Verfahren für die Aufbringung einer Schichtstruktur durch Thermodiffusion auf eine metallische oder intermetallische Oberfläche

Technisches Gebiet

[0001 ] Die Erfindung betrifft ein Verfahren für die Aufbringung einer schützenden Schutzschicht durch einen Thermodiffusionsprozess. Dieser kommt sowohl bei Substraten als auch Kleinteilen zur Anwendung. Im Folgenden wird, der Einfachheit halber, in der Beschreibung für die durch Thermodiffusion behandelten Teile weitgehend nur noch von Substraten die Rede sein. Dort wo es sich aber zum besseren Verständnis aufdrängt, wird diese Bezeichnung entsprechend erweitert.

[0002] Die hier zugrundeliegende Thermodiffusion ist indessen grundsätzlich für alle metallischen Teile anwendbar, nach Massgabe, dass eine spezifische Ladung des Reaktors, in welchem eine thermische Reaktion stattfindet, mit zugeordneten Verfahrensparametern gefahren wird, und dass zur Bildung einer Dampfphase im Reaktor jene Elemente zugegeben werden , welche in quantitativer und qualitativer Hinsicht die zugrundegelegte Thermodiffusion einzuleiten resp. umzusetzen vermögen.

[0003] Insbesondere geht es hier um die Aufbringung von definierten metallischen Oberflächenschutzschichten auf Substrate, welche Aufbringung resp. Implementierung durch eine Dampfphasenabscheidung (Sublimation) mit anschliessender Thermodiffusion und Konditionierung erfolgt, gemäss einem oder mehreren der Ansprüche 1 ff.

[0004] Die Erfindung betrifft insbesondere auch die Gesamtanlage für die Umsetzung der Thermodiffusionsprozesse und deren Verfahren sowie die Ausbildung des für den Prozess zentral wirkenden Reaktors und dessen Verfahren. [0005] Die Erfindung betrifft des Weiteren:

- Anwendungen der verschieden geschützten Verfahren;

- Erzeugnisse aus diesen Verfahren;

- Verwendung der Erzeugnisse, welche durch die Thermodiffusionsprozesse bereit- gesielft werden können.

Technische Aspekte der Erfindung

[0006] Unter„Thermodiffusion" oder„Thermophorese" wird speziell die Entmischung (oder auch der Stofftransport) von Gasen oder Flüssigkeiten in einem Temperaturge- fälle bezeichnet, wobei die grösseren Moleküle bevorzugt nach Steilen tieferer Temperatur wandern.

[0007] Im Falle geladener Teilchen treten neben der eigentlichen Entmischung zusätzliche thermoelektrische Effekte (Seebeck-Effekt) auf. Diese kinetische Wechselwirkung von Teilchen- und Wärmefluss ist ein mikroskopisches Phänomen, das von der Wissenschaft noch nicht abschliessend in allen Belangen geklärt werden konnte, weshalb hier auf eine theoretische Darlegung dieses Phänomens verzichtet wird . Indessen, phänomenologisch Sassen sich diese Überiagerungserscheinungen im Rahmen der linearen irreversiblen Thermodynamik durch das Auftreten von Nichtdiago- nalelementen in einer Transport-Koeffizienten-Matrix beschreiben.

[0008] Die Übertragung auf die Diffusion von metallischen Elementen in einem realen Festkörper (z.B. Gussbauteil) in einem Temperaturgradienten ist nicht direkt möglich. Sie hängt stark von der kristallografischen Gefügeordnung (lonenbindung oder kova- lente, metallische Bindung), Dichtegradienten und Fehlordnungen (Korngrenzen, Sei- gerungen, Poren, etc.) ab. In jedem Fall ist bei der Thermodiffusion ein Tempera- tur/Zeit-Verlaufsgradient als treibende Kraft dieses Vorganges notwendig. Das Phasensystem strebt dabei immer von einem Zustand hoher Enthalpie zu einem Zustand niedriger Enthalpie.

[0009] Davon ist das sogenannte„Sherardisieren" zu unterscheiden. Bei diesem Be- schichtungsverfahren wird im Prinzip (beispielsweise) nur metallisches Zink aus der Dampfphase auf die Oberfläche des Substrats abgeschieden.

[0010] Erste praktische Grundlagen zur Thermodiffusion wurden durch Thomas Graham/ Baptist Fourier und die theoretischen Herleitungen durch Adolf Fick und Albert Einstein in Flüssigkeiten durchgeführt. Dabei stellte sich heraus, dass es eine direkte Beziehung zwischen der Wanderung der Moleküle im Gradienten, den sogenannten Diffusionskoeffizienten, gibt:

[001 1 ] Der Diffusionskoeffizient der suspendierten Substanz hängt also ausser von universeilen Konstanten und der absoluten Temperatur nur vom Reibungskoeffizienten der Flüssigkeit und von der Grösse der suspendierten Teilchen ab.

[0012] Besteht in einer Gasmischung ein Temperaturunterschied, so reichert sich durch die Temperatur die leichtere Komponente des Stoffes an der wärmeren, die schwerere an der kälteren Stelle an.

[0013] Die„Zink-Thermo-Diffusion" bezeichnet ein modernes Verfahren für Korrosionsschutz von höchster Qualität, bei dem die Oberfläche des Werkstoffs thermoche- misch modifiziert wird. Die dadurch entstehende Schutzschicht geht eine extrem starke (atomare) Verbindung mit dem Trägermateriai ein und gewährleistet so, dass zum einen einen hervorragenden Langzeit-Korrosionsschutz entsteht, und zum anderen , dass sich daraus eine Veränderung der Eigenschaften des Substrats ergibt, beispielsweise hinsichtlich der Duktilität, die ein solches Substrat dann nach erfolgter Thermodiffusion aufweist, wobei die beiden Wirkungen hier erfindungswesentiich alternativ oder kumulativ zur Umsetzung gelangen. Gerade die„Thermo-Diffusions- Verzinkung" bildet ein umweltfreundliches Verfahren , das ohne Chrom-Verbindungen durchgeführt werden kann.

[0014] Der Beschichtungsvorgang erfolgt in geschlossenen Kammern und läuft bei Temperaturen bis zu 380°C unter definierter Gasatmosphäre ab, wobei diese Temperaturangabe nicht als absolut zu betrachten ist. Dabei wird metallisches Zink aus der oben beschriebenen Dampfhase auf dem Substrat sublimieri und wächst gleich- massig auf der Oberfläche derselben auf. Anders als bei den herkömmlichen Korrosionsschutzverfahren legt sich bei der„Zink-Thermo-Diffusion" das eingesetzte Zink nicht nur platt auf die Oberfläche des zu schützenden Werkstücks, sondern dringt darüber hinaus in offene Hohlräume, zerklüftete Oberflächen und die etaügit- terstruktur in der Randzone, je nach Gefüge-Morphologie, gemäss dem Temperatur- und Dichtegradienten ein, und bildet so eine partielle Zink/Eisenlegierung.

[0015] Gegebenenfalls kann ein anschliessendes, spezieil für den Einsatz ausgewähltes zusätzliches Überzug das Verfahren abrunden, wobei dies nur in bestimmten Fällen als optional zu betrachten ist.

[0016] Das erfindungsgemässe Ergebnis ist aber so angelegt, dass aus dem Ther- modiffusionsprozess eine dünne und sehr hochleistungsfähige Korrosionsschutz- schicht gebildet wird, wodurch sich weitere Massnahmen, wie zum Beispiel„Top- coat", geradezu nicht aufdrängen .

[0017] Zur Abrundung der Offenbarung sei hervorgehoben, dass bei einer Topcoat- Beschichten es sich also bekanntlich um das Aufbringen einer fest haftenden Schicht aus formlosem Stoff auf Werkstücke handelt. Hierbei kann es sich sowohl um einzelne Schichten als auch um mehrere in sich zusammenhängende Schichten handeln. Solche Beschichtungen können durch chemische, mechanische, thermische und thermomechanische Verfahren erfolgen , wodurch dargelegt ist, dass eine solche Zufügung mit dem erfindungsgemässen Thermodiffusionsprozess keinen inneren Zusammenhang zu entfalten vermag.

[0018] Das Zink-Thermodiffusionsverfahren ist insbesondere für jene Bereiche geeignet, die mit extremen Korrosionsbedingungen konfrontiert sind, und/oder die physikalischen Eigenschaften des Substrats einer gezielten Veränderung zugeführt werden sollen, beispielweise zum Erhalt einer Duktiiitätseigenschaft des Werkstücks.

[0019] Es lässi sich deshalb schlussfolgern, dass sich, anders als bei den herkömmlichen Korrosionsschutzverfahren , das eingesetzte Zink bei der Zink-Thermodiffusion nicht nur, wie oben bereits erwähnt, auf die Oberfläche des zu schützenden Werkstücks niederlegt, sondern das eingesetzte Zink darüber hinaus in seine Metallgitterstruktur in der Randzone eindringt, womit dann eine echte Zink/Eisenlegierung gebildet wird,

[0020] Im Sinne einer Abrundung der Offenbarung sei noch darauf hingewiesen, dass das Beschichten eine Hauptgruppe der Fertigungsverfahren nach DIN 8580 als Bezeichnung für eine Gruppe verschiedener Fertigungsverfahren ist, bei denen ein Beschichtungswerkstoff auf ein Werkstück oder auf ein Trägermaterial aufgebracht wird und dort eine fest haftende Schicht bildet.

[0021 ] Die Beschichtung von Bauteilen findet bevorzugt in der Automobiiindustrie Anwendung und überall dort, wo ein hervorragende Korrosionsschutz angestrebt wird, allenfalls mit anderen funktionsbedingten physikalischen und dekorativen Eigenschaften kombiniert werden soll, und genau hiergegen wollen die hier vorgeschlagenen Thermodiffusionsprozesse mindestens eine nachhaltige alternative Technologie schaffen resp. anbieten.

[0022] Zusammenfassend lassen sich aus„Zink-Thermo-DiffusionAA OTech Technical Media, Seite 3" folgende Aspekte erkennen: [0023] Die durch den ZTD-Prozess (Zink-Thermo-Diffusion) entstandene Randschicht ist auch bei komplizierten Bauteilen (z. B. mit Hohlräumen und Innengewinden) sehr gieichmässig in der Schichtdicke und homogen in der Makrostruktur. Es entsteht eine gleichässige minimal aufgeraute Oberfläche ohne Zinkhautbildung. Es wird eine Schichthärte von etwa 52 HRC erreicht. Dadurch weisen die so behandelten Bauteile eine sehr hohe Verschleissfestigkeit auf, was mit anderen Korrosionsschutzverfahren unter Einsatz von Zink nicht erreicht wird.

[0024] Daraus lässt sich zu Gunsten der Erfindung ableiten, dass die Gefahr der Wasserstoff-Versprödung vor allem aufgrund von Beizprozessen und galvanischen Beschichtungsprozessen aus wässrigen Elektrolyten nicht mehr besteht. Zwar ist es richtig, dass durch das Eindringen und Einlagern von atomarem Wasserstoff in das Metallgefüge hierbei Änderungen in der Dehnbarkeit (Duktilität) des Materials entstehen, was zu Sprödbruch und so genannter Spannungsrisskorrosion und damit zum Bau'eilversagen führen kann. Indessen , durch den erfindungsgemässen trocken ablaufenden Wärme-ZTD-Prozess kann diese Gefahr der Wasserstoff-Versprödung für die bearbeiteten Bauteile ausgeschlossen werden, wodurch das Verfahren auch besonders für sicherheitsrelevante Bauteile hochwertig geeignet ist.

[0025] Zusätzlich lassen sich durch eine Thermodiffusions-Behandlung vorhandene Sauerstoff- Versprödungen reduzieren bzw. nachhaltig beheben, indem bei der trockenen Wärmebehandlung der Wasserstoff wieder aus dem Substrat herausgelöst wird.

[0026] Ein weiterer Vorteil beim Einsatz der Zink-Thermo-Diffusion an sicherheitsrelevanten Bauteilen ist die Gewährleistung der Masstoleranzen und Anzugsmomente.

[0027] Demgegenüber, durch die Oberflächenbeschichtung mit herkömmlichen Verfahren können sich die definierten Anzugsmomente je nach Schichtdicke verändern. Ausserdem müssen die Gewinde dieser beschichteten Schrauben oder Bolzen oft nachbearbeitet werden, damit sie die geforderten Toleranzen gewährleisten. Allerdings wird durch die mechanische Nachbearbeitung die aufgebrachte Schutzschicht teilweise wieder zerstört und der Korrosionsschutz verschlechtert sich dadurch nachhaltig.

[0028] Da bei der Zink-Thermo-Diffusion ein homogener und gleichmässiger Schichtaufbau vorliegt und keine zusätzliche Schicht aufgebracht wird, sondern der Korrosionsschutz in den Randbereich des Materials eingebracht wird, ist keine mechanische Nachbearbeitung mehr notwendig und die definierten Masstoleranzen und Anzugsmomente ändern sich nicht. Darüber hinaus kommt es im Gegensatz zu anderen Schichten auch zu keinem Setzverhalten , was bei sicherheitsrelevanten Bauteilen ebenfalls von besonderer Bedeutung ist.

Stand der Technik

[0029] Folgende Druckschriften sind zum Stand der Technik bekanntgeworden:

[0030] Aus EP 164 64 58 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung von pressgehärteten Bauteilen, insbesondere eines Karosseriebauteils hervor, das aus einem Halbzeug aus einem ungehärteten, warm umformbaren Stahlblech besteht, wobei das Verfahren durch folgende Verfahrensschritten charakterisiert ist: (i) aus dem Halbzeug wird durch ein Kaltverformungsverfahren (insbesondere einem Ziehverfahren), ein Bauteil-Rohling geformt; (ii) der Bauteilrohling wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil näherungsweise entsprechende Berandungskontur beschnitten; (iii) der beschnittene Bauteilrohling wird erwärmt und in einem Wa rm u mf o r we rkze u g pressgehärtet; (iv) wobei aus dem Halbzeug durch ein Kaltverformungsverfahren (insbesondere einem Ziehverfahren), wird ein Bauteil-Rohling geformt; (v) der Bauteilrohling wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil näherungsweise entsprechende Berandungskontur beschnitten; (vi) der beschnittene Bauteilrohling wird erwärmt und in einem Wa rmumformwerkzeug pressgehärtet; (vii) der pressgehärtete Bauteilrohling wird dann in einem Beschichtungsschritt unter Verwendung eines the mischen D iff u s io n sve rfa h re n s mit einer vor Korrosion schützenden Schicht überzogen.

