DE1558788A1

DE1558788A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Waermebehandlung von Gussbloecken und Barren aus Aluminium und Aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE1558788A1
Application number: DE19661558788
Authority: DE
Inventors: Elsee John Brand; Foster Thomas Willia Frederick
Original assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Current assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Priority date: 1965-04-01
Filing date: 1966-03-26
Publication date: 1970-07-23
Also published as: GB1100072A; US3386717A

Description

DIPL.-ING. WSLFEID RAECK «| 5 5Q7 8

PATENTANWALT 7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 ■ TELEFON (0711) 244003

25. März 1966 - K 28 -

Kaiser Aluminium h. Chemical Corporation Oakland_s California, USA

Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Gußblöcken und Barren aus Aluminium und Aluminiumlegierungen

Die Erfindung bezieht sich auf das Erhitzen von massiven Metallteilen, z.B. von Gußstücken,, Barren u, dgl„ aus Aluminium und seinen Legierungen und betrifft insbesondere ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung solcher Metallstücke in einem direkt beheizten Ofen, ohne daß dabei die Metallflächen durch Wasserflecken, zu hohe Oberflächenoxydation oder auch Hochtemperatur-Oxydation beeinträchtigt werden.

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Bei der Aluminiumverarbeitung erfolgt die Wärmebehandlung von Gußstücken oder Barren sowohl zur Warmverarbeitung als auch zur Gefügehomogenisierung meist entweder im flüssigen Salzbad oder im Warmluftofen mit strahlenden Gasrohren. Zum Teil werden auch '^fen mit Induktions- oder Yv iderstandsheizungen zur Wärmebehandlung verwendet,· die Anschaffungs- und Energie kosten sind jedoch zu hoch, als daß solche Anlagen weite Verbreitung finden könnten. Sehr wirtschaftlich ist die Wärmebehandlung von Aluminiumgußstükken in direkt beheizten Öfen, weil dort die Gußstücke in kürzester Zeit auf die erforderliche Temperatur gelangen. Dieses Erwärmungsverfahren ist bisher jedoch nicht sehr verbreitet, da man annimmt, daß bei Anlagen, in denen die Verbrennungsprodukte mit dem Werkstoff in Berührung kommen, eine Hochtemperatur-Oxydation der Gußstücke auftritt.

Die sich beim Aufheizen von Aluminiumbarren auf eine Temperatur zwischen 370 C und 480 C bildende Aluminiumoxydschicht wird als amorph angesehen. Es ist bekannt, daß das beim Aufheizen auf diese Temperaturwerte entstehende Aluminiumoxyd starke Adsorptionskräfte gegenüber Wasserdampf aufweist. Die Adsorption von Wasserdampf durch die Aluminiumoxydschicht des Barrenstükkes kann zu schwer entfernbaren Korrosionserscheinungen führen. Dieser Korrosionsfraß in Form von Flecken u.dgl. macht den Barren unansehnlich und ist insofern schädlich, als bei einem anschließenden Walzvorgang das entstehende Band- oder Plattenmaterial die Korrosiorisstellen beibeh&lt, die das hocherwünschte gleichmäßig glänzende Aussehen der Metalloberfläche beeinträchtigen.

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Ein noch gravierenderes Problem bei der Wärmebehandlung von Aluminiumblöcken in direkt beheizten 'itfen ist die bei Gegenwart von Wasserdampf bestehende Gefahr der Hochtemperatur-Oxydation des Werkstückes.

Der genaue Vorgang der Hochtemperatur-Oxydation ist gegenwärtig noch nicht bekannt. Aus den zu diesem Problem vorhandenen Veröffentlichungen, Metals Handbook der American Society For Metals, Band 2, 8. Ausgabe 1961, Seite 278 sowie aus dem Aufsatz "Atmospheric Control of the Heat Treatment of Aluminium Products" von P. T. Stroup in dem Buch "Controlled Atmospheres" der American Society for Metals, 1942, ergibt sich, daß für diese Erscheinung möglicherweise ein Feuchtigkeitsgehalt Vorbedingung ist, der als Quelle für Sauerstoff und freiwerdenden AVass er stoff dient, welcher in das Metall eindiffundiert. Der häufigste Hinweis auf das Vorhandensein einer Hochtemperatur-Oxydation sind Ausblühungen und Blasenbildung auf der Werkstückoberfläche; oft tritt jedoch der Metallangriff unterhalb der Oberfläche durch Bildung innerer Unregelmäßigkeiten und Hohlräume auf, die nur durch empfindliche Ultraschallprüfungen oder metallographische Untersuchungen entdeckt werden können. Diese unterhalb der Oberfläche vorhandenen Angriffs stellen und der sich daraus ergebende Zustand des Metalls verbietet gewöhnlich eine Weiterverarbeitung, da verkäufliche Aluminiumerzeugnisse hoher Qualität eine glänzende helle und gleichmäßige Oberfläche besitzen müssen. Obwohl diese Art der Oxydation bei sämtlichen Arten von Aluminium und seinen Legierungen auftreten kann, so sind insbesondere Kupfer und Magnesium enthaltende-Aluminiumlegierungen dafür empfindlich.

