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Verfahren zum Kaltziehen von rohrförmigen Erzeugnissen aus
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einer Aluminiumlegierung
Verfahren zum Kaltziehen
von rohrförmigen Erzeugnissen aus einer Aluminiumlegierung Die vorliegende Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zum Kaltziehen von rohrförmigen Erzeugnissen aus
einer Silizium und Magnesium enthaltenden Aluminiumlegierung, welche eine hohe Festigkeit
aufweisen und leicht zu ziehen sind.
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Aluminiumlegierungen für die Herstellung von gezogenen rohrförmigen
Erzeugnissen liegen üblicherweise als nahtlose Strangpressprodukte vor, welche im
allgemeinen Rohrrohlinge genannt werden. Diese Rohrrohlinge werden anschliessend
mittels einer oder mehrerer Kaltziehstufen auf das gewünschte Endmass für die fertigen
rohrförmigen Erzeugnisse gebracht. Dieser spezielle Typ von rohrförmigen Erzeugnissen
ist besonders geeignet für Gerüst- und Gestellstangen. Folglich sind sowohl die
hohe Festigkeit als auch die leichte Pressbarkeit wichtige Faktoren, welche bei
der Wahl einer zur Verwendung für gezogene rohrförmige Erzeugnisse geeigneten Aluminiumlegierung
in Betracht gezogen werden müssen.
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Bei der Herstellung von kaltgezogenen rohrförmigen Erzeugnisse sen
werden nicht aushärtbare Aluminiulegierungen gewöhnlich durch das Kaltziehverfahren
an sich gehärtet. Diese speziellen Legierungen können während dem Ziehverfahren
einer oder mehreren Zwischenglühungen unterworfen werden, damit die Legierung in
die Lage versetzt wird, einer wesentlichen Verminderung der Querschnittsfläche zu
widerstehen.
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Die aushärtbaren Legierungen hingegen, welche im allgemeinen eine
hohe Festigkeit aufweisen, müssen nach der Reduktion zum oder nahe zum Endmass der
rohrförmigen Erzeugnisse lösungsgeglüht werden, damit das vollständige Festigkeitspotential
und ein maximaler Korrosionswiderstand für die Legierungen erreicht wird. Im allgemeinen
kann bei aus aushärtbaren Legierungen gezogenen rohrförmigen Erzeugnissen eine kleine
Verminderung
des Einflusses des Lösungsglühens erreicht werden,
indem das Rohrziehen entweder vor oder nach einem Warmauslagerungsschritt fortgesetzt
wird. Diese kleine Verminderung des Einflusses des Lösungsglühens kann auch mittels
eines Streckverfahrens zum Geraderichten der rohrförmigen Erzeugnisse erreicht werden.
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Die eine mittlere Festigkeit aufweisenden aushärtbaren Legierungen,
wie beispielsweise die Aluminiumlegierungen AA 6063 (0,45 - 0,9% Magnesium, 0,20
- 0,6% Silizium, 0,35% Eisen, 0,10% Kupfer, 0,10% Mangan, 0,10% Chrom, 0,10% Zink
und 0,10% Titan) und AA 6061 (0,8 - 1,2% Magnesium, 0,40 - 0,8% Silizium, 0,7% Eisen,
0,15 - 0,40% Kupfer, 0,04 - 0,35% Chrom, 0,25% Zink, 0,15% Mangan und 0,15% Titan)
liegen zwischen den Extremen, ungefähr im Mittelbereich, der oben diskutierten nichtaushärtbaren
und aushärtbaren Legierungen. Diese Legierungen werden gewöhnlich während des Strangpressens
des Rohrrohlings lösungsgeglüht und unmittelbar nach dessen Austritt aus der Strangpresse
abgeschreckt. Rohrrohlinge, die aus solchen Legierungen hergestellt werden, können
nicht ohne Zerstörung der Einflüsse des Lösungsglühens zwischengeglüht werden und
können deshalb nur bis zu den Belastungsgrenzen des abgeschreckten Rohrrohlings
gezogen werden. Die Legierung 6063 ist im allgemeinen leicht kalt zu ziehen, aber
auch nach dem Auslagern liegt ihre obers Festigkeitsgrenze nur bei ungeführ 28,1
kg/mm² (0,2-Dehngrenze) bzw. 30,9 kg/mm² (Zerreissfestigkeit).
