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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von basaltexturarmem Magnesiumband oder Magnesiumblech mit gesteigerter Kaltumformbarkeit.
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Die dem Magnesium eigenen Verformungs- und Entfestigungsmechanismen führen während der Herstellung von Blechen, zum Beispiel durch Walzen oder Strangpressen, zu einer typischen basalen Orientierung der Kristalle. Das aus dieser Basaltextur resultierende anisotrope Werkstoffverhalten und die durch die Basaltextur zusätzlich eingeschränkte Kaltumformbarkeit sind für nachgeschaltete Walzprozesse sowie endformgebende Fertigungsprozesse nachteilig und unerwünscht.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren anzugeben, mit dem die ungünstige Basaltextur in Magnesiumbändern oder -blechen gemindert oder vorzugsweise verhindert wird, so dass das anisotrope Fließverhalten in der Blechebene reduziert und die Kaltumformbarkeit deutlich gesteigert wird.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.
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Bevorzugte und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass Magnesiumgießwalzband als Ausgangsmaterial nach einer Homogenisierungsglühung in einem oder mehreren Walzstichen bei einer Temperatur jeweils oberhalb von 350°C auf eine Dicke nahe der finalen Band- oder Blechdicke gewalzt wird, das gewalzte Band oder Blech anschließend in einem finalen Walzstich bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 140°C mit einem Umformgrad von mindestens 0,15 gewalzt und danach einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von mindestens 330°C für einen Zeitraum von 5 Minuten bis zu 120 Minuten unterzogen wird. Weiter ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das gewalzte und wärmebehandelte Band oder Blech mehrmals mittels rotierender Biegerollen abwechselnd in beide Blechnormalenrichtungen gebogen wird, wobei die Anzahl der Biegezyklen, die jeweils ein abwechselndes Rollbiegen in beide Blechnormalenrichtungen umfassen, mindestens 5 beträgt, und wobei die verwendeten Biegerollen einen von der Blechdicke des gewalzten und wärmebehandelten Bandes oder Bleches abhängigen Biegerollenradius aufweisen, der in einem Bereich liegt, dessen Untergrenze durch das 6,6-fache der Blechdicke und dessen Obergrenze durch das 35-fache der Blechdicke definiert ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst somit eine besondere Walztechnologie und Wärmebehandlung unter Verwendung von Magnesiumgießwalzband als Ausgangsmaterial in Kombination mit einem nachgeschalteten mehrmaligen Rollbiegen des gewalzten und wärmebehandelten Magnesiumbandes oder Magnesiumbleches, wobei der beim Rollbiegen angewandte Biegeradius durch einen konkreten Prozessparameterbereich (Parameterfenster) definiert ist.
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Mit dem erfindungsgemäße Verfahren lassen sich Magnesiumbänder sowie Magnesiumbleche mit vollständig aufgelöster oder zumindest stark reduzierter Basaltextur erzeugen. Insbesondere wird die Zug-Druck-Asymmetrie in der Blechebene reduziert und eine deutliche Erhöhung der Kaltumformbarkeit erreicht.
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Die rotierenden Biegerollen, mittels denen das zuvor gewalzte und wärmebehandelte Magnesiumband oder -blech mehrmals in beide Blechnormalenrichtungen mit definiertem Umformgrad entsprechend dem oben angegebenen Prozessparameterbereich gebogen wird, bewirken eine relativ schonende Biegeumformung. Hierdurch werden unter anderem auch Oberflächenbeschädigungen des Bandes oder Bleches, beispielsweise Risse an der Außenfaser, vermieden, wodurch die Oberflächenqualität des Bandes oder Bleches als wichtiges Qualitätskriterium bei einer industriellen Anwendung durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht leidet.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass sich die ungünstige Basaltextur in Magnesiumbändern oder -blechen weitestgehend mindern bzw. verhindern und damit die Kaltumformbarkeit besonders deutlich steigern lässt, wenn nach einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die verwendeten Biegerollen einen von der Blechdicke des gewalzten und wärmebehandelten Bandes oder Bleches abhängigen Biegerollenradius aufweisen, der in einem Bereich liegt, dessen Untergrenze durch das 10-fache der Blechdicke und dessen Obergrenze durch das 17-fache der Blechdicke definiert ist. In diesem speziellen Prozessparameterbereich (Prozessparameterfenster) ergibt sich eine optimale Wirkung hinsichtlich der Steigerung der Kaltumformbarkeit von Magnesiumblechen bzw. -bändern, ohne deren Festigkeit negativ zu beeinflussen.