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Aus der Metallkunde ist bekannt, daß bei Gegenwart kleinerer Mengen von Schwefeldioxyd in einer Feuchtigkeit enthaltenen Atmosphäre der vorbeschriebene Oxydationsprozeß in hohem Maße beschleunigt wird. Man erklärt sich diesen Vorgang dadurch, daß Schwefelverbindungen auf den natürlichen Oberflächen-Oxydfilm zersetzend wirken, so daß die entweder gegen Feuchtigkeit oder gegen freiwerdenden Wasserstoff wirkende Sperrschicht beseitigt wird.

Die vorgenannten Schwierigkeiten erhöhen sich noch bei neuzeitlichen Wärmebehandlungsverfahren, bei denen die Oberflächen von Gußstücken oder Barren vor der V/ arme behandlung abgeschält werden. Durch dieses Abschälen wird der normale schützende Oxydfilm sowie das Metall abgenommen, so daß eine frisch bearbeitete Aluminiumfläche frei liegt, die noch starker einer Hochtemperatur-Oxydation ausgesetzt ist als eine den Oxydfilm tragende Oberfläche.

Aufgrund dieser Gegebenheiten hat man die Wärmebehandlung von Aluminium-Gußstücken in direkt beheizten Öfen bisher als praktisch nicht durchführbar angesehen. Auch in dem "Metals Handbook", Band 2, Seite 284, ist ausgeführt, daß eine V/arme behandlung in direkt beheiztem Ofen nicht einwandfrei durchzuführen ist, Andererseits ist es bekannt, daß ein längeres Verweilen des Aluminium-Gußstückes bei erhöhten Temperaturen in einem Ofen beliebiger Bauart zu einer dickeren schwereren Oxydschieht führt, die ebenfalls sein Aussehen beeinträchtigt.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von Aluminium-Gußstücken oder Aluminiumlegierungen, nachfolgend Barren genannt, in einem direkt beheizten Ofen anzugeben, ohne daß dabei der Barren eine Wasserfleckenbildung oder eine Hochtemperatur-Oxydation erleidet. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der Barren oder das Gußstück ohne Berührung mit den Verbrennungsgas en wenigstens soweit erwärmt, bis seine Oberflächentemperatur sich oberhalb des Taupunktes des Wasserdampfes in den Verbrennungsgasen befindet. Anschließend wird der Barren in einem direkt beheizten Ofen in Berührung mit den Verbrennungsgasen auf die Wärmebehandlungstemperatur aufgeheizt und für die erforderliche Dauer auf dieser Temperatur gehalten»

Eine Vorrichtung zur Durchführung des e rf indungs gemäßen Verfahrens enthält Einrichtungen zum Erwärmen des Barrens ohne Berührung mit den Verbrennungsgasen bis auf eine Oberflächentemperatur oberhalb des Taupunktes des in den Verbrennungsgas en enthaltenen Wasserdampfes sowie Einrichtungen zur Überführung des Barrens in einen direkt beheizten Ofen oder in eine solche Ofenzone, wo er durch Berührung mit den Verbrennungsgasen auf die Wärme be handlungStemperatur gebracht wird, sowie eine weitere Einrichtung, um den Barren über die erforderliche Zeitdauer auf der Wärmebehandlungstemperatur zu halten.

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Die Erfindung ist nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieleh näher beschrieben.

Figur 1 zeigt schematisch im Auf riß eine Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Figur 2 ist ein Horizontalschnitt durch eine andere Ausführungsform der Vorrichtung gemäß einem Schnitt gerade unterhalb der Ofenabdeckung.

Figur 3 zeigt die Vorderansicht eines direkt beheizten Ofens, dessen Tür der klareren Darstellung halber weggelassen ist.

Figur 4 zeigt den in Figur 3 dargestellten Ofen gemäß einem senkrechten Schnitt durch die Ofenmitte.

Gemäß Figur 1 wird ein Barren 11 in einem Vorwärmofen erwärmt, ohne daß er mit den Verbrennungs gasen in Berührung kommt, bis seine Oberflächentemperatur sich oberhalb des Taupunktes von in den Verbrennungs gasen befindlichem V/asserdampf befindet. Danach gelangt der Barren 11 in einen direkt beheizten Ofen 13, wo er mit den Verbrennungs gas en in Berührung steht und die erforderliche Temperatur erreicht, und schließlich wird er während der erforderlichen Zeitdauer auf dieser Wärmebehandlungstemperatur gehalten.

In Figur 1 sind keine Heizeinrichtungen gezeigt, da die anfängliche Erwärmung des Barrens auf viele Arten vorgenommen werden kann. Der Vorwärmofen kann beispielsweise mit strahlenden Rohren oder Rohrwänden oder auch mit einer Induktionsheizung versehen sein. Eine andere Möglichkeit besteht darin,

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den Ofen 12 durch Direktbeheizung soweit zu erwärmen, bis die Ofentemperatur ziemlich hoch ist, worauf die Brenner abgeschaltet und die Barren 12 eingesetzt werden, bis ihre OberflSehentemperatur sich oberhalb des Taupunktes des Wasser dampf es in den Verbrennungsgasen befindet.

Es braucht nicht die gesamte Masse des Barrens auf eine Temperatur oberhalb des AVasserdampf-Taupunktes gebracht zu werden; vielmehr reicht es aus, nur die Oberfläche des Barrens 11 entsprechend zu erwärmen, so daß verhindert wird, daß Wasser auf der Oberfläche des Barrens kondensiert und dort Flecken, Beizstellen usw. bildet, wenn es die amorphe Oxydschicht durchdringt. Praktisch kann die innere Masse des Barrens völlig kalt bleiben.

Der Barren wird danach in dem direkt beheizten Ofen 13 auf die erforderliche Temperatur gebracht und steht dabei mit den Verbrennungsgasen in Berührung. In Figur 1 sind keine Heizeinrichtungen dargestellt, da das Aufheizen in einem besonders ausgebildeten Ofen erfolgen kann, und zwar in dem gleichen Ofen wie für die Vorerwärmung oder in einem anderen Abschnitt des gleichen Ofens, je nach'Art der vorhandenen Einrichtungen und des angewendeten Verfahrens zürn Erwärmen der Barrenoberfläche bis über den Wasserdampf-Taupunkt. Wenn beispielsweise der Vorwärmofen 12 eine Induktionsheizung enthält, muß der Barren 11 anschließend in einen direkt beheizten Ofen 13 überführt werden. Bei einem kontinuierlichen oder V'anderofen gemäß Figur 1, in dem die Vorwärmzone oder der Vorheizofen 12 in eine direkt beheizte Ofenzone 13 übergeht, wird der Barren 11z. B. auf einem endlosen Förderband 14 von dem

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- 8 Vorwärmofen 12 durch einen Luftvorhang 15 oder andere geeignete Gasab-

Schlußmittel hindurch in den direkt beheizten Ofen 13 bewegt. Falls ein Strahlungs-Vorwärmofen vorliegt, muß der Barren in eine direkt beheizte Zone oder in einen besonderen direkt beheizten Ofen 13 gem&ß Figur 1 überführt werden. Falls das Vorwärmen bis oberhalb des Taupunktes in einem Ofen erfolgt, der zuvor durch direkte Feuerung erhitzt worden ist, wird die Brennstoffzufuhr nach Einsetzen des Barrens abgesperrt. Erdgas ist ein bevorzugter Brennstoff für die direkte Ofenfeuerung. Beliebige Brennstoffe, die arm an Schwefel sind, lassen sich für das erfindungsgemäße Verfahren verwenden, sofern sie ausreichend verbrannt werden. Das von den meisten Gasversorgungssystemen in den USA gelieferte Erdgas geht in ein Verbrennungsprodukt über, in dem der Taupunkt des Feuchtigkeitsgehaltes zwischen 54° C und 65° C liegt.

Beim Aufheizen eines Barrens in einem direkt beheizten Ofen kann man aufgrund der hohen inneren Wärmeleitung von Aluminium die Ofentemperatur relativ hoch ansteigen lassen. Auf diese Weise wird der Barren ziemlich schnell aufgeheizt. Gemäß der nachfolgenden Tabelle I liegt die Aufheizzeit für einen Barren bis zur Warmverarbeitungstemperatur z. B. zum Walzen im Bereich zwischen 19 und 24 Stunden. Bei einem direkt beheizten Ofen läßt sich diese Aufheiztemperatur auf zwei Stunden verringern. Aufgrund dieser re· ativ kurzen Heizdauer wird die Oberflächenoxydation des Barrens in hohem Maße verringert. Das Vorwärmen des Barrens bis oberhalb des Taupunktes, bdvor er der direkt beheizten Atmosphäre ausgesetzt wird, führt zu einem

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blanken Werkstück,, dessen Oberfläche frei von Wasserflecken und Beizstellen ist₀ Es hat sich gezeigt daß der Barren dann auch von jeder Hochtemperatur-Oxydationserscheinung frei ist„

Nachdem der Barren in einem direkt beheiztes Ofen die erforderliche Warm behandlungstemperatur erreicht hat,, wird er über die erwünschte Zeitdauer auf dieser Glüh» oder Normalisierungatemperatur gehalten. Für den FaIl₈ wo im Anschluß an die Wärmebehandlung gleich die Weiterverarbeitung durch Walzen erfolgt,, ist die Glühdauer relativ kurz₀ Das vorliegende Verfahren eignet sich auch zum Homogenisieren,, wobei die Glühdauer wesentlich länger ist, da der Barren so lange bei erhöhter Temperatur verbleibt_s bis er durch Beseitigung von Entmischungen und Konzentrationsgradienten ein gleichmäßiges Gefüge erhalt. Der Barren 11 kann in dem Ofen 13 gemäß Figur 1 bei dieser erhöhten Temperatur verbleiben,, In diesem Fall würde die Wärmezufuhr im ersten Teil des Ofens 13 sehr groß sein und in der Endsone sehr gering sein. Der Ofen 13 kann so lang ausgeführt sein₅ daß die Wärmebehandlung in ihm vollständig durchführbar ist, worauf der Barren 11 von dort direkt dem Walz™ werk zuläuftc Der Barren 11 kann bei der erhöhten Temperatur über die erforderliche Glühdauer in einem besonderen Warmhalteofen oder in einer besonderen Zone des gleichen Ofens bleiben,, wobei in diesem Fall der Warmhalteofen nicht direkt beheizt sein braucht«, In jedem Fall erfolgt die Wärmebehandlung des Barrens ohne Beeinträchtigung seiner Oberfläche aufgrund von V/a s serf lecken, Beissflecken_t stärkerer Oberflächenoxydation und Hoch-

temperatur-Oxydation. -BAD ORIGlWAt

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Selbst wenn der Barren für eine längere Zeitdauer auf hoher Temperatur gehalten wird, wie dies beim Homogenisie rungs glühen üblich ist, zeigt sich, daß die Aufheizperiode für die Oberflächenangriffe besonders empfindlich ist. Das anfängliche Vorwärmen bis oberhalb des Taupunktes verhindert die Bildung von Wasser- und Beizflecken, während das sehr schnelle Aufheizen auf die gewünschte Warmbehandlungstemperatur in der Atmosphäre der Verbrennungsgase des direkt beheizten Ofens eine starke Obe rf lache noxydschicht bildung und eine Hochtemperatur-Oxydierung verhindert.

Für die Glüh- oder Wärmebehandlungsadauer kann der Barren in einem direkt beheizten Ofen verbleiben. In bestimmten Fällen kann es zweckmäßig sein, den Barren in einen anderen Ofen oder in eine andere Zone des gleichen Ofens überführen, wobei in diesem Fall z.B. Strahlungs- oder Induktionsheizungen oder andere geeignete Heizverfahren verwendet werden können.

In Figur 1 sind die verschiedenen Ofenzonen in einer Reihe hintereinander angeordnet; beispielsweise kann auch eine kreisförmige Anordnung gemäß Figur 2 zur Anwendung kommen. Bei dem kreisförmigen Ofen gemäß Figur wird der Barren mittels einer nicht dargestellten Zuführungs einrichtung auf ein kreisförmiges endloses Fördergerät 16 aufgesetzt. Das Fördergerät führt den Barren 11 in die Vorwärmzone 17, wo die Erwärmung durch eine beliebige Beheizung 18 in oben beschriebener Weise so erfolgt, daß die Oberflächentemperatur des Barrens sich oberhalb des Taupunktes des Wasserdampfes in den Verbrennungsgasen befindet. Der Barren 11 wird dann mittels

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des Fördergerätes 16 durch einen Luftvorhang 1 9 in eine direkt beheizte Ofenzone 20 bewegt, wo er in direkter Berührung mit den Verbrennungsgas en aus den Brennern 21 die erforderliche Temperatur erreicht. Anschließend wird der Barren 11 in eine Zone 22 bewegt, wo er auf der erforderlichen Warmbehandlungstemperatur für die erwünschte Zeitdauer verbleibt. Ein Luftvorhang 23 oder andere Abschlußeinrichtungen können zur Trennung der Haltezone 22 von der direkt beheizten Ofenzone 20 vorgesehen sein. Die Temperatur in der Haltezone 22 wird durch Heizeinrichtungen 24 aufrechterhalten. Der Barren 11 gelangt dann mittels des Fördergerätes 16 aus der Haltezone und wird durch nicht dargestellte Greifer abgenommen.

Bei beschichteten Barren mit einem Kern aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung,auf dem eine Schicht aus dem gleichen oder einem unterschiedlichen Material haftet, um daraus anschließend, beispielsweise durch Auswalzen, Werkstücke doublierter Art herzustellen, sind besondere Vorsichtsmaßregeln zu beachten. Bei beschichteten Barren behindert der Luftspalt zwischen dem Tberzugsmaterial und dem Kern nicht nur den Wärmeübergang von der Ofenatmosphäre auf den Barren, sondern, konzentriert auch die Wärme in dem Überzug, so daß beim Aufheizen ein größerer Temperaturunterschied zwischen Überzug und Kern auftritt. Es hat sich herausgestellt, daß bei zu hoher Ofentemperatur das Vberzugsmaterial schmilzt. Deshalb ist es notwendig, die Ofentemperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Überzugs mate rials zu halten, so daß sich eine längere Aufheizdauer ergibt. Wie aus der nachfolgenden Tabelle I hervorgeht, ist beim erfindungs ge mäßen Warmbehandlungsverfahren

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eines mit einer Aluminiumlegierung beschichteten Aluminiumbarrens dennoch eine erhebliche Verringerung der Zeitdauer gewährleistet, die zum Aufheizen des Barrens auf die Warmarbeitstemperatur notwendig ist. Der so behandelte Barren ist frei von jeglichen Wasser- und Beizflecken, stärkerer Oberflächenoxydation und Hochtemperatur-Oxydation. Beim nachfolgenden Warmwalzen treten keinerlei Bindungsprobleme zwischen dem Kern und der Überzugs schicht auf.

In der Tabelle I sind einige typische Aluminiumlegierungen angegeben, die dem erfindunge gemäße η Warmbehandlungsverfahren unterworfen worden sind, sowie die dabei entstehenden Zeitersparnisse. In sämtlichen Fällen war der Barren frei von Wasser- und Beizflecken, stärkerer Oberflächenoxydation und Hochtemperatur-Oxydation. Unter Berücksichtigung dieser Versuchsergebnisse sowohl im Hinblick auf das Aufheizen zum anschließenden Walzen als auch auf eine Wärmebehandlung zum Normalisieren und Homogenisieren läßt sich das erfindungsgemäße Verfahren der Warmbehandlung in direkt beheizten Öfen auf sämtliche Aluminiumlegierungen und auch auf andere Metalle, wie Magnesium, Mangan, Kupfer, Silizium, Chromeisen, Zink und Titan anwenden. Die in der Tabelle aufgeführten Le gierungs be zeichnungen entsprechen den Spezifikationen in dem zuvor erwähnten Metals Handbook der American Aluminium Association.

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Tabelle I Aufheizen zum nachfolgenden Walzen - Glühtemperatur 455 C

Legierung	■	5086	Durchs ehr reichen de
2024	indirekte Beheizung
3033	24 Stdn.
5052	19 "
2024 mit Auflage aus 1230	19 ^lf
24 »
25 "

Zeitersparnis Ofentemperatur

direkte	22 Stdn.
Beheizung	17 "
2 Stdn.	17 "
2 "	22 "
2 "
2 "

5 »

20"

913°	C
774°	C
796°	C
827°	C
621°	C

Aufheizen zum Homogenisiereη

Legierung Homogeni- Zeit bis zum Erreichen sierungs- der Glühtemperatur

Zeitersparnis Ofentemperatur

	510°	C	indirekte	direkte	22 Stdn.	885°	C
	607°	C	Beheizung	Beheizung	28 Stdn.	732°	C
5086		24 Stdn.	2 Stdn.
3033		31 Stdn.	3 Stdn.

Unter "indirekter Beheizung" gemäß Spalte 3 der Tabelle sind sämtliche bisher übliche.Aufheizverfahren zu verstehen, z.B. mittels Salzbad, Induktions-, Widerstandsheizung usw.

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Für eine Wärmebehandlung von Barren gemäß Tabelle I wurde ein Ofen ähnlich der schematischen Darstellung in Figuren 3 und 4 benutzt. Dieser Ofen besitzt eine Schamotteauskleidung 25 und folgende Innenabmessungen: 114 cm Breite χ 206 cm Länge χ 328 cm Höhe.

Der Ofen enthält vier Brenner 26, die etwa 30 cm seitlich und 91 cm bzw. 183 cm vom Boden des Barrens 11 angeordnet sind. Bei den Versuchsbeispielen gemäß Tabelle I hatte der Barren 11 folgende Abmessungen· 46 cm Dicke χ 102 cm Breite χ 305 cm Höhe.

Die Brenner 26 sind bekannter Bauart und erzeugen eine flache Flamme, so daß die Flamme etwa parallel zu den Innenwandungen 28 des Ofens verläuft und nicht direkt auf die Barrenflächen 27 auftrifft. Der Barren 11 stand auf einem Transportwagen 29 mit Rollen 30. Vor jeder Wärmebehandlung gemäß Tabelle I wurde der Ofen für etwa 1 Stunde auf einer Ofentemperatur von 510 C vorgeheizt. Nach der Beschickung wurde die Gaszufuhr zu den Brennern erst freigegeben, als die Oberflächentemperatur des Barrens etwa 65 C erreicht hatte. Zu diesem Zeitpunkt betrug die Ofentemperatur ca. 400 C. Die Flammen des Brenners wurden so gesteuert, daß sie nicht die Oberfläche 27 direkt trafen.

Beim ersten Beispiel wurde ein geschälter Barren aus einer Aluminiumlegierung 5086 für eine anschließende Warmwalzverarbeitung auf die erforderliche WaIztemperatur auf 454 C gebracht. Die unter der Bezeichnung 5086 bekannte Legierung enthält folgende Bestandteile· 4 % Magnesium, 0, 5 % Mangan, max. 0,40 fj Silizium, max. 0,50 % Eisen, max. 0,15 % Zink, max. 0,10 °/<- Kupfer, o,05 - 0,25 % Chrom, max. 0,15 % Titan und als Rest Aluminium. Beim

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Verfahren nach der Erfindung waren zwei Stunden notwendig, um den Barren in dem direkt beheizten Ofen auf Glühtemperatur zu bringen. Die durchschnittliche übliche Wartnbehandlungs zeit für einen Barren der Legierung 5086 beträgt etwa 30 Stunden, von denen 6 Stunden für die Glühzeit festliegen. Somit werden normalerweise 24 Stunden benötigt, um den Barren auf die Glühtemperatur zu bringen. Bei dem vorliegenden Beispiel betrug die Aufheizzeit nur 2 Stunden, so daß sich eine Zeitersparnis von 22 Stunden ergibt. Bei einer Überprüfung vor dem Walzvorgang zeigte sich, daß der Barren fast genauso glänzend war, wie vor seiner Einführung'in den Ofen und daß weder Wasserflecken, sonstige Beizflecken, stärkere Oberflächenoxydation oder eine Hochtemperatur-Oxydation aufgetreten waren.

Das nächste Ta be llenbeispiel bezieht sich auf eine Wärmebehandlung eines geschälten Barrens der Aluminiumlegierung 2024 zum Aufheizen vor dem Walzen auf eine Walztemperatur von 454 G. Die unter der Bezeichnung 2024 bekannte Aluminiumlegierung enthält: 4,5 "?■■> Kupfer, 1,5 ^. Magnesium, 0,6 % Mangan, max. 0,50 % Silizium, max. 0,50 °!- Eisen, max. 0,10 % Chrom, max. 0,25 % Zink und als Rest Aluminium. Die bisher übliche Warmbehandlungszeit eines Barrens der !«gierung 2024 zur Vorbereitung auf den Walzvorgang beträgt 20 Stunden, von denen eine Stunde für die Glühdauer festliegt. Somit sind normalerweise 19 Stunden erforderlich, um den Barren auf Glühtemperatur zu bringen. Beim Verfahren gernäß der Erfindung waren dazu nur zwei Stunden erforderlich, so daß sich eine Zeitersparnis von 17 Stunden ergibt. Eine Untersuchung der Barrenoberfläche vor dem ^T' alzen zeigte, daß der

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Glanz erhalten geblieben war undweder Was serf lecken, stärkere Oberfl*- chenoxydation, noch Hochtemperatur-Oxydation entstanden.

Beim nächsten Beispiel nach Tabelle I wurde ein geschalter Barren der Aluminiumlegierung 3003 in einen direkt beheizten Ofen zur Vorbereitung für einen nachfolgenden Warmwalzvorgang auf die erforderliche Walztemperatur von 454 C aufgeheizt. Die Aluminiumlegierung 3003 enthalt 1,2 % Mangan, max. 0,6 f- Silizium, max. 0,7 % Eisen, max. 0,20 % Kupfer, max. 0,10 % Zink und als Rest Aluminium. Die bisher übliche Warmbehandlungszeit als Vorbereitung für das Warmwalzen betrug bei dieser Legierung 20 Stunden, von denen eine Stunde als Glühzeit festliegt, so daß 19 Stunden normalerweise zum Aufheizen des Barrens auf Glühtemperatur erforderlich sind. Beim Aufheizen des Barrens gemäß der Erfindung wurden nur zwei Stunden benötigt, so daß sich eine Zeitersparnis von 17 Stunden ergibt. Nach der erfindungsgemäßen Warmbehandlung des Barrens war dessen Oberfläche glänzend, frei von stärkerer Oberflächenoxydation, Was serf lecken und Hochtemperatur -Oxydationserscheinungen. Nach dem Walzen wurde aus der Oberfläche des Barrens eine Probe entnommen und einer anodischen Oxydation unterworfen, um eingewalztes Oxyd besser sichtbar zu machen. Die Probe zeigte gute Eigenschaften zur anodischen Oxydation und war frei von eingewalzten Oxydteilen.

Beim nächsten Beispiel gemäß Tabelle I wurde ein geschälter Barren der Aluminiumlegierung 5052 zum nachfolgenden Walzen aufgeheizt und wärmebehandelt. Diese Aluminiumlegierung 5052 enthält 2, 5 % Magnesium, 0,25 % Chrom,

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'max. 0,45 % Silizium und Eisen, max. 0,10 % Kupfer, max. 0,10 % Mangan, max, 0,10 %' Zink und als Rest Aluminium. Die durchschnittliche übliche Warmbehandlungszeit eines Barrens der Aluminiumlegierung 5052 als Vorbereitung für das Warmwalzen beträgt 25 Stunden, von denen eine Stunde für die Glühzeit festliegt, so daß 24 Stunden normalerweise zum Aufheizen des Metalls auf Glühtemperatur erforderlich sind. Bei der Wärmebehandlung gemäß der Erfindung in einem direkt beheizten Ofen waren nur zwei Stunden zum Aufheizen auf Glühtemperatur erforderlich, so daß sich eine Zeitersparnis von 22 Stunden ergibt. Der Barren wies eine glänzende Oberfläche, frei von Wasserflecken und sonstigen Beizflecken, stärkerer Oberflächenoxydation und Hochtemperatur-Oxydation auf.

In dem nachfolgenden Beispiel in Tabelle I wurde ein geschälter Barren der Aluminiumlegierung 2024 mit einer etwa 1 cm starken Auflage der Aluminiumlegierung 1230 als Vorbereitung zum nachfolgenden Walzen bei 454 C warmbehandelt. Die unter der Bezeichnung 1230 bekannte Aluminiumlegierung enthält nicht mehr als 0, 7 % Silizium und Eisen, max. 0,1 0 % Kupfer, max. 0, 05 % Mangan, max. 0,1 0 % Zink und als Rest Aluminium. Bei dem Barren mit einer Auflage muß die Ofentemperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Auflage mate rials gehalten werden, um wie zuvor erwähnt, dessen Abschmelzen zu verhindern. Aus diesem Grund wurde die Ofentemperatur im Bereich zwischen 593 C und 649 C bzw. im Durchschnitt auf 621 C gehalten. Die bisher übliche Zeit, um einen beschichteten Barren der Legierung 2024 auf

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Glühtemperatur zu bringen, betrug 25 Stunden. Beim Verfahren gemäß der Erfindung waren nur 5 Stunden notwendig, so daß sich eine Zeitersparnis von 20 Stunden ergibt. Der beschichtete Barren wies einen-guten Verbund auf und war frei von Wasserflecken, übermäßigem Oberflächenoxyd und Hochtemperatur-Oxydationserscheinungen.

Beim nächsten Beispiel nach Tabelle I wurde ein geschälter Barren der Aluminiumlegierung 5086 gemäß den üblichen Homogenieierungsbedingungen bei einer Glühdauer von 6 Stunden und einer Durchschnittstemperatur vom 510 C wärmebehandelt. Die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung 5086 isf oben angegeben. Die durchschnittliche Dauer der Homogenisie rungs behandlung eines Barrens der Aluminiumlegierung 5086 betrug bisher etwa 30 Stunden. Bei der erfindungs ge mäßen ^Wärmebehandlung beträgt die Gesamtzeit etwa 8 Stunden, so daß eine Zeitersparnis von 22 Stunden vorliegt. Diese Ersparnis ergibt sich aus der Tatsache, daß üblicherweise 24 Stunden notwendig sind, um den Barren auf Glühtemperatur zu bringen, während beim Verfahren gemäß der Erfindung nur zwei Stunden benötigt werden. Nach der Wärmebehandlung war die Oberfläche des Barrens glänzend, frei von Wasserflecken, übermäßiger Oberflächenoxydation und Hochtemperatur -Oxydationserscheinungen.

Das letzte Beispiel der Tabelle I bezieht sich auf eine Wärmebehandlung eines geschälten Barrens der Aluminiumlegierung 3003 gemäß den üblichen Homogenisierungsbedingungen über eine Glühdauer von 9 Stunden bei einer Durchschnittstemperatur von 607 G. Die Dauer der Warmbehandlung eines Barrens

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dieser Legierung zur Homogenisierung betrug bisher etwa 50 Stunden. 19 Stunden sind dabei für die Glühdauer und für das langsame Abkühlen notwendig, so daß 31 Stunden normalerweise zum Aufheizen bis auf Glühtemperatur benötigt werden. Beim Verfahren gemäß der Erfindung waren nur 3 Stunden bis zum Erreichen der Glühtemperatur notwendig, so daß sich eine Zeitersparnis von 28 Stunden ergab. Eine Überprüfung der Barrenoberfläche nach der Behandlung zeigte eine glänzende Oberfläche ohne Wasserflecken, stärkerer Oberflächenoxydation und Hochtemperatur-Oxydationserscheinungen.

In beiden Versuchsbeispielen des Homogenisierungsglühens war der Grad der Oberflächenoxydation größer als bei den Wärmebehandlungen als Vorbereitung für nachfolgendes Walzen. Dieses Ergebnis war zu erwarten, und zwar aufgrund der längeren Verweilzeit des Barrens in erhöhten Temperaturen. Der Umfang der Oberflächenoxydation war jedoch mäßig und die Oberfläche des so behandelten Barrens wies in allen Fällen einen gleichen, wenn nicht besseren Zustand auf, als bei einer Warmbehandlung gemäß den bisher üblichen Verfahren.

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Claims

Dipl.-ing. WILFRID RAEGK PATENTANWALT 7 STUTTGART 1, MOSERSTRASSE 8 · TELEFON (0711) 244003 IO Kaiser Aluminium & 25. März 1966 Chemical Corporation - K 28 - Pat e ntans ρ rüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Barren aus Aluminium und Aluminiumlegierungen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrens schritte:

a) Erwärmen des Barrens ohne Berührung mit Verbrennungs gasen wenigstens bis zur Erreichung einer Oberflächentemperatur oberhalb des Taupunktes des in den Verbrennungs gasen enthaltenen Wasserdampfes,

b) anschließendes Aufheizen des Barrens in einem direkt beheizten Ofen in Berührung mit den Verbrennungsgasen bis auf die Wärmebehandlungstemperatur,

c) Aufrechterhaltung der Barrentemperatur für die erforderliche Wärmebehandlungsdauer.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Barren in eine von Verbrennungs gasen freie Ofenzone (12) eingesetzt und darin soweit erwärmt wird, bis seine Oberflächentemperatur sich obehalb des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wasserdampfes befindet, daß der Barren anschließend in eine direkt beheizte Ofenzone (13) überführt und ohne direkte Berührung mit den Flammen, jedoch in Berührung mit den Verbrennungs gas en bis zur Wärmebehandlungstemperatur aufgeheizt wird, und daß der Barren danach in eine

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Warmbehandlungszone überführt und dort bei der erreichten Temperatur über die erforderliche Zeitdauer gehalten wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Warmbehandlung eines beschichteten bzw, mit einer Auflage versehenen und aus Aluminiumlegierungen bestehenden Barrens die Temperatur in dem direkt beheizten Ofen unterhalb des Schmelzpunktes des Auflage- oder Überzugsmaterials gehalten wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß beim Aufheizen des Barrens auf die Warmbehandlungstemperatur in direkter Berührung mit den Verbrennungsgas en die Flammen eines Brenners (26) in dem direkt beheizten Ofen so gesteuert werden, daß sie etwa parallel zu den Ofenwandungen (28) verlaufen und nicht direkt auf die Barrenfläche (27) auftreffen.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die direkte Beheizung des Ofens mittels Gas erfolgt.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ofenzone auf eine Temperatur oberhalb des Taupunktes von in den Verbrennungsgasen enthaltenem Wasserdampf aufgeheizt wird, bevor der ohne Berührung mit den Verbrennungsgasen so weit zu erwärmende Barren eingesetzt wird, bis seine Oberfläche ntemperatür sich wenigstens oberhalb des Taupunktes des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wasserdampfes befindet.

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7. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens zur Wärmebehandlung von Barren oder Gußstücken aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch Einrichtungen zum Erwärmen des Barrens ohne Berührung mit den Verbrennungs gasen, bis seine Oberflächentemperatur sich oberhalb des Taupunktes des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wasserdampfes befindet; durch einen direkt beheizten Ofen zum Erwärmen des Barrens bei direkter Berührung mit den Verbrennungs gasen; durch Einrichtungen zur Beförderung des Barrens in den direkt beheizten Ofen, nachdem die Barrenoberflächentemperatur sich oberhalb des Taupunktes des in den Verbrennungsgasen enthaltenen Wasserdampfes befindet; und durch Einrichtungen, um den Barren für die erforderliche Zeitdauer auf dieser Temperatur zu halten.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der direkt beheizte Ofen zum Aufheizen des Barrens zwecks Y/arme behandlung durch Berührung mit den Verbrennungs gas en Einrichtungen aufweist, um die von den Brennern ausgehenden Flammen so zu steuern, daß sie nicht direkt auf die Barrenoberfläche auftreffen.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenner so ausgebildet sind, daß sie eine im wesentlichen flache Flamme parallel zu den Wandungen des Ofens erzeugen.

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10. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Heizkammer mit einem Eingang und einem Ausgang; durch eine sich durch die Kammer erstrekkende Fördereinrichtung, wobei die Kammer in mehrere Zonen unterteilt ist und zwischen der ersten und zweiten Zone ein Gasvorhang besteht; durch Einrichtungen der ersten Zone zum Erwärmen der Barren ohne Berührung mit den Verbrennungsgasen und durch Ausbildung der nachfolgenden Zonen als direkt beheizter Ofen zum Aufheizen des Barrens, während die letzte Zone der Kammer Einrichtungen besitzt, um den Barren bei der erreichten Temperatur über eine erforderliche Zeitdauer zu halten.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1 o, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizkammer kreisförmig bzw. ringförmig ausgebildet ist.

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