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Die Legierung 6061 hat bessere Festigkeitseigenschaften als die Legierung
6063, aber sie ist viel schwieriger strangzupressen und kaltzuziehen. In vielen
Fällen muss die Legierung 6061 während des Ziehverfahrens zwischengeglüht und dann
besonders lösungsgeglüht werden, was die Kosten der aus dieser Legierung hergestellten
rohrförmigen Erzeugnisse erhöht. Deshalb ist es notwendig, eine Legierung, die leicht
press- und ziehbar ist, wie beispielsweise Legierung 6063, einzusetzen; aber diese
Legierung soll auch Festigkeitseigenschaften aufweisen, welche mit denjenigen von
aushärtbaren Legierungen,
wie z.B. die Aluminiumlegierung AA 2024-T3
(3,8 - 4,9% Kupfer, 1,2 - 1,8% Magnesium, 0,30 - 0,9% Mangan, 0,50% Silizium, 0,50%
Eisen, 0,25% Zink, 0,15% Titan, 0,10% Chrom; lösungsgeglüht, abgeschreckt und kaltverfestigt)
vergleichbar sind, und einen guten Korrosionswiderstand haben, wie dies die Aluminiumlegierungen
der 6000-er Serie aufweisen.
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Die in den US-PS 3 234 054, 3 642 542 und 3 717 512 offenbarten Legierungssysteme
stellen dahingehend eine Alternative dar, dass sie Kombinationen von Festigkeits-
und Schlageigenschaften, welche denjenigen der oben beschriebenen Legierungen überlegen
sind, aufweisen, jedoch weder beim Strangpressen noch beim Kaltziehen Schwierigkeiten
bereiten.
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Die Erfinder haben sich die Aufgabe gestellt, ein Verfahren zum Kaltziehen
von rohrförmigen Erzeugnissen aus einer Silizium und Magnesium enthaltenden Aluminiumlegierung,
welches eine Kombination von hoher Festigkeit und leichter Ziehbarkeit gewährleistet,
zu schaffen, wobei die hergestellten rohrförmigen Erzeugnisse erhöhte Korrosionswiderstand
und Schlagfähigkeit aufweisen, und mit welchem hochwertigere kalt gezogene Erzeugnisse
hergestellt werden können, ohne dass ein besonderer Lösungsglühschritt eingeschaltet
werden muss.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass - eine Aluminiumlegierung,
welche 0,3 - 1,5 Gew.% Magnesium, 0,3 - 1,3 Gew.-% Silizium, 0,03 - 0,4 Gew.-% Chrom,
0,03 - 0,2 Gew.-% Zirkon, bis zu 0,4 Gew.-% Mangan und als Verunreinigungen bis
zu 0,6 Gew.-% Eisen, bis zu 0,5 Gew.-% Zink, bis zu 0,3 Gew.-% Kupfer, bis zu 0,15
Gew.-% Vanadium, bis zu 0,1 Gew.-% Titan, bis zu 0,008 Gew.-% Bor sowie andere Elemente
mit einem Anteil von je bis zu 0,1 Gew.-%, insgesamt jedoch höchstens 0,5 Gew.-%
enthält, wobei das Magnesium und Silizium überall
in der Legierung
gleichmässig vertailt sind, aud eine Temperatur oberhalb 455°C erwärmt wird, - diese
Legierung bei einer Metalltemperatur von mehr als 455°C zu einem Rohrrohling stranggepresst
wird, - der aus der Strangpresse austretende Rohrrohling mit einer Geschwindigkeit
von 550 - 55000C/min. auf eine Temperatur von wenigstens 1770C abgeschreckt wird,
und - der abgeschreckte Rohrrohling in mindestens einer Stufe mit einer maximalen
Reduktion von je 90% kalt auf das Endmass gezogen wird.
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Der bevorzugte Bereich der zur Aluminiumlegierung zugegebenen Elemente
liegt bei 0,4 - 1,0 Gew.-% Magnesium, 0,4 - 0,9 Gew.-% Silizium, 0,05 - 0,35 Gew.-%
Chrom, 0,03 - 0,3 Gew.-% Mangan und 0,05 - 0,15 Gew.-% Zirkon.
