminium (Al) |
0,01-0,07 |
Silizium (Si) |
0,01-0,5 |
Chrom (Cr) |
0,02-0,6 |
Titan (Ti) |
0,01-0,08 |
Stickstoff (N) |
< 0,02 |
Bor (B) |
0,002-0,02 |
Phosphor (P) |
< 0,01 |
Schwefel (S) |
< 0,01 |
Molybdän (Mo) |
< 1 |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlwerkstoff mit folgender Analyse verwendet wird (alle Angaben in Masse-%):
Kohlenstoff (C) |
0,08-0,30 |
Mangan (Mn) |
1,00-3,00 |
Aluminium (Al) |
0,03-0,06 |
Silizium (Si) |
0,01-0,20 |
Chrom (Cr) |
0,02-0,3 |
Titan (Ti) |
0,03-0,04 |
Stickstoff (N) |
0,007 |
Bor (B) |
0,002-0,006 |
Phosphor (P) |
< 0,01 |
Schwefel (S) |
< 0,01 |
Molybdän (Mo) |
< 1 |
Rest Eisen und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Platine in einem Ofen auf eine Temperatur >Ac3 aufgeheizt wird und für eine vorbestimmte Zeit gehalten wird und anschließend die
Platine auf eine Temperatur zwischen 500°C und 600°C abgekühlt wird, um eine Verfestigung
der Zinkschicht zu erzielen, und anschließend in das Formwerkzeug überführt und dort
umgeformt wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung so durchgeführt wird, dass die Abkühlrate >30 K/s beträgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung so durchgeführt wird, dass die Abkühlung mit mehr als 50 K/s stattfindet.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Platinen, welche zur Erzielung unterschiedlicher Härtebereiche entsprechende
Bereiche unterschiedlich starker Aufheizung aufweisen, die aktive Kühlung so durchgeführt
wird, dass nach der aktiven Kühlung die vormals heißeren, austenitisierten Bereiche
vom Temperaturniveau her an die weniger stark aufgeheizten Bereiche angeglichen sind
(+/- 50 K), sodass die Platine mit einer im Wesentlichen einheitlichen Temperatur
in das Umformwerkzeug eingelegt wird.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aktive Kühlung durch Anblasen mit Luft oder Gas oder anderen Fluiden bewirkt
wird.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlungsfortschritt und/oder die Einlegetemperatur in das Umformwerkzeug mittels
Sensoren, insbesondere Pyrometern, überwacht und die Kühlung entsprechend gesteuert
wird.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Stahlwerkstoff ein mit Zink oder einer Zinklegierung beschichteter Stahlwerkstoff
verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Bedingungen gelten:
Hydraulischer Durchmesser Düse = DH, wobei DH = 4 x A / U
Abstand Düse zu Körper = H
Abstand zwischen zwei Kühlschwerter/Kühlsäulen = S
Länge der Düse = L
L >= 6 x DH
H <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH
S <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH (staggered array) Oszillation = halbe Teilung des
Abstand zwischen zwei Kühlschwerter in X, Y (evtl. Z).
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (18) zur Bewegung der Vorrichtung eine Oszillationsgeschwindigkeit
von 0,25 Sekunden pro Durchlauf erzeugen.
