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Technisches
Gebiet
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Diese
Erfindung betrifft die Produktion von Aluminiumlegierungs-Folienprodukten.
Insbesondere betrifft sie einen Prozess zur Herstellung einer Aluminiumlegierungs-Folie
unter Verwendung eines kontinuierlichen Stranggießprozesses,
bei dem das Material eine exzellente Walzbarkeit im abschließenden Walzschritt und
eine gute Festigkeit des abschließenden Folienprodukts aufweist.
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Stand der
Technik
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Folien
mit dünner
Dicke werden üblicherweise
durch Gießen
eines Gussblocks aus einer Aluminiumlegierung so wie AA8021 in einem
als DC-Gießen
oder Gießen
mit direkter Abschreckung bekannten Verfahren hergestellt. Die Gussblöcke werden üblicherweise
auf eine hohe Temperatur erhitzt, auf eine Wiederwalz-Dicke von
zwischen 1 und 10 mm warmgewalzt, anschließend auf eine „Folienstapel"-Dicke von typischerweise
0,2 bis 0,4 mm Dicke kaltgewalzt. Das Band wird oft einem Zwischenglühschritt
während
des Kaltwalz-Prozesses unterworfen. Der „Folienstapel" ist dann Ziel von
weiteren Kaltwalz-Operationen, die oft Doppelwalz-Techniken verwenden,
um eine abschließende
Foliendicke von etwa 5 bis 150 μm
zu erzeugen.
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Dabei
besteht ein Kostenvorteil bei der Verwendung des kontinuierlichen
Stranggießens
als Startpunkt bei der Herstellung derartiger Folien, da eine Homogenisierung
vor dem Warmwalzen nicht erforderlich ist und das Maß der Warmreduktion
zur Ausbildung von Wiederwalz-Dicken deutlich reduziert ist. Dort,
wo ein hochvolumiges kontinuierliches Gießen erforderlich ist, ist das
Zwillingsstrang-Gießen
das bevorzugte Verfahren beim kontinuierlichen Gießen. Kontinuierliche
Stranggießprozesse
bedingen jedoch unterschiedliche Abkühlbedingungen während der
Erstarrung verglichen mit denjenigen beim DC-Gießen und ein Hochtemperatur-Homogenisierungsschritt
vor dem Warmwalzen liegt nicht vor. Infolgedessen führt dies,
wenn kontinuierliche Stranggieß-Prozesse
mit Legierungen verwendet werden, die normalerweise durch DC-Gießen und
Homogenisieren hergestellt werden, zur Bildung von unterschiedlichen
intermetallischen Phasen im gegossenen Produkt, welche Oberflächendefekte
bewirken, die als „Tannenbaumeffekt" im finalen Folienstapel-Produkt
bekannt sind. Beim kontinuierlichen Stranggießen ist die Abkühlrate des
Strangs während
des Gießens
generell höher
(in einigen Fällen
deutlich höher)
als die Abkühlrate
in großen
DC-Gussblöcken.
Somit führen
derartige Legierungen, die in einem kontinuierlichen Stranggießprozess
bearbeitet werden, ebenso zu einem Folienstapel, der eine höhere Übersättigung
von gelösten
Elementen und daher unerwünschte
Erhärtungs-
oder Erweichungs-Eigenschaften
aufweist, was zu Schwierigkeiten beim Walzen des Folienstapels auf
die abschließende Dicke
führt.
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Es
besteht ein besonderes Interesse dahingehend, in der Lage zu sein,
Aluminiumfolien aus Legierungen des AA8021-Typs über kontinuierliches Stranggießen herzustellen.
Eine Legierung des AA8021-Typs weist eine nominale Zusammensetzung
von weniger als 0,2 Gew.-% Silizium sowie 1,2 bis 1,7 Gew.-% Eisen mit
dem Rest Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen auf. Diese
Legierung ist beispielsweise in Japan bei der Produktion von Folien
weit verbreitet, wo sie normalerweise über Gießen mit schroffer Abschreckung
(DC) vergossen wird. Wenn die gleiche AA8021-Legierung auf einer
kontinuierlichen Stranggießmaschine
vergossen wird, weist das daraus resultierende Band nicht das gleiche
Gefüge
wie das auf, welches über ein
Gießen
mit schroffer Abschreckung (DC) erreicht wird. Beispielsweise erzeugt
das Stranggießen
Abkühlraten
während
der Erstarrung, die deutlich höher
sind als diejenigen, die beim DC-Gießen erreicht werden, und dies
erzeugt eine breite Vielfalt von intermetallischen Größen und
Konzentrationen, die die Steuerung des Gefüges negativ beeinflussen. Daher
kann die abschließende
Glühung
nicht die gewünschte
Struktur einer Folie erzeugen.