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Die Art und Weise des Schmelzens und Giessens der Legierung zu Pressbolzen
ist nicht besonders kritisch, deshalb können übliche Schmelz- und Giessverfahren
zweckdienlich verwendet werden. Es ist jedoch wichtig, dass das Silizium und Magnesium
über das ganze Legierungsgefüge gleichmässig verteilt sind.
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Dies kann auf irgend eine erwünschte Art und Weise erfolgen, bevorzugt
jedoch durch ein unmittelbar an das Giessen anschliessendes ein Homogenisierungsglühen.
Dieses Homogenisierungsglühen sollte während 4 - 20 Std. bei einer Temperatur von
4550C bis ungefähr 110 0c unterhalb der Solidustemperatur der eingesetzten Legierungszusammensetzung
durchgeführt werden.
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Nach dem Homogenisieren sollte die Legierung auf Raumtemperatur abgekühlt
werden.
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Das nach dem Homogenisieren erfolgende Abkühlen der gegossenen Legierung
ist normalerweise wegen der grossen Masse von beteiligtem Material eher langsam.
Demgemäss wird während dem langsamen Abkühlen ein beträchtlicher Anteil der löslichen
Legierungskomponenten aus der festen Lösung ausgefällt. Vor dem Strangpressen muss
dieses ausgefällte Material wieder vollständig im Legierungsgefüge ausgelöst werden,
damit die vollen Festigkeits- und Härteeigenschaften der Legierung entwickelt werden
können. Dazu wird die Legierung auf eine Temperatur von mindestens 4550 erwärmt
und während mindestens 2 min. bei dieser Temperatur gehalten. Dieser Temperaturbereich,
welcher vorzugsweise zwischen 520 und 5500C liegt, entspricht der Lösungstemperatur
der löslichen Legierungskomponenten Magnesium und Silizium. Das Legierungsgefüge
muss während so langer Zeit auf dieser Temperatur gehalten werden, dass alle oder
fast alle löslichen Magnesium- und Siliziumkomponenten in der Legierung aufgelöst
werden können.
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Nach dem Lösungsglühen wird der Pressbolzen aus der erfindungsgemässen
Aluminiumlegierung in die Strangpresse eingeführt, bevor die Oberflächentemperatur
des Bolzens unter 455° gefallen ist. Das Strangpressen des Bolzens wird unmittelbar
nachher durchgeführt. Die obere Grenze für die Strangpresstemperatur hängt vom gewünschten
Aussehen der fertigen Oberfläche und den Temperatureinflüssen auf das Presswerkzeug
ab. Im allgemeinen wird das Strangpressen bei einer Temperatur von weniger als 552°C
durchgeführt.
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Es ist kritisch, dass die stranggepresste Legierung unmittelbar nach
dem Strangpressen schnell abgekühlt wird, damit in der Legierung das Maximum an
Festigkeitseigenschaften erreicht wird. Der Einfluss des schnellen Abkühlens besteht
darin, dass die löslichen Komponenten Magnesium und Silizium im Legierungsgefüge
in fester Lösung gehalten werden. Die Temperatur der stranggepressten Legierung
wird normalerweise mit einer Geschwindigkeit von 550 - 55000C/min. auf 1770C abgekühlt.
Je schneller die Abkühlung erfolgt, desto eher werden die mit
hohen
Festigkeitseigenschaften kombinierten besseren Verformungseigenschaften des Endprodukts
erhalten. Dieses schnelle Abkühlen kann entweder durch die Verwendung von geeignet
angeordneten Ventilatoren, welche eine Luftkühlung bewirken, oder durch Führen des
strangepressten Profils durch eine Kühlflüssigkeit erreicht werden.
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Das abgekühlte hohle Strangpressmaterial, d.h. die Rohrrohlinge, wird
dann auf die gewünschten Endmasse gezogen. Die mit der vorliegenden Erfindung hergestellten
rohrförmigen und anderen Erzeugnisse werden vorzugsweise mit einer gesamten Reduktion
zwