用于金属板热处理的辊底式炉和方法

摘要

本发明涉及一种用于热处理涂覆的金属板的辊底式炉以及相应的方法。本发明的目的在于提出一种辊底式炉，该辊底式炉允许交替处理AlSi涂覆金属板和具有用于热加工的锌合金涂层的金属板，从而与现有技术的情况相比，交替处理涉及相当少的努力。根据本发明的用于热处理被涂覆的金属部分的辊底式炉的特征在于，它具有至少第一区域和第二区域，从而在第一区域中能够保持AlSi沉积物的熔化温度以下的温度或者大于近似900℃[1652℉]的温度，而在第二区域中能够达到大于近似870℃[1598℉]的温度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于金属板热处理的辊底式炉以及相应的方法。

背景技术

现今，汽车工业努力发展具有最低可能的燃料消耗的车辆。减低燃料消耗的普遍使用的方式为例如减轻车辆的重量。然而，为了遵照日益严格的安全要求，车身所使用的结构钢需要具有更大的强度以及更轻的重量。这通常通过所谓的按压硬化的处理来获得。这里，金属板部件被加热到近似800℃到1000℃并且随后被成型且在冷却工具中淬火。因此，部件的强度增加到三倍。

当涉及到处理可靠性和成本效益时，连续炉已经证明它们对于热处理的价值。这里，将要处理的金属部件被通过炉子连续传送。作为替代，箱式炉也能够在金属部件被成批地送入箱室中时被使用，在那里被加热，并且随后被再一次移除。

当涉及到按压硬化时，在直接处理和间接处理之间进行基本区别。

在间接处理中，毛坯由线圈冲压、冷却加工，且以这样的方式已经被预成型的零件随后经过热处理。在热处理之后，热的零件被放置到压锻机中且在间接冷却工具中被按压硬化。随后，零件被再次修整并且被喷砂以便去除可能存在的任何落片(scaling)。

在直接处理中，毛坯同样由线圈冲压；然而，这种情况下，没有进行预成型，而是毛坯被直接放置到炉中。在热处理之后，热的毛坯被放置到压锻机中并用间接水冷却工具成型，且同时被按压硬化。随后，如有必要则再次修整成型的零件。

对于这两种处理，已经证明所谓的辊底式炉在处理可靠性和成本效益方面有价值。可选的炉子设计的示例为步进炉(walking-beamfurnace)，其中金属部件通过步进梁被传送通过炉子。多层箱式炉在重要性上也可以达到。

由于零件被预成型用于间接处理，因此它们的复杂形状意味着它们必须通过工件架上的炉室传送或者被放置到所述炉室中。此外，由于对于间接处理，未被涂覆的部件必须进行热处理，因此用于该处理的连续炉通常配备有入口锁和出口锁。为了避免零件表面的剥落，这种炉子必须通过惰性气体而操作。这些入口锁和出口锁用来防止空气进入炉子。用于该处理的箱式炉同样可以配备有锁。然而，对于这样的炉子设计，还可以改变每个周期的炉室中的大气。用于该处理的连续炉必须配备有用于工件架的返回系统，以便实现工件架的循环。陶瓷传送辊被用于这些炉中。仅入口台(table)和出口台以及用于工件架的返回传送器被配备有金属传送辊。

当涉及到用于直接处理的连续炉时，没有必要使用工件架。因此，该设计比用于间接处理的连续炉的设计稍微简单些。代替工件架上正在被传送的毛坯，用于直接处理的毛坯被直接放到陶瓷传送辊上并且被通过炉子传送。这些炉子可以用或不用惰性气体操作。这里，同样，标准特征为炉外壳被焊接以便是气密的。该设计的另一个优点是传送辊对将要被处理的金属部件均匀加热的积极效果：静止辊同样通过炉加热系统额外借助于辐射和热传导加热，对正在这些辊上被传输且因此与它们接触的金属部分进行加热。此外，由于在工件架已经经过炉子之后被返回的同时，不存在能够冷却的工件架，并且因此当它们重新经过炉子时，将再一次被加热，因此这些炉子能够用低得多的能量输入被操作。因此当涉及到连续炉的使用时，优选直接处理。

用于汽车结构的金属板不应该生锈。在工作处理期间也应该避免落片，这是由于在任何进一步处理之前，至少在焊接或者涂覆处理之前，这种落片必须被去除，这既是消耗劳动的也是花费昂贵的。然而，由于未处理的钢板在按压硬化所需要的高温条件中存在氧气的情况下将不可避免地显现出落片，通常的做法是使用涂覆的金属板和/或在没有氧气的情况下进行热处理过程。