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Es
ist bekannt, eine hochfest Aluminiumfolie durch kontinuierliches
Stranggießen
einer Legierung des AA1200-Typs zu erzeugen, welche durch die Zugabe
von anderen Verfestigungs-Legierungselementen so wie Mn, Cu und
Si verfestigt ist. Eine solche Legierung ist leicht auf einer kontinuierlichen
Stranggießmaschine
vergießbar
und das abschließende
Produkt weist eine exzellente Festigkeit auf. Aufgrund der hinzugefügten verfestigenden
Lösungselemente
besteht hierbei jedoch eine hohe Kaltverfestigungsrate des Materials
während des
Kaltwalzens. Somit ist es schwierig, dieses Material auf seine abschließende dünne Dicke
zu walzen.
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Ein
Zwillingswalzen-Gießprozess
zur Herstellung einer hochfesten Aluminiumfolie ist im japanischen Patent
JP01-034548 von
Furukawa Alum beschrieben. Dieser Prozess verwendete eine Aluminiumlegierung, die
in Gew.-% 0,8 bis 2% Fe, 0,1 bis 1% Si, 0,01 bis 0,5% Cu, 0,01 bis
0,5% Mg sowie 0,01 bis 1% Mn enthielt. Ti und B waren ebenso auf
Kornfein-Niveaus
enthalten. Diese Legierung wurde mittels Zwillingswalzen auf eine
Dicke von 0,5 bis 3 mm gegossen und zu einer Folie gewalzt. Eine
Wärmebehandlung
bei 200 bis 450°C war
ebenso enthalten.
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Das
US-Patent 5,725,695 von Ward et al. verwendete eine AA8111-Legierung
(die 0,30 bis 1,0 Gew.-% Si sowie 0,40 bis 1,0 Gew.-% Fe enthielt),
die über
Zwillingswalzen-Gießen,
Kaltwalzen mit einer Zwischenglühung
bei maximal 441°C
sowie eine abschließende
Glühung
bearbeitet wurde. Die verwendete Legierung enthielt Silizium in
einer Menge, die gleich oder höher
der Menge des Eisens war.
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Eine
weitere kontinuierliche Stranggieß-Technik, die eine Aluminiumlegierung
des Al-Fe-Si-Typs verwendet, ist in der WO 99/23269 von Katano et
al. beschrieben. Das kontinuierlich vergossene Material wurde in
einem Zweistufen-Prozess unter Verwendung von zwei unterschiedlichen
Temperaturbereichen zwischengeglüht.
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Eine
andere Prozedur zur Herstellung von hochfestem Folienmaterial, das
auf einer Al-Fe-Si-Legierung basiert, ist in der JP06-101004 von
Furukawa beschrieben. In dieser Prozedur wurde die Legierung auf eine
bevorzugte Dicke von 5 bis 10 mm stranggegossen, was von einer Zwischenglühung, einem
Kaltwalzen sowie einer abschließenden
Glühung
gefolgt war.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung eines
kontinuierlichen Stranggießens eine
Aluminiumfolie zu erzeugen, die eine niedrige Kaltverfestigungsrate
und somit eine gute Walzbarkeit aufweist, während eine hohe Festigkeit
im abschließenden
Folienprodukt bereitgestellt wird.
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Es
ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Aluminiumfolie
zu erzeugen, die eine niedrige Kaltverfestigungsrate und somit eine
gute Walzbarkeit aufweist, sowie eine hohe Festigkeit im abschließenden Folienprodukt,
unter Verwendung eines hochproduktiven Gießverfahrens.
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Offenbarung
der Erfindung
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung wurde das Problem der Herstellung
von qualitativ hochwertiger Aluminiumlegierungs-Folie unter Verwendung
einer kontinuierlichen Stranggießmaschine mittels einer neuen
Legierungszusammensetzung sowie einer neuen Prozessroute gelöst. Somit
enthält
die verwendete Legierung 1,2 bis 1,7 Gew.-% Fe sowie 0,35 bis 0,8
Gew.-% Si mit dem Rest Aluminium und unvermeidliche Verunreinigungen.
