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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit sowie weiter ein mit diesem Verfahren herstellbares Aluminiumband oder ein aus einem solchen Aluminiumband hergestelltes Aluminiumprodukt.
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Im Bereich der Aluminiumleiterwerkstoffe ist die Legierung EN AW-6101B Standard für Anwendungen, die hohe elektrische Leitfähigkeiten und Festigkeiten erfordern. Diese Leiterwerkstoffe werden üblicherweise über ein Strangpressen inklusive Abschreckung und Auslagern oder über Walzprozesse, die eine separate Lösungsglühung erfordern, hergestellt.
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1 zeigt ein solches Verfahren aus dem Stand der Technik zur Herstellung eines Aluminiumbands für elektrische Aluminiumleiteranwendungen. Dabei sind in 1 von links nach rechts die einzelnen Verfahrensschritte und in dem darunter angeordneten Temperatur-Zeit-Diagramm qualitativ und schematisch die Materialtemperatur während der Herstellung dargestellt.
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Bei dem in 1 gezeigten Verfahrensablauf 2 wird in einem ersten Schritt 4 im DC-Barrenguss zunächst ein Barren 6 gegossen, zum Beispiel aus der Legierung EN AW-6101B. Nach einem Homogenisierungsschritt 8 in einem Homogenisierungsofen 10 erfolgt anschließend das Warmwalzen 12 auf einem Warmwalzgerüst 14 und ein anschließendes Kaltwalzen 16 auf einem Kaltwalzgerüst 18 auf die gewünschte Enddicke. Alternativ kann die Homogenisierung in das Vorwärmen auf Warmwalztemperatur integriert werden.
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Um die gewünschten Materialeigenschaften hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit zu erreichen, ist bei dieser Herstellungsweise nach dem Kaltwalzen ein Lösungsglühen 20 in einem Durchlaufofen 22 erforderlich, bevor das Material abschließend einer Rückglühung 24 in einem Rückglühofen 26 unterzogen wird, um die Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit des Materials wieder zu erhöhen.
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Neben dem in 1 dargestellten Verfahren ist aus dem Stand der Technik noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Aluminiumbändern für Elektroleiter-Anwendungen bekannt, und zwar aus dem Artikel „Enhancing electrical conductivity and strength in Al alloys by modification of conventional thermal-mechanical process“ von C.H. Liu et al., veröffentlicht in Materials and Design 87 (2015) 1-5. Gemäß diesem Artikel wurde festgestellt, dass bei dem in 1 dargestellten Verfahren eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit erreicht werden kann, indem das Band vor dem Kaltwalzen lösungsgeglüht und warmausgelagert wird.
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2 zeigt einen entsprechenden Verfahrensablauf 30, wobei die einzelnen Verfahrensschritte wiederum von links nach rechts dargestellt sind und das darunter angeordnete Temperatur-Zeit-Diagramm qualitativ und schematisch die Materialtemperatur während der Herstellung illustriert.
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Bei dem Verfahren 30 erfolgt - wie beim Vefahren 2 - wiederum zunächst der DC-Barrenguss 4 und ein Homogenisieren bzw. Vorwärmen 8 mit anschließendem Warmwalzschritt zur Herstellung eines Warmbands. Anstelle des Kaltwalzens folgt bei dem Verfahren 30 nun zunächst das Lösungsglühen 20 und anschließend eine Warmauslagerung 32 in einem Warmauslagerungsofen 34, bevor das Band dann schließlich auf dem Kaltwalzgerüst 18 kaltgewalzt wird. Nach dem Kaltwalzen erfolgt wiederum das Rückglühen 24 im Rückglühofen 26.
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Mit dem in 2 beschriebenen Verfahren können zwar Aluminiumleiterwerkstoffe mit guter elektrischer Leitfähigkeit, Festigkeit und Duktilität hergestellt werden. Der Verfahrensablauf ist jedoch sehr lang und aufwändig mit vielen verschiedenen Verfahrensschritten.
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In der
DE 43 03 248 A1 sowie der
JP 2007 31819 A sind Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungs-Blechen offenbart, wobei verbesserte mechanische Eigenschaften erreicht werden.
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In dem Artikel „Development of High-Strength and High-Electrical-Conductivity Aluminum Alloys for Power Transmission Conductors“ (Francisco U. Flores et al., ISBN 978-3-319-72283-2) ist ein Verfahren für die Herstellung von Aluminiumleitern beschrieben.
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In der
WO 2012 / 163 774 A1 wird eine Aluminiumlegierung für elektrische leitfähige Produkte vorgeschlagen.
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In der
DE 38 79 809 T2 werden Aluminiumlegierungen vorgeschlagen, die eine hohe Festigkeit nach langem Aussetzen bei erhöhter Temperatur behalten.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein schnelleres und effizienteres Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen gleichwohl gute Eigenschaften hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit erreicht werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands, bei dem eine Schmelze aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung durch einen kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere Doppelwalzengießen, zu einem Aluminiumband urgeformt wird, bei dem das Aluminiumband durch Kaltwalzen auf eine Dicke gewalzt wird und bei dem das Aluminiumband zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen warmausgelagert wird. Es wurde festgestellt, dass sich mit diesem Verfahren ein Aluminiumband mit einer Kombination aus guter Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit herstellen lässt, die mit den Festigkeiten und elektrischen Leitfähigkeiten eines gemäß dem Verfahren aus 1 hergestellten Aluminiumbands vergleichbar sind, jedoch bei einem wesentlich verkürzten, schnelleren und wirtschaftlicheren Verfahrensablauf. Der Verfahrensablauf ist insbesondere auch kürzer, schneller und wirtschaftlicher als der Verfahrensablauf nach 2.
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Durch die Anwendung eines kontinuierlichen Gießprozesses, insbesondere des Doppelwalzgießverfahrens (englisch: twin-roll casting), werden nicht nur die bei den Verfahren gemäß 1 und 2 vorgesehenen mehreren Verfahrensschritte des Barrengusses, der Homogenisierung und des Warmwalzens durch einen einzelnen kontinuierlichen Gießprozess ersetzt. Es wurde zudem festgestellt, dass das bei den Verfahrensabläufen gemäß 1 und 2 erforderliche energieintensive Lösungsglühen entbehrlich ist, wenn das Band durch einen kontinuierlichen Gießprozess zur Verfügung gestellt wird. Dadurch ist auch die Bereitstellung eines für die Lösungsglühung erforderlichen Durchlaufofens entbehrlich, so dass Investitionskosten reduziert werden.
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Entsprechend erfolgt das Kaltwalzen nach dem kontinuierlichen Gießprozess bei dem Verfahren daher vorzugsweise ohne zwischenzeitliches Lösungsglühen. Hierdurch kann eine signifikante Kosteneinsparung und Verkürzung der Prozesskette erreicht werden.
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Bei dem Verfahren wird eine Schmelze aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung durch einen kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere Doppelwalzengießen, zu einem Aluminiumband urgeformt. Bei dem kontinuierlichen Gießprozess wird die Schmelze kontinuierlich zu einem Band geformt. So wird die Schmelze zum Beispiel beim Doppelwalzengießen in den Walzenspalt zweier gekühlter Gießwalzen gegeben, so dass auf der anderen Seite der Gießwalzen ein kontinuierliches Aluminiumband aus dem Walzenspalt austritt. Die Dicke des Aluminiumbands wird durch die Dicke des Walzenspalts vorgegeben.
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Bei dem Verfahren wird das Aluminiumband durch Kaltwalzen auf Enddicke gewalzt. Das Kaltwalzen erfolgt insbesondere in mehreren Stichen auf einem Kaltwalzgerüst.
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Weiterhin wird das Aluminiumband zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen warmausgelagert. Zu diesem Zweck wird das Aluminiumband vorzugsweise nach dem kontinuierlichen Gießprozess auf ein Coil aufgewickelt und dann in Coilform in einen Warmauslagerungsofen gegeben, in dem es bei einer vorgegebenen Warmauslagerungstemperatur über eine vorgegebene Warmauslagerungsdauer warmausgelagert wird. Die Warmauslagerung ist vorzugsweise die einzige Wärmebehandlung des Aluminiumbands zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein mit dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbares Aluminiumband bzw. durch ein aus einem solchen Aluminiumband hergestellten Aluminiumlegierungsprodukt, beispielsweise einem Aluminiumblech oder einem Aluminiumkabel. Bei dem Aluminiumband bzw. Aluminiumlegierungsprodukt handelt es sich entsprechend um ein in einem kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere im Doppelwalzenguss, hergestelltes Produkt mit einer Kombination aus guter Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit.
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Es wurde festgestellt, dass mit dem zuvor beschriebenen Verfahren insbesondere Aluminiumlegierungsbänder bzw. Produkte hergestellt werden können, die eine Festigkeit im Bereich Rp0,2 > 170 MPa, insbesondere > 180 MPa, und eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich > 30,5 MS/m aufweisen. Damit liegen diese Produkte deutlich oberhalb der Anforderungen gemäß DIN40501-2 für Legierungen vom Typ 6101B.
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Es wurde zudem festgestellt, dass mit dem zuvor beschriebenen Verfahren insbesondere Aluminiumlegierungsbänder bzw. Produkte hergestellt werden können, deren Produkt aus Rp0,2 und elektrischer Leitfähigkeit > 6000 MPa MS/m liegt.
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Ein durch einen kontinuierlichen Gießprozess und Kaltwalzen hergestelltes Produkt kann in der Praxis von einem durch Barrenguss, Warmwalzen und Kaltwalzen hergestellten Produkt durch die nur bei einem kontinuierlichen Gießprozess auftretenden Mittenseigerungen unterschieden werden, die sich auch im fertigen Produkt nach dem Kaltwalzen wiederfinden.
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Aufgrund der Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit eignet sich das Aluminiumband bzw. ein daraus hergestelltes Produkt insbesondere für Elektroanwendungen. Entsprechend wird die zuvor genannte Aufgabe erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch die Verwendung des zuvor beschriebenen Aluminiumbands oder Aluminiumprodukts für einen elektrischen Leiter, insbesondere für ein Aluminiumkabel.
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Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des zuvor beschriebenen Verfahrens beschrieben, die auch untereinander kombiniert werden können.
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Bei einer ersten Ausführungsform wird als Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung vom Typ 6xxx verwendet. Derartige Legierungen haben sich als besonders geeignet erwiesen für die gewünschte Kombination an Materialeigenschaften aus hoher elektrischer Leitfähigkeit bei guter Festigkeit.
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Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Aluminiumlegierung folgende Zusammensetzungen in Gew.-% auf:
| 0,2 Gew.-% | ≤ | Si | ≤ | 1,0 Gew.-%, |
| 0,2 Gew.-% | ≤ | Mg | ≤ | 1,0 Gew.-%, |
| | | Fe | ≤ | 0,5 Gew.-%, |
| | | Mn | ≤ | 0,4 Gew.-%, |
| | | Zn | ≤ | 0,1 Gew.-%, |
| | | Cu | ≤ | 0,5 Gew.-%, |
| | | Zr | ≤ | 0,2 Gew.-%, |
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,05 Gew.-%, insgesamt bis maximal
0,15 Gew.-%,
Rest Aluminium.
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Mit dieser Legierungszusammensetzung wurden in Versuchen die gewünschten Kombinationen aus hoher elektrischer Leitfähigkeit bei guter Festigkeit erreicht. Die Bedeutung der einzelnen Legierungskomponenten wird im Folgenden erläutert:
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Silizium und Magnesium bewirken die Ausscheidungshärtung des Aluminiumbands und erhöhen dadurch dessen Festigkeit. Daher ist bei der Legierung ein Mindestgehalt an Si und Mg von jeweils 0,2 Gew.-% vorgesehen. Zu große Gehalte von Si und Mg führen jedoch zu einer Verschlechterung der Leitfähigkeit. Daher sind die Gehalte von Si und Mg jeweils auf 1,0 Gew.-% begrenzt. Um für Elektroanwendungen geeignete Festigkeiten zu erzielen, liegt der Si-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 0,3 - 0,6 Gew.-% und/oder der Mg-Gehalt vorzugsweise im Bereich 0,35 - 0,6 Gew.-%. Für eine optimale Auscheidungshärtung liegt das Verhältnis des Si-Gehalts zum Mg-Gehalt vorzugsweise im Bereich zwischen 1,3 und 1,5.
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Eisen reduziert die elektrische Leitfähigkeit und soll daher einen Gehalt von 0,5 Gew.-%, vorzugsweise von 0,3 Gew.-% nicht überschreiten. In kleinen Mengen kann Fe jedoch enthalten sein, da ansonsten die Anforderungen an die Ausgangsmaterialien für die Schmelze zu hoch werden, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen. Daher liegt der Fe-Gehalt bevorzugt im Bereich 0,1 - 0,3 Gew.-%.
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Mangan verschlechtert die elektrische Leitfähigkeit deutlich und ist daher auf max. 0,4 Gew.-%, bevorzugt auf max. 0,1 Gew.-% beschränkt. Andererseits führen jedoch bereits recht geringe Gehalte von Mn zu einer guten Korngrößenstabilisierung, so dass höhere Festigkeiten erreicht werden können. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die Legierung in diesem Bereich auch ein Mn-Gehalt von mindestens 0,001 Gew.-% aufweist.
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Kupfer verschlechtert die elektrische Leitfähigkeit und vergrößert das Schmelzintervall, was sich negativ auf die Gießbarkeit beim Doppelwalzengießen auswirkt, und ist daher auf max. 0,5 Gew.-%, vorzugsweise max. 0,4 Gew.-%, weiter bevorzugt max. 0,3 Gew.-%, beschränkt. Geringe Mengen an Kupfer erhöhen die Festigkeit, die Warmfestigkeit und die Kriechbeständigkeit, so dass eine gezielte Zugabe von Cu in diesem Bereich sinnvoll sein kann.
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Zirkonium ist schlecht für die Leitfähigkeit und erhöht die Liquidustemperatur sowie das Schmelzintervall der Legierung und ist daher auf 0,2 Gew.-% beschränkt. Vorzugsweise ist der der Zr-Gehalt sogar auf 0,03 Gew.-% beschränkt, um bessere Leitfähigkeiten zu erreichen.
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Die Verunreinigungen verschlechtern die Leitfähigkeit ebenfalls und sind daher auf 0,05 Gew.-% einzeln und 0,15 Gew.-% in Summe beschränkt, vorzugsweise sogar auf 0,03 Gew.-% einzeln und 0,10 Gew.-% in Summe, um bessere Leitfähigkeiten zu erreichen.
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Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Aluminiumlegierung entsprechend folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:
| 0,3 Gew.-% | ≤ | Si | ≤ | 0,6 Gew.-%, |
| 0,35 Gew.-% | ≤ | Mg | ≤ | 0,6 Gew.-%, |
| 0,1 Gew.-% | ≤ | Fe | ≤ | 0,3 Gew.-%, |
| | | Mn | ≤ | 0,1 Gew.-%, |
| | | Zn | ≤ | 0,1 Gew.-%, |
| | | Cu | ≤ | 0,5 Gew.-%, |
| | | Zr | ≤ | 0,03 Gew.-%, |
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,03 Gew.-%, insgesamt bis maximal
0,10 Gew.-%,
Rest Aluminium.
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Die Aluminiumschmelze, die typischerweise eine Temperatur von über 670 °C aufweist, wird bei einem kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere Doppelwalzengießen, bereits sehr schnell abgekühlt, so dass die Bandtemperatur, gemessen an der Bandoberfläche, beim Austritt aus dem Gießspalt, insbesondere aus dem Walzenspalt der zum Doppelwalzengießen verwendeten Gießwalzen, bereits sehr stark abgekühlt ist. Vorzugsweise liegt die Aluminiumband-Temperatur, gemessen an der Bandoberfläche, bei Austritt aus dem Gießspalt bzw. Walzenspalt im Bereich von 300 bis 450 °C; dieser Temperaturbereich kann beispielsweise durch eine gezielte Kühlung bzw. Dimensionierung der Gießanlage für den kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere der Gießwalzen der Doppelwalzengießanlage, sowie die Gießbanddicke und die Gießgeschwindigkeit eingestellt werden. Das schnelle Abkühlen der Schmelze beim Doppelwalzenguss ergibt im Aluminiumband ein vorteilhaftes Gefüge, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Aluminiumbands erreichen zu können.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband unmittelbar nach dem kontinuierlichen Gießprozess auf eine Temperatur, gemessen an der Bandoberfläche, von unter 200 °C abgekühlt. Das Abkühlen kann beispielsweise durch aktives Kühlen erfolgen, zum Beispiel durch Vorsehen geeigneter Kühlelemente oder durch Beaufschlagen des Aluminiumbands mit Luft, ggf. gekühlter Luft. Indem eine zusätzliche aktive Kühlung vorgesehen wird, die das Aluminiumband unmittelbar nach dem kontinuierlichen Gießprozess auf eine Temperatur von unter 200 °C abkühlt, können grobe Gefügeausscheidungen verhindert werden, so dass sich insgesamt ein homogenerer übersättigter Mischkristall bildet, der sich positiv auf die Aushärtbarkeit beim nachfolgenden Warmauslagern auswirkt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen bei einer Auslagerungstemperatur im Bereich von 100 °C bis 210 °C, vorzugsweise 170 °C bis 190 °C, und einer Auslagerungsdauer bei der Auslagerungstemperatur im Bereich von 30 Minuten bis 10 Stunden warmausgelagert. In Versuchen hat sich dieser Parameterbereich für die Warmauslagerung zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen als vorteilhaft herausgestellt, um die gewünschte Kombination aus guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit zu erreichen.
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Durch eine kurze Ausscheidungsdauer bei relativ geringer Ausscheidungstemperatur, zum Beispiel 45 Minuten bei 185°C, wird ein unteraltertes Aluminiumband erreicht. Die maximale Festigkeit (Zustand T6) kann durch eine Verlängerung der Auslagerungszeit auf mindestens 2 Stunden oder eine Erhöhung der Temperatur (z.B. 30 - 60 min bei 205°C) erreicht werden. So wurde beispielsweise in Versuchen nach einer Warmauslagerung bei 185 °C über 8 Stunden eine hohe Festigkeit erreicht. Durch eine hohe Temperatur oberhalb von 200 °C und eine lange Auslagerungszeit von mindestens zwei Stunden entstehen grobe Ausscheidungen im Aluminiumband, so dass das Aluminiumband in den überalterten Bereich (Zustand T7) gelangt. In Versuchen wurde dieser Zustand beispielsweise bei einer Auslagerungstemperatur von 205 °C über 8 Stunden erzielt. Der überalterte Zustand kann auch durch Glühungen bei höheren Temperaturen bis 300°C erzeugt werden.
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Die Zustände T6, T7 etc. beziehen sich jeweils auf die Definition in Norm EN 515:1993.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband nach dem Kaltwalzen rückgeglüht. Das Rückglühen führt zu einer Absenkung der Festigkeit bei gleichzeitiger Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und der Duktilität. Dabei steigt die elektrische Leitfähigkeit und sinkt die Festigkeit umso mehr, je höher die Rückglühtemperatur ist und je länger die Rückglühdauer ist. Durch die Rückglühung kann damit das gewünschte Verhältnis von elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit des Aluminiumbands eingestellt werden.
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Ein besonders guter Kompromiss zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit kann erreicht werden bei einer Rückglühtemperatur im Bereich von 160 °C bis 210 °C, vorzugsweise 180 °C bis 190 °C und einer Rückglühdauer bei Rückglühtemperatur von mindestens 2 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 5 Stunden.
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Insbesondere wurde festgestellt, dass die größten Änderungen von elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit innerhalb der ersten zwei Stunden der Rückglühung erfolgen, während sich diese Eigenschaften in der nachfolgenden Glühzeit deutlich weniger ändern. Durch die Beschränkung der Rückglühzeit auf einen Zeitraum von 2 bis 5 Stunden kann daher der Rückglüheffekt im Wesentlichen erreicht werden, ohne dass unnötig Energie und Zeit durch eine überlange Rückglühbehandlung vergeudet wird.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband beim Kaltwalzen auf eine Enddicke im Bereich von 0,2 bis 3 mm gewalzt. Für Anwendungen in der elektrischen Leitertechnik haben sich diese Enddicken als geeignet herausgestellt.
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Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt der Gesamtumformgrad beim Kaltwalzen über 50%. Das Material wird demnach beim Kaltwalzen vorzugsweise um mehr als die Hälfte in der Dicke reduziert. Durch diesen hohen Umformgrad kann eine höhere Festigkeit des herzustellenden Aluminiumbands erreicht werden.
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Das Kaltwalzen erfolgt vorzugsweise ohne Zwischenglühen. Dies erleichtert das Erreichen des Gesamtumformgrades beim Kaltwalzen nach dem letzten Glühen, so dass höhere Festigkeiten erreicht werden können. Darüber hinaus führt eine Zwischenglühung zur Vergröberung der härtenden Ausscheidungen, was zu einem ungewollten Festigkeitsverlust führen kann.
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Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband mit einer Banddicke im Bereich von 3 bis 12 mm urgeformt. Diese Banddicken haben sich als geeignet herausgestellt, um einerseits eine rasche Abkühlung des Aluminiumbands beim kontinuierlichen Gießprozess und ggf. unmittelbar anschließendem aktiven Kühlen zu erreichen, sowie um beim Kaltwalzen die gewünschten Abwalzgrade mit den gewünschten Enddicken erreichen zu können.
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Weitere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und des damit herstellbaren Aluminiumbands bzw. Produkts ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Versuchen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
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In der Zeichnung zeigen
- 1 ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands aus dem Stand der Technik,
- 2 ein zweites Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands aus dem Stand der Technik,
- 3 ein Ausführungsbeispiel des vorliegend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumbands,
- 4 & 5 Messergebnisse zur elektrischen Leitfähigkeit und Härte einer ersten und einer zweiten Versuchsreihe,
- 6 & 7 Messergebnisse zur elektrischen Leitfähigkeit und zu Festigkeitsparametern der Versuchsreihen und
- 8 ein Schliffbild eines Aluminiumprodukts mit Mittenseigerungen.
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Die 1 und 2 zeigen die bereits zuvor beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik.
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3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel des vorliegend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumbands mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit. In 3 sind die einzelnen Verfahrensschritte schematisch von links nach rechts dargestellt. Das darunter abgebildete Temperatur-Zeit-Diagramm illustriert qualitativ und schematisch die jeweilige Materialtemperaturen bei den einzelnen Verfahrensschritten.
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Bei dem Verfahren 50 erfolgt im ersten Verfahrensschritt 52 ein kontinuierlicher Gießprozess, vorzugsweise ein Doppelwalzengießen 52. Bei dem Doppelwalzengießen wird eine Schmelze 54 aus einer Aluminiumlegierung in den Walzenspalt 56 zweier rotierender Gießwalzen 58, 60 gegeben, so dass die Aluminiumschmelze 54 erstarrt und ein kontinuierliches Aluminiumband 62 bildet. Der Walzenspalt 56 ist vorzugsweise so eingestellt, dass die Dicke des Aluminiumbands 62 im Bereich 3 bis 12 mm liegt.
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Die Schmelze
54 besteht aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung und weist vorzugsweise folgende Zusammensetzungen in Gew.-% auf:
| 0,3 Gew.-% | ≤ | Si | ≤ | 0,6 Gew.-%, |
| 0,35 Gew.-% | ≤ | Mg | ≤ | 0,6 Gew.-%, |
| 0,1 Gew.-% | ≤ | Fe | ≤ | 0,3 Gew.-%, |
| | | Mn | ≤ | 0,1 Gew.-%, |
| | | Zn | ≤ | 0,1 Gew.-%, |
| | | Cu | ≤ | 0,5 Gew.-%, |
| | | Zr | ≤ | 0,03 Gew.-%, |
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,03 Gew.-%, insgesamt bis maximal
0,10 Gew.-%,
Rest Aluminium.
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Die beiden Gießwalzen 58, 60 werden vorzugsweise so gekühlt, so dass die Temperatur des Aluminiumbands 62, gemessen an der Bandoberfläche, am Ort 64 des Austritts aus dem Walzenspalt 56 eine Temperatur im Bereich von 450 bis 300 °C aufweist. Weiterhin wird das Aluminiumband 62 vorzugsweise unmittelbar nach dem Austritt aus dem Walzenspalt 56 weiter gekühlt auf eine Temperatur, gemessen an der Bandoberfläche, von unter 200 °C. Zu diesem Zweck ist kann eine Kühleinrichtung 66 hinter dem Walzenspalt angeordnet sein, durch die das Aluminiumband 62 beispielsweise mit einem kühlenden Luftstrom beaufschlagt werden kann. Durch die hinreichend schnelle Abkühlung des Aluminiumbands 62 wird ein übersättigtes Mischkristallgefüge erreicht. Nach dem Kühlen wird das Aluminiumband 62 zu einem Coil 68 aufgewickelt.
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Im nächsten Verfahrensschritt 74 wird das Coil 68 in einem Warmauslagerungsofen 76 warmausgelagert, und zwar vorzugsweise bei einer Warmauslagerungstemperatur im Bereich von 100 °C bis 210 °C, vorzugsweise 170 °C bis 190 °C, und für eine Warmauslagerungsdauer (bei der Warmauslagerungstemperatur) im Bereich von 30 Minuten bis 10 Stunden. Das Warmauslagern führt zu einer Ausscheidungsverfestigung des Aluminiumbands 62.
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Nach dem Warmauslagern wird das Aluminiumband 62 im nächsten Verfahrensschritt 80 auf einem Kaltwalzgerüst 82 auf Enddicke kaltgewalzt. Das Kaltwalzen erfolgt in mehreren Stichen ohne Zwischenglühen und mit einem Gesamtumformgrad von mehr als 50%. Die Enddicke des Aluminiumbands 62 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 3 mm.
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Im nachfolgenden (optionalen) Verfahrensschritt 86 wird das wieder zu einem Coil 88 aufgewickelte Aluminiumband in einem Rückglühofen 90 rückgeglüht. Grundsätzlich können für die Auslagerung in Verfahrensschritt 74 und für die Rückglühung in Verfahrensschritt 86 verschiedene Öfen oder auch ein und derselbe Ofen genutzt werden. Die Rückglühung erfolgt vorzugsweise bei einer Rückglühtemperatur im Bereich von 160 °C bis 210 °C, insbesondere 180 °C bis 190 °C, und bei einer Rückglühdauer (bei der Rückglühtemperatur) von mindestens 2 Stunden, vorzugsweise 2 bis 5 Stunden. Durch die Rückglühung wird ein Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit und der Duktilität bei gleichzeitiger Reduktion der Festigkeit bewirkt. Auf diese Weise kann das gewünschte Verhältnis von Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit bedarfsgemäß eingestellt werden.
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Insgesamt kann mit dem Verfahren 50 in 3 ein Aluminiumband hergestellt werden, das eine gute Festigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit vereint. Gegenüber den Verfahren aus 1 und 2 kommt das Verfahren 50 in 3 nicht nur mit wesentlich weniger Verfahrensschritten aus, sondern insbesondere auch ohne das energieaufwändige und - aufgrund des hierfür notwendigen Durchlaufofens - investitionsaufwändige Lösungsglühen (Verfahrensschritt 20 in 1 bzw. 2), so dass das Verfahren 50 schneller und wirtschaftlicher durchgeführt werden kann.
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Im Rahmen der Erfindung wurden Versuche durchgeführt, um die Eigenschaften von mit dem Verfahren aus 3 hergestellten Aluminiumbändern zu untersuchen. Diese werden im Folgenden erläutert.
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Aus einer Aluminiumlegierungsschmelze wurde im Doppelwalzenguss ein Aluminiumband mit einer Dicke von 5 mm gegossen und anschließend in mehrere Bandabschnitte aufgeteilt. Die Zusammensetzung der Aluminiumschmelze ist in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben (alle Angaben in Gew.-%):
Tabelle 1
| Si | Mg | Fe | Mn | Zn | Cu | Zr | Ti | Cr | Al |
| 0,49 | 0,48 | 0,15 | 0,0016 | 0,0018 | 0,0004 | - | 0,017 | 0,0006 | Rest |
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Einige der Bandabschnitte des Aluminiumbands wurden dann jeweils einer Warmauslagerung mit verschiedenen Warmauslagerungstemperaturen und -dauern unterzogen. Die genauen Warmauslagerungsparameter sind in der Tabelle 2 unten aufgeführt.
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Nach der Warmauslagerung wurden die betreffenden Bandabschnitte in mehreren Stichen ohne Zwischenglühen jeweils auf eine Enddicke von 1 mm kaltgewalzt. Der Gesamtumformungsgrad beim Kaltwalzen betrug also 80%. Die Dickenabnahme pro Stich betrug jeweils 10%.
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Diese kaltgewalzten Bandabschnitte wurden wiederum jeweils in mehrere Probenabschnitte aufgeteilt. An einigen dieser Probenabschnitte wurde dann - mit verschiedenen Rückglühtemperaturen und verschiedenen Rückglühdauern - jeweils eine Rückglühung durchgeführt.
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Die Verfahrensparameter der durchgeführten Versuchsreihen sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben:
Tabelle 2
| VersuchsReihe | Auslagerungstemperatur | Auslagerungsdauer | Rückglühtemperatur | Rückglühdauer |
| B1 | 185 °C | 45 min. | keine Rückglühung |
| B2 | 185 °C | 45 min. | 165 °C | verschiedene |
| B3 | 185 °C | 45 min. | 185 °C | verschiedene |
| B4 | 185 °C | 45 min. | 205 °C | verschiedene |
| C1 | 185 °C | 8h | keine Rückglühung |
| C2 | 185 °C | 8h | 165 °C | verschiedene |
| C3 | 185 °C | 8h | 185 °C | verschiedene |
| C4 | 185 °C | 8h | 205 °C | verschiedene |
| D1 | 205 °C | 8h | keine Rückglühung |
| D2 | 205 °C | 8h | 165 °C | verschiedene |
| D3 | 205 °C | 8h | 185 °C | verschiedene |
| D4 | 205 °C | 8h | 205 °C | verschiedene |
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Mit den jeweiligen Auslagerungsparametern entsprechen die Versuchsreihen B1-4 dem unteralterten Zustand, die Versuchsreichen C1-4 dem Zustand T6 und die Versuchsreichen D1-4 dem Zustand T7 (überaltert), wobei sich diese Bezeichnungen (unteraltert, T6, T7) auf die ausgelagerten Gießbänder beziehen.
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Bei den Versuchsreihen B2-4, C2-4 und D2-4 wurden jeweils die Rückglühdauern zwischen 30 Minuten und 16 Stunden variiert.
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Als Vergleichsbeispiele wurden weitere Bandabschnitte des mit der in Tabelle 1 aufgeführten Aluminiumlegierung im Doppelwalzenguss mit einer Dicke von 5 mm gegossenenen Aluminiumbands verarbeitet. Anders als bei den zuvor beschriebenen Versuchen wurden diese Vergleichs-Bandabschnitte jedoch nicht warmausgelagert sondern ohne Auslagerung unmittelbar auf die Enddicke von 1 mm kaltgewalzt, und zwar wiederum in mehreren Stichen und ohne Zwischenglühen.
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Anschließend wurden diese Vergleichs-Bandabschnitte (analog zum Verfahren aus
1) bei 530 °C und einer Haltezeit von 15 Minuten in einem Sandbadofen, der einen Durchlaufofen auf Laborebene simuliert, lösungsgeglüht und anschließend mit Wasser abgeschreckt. Die auf diese Weise hergestellten Produkte wurden jeweils in mehrere Vergleichsprobenabschnitte zerteilt, von denen einige anschließend bei 205 °C mit einer Haltezeit von 45 Minuten (Zustand
T6) und andere bei 205 °C mit einer Haltezeit von 8 Stunden (Zustand
T7) warmausgelagert wurden. Die nachfolgende Tabelle 3 gibt die einzelnen Verfahrensparameter der Vergleichsbeispiele an:
Tabelle 3
| Vergleichsbeispiel | Lösungsglühung | Warmauslagerung nach Lösungsglühung |
| Temperatur | Dauer | Temperatur | Dauer |
| A1 | 530 °C | 15 min. | 205 °C | 45 min. |
| A2 | 530 °C | 15 min. | 205 °C | 8h |
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An den einzelnen Proben der Versuchsreihen B1-D4 und der Vergleichsbeispiele A1 und A2 wurde jeweils die elektrische Leitfähigkeit mit dem Wirbelstromverfahren nach DIN EN 2004-1 1993-09 gemessen. Zur Beurteilung der mechanischen Eigenschaften wurde zudem die Vickershärte gemäß DIN EN ISO 6507-1:2006-03 bestimmt. Weiterhin wurden an einigen Proben Zugversuche durchgeführt und die Zugfestigkeit Rm, die Dehngrenze Rp0,2 und die Bruchdehnung A50mm gemäß DIN EN ISO 6892-1:2017-02 bestimmt.
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Die (Vickers) Härte eines Materials ist mit dessen Festigkeit korreliert. Durch die Bestimmung der Vickershärte kann damit auf einfache Weise auch auf die Festigkeit rückgeschlossen werden. Grundsätzlich kann hier davon ausgegangen werden, dass eine höhere Vickershärte auch mit einer höheren Festigkeit (Rm bzw. Rp0,2) einhergeht und umgekehrt.
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4 zeigt die Messergebnisse der elektrischen Leitfähigkeits-Messung sowie der Vickershärte-Messung für die Versuchsreihen C1-4. 5 zeigt die Messergebnisse der elektrischen Leitfähigkeits-Messung sowie der Vickershärte-Messung für die Versuchsreihen D1-4. Auf der horizontalen Abszissenachse sind die jeweiligen Rückglühdauern in Stunden, auf der linken Ordinatenachse die elektrische Leitfähigkeit in MS/m (Mega-Siemens pro Meter) und auf der rechten Ordinatenachse die Vickershärte HV (einheitslose Größe) aufgetragen. Die Ergebnisse bei „0 h“ entsprechen den Versuchen C1 bzw. D1, d.h. den Versuchen ohne Rückglühung. Die Ergebnisse der einzelnen Versuchsreihen C2, C3, C4 bzw. D2, D3, D4 sind in den 4 und 5 durch Kurven miteinander verbunden, die der besseren Zuordenbarkeit dienen. Weiterhin sind in den 4 und 5 auch die bei den Vergleichsproben A1 und A2 erzielten Werte für die elektrische Leitfähigkeit (Pfeile links) sowie für die Vickershärte (Pfeile rechts) aufgetragen.
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6 zeigt die Ergebnisse der Zugversuche, und zwar von links nach rechts zunächst von den Proben der Versuche B1, C1 und D1 (d.h. im Zustand wie gewalzt („as rolled“) ohne Rückglühung) und rechts daneben von den Proben der Vergleichsversuche A1 und A2. Dargestellt sind als Balken jeweils die Zugfestigkeit Rm (jeweils rechter Balken) und die Dehngrenze Rp0,2 (jeweils linker Balken) mit der zugehörigen Achse auf der linken Seite (in MPa) sowie die Bruchdehnung A50mm als durch Linien verbundene Punktemit der zugehörigen Achse auf der rechten Seite (in %). Über den Balken sind zudem die zugehörigen Ergebnisse der elektrischen Leitfähigkeits-Messung angegeben.
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7 zeigt ebenfalls Ergebnisse der Zugversuche, und zwar von Proben der Versuchsreihen B3, C3, D3 sowie B4, C4, D4. Das Diagramm zeigt von links nach rechts die Ergebnisse der Proben von B3, C3 und D3 bei einer Rückglühdauer von 5 h bei 185°C, dann die Ergebnisse der Proben von B3, C3 und D3 bei einer Rückglühdauer von 8 h bei 185°C und schließlich die Ergebnisse der Proben von B4, C4 und C4 bei einer Rückglühdauer von 8 h bei 205°C. Die Ergebnisse für Rm, Pp0,2 und A50mm sind wie bei 6 aufgetragen. Für die Proben von B3, C3 und D3 bei einer Rückglühdauer von 8 h sind zudem die Ergebnisse der elektrischen Leitfähigkeits-Messung angegeben.
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Aus den 4 und 5 ist ersichtlich, dass die Rückglühbehandlung zu einer Reduzierung der Härte (bzw. Festigkeit) bei gleichzeitiger Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit führt. Es ist weiterhin ersichtlich, dass die größte Änderung innerhalb der ersten 2 Stunden eintritt, während sich die elektrische Leitfähigkeit und die Härte danach nur noch in geringem Maße ändern.
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Durch die geeignete Einstellung der Rückglühtemperatur und der Rückglühdauer können damit die gewünschten Verhältnisse zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Härte bzw. Festigkeit eingestellt werden. Die in den 4 und 5 ebenfalls eingetragenen Ergebnisse der Vergleichsversuche A1 und A2 zeigen, dass durch die Kombination des kontinuierlichen Gießprozesses mit dem Warmauslagern vor dem Kaltwalzen gemäß dem hier beschriebenen Verfahren bessere elektrische Leitfähigkeiten erreicht werden können als mit dem Vergleichsverfahren, bei dem keine Warmauslagerung vor dem Kaltwalzen erfolgt (Vergleichsbeispiele A1, A2).
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Wie zudem die Ergebnisse in den 6 und 7 zeigen, können mit dem hier beschriebenen Verfahren bessere Verhältnisse von elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit erreicht werden als mit den Vergleichsversuchen A1 und A2.
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Die DIN 40501-2 definiert für Aluminiumprodukte in Elektroanwendungen der Legierung EN AW-6101B folgende Mindestwerte für die Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit:
Tabelle 4
| Zustand | Rp0,2 [MPa] | Rm [MPa] | A50mm [%] | elektrische Leitfähigkeit [MS/m] |
| T6 | 160 | 215 | 6 | 30,0 |
| T7 | 120 | 170 | 10 | 32,0 |
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Der Vergleich dieser Vorgaben mit den Ergebnissen in 6 zeigt, dass mit dem hier beschriebenen Verfahren in den Versuchsreihen C und D selbst ohne Rückglühung sogar bereits bessere elektrische Leitfähigkeiten erreicht werden können, als durch die Norm im Zustand T7 gefordert wird, und dies bei erheblich höherer Festigkeit (Rm, Rp0,2) als durch die Norm gefordert.
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Wie aus 7 ersichtlich, lässt sich die Leitfähigkeit durch eine Rückglühung bei immer noch hoher Festigkeit noch weiter verbessern.
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Die Versuche zeigen insbesondere, dass sich mit dem beschriebenen Verfahren Aluminiumlegierungsbänder bzw. daraus hergestellte Produkte herstellen lassen, deren Festigkeit im Bereich Rp0,2 > 170 MPa, insbesondere > 180 MPa, und deren elektrische Leitfähigkeit im Bereich > 30,5 MS/m liegt. Insbesondere das erreichbare Produkt aus Rp0,2 und elektrischer Leitfähigkeit von über 6000 MPa MS/m liegt deutlich oberhalb der Anforderungen gemäß DIN40501-2 für Legierungen vom Typ
6101B. Exemplarisch sind die genauen Werte einiger Versuche (
B1,
C1,
D1 sowie
B3,
C3,
D3, letztere jeweils mit 8h Rückglühdauer) aus den
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7 noch einmal in der nachfolgenden Tabelle 5 aufgeführt und den Werten der DIN40501-2 gegenübergestellt:
Tabelle 5
| Versuch | Leitfähigkeit (MS/m) | Rp02 (MPa) | Rp02 x Leitfähigkeit (MPa x MS/m) |
| B1 | 30,9 | 241 | 7447 |
| C1 | 32,2 | 250 | 8050 |
| D1 | 32,7 | 227 | 7423 |
| B3 (8h) | 33,4 | 193 | 6446 |
| C3 (8h) | 33,4 | 192 | 6413 |
| D3 (8h) | 33,5 | 184 | 6164 |
| Vorgaben für 6101B entsprechend DIN40501-2: |
| T6 | >30,0 | >160 | 4800 |
| T7 | >32,0 | >120 | 3840 |
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Zusammengefasst ermöglicht das hier beschriebene Verfahren damit die Herstellung von Aluminiumbändern bzw. daraus erzeugten Produkten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit. Dies wird zudem bei einem gegenüber den bisherigen Verfahren (vgl. 1 und 2) deutlich verkürzten Herstellungsprozess erreicht, der insbesondere ohne aufwändige Lösungsglühung auskommt. Damit lassen sich für Elektroanwendungen geeignete Aluminiumbänder in kürzerer Zeit und wirtschaftlicher herstellen.
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Aluminiumprodukte, die aus einem mit kontinuierlichem Gießen hergestellten Aluminiumband produziert wurden, lassen sich durch die bei diesen Aluminiumprodukten vorhandenen Mittenseigerungen von solchen Aluminiumprodukten unterscheiden, die aus einem mit diskontinuierlichem Gießen (insb. Barrenguss) hergestellten Aluminiumband produziert wurden. Die Mittenseigerungen entstehen beim schnellen Abkühlen des im kontinuierlichen Gießverfahren gegossenen Aluminiumbands von außen nach innen und bleiben auch bei der nachfolgenden Prozessierung (Auslagerung, Kaltwalzen etc.) erhalten. Bei diskontinierlichen Gießverfahren (insb. Barrenguss) treten derartige Mittenseigerungen nicht auf.
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8 zeigt exemplarisch ein Dicken-Schliffbild eines Probenabschnitts aus der Versuchsreihe B1. Für das Schliffbild wurde aus dem Probenabschnitt ein Blechstück ausgeschnitten und an einer Seitenkante geschliffen. Die geschliffene Seitenkante wurde dann fotografiert; 8 zeigt einen Ausschnitt dieser Fotografie. Die Position dieses Ausschnitts an der Seitenkante des für das Schliffbild verwendeten Blechstücks ist in 8 schematisch angedeutet. Wie dargestellt deckt der gezeigte Ausschnitt nicht die gesamte Dicke der Seitenkante ab sondern zeigt einen mittigen Ausschnitt, in dem die Mittenseigerungen auftreten.
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In dem Dicken-Schliffbild ist in der Mitte ein dunkler Streifen zu erkennen. Hierbei handelt es sich um die beim kontinuierlichen Gießverfahren in der Blechmitte (in Bezug auf die Blechdicke) entstandenen Mittenseigerungen. Die Bereiche darüber und darunter (d.h. die näher an der Ober- bzw. Unterseite liegenden Bereiche) erscheinen demgegenüber hell, da in diesen Bereichen die blanke Aluminiumoberfläche ohne bzw. mit nur minimalen Seigerungen sichtbar ist.
