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Technisches
Feld
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Die
vorliegende Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer
Aluminiumfolie, die zur Anwendung in bei Wärmetauschern verwendeten Rippen
geeignet ist, insbesondere für
Kondensor- und Verdampfer-Coils.
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Stand der Technik
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Aluminiumfolien
werden weitreichend in Wärmetauschern
verwendet, da Aluminium eine sehr hohe Wärme-Leitfähigkeit eingebaut. Diese Rippen
sind typischerweise über
Kupferröhren
angesetzt und mechanisch zusammengefügt. Da die Größe der Klimaanlage-Einheiten
ansteigt, werden die Rippen länger
und es ist wichtig, dass sie eine ausreichende Festigkeit aufweisen,
so dass sie ohne Verbiegen angehoben werden können. Eine geringe Festigkeit
kann ebenso dann zu einer Schädigung
beim Handhaben führen,
wenn die Coils gebogen werden, um eine Einheit auszubilden. Ein
Weg, die Steifigkeit des Coils zu verbessern, ist der, die Dicke
der Aluminiumfolie zu erhöhen.
Da diese Alternative jedoch kostspielig ist und das Gewicht erhöht, bevorzugen
die Hersteller von Klimaanlagen, eine stärkere Folie zu verwenden.
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Die
bei dieser Anwendung am meisten verwendete Legierung ist die Legierung
AA 1100. Diese weist die unten in Tabelle I unten gezeigte Zusammensetzung
auf:
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Wenn
diese Legierung vollständig
geglüht
wurde, weist sie eine sehr geringe Festigkeit auf. Beispielsweise
könnte
die typische Streckgrenze zwischen 20,7-41,4 MPa (3-6 ksi) und die
maximale Zugfestigkeit (UTS) zwischen 96,5 und 110,3 MPa (14-16 ksi) liegen. Diese
Legierung ist hochgradig formbar und weist eine Dehnung auf, die üblicherweise
24% übersteigt
sowie Olsen-Werte über
0,26 Inches (6 mm). Wenn die Formbarkeit jedoch unangemessen ist,
können
die in dieses Blech eingeformten Umrandungen, durch die die Kupferröhren hindurchgeführt werden,
in ihrer Umgebung oder im Körper
der Umrandung selber reißen.
Diese Risse sind deswegen unerwünscht,
weil die Kupferröhren
nach dem Hindurchtreten durch die Rippen expandiert werden, um eine
gute Verbindung zwischen der Umrandung und der Röhre zu erzeugen. Wenn die Umrandung
gerissen ist, wird der Wärmetransfer
zwischen der Rippe und der Röhre
gestört.
Ein AA 100 Blech der Güte "0"-Temper
bildet exzellente Umrandungen aus und wird weitreichend in dieser
Anwendung verwendet. Ein Problem entsteht dann, wenn eine höhere Festigkeit
bei dieser Anwendung gewünscht
ist, so wie dies bei langen Rippen der Fall ist.
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Typischerweise
kann eine durch direktes Gießen
oder das DC-Verfahren
ausgeformte AA 1100-Legierung, die warmgewalzt und anschließend auf
die endgültige
Dicke von 0,1-0,13 mm (0,004-0,005
Inches) kaltgewalzt wird, teilweise geglüht werden. Der teilweise Glühschritt
beinhaltet das Aufheizen des kaltgewalzten Blechs bei Temperaturen
zwischen 240 und 270°C.
Während
dieser Zeit sinkt die Festigkeit des kaltgewalzten Blechs und die
Formbarkeit steigt an. Das Kaltwalzen zerstört die Aluminiumstruktur vollständig. Wenn
das Blech erhitzt wird, bewirkt der erste Schritt die Erholung und
der zweite Schritt die Rekristallisierung. Bei einer typischen Glühung bewirkt
der Schritt der Erholung eine schrittweise Reduzierung der Festigkeit,
während
die Rekristallisierung eine Vorab-Absenkung der Festigkeit bewirkt. Die
typischerweise gewünschten
mechanischen Eigenschaften eines teilweise geglühten Blechs sind unten in der
Tabelle 2 gezeigt:
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Das
teilweise geglühte
Material weist eine Struktur auf, die vollständig erholt ist und begonnen
hat, einige Primärkörner auszubilden
(Einsetzen der Rekristallisierung). Diese Körner sind klein, beispielsweise
kleiner als 25 Mikrometer im Durchmesser. Dieses Material ist extrem
gut geeignet für
die Anwendung bei Rippen und weist Umrandungs-Risse üblicherweise
kleiner 5% auf .