Die oben genannte Legierung wird anschließend in einer kontinuierlichen
Stranggießmaschine
auf eine Strangdicke von weniger als 25 mm, vorzugsweise etwa 5
bis 25 mm gegossen und anschließend
durch Kaltwalzen auf eine Zwischenglühdicke gewalzt. Die Zwischenglühung wird
bei einer Temperatur von zumindest 400°C ausgeführt, was von einem Kaltwalzen
auf eine Abschlussdicke, die von einer Abschlussglühung gefolgt
wird.
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Die
Zwischenglühung
wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 400 bis 520°C für 1 bis
8 Stunden ausgeführt.
Die abschließende
Glühung
wird vorzugsweise bei einer Temperatur von 250 bis 400°C für 1 bis 12
Stunden durchgeführt
und das kontinuierliche Stranggießen wird vorzugsweise auf einer
Stranggießmaschine
(„belt
caster") durchgeführt.
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In
der oben angegebenen Prozedur wird der kontinuierlich vergossene
Strang optional auf eine Wiederwalz-Dicke (typischerweise 1 bis
5 mm) vor dem Kaltwalzen auf eine Zwischendicke warmgewalzt. Die
Kaltwalz-Reduktion vor der Zwischenglühung beträgt üblicherweise zumindest 40%.
Für beste
Ergebnisse werden sowohl die Erwärmungs-
als auch die Abkühlraten
in der Zwischenglühstufe
innerhalb des Bereichs von etwa 20 bis 60°C/Std. gehalten.
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Die
Verwendung der oben genannten Legierungszusammensetzung hat den „Tannenbaum-Effekt" im Wesentlichen
eliminiert. Die Abwesenheit dieses Tannenbau-Effekts bedeutet, dass
die Oberflächenqualität der abschließenden Folie
verbessert ist und dass die Stiftloch-Frequenz in der abschließenden Folie
reduziert ist.
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Es
hat sich ebenso überraschend
herausgestellt, dass mit der oben angegebenen Kombination von Legierungszusammensetzung
und Prozessroute das Kaltverfestigungs-Verhalten der Legierung ähnlich dem einer
voll homogenisierten AA8021 ist, die im DC-Verfahren gegossen wurde.
Es wird vermutet, dass dieser überraschende
Effekt das Ergebnis des beschleunigten Abbaus der übersättigten
Legierungselemente in der Matrixlegierung während des Zwischenglühprozesses
ist.
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Somit
stellt die Erfindung die Struktur und die Eigenschaften von Folienmaterial
zur Verfügung,
die wesentlich für
die Erzeugung einer hochfesten Folie mit guter Qualität sind,
nämlich:
- (a) eine gleichmäßige intermetallische Phasen-Verteilung
im Guss-Zustand (kein Tannenbaum-Effekt);
- (b) eine niedrige Kaltverfestigungsrate und somit eine gute
Walzbarkeit (UTS nach der Kaltreduktion von 90% liegt unterhalb
von 190 MPa); und
- (c) eine hohe Festigkeit im abschließenden Produkt (UTS bei 0-Temperzustand – nach der
Abschlussglühung – ist größer als
90 MPa).
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In
der oben angegebenen Legierung ist Fe das primäre Verfestigungselement und
bildet während
des Gießens
Fe aus, das intermetallische Partikel enthält (die während der nachfolgenden Walzstufen
in kleinere Partikel gebrochen werden). Diese Partikel tragen zur
Verfestigung durch Partikelverfestigung und zur Stimulation der
Keimbildung in der abschließenden
Glühstufe
bei, was zu einem feinen Korngefüge
im abschließenden
Produkt führt.
Wenn Fe niedriger als 1,2 Gew.-% ist, ist diese Verfestigung unzureichend,
und wenn Fe größer als
1,7 Gew.-% ist, bilden sich während
des Gießens
große
intermetallische Primärpartikel
aus, die für das
Walzen und die Qualität
der Folienprodukte schädlich
sind.