[0031 ] Aus EP 164 64 58 A1 geht ein Verfahren zur Herstellung von pressgehärtete Bauteilen, insbesondere eines Karosseriebauteils hervor. Aus einem Halbzeug aus einem ungehärteten, warm umformbaren Stahlblech wird das Verfahren durch folgenden Verfahrensschritten abgewickelt: (i) aus dem Halbzeug wird durch ein Kalt- verformungsverfahren (insbesondere einem Ziehverfahren), ein Bauteil-Rohling geformt; (ii) der Bauteilrohling wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil näherungsweise entsprechende Berandungskontur beschnitten; (iii) der beschnittene Bauteilrohling wird erwärmt und in einem Wa rm u mf o rmwe rkze u g pressgehärtet; (iv) der pressgehärtete Bauteilrohling wird in einem Beschichtungsschritt unter Verwendung eines thermischen Diffusionsverfahrens mit einer vor Korrosion-schützenden Schicht überzogen.

[0032] Aus EP 1 646 459 B2 geht ein Verfahren zur Herstellung von pressgehärtete Bauteilen, insbesondere eines Karosseriebauteils, aus einem Halbzeug aus einem ungehärteten, warm umformbaren Stahlblech hervor, wobei das Verfahren durch fol gende Verfahrensschritte charakterisiert ist: (i) aus dem mit einer ersten Schicht vorbeischichteten Halbzeug wird durch ein Kaltumformverfahren, (insbesondere Ziehverfahren,) ein Bauteilrohling geformt; (ii) der Bauteilrohling wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil näherungsweise entsprechende Randkontur beschnitten; (iii) der beschnittene Bauteilrohling wird erwärmt und in einem Warmumfo rmwe rkze ug pressgehärtet; (iv) der pressgehärtete Bauteilrohling wird in einem Beschichtungsschritt mit einer zweiten vor Korrosion schützenden Schicht überzogen.

[0033] Darüber hinaus zeichnet sich EP 1 646 459 B2 dadurch aus, dass ein Verfah ren zur Herstellung von pressgehärteten Bauteilen, (insbesondere eines Karosserie- bauteiis) vorgeschlagen wird, bei welchem aus einem Halbzeug aus ungehärtetem, warm umformbarem Stahlblech folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: (i) das mit einer ersten Schicht vorbeschichtete Halbzeug wird erwärmt und in einem Warmumformwerkzeug pressgehärtet; (ii) der auf diese Weise erzeugte pressgehärtete Bauteilrohiing wird randseitig auf eine dem herzustellenden Bauteil entsprechend Randkontur beschnitten ; (iii) der pressgehärtete Bauteilrohiing wird in einem Beschichtungsschritt mit einer zweiten vor Korrosion schützenden Schicht überzogen, wobei die zweite Schicht mit einem thermischen Diffusionsverfahren auf den pressgehärteten Bauteilrohiing aufgebracht wird und wobei die zweite Schicht sowohl auf der Vorbeschichtung als auch auf unbeschichteten Bereichen des Bauteilrohlings abgeschieden wird.

[0034] Aus DE 10 2004 035 049 B4 geht ein Verfahren zur Beschichtung von

Stahlerzeugnissen, insbesondere auch aus hochfesten Stählen und mit formschwierigen Profilen hervor, wobei folgende prozessschritte zugrunde gelegt werden: (i) mittels Wärmebehandlung der oberflächenhaft gereinigten Stahlzeugnisse in einem Container; (ii) in den gleichzeitig ein Zinkpulver enthaltendes Sättigungsgemisch und ein wärmestabilisierender Füllstoff in Form von Granalien oder Kügeichen eingebracht werden; (iii) wobei diese Einbringungen aus einem Metall oder einer Legierung gebildet sind, das (die) bis zu einer Temperatur von 350 °C nicht mit Zink reagiert und eine Schmelztemperatur von mehr als 800 °C aufweist; (iv) Halten und Abkühlen; (v) wobei ein Sättigungsgemisch mit einem Anteil von etwa 99 bis 100% an feindispersem Zinkpulver mit einer Partikelgrosse von nicht mehr als 10 pm und einer Masse von 3,5 bis 3,7 g pro 1 m ² der Gesamtoberflache der zu beschichtenden Teile für eine Beschichtungsdicke von etwa 1 pm verwendet wird; (vi) dass die Thermodif- fusionssättigung und das Halten bei einer Temperatur von 260° bis 32Q C durchgeführt werden, und dass unmittelbar nach der Abkühlung die Erzeugnisse gewaschen und passiviert werden, und zwar stufenweise zuerst in einer Lösung mit einem pH- Wert von 4,5 bis 6,0 und dann in einer Lösung mit einem pH-Wert von 10,0 bis 1 1 ,0, Im Einzelnen: Es werden folgende Prozessschritte zugrunde gelegt werden; (i) mittels Wärmebehandlung der oberflächenhaft gereinigten Stahlzeugnisse in einem Container; (ii) in den gleichzeitig ein Zinkpulver enthaltendes Sättigungsgemisch und ein wärmestabilisierender Füllstoff in Form von Granalien oder Kügelchen eingebracht werden; (iii) wobei diese Einbringungen aus einem Metall oder einer Legierung gebildet sind, das (die) bis zu einer Temperatur von 350°C nicht mit Zink reagiert und eine Schmelztemperatur von mehr als 600°C aufweist; (iv) Halten und Abkühlen; (v) wobei ein Sättigungsgemisch mit einem Anteil von etwa 99 bis 100% an feindispersem Zinkpulver mit einer Partikelgrosse von nicht mehr als 10 pm und einer Masse von 3,5 bis 3,7 g pro 1 m ² der Gesamtoberflache der zu beschichtenden Teile für eine Beschichtungsdicke von etwa 1 pm verwendet wird; (vi) dass die Thermodif- fusionssättigung und das Halten bei einer Temperatur von 260° bis 320°C durchgeführt werden, und dass unmittelbar nach der Abkühlung die Erzeugnisse gewaschen und passiviert werden, und zwar stufenweise zuerst in einer Lösung mit einem pH- Wert von 4,5 bis 6,0 und dann in einer Lösung mit einem pH -Wert von 10,0 bis 1 1 ,0.

[0035] Aus EP 2 252 719 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Zink-beschichteten Nichteisenmetall-Bauteilen, insbesondere für die Fertigung korrosionsgeschützter Karosserien in Mischbauweise, bekanntgeworden, das nach folgenden Prozessschritten charakterisiert ist: (i) die Beschichtung auf die Nichteisenmetall-Bauteile wird durch ein Zinkdiffusionsverfahren unter Anwendung einer Zn-Staub-Mischung bei eine Temperatur im Bereich von 300° bis 600°C unter Bildung einer Zinkdiffusionsschicht aufgebracht. Die Anwendung dieses Verfahren betrifft Karosseriebauteil, insbesondere für Kraftfahrzeuge, in Metall-Hybrid- oder Mischbauweise, bei dem mindestens ein Leichtmetallbauteil und ein Stahlbauteil aneinandergefügt sind, wobei das Leichtmetallbauteil eine Zinkdiffusionsschicht trägt, welche den unmittelbaren Kontakt zwischen Leichtmetall und Stahl an der Fügestelle unterbindet.

[0036] Aus DE 10 2006 019 567 B3 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Formbauteils aus einem Halbzeug aus härtbarem und warmumformbaren Stahlblech bekanntgeworden, umfassend die folgenden Schritte: (i) Erwärmung des Halbzeugs auf Austern itisierungstemperatur und (ii) Presshärten in einem kalten Werkzeug, wobei sich durch Abschreckung zumindest teilweise ein martensitisches und/oder bainitisches Gefüge einstellt; (iii) und ein Anlassen des umgeformten Halbzeugs bei Temperaturen unterhalb 400°C unter Bildung eines Formbauteils mit gegenüber dem gehärteten Bauteil erhöhter Streckgrenze und/oder Bruchdehnung erfolgt, (iv) wobei für das Halbzeug ein Chrom-Molybdänstahl der Zusammensetzungen 25CrMo4, 34CrMo4, 42CrMo4, 25CrMoS4, 34CrMoS4 oder 42CrMoS4 gewählt wird.

[0037] Aus DE 10 2006 019 567 B3 geht dann spezifisch hervor, dass die Temperatur und Dauer des Anlassens so gewählt werden, dass die Streckgrenze um mindestens 20% gesteigert wird. Intervallmässig wird hier vorgeschlagen, das Anlassen bei einer Temperatur im Bereich von 300° bis 400°C resp. 300° bis 330°C erfolgen zu lassen. Im Einzelnen: Die Temperatur und Dauer des Anlassens werden so gewählt, dass die Streckgrenze um mindestens 20% gesteigert wird. Intervallmässig wird hier vorgeschlagen, das Anlassen bei einer Temperatur im Bereich von 300° bis 400°C resp. 300° bis 330°C erfolgen zu lassen.

[0038] Aus EP 2 369 020 A1 ist ein Verfahren zur Behandlung eines Metallelements für ein Kraftfahrzeug bekanntgeworden, mit den folgenden Prozessschritten: (i) Härten des Metallelements; (ii) Entfernen von Zunder vor dem Pressen des gehärteten Metallelements in einer Ultraschall-Flüssigkeit, die eine wässrige Lösung mit einer organischen Carbonsäure mit einer Konzentration von 0.1 -10 Vol. %; (ii) Beschichten des Metallelements in einem Beschichtungsverfahren mit einer Antikorrosionsbe- schichtung.

[0039] Aus US 9 089 886 B2 ist Verfahren zur Behandlung eines Metallelements für ein Kraftfahrzeug bekanntgeworden, mit den folgenden Prozessschritten: (i) Härten des Metallelements, so dass ein pressgehärtetes Metalielement erhalten wird; (ii) Entfernen von Zunder von der Presse am gehärteten Metallelement in einer Ultraschall-Flüssigkeit und Durchführen eines Ultraschallprozesses, um ein zunderfreies Metallelement zu erhalten : (iii) wobei die wässrige Lösung mit einer organischen Carbonsäure mit einer Konzentration von 0.1 bis 10 Vol. % ist; (iv) und der Ultraschall- prozess Ultraschallfrequenzen zwischen 18 kHz und 60 kHz umfasst; (v) und Beschichten des Metallelements in einem Beschichtungsverfahren mit einer Antikorrosi- onsbeschichtung; (vi) wobei die Ultraschallfrequenz während des Beschichtens mit einer Antikorrosionsbeschichtung variiert/geändert wird.

[0040] Aus EP 1 683 892 A1 resp. DE 10 2005 002 706 B4 ist ein Verfahren zum Aufbringen einer festen metallischen Beschichtung auf ein Profilbauteil aus Stahlblech bekanntgeworden, (i) wobei das Profilbauteil in einem Behandlungsraum mit einem Metallpulver eingenebelt und Metallpulver elektrostatisch auf der Oberfläche des Profilbauteils vollflächig abgeschieden wird; (ii) worauf eine Wärmebehandlung des Profilbauteils vorgenommen wird, bei welcher durch einen Diffusionsprozess zwischen dem Stahlblech und dem Metallpulver die Beschichtung ausgebildet wird, woran sich ein Abkühlung des Profilbauteils anschliesst.

[0041 ] Quantifizierend geht also aus DE 10 2005 002 706 B4 ein Verfahren zur Aufbringung einer festen metallischen Beschichtung auf ein Profilbauteil aus Stahlblech hervor, wobei das Profilbauteil in einem Behandlungsraum mit einem zink- oder zin- koxidhaltigen Metallpulver eingenebelt und das Metallpulver elektrostatisch auf der Oberfläche des Profilbauteils vollflächig abgeschieden wird, worauf eine Wärmebehandlung des Profilbauteils bei einer Temperatur zwischen 280° und 350°C über einen Zeitraum von 0.5 h bis 4.0 h vorgenommen wird, bei welcher durch einen Diffusionsprozess zwischen dem Stahlblech und dem Metallpulver von 5 bis 40 pm dicke Etsen-Zink-Legierungsschichten ausgebildet werden, woran sich eine Abkühlung des Profilbauteils anschliesst. Im Einzelnen: Das Profilbauteil wird in einem Behandlungsraum mit einem zink- oder zinkoxidhaltigen Metallpulver eingenebelt und das Metallpulver elektrostatisch auf der Oberfläche des Profilbauteils vollflächig abgeschieden, worauf eine Wärmebehandlung des Profilbauteils bei einer Temperatur zwischen 280C und 350°C über einen Zeitraum von 0.5 h bis 4.0 h vorgenommen wird, bei weicher durch einen Diffusionsprozess zwischen dem Stahlblech und dem Metallpulver von 5 bis 40 pm dicke Eisen-Zink-Legierungsschichten ausgebildet werden, woran sich eine Abkühlung des Profilbauteils anschliesst. Aus dieser Druckschrift geht des Weiteren hervor, dass diese Wärmebehandlung eine Aufheizphase und eine Haltephase umfasst, und sich die Aufheizphase über einen Zeitraum von 0.5 h bis 2 h und sich die Haltephase über einen Zeitraum von 0 h bis 2 h erstreckt. Die Abkühlungsphase des Profilteils erfolgt in einem Zeitraum von kleiner oder gleich 1 h.

[0042] Aus DE 10 2005 054 847 B3 geht die Verwendung eines Bauteils aus hochfestem Stahl hervor, das nach dem Warmformen und Presshärten bei 320 bis 400 Grad Celsius wärmebehandelt worden ist, als Struktur- und/oder Sicherheitsbauteil für ein Kraftfahrzeug.

