Grüne Härte Konduktive Erwärmung in XHV-Atmosphäre optimiert Formhärten

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Das Formhärten ist ein etabliertes Verfahren, um ultrahochfeste Bauteile mit Festigkeiten von 1500 MPa herzustellen. Macht man das ohne Sauerstoff, wird das Formhärten effizienter und „grüner“.

Formgehärtete Bauteile werden beispielsweise in Bereichen des Insassenschutzes von Kraftfahrzeugen, wie der A- und B-Säule oder in Bereichen, in denen Energien bei einem Unfall durch Stoßfänger verteilt werden, eingesetzt. Bei diesem Verfahren werden Mangan-Bor-legierte Stahlplatinen (meist 22MnB5) über die Austenitisierungstemperatur auf circa 950 °C, erwärmt und in einem gekühlten Werkzeug mit einer Geschwindigkeit von über 27 °C/s abgekühlt, geformt und gehärtet (Formhärten). Die Oberfläche ist in der Regel mit einer Aluminium-Silizium-Beschichtung (AlSi) versehen, um das Bauteil vor Zunderbildung zu schützen. Für die Erwärmung der Bleche kommen heute hauptsächlich mit Erdgas betriebene Rollenherdöfen zum Einsatz. Diese erwärmen die Bleche in 8 bis 10 min auf die benötigten 950 °C.

Üblicher Erwärmungsprozess hat Nachteile

Diese Öfen sind bis zu 60 m lang und auch noch sehr ineffizient. Eine effektive Alternative zur Erwärmung des Stahlblechs ist die konduktive Erwärmung (Widerstandserwärmung). Hierbei wird durch einen elektrischen Heizstrom die Wärme direkt in dem zu erwärmenden Blech erzeugt. Diese Methode bietet gegenüber anderen Erwärmungsverfahren wie beispielsweise der Induktionserwärmung oder der Gasflammerwärmung in Bezug auf die Effizienz der Erwärmung einige Vorteile. Durch den Einsatz von Strom wird das Verfahren nicht auf eine Energieform begrenzt, die CO₂–Entstehung ist dabei vom Strommix des jeweiligen Energieversorgers abhängig. Mit dem Umbau des elektrischen Netzes hin zu 100 % erneuerbaren Energien wird die konduktive Erwärmung daher im gleichen Maß CO₂-neutral. Weiterhin kann das Blech durch den direkten Stromfluss durch das Blech nicht nur sehr effizient, sondern auch innerhalb von wenigen Sekunden erwärmt werden. Dadurch ist der Erwärmungsprozess deutlich kürzer als bei der Erwärmung mit einem Rollenherdofen. Laut aktuellem Stand der Technik sind jedoch bislang keine Beschichtungen bekannt, die für solche schnellen Erwärmungen von mehr als 100 K/s ausgelegt sind. Unbeschichtete Bleche würden dagegen verzundern und machen eine aufwendige Nachbearbeitung des Bleches und eine Reinigung des Umformwerkzeuges erforderlich [1-3].

So verhindert man Restzunder am Blech

Einen neuen Ansatz zum Schließen dieser Forschungslücke stellt dabei der Sonderforschungsbereich 1368 dar, der Prozesse unter Ausschluss von Sauerstoff untersucht und so neue Effekte und Prozessführungen ermöglicht. Im Teilprojekt A04 wird dabei das konduktive Formhärten unter sauerstofffreier Atmosphäre – auch XHV-adäquate Atmosphäre genannt – untersucht, die durch die Prozessgase Stickstoff und Silan erzeugt wird. Das ist ein bekanntes Verfahren, um die Zunderbildung während der Erwärmung zu vermindern. Weil dennoch Restzunder entsteht, ist immer noch eine teure Nachbearbeitung nötig, weil der entstandene Zunder für spätere Bearbeitungsschritte (etwa eine KTL-Beschichtung) hinderlich ist. Erst durch Hinzugabe einer geringen Menge Silan (Bild 2) entsteht kein Zunder mehr.

Der Sauerstoffgehalt wird durch das Silan nämlich soweit verringert, dass die Atmosphäre nahezu der eines Vakuums entspricht. Um eine solche Atmosphäre zu erhalten, wird zuerst die Luft aus der Prozesskammer durch den Stickstoff verdrängt. Durch minimale Zugabe von Silan wird dann der Restsauerstoff gebunden. So erreicht man Sauerstoffgehalte von 10^-15 Volumen-%. Das sorgt für eine zunderfreie Erwärmung des Bleches, ohne auf ein technisch aufwändiges und damit teures Vakuum zurückgreifen zu müssen. Gleichzeitig liegen sehr gute Bedingungen zum Beschichten des Bleches vor. Die für das Formhärten erzeugte Erwärmungsenergie kann genutzt werden, um Bleche für bestimmte Anwendungen zu beschichten. Es können beispielsweise Beschichtungen aufgetragen werden, die die Lebensdauer des Bauteils verlängern oder einen aktiven Korrosionsschutz durch eine Schicht aus Zink oder Aluminium bieten.

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