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In
der oben angegebenen Legierung verzögert Si die Bildung von intermetallischen
Verbindungen im Nicht-Gleichgewicht während des Gießens, was
daher die Gleichmäßigkeit
der Gussstruktur verbessert (den „Tannenbaum-Effekt" eliminiert). Es
verbessert ebenso die Walzbarkeit. Wenn der Si-Gehalt niedriger
als 0,35 Gew.-% ist, ist dies für
die Unterstützung
der Gleichmäßigkeit
der Gussstruktur unzureichend, wohingegen dann, wenn der Si-Gehalt 0,8 Gew.-% übersteigt,
die Kaltverfestigungsrate erhöht
ist, was nachteilige Effekte auf das Walzen bewirkt.
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Der
kontinuierliche Gießschritt
wird vorzugsweise in einer Zwillingsband-Gießmaschine ausgeführt. Die
abschließenden
Eigenschaften des Strangs hängen
von dem Erreichen einer feinen Korngröße ab und ein Zwillingswalzen-Gießen ist
nicht in der Lage, eine so feine Korngröße zu erzielen wie das Strang-Gießen, wenn
die Legierung und die nachfolgende Bearbeitung gemäß der vorliegenden
Erfindung angewendet werden. Daher ist die Stranggießmaschine
(„belt
caster") in der
Lage, wesentlich höhere
Produktionsraten als eine Zwillingswalzen-Gießmaschine zu erreichen.
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Das
Bandgießen
ist eine Form des kontinuierlichen Stranggießens, das zwischen sich bewegenden, flexiblen
und gekühlten
Bändern
durchgeführt
wird. Obwohl die Bänder
eine gewisse Kraft auf den Strang ausüben können, um eine adäquate Kühlung zu
gewährleisten,
ist die Kraft vorzugsweise für
die Komprimierung des Strangs während
dessen Erstarrung unzureichend. Typischerweise wird eine Stranggießmaschine
Bänder mit
weniger als 25 mm Dicke und vorzugsweise größer als 5 mm Dicke gießen. Die
Abkühlrate
für das
Gießen von
Legierungen gemäß dem Prozess
der vorliegenden Erfindung liegt generell zwischen etwa 20 und 300°C/Sek.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
gegossene Gefüge
im transversalen Querschnitt des Bands im Gusszustand mit variablen Si-Gehalten;
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2 ist
ein Graph, der die UTS mit dem Prozentsatz von Kaltverfestigung
für unterschiedliche
Zwischenglüh-Bedingungen
in Beziehung setzt; und
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3 ist
ein Graph, der die UTS mit prozentualer Kaltverfestigung für das Produkt,
das durch ein Verfahren gemäß der Erfindung
erhalten wurde, und einer AA8021, die im DC-Guss hergestellt wurde,
in Beziehung setzt.
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Wege zur Ausführung der
Erfindung
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Beispiel 1
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Eine
Reihe von Tests wurde mit den unten in Tabelle 1 aufgelisteten sechs
Legierungen durchgeführt:
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Die
Legierungen aus Tabelle 1 wurden auf einer Zwillingsband-Gießmaschine
im Labormaßstab
auf eine Dicke von etwa 7,3 mm gegossen. Als Bänder wurden texturierte Stahlbänder verwendet,
die dazu herangezogen werden, Wärmeströme von 1,5
bis 2,5 MW/m2 zu ergeben. Dies ist mit einer
Abkühlrate
von zwischen 150 und 275°C/Sek.
gemittelt über
die Dicke des Strangs äquivalent.
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Die
Strangproben im Gusszustand wurden metallographisch präpariert,
um die Gussstrukturen im transversalen Querschnitt zu untersuchen. 1 zeigt
die anodisierten Oberflächen
der Querschnitte für
die Proben von den Proben der Gussnummern 1, 3 und 4. Dies zeigt
das Maß der
Ungleichmäßigkeit
der intermetallischen Partikel. Es ist ersichtlich, dass die intermetallische
Phasen-Gleichmäßigkeit
deutlich mit dem Si-Gehalt
der Legierung zusammenhängt.
Aus dieser Untersuchung kann ersehen werden, dass dann, wenn die
Legierungen mit hohem Fe-Gehalt (mit Fe in dem im Prozess gemäß der Erfindung
definierten Bereich) auf einer Stranggießmaschine vergossen werden,
ein Si-Niveau von 0,29 Gew.-% (unterhalb des im Prozess gemäß der Erfindung
definierten Bereichs) zu einem nicht gleichmäßigen Guss-Gefüge führt. Sämtliche
sechs Legierungen wurden durch das gleiche Verfahren untersucht
und nur die Legierungen 1, 5 sowie 6 wiesen ein gleichmäßiges Gefüge (Abwesenheit
von Tannenbaum-Effekt) auf. Die Legierungen 2, 3 und 4 waren strukturell schlecht
(Tannenbaum-Effekt).