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Ferner haben die Erfinder herausgefunden, dass sich die ungünstige Basaltextur in Magnesiumbändern oder -blechen weitestgehend reduzieren oder sogar vollständig verhindern lässt, so dass sich eine besonders deutliche Erhöhung der Kaltumformbarkeit erreichen lässt, wenn nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens die verwendeten Biegerollen einen von der Blechdicke des gewalzten und wärmebehandelten Bandes oder Bleches abhängigen Biegerollenradius aufweisen, der in einem Bereich liegt, dessen Untergrenze folgende Gleichung erfüllt: RBR = –(SB(0,25 – (0,5e0,04))/(e0,04 – 1) und dessen Obergrenze folgende Gleichung erfüllt: RBR = –(0,5SB·e0,015)/(1 – e0,015) wobei RBR der Biegerollenradius, SB die Blechdicke und e die Eulerzahl (≈ 2,71828183) sind.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rollbiegen bei einer Temperatur im Bereich von –20°C bis 100°C, vorzugsweise im Bereich von –20°C bis 40°C, durchgeführt wird. Das zuvor gewalzte und wärmebehandelte Band oder Blech wird somit praktisch im kalten Zustand mittels Biegerollen gebogen. Es wurde herausgefunden, dass ein Rollbiegen in diesem Temperaturbereich vorteilhaft für die Reduzierung der ungünstigen Basaltextur ist. Das Rollbiegen nutzt den metallphysikalischen Effekt der Zwillingsbildung im Magnesium aus.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass das Band oder Blech nach dem Rollbiegen einer Wärmebehandlung (Glühung) bei einer Temperatur im Bereich von 300°C bis 400°C, vorzugsweise 350°C bis 400°C, für einen Zeitraum von 10 Minuten bis 60 Minuten, bzw. bei 350°C bis 400°C für einen Zeitraum von 15 Minuten bis 45 Minuten, unterzogen wird.
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Durch diese Wärmebehandlung wird eine Entfestigung des durch das Rollbiegen kalt umgeformten bzw. gebogenen Magnesiumbandes oder -bleches erzielt, wobei die durch das Kaltumformen verursachte Festigkeitserhöhung zumindest teilweise oder sogar vollständig rückgängig gemacht wird. Eine vollständige Entfestigung bis auf den Zustand vor dem Rollbiegen lässt sich erreichen, wenn die Wärmebehandlung (Glühung) bei Temperaturen oberhalb der Rekristallisationsschwelle erfolgt. Durch die Wärmebehandlung des durch Rollbiegen kalt gebogenen Magnesiumbandes oder -bleches wird eine statische Rekristallisation erreicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Band oder Blech vor dem finalen Walzstich einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 330°C bis 380°C für einen Zeitraum von 5 Minuten bis zu 60 Minuten unterzogen wird. Hierdurch wird das Umformvermögen des Bandes oder Bleches vor dem finalen Walzstich verbessert. Insbesondere werden hierdurch Eigenspannungen im Walzgut abgebaut und die Plastizität des Walzgutes wieder erhöht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass das Band oder Blech nach dem finalen Walzstich einer Wärmebehandlung (rekristallisierenden Glühung) bei einer Temperatur im Bereich von 330°C bis 360°C für einen Zeitraum von 5 Minuten bis zu 120 Minuten unterzogen wird. Hierdurch kann eine durch den finalen Walzstich verursachte Verfestigung des gewalzten Bandes oder Bleches weitgehend oder vorzugsweise sogar vollständig rückgängig gemacht werden.