[0043] Aus EP 2 271 784 B1 ist ein Verfahren zum Beschichten einer Oberflache wenigstens eines Substrats mit Zink bekanntgeworden, (i) bei dem das wenigstens eine zu beschichtende Substrat zusammen mit Zink als Beschichtungsmittel bei einer Temperatur zwischen 200° und 500°C wärmebehandelt wird, (ii) wobei vor dem Beginn der Wärmebehandlung in dem Reaktionsraum, in dem das zu beschichtende Substrat wärmebehandelt wird, der Sauerstoffgehalt in der in dem Reaktionsraum enthaltenen Atmosphäre auf weniger gleich 5 Vol.-% eingestellt wird , (iii) und dann in dem Reaktionsraum in der so hergestellten Atmosphäre die Wärmebehandlung begonnen wird und die Wärmebehandlung in dem Reaktionsraum durchgeführt wird, (iv) wobei während der Wärmebehandlung in den Reaktionsraum kein Gas oder kein Sauerstoff enthaltendes Gas zugeführt wird, oder ein Gas zugeführt wird, welches so vorbehandelt worden ist, dass es einen Sauerstoffgehalt von maximal 100 ppm enthält.

[0044] Aus DE 10 2009 002 868 A1 resp. EP 2 251 450 A1 geht ein Verfahren zur Erzeugung von schichtförmigen, parallel zur Oberfläche angeordneten AI reichen Phasen hervor. Der fertige Überzug weist somit einen mehrschichtigen Aufbau auf. Zur Herstellung dieses mehrschichtigen Aufbaus muss jedoch der Beschichtungsvor- gang sowie eine anschliessende Diffusionswärmebehandlung zur Erzeugung der Fe/Aluminide und/oder Silicide mehrfach wiederholt werden. Ein viellagiger Schichtaufbau mit wechselnder Abfolge wenigstens zweier verschiedener Lagen ist somit im genannten Stand der Technik nur durch ein mehrfaches Wiederholen des Beschich- tungsvorganges zu erreichen. Die Auswahl der Beschichtungsverfahren und Beschichtungswerkstoffe, welche zum Aufbringen derartiger viellagiger Schichtstrukturen geeignet sind, sowie die Anwendungsmöglichkeiten derart beschichteter Substrate, speziell an den Fügestellen, sind entsprechend eingeschränkt und das Aufbringen der Schichtstruktur ist vergleichsweise aufwendig. Der abgegrenzte Schichtaufbau und mehrfache Durchläufe führen in der Regel vermehrt zu Haftungsproblemen und Fehlstellen. Im Einzelnen: ⁴ Substrat (!) mit einer metallischen Oberfläche (2) und einer auf dieser angeordneten viellagigen Schichtstruktur (3), wobei wenigstens zwei unterschiedliche Lagen (4, 5) in periodisch wiederholter Abfolge aufeinander und parallel zur Oberfläche (2) des Substrats (1 ) angeordnet sind, wobei die Schichtstruktur (3) als Diffusionsschicht ausgebildet ist, wobei Lagen (4) aus einer ersten, intermetallischen Phase als Matrix ausgebildet sind, in welcher Lagen (5) aus wenigstens einer zweiten, vorzugsweise intermetallischen Phase periodisch ausgebildet sind. ^{4 2} Substrat, wobei die Lagen (4) aus der ersten intermetallischen Phase aus einer Aluminium-Nickel-Verbindung, insbesondere aus AI3Ni und/oder ΑΙ3ΝΪ2, bestehen. ^{4 3} Substrat, wobei die Lagen (5) aus der zweiten Phase aus einer Aluminium-Wolfram- oder Aluminium-Molybdänverbindung, insbesondere aus AI4W, bestehen. ^{4 4} Substrat, wobei die intermetallischen Phasen der Lagen (4) und/oder der Lagen (5) aus einer ternären Verbindung, insbesondere einer Al-Ni-W-Verbindung o- der Al-Ni-Mo-Verbindung, oder einer quaternären Verbindung, insbesondere Al-Ni- Mo-W, bestehen. ^{4 5} Substrat, wobei die Matrix zwei verschiedene Lagen (4', 4") aus verschiedenen intermetallischen Phasen umfasst, welche in unterschiedlichen Abständen zum Substrat (1 ) angeordnet sind. ^{4 6} Substrat, wobei die zweiten Lagen (5) im Wesentlichen äquidistant innerhalb der Matrix oder innerhalb einer Phase der Matrix ausgebildet sind. ⁷ Substrat nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix bzw. die ersten Lagen (4',4") eine Härte von etwa 350-1 100 HV aufweisen. ^{4 8} Substrat, wobei die Lagen (4',4") aus der ersten Phase eine Dicke zwischen 0,05 pm und 3 pm, vorzugsweise zwischen 0, 1 pm und 0,8 pm, aufweisen. ^{4 9} Substrat, wobei die Lagen (5) aus der zweiten Phase eine Härte von etwa 800 HV und eine Dicke zwischen 0,05 pm und 3 pm, vorzugsweise zwischen 0, 1 μηη und 0,8 μηι, aufweisen. ⁴ '"Substrat, wobei die Oberfläche (2) des Substrats (1 ) und/oder das Substrat (1 ) aus einer Aluminiumlegierung oder Aluminium bestehen . ^{4 1 l} Substrat, wobei die Oberfläche (2) des Substrats (1 ) und/oder das Substrat (1 ) aus einer Nickel-Basislegierung mit einem Anteil an Wolfram und/oder Molybdän bestehen . ^{4 12} Substrat, wobei das Substrat (1 ) aus einem Stahlwerkstoff besteht. ^{4 13} Substrat, wobei auf der viellagigen Schichtstruktur (3) eine Aluminiumschicht angeordnet ist. ^{4 14} Substrat, wobei auf dem Substrat (1 ) und unter der viellagigen Schichtstruktur (3) eine Nickel-Wolfram-Schicht oder eine Nickel-Molybdän- Schicht oder eine Nickel-Molybdän-Wolfram-Schicht angeordnet ist. ^,5 Verfahren zur Herstellung einer viellagigen Schichtstruktur (3) aus wenigstens zwei unterschiedlichen Lagen (4, 5) auf einer metallischen Oberfläche (2) eines Substrats (1 ), wobei die Lagen (4, 5) in periodisch wiederholter Abfolge aufeinander und parallel zur Oberfläche (2) des Substrats (1 ) angeordnet sind, wobei auf die Oberfläche (2) des Substrats (1 ) wenigstens eine metallische Schicht (6) aufgebracht wird und das beschichtete Substrat (1 ) einer Wärmebehandlung unterzogen wird und die viellagige Schichtstruktur (3) während der Wärmebehandlung durch Diffusion erzeugt wird, wobei die Werkstoffe der metallischen Schicht (6) und der Oberfläche (2) des Substrats derart aufeinander abgestimmt werden, dass durch die Wärmebehandlung Lagen (4) aus einer ersten , intermetallischen Phase als Matrix ausgebildet werden, in welcher Lagen (5) aus wenigstens einer zweiten, vorzugsweise intermetallischen Phase periodisch ausgebildet werden.

[0045] DE10 2010 021 691 A1 betrifft einen Schichtverbund aus zwei Subtraten, welche mit einer haftvermittelnden Schicht verbunden sind, wobei diese haftvermittelnde Schicht eine eindimensionale Kompositstruktur erhält. Dies ermöglicht zum einen eine rein anorganische Verbindung verschiedener Materialien, als auch eine stark verbesserte Verbindung bei Verwendung von Klebemitteln.

[0046] Aus EP 1 595 001 B1 geht ein Verfahren zum Beschichten einer Oberfläche mit einem ersten Material und einem zweiten Material hervor, das Verfahren umfasst die folgenden Schritte: (i) Anordnen des ersten Materials auf der Oberfläche; (ii) Einführen eines Vorläufers für das zweite Material in das Innere des ersten Materials gleichzeitig mit oder nach der Stufe, die aus dem Anordnen des ersten Materials auf der genannten Oberfläche besteht; (iii) Umwandlung des Vorläufers für das zweite Materials, das in das Innere des ersten Materials eingeführt worden ist, das zweite Material in der Weise eingeführt wird, dass dieses zweite Material auf der zu beschichtenden und im Innern des auf der Oberfläche angeordneten ersten Materials gebildet wird.

[0047] Aus EP 0 787 223 A1 geht ein Verfahren für eine chemische Abscheidung aus der Dampfphase hervor. Es geht um die die Erkenntnisse, dass bevorzugte Zinnverbindungen Tetraaikoxyzinnverbindungen mit verzweigten Ketten beinhalten, z.B. ver- zweigtkettige Tetraaikoxyzinnverbindungen, z.B. Tetra-tert-butoxyzinn und Tetra-iso- propoxyzinn zum Einsatz kommen können.

[0048] DE 10 080 457 T5 umfasst ein Verfahren zur Erstellung von Wolframnitrid, weiches die Reaktion einer Wolfram-Carbonyi-Verblndung mit Ammoniak bei einer Temperatur unterhalb ungefähr 800°C aufweist.

[0049] Durch die detaillierte Würdigung der zum Stand der Technik aufgeführten Druckschriften wird beansprucht, dass diese nun zu Recht einen integrierenden Bestandteil dieser Offenbarung bilden.

Darstellung der Erfindung

[0050] Der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen gekennzeichnet ist, liegt die Aufgabe zugrunde, bei mindestens einem Verfahren, Mittein zum Betreiben des Verfahrens, Erzeugnissen daraus, Anwendungen des Verfahrens oder Verwendungen der Erzeugnisse, der eingangs genannten Arten, die durch Thermodiffusionsprozesse gebildeten korrosionsschützenden Strukturen auf Substrate oder sonstige Teile, weiche Strukturen aus ein- oder mehrschichtiger Abscheidung von metallischen und/oder intermetallischen Elementen aus einer Dampfphase bestehen , in einem geschlossenen Behälter, auch Reaktor genannt, durchzuführen.

[0051 ] Dabei wird zugrunde gelegt, dass eine intermetallische Verbindung (genauer intermetallische Phase) eine homogene chemische Verbindung ist, welche aus zwei oder mehr Metallen gebildet wird . Solche Verbindungen weisen im Unterschied zu Legierungen Gitterstrukturen auf, die sich von denen der konstituierenden Metalle unterscheiden. In ihrem Gitter herrscht eine Mischbindung aus einem metallischen Bindungsanteil und geringeren Atombindungs- bzw. lonenbindungsanteilen, die in Überstrukturen resultiert.

[0052] Zur Optimierung dieser Prozesse innerhalb des Reaktors durchlaufen die zu behandelnden Gross- resp. Kleinteile vor und nach deren Behandlung im Reaktor verschiedene qualitätssichernde Prozesse, auf weiche weiter unten näher eingegangen wird.

[0053] Im Wesentlich lassen sich durch die erfindungsgemässe Thermodiffusion folgende Vorteile erzielen: a) Bei höchstem anorganischem Korrosionsschutz, hält die Korrosionsschutzfestigkeit mindestens zweimal länger als dies beispielsweise bei der Feuerverzinkung oder bei ähnlich gelagerten Verfahren der Fall ist; b) Es wird eine starke Adhäsionsverbindung der aufgebrachten Schichten gewährleistet, ohne Rissbildungen, Ablösungen (Abblätterung) und Brüche, und dies über die ganze Bandbreite der möglichen Schichtdicken von 1 -120 μηι; c) Wenn in dieser Beschreibung dann aus praktischen Überlegungen hinsichtlich einer schlanken Diktion von einer Schichtdicke die Rede ist, so darf damit niemals die Meinung aufkommen, dass damit auch anderweitige Überzüge verstanden werden könnten, denn gerade das Wesen der hier verfolgte Thermodiffusion besteht darin, dass sich das -bespieisweise- eingesetzte Zink nicht nur auf die zu schützende Oberfläche niederschlägt, sondern dieses Element darüber hinaus in die Metallstruk- tur des Substrats eindringt, womit dann eine Zink/Eisenlegierung gebildet wird. d) Durch die thermodiffusionsbedingte metailstrukturbezogene Verbindung finden auch bei Biege-, Zug-, Druck-, oder Scherbeanspruchungen des Teils keine Rissbildungen und/oder Ablösungen (Abblätterung) dieser Schicht statt, auch weil eine ma- ximierte Adhäsion der eindiffundierten Elemente stattgefunden hat, wobei diese Vorteile auch bei grossen Reibungsbeanspruchungen des Grundmaterials feststellbar sind. Diese Vorteile lassen sich insbesondere bei Verbindungs- oder Strukturteilen beobachten, was auch bei kraftübertragenden Teilen (Schrauben, Nieten, Muttern, etc.) festzustellen ist. e) Beim Einsatz der erfindungsgemässen Thermodiffusion iässt sich erzielen, dass bei sicherheitsrelevanten Bauteilen die Gewährleistung der Masstoieranzen und Anzugsmomente gesichert ist, f) Beim Einsatz der erfindungsgemässen Thermodiffusion Iässt sich des Weiteren erzielen, dass die damit behandelten Teile eine Erhöhung ihrer Dukiilität erfahren, welche die Teile„elastischer" macht, ohne damit die ursprünglichen Festigkeitswerte dieser Teile für ihren weiteren Gebrauch wesentlich negativ zu beeinflussen. g) Grundsätzlich ist es so, dass sich die zwei genannten Ergebnisse aus der erfindungsgemässen Thermodiffusion, nämlich Korrosionsschutz und Dukfilität, alternativ oder kumulativ innerhalb einer grossen Schicht-Bandbreite alternativ oder kumulativ erzielen lassen.