Die Legierungen 1, 5 sowie 6 wurden wie in Tabelle 2 beschrieben
weiter bearbeitet.
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Der
Legierungsstrang aus der Gussnummer 1 wurde unter Verwendung einer
Anzahl unterschiedlicher Prozessrouten bearbeitet und das Kaltverfestigungs-Verhalten
der daraus resultierenden Proben wurde untersucht. 2 ist
ein Plot des UTS über
den Prozentsatz an Kaltverfestigung, das das Kaltverfestigungs-Verhalten
der Proben, die durch drei unterschiedliche Zwischenglühbedingungen
bearbeitet wurden, zeigt. Eine Probe wurde bei 400°C für 4 Stunden
zwischengeglüht,
während
eine zweite Probe bei 500°C
für 4 Stunden
zwischengeglüht
wurde. Eine dritte Probe wurde bei 500°C für 4 Stunden sowie eine nachfolgende Glühung bei
400°C für 2 Stunden
zwischengeglüht. 3 ist
ein Plot des UTS über
den Prozentsatz der Kaltverfestigung, was einen Vergleich des Kaltverfestigungs-Verhalten
der bei 500°C
zwischengeglühten
Bandguss-Legierung mit der AA8021-Legierung aus dem DC-Guss gibt.
Aus diesem Resultaten kann ersehen werden, dass das gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung erhaltene Strangguss-Material im Wesentlichen
das gleiche Kaltverfestigungs-Verhalten wie AA8021 im DC-Guss aufweist.
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Um
zu testen, ob das Material die Zielfestigkeit des Endprodukts (ein
UTS von 90 MPa oder höher
im 0-Temperzustand) erreicht, werden sowohl der Bandguss (Gussnummer
1, 5 und 6) als auch die DC-Gussmaterialien auf die abschließende Dicke
bearbeitet und 0-Temper geglüht,
und die gewalzten Proben vor und nach der Abschlussglühung wurden
einem Zugtest unterworfen. Die Bearbeitungsbedingungen und die erzielten
Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Tabelle
2
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Wenn
die Legierung Nr. 1 mit dem bevorzugten gesteuerten Zwischenglühprozess
gemäß der vorliegenden
Erfindung (eine Aufheiz- und eine Abkühlrate von 25°C/Std) bearbeitet
wurde, wies das Blech ein gleichmäßiges Gefüge (kein Tannenbaum) auf und
die Festigkeit bei einer 90%igen Reduktion und nach einer abschließenden Glühung (0-Temperzustand)
war mit den DC-Gusseigenschaften
(für AA8021
in der oben angegebenen Tabelle) vergleichbar. Wenn die gleiche
Legierung jedoch im Stranggussverfahren hergestellt und bei der
Zwischenglühung
mit einer schnelleren Aufheizung und Abkühlung als im bevorzugten Bereich
bearbeitet wurde, wurde die Festigkeit nach einer 90%igen Reduktion
höher als
die der gleichen Legierung, die über
die bevorzugte Route bearbeitet wurde.
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Legierung
Nr. 5 hatte einen niedrigeren Fe- und Si-Gehalt als der Bereich
gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung, und bei einer Bearbeitung durch Strangguss
und dem bevorzugten Zwischenglühprozess
ergab dies eine zu niedrige Festigkeit im 0-Temperzustand (nach
er Abschlussglühung).
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Legierung
Nr. 6 wies eine Zusammensetzung innerhalb des im Verfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung definierten Bereich auf und wurde in Übereinstimmung mit den Bedingungen
gemäß der vorliegenden Erfindung
mit der Ausnahme bearbeitet, dass die Zwischenglühtemperatur unterhalb des bevorzugten
Bereichs lag.
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Dies
führte
zu einem Material mit einer exzessiv hohen Festigkeit nach einer
90%igen Kaltreduktion.
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Tabelle
2 zeigt deutlich, dass das gemäß dem Verfahren
der vorliegenden Erfindung erhaltene Material vergleichbare Eigenschaften
mit einem konventionellen hochfesten DC-Material aufweist und die
Zielfestigkeit bei 90%iger Kaltreduktion und 0-Temperzustand erreicht.