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Die vor dem Walzprozess vorgesehene Homogenisierungsglühung dient dem Ausgleich von Gussseigerungen, der Auflösung von Primärausscheidungen sowie der Ausscheidung von übersättigt gelösten Legierungselementen. Die Glühung zur Homogenisierung des Gefüges wird vorzugsweise gekoppelt mit der Erwärmung auf Warmwalztemperatur durchgeführt. Vorzugsweise wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren die Homogenisierungsglühung des Magnesiumgießwalzbandes oberhalb von 400°C für eine Dauer von mindestens 1 Stunde durchgeführt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weisen die verwendeten Biegerollen eines Biegezyklus unterschiedliche Radien auf. Alternativ oder zusätzlich können die Biegerollen aufeinander folgender Biegezyklen unterschiedliche Radien aufweisen. Hierdurch lassen sich jeweils unterschiedliche Umformgrade in Bezug auf die beiden Blechnormalenrichtungen bzw. in Bezug auf die aufeinander folgenden Biegezyklen einstellen, wodurch sich der metallphysikalische Effekt der Zwillingsbildung im Magnesium zum Abbau bzw. zur Beseitigung der Basaltextur und Verbesserung der Kaltumformbarkeit optimiert ausnutzen lässt.
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Des Weiteren wird vorgeschlagen, in dem erfindungsgemäßen Verfahren das Walzen und/oder das Rollbiegen des Bandes oder Bleches unter Zugabe von Schmiermittel durchzuführen. Hierdurch wird ein Kleben des Bandes oder Bleches an den Walzen bzw. Biegerollen verhindert oder zumindest vermindert. Insbesondere können hierdurch Oberflächenbeschädigungen des Bandes oder Bleches verhindert werden. Vorteilhaft sind dabei insbesondere Schmiermittel bzw. Öle, die kolloidalen Graphit und/oder Molybdänsulfid enthalten.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer mehrere Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen schematisch:
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1 einen Walz- und Wärmebehandlungsplan für die im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehenen Walz- und Wärmebehandlungsstufen;
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2 eine Biegevorrichtung mit einem Biegerollenpaar, in perspektivischer Ansicht;
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3 eine weitere Biegevorrichtung mit einer Vielzahl von Biegerollenpaaren, in Seitenansicht;
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4 ein Prozessparameterfenster betreffend das Rollbiegen; und
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5 eine Gegenüberstellung von mechanischen Eigenschaften von Magnesiumbändern/-blechen, die konventionell gewalzt bzw. nach der erfindungsgemäßen Walz- und Bandbehandlung hergestellt wurden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Magnesiumband oder Magnesiumblech mit gesteigerter Kaltumformbarkeit basiert auf der Verwendung von Magnesiumgießwalzband als Ausgangsmaterial. Es handelt sich dabei um Magnesiumband oder Magnesiumblech, das durch einen Gießwalzprozess, beispielsweise Doppelwalzenguss (Twin-Roll-Casting) hergestellt wurde. Beim Gießwalzen wird das flüssige Material unmittelbar zwischen mindestens zwei Walzen gegossen, wo es ausgerollt wird und erstarrt. Das im erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Ausgangsmaterial kann beispielsweise vom Legierungstyp AZ31 sein. Das erfindungsgemäße Verfahren ist aber grundsätzlich auch auf alle anderen Magnesiumlegierungen anwendbar, z. B. auf die Legierungen AZ61, AZ81, ZK10 und ZK30).
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Nach dem Gießwalzprozess wird das Magnesiumgießwalzband zuerst einer Homogenisierungsbehandlung in Form einer Hochtemperaturglühung zugeführt. Diese Homogenisierungsglühung erfolgt bei einer Temperatur oberhalb von 400°C. Die Glühzeit (Haltezeit) beträgt dabei mindestens 1 Stunde.