Weitere Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen: h) Es wird eine gleichmässige Schichtdicke auch bei komplizierten Geometrien über die ganze Ausdehnung der Teile gewährleistet. i) Verschleissschutz, Schutz vor Festfressen, glatter Überzug sind gewährleistet. j) An sich sind die durch Thermodiffusion erstellten Schichten gut geeignet, zum Einsatz zu gelangen, wenn im Nachgang punktuelle Flächen mit anderweitigen Überzügen, beispielsweise von organischen Verbindungen (Lacke, Vulkanisation der Teile, etc.) gefragt sind. Indessen, falls eine durch Thermodiffusion erstellte Schicht mit einem solchen zusätzlichen Überzug ergänzt werden soilte, so ist darauf zu achten, dass die hierfür eingesetzten Temperaturen nicht über die Schmelzgrenze von Zink gehen, damit schliesslich keine nachteilige thermische Belastung auf die eindiffundierten Elemente resultieren. k) Die erfindungsgemässe Thermodiffusion ist frei von Schwermeiallen oder anderen toxischen Stoffen; es werden ausschliesslich umweltfreundliche Prozesse zugrundegelegt; es entstehen keine Abwasser- oder Abluftproblematiken ; es werden keine organischen Lösungsmittel eingesetzt; die Prozesse laufen wasserstofffrei ab.

I) Wie oben bereits kurz angetönt, weist die erfindungsgemässe Thermodiffusion gegenüber den herkömmlichen Beschichtungsverfahren zum Zwecke eines Korrosionsschutzes, beispielweise durch Feuerverzinken, den Vorteil auf, dass eine deutlich bessere Verschleiss- und Korrosionsfestigkeit angeboten werden kann, weil unter anderen mit einer verhältnismässig niedrigen Prozesstemperatur gearbeitet wird, wodurch die Behandlungsmöglichkeit von Sonderteilen , wie Federn, etc., ohne Verlust ihrer mechanischen und physikalischen Eigenschaften und Festigkeiten, möglich ist.

[0054] So gesehen wird erfindungsgemäss ein Verfahren zur Aufbringung einer Schichtstruktur durch Thermodiffusion auf eine metallische Oberfläche eines Sub- strats in einem gesteuerten und/oder geregelten („open-loop control proces- ses"/"closed-loop control processes") Reaktor beschrieben, wobei die aufgebrachte Schichtstruktur auf die metallische Oberfläche des Substrats aus wenigstens einer Lage oder aus mindestens zwei gleichen oder unterschiedlichen Lagen gebildet wird . Die Lagen verlaufen zueinander parallel oder quasi-parallel zur urspünglichen Oberfläche des Substrats. Die der Thermodiffusion unmittelbar exponierte Oberfläche des Substrats weist ihrerseits mindestens eine metallische Schicht auf. wobei mindestens diese Schicht im Reaktor mit einer Wärmezufuhr beaufschlagt wird, wobei die Wärmezufuhr im Reaktor darüber hinaus eine metallische und/oder intermetallische Dampfphase injiziert, über welche durch Thermodiffusion die Erzeugung der

Schichtstruktur eingeleitet wird .

[0055] Die zum Einsatz gelangenden Werkstoffe, welche einerseits die unmittelbar exponierte metallische Oberfläche des Substrats und andererseits die metallischen und/oder intermetallischen Lagen der eindiffundierten Schichtstruktur bilden, sind aufeinander abgestimmt, wobei die einzelnen Lagen durch eine zeitlich gesteuerte und/oder geregelte Wärmezuführung prozessfortlaufend oder quasi-fortlaufend gebildet werden, und wobei diese Lagen aus gleichen oder unterschiedlichen metallischen und/oder intermetallischen Werkstoffen oder Legierungen bestehen und gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen.

[0056] Mindestens die letztaufgebrachte Lage weist physikalische und/oder chemische Eigenschaften auf, welche einen maximierten Korrosionsschutz bilden. Mindestens die letztaufgebrachte Lage weist dann eine Tenazität gegen biegebedingte Rissbildungen oder Abblätterung auf, wobei diese Tenazität mindestens gleich oder grösser ist als die aus der thermischen Behandlung des Substrats resultierende Duktili- tätszunahme der Teile.

[0057] Vorliegend wird also unter Tenazität lediglich das Haftungsvermögen der aufgebrachten Schichtstruktur verstanden, resp. dessen Zähigkeit gegen eine qualitative Einbusse hinsichtlich der aufgebrachten Lage(n) im Verlaufe deren mechanische und/oder chemische Belastung.

[0058] Bei mehreren vorhandenen aus verschiedenen Werkstoffkombinationen gebildeten Schichtlagen, werden monotone und/oder periodisch alternierende Abfolgen zugrundegelegt.

[0059] Somit können im Interesse einer Erhöhung der Duktilität beim thermisch fertigbehandelten Substrat ohne weiteres leichte physikalische Flexionen in Kauf genommen werden. Die Duktilität definiert sich als die gesamte plastische Verformung, zwischen RP 0,2 und der Bruchdehnung. Dies ist aber nicht weiter einschränkend, als die Festigkeiten des zugrundeliegenden Materials des Substrats, vorzugsweise eines warmgeformten gehärteten Struktur- oder Sicherheitsbauteils, nach wie vor hoch bleibt; demgegenüber liegen dann aber Struktur- und Sicherheitsbauteile vor, welche den Faltenwurf maximiert ermöglichen, was bei vielen Anwendungen entscheidend ist.

[0060] Es hat sich somit überraschend gezeigt, dass durch das erfindungsgemässe Verfahren eine wesentliche Steigerung der Streckgrenze erreicht werden kann. Insbesondere bei der Anwendung der Substrate für Karosseriebauteile, aber nicht nur, bleibt die dabei einhergehende Abnahme der Zugfestigkeit ohne Bedeutung, denn diese spielt bekanntlich für die Auslegung der Konstruktion auf Grund des Einsatzes hochwertiger Materialien mit überschiessenden physikalischen Materialwerten nur eine untergeordnete Rolle. Die Bruchdehnung nimmt durch das erfindungsgemässe Verfahren nur unwesentlich ab, dies in der Grössenordnung von wenigen Prozentpunkten. Dagegen zeigt sich aber eine deutliche Verminderung der Rissempfindlichkeit im Vergleich der Brucheinschnürungswerte.

[0061 ] Damit lassen sich Karosseriebauteile, aber nicht nur, zur Verfügung stellen, welche hinsichtlich des eingesetzten Materials nach wie vor das Prädikat„hochfest" haben, aber sich grösstmöglich duktil verhalten, damit sich bei hohen Crashkräften Faltenbeulen (Faltenwurf) ausbilden können , anstatt schlicht zu reissen oder Risse zu bilden, welche dann auch die Struktur der Oberflächenbeschichtung in Mitleidenschaft ziehen würden (siehe auch oben unter dem Begriff„Tenazität"), Diese Resultate konnten durch eingehende Versuche für aile Struktur- und Sicherheitsbauteile bestätigt werden .

[0062] Wenn von einem hochfesten Teil die Rede ist, so wird beispielsweise, also nicht abschliessend, auf einen hochfesten Stahl hingewiesen, dessen Zusammensetzung die folgenden Gewichtsprozente aufweist: Kohlenstoff (C) 0,18% bis 0,3%; Silizium (Si) 0,1 % bis 0,7%; Mangan (Mn) 1 ,0% bis 2,5%; Phosphor (P) maximal 0,025%; Chrom (Cr) bis 0,8%; Molybdän (Mo) bis 0,5%; Schwefel (S) maximal 0,01 %; Titan (Ti) 0,02% bis 0,05%; Bor (B) 0,002% bis 0,005%; Aluminium (AI) 0,01 % bis 0,06%; Rest Eisen einschliesslich schmeizungsbedingter Verunreinigungen, wobei nach der Wärmebehandlung bei 320° bis 400° C eine Zugfestigkeit Rm von 1200 bis 1400 N/mm ² , eine Streckgrenze Rpo.a von 950 bis 1250 N/mm ² und eine Dehnung As von 6-12% aufweist,

[0063] Nicht abschliessend in diesem Kontext heisst, dass auch andere Metalle/Materialien mit denselben Vorteilen zum Einsatz gelangen können .

[0064] Die Betriebstemperatur für die Wärmebehandlung des Substrats im Reaktor und für die Durchführung der Thermodiffusion erfolgt zwischen 200° und 500°C, vorzugsweise zwischen 280°-380°C. Versuche haben ergeben, dass der thermische Betrieb unter Anwendung der letztgenannten Spanne (280° - 380°C) die besten Resultate hinsichtlich einer Maximierung der Duktilität bei Substraten für den Einsatz als Struktur- und Sicherheitsbauteile und hinsichtlich der Erzielung einer haftungssicheren tenazitätskonformen Aufbringung der Schichtstruktur geliefert hat.

[0065] Weitere Versuche haben darüber hinaus auch noch aufgezeigt, dass bei bestimmten metallischen Schichtstrukturen mit einer wertmässigen Wärmebehandlung ausserhalb der letztgenannten Spanne gearbeitet werden muss, um eine haftungssichere tenazitätskonforme Schichtstruktur zu erzielen, wobei die Versuche ferner aufgezeigt haben, dass bei höheren Temperaturen über 350°-380°C die Problematik einer zu starken Herabsetzung der Zugfestigkeit und Härte beim Substrat auftreten kann. Durch eine metallurgische Anpassung des Materials lassen sich aber diese Nachteile leicht beheben.

[0066] In diesem Zusammenhang sei hervorgehoben, dass es bei zwei oder mehreren Lagen vorteilhaft ist, wenn die metallische Zusammensetzung der ersten unmittelbar auf der metallischen Oberfläche des Substrats angebrachten Lage durch ein maximiertes metallisches Haftungsvermögen charakterisiert ist, und dass sich diese metallische Zusammensetzung auch haftungsmässig dann optimal gegenüber der nachfolgenden Schicht verhält, wobei die letztgenannte die beste Voraussetzung für die äussere schützende Schicht des Substrats erbringen muss. Können diese zweiseitigen Haftungserwartungen (untere Schicht gegenüber oberer Schicht) nicht optimal erfüllt werden, so kann mit Zwischenschichten gearbeitet werden, welche wiederum im fortlaufenden Betrieb innerhalb des Reaktors aufgebracht werden können.

[0067] Was die Zusammensetzung der Lagen betrifft, so soll mindestens eine Lage der Schichtstruktur aus einem metallischen Dreiphasensystem bestehen, nämlich aus Al/Zn/Mg, wobei Zn als Hauptreaktionspartner einen Anteil ä 60% aufweist, AI 1 - 39% und Mg die Restanz zu nahezu 100% oder auch zu 100%, wobei mindestens eine Lage der Schichtstruktur aus einem individuellen oder zusätzlichen metallischen Phasensystem bestehend aus Ti und/oder Sn zusammengesetzt oder mindestens eine Lage der Schichtstruktur aus einem individuellen oder zusätzlichen metallischen Phasensystem aus AI3N 12 oder A Ni ergänzt werden kann.

[0068] Demnach lassen sich auch Verfahren zur Herstellung von Zink-beschichteten Nichteisenmetall-Bauteilen (NE Metall) vorsehen (siehe oben im Zusammenhang mit der Darlegung eines hochfesten Stahls), welche insbesondere für die Fertigung kor- rosionsgeschüizter Karosseriebauteile in Mischbauweise eignen, wobei die Be- schichtung auf die Nichteisenmefaii-Bauieiie grundsätzlich auch durch ein Zinkdiffusionsverfahren unter Anwendung einer Zn-Staub-Mischung bei einer Temperatur im Bereich von 300° bis 600° C, vorzugsweise von 280°-380° C, unter Bildung einer Zinkdiffusionsschicht aufgebracht wird. Als Nichteisenmetall wird beispielsweise, aber nicht abschliessend, eine Leichtmetalllegierung auf der Basis einer AI-, Ti-, oder ivlg-Legierungen angewendet. Die Leichtmetalliegierung weist einen Ai-Gehait oberhalb 55 Gew.-% auf.

[0069] im Nachgang lässt sich nach Bedarf auf Zn-Thermodiffusionsschicht eine Phosphatierungsbeschichtung aufbringen. Als Nichteisenmetailbauteile lassen sich auch Kupfer oder Cu-Legierungen, ebenso AI-, Ti-, Mg-Legierungen vorsehen. Die biechförmigen Nichteisenmetailbauteile können nach der Beschichtung durch Tiefziehen weiter umgeformt oder fertig erstellt werden. Eine Warmumformung dieser Nicht- metailbauteiie ist auch möglich, sowohl vor als auch nach der Beschichtung, wobei diese Umformung an Luft oder unter Schutzgasatmosphäre durchgeführt werden kann,

[0070] Dadurch, dass das Leichtmetallbauteil selbst eine Zinkdiffusionsschicht trägt, wird der unmittelbare Kontakt zwischen Leichtmetall- und StahlbauteiSe an den Fügestellen unterbunden. Sollte aber die Reibung bei diesen Kontaktstellen grösser ausfallen als berechnet, so Hesse sich beispielweise dadurch Abhilfe schaffen, indem die Fügestellen zusätzlich lackbeschichtet werden. In allen Fällen lassen sich die Leichtmetall- und Stahibauteüe durch ein Schweissverfahren aneinander verbinden.

[0071 ] Die Betriebstemperatur im Reaktor für die Wärmebehandlung des Substrats und für Durchführung der Thermodiffusion liegt, wie bereits oben dargelegt, zwischen 200° und 500°C, vorzugsweise zwischen 280° und 380° C. Diese Operationen werden über eine Zeitraumsession von < 0.5 h bis 4,0 h vorgenommen. Diese Zeit- raumsession umfasst eine Aufheizphase und eine Haltephase, wobei sich die Aufheizphase über einen Zeitraum von 0.5 h bis 2 h , und sich die Haltephase über einen Zeitraum von 0 h bis 2 h erstrecken.

[0072] Die beiden Phasen lassen sich auch intertemporär gestuft aufeinander folgend betreiben, so dass eine strenge zweiphasige Folge dann nicht mehr im Vordergrunde steht. Der wesentliche Vorteil einer solchen Vorgehensweise besteht darin, dass die thermische Wirkungsweise auf die Substrate nach Bedarf gezielter eingebracht werden kann.

[0073] Die nachfolgende Abkühlungsphase des Substrats erfolgt dann in einem individuell festgelegten Zeitraum, der in einem Fall kleiner oder gleich 1 h und in einem anderen Fall grösser 5 h betragen kann.

[0074] Der Innenraum des Reaktors, in dem das oder die Substrate einer Wärmebehandlung unterworfen sind , und diese Substrate durch Thermodiffusion mit einer Schichtstruktur ergänzt werden, wird bei einer Betriebstemperatur zwischen 280° und 380° C mit einem anfänglichen Sauerstoffgehalt von > 1 Vol. % gefahren , wobei der Reaktor mit einen Überdruck oder mit einem Unterdrück betrieben wird, d.h. kontinuierlich mit einem leichten Überdruck, deutlich unter 1 .5 bar, vorzugsweise zwischen 1 ,01 und 1 .5 bar, oder kontinuierlich mit einem Unterdruck zwischen 1 und 20 mbar.

[0075] Mindestens eine Lage weist eine Schichtdicke von 1 -120 pm, vorzugsweise 1 - 20 pm, auf. Bei mehreren Lagen verlaufen diese untereinander regelmässig, quasiregelmässig oder unregelmässig in X/Y/Z-Richtung des Substrats. Legt man einen vertikalen Schnitt durch die Oberfläche der Substrate an, so lässt sich feststellen, dass die Lagen flach, zackig oder onduliert zueinander verlaufen und/oder die Lagen übereinander verlaufen können, diskret wellenförmig oder phasenverschoben zueinander stehen. Die Messung erfolgt durch X-Ray oder magnetisch (Permascope). [0076] Der thermische Diffusionsprozess innerhalb des Reaktors erfolgt innerhalb eines vorzugsweise festgelegten Temperaturbereiches von 280° C bis bis 380° C (siehe oben), und dies während einer Zeitdauer von < 30 bis 240 min. Eine typische Gesamtzykluszeit beträgt bis zu 120 min.

[0077] Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Temperaturtoleranz während des Prozesses anzusehen, welche bei einer vorgegebenen Haltetemperatur ± 5° bis ± 20° C beträgt.

[0078] Eine wichtige Interdependenz zwischen der für den Prozess bedingten Höchsttemperatur und Umfang der Beladung des Reaktors mit Substraten besteht darin, dass die Diffusionstemperatur immer innerhalb kürzester Zeit gleichmässig im ganzen Reaktorraum erstellt werden muss. Dies bedingt, dass die Beistellung der für die Thermodiffusion optimalen Temperatur stark von der Art und Weise, wie der Reaktor thermisch aufgeladen wird, also insbesondere dann, wenn die Wärmezuführung indirekt erfolgt, beispielsweise über Heizschlangen resp. Heizelemente, welche den Reaktor teilweise oder ganz umschliessen. In diesem Zusammenhang liegt es auf der Hand, dass die Wanddicke des Reaktors einen wesentlichen Parameter für das Verfahren darstellt. Vorzugsweise soll für die Temperaturbeistellung eine Halbkreisgeometrie sowohl für die Heizelemente als auch für die Isolierung verwendet werden, dies um den Abstand zwischen den Heizelementen und der Aussenfläche des dort eingelassenen Reaktors zu optimieren.

[0079] Die effektive Heizzone muss vorzugsweise an der unteren Hälfte des rohrför- mig ausgebildeten Reaktors konzentriert werden, wo die Substrate und die für die Thermodiffusion eingebrachten Eisen- und/oder Nichteisenmetallpulver und Granulate konzentriert vorliegen. Von daher sollten Heizelemente in dem oberen Bereich des Reaktors nur mit Bedacht angeordnet werden. Die Heizelemente und die Isolierung sollten wartungsoptimal ausgelegt werden, wobei eine einfache Austauschbarkeit anzustreben ist. [0080] Eine Vergleichmässigung der im Reaktor vorherrschenden Temperatur wird dadurch erreicht, dass sich der rohrförmig ausgeblidete Reaktor während der Erwärmungsphase nach bestimmten Kriterien dreht. Die Drehrichtung und die Anzahl Umdrehungen pro Zeiteinheit lassen sich entsprechend den Reaktor-Parametern programmieren. Drehzahlen von 1 - 15 U/min sind im Normalfa!! vorgesehen.

[0081 ] Für die Überwachung der thermischen Aufbereitung ist der Reaktor mit verschiedenen Temperatursensoren ausgestattet, welche sowohl an der Aussenwand als auch im Innern des Reaktors angeordnet sind. Diese Sensoren überwachen die Temperaturveriäufe und übermitteln die gemessenen Werte an eine zentrale Steuereinheit, welche die Steuerung und Regelung des Gesamtbetriebs des Reaktors und mithin der gesamten Anlage übernimmt.

[0082] Typischerweise wird die Aufheizung des Reaktors in drei Phasen (Heizzykien) unterteilt:

^« Bei Schritt 1 ist ein schnelles Aufheizen bei maximaler Leistung nach einer berechneten Heizrampe auf Solltemperatur innerhalb einer berechneten Zeit,

• Bei Schritt 2 ist ein Aufheizen bei einer reduzierten Leistung der vordefi ierten Warmhaitetemperatur (innerhalb der Warmhaitetemperatur Toleranz) vorgesehen, mit dem Ziel, sich möglichst der berechneten Zeit zu nähern.

• Bei Schritt 3 geht es darum, die Aufrechterhaltung der vordefinierten Temperatur während des gesamten Betriebs zu sichern.

[0083] Allgemein gilt, dass der Reaktor anhand von Sfeuerungsprofiien betreibbar ist, nach folgenden Kriterien: - Die Steuerung operiert mit abgelegten Steuerungsprofilen, welche bei der Eingabe des vorzunehmenden Betriebs des Reaktors in Wirkverbindung mit dem Betrieb des Ofens abgerufen werden können;

- Die Steuerung operiert mit freiwirkenden Steuerungsprofiien, welche sich auf Grund der von Sensoren erfassten Informationen für den Betrieb des Reaktors in Wirkverbindung mit dem Ofen fortlaufend oder adaptiv anpassen;

- Die Steuerung weist Steuerungsprofile auf, welche mit vorgegebenen Regeiungs- funktionen gekoppelt sind;

- Die Steuerung weist Steuerungsprofiie auf, weiche prädiktiv eingreifen.

Die Steuerung für den Betrieb des Reaktors greift gleichzeitig auf den Betrieb des Ofens ein, wobei die beiden Aggregate in enger thermischer Wirkverbindung zueinander stehen.

[0084] Die Hauptsteuerung des Reaktors resp. interdependent mit der ganzen Anlage des Systems ist auf mindestens folgende Ein- und Ausgänge programmiert, welche mit den Steuerungsprofiien in Wirkverbindung stehen und geregelt werden :

Fertigungsauftrag, Projektreibe, Projektnummer; Laufnummer des Auftrages; Material der Substrate; Art der Substrate; Gewicht der Substrate; Volumen der Substrate; Rezeptur für die Thermodiffusion ; Art der Teile (Bulk Teile, manuelle Teile oder Rack- Teile); Art der Belastung, kombiniert oder individuell, wobei kombinierte bedeutet, dass Teile, Granulat und Pulver für die Beladung bereit vorgemischt sind; Gewicht der Teile pro Reaktor; Maximaie Dickenabmessung der Teile (auch Eingabe unterschiedlicher Abmessungen); Anzahl der Teile (jeder Art) pro Reaktor; Gesamtmasse der Teile (berechnet aus bis zu 20 verschiedenen Teile); Gesamtmasse der Racks, die die Teile unterstützen, unter der Annahme, dass es sich um metallische Teile handelt); Die Gesamtmasse des eingeführten Granulats; Gesamtpulvermasse des für die Thermodiffusion eingesetzten Materials: Wärmehaltetemperatur, Wärmhaltezeit: Zugelassene Toleranz der Wärmhaltetemperatur; Benötigte Zeit für das Hochfahren bis die Zieltemperatur korrespondiert; Benötigte Zeit für den Durchlauf innerhalb Schritt 1 (siehe oben); Benötigte Zeit für den Durchlauf innerhalb Schritt 2 (siehe oben); Eingabe der maximalen operativen Temperatur für Schritt 1 , 2 und 3 (siehe oben); Datum und Uhrzeit des Laufes Start- und Laufstopp: Gesamtzykluszeit zwischen Lauf Start- und Laufstopp; Energieaufwand für den Heizkreislauf (in kWh); Energieaufwand für den Kühlzyklus (in kWh); Anfangsparameter für den Betrieb der übrigen Stationen des Systems, beispielweise bezogen auf den Reaktor, dessen Drehzahl, Neigungswinkel, etc.

[0085] Die Steuerung des Reaktors muss so programmierbar sein, dass alle notwendigen Prozessdaten und Prozessabläufe als Steuerungsprofile für die verschiedenen Reaktorprozesse und für die interdependenten Aggregate der Anlage, insbesondere des Ofens, abgelegt sind oder laufend erfasst werden können. Diese Steuerungsprofile sind identifiziert und können so gezielt abgerufen werden, wobei die Software so konzipiert ist, dass bereits bei der Eingabe der verschiedenen Parameter fortlaufend zutreffende, mögliche, wahrscheinliche, prädiktive Steuerungsprofile aufgezeigt resp. angeboten werden können .

[0086] Die Anzeige der Temperaturkurve muss elektronisch erfasst und charttechnisch während des gesamten Erwärmungsprozesses wiedergegeben werden. Vorzugsweise wird diese Sichtbarkeit so konzipiert, dass alle Messzonen zur gleichen Zeit aufgezeigt werden. Fortlaufend werden die Kurvendaten in Microsoft Excel-kompatibles Format gespeichert. Der Reaktor muss so konfiguriert werden, dass die Prozessparameter zur Qualitätssicherung gesichert werden können.

[0087] Alle Zonen innerhalb des Behälters sollen eine Zielhaltetemperatur von vorzugsweise 280° bis 380° C mit einer Temperaturtoleranz von ± 5° bis ± 20° C aufwei- sen. Von daher lässt es sich nach jetzigem Erkenntnisstand ohne weiteres verantworten, die Heizelemente auf eine maximale Temperatur von 650° C zu begrenzen. Die Heizelemente werden vorzugsweise auf 3 Zonen aufgeteilt: Eine erste Zone 1 erstreckt sich in etwa auf einen ersten Drittel des rohrförmig ausgebildeten Reaktors; eine zweite Zone 2 erfasst den mittleren Abschnitt des rohrförmig ausgebildeten Reaktors; eine dritte Zone 3 erfasst wiederum in etwa den letzten Drittel des rohrförmig ausgebildeten Reaktors. Diese Aufteilung sowie die hier dargelegten Strecken sind indessen nur als qualitative Angaben zu verstehen.

[0088] Idealerweise werden die produktbezogenen Temperaturen über aller drei Zonen innerhalb einer Toleranz mindestens von ± 20 Grad gehalten; vorzugsweise soll diese Temperaturtoleranz über alle Zonen auch während der Aufheizphase beibehalten werden. Diese Verfahrensweise gewährleistet eine gleichmässige Temperatur auch in jenen Fällen, in weichen eine ungleichmässige produktbezogene Beladung der Zonen vorhanden ist, d.h. wenn einige Zonen mehr Masse aufweisen, oder innerhalb der Zonen Teile unterschiedlicher Dicke vorhanden sind.

[0089] Es gilt also durch die beschriebenen Vorgaben eine ungleichmässige Erwärmung innerhalb des Reaktors zu verhindern, denn die Zonen mit mehr Masse oder dickeren Teilen benötigen eine entsprechende individuelle thermische Aufbereitung zur Vergleichmässigung der Verfahrenstemperatur über den ganzen Reaktor.

[0090] Sonach, die genaue Messung der Oberflächentemperatur des behältermässig ausgebildeten Reaktors sowie der Temperatur der einzelnen Produktteile in den drei Zonen ist von wesentlicher Bedeutung für das erfindungsgemässe Verfahren.

[0091 ] Der rohrförmig ausgebildete Reaktor ist während der Heiz- und Kühlphasen in einem Supportwagen platziert, der so ausgebildet ist, dass der Reaktor sich darin unbeschränkt frei drehen kann. Diese Drehbarkeit wird nach Bedarf auch während der Be- und Entladung beibehalten. Dieser Supportwagen mit dem darin platzierten Re- aktor ist so konzipiert, dass eine Einschiebung in ein nachfolgendes Prozessaggregat leicht vonstatten gehen kann , wobei in diesem Prozessaggregat die Aufheizung und/oder die anschliessende Abkühlung unter prozessoptimierten Abläufen abschliessend stattfinden.

[0092] Demnach muss der Aufbau dieses Prozessaggregats (Aufheizung/Kühlung) so gestaltet sein und eine Infrastruktur aufweisen, welche die aus der Aufheizung des Reaktors erwärmte Luft aus dem Betrieb im Prozessaggregat abgeführt werden kann; andererseits weist das Prozessaggregat eine Infrastruktur auf, welche sicherstellt, dass nach Beendigung des Thermodiffusionsverfahrens eine erste Kühlung des Reaktors nach vorgegebenen Parametern einsetzen kann, bevor der Reaktor dann in die dafür vorgesehene Kühlungsvorrichtung transferiert wird .

[0093] Sowohl die Abführung der erwärmten Luft als auch die Zuführung des zur Kühlung benötigten Luftstromes soll vorzugsweise über mehrere örtlich angeordnete Ein-/Auslässe um den Reaktor stattfinden. Um die Kühlung des Reaktors von einer Prozesstemperatur von 380° auf mindestens 50°C während einer bestimmten Zeitspanne (siehe oben) zu reduzieren, muss eine entsprechende Luftgebläseleistung zur Verfügung gestellt werden. Zu diesem Zweck lässt sich im Normalfall Umgebungsluft verwenden. Ansonsten ist die Einleitung gekühlter Luft vorzusehen.

[0094] Demnach lässt sich sagen, dass der Verlauf der thermischen Prozesse innerhalb des Reaktors kontinuierlich regelmässig, gleichförmig/ungleichförmig, prädiktiv, auf Grund laufend erhobener Prozesswerte und Parameter innerhalb des Reaktors stattfinden.

