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Formhärten plus In-situ-Beschichtung

Die dazugehörige neue Prozesskette ist in Bild 3 dargestellt. Unbeschichtete Blechzuschnitte werden in die konduktive Anlage eingelegt und die Prozesskammer geschlossen. Danach wird die Prozessatmosphäre wie oben beschrieben aufgebaut. Nach Erreichen einer XHV-adäquaten Atmosphäre wird das Blech auf 950 °C erwärmt. Durch eine integrierte Düse wird Beschichtungspulver des Typs Ni700 auf das heiße Blech aufgebracht. Dieses Pulver auf Nickelbasis hat einen Schmelzpunkt von 875 °C und liegt somit im Temperaturfenster des Formhärtens. Durch die unterschiedliche Temperatur und Haltezeiten können die Eigenschaften der Beschichtung eingestellt werden. Danach wird die Prozesskammer gespült und das Blech entnommen. Die Umformung erfolgt dann in einer Umformpresse des Typs HDZ400 von Dunkes, welche durch eine präzise Steuerung des Anpressdrucks das Formhärten durchführt. Nach einer Presszeit von 20 s kann das Bauteil fertig beschichtet und formgehärtet aus der Umformpresse entnommen werden.

Bild 4 zeigt die konduktive Anlage, die eine maximale Spitzenleistung von etwa 300 kW erreicht, wobei bis zu 15 kA Strom durch das eingespannte Blech geleitet werden. Dies wird durch einen Regelkreis mit einer Thyristorsteuerung und einem Transformator erreicht. Die Anlage wurde speziell auf das sauerstofffreie konduktive Erwärmen mit in-situ-Beschichtung angepasst.

Die Prozesskammer beinhaltet die Elektroden zum Klemmen und Übertragen des Stromes auf das Blech. Dabei ist die rechte Elektrode durch einen Kugelgewindetrieb verschiebbar. Durch eine Kraft und Längenmessung kann die Längenänderung während der Erwärmung kompensiert werden, um das Blech in der Kammer sicher in der Waagrechten zu halten. Dies ist bei einer Beschichtung während der Erwärmung wichtig, um flächig gleiche Beschichtungsbedingungen zu erreichen. Die Auftragung des Beschichtungspulvers erfolgt über einen Pulverförderer, der Partikelgrößen von 36 bis 64 µm durch eine Pulverdüse auftragen kann. Eine Erweiterung des Beschichtungssystems auf Aluminium und Zink, welche in der Industrie überwiegend eingesetzt werden, ist geplant. So wird das Beschichtungssystem auf einen aktiven Korrosionsschutz erweitert.

Formhärten ohne fossile Energieträger

Die Herausforderung dabei ist die Anpassung an die schnelle konduktive Erwärmung, weil sich bei diesen Verbindungen intermetallische Phasen diffusionsgesteuert ausbilden müssen, um gute Verbindungseigenschaften zum Blechmaterial auszubilden. Deshalb muss die Schichtdicke entsprechend gering sein.

Um das Prozessfenster zu bestimmen, kann ein Kugelgewindetrieb als Streckvorrichtung genutzt werden. Dazu werden spezielle Flachzugproben benötigt (Bild 5). Darauf kann im Vorfeld oder in situ die Beschichtung erfolgen. Die Proben werden danach bei vordefinierten Temperaturen gestreckt. Über Streckversuche mit dem gleichen Erwärmungsprofil bei unterschiedlichen Strecktemperaturen und anschließende metallurgische Untersuchung kann so ein Prozessfenster erarbeitet werden. Das steckt die Grenzen, ab wann die Umformtemperatur zu niedrig oder die Temperatur zu gering ist, um eine rissfreie Beschichtung zu garantieren. Der Unterschied der jeweiligen Sauerstoffgehalte ist auch in Bild 5 dargestellt.

Die Probe in normaler Luftatmosphäre zeigt deutliche Zunderablagerungen und Abplatzungen an der Oberfläche. In Stickstoffatmosphäre ist das Problem zwar deutlich geringer, doch muss nachgearbeitet werden. Die untere Probe hingegen ist in XHV-adäquater Atmosphäre erwärmt worden und zeigt keine Zunderschicht. Die Oberfläche ist annährend so glänzend wie vor der Erwärmung. Die etwas mattere Oberfläche ist der plastischen Umformung beim Strecken zuzuordnen.

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