14. Vorrichtung zum Kühlen von heißen Stahlblechplatinen oder Stahlblechbauteilen, insbesondere
zum Durchführen eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Vorrichtung
zum Kühlen zumindest ein Kühlschwert (2) oder eine Anzahl von Kühlsäulen (15) besitzt,
wobei das Kühlschwert (2) oder die Kühlsäule (15) hohl ausgebildet ist und eine Düsenkante
(6, 17) besitzt, wobei in der Düsenkante (6, 17) mindestens eine Düse (10) vorhanden
ist, welche zu einem zu kühlenden Objekt gerichtet ist, wobei eine Mehrzahl von Kühlschwertern
(2) oder eine Mehrzahl von Reihen von Kühlsäulen (15) derart angeordnet ist, dass
das Strömungsbild auf der zu kühlenden Oberfläche eine wabenähnliche Struktur ausbildet,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Bewegungseinrichtung (18) vorhanden ist, mit der das oder die Kühlschwerter
(2) oder die Kühlsäulen (15) mit dem Rahmen (8) und dem Fluidzuführkasten (16) über
einen zu kühlenden Körper bewegbar sind oder mit dem der zu kühlende Körper relativ
zu den Kühlschwertern (2) oder den Kühlsäulen (15) bewegbar ist, wobei das Kühlschwert
(2) und/oder die Kühlsäulen (15) bzw. die Vorrichtung zum Kühlen Einrichtungen (18)
besitzt, mit denen die Vorrichtung um die X-, Y- oder Z-Achse schwingbar oder oszillierend
ausgebildet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von parallel zueinander angeordneten, voneinander beabstandeten Kühlschwertern
(2) oder Kühlsäulen (15) vorhanden ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlschwerter (2) oder Kühlsäulen (15) jeweils um den halben Abstand zwischen
den Düsen (10) an der Düsenkante (6) zueinander versetzt sind.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die Kühlschwerter (2) eine Kühlschwertbasis (3), Kühlschwertbreitseiten
(4), Kühlschwertschmalseiten (5) und je eine Düsenkante (6) besitzen, wobei die Düsenkante
(6) sowie die Kühlschwertbreitseiten (4) und Kühlschwertschmalseiten (5) einen Hohlraum
(7) begrenzen, und das oder die Kühlschwerter (2) mit der Kühlschwertbasis (3) in
oder auf einem Rahmen (8) aufgesetzt sind, wobei der Rahmen (8) auf einem Fluidkasten
(15) zum Zwecke der Fluidzuführung aufsetzbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die folgenden Bedingungen gelten:
Hydraulischer Durchmesser Düse = DH, wobei DH = 4 x A / U Abstand Düse zu Körper =
H
Abstand zwischen zwei Kühlschwerter/Kühlzylinder = S Länge der Düse = L
L >= 6 x DH
H <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH
S <= 6 x DH, insb. 4 bis 6 x DH (staggered array) Oszillation = halbe Teilung des
Abstand zwischen zwei Kühlschwerter in X, Y (evtl. Z).
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen (18) zur Bewegung der Vorrichtung eine Oszillationsgeschwindigkeit
von 0,25 Sekunden pro Durchlauf erzeugen.
1. A method for producing a hardened steel component, wherein a blank is punched out
and the punched-out blank is heated either completely or in parts to a temperature
≥Ac3 and, if appropriate, is held at this temperature for a predetermined time in order
to carry out the austenite formation, and then the completely or partially heated
blank is transferred to a forming tool, is formed in the forming tool and is cooled
in the forming tool at a speed which is above the critical hardening speed and is
thereby hardened, or is finished by cold-working and the formed blank is completely
or partially heated to a temperature >Ac3 and optionally held at this temperature for a predetermined time in order to carry
out the austenite formation, and then the completely or partially heated and formed
blank is transferred to a hardening tool in which hardening tool the process of hardening
is performed at a speed which is above the critical hardening speed, the steel material
being adjusted with a transformation delay such that at a forming temperature which
is in the range of 450°C to 700°C, a quench hardening takes place by transformation
of the austenite into martensite, wherein after heating and before forming, an active
cooling takes place in which the blank or parts of the blank or the formed blank or
areas thereof are cooled at a cooling rate >15K/s, characterized in that
a cooling device (1) and an object with a hot surface are moved relative to one another
for homogeneous, contactless cooling of the hot blanks or components, the cooling
device (1) having at least two parallel, spaced-apart cooling blades (2) or cooling
columns (15), the cooling blades (2) or cooling columns (15) having a nozzle edge
(6, 17) with nozzles (10) toward the blank to be cooled or toward the component to
be cooled, a cooling fluid being directed through the nozzles (10) onto the surface
of the blank or component and the cooling fluid flows off into the interspace between
the blades (2) or cooling columns (15) after contacting the hot surface, the cooling
blade (2) and/or the cooling columns (15) or the device for cooling comprising means
(18) by which the device is designed to be able to pivot or oscillating about the
X, Y or Z axis.