[0095] Das Substrat durchläuft vor dessen Wärmebehandlung im Reaktor allgemein, aber nicht zwingend, die folgenden Prozessschritte:

(i) Durch eine Kaltumformung wird ein Substrat-Rohiing geformt; (ii) Der Substrat-Rohling wird randseitig auf seine abschliessende oder annähernd abschliessende Kontur des Substrats zugeschnitten;

(iii) Der zugeschnittene Substrat-Rohling wird einem thermischen Prozess unterzogen und in einem Warmumformwerkzeug pressgehärtei. Oder:

(i) Reinigung des Ausgangs-Rohlings;

(ii) Der Ausgangs-Rohiing wird einem thermischen Prozess unterzogen und in einem Warm um form Werkzeug pressgehärtet;

(iii) Der pressgehärtete Ausgangs-Rohling wird auf die abschliessende Randkontur des Substrats zugeschnitten. Das Substrat wird dann nach dessen Wärmebehandlung und Beschichtung im Reaktor gekühlt, gereinigt, und bei 150°-250°C während 0.5-2 h getempert wird.

[0098] Allgemein lassen sich die Hauptstationen der Anlage, welche die Verfahrensprozesse definieren, wie folgt zusammenfassen; a) Optional: Station zur Reinigung der Oberfläche der Substrate resp. Erzeugnisse (der eigentliche Thermodiffusionsprozess beginnt mit b) b) Station zum Laden der Substrate resp. Erzeugnisse in einen vorzugsweise rohrförmigen Reaktor. c) Station (Ofen) für die Durchführung der Thermodiffusion, unter Beisteilung einer thermischen auf den Reaktor wirkenden Energie,

Vornahme einer gezielten Abkühlung des Reaktors. e) Überführung des Reaktors zu einer Entladestation, f) Anschliessende Vornahme einer Reinigung, beispielweise Ultraschailresni- gung, und Passivierung der Substrate resp. Erzeugnisse in mindestens einer Station. f) Recycling des wärmeleitenden Füllstoffes und/oder des Sättigungsgemisches aus dem vorangehenden Prozess und Einleitung derselben in b),

[0097] Die Erfindung betrifft des Weiteren eine Anwendung des Verfahrens, welche auf die Herstellung von Bauteilen, insbesondere Struktur und Sicherheitsbauteile, gerichtet ist, deren Einsatz eine hohe Korrosionsschutzfähigkeit und eine hohe Dukfiiität voraussetzen. Diese Bauteile werden aus warm- oder kaitumform baren Rohlingen hergesteilt, und sind vorzugsweise für Transportmittel zu Strasse, zu Bahn, zu Luft, zu Wasser bestimmt. Bei den Transportmitteln zu Strasse handelt es sich vorzugsweise um Kraftfahrzeuge, in welchen solche Struktur- und Sicherheitsbauteiie mit Vorteil eingebaut werden, und es sei auch nur darum, um die strengen Crash-Normen zu erfüllen. Vorzugsweise handelt es sich bei diesen Erzeugnissen um Hochfeste Stahl- (Eisen Metall) oder AI-Bauteile (NE Metali), welche, wie oben dargelegt, insbesondere bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz gelangen.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

[0098] Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme der Figuren der Zeichnung näher dargestellt. Alle für das unmittelbare Verständnis der Erfindung nicht wesentlichen Elemente sind weggelassen worden. Gleiche Elemente sind in den verschiedenen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

[0099] In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 eine integrale Gesamtansicht einer Anlage; Figur 2 eine Draufsicht der Anlage nach Figur 1 ;

Figur 3 der Aufbau eines Prozessaggregats bei der Abführung der Wärme aus dem. Reaktor;

Figur 4 den Aufbau der Heizelemente für die Beisteliung des thermischen Potentials, also der thermischen Aufbereitung, für den Reaktor wobei diese Heizelemente 150 als Heizschlangen ausgebildet sind;

Figur 5 eine typische Zonenaufteilung innerhalb des rohrförmigen Reaktors;

Figur 6 eine dreidimensionale Ansicht eines typischen rohrförmigen Behälters der als, Reaktor betrieben wird.

Figur 7 eine graphische Darstellung Spannung/Dehnung eines durch Thermo- diffusion behandelten Teils;

Figur 8 einen Reaktor-Bahnhof vor deren Beladung;

Figur 9 eine Operation bei der Beladung des Reaktors;

Figur 10 eine weitere Operation bei der Beladung des Reaktors;

Figur 1 1 die Verschiiessoperation eines Reaktors,

Figur 12 einen sich im Einsatz befindlichen Ofen;

Figur 13 ein Menü über die abrufbaren Prozesse; Figur 14 Rezept-Eingabemöglichkeit zur Erzielung von Veränderungen resp. Einstellmögiichkeiten verschiedener Prozessparameter;

Figur 15 ein Steuerdisplay zur Überwachung der Prozesse;

Figur 16 eine Kühlungsstaiion für die Reaktoren nach dem Thermodiffusionspro- zess;

Figur 17 Eine erste Etappe zur Entladung des Reaktors; Figur 18 Eine weitere Etappe zur Entladung des Reaktors; Figur 19 eine neuerliche Einfüliung des Reaktors.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

[0100] Bei der nachfolgenden Beschreibung der Figuren wird der rohrförmige Behälter, in welchem die physikalischen und chemischen Reaktionen betreffend die zugrundeliegende Thermodiffusion stattfindet, mit der Denomination„Reaktor" weiterverfolgt.

[0101 ] Figur 1 zeigt eine integrale Ansicht einer Anlage 100, welche bestimmungsge- mäss die Voraussetzung bildet, ein Verfahren zur Herstellung einer Schichtstruktur auf einer metallischen oder intermetallischen Oberfläche mindestens eines mechanisch beiasteten Teils in einem gesteuerten und/oder geregelten Reaktor durchzuführen.

[0102] Im Wesentlichen setzt sich die Anlage 100 aus folgenden Hauptstationen zusammenfassen; Ä. Station zur Reinigung der Oberfläche der zu behandelten Teile,

B, Station zum Laden der zu behandelten Teile in einen vorzugsweise rohrförmigen Reaktor unter Beistellung der für die Durchführung der Thermodiffusion komplementär notwendigen Hilfselemente.

C, Station für die Durchführung der Thermodiffusion in einem Ofen, unter Einbezug des Reaktors, in weichem durch Wärmezufuhr die Äufheizung dessen Inhalt stattfindet.

D, Vornahme einer gezielten Abkühlung des Reaktors in einer dafür ausgelegten Kühlungsvorrichtung.

E, Überführung des Reaktors zu einer Entladestation.,

F, Anschliessende Vornahme einer Waschung und Passivierung der behandelten Teile innerhalb mindestens einer dafür ausgelegten Station.

G, Recycling des wärmeleitenden Füllstoffes und/oder des Sättigungsgemisches aus dem vorangehenden Prozess und Einleitung derselben in B.

[01 03] Der thermische Hauptbestandteil dieser Anlage wird durch ein Heiz/Kühl-Ag- gregat 1 1 0 (siehe oben C/D), das im Heiz- oder Vorheiz-Betrieb dargestellt ist. Der thermische Diffusionsprozess findet in einem Reaktor 120 statt. Dieser Reaktor weist die Form einer rohrförmigen Tonne auf, welche in einem heizbaren Supportwagen (Laufwagen) 130 Platz findet. Der Supportwagen ist so ausgebildet, dass sich der rohrförmige Reaktor darin unbeschränkt frei drehen kann. Diese Drehbarkeit wird vorteilhaft auch während der Be- und Entladung beibehalten. Dieser Supportwagen mit dem eingelegten Reaktor weist Mittel auf, welche zunächst die Aufheizung des rohrförmigen Reaktors sichersteilen, wobei der Supportwagen 130 so konzipiert ist, dass er durch eine Einschiebung in ein nachfolgendes Prozessaggregat 140, in welchem die effektive Aufheizung stattfindet. Nach beendigtem Thermodiffusionsprozess kann in diesem Aggregat mindestens eine vorläufige Abkühlung des rohrförmig ausgebildeten Reaktors stattfindet, bevor dieser zu der Abkühlungsvorrichtung weiter transportiert wird. Mit dem Thermodiffusionsprozess finden im rohrförmigen Reaktor jene prozessorientierten thermisch geleiteten Abläufe statt, bei welchen die behandelten Teile mit einer bestimmungsgemässen Schutzschicht versehen werden.

[0104] Die Heizelemente 150 (siehe Figuren 2 und 4) im Supportwagen 130 für die Beistellung der Wärmezufuhr befinden sich gegenüber dem Reaktor vorzugsweise an der unteren Hälfte (siehe Figur 4), wo einerseits die Substrate oder sonstige Teile auf Grund der Rotation des Reaktors absenken, es sei denn der Reaktor sei so prallgefüllt, dass sich mindestens die Substrate innerhalb des Reaktors unverrückbar verhalten, weshalb hinsichtlich der Wärmezufuhr dann nur noch auf die für die Thermo- diffusion eingebrachten Elemente (Eisen- und/oder Nichteisenmetallpulver, Granulate, etc.) Rücksicht genommen werden muss.

[0105] Von daher sind Heizelemente in dem oberen Bereich des Reaktors nur mit Bedacht anzuordnen. Wie oben erläutert sind solche Heizelemente allenfalls integral um den Reaktor anzuordnen, wenn durch die blosse unterseitige Aufheizung keine gleichförmige Aufheizung aller Substrate innerhalb des Reaktors stattfinden kann. Die Heizelemente und die Isolierung müssen auch wartungsoptimal ausgelegt werden, und es ist eine einfache Austauschbarkeit anzustreben.

[01 06] Eine Vergleichmässigung der im Reaktor vorherrschenden Temperatur lässt sich dadurch erreichen, dass sich der Reaktor während des Erwärmungsprozesses nach bestimmten Kriterien dreht. Die Drehrichtung und die Anzahl Umdrehungen pro Zeiteinheit lassen sich entsprechend programmieren . Versuche haben gute Resultate gezeitigt, wenn bei mittlerer Füllung des Reaktors mit einer Drehzahl von 1 -1 5 U/min operiert wird. Auch können ungleichförmige resp. ungleichmässige Rotationen des Reaktors vorsehen. [0107] Für die Überwachung der thermischen Aufbereitung innerhalb des Reaktors wird dieser mit verschiedenen Temperatursensoren ausgestattet, weiche sowohl an der Aussenwand ais auch im Innern des Reaktors angeordnet sind. Diese Sensoren überwachen die Temperaturverläufe und übermitteln die gemessenen Werte an eine zentrale Steuereinheit, welche die Steuerung und Regelung des Gesamfbetriebs der Anlage, und mithin auch die Wärmezuführung für die Aufheizung des Reaktors, übernimmt.

[0108] Allgemein gilt, dass der Ofen anhand von Steuerungsprofiien betrieben wird, welche nach folgenden Kriterien operieren: a) Die Steuerung operiert mit abgelegten Steuerungsprofilen, welche bei der Eingabe des vorzunehmenden Betriebs des Ofens abgerufen werden; b) Die Steuerung weist Steuerungsprofiie auf, weiche mit vorgegebenen Rege- lungsfunkiionen gekoppelt sind; c) Die Steuerung weist Steuerungsprofile auf, welche prädiktiv eingreifen; d) Die Steuerung operiert mit freiwirkenden Steuerungsprofiie, welche sich auf Grund der von Sensoren erfassten Informationen für den Betrieb des Ofens fortlaufend oder adaptiv anpassen;

[0109] Die Steuerung für den Betrieb des Ofens erfasst gleichzeitig auch den Betrieb des Reaktors, wobei beide Aggregate in einer engen thermischen Wirkverbindung zueinander stehen.

[01 10] Typischerweise wird der Reaktor-Heizzykius, insbesondere bei einer definierten Thermodiffusion, in drei Phasen unterteilt: ^• Bei Schritt 1 ist ein schnelles Aufheizen bei maximaler Leistung zu einem berechneten Rampe auf Solltemperatur für eine berechnete Zeit vorgesehen.

^• Bei Schritt 2 ist ein Erhitzen bei einer reduzierten Leistung der vordefinierten Warmhaltetemperatur (innerhalb der Warmhaltetemperatur Toleranz) vorgesehen, mit dem Ziel, sich möglich der berechneten Zeit zu nähern.

^• Bei Schritt 3 geht es darum, die Aufrechterhaitung der vordefinierten Temperatur während des gesamten Betriebs zu sichern.

[01 1 1 ] Der thermische Diffusionsprozess innerhaib des Reaktors erfolgt innerhalb eines vorzugsweise festgelegten Temperaturbereiches von 280° bis 380° C, und dies während einer Zeitdauer von < 30 bis mindestens 240 min. Eine typische Gesamtzykluszeit beträgt mindestens oder kleiner 90 Minuten. Wichtig in diesem Zusammenhang ist die Temperaturtoleranz während des Prozesses anzusehen, welche bei einer vorgegebenen Haltetemperatur eine Toleranzspanne mindestens von ± 5° bis ± 20° C aufweisen muss.

[01 12] Eine wichtige Interdependenz zwischen der für den Prozess bedingten

Höchsttemperatur und Umfang der Beladung des Reaktors mit Substraten oder sonstigen Teilen besteht darin, dass die Diffusionstemperatur immer innerhalb kürzester Zeit erreicht werden muss. Dies bedingt, dass die Beistellung der für die Thermodiffu- sion optimalen Temperatur stark von der Art und Weise, wie der Reaktor thermisch betrieben wird, also insbesondere in jenen Fällen, in welchen die thermische Aufbereitung indirekt erfolgt, beispielsweise über Heizschlangen resp. Heizelemente, welche den Reaktor in einem bestimmten Grad umgeben. In diesem Zusammenhang iiegt es auf der Hand, dass die Wanddicke des Reaktors einen wesentlichen Parameter für die thermische Aufbereitung darstellt. [01 13] Vorzugsweise soll für die Temperaturbeistellung eine Halbkreisgeometrie sowohl für die Architektur der Heizelemente als auch für die Isolierung verwendet werden, dies um den Abstand zwischen den Heizelementen und der Aussenfläche des Reaktors zu optimieren (siehe Figur 4). Wie bereits erwähnt, bleiben von diesem Grundmuster allenfalls jene Fälle ausgeschlossen, wenn durch sperrige Substrate eine vollumfängliche (pralle) Beladung des Reaktors vorliegen sollte.