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Das geglühte Gießwalzband wird dann in einer von seiner Ausgangsdicke abhängigen Anzahl von Walzstichen bei einer Temperatur oberhalb von 350°C auf eine Dicke nahe der finalen Band- oder Blechdicke gewalzt (vgl. 1). Hierbei sind die Anzahl der Walzstiche und der Umformgrad beim jeweiligen Walzstich (Stichabnahme) nicht bindend festgelegt. Der Umformgrad je Walzstich wird typischerweise in Abhängigkeit des Gefügezustandes bemessen. Vorzugsweise wird der Walzprozess zunächst mit relativ geringen Umformgraden (Stichabnahmen) begonnen. Beispielsweise können die ersten Stichabnahmen auf Werte kleiner 10% beschränkt werden. Bei Erreichen eines globulitischen Gefüges kann der Umformgrad legierungsabhängig sukzessive auf Werte im Bereich von 20 bis 70% gesteigert werden.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit die Anzahl der Walzstiche und der Umformgrad der jeweiligen Stiche variabel. Zwischen den Walzstichen können oder werden erforderlichenfalls Zwischenerwärmungen (Zwischenglühungen) durchgeführt, um eine Walztemperatur von jeweils über 350°C sicherzustellen.
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Die Homogenisierungsglühung und die Erwärmung auf Walztemperatur für den ersten Walzstich werden vorzugsweise miteinander gekoppelt durchgeführt (vgl. 1).
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Der letzte Walzstich wird mit einer Walztemperatur im Bereich von 100°C bis 140°C durchgeführt. Der hierbei aufzubringende Umformgrad ∅ beträgt mindestens 0,15 (φmin = 15%), vorzugsweise mindestens 0,2 (φmin = 20%). Vor dem letzten Walzstich wird das Band bzw. Blech gegebenenfalls einer (weiteren) Wärmebehandlung unterzogen. Diese Wärmebehandlung (Glühung) sieht eine Erwärmung des gewalzten Bandes oder Bleches auf eine Temperatur im Bereich von 330°C bis 380°C für einen Zeitraum von 5 Minuten bis 60 Minuten vor.
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Im Anschluss an den letzten Walzstich erfolgt eine weitere Wärmebehandlung (Glühung) bei einer Temperatur im Bereich von 330°C bis 360°C für 5 Minuten bis zu 2 Stunden (vgl. 1).
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Sodann wird das zuvor gewalzte und wärmebehandelte Band oder Blech durch mehrmaliges Biegen mittels rotierender Biegerollen in beide Blechnormalenrichtungen mit definiertem Umformgrad entsprechend eines eigens für das Verfahren entwickelten Prozessparameterfensters kalt gebogen (vgl. 4). Das Prozessparameterfenster stellt den Zusammenhang zwischen der zu behandelnden Banddicke (Blechdicke) und dem davon abhängigen und für den Abbau der Basaltextur günstigen Biegerollenradius her. Der Radius der für das Rollbiegen zu verwendenden Biegerollen wird somit in Abhängigkeit von der Banddicke (Blechdicke) bestimmt und ist durch ein Parameterfenster definiert, in welchem die gewünschte texturverändernde Wirkung auftritt (vgl. 4).
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Es wurde gefunden, dass die Untergrenze des Biegerollenradius RBR für einen wirksamen Abbau der Basaltextur in Abhängigkeit der Blechdicke SB nach folgender Gleichung bestimmt werden kann: RBR = –(SB(0,25 – (0,5e0,04))/(e0,04 – 1).
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Die Obergrenze des Biegerollenradius RBR für einen wirksamen Abbau der Basaltextur in Abhängigkeit der Blechdicke SB wird dagegen vorzugsweise nach folgender Gleichung bestimmt: RBR = –(0,5SB·e0,015)/(1 – e0,015).
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Der Temperaturbereich für das Kaltbiegen (Rollbiegen) liegt im Bereich von –20°C bis 100°C, vorzugsweise im Bereich von –20°C und 40°C. Die Anzahl der Biegezyklen beträgt mindestens 5, vorzugsweise mindestens 7, wobei der einzelne Biegezyklus ein Biegen entsprechend dem Biegerollenradius in beide Blechnormalenrichtungen umfasst.
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Das Rollbiegen des Bandes oder Blechs erfolgt dabei entweder mittels einer einzelnen Rollbiegevorrichtung gemäß 2 oder einer ähnlichen Rollbiegevorrichtung, die entsprechend der vorgegebenen Anzahl von Biegezyklen vom Band oder Blech mehrmals durchlaufen wird, oder durch kontinuierliches Durchlaufen mehrerer hintereinander angeordneter Rollbiegevorrichtungen oder einer Apparatur (Vorrichtung) gemäß 3, die mehrere Biegevorgänge bei einem einzelnen Durchlauf ermöglicht.
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Die Radien der Biegerollen 1 können für alle Biegzyklen gleich aber auch unterschiedlich je Zyklus oder in einem Zyklus unterschiedlich sein. Bei den rotierenden Biegerollen 1 handelt es sich wahlweise um nicht angetriebene Biegerollen und/oder um angetriebene Biegerollen. Das Band läuft am Ende des jeweiligen beidseitigen Biegevorgangs im Wesentlichen plan aus dem Biegerollenpaar bzw. der Biegerollenanordnung heraus. Die Biegerollenanordnung bzw. die Biegerollen 1 können dabei mit Stützrollen 2 kombiniert sein.
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Das erfindungsgemäße Verfahren nutzt durch das Rollbiegen im Wesentlichen nur den metallphysikalischen Effekt der Zwillingsbildung. Eine weitere plastische Deformation, zum Beispiel durch Versetzungsgleitung wird dagegen weitestgehend vermieden. Das Rollbiegen erzielt die Verbesserung der Kaltumformbarkeit nicht durch eine Verringerung der Korngröße, sondern durch Veränderung der Kristallorientierung, und das in großen Volumina des betreffenden Bandes oder Bleches. Die Korngröße bleibt nahezu unverändert aufgrund der gesamttechnologischen Behandlung des Bandes oder Bleches. Die Veränderung der Kristallorientierung bezieht sich dabei nicht auf die stark begrenzten, in den Körnern durch Zwillingsbildung umklappenden Bereiche der Mikrostruktur, die in der Gesamttextur einen kaum relevanten Anteil ausmachen, sondern auf einen Großteil des Gefüges (Mikrostruktur). Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist zudem die Verringerung der Zug-Druck-Anisotropie, die unmittelbar mit der tief-greifenden volumenintensiven Texturveränderung in Verbindung steht.
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Nach dem Rollbiegen wird das Band oder Blech einer definierten Wärmebehandlung (Glühung), vorzugsweise einer einmaligen Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 300°C bis 400°C für einen Zeitraum von ca. 10 Minuten bis ca. 1 Stunde unterzogen. Vorzugsweise findet diese Wärmebehandlung bei abermals ca. 350°C für eine Dauer von 15 bis 45 Minuten statt. Durch diese definierte Wärmebehandlung (Glühung) wird eine statische Rekristallisation erreicht.
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Das Walzen und/oder Rollbiegen wird vorzugsweise unter Verwendung von Schmiermitteln durchgeführt.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination einer speziellen Walztechnolgie gemäß 1 mit einer Bandnachbehandlung durch Rollbiegen gemäß 4 ist ein Verfahren zum Abbau der Basaltextur (und aller mit ihr verbundenen Nachteile) und zur deutlichen Erhöhung der Kaltumformbarkeit von Magnesiumbändern oder -blechen generiert worden. Wie in 5 wiedergegeben, konnte durch das erfindungsgemäße Verfahren die Kaltumformbarkeit um ca. 45% gesteigert werden, ohne die Festigkeiten des Magnesiumbandes oder Magnesiumbleches negativ zu beeinflussen (vgl. 5).
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5 zeigt, dass erfindungsgemäß hergestellte Magnesiumbänder/-bleche eine Dehnung A80 im Bereich von ca. 30 bis 33% erlauben, während Magnesiumbänder/-bleche, die durch konventionelle Walzung hergestellt wurden, lediglich eine Dehnung A80 von ca. 22% bieten. Ferner lässt sich 5 entnehmen, dass die Zugfestigkeit Rm und die Fließgrenze Rp0,2 für eine vorgegebene plastische Dehnung bei erfindungsgemäß hergestellten Magnesiumbändern oder -blechen im Bereich von ca. 230 bis 240 N/mm2 bzw. bei ca. 125 N/mm2 liegen, wohingegen die Zugfestigkeit Rm und die Fließgrenze Rp0,2 von Magnesiumbändern oder -blechen, die durch konventionelle Walzung hergestellt wurden, bei ca. 250 N/mm2 bzw. bei ca. 150 N/mm2 liegen.