2. The method according to claim 1, characterized in that the steel material contains the elements boron, manganese and carbon and optionally
chromium and molybdenum as transformation retarders.
3. The method according to claim 1 or 2,
characterized in that a steel material with the following analysis is used (all specifications in % by
mass):
Carbon (C) |
0.08-0.6 |
Manganese (Mn) |
0.8-3.0 |
Aluminum (Al) |
0.01-0.07 |
Silicon (Si) |
0.01-0.5 |
Chromium (Cr) |
0.02-0.6 |
Titanium (Ti) |
0.01-0.08 |
Nitrogen (N) |
< 0.02 |
Boron (B) |
0.002-0.02 |
Phosphorus (P) |
< 0.01 |
Sulfur (S) |
< 0.01 |
Molybdenum (Mo) |
< 1 |
the remainder being iron and impurities resulting from the smelting process.
4. The method according to claim 1 or 2,
characterized in that a steel material with the following analysis is used (all specifications in % by
mass):
Carbon (C) |
0.08-0.30 |
Manganese (Mn) |
1.00-3.00 |
Aluminum (Al) |
0.03-0.06 |
Silicon (Si) |
0.01-0.20 |
Chromium (Cr) |
0.02-0.3 |
Titanium (Ti) |
0.03-0.04 |
Nitrogen (N) |
0.007 |
Boron (B) |
0.002-0.006 |
Phosphorus (P) |
< 0.01 |
Sulfur (S) |
< 0.01 |
Molybdenum (Mo) |
< 1 |
the remainder being iron and impurities resulting from the smelting process.
5. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the blank is heated in a furnace to a temperature >Ac3 and held for a predetermined time, and then the blank is cooled to a temperature
between 500°C and 600°C to achieve a solidification of the zinc layer, and is then
transferred to the forming tool and is formed there.
6. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the active cooling is carried out in such a way that the cooling rate is >30 K/s.
7. The method according to claim 6, characterized in that the active cooling is carried out in such a way that the cooling process is carried
out with more than 50 K/s.
8. The method according to any of the preceding claims, characterized in that in the case of blanks which for achieving different hardness ranges have corresponding
areas of different degrees of heating, the active cooling is carried out in such a
way that, after the active cooling, the previously hotter, austenitized areas are
matched in terms of temperature level to the less strongly heated areas (+/- 50 K),
so that the blank is inserted into the forming tool with a substantially uniform temperature.
9. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the active cooling is effected by blowing air or gas or other fluids.
10. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the cooling progress and/or the insertion temperature when inserting into the forming
tool is monitored by means of sensors, in particular pyrometers, and the cooling is
controlled accordingly.
11. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the steel material used is a steel material coated with zinc or a zinc alloy.
12. The method according to any of the preceding claims,
characterized in that the following conditions apply:
Hydraulic diameter of the nozzle = DH, where DH = 4 x A / U
Distance from nozzle to body = H
Distance between two cooling blades/cooling columns = S
Length of the nozzle = L
L >= 6 x DH
H <= 6 x DH, in particular 4 to 6 x DH
S <= 6 x DH, in particular 4 to 6 x DH (staggered array)
Oscillation = half pitch of the distance between two cooling blades in X, Y (possibly
Z).
13. The method according to any of the preceding claims, characterized in that the means (18) for moving the device generate an oscillation speed of 0.25 seconds
per pass.