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Das
DC-Gießverfahren
ist jedoch teuer. In früheren
Jahren hat ein Trend zum kontinuierlichen Gießen bestanden, wobei Endlosband-Gießmaschinen,
Rollen-Gießmaschinen
oder anderes ähnliches
Equipment eingesetzt wurden. Kontinuierliche Gießanlagen erzeugen ein Band
(wie gegossen), welches eine Dicke kleiner als 30 mm (noch üblicher
weniger als 25 mm in seiner Dicke) aufweist. Rollen-Gießmaschinen
erzeugen üblicherweise
ein Band von 6 mm oder weniger Dicke, welches dann direkt kaltgewalzt
werden kann. Endlosband-Gießmaschinen
erzeugen ein Band, das sowohl direkt kaltgewalzt oder in Verbindung
mit einer Inline-Walzanlage, welche die Dicke der gegossenen Bramme
reduziert, nachdem diese erstarrt ist, jedoch bevor sie abgekühlt ist,
auf eine Dicke, die zum Kaltwalzen geeignet ist, verwendet werden
kann. Dem Warmwalz-Schritt
beim DC-Gießmaterial
wird eine Vorerhitzung (Homogenisierung) bei etwa 500°C vorgeschaltet. Dieser
Homogenisierungs-Schritt liegt bei einem kontinuierlichen Gießverfahren
nicht vor, wodurch die thermische Geschichte dieser zwei Materialien
deutlich unterschiedlich ist. Als Ergebnis hiervon erzeugt ein DC-Gießmaterial
der Legierung AA 1100 ein exzellentes teilweise geglühtes Blech,
wohingegen das über
die korrespondierende kontinuierliche Gießmaschine (CC) gegossene Blech
bisher nicht die gewünschten
Eigenschaften erzielen konnte. Das CC-Gießmaterial ist weniger formbar
als das DC-Gießmaterial
bei gleicher Festigkeit. Versuche, die Formbarkeit (gekennzeichnet
durch die Dehnung und die Olsen-Werte)
durch Erhöhen der
Glühtemperatur
zu verbessern, bewirkten eine signifikante Reduzierung der Streckgrenze
unter die Untergrenze von 89,6-96,5 MPa.
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Verschiedene
Studien und Vorab-Tests wurden gemacht, um verbesserte Verfahren
zum Erzeugen von Aluminiumfolie unter Anwendung eines kontinuierlichen
Gießverfahrens
mit einer Einzelrolle und einer auf Aluminium basierenden Legierungsausammensetzung,
die über
eine Einzelrolle vergossen homogenisiert, kaltgewalzt und geglüht werden
kann, um ein Aluminium-Folienprodukt zu erzeugen. So diskutiert
beispielsweise die US-Patentnummer 5,466,312 (Wart, Jr.) ein Verfahren
zum Erzeugen einer Aluminiumfolie, welches das Bereitstellen einer
geschmolzenen Legierung auf Aluminiumbasis, die im wesentlichen
aus etwa 0,08 bis 0,20 Gew-% Silizium, etwa 0,24 bis 0,50 Gew-%
Eisen sowie etwa 0,25 bis 0,30 Gew-% Kupfer, Rest Aluminium sowie
unvermeidliche Verunreinigungen, besteht, umfasst. Die Aluminiumlegierungszusammensetzung wird
kontinuierlich vergossen, um ein aufgewickeltes Gießband auszubilden.
Das aufgewickelte gegossene Band wird homogenisiert, kaltgewalzt
und anschließend
einem finalen Rekristallisierungs-Glühschritt bei 450-650°F unterworfen.
Dieser Temperaturbereich bewirkt die Rekristallisierung in der Folie.