[01 14] Die durch die Thermodiffusion zu erzielende Schichtstruktur auf der Oberfläche der Teile wird aus wenigstens einer Lage oder aus mindestens zwei gleichen o- der unterschiedlichen Lagen gebildet. Die Lagen folgen aufeinander und sie verlaufen parallel oder quasi-parallel zur Oberfläche des Teils oder zu einer vorangehenden Lage. Mindestens die Oberflächen der im Reaktor platzierten Teile müssen mit einer Wärmezufuhr beaufschlagt, wobei diese Wärmezufuhr nicht nur von aussen herangeführt wird, sondern auch inwendig des Reaktors, also direkt, bereitgestellt werden kann. Diese Wärmezuführung wirkt auch auf die metallischen und/oder intermetallischen Werkstoffe und/oder Legierungen, welche innerhalb des Reaktors eine Dampfphase bilden, welche dann durch Thermodiffusion die Erzeugung der

Schichtstruktur bei dem zu behandelnden Teil einleitet oder bewerkstelligt.

[01 15] Ist die Schichtstruktur durch mehrere Lagen charakterisiert, dann werden mindestens zwei der aufeinander folgenden Lagen durch eine gesteuerte und/oder geregelte Wärmezuführung im fortlaufenden oder quasi-fortlaufenden Modus gebildet, wobei diese Lagen aus gleichen oder unterschiedlichen metallischen und/oder intermetallischen Werkstoffen und/oder Legierungen bestehen und gleiche oder unterschiedliche Schichtdicken aufweisen. Mindestens die letztaufgebrachte Lage weist physikalische und/oder chemische Eigenschaften auf, welche beim behandelten Teil einen maximierten Korrosionsschutz bilden, und wobei mindestens die letztaufgebrachte Schichtstruktur physikalische Werte gegen biegebedingte Rissbildungen o- der Abblätterung aufweist, welche Werte mindestens gleich oder grösser als die resultierende Duktilitätserhöhung aus der thermischen Behandlung der Teile sind. [01 16] Des Weiteren weist die Anlage gemäss Figur 1 noch die folgenden komplementären Aggregate auf:

[01 17] Da ist zunächst ein mit Geräten ergänztes Karussell 160 ersichtlich, das als Ladestation fungiert, und gleichzeitig auch als Entiadestation dient. Hier findet das Befüllen und Entleeren des rohrförmigen Behälters, also des Reaktors 120, mit Teilen statt, der dann in Position gebracht wird, wobei dieser Behälter jene Infrastruktur aufweist, um später die Funktion eines Reaktors erfüllen zu können. Das Karussell bildet die Basis für die Aufnahme des Supportwagens 130 mit dem darin platzierten rohrförmigen Reaktor 120. Andere nicht näher gezeigte Aniagelayouts, beispielsweise Krane oder Robotics, können als komplementäre Hilfsmittel vorgesehen werden.

[01 18] Links davon, also stromauf des Karussells 160, wirkt eine hier summarisch dargestellten Veriadeeinrichtung 170, welche die Beschickung des Reaktors 120 mit Substraten und/oder Teilen vornimmt. Für eine nähere Darlegung des ganzen Beladungsvorgangs wird auf die Figuren 9-1 1 verwiesen.

[01 19] In Wirkverbindung mit dem Wärme/Kühi-Aggregat (siehe auch Figur 12), also des eigentlichen Ofens 1 10, ist eine komplementäre Baugruppe 180 vorhanden, welche aus folgenden Subaggregaten besteht:

[0120] Aus einem Vibrationsgerät 181 und einem Separator 182, welche die Trennung von Granulaten und Pulver, beispielsweise aus AL-Granulaten, Füllmaterialien und Pulverresten vornehmen. Diese Subaggregate 181 /182 sorgen dafür, dass die Trennung der„verbrauchten" AL-Granulaten, Füilmaterialien und Pulverreste effizient stattfindet. Es ist indessen vorteilhaft vorzusehen und bei Bedarf anzuwenden, dass mindestens eine weitere Trennungsoperation der genannten verfahrensnotwendigen Elemente vorgesehen wird. Nach der endgültigen Trennung werden diese nunmehr „verbrauchten" Elemente zu getrennten Behältern überführt. Ein Recycling ist indessen möglich. [0121 ] Des Weiteren ist ein Vakuum-Absauger 183 vorhanden, der die industrielle Entstaubung von Staub und Rauch aus den operationeilen Aggregaten vornimmt. Zu diesem Zweck kommen zwei Hauben oder Kappen 184, 185 zum Einsatz, welche einerseits selbsttragend sind und von Hand für eine korrekte Positionierung bewegbar sind. Der Absauger muss für eine effiziente Staubabsaugung des gebrauchten Zinkstaubes oder der anderen eingesetzten Elemente für die Thermodiffusion ausgelegt sein. Als Richtwert für eine einwandfreie Staubabsaugung gilt die Menge von 10 Kg Staub pro Behälter.

[0122] in diesem Zusammenhang ist es aus Sicherheitsüberiegungen wichtig, sicherzustellen, dass keine örtlichen Zündquellen vorhanden sind, weiche mit der Staubabsaugung in Berührung kommen könnten.

[0123] In Figur 1 sind des Weiteren die strömungsführenden Leitungen ersichtlich, nämlich: a) Position 101 als Verbindungsleitung zwischen dem Vibrationsgerät 181 und dem Vakuum-Absauger 183; b) Position 102 als Verbindungsleitung zwischen dem Separator 182 und dem Vakuum-Absauger 183; c) Position 103 eine erste zu einer ersten Kappe 184 gehörende Leitung, weiche mit dem Vakuum-Absauger 183 verbunden ist; d) Position 104 eine zweite zu einer zweiten Kappe 85 gehörende Leitung, wei ^¬ che mit dem Vakuum-Absauger 183 verbunden ist. [0124] Figur 2 zeigt eine Draufsicht der Anlage 1 00 nach Figur 1 . Hier sind die Heizelemente 150 besonders gut ersichtlich. Eine weitere körperliche Ansicht dieser Heizelemente geht aus Figur 4 hervor. Die hier angebrachten Positionen stehen in Konkordanz mit Figur 1 und haben den finalen Zweck, die einzelnen Aggregaten ganzheitlich näher zu bringen.

[0125] Im Einklang mit Figur 3, muss der Aufbau dieses Prozessaggregats 140 so gestaltet sein und eine Infrastruktur aufweisen, dass die aus der Aufheizung des Reaktors erwärmte Luft im genannten Prozessaggregat abgeführt werden kann. Andererseits weist das Prozessaggregat 140 eine Infrastruktur auf, welche sicherstellt, dass nach Beendigung des Thermodiffusionsverfahrens eine gezielt gehaltene Kühlung des Reaktors nach vorgegebenen Parametern einsetzen kann, bevor der Reaktor zu einer Kühlungsvorrichtung transportiert wird (siehe Figur 16). Sowohl die Abführung der erwärmten Luft als auch die Zuführung des zur Kühlung benötigten Luftstromes sollen vorzugsweise über mehrere Ein-/Auslässe um den Reaktor stattfinden. Um die Kühlung des Reaktors von einer Prozesstemperatur von beispielweise 350°C auf 50° C während einer bestimmten Zeitspanne zu reduzieren (siehe oben), muss eine entsprechende Luftgebläse-Leistung zur Verfügung gestellt werden. Zu diesem Zweck lässt sich im Normalfall Umgebungsluft verwenden. Ansonsten ist die Einleitung einer gekühlten Luft vorzusehen.

[0126] Figur 3 ist demnach als eine Seitenansicht der Anlage 100 nach Figur 1 dargestellt, und sie zeigt im Vordergrund das Prozessaggregat 140 bei der Abkühlung des rohrförmigen Behälters, also des Reaktors 120. Um den Abkühlungsvorgang im Zusammenwirken mit der Beisteilung der Kappe 185 effizienter zu gestalten, wird das Prozessaggregat 140 durch einen Deckel 141 erweitert, der dafür sorgt, dass die zur Verfügung gestellte Abkühlung den Reaktor 120 möglichst integral erfassen kann. Ist einmal der Reaktor in Wirkverbindung mit der Kühlungsvorrichtung gemäss Figur 16 fertig gekühlt, erfolgt dann die Entleerung des Gutes. [0127] Figur 4 zeigt die Heizelemente 150 für die Beistellung des thermischen Potentials für den Reaktor 120, wobei diese Heizelemente 150 als Heizschlangen ausgebildet sind, welche einen integrierenden Bestandteil des Supportwagens 130. Ersichtlich ist hier des Weiteren ein von mehreren Rädern 131 , weiche die betriebliche Drehung des Reaktors 120 während der Wärmeübertragung sicherstellen. Damit wird eine gieichmässige thermische Aufbereitung des Inhalts des Reaktors 120 gewährleistet. Ist der Reaktor 120 mit einem aus Kieinteiien bestehenden Schüttgut beladen, so können die Drehbewegungen intermittierend oder richtungsändernd vorgesehen werden, damit diese Kleinteile thermisch gieichmässig behandelt werden können.

[0128] Aus Figur 5 geht hervor, wie eine typische Zonenaufteiiung innerhalb des rohrförmigen Reaktors 120 gestaltet ist, der als Schnittansicht dargestellt ist. Ziel dabei ist es, eine Zielhaltetemperatur von vorzugsweise 280° bis 350°C mit einer Temperaturtoleranz mindestens von ± 5° bis ± 20°C zu erreichen. Unter diesen Aspekten müssen die Heizelementen (siehe Figur 2, Pos. 1 50 oder Figur 4) für Temperaturen bis 850°C oder darüber ausgelegt sein.

[0129] Diese Heizelemente werden vorzugsweise in 3 Zonen aufgeteilt: Eine erste Zone 1 erstreckt sich in etwa auf einen ersten Drittel des rohrförmig ausgebildeten Reaktors; eine zweite Zone 2 erfasst den mittleren Abschnitt des Reaktors; eine dritte Zone 3 erfasst wiederum in etwa den letzten Drittel des Reaktors. Diese Aufteilung sowie die hier zugrunde gelegten Zonen und Strecken sind indessen nur als qualitative Angaben zu verstehen. Der typische Aufbau eines Reaktors geht aus Figur 6 hervor.

[01 30] Aus Figur 5 gehen indessen die Elemente 128 und 129 hervor, welche in Figur 6 nicht näher gezeigt sind.

Beim Element 128 handelt es sich um ein Thermoelement; beim Element 129 handelt es sich um Griffe, welche dem Transport und der Positionierung des Reaktors 120 diesen. [01 31 ] Figur 6 zeigt in dreidimensionaler Ansicht einen typischen rohrförmigen Behäl- ter 120, der ais Reaktor betreibbar ist. Im Wesentiichen besteht der Aufbau eines solchen Reaktors aus folgenden komplementären Elementen:

[0132] Aus einem kopfseitigen Flansch (Stirnfläche) 121 , einer Abdeckung (Deckel) 122, einer Anzahl supportartiger Ringe 123, einer äusseren hinteren Schllessabdeckung 124, einem Anschiussrohr 125, einer inneren hinteren Schllessabdeckung 126, einer Aussparung 127 für die Aufnahme eines Thermoelementes (siehe Figur 5). Zum Schutz des letztgenannten Thermoelementes 127 ist das Anschlussrohr 125 mit einer nicht näher gezeigten thermischen Isolation versehen. Eine typische Länge des rohrförmigen Behälters beträgt ca. 2 m. Andere Dimensionierungen sind auch möglich, und von Fall zu Fall zu bevorzugen.

[0133] Aus Figur 7 zeigt eine graphische Spannung/Dehnung-Darstellung eines thermisch behandelten Teils. Darin sind 3 Zustände erfasst:

Pos. 1 ~ Anlieferungszustand;

Pos. 2 = Bei 310°C;

Pos. 3 = Bei 320°C.

Bezogen auf die Schlussdehnungswerte sind die Unterschiede bei den drei Zuständen 1 -3 absolut betrachtet nicht dramatisch, bezogen aber auf die erfindungsge- mässe damit angestrebte Duktilität fallen diese Werte doch signifikant aus.

[0134] in diesem Zusammenhang wird auf eine mathematische Berechnung der kritischen Spannungsintensitätsfaktor Ki _c hingewiesen, Die Risszähigkeit der beanspruchten Schichtstruktur nimmt bei Raumtemperatur die folgenden Werte ein:

Für Stahl 50 ± 20 MPaVm

Für Aluminium-Legierungen 36 ± 10 MPaVm

Für Aluminium 14-28 ± 5 MPaVm, wobei der kritische Spannungsintensitätsfaktor Kic nach folgender Beziehung errechnet wird:

K _ie = σ · _v 7i ^"' ;: · Y

und es bedeuten:

δ = die anliegende Spannung:

a _c = die kritische Risslänge (entspricht der halben Rissbreite a = c/2);

Y = der Geometriefaktor berücksichtigt zwei Eigenschaften: Zum einen ist der Spannungsintensitätsfaktor theoretisch nur bei unendlich grossen Platten unabhängig von den Abmessungen des Prüfkörpers; zum anderen ist zu berücksichtigen, dass an den Rissenden senkrecht zur Oberfläche keine Spannungen auftreten können, so dass sich ein ebener Spannungszustand einstellt. Dieser sorgt zum Beispiel dafür, dass bei einer Querkontraktionszahl von v = 0,3 die plastisch verformte Zone an den Enden sechsmal breiter ist als in der Probenmitte.

[0135] Ein signifikanter Thermodiffusionsprozess wird in der folgenden Beschreibung der nachfolgend angezogenen Figuren beschrieben, nämlich von der Beladung des Reaktors, über dessen Wärmebehandlung, bis hin zur Entladung/Wiederbeladung des Reaktors:

[0136] Die Beladestation des Reaktors wird wie folgt betrieben:

Am Beispiel eines zu behandelten Bauteils mit der Abmessung von 0160 x 450mm und ein Gewicht von 55 Kg wird die Beladung wie folgt vorgenommen:

Der Prozess einer Thermodiffusion findet in einem Container, im Folgenden nur noch Reaktor genannt (siehe auch Figur 6), statt, in welchem die Komponenten des Ther- modiffusionsprozesses (Beispiel: 250 Kg Aluminium-Granulat, 7 Kg Zinkpulvermischung und 4 Bauteile) dem genannten Prozess zugeführt werden. Je nach Produktionsauftrag wird ein passender Reaktor aus der„Reaktor-Standliste" ausgewählt, dabei wird zugrundegelegt: a) Werkstoff der zu behandelnden Teile (Metalle oder Leichtmetalle); b) Gereinigte und getrocknete Menge an Aluminiumgranulat

[0137] Hierzu wird informativ auf Figur 8 verwiesen, aus welcher die bereitstehenden Reaktoren 120 ersichtlich sind. Daraus geht hervor, dass die Beladungsart und Beladungsmenge der einzelnen Reaktoren nach Bedarf sehr variabel und produktionsbe- zogen gehalten werden können.

[0138] Wie aus Figur 9 hervorgeht, wird der Reaktor 120 auf die horizontal ausgerichtete Beladestation 201 platziert und anschliessend zuerst im Rotationsmodus nach unten gekippt 202, damit das Granulat, um den Füllvorgang zu vereinfachen, nach hinten rutschen kann.

[0139] Als nächster Schritt wird der Reaktor 120 geöffnet, wie dies aus Figur 9 hervorgeht. Dazu wird der mit Schrauben (siehe Figur 1 1 beim Verschliessen) befestigte Deckel 122 mittels eines Schlagschraubers (Siehe Figur 1 1 ) gelöst und deponiert. Falls der Reaktor 120 leer und im Einsatzzustand ist, wird er mit der vorgegebenen und gereinigten Menge Aluminiumgranulat befüllt.

[01 0] Wie Figur 10 versinnbildlichen will, werden im Belade-Schritt die zu bearbeitenden Teile in den Reaktor geladen , entweder als Schüttgut oder mit Rack. ist ein Rack vorgesehen, müssen die Teile darin gleichmässig befestigt sein. Der Abstand zwischen den angebrachten Teilen soll nicht kleiner als 3 cm sein. Am Beispielprojekt werden die 4 Finger lose in Reihe einzeln auf das Granulat-Bett gelegt. Jedem Batch kann noch ein Standard-Referenz-Teil zugefügt werden, durch welches dann der Prozess über Schichtdicke und Härtewert nachgeprüft werden und als Referenzteil dienen kann. Abschliessend wird die vorgegebene Zink-Mischungsmenge hinzugefügt. [0141 ] Wie aus Figur 1 1 hervorgeht, wird zum luft- und staubdichten Verschiiessen des Reaktors 120 zuerst die Stirnfläche von Deckel 122 und Reaktor 121 mit einer Bürste gereinigt und die Dichtung auf Beschädigungen kontrolliert. Deckel schlies- sen, und alle mit Fett geschmierten Schrauben 203 einstecken und anschrauben. Dabei werden in bewährter Manier die Schrauben über Kreuz mit dem Schlagschrau- ber 204 angezogen. Andere Verschlussmechanismen sind auch möglich, beispielsweise, dass der Deckel gegenüber dem Reaktor mit einem Bajonettverschluss, Stu- fenschloss, etc., versehen ist.

[0142] Nach dem fertigersteilten Verschiiessen des Reaktors 120 wird dieser in die horizontale Position gefahren und während 3 bis 5 Minuten rotieren gelassen, damit sich die Befüllung gleichmässig innerhalb des Reaktors verteilt kann.

[0143] Anschliessend wird der Reaktor 20 mittels Kran zum thermischen Aufbereitung 50/ 30 transportiert und in den Laufwagen 130 positioniert.

2. Der Ofen wird wie folgt betrieben;

[0144] Figur 12 zeigt eine Gesamtansicht des operierenden Ofens 1 10, bei welchem der Supportwagen/Laufwagen 130 inkl. Reaktor 120 (siehe Figur 3) eingefahren ist.

[0145] Zum Starten des Prozesses muss der Ofensteuerung eine Rezeptur (Prozessparameter) in Abhängigkeit des Beladungszustandes des Reaktors (Gewicht, Oberfläche, Material) zugewiesen werden. Es stehen zwei Möglichkeiten zur Verfügung, die Rezeptur zuzuweisen:

- Direkte Übernahme einer gespeicherten Rezeptur, wie dies Figur 13 versinnbildlichen will

Rezeptur bearbeiten oder ändern, wie dies Figur 14 versinnbildlichen will, IB2017/056422

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[0146] Bei einer Rezepturzusammensetzung wird wie folgt vorgegangen;

Die Rezeptur kann aus bis zu sechs Segmenten (Steps) mit je sechs Parametern zusammengestellt werden, und durch noch weitere vier Einstellungsmöglichkeiten ergänzt werden.

Spalte 1 [Segment] gibt Auskünfte über die Zahl der Segmente oder Prozess-Steps,

Spalte 2 [Rampe / Sprung] regelt für jedes Segment die Aufhetzsteuerung entweder über eine Rampenfunkfion oder über eine Sprungfunktion zu steuern:

* Eine Rampenfunktion steht in Abhängigkeit der erreichten Temperatur zu einer bestimmten Zeit, und sie steuert automatisch die Heizleistung des Ofens bis zur Erreichung der Soll-Temperatur.

* Bei einer Sprungfunktion ist es so, dass der Ofen mit vorgegebener Heizleistung bis zur Soll-Temperatur aufheizt.

Spalte 3 [Set Point TC] definiert die Soli-Temperatur für das Segment.

Spalte 4 [Time Rate] definiert die Dauer bis zur Erreichung der Soli- Temperatur.

Spalte 5-7 [TC1 -TC3] definieren die maximale Temperatur (Heizleistung) der Heizelemente,

[0147] Nachfolgend die Rezeptur für ein Beispielprojekt:

[0148] Die Steuerung wird grundsätzlich im Vergleich mit der Temperatur und der Zeit geregelt.

[0149] Die Anzeigen„Hochschutz [Guard High] und Tiefschutz [Guard Low]" in Figur 14 dienen der fortlaufenden Kontrolle, ob die gewünschte Temperatur in der geforderten Bandbreite liegt.

[01 50] Wenn zum Beispie! im ersten Segment einen Temperatursoüwert von 100°C gewünscht wird, und ein Tiefschutz von 5°C eingestellt ist, erlaubt die Regulierung dem System nicht in das zweite Segment zu wechsein, bevor die Temperatur des Reaktors nicht die 95°C erreicht hat. Wenn jedoch ein Tiefschutz von 10°C gewählt wird, würde der Wechsel in das zweite Segment beim Erreichen von 90°C erfolgen,

[01 51 ] Der Hochschutz erfolgt nach der gleichen Art und Weise, jedoch während des Senkens der Temperatur. Doch für ihre Anwendung kann die Verwendung von Hochschutz eine erhebliche Verlängerung der Verarbeitungszeit bedeuten.

[0152] Was die Reaktorrotation betrifft, gilt:

Durch Veränderung des Antriebsparameters kann die Drehung des Reaktors an sich beliebig eingestellt werden, übliche Umdrehung bewegen sich zwischen 1 und 15 U/min. Indessen höhere oder tiefere Werte lassen sich jederzeit nach Bedarf einstellen.

[0153] Nach Fertigstellung der Rezeptureingabe wird der Ofen über die Steuereinheit gestartet. [01 54] Laufwagen mit Reaktor wird automatisch in den Ofen gefahren, Ofendecke! senkt sich ab, Heizprozess und Reaktorroiation werden gestartet. Ein Temperatur- kontroilthermoeiement wird automatisch in den Reaktor eingeführt, sobald der Deckel des Ofens (Siehe Figur 12) geschlossen ist.

[0155] Am Ende des Programms werden alle diese Vorgänge umgekehrt durchgeführt,

[0156] Auf dem Steuerungsdispiay gemäss Figur 15 werden während des Prozesses die Nummer der Rezeptur, die Temperaturen TC1 -TC3 (Heizleistung), die Rezepturzeit und die Temperatur des Temperaturkontroilthermoelements im Reaktor 120 angezeigt.

3. Die Kühloperation wird wie folgt betrieben:

[01 57] Die eigentliche Kühleranlage, siehe Figur 18, hat eine Kapazität für fünf oder mehr Reaktoren, davon stehen zwei in Warteposition und die restlichen in der Kühl- Zone. Eine solche Kühleranlage wird im Automatikmodus bedient und gefahren .

Im Kühler 300 selbst gibt es fünf Positionen, wo der zu kühlende Reaktor 120 positioniert werden kann:

Die erste Position wird durch die Ladestation 301 aussen gebildet.

Zweite, dritte und vierte Position befinden sich im Inneren 302 des Kühlers 300,

Die fünfte Position ist die hier nicht näher ersichtliche Entladestation aussen,

[0158] Jeweils nach 90 Minuten, unter Inanspruchnahme entsprechender Toieranz- werte, wird der Reaktor automatisch von einer Position auf die nächste freie gefahren. Der Abkühivorgang dauert bei einem 90 Minuten-Takt demnach maximal 380 Mi- nuten in der Summe. Der Minuten-Takt kann im Kühler-Display nach Bedarf verändert werden. Die Reaktor-Temperatur wird aus praktischen Überlegungen auf der vierten Position (letzte Position bevor der Container aus dem Kühler rausgefahren wird) gemessen. Indessen eine integrale Temperaturmessung über alle Positionen kann vorgesehen werden. Sobald der Container auf 50°C abgekühlt ist, kann der Kühlprozess auch manuell unterbrochen werden.

4. Das Entladen wird wie folgt betrieben:

[0159] Nach der Thermodiffusion und nach dem Abkühlen des Reaktors wird dessen Inhalt, namentlich : Aluminiumgranulat, Zink-Pulvermischung und die thermodiffun- dierten Bauteile, an der Entiadestation entladen. Informativ wird hier auf Figur 17 verwiesen, worin unter anderen die Hauben oder Kappen 184, 185 dargestellt sind, wobei die letztgenannte nur ansatzweise ersichtlich ist.

[0160] Nach dem Kühlvorgang wird der Reaktor mittels Kran auf die horizontal ausgerichtete Entladestation abgelegt und anschliessend während Rotation nach unten gekippt, damit das Granulat nach hinten rutschen kann. Danach werden alle Schrauben mit Hilfe des Schlagschraubers gelöst und in das dafür vorgesehene Behältnis abgelegt.

[0161 ] Vor Öffnen des Deckels soll unbedingt die Staubabsaugung eingeschaltet und diese über die Öffnung des Reaktors platzieren werden. Der Deckel wird abgenommen und abgelegt.

[0162] Wie aus Figur 18 hervorgeht, wird der Reaktor über der Sortieranlage entleert. Von Zeit zu Zeit wird der Reaktor während der Rotation immer wieder leicht angehoben, bis er komplett entleert ist. Dabei werden die bearbeiteten Teile, das Granulat und das verbliebene Zinkpulver automatisch getrennt. Beim Entladen muss die Drehgeschwindigkeit des Reaktors und die Vibrationsstärke der Sortieranlage angepasst werden. Während des Sortierens soll regelmässig die auf der Seite der Sortieranlage stehenden Granulat Behälter in einen grossen Granulat-Trichter entleert werden, Vor dem Entladen des gesamten Reaktors wird ein Werkstück vorweg entnommen, gereinigt und mit dem mobilen Permascope die aus dem Thermodiffusionsprozess resultierende Zn-Schichtdicke kontrolliert.

[0163] Wie aus Figur 19 hervorgeht wird der Reaktor nach dessen Entleeren wieder mit dem gesammelten Granulat befülit. Dazu wird der Granulat-Trichter 303 mit Hilfe eines Staplers angehoben und am Einfülistutzen so positioniert, dass der Reaktor noch frei drehbar ist.

[0184] Den Reaktor iässt man auf der höchsten Stufe drehen lassen, und der Verriegelungsmechanismus des Trichters wird gelöst. Mit einem Kunststoff-Hammer wird allenfalis leicht auf die Unterseite des Trichters geklopft, damit sämtliches Granulat in den Reaktor abfliessen kann.

[0165] Anschliessend wird der Reaktor 120 nach bewährter Manier wieder verschlossen. Der Deckel wird dann wieder ordentlich verschraubt. Der Inhalt wird durch Rotation innerhalb des Reaktors gieichmässig verteilt, worauf der Reaktor dann im Warteplatz für den nächsten Prozesslauf bereitsteht.

[0168] Zum Abschluss wird das Dokument„Reaktor-Standliste" gemäss dem Vorgang nach Figur 8 aktualisiert.

Bezugszeichen!sste Anlage

Verbindungsleitung zwischen 181 und 182 Verbindungsleitung zwischen 182 und 183 Verbindungsieitung zwischen 184 und 183 Verbindungsieitung zwischen185 und 183 Kühl/Heiz-Aggregat, Ofen

Reaktor

Stirnfläche des Flansches

Abdeckung, Deckel

Supportartige Ringe

Hintere Schliessabdeckung

Anschlussrohr

innere hintere Schliessabdeckung

Aufnahme eines Thermoelementes

Thermoelement

Griffe

Supportwagen, Laufwagen

Räder

Prozessaggregat

Heizelemente

Karussell, Lade/Entladestation

Komplementäre Baugruppe

Vibrationsgerät

Separator

2 Subaggregate

Vakuum-Absauger

Haube, Kappe

Haube, Kappe Beladestation

Rotationsmodus gekippt Schrauben

Schrauber

Kühler

Erste Ladestation

Dritte oder vierte Ladestation Granulat-Trichter