14. A device for cooling hot steel sheet blanks or steel sheet components, in particular
for carrying out a process according to any of claims 1 to 13, wherein the device
for cooling has at least one cooling blade (2) or a number of cooling columns (15),
wherein the cooling blade (2) or the cooling column (15) is formed to be hollow and
has a nozzle edge (6, 17), wherein at least one nozzle (10) is present in the nozzle
edge (6, 17) and directed towards an object to be cooled, wherein a plurality of cooling
blades (2) or a plurality of rows of cooling columns (15) are arranged such that the
flow pattern on the surface to be cooled forms a honeycomb-like structure, characterized in that a movement means (18) is present with which the cooling blade(s) (2) or the cooling
columns (15) with the frame (8) and the fluid supply box (16) can be moved over a
body to be cooled or with which the body to be cooled can be moved relative to the
cooling blades (2) or the cooling columns (15), the cooling blade (2) and/or the cooling
columns (15) or the device for cooling comprising means (18) by which the device is
designed to be able to pivot or oscillating about the X-, Y- or Z-axis.
15. The device according to claim 14, characterized in that a plurality of cooling blades (2) or cooling columns (15) arranged parallel to one
another and spaced from one another are present.
16. The device according to any of the claims 14 or 15, characterized in that the cooling blades (2) or cooling columns (15) are each offset from one another by
half the distance between the nozzles (10) at the nozzle edge (6).
17. The device according to any of the claims 14 to 16, characterized in that the cooling blade(s) (2) have a cooling blade base (3), cooling blade broad sides
(4), cooling blade narrow sides (5) and a nozzle edge (6) each, wherein the nozzle
edge (6) as well as the cooling blade broad sides (4) and cooling blade narrow sides
(5) define a cavity (7), and the cooling blade(s) (2) is/are placed in or on a frame
(8) with the cooling blade base (3), the frame (8) being capable of being placed on
a fluid box (15) for the purpose of fluid supply.
18. The device according to any of the claims 14 to 17,
characterized in that the following conditions apply:
Hydraulic diameter of the nozzle = DH, where DH = 4 x A / U
Distance from nozzle to body = H
Distance between two cooling elements/cooling cylinders =S
Length of the nozzle = L
L >= 6 x DH
H <= 6 x DH, in particular 4 to 6 x DH
S <= 6 x DR, in particular 4 to 6 x DH (staggered array)
Oscillation = half pitch of the distance between two cooling blades in X, Y (possibly
Z).
19. The device according to any of the claims 14 to 18, characterized in that the means (18) for moving the device generate an oscillation speed of 0.25 seconds
per pass.
1. Procédé de fabrication d'un composant en acier trempé, sachant qu'un flan est découpé
et le flan découpé est chauffé soit entièrement soit partiellement à une température
≥ Ac3 et, le cas échéant, maintenu à cette température pendant une durée prédéterminée
afin d'effectuer l'austénitisation, et le flan entièrement ou partiellement chauffé
est ensuite transféré dans un outil de formage, mis en forme dans l'outil de formage
et refroidi dans l'outil de formage à une vitesse supérieure à la vitesse critique
de trempe et ainsi trempé, ou mis en forme finie à froid et le flan mis en forme est
entièrement ou partiellement chauffé à une température > Ac3 et, le cas échéant, maintenu à cette température pendant une durée prédéterminée
afin d'effectuer l'austénitisation, et le flan entièrement ou partiellement chauffé
et mis en forme est ensuite transféré dans un outil de trempe, trempé dans l'outil
de trempe à une vitesse supérieure à la vitesse critique de trempe, sachant que le
matériau d'acier est réglé avec un délai de transformation de manière qu'à une température
de formage comprise dans la plage de 450 °C à 700 °C, un durcissement par trempe soit
réalisé par transformation de l'austénite en martensite, sachant qu'après la chauffe
et avant la mise en forme a lieu un refroidissement actif au cours duquel le flan
ou des parties de celui-ci ou le flan mis en forme ou des parties de celui-ci sont
refroidis à une vitesse de refroidissement > 15K/s,
caractérisé en ce que
afin d'obtenir un refroidissement homogène sans contact des flans ou composants chauds,
un dispositif de refroidissement (1) et un objet présentant une surface chaude sont
déplacés l'un relativement à l'autre, sachant que le dispositif de refroidissement
(1) est pourvu d'au moins deux lances de refroidissement (2) ou colonnes de refroidissement
(15) parallèles et espacées les unes des autres, sachant que les lances de refroidissement
(2) ou colonnes de refroidissement (15) sont dotées d'une arête à buses (6, 17) comportant
des buses (10) vers le flan à refroidir ou le composant à refroidir, sachant qu'un
fluide de refroidissement est dirigé par les buses (10) sur la surface du flan ou
du composant et le fluide de refroidissement s'écoule dans l'espace intermédiaire
entre les lances (2) ou colonnes de refroidissement (15) après la mise en contact
avec la surface chaude, sachant que la lance de refroidissement (2) et/ou les colonnes
de refroidissement (15) ou le dispositif destiné au refroidissement comportent des
organes (18) moyennant lesquels le dispositif est constitué de manière à pouvoir vibrer
ou osciller autour de l'axe X, Y ou Z.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le matériau d'acier contient, comme retardateur de transformation, les éléments bore,
manganèse et carbone et facultativement chrome et molybdène.
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce qu'un matériau d'acier présentant l'analyse suivante est utilisé (toutes indications
en % de masse) :
Carbone (C) |
0,08-0,6 |
Manganèse (Mn) |
0,8-3,0 |
Aluminium (Al) |
0,01-0,07 |
Silicium (Si) |
0,01-0,5 |
Chrome (Cr) |
0,02-0,6 |
Titane (Ti) |
0,01-0,08 |
Azote (N) |
< 0,02 |
Bore (B) |
0,002-0,02 |
Phosphore (P) |
< 0,01 |
Soufre (S) |
< 0,01 |
Molybdène (Mo) |
< 1 |
le solde étant constitué par du fer et des impuretés dues à la fusion.
4. Procédé selon la revendication 1 ou 2,
caractérisé en ce qu'un matériau d'acier présentant l'analyse suivante est utilisé (toutes indications
en % de masse) :
Carbone (C) |
0,08-0,30 |
Manganèse (Mn) |
1,00-3,00 |
Aluminium (Al) |
0,03-0,06 |
Silicium (Si) |
0,01-0,20 |
Chrome (Cr) |
0,02-0,3 |
Titane (Ti) |
0,03-0,04 |
Azote (N) |
0,007 |
Bore (B) |
0,002-0,006 |
Phosphore (P) |
< 0,01 |
Soufre (S) |
< 0,01 |
Molybdène (Mo) |
< 1 |
le solde étant constitué par du fer et des impuretés dues à la fusion.
5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le flan est chauffé dans un four à une température >Ac3 et maintenu pendant une durée prédéterminée et le flan est ensuite refroidi à une
température comprise entre 500 °C et 600 °C afin d'obtenir une solidification de la
couche de zinc, et est ensuite transféré dans l'outil de formage et y est mis en forme.
6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le refroidissement actif est effectué de telle sorte que le taux de refroidissement
soit > 30 K/s.
7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que le refroidissement actif est effectué de sorte que le refroidissement ait lieu à
plus de 50 K/s.
8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que, dans le cas de flans qui, pour l'obtention de plages de dureté différentes, présentent
des zones correspondantes à intensité de chauffe différente, le refroidissement actif
est effectué de telle sorte qu'après le refroidissement actif, les zones austénitisées
précédemment plus chaudes sont égalisées aux zones moins fortement chauffées en termes
de niveau de température (+/- 50 K) de sorte que le flan soit inséré dans l'outil
de formage avec une température sensiblement homogène.
9. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le refroidissement actif est réalisé par soufflage d'air ou de gaz ou d'autres fluides.
10. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la progression du refroidissement et/ou la température d'insertion dans l'outil de
formage est surveillée moyennant des capteurs, en particulier des pyromètres, et le
refroidissement est commandé en conséquence.
11. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'un matériau d'acier recouvert de zinc ou d'un alliage de zinc est utilisé comme matériau
d'acier.
12. Procédé selon l'une des revendications précédentes,
caractérisé en ce que les conditions suivantes s'appliquent :
Diamètre hydraulique de buse = DH, sachant que DH = 4 x A / U
Distance de la buse au corps = H
Distance entre deux lances/colonnes de refroidissement = S
Longueur de buse = L
L ≥ 6 x DH
H ≤ 6 x DH, en particulier 4 à 6 x DH
S ≤ 6 x DH, en particulier 4 à 6 x DH (agencement décalé)
Oscillation = demi-pas de la distance entre deux lances de refroidissement en X, Y
(évent. Z).
13. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les organes (18) destinés à déplacer le dispositif génèrent une vitesse d'oscillation
de 0,25 seconde par passe.
14. Dispositif pour le refroidissement de flans de tôle d'acier ou de composants de tôle
d'acier chauds, en particulier pour l'exécution d'un procédé selon l'une des revendications
1 à 13, sachant que le dispositif pour le refroidissement comporte au moins une lance
de refroidissement (2) ou un nombre de colonnes de refroidissement (15), sachant que
la lance de refroidissement (2) ou la colonne de refroidissement (15) est constituée
de manière creuse et comporte une arête à buses (6, 17), sachant que dans l'arête
à buses (6, 17) au moins une buse (10) est présente, laquelle est dirigée vers un
objet à refroidir, sachant qu'une pluralité de lances de refroidissement (2) ou une
pluralité de rangées de colonnes de refroidissement (15) sont disposées de telle manière
que le profil d'écoulement constitue une structure en forme de nid d'abeille sur la
surface à refroidir, caractérisé en ce qu'un dispositif de déplacement (18) est présent, avec lequel la ou les lances de refroidissement
(2) ou les colonnes de refroidissement (15) sont déplaçables avec le cadre (8) et
le caisson d'amenée de fluide (16) sur un corps à refroidir ou avec lequel le corps
à refroidir est déplaçable relativement aux lances de refroidissement (2) ou aux colonnes
de refroidissement (15), sachant que la lance de refroidissement (2) et/ou les colonnes
de refroidissement (15) ou le dispositif pour le refroidissement comporte des organes
(18) moyennant lesquels le dispositif est constitué de manière à pouvoir vibrer ou
osciller autour de l'axe X, Y ou Z.
15. Dispositif selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'une pluralité de lances de refroidissement (2) ou colonnes de refroidissement (15)
disposées parallèlement les unes aux autres et espacées les unes des autres sont présentes.
16. Dispositif selon l'une des revendications 14 ou 15, caractérisé en ce que les lances de refroidissement (2) ou colonnes de refroidissement (15) sont décalées
les unes par rapport aux autres respectivement à raison de la demi-distance entre
les buses (10) au niveau de l'arête à buses (6).
17. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 16, caractérisé en ce que la ou les lances de refroidissement (2) comportent une base de lance de refroidissement
(3), des grands côtés de lance de refroidissement (4), des petits côtés de lance de
refroidissement (5) et respectivement une arête à buses (6), sachant que l'arête à
buses (6) ainsi que les grands côtés de lance de refroidissement (4) et les petits
côtés de lance de refroidissement (5) délimitent un espace creux (7), et la ou les
lances de refroidissement (2) sont posées avec la base de lance de refroidissement
(3) dans ou sur un cadre (8), sachant que le cadre (8) est apte à être posé sur un
caisson à fluide (15) aux fins de l'amenée de fluide.
18. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 17,
caractérisé en ce que les conditions suivantes s'appliquent :
Diamètre hydraulique de buse = DH, sachant que DH = 4 x A / U Distance de la buse
au corps = H
Distance entre deux lances/cylindres de refroidissement = S
Longueur de buse = L
L ≥ 6 x DH
H ≤ 6 x DH, en particulier 4 à 6 x DH
S ≤ 6 x DH, en particulier 4 à 6 x DH (agencement décalé)
Oscillation = demi-pas de la distance entre deux lances de refroidissement en X, Y
(évent. Z).
19. Dispositif selon l'une des revendications 14 à 18, caractérisé en ce que les organes (18) destinés à déplacer le dispositif génèrent une vitesse d'oscillation
de 0,25 seconde par passe.