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Das
US-Patent Nr. 5,554,234 (Takeuchi) schlägt eine hochfeste Aluminiumlegierung
vor, die zur Verwendung in der Erzeugung von Rippen geeignet ist.
Gemäß diesem
Patent enthält
die Aluminiumlegierung höchstens
0,1 Gew-% Silizium, 0,10 bis 1,0 Gew-% Eisen, 0,1 bis 0,5 Mangan,
0,1 bis 0,15 Gew-% Titan, Rest Aluminium sowie unvermeidliche Verunreinigungen.
Das Patent diskutiert ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung einer
hochfesten Aluminiumlegierung, die zur Verwendung bei der Herstellung
von Rippen geeignet ist, wobei das Verfahren den Schritt: des Aufheizens
der Aluminiumlegierungsbramme auf 430-580°C, das Warmwalzen der Bramme
zum Erhalten eines Platten-Materials sowie das Anwenden einer Homogenisierungs Glühbehandlung
bei 250-350°C
für den
festgestellten Zweck des Bewirkens der Verteilung intermetallischer
Verbindungen innerhalb der Metall-Textur der Legierung umfasst.
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Das
US-Patent Nr. 4,737,198 (Shabel) offenbart ein Gießverfahren
einer Legierung mit Bestandteilen im Bereich von etwa 0,5-1,2% Eisen,
0,7-1,3% Mangan, sowie 0-0,5% Gew-% Silizium, das Homogenisieren der
vergossenen Legierung bei Temperaturen unterhalb etwa 1100°F, vorzugsweise
unterhalb etwa 1050°F, um
die Mikrostruktur zu regeln, sowie das Kaltwalzen auf eine Enddicke.
Die kaltgewalzte Legierung wird anschließend teilweise geglüht, um gewünschte Niveaus
der Festigkeit und Formbarkeit einzustellen.
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Das
japanische Patent Nr. 5-51710 schlägt eine bei 150-250°C in einem
Heißluft-Ofen
geglühte
Aluminiumfolie vor, wobei der Ofen die Folie auf einem Heißluft-Kissen
einer Temperatur von 350-450°C
entlangträgt.
Das japanische Patent Nr. 6-93397 diskutiert eine Aluminiumlegierung
zum Erstellen einer Folie sowie ein Behandlungsverfahren, um die
Eigenschaften der Folie zu verbessern, welches das Kaltwalzen, eine
Wärmebehandlung
bis zu 400°C
und ein anschließendes
Prozess-Glühen
bei 250-450°C, welchem
ein weiteres Kaltwalzen folgt, beinhaltet.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahre
zum Erzeugen einer Aluminiumlegierungsfolie für die Rippen von Wärmetauschern
zur Verfügung
zu stellen, welches auf dem kontinuierlichen Vergießen einer
AA 1100 Aluminiumlegierung basiert.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren wie in Anspruch 1 beansprucht
zur Herstellung einer Aluminiumlegierungsfolie für in Wärmetauschern verwendete Rippen
zur Verfügung.
Die Legierung kann eine Aluminiumlegierung des Typs AA 1100 sein,
sowie eine Aluminiumlegierung, die 0,27 bis 0,55 Gew-% Eisen und 0,06
bis 0,55 Gew-% Silizium enthält.
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Die
Legierung enthält
vorzugsweise zudem 0,05 bis 0,20 Gew-% Kupfer. Diese Legierung wird
in ihrer geschmolzenen Form kontinuierlich in ein Aluminium-Legierungsband
vergossen, das auf eine Enddicke von etwa 0,76 mm bis etwa 0,152
mm kaltgewalzt wird. Das kaltgewalzte Band wird einer teilweisen
Glühbehandlung
bei einer Temperatur unterhalb von 260°C mit einer maximalen Überhitzung
von 10°C
unterworfen. Auf diese Weise erfolgt das Glühen der Aluminium-Legierungsfolie
im wesentlichen ohne Rekristallisierung.
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Die
Erfindung stellt eine starke, dennoch formbare, verbesserte Aluminium-Legierungsfolie
zur Verfügung,
welche zur Verwendung bei der Erzeugung von Rippen für Wärmetauscher,
inklusive Kondensoren und Verdampfern, wie sie in Klimaanlagen-Geräten verwendet
werden, geeignet ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen
bei der Ausgestaltung der Erfindung
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Es
wurde herausgefunden, dass der Unterschied zwischen dem CC- und DC-Gussmaterial
nicht anhand der Legierungs-Zusammensetzung
erläutert
werden kann. Insbesondere wurden Aluminiumlegierungen verschiedener
Zusammensetzung, sowohl mit hohem als auch niedrigen Eisen-Gehalt
(0,27 – 0,55%)
, hohem und niedrigem Silizium-Anteil (0,06 – 0,55%) sowie veränderlichem
Kupfer-Gehalt (0,00 – 0,12%)
untersucht, wobei jedoch die Ergebnisse durchweg die gleichen waren.
Das CC-Gussmaterial
war weniger formbar als das DC-Gussmaterial. Beispielsweise beträgt die Dehnung
des DC-Gussmaterials bei einer Streckgrenze von 96,5 MPa etwa 22%.
Die korrespondierende Streckgrenze bei äquivalenter Dehnung für das CC-Gussmaterial
war etwa 48,3-62,1 MPa.
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Der
Unterschied zwischen dem CC- und DC-Gussmaterial kann auf den Unterschied
in der Mikrostruktur der zwei teilweise geglühten Materialien zurückgeführt werden.
Während
der Primär-Rekristallisierung formt
das DC-Gussmaterial kleine Körner
aus, wohingegen das CC-Gussmaterial große Körner ausformt. Dies mag auf
die Tatsache zurückzuführen sein,
dass weniger Rekristallisierungs-Bereiche in dem CC-Gussmaterial
eher aufgrund des Vorliegens dieser großen Körner als aufgrund der Bulk-Formbarkeit.
Dieses Ergebnis war unerwartet, da in der Industrie immer angedacht
war, dass die Umrandungs-Risse durch inadäquate Dehnungs- oder Olsen-Werte
bewirkt wurden. Dies war jedoch nur teilweise richtig. Solange das
teilweise rekristallisierte Material nicht mehr als 5% rekristallisierter
Körner
enthielt, vorzugsweise nicht mehr als 2% rekristallisierter Körner, bildeten
sich keine Umrandungs-Risse aus, auch wenn die Dehnung nur zwischen
16 und 18% betrug. Somit war es für eine brauchbare Funktion
des CC-Materials bei der Rippen-Anwendung kritisch, eine signifikante
Rekristallisierung des Materials während der partiellen Glühung zu
verhindern.
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Darüber hinaus
konnte das Vorliegen großer
Körner
in dem CC-Material
nicht allein auf die Glüh-Temperatur
zurückgeführt werden,
sondern ebenso auf die in dem Ofen vorgesehene Überhitzung. Ein Wärmekopf oder Überhitzung
ist der Unterschied zwischen den Temperaturen des Metalls und der
Luft oder des Gases in dem Ofen. Luft- oder Gastemperatur wird direkt über ein
Thermoelement nahe der Wärmequelle
und in dem Luftstrom im Ofen gemessen und die Metalltempratur wird üblicherweise
mittels eines innerhalb des Coils in dem Ofen eingebetteten Thermoelements
gemessen. Zur Verhinderung der Rekristallisierung und dennoch gleichzeitiger
Ermöglichung
der Erholung sollte die Glühtemperatur
260°C nicht übersteigen
und vorzugsweise zwischen 245 und 255°C betragen. Die Überhitzung
sollte 10°C
nicht übersteigen,
vorzugsweise sollte sie weniger als 7°C sein. Unter diesen Umständen tritt
keine Rekristallisierung auf. Die Glühzeit ist vorgesehen, um die
Erholung des Materials zu beenden. Die eingesetzte geringe Überhitzung
im vorliegenden Verfahren sichert eine größtmögliche Gleichmäßigkeit
der Temperatur zwischen dem Glühprozess
und folglich wird die Ausbildung auch von kleinen Mengen rekristallisierter
Körner
während
des Betreibens bei höchstmöglichen Temperaturen
für die
Erholung verhindert.
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Wenn
die die diesbezüglichen
Glüh-Praktiken
befolgt werden, weist ein CC-Gussmaterial eine Mikrostruktur auf,
die im wesentlichen erholt ist und wenn überhaupt sehr wenige rekristallkisierte
Körner
aufweist. Die typischen Eigenschaften eines derartigen Materials
sind unten in Tabelle III gezeigt:
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Obwohl
die Dehnung dieses Materials signifikant unterhalb des korrespondierenden
DC-Gussmaterials liegt, verhält
sich dieses Material extrem gut bei Rippen-Anwendungen.
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Während der
Ausbildung von Umrandungen wird das Aluminium zu einem signifikanten
Ausmaß gestreckt.
Dies hängt
vom Design der Umrandung ab. Jedoch kann die radiale Streckung in
einer typischen Anwendung während
des Reflaring der Umrandung mehr als 20% betragen. Dies ist der
Hauptgrund für
das Auftreten von Rissen während
des Reflaring. Wenn große
rekristallisierte Körner
lokal vorliegen, werden diese Körner
deutlich stärker
gestreckt, was verglichen mit dem Rest des Materials formbar ist.
Daher treten Risse auch dann auf, wenn die Hauptmassen-Eigenschaften exzellent
sein können.
Durch Verhindern der Rekristallisierung und Optimierung der Glüh-Praxis
zur Herstellung bestmöglicher
Formbarkeit werden Umrandungs-Risse verhindert.
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Derzeit
verhält
sich nur DC-Gussmaterial bei dieser Anwendung gut. Durch Entwickeln
einer CC-Guss-Alternative stellt die vorliegende Erfindung eine
deutlich ökonomischere
Alternative zur Verfügung.
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Die
vorliegende Erfindung beinhaltet das kontinuierliche Vergießen einer
Kupfer-Eisen-Silizium-Aluminium-Legierung sowie das Verarbeiten
der Legierung zu einem Blech mit geringer Dicke zu einer Folie,
beispielsweise zu einem Blech mit nahezu 0,0176 bis etwa 0,152 mm
Dicke, im Anschluss eine kontrollierte teilweise Glühung, um
Kombinationen von Festigkeit und Formbarkeit zu erzielen, die mittels
konventioneller Techniken nicht erzielt werden können. Die partielle Glühung wird
vorzugsweise in einer Hauben-Glühung
mit in Coils aufgewickeltem kaltgewalzten Blech durchgeführt.
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Der
bevorzugte Zusammensetzungs-Bereich für die Legierung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist unten in Tabelle IV gezeigt.
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Der
Silizium-Bereich von 0,3-0,5 Gew-%, vorzugsweise 0,36-0,44 Gew-%
sowie der Eisen-Bereich von 0,3-0,5 Gew-%, vorzugsweise 0,39-0,47%,
ist so gewählt,
dass während
des kontinuierlichen Gießprozesses
eine einzelne intermetallische Spezies (Alpha-Phase) ausgeformt wird. Da das Material
nicht irgendeinem anschließenden
Homogenisierungsprozess unterworfen wird, verhindert dies die Ausbildung
von Oberflächen-Walzdefekten
("smut") während des
Kaltwalz-Prozesses.
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Kupfer
im angegebenen Bereich erhöht
die Festigkeit des Endprodukts, ohne dabei eine exzessive Kaltverfestigung
während
des Folien-Walzschritts zu bewirken.
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Die
angegebene Legierung wird unter Verwendung einer Gurt-Gießmaschine
sowie einer Inline-Walzanlage auf eine Dicke von 0,7 mm gegossen.
Die Legierung wird dann auf die End-Produktdicke kaltgewalzt. Die Anwendung
von Rippen-Grundmaterial
ist die Produkt-Enddicke im Bereich von etwa 0,076-0,152 mm. Eine
teilweise Glühung
wird dann angewendet, um die Festigkeit und Formbarkeit zu optimieren.
Ein Beispiel der kombinierten Festigkeit und Formbarkeit, die für eine Glühtemperatur
von 250°C
erreicht werden kann, ist unten in Tabelle V gezeigt:
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Ein
anderes Beispiel für
die bei einer Glühtemperatur
von 248°C
erzielbare Kombination von Festigkeit und Formbarkeit ist unten
in Tabelle VI gezeigt:
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Der
Prozentsatz von Rissen in der Umgebung war in beiden oben angegebenen
Beispielen der gleiche wie bei DC-Material, nämlich bei 0,5%. Nur zwei Reihen
von Rippen zeigten Defekte sowohl beim DC- als auch beim CC-Material.
Ein Vergleich des DC- mit dem CC-Materials in den gleichen Reihen
von Rippen zeigte, dass die Anzahl von Defekten identisch war.
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Das
Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigte, dass eine feinkörnige, hochfeste Legierung für Rippen-Grundmaterial
mit guter Formbarkeit entwickelt wurde. Die Legierung ist insbesondere
anwendbar in der Erzeugung von Blech mit geringer Dicke oder Folie
für Rippen-Grundmaterial.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung enthält
keinen Warmwalz-Schritt, dem eine Vorerhitzung auf etwa 500°C vorgeschaltet ist.
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Das
nachfolgende Beispiel soll die Praxis der beanspruchten Erfindung
darstellen und ist nicht zur Beschränkung der Erfindung geeignet.
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Beispiel 1
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Eine
AA 1100 Legierung der folgenden Zusammensetzung wurde unter Verwendung
einer Gurt-Gießmaschine
sowie eine Inline-Walzanlage
auf eine Dicke von 1,7 mm vergossen. Der Zusammensetzungs-Bereich
für die
Legierung ist unten in Tabelle VII gezeigt:
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Diese
Coils wurden anschließend
in drei Stichen auf eine Dicke von 0,10 mm kaltgewalzt. Das Endcoil wurde
unter Verwendung unterschiedlicher Glühpraktiken in einem Wärmeüberschuss
von 50°C
geglüht.
Die geglühten
Coils wurden in Rippen-Pressen getestet und die Umgebungs-Risse
wurden gezählt
und mit einem korrespondierenden DC-Material verglichen (Eigenschaften,
Streckgrenze 100,0 MPa, Dehnung 22%). Die Ergebnisse sind unten
in Tabelle VIII angegeben:
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Wie
aus den oben angegebenen Daten ersichtlich, stiegen die Umgebungs-Risse üblicherweise
mit ansteigender Dehnung und absinkender Streckgrenze an. Wenn diese
Proben optisch untersucht wurden, ergab die Struktur das Vorliegen
großer
Körner,
die teilweise rekristallisiert waren. Auf der andren Seite zeigte die
DC-Struktur wenn überhaupt
nur sehr kleine Körner.
Das Auftreten großer
Körner
war möglicherweise durch
den großen
Wärmekopf,
der in dem Ofen vorlag und der bewirkte, dass ein Teil des Coils
Temperaturen erreichte, die signifikant höher waren als die Zieltemperatur,
was zu Kornwachstum führte,
bewirkt.
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Um
dies zu verhindern und jede Rekristallisierung zu vermeiden, wurde
eine neue Glüh-Praxis
vorgesehen. Diese führt
das Beibehalten eines sehr kleinen Wärmekopfs im Ofen, der 10°C nicht übersteigt
und vorzugsweise weniger als 7°C
beträgt,
ein. Die Glühtemperatur
wurde ebenso herabgesetzt, um insgesamt die Rekristallisierung zu
vermeiden, da angenommen wurde, dass dies der Hauptgrund für das schlechte
Verhalten des CC-Materials
war. Die Resultate sind unten in Tabelle IX angegeben:
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Der
Prozentsatz an Rissen in der Umgebung war bei 0,5%; somit der gleiche
im DC-Material. Nur zwei Reihen von Rippen zeigten Defekte sowohl
im DC- als auch CC-Material. Der Vergleich des DC- mit dem CC-Material
in den gleichen zwei Reihen von Rippen zeigte, dass die Anzahl von
Defekten identisch war.