一般地，涂覆铝硅(涂覆AlSi)的金属板被用于汽车工业的按压硬化零件。涂层防止金属板生锈而且还防止在从炉子传输到压锻机期间热的金属板落片的发生。一方面，涂层的AlSi扩散到钢表面中，且另一方面，它形成致密的AlSi氧化层以保护基础材料不会进一步剥落。

在如上所述的辊底式炉中直接按压硬化的最严重缺点在于由于在AlSi涂层和陶瓷辊之间强烈热化学反应的结果，涂覆AlSi的毛坯被直接放置到陶瓷传送辊上。

当前用于辊底式炉的辊为由烧结莫来石(3Al2O3·2SiO2)制成的空心辊或者由石英材料制成的实心辊。石英材料辊由大于99％的SiO2组成并且具有近似1100℃的应用限制，但是其缺点为它们在近似700℃到800℃时在它们自身的重量的作用下弯曲。由烧结莫来石制成的辊能够在高达1350℃的温度负荷下被使用而不发生显著的弯曲。这两种材料的主要优点在于它们高的耐热冲击性。然而，这两种材料对于与熔融铝反应具有非常高的亲合力，以便形成不同的硅酸铝乃至硅化合物。AlSi涂层能够在热处理期间熔化。在操作期间，在辊上在特定温度下，糊状的液体AlSi涂层被形成在陶瓷炉辊上，特别是在传送段的前端部分。由于在通过炉子期间AlSi与源于基础材料的铁变成合金，该层随着它沿着传送段的长度前进而变得更小。没有更多的自由AlSi的传送段的位置取决于加热曲线且因此作为传送段的函数的炉中的安装的热输出以及金属板厚度和涂层厚度。

作为可选的AlSi涂覆金属板，近来已经开始使用用于热加工的具有锌合金涂层的金属板，例如具有锌镍涂层的金属板，其以伽玛保护名义由鑫森-克鲁伯欧洲钢铁公司(ThyssenKruppSteelEuropeAG)售卖，例如，用于制造车身部件的处理。如上所述的按压硬化处理能够利用这些金属板类似并根本地使用相同的辊底式炉而进行，其中相同的辊底式炉被用于按压硬化AlSi涂覆金属板。然而，由于各种原因，处理具有用于在辊上进行热加工的锌合金涂层的被AlSi剩余物污染的金属板不容易做到。因此，当炉子从涂覆AlSi的金属板被转换到具有用于热加工的锌合金涂层的金属板时，需要费力再加工，例如，必须替换有问题的辊。由于辊能够达到1000℃量级的处理温度，并且由于在这些温度下替换辊是几乎不可能或者根本不可能，因此炉子在更换之前首先必须冷却下来并且随后需要再次被加热，这样是耗费时间的，炉子使用了大量能量并且引起产量损失。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种辊底式炉，其允许交替处理AlSi涂覆金属板和具有用于热加工的锌合金涂层的金属板，从而与现有技术的情况相比，这里交替程序涉及到的努力相当少。

根据本发明，该目的在于通过具有独立权利要求1的特征的辊底式炉来获得。辊底式炉的优势改进由从属权利要求2至5产生。

本发明的另一目的在于在使用根据本发明的辊底式炉的同时，提出一种用于交替处理AlSi涂覆金属板和具有用于热加工的锌合金涂层的金属板的方法。

该目的通过具有权利要求6的特征的方法来获得。方法的优势改进由从属权利要求7产生。

根据本发明的用于热处理被涂覆的金属部件的辊底式炉的特征在于，炉子具有至少两个不同的温度区域，从而在第一区域中，能够保持在AlSi沉积物的熔化温度以下的温度或者大于近似900℃的温度，而在第二区域中，能够达到大于近似870℃的温度。

在辊底式炉中的AlSi涂覆金属板的热处理期间，AlSi的层能够形成在炉子前端部分中的辊上。该层具有糊状、粘性稠度，或其可以是液体。

在直接处理中，被涂覆的金属板被传送到热的炉中并且与已经被加热到处理温度或者几乎到处理温度的辊直接接触。这里，处理温度通常为近似930℃。另一方面，AlSi的熔化温度为近似600℃，从而AlSi以处理温度快速熔化。由于扩散过程，熔化的AlSi再次变成固体期间的处理花费一定的时间。钢制造者规定，例如，300到360秒的处理时间。在涂覆的金属板正在被传输通过炉子时，它变热。加热速率一方面取决于炉中安装的热输出以及该热输出的分布，另一方面取决于板厚度和涂层厚度。取决于通过炉子的被涂覆板的通过速率，在适当处理控制下，在炉中熔化的AlSi将已经扩散到金属板基体中的位置。到该位置，AlSi残余物能够沉积在辊底式炉中的辊上。从该位置向下游，如传送方向所示，不再有任何自由的AlSi残留在金属板上，从而没有AlSi熔化物能够沉积在超过该位置的任何辊上。适于热处理AlSi涂覆金属板的辊底式炉的长度以这种方式选择：将要被处理残留物的金属板置于炉中至少达到处理时间，例如300秒。

对于热处理具有用于热加工的锌合金涂层的金属板，处理时间能够更短些。特别地，锌镍合金涂层，例如以伽玛保护名义由鑫森-克鲁伯欧洲钢铁公司售卖的，其特征在于它们的非常短的处理时间。而且，锌合金涂层的扩散过程需要比在近似930℃下进行的AlSi涂层的扩散过程所需要的温度稍微低的温度—近似870℃至900℃。因此，可以将适于热处理AlSi涂覆金属板的辊底式炉的第一区域保持在位于AlSi沉积物的熔化温度以下的温度。如果被选择的该第一区域如此大以至于，如传送方向所示，不再有AlSi残余物在位于超过该第一区域的第二区域中的辊上，随后，利用适当的处理控制，具有用于热加工的锌合金涂层的金属板能够在相同的炉中被热处理而无需替换或者清洁具有被AlSi残余物污染的第一区域的辊。由于第一区域中的温度被保持在AlSi沉积物的熔化温度以下，没有可估计量的AlSi能够从辊脱落并且与用于热加工的锌合金涂层起反应。

在优势实施例中，在第一区域中，即，在具有污染的辊的区域中，近似300℃至750℃的温度，理想地近似500℃至600℃，且尤其近似575℃以下的温度能够被保持，同时大于近似870℃的温度普遍存在在第二区域中。作为替代，在第一区域中，大于900℃的温度同样能够被保持。当具有用于热加工的锌合金涂层的金属板被处理时，板以达到普遍存在在第一区域温度的最大水平的第一区域中的温度被预热，因此温度可靠地保持在AlSi沉积物的熔化温度以下并且可能存在于辊上的任何AlSi沉积物不熔化。由于预热，第二区域中的金属板能够被更快速地加热到近似890℃的处理温度，该890℃为热处理具有用于热加工的锌合金涂层的金属板所需要的温度。如果AlSi涂覆金属板将被再次处理，则同样在第一区域中，温度上升并且被保持到热处理AlSi涂覆金属板所需要的近似930℃的处理温度。

已经证明如果区域能够基本上被彼此热分离，也就是尤其如果第一区域能够与第二区域热分离则是有利的。出于这样的目的，分离装置已经证明是有利的。例如，分离装置能够是由绝热材料制成的壁。该壁总是从基本垂直于传送方向的上方延伸到辊的平面的正上方并且能够使第一区域的炉室与第二区域的炉室分离，从而对于辊和将要处理的被传送的金属板仅保留间隙。

热分离装置能够被安装为固定在炉室中。尽管操作温度在炉中普遍存在，固定的热分离装置容易创建并且它是不需维护的。

在可选实施例中，热分离装置被构造成它能够被推入和拉出。如果具有用于热加工的锌合金涂层的金属板正在被处理，则热分离装置能够被推入，从而区域基本彼此热分离，具体地，第一区域与第二区域基本热分离。相反，如果AlSi涂覆金属板正在被处理，则热分离装置能够被推出，从而区域不再热分离并且在整个炉中建立基本上均匀的温度。

附图说明

基于附图，可从从属权利要求以及下面对优选实施例的描述中获得本发明的额外优点、特殊特征和实际改进。

附图显示如下：

图1显示了辊底式炉；

图2显示了在传输通过辊底式炉期间的工件；

图3显示了在AlSi涂覆金属板正在被传送通过炉子时具有它们的温度分布的辊底式炉；

图4显示了具有用于热加工的锌合金涂层的金属板以及它们正在传送通过炉子时的温度分布的辊底式炉。

具体实施方式

图1显示了辊底式炉10的示意图。工件20经由滑动隔板12在以辊30的形式的传送装置上被传送到炉室中，其中滑动隔板12位于进口侧并且使得炉的内部与外部大气分离并且能够被打开和关闭。在炉室中，工件20通过加热装置11被加热以经历其热处理。可能的加热装置11包括，例如煤气炉或者电热元件。在该处理中，工件在辊20上被进一步传送通过炉室。一旦工件20已经被完全传送到炉室中，则位于进口侧的滑动隔板12被关闭。然后，为了将工件20从炉室传送出去，在与在进口侧的盖12相对的出口侧存在盖13，并且该盖13同样被配置为能够被打开和关闭的滑动隔板。当工件从炉室被传送出去时，进口侧上的该滑动隔板13打开并且工件20通过辊30从炉子10被传送出去。在炉中，还存在能够在竖直方向上移动的热分离装置18。作为替代，热分离装置18还能够被安装成是固定的。热分离装置使第一区域15与第二区域16分离。在图中所显示的位置上，它已经在辊30的方向上最大限度地向下移动，从而在辊30和热分离装置18的底部之间，间隙被保持为工件20能够移动通过而不触碰热分离装置18的尺寸。

在俯视图中，图2显示了两个工件20、20'如何被并行传送通过炉子10。两个工件20、20'安置在具有辊30的形式的传送工具上，辊30通过旋转来传送工件20、20'使其并行通过炉室。炉子的进口侧和出口侧能够通过滑动隔板12、13打开以便允许工件20、20'穿过。在工件20、20'已经穿过之后，滑动隔板12、13被再次关闭。附图中还描述了热分离装置18。它延伸超过炉室的整个内部宽度并且使第一区域15与第二区域16分离。

图3再一次显示根据本发明的辊底式炉10的示意图。在这里所描述的情形中，热分离装置18被从炉子10拉出，从而第一区域15不与第二区域16热分离。这个位置打算用于处理AlSi涂覆金属板20、20'。然而，在可选的实施例中，这些金属板还能够用固定的热分离装置来处理。近似930℃[1706°F]的温度普遍存在在两个区域15、16中。正被传送通过炉子10的AlSi涂覆金属板20、20'的温度被描绘在炉子10的视图的下方的图表中。金属板20、20'在炉子进口处处于室温，也就是说，当它们经过在进口开口侧上的滑动隔板12时处于室温。在热的炉子大气中并且由于通过加热装置11加热，它们很快达到温度θ1，例如，近似930℃，维持该温度直到它们离开炉子10。

图4显示了在用于处理具有用于热加工的锌合金涂层的金属板20、20'的情形下，根据本发明的辊底式炉10的示意图。热分离装置18被推入炉子10中从而第一区域15与第二区域16热分离，其还是利用固定的热分离装置18的可选实施例中的情况。在第一区域中，建立温度θ3，例如，达到近似575℃。在第二区域16中，相反，近似890℃的温度普遍存在。

正被传送通过炉子10的具有用于热加工的锌合金涂层的金属板20、20'的温度被描绘在炉子10的视图的下方的图表中。金属板20、20'在炉子进口处处于室温，也就是说，在它们经过在进口开口侧上的滑动隔板12时处于室温。在热的炉子大气中并且由于通过加热装置11加热，它们很快达到温度θ3，例如，达到近似575℃。金属板20、20'在热分离装置18的下面被传送到第二区域16中，其中热分离装置18被推入炉子10中，第二区域16中近似890℃的温度θ2普遍存在。金属板20、20'快速加热到这个温度并且保持该温度直到它们离开炉子10。如果在处理具有用于热加工的锌合金涂层的金属板20、20'之前，AlSi涂覆金属板20、20'在图3的描述中出现的处理中被热处理，则AlSi残余物可能存在于第一区域15的辊30上。这些残余物在达到近似575℃的相对低的温度θ3时不熔化，从而它们不污染正在其上传送的具有用于热加工的锌合金涂层的金属板20、20'。热分离装置18的位置用以下方式被选择：从该位置向下游，如传送方向x所示，甚至在具有大的板厚度和层厚度以及最少热输出的AlSi涂覆金属板20、20'的最不利的组合的情况下，在金属板20、20'上不再有任何自由的AlSi，并且至少在金属板20、20'的直接表面上，完成扩散过程。因此，在第二区域16中在辊30上不存在任何AlSi残余物将污染随后处理的具有用于热加工的锌合金涂层的金属板20、20'。

热分离装置18能够按照以下方式被构造：它的端部在辊30的平面上方的高度可变。出于这样的目的，热分离装置18能够被全部推入或者仅部分推入炉室中。以这种方式，如果将要处理的金属板20、20'具有不同的厚度或者如果将要处理的工件20、20'根据它们的尺寸已经被不同地预成型，则热分离能够被优化。热分离工具18和辊30之间的自由横截面能够被选择为对于将要被处理的每个工件都是最小的，从而第一区域15和第二区域16之间的热交换最少。因此，两个区域15、16中的温度能够被保持在较窄的公差的范围内，并且当金属板进入第二区域16时它们的加热曲线能够被优化。

这里所显示的实施例仅仅构成本发明的示例并且因此不能被解释为限制的方式。本领域技术人员考虑到的可选实施例同样落入本发明的保护的范围。参考标号列表

10炉子、辊底式炉

11加热装置

12盖进口开口、滑动隔板

13盖出口开口、滑动隔板

15第一区域

16第二区域

18热分离装置

20、20'工件

30辊

x传送方向

θ温度

θ₁温度1

θ₂温度2

θ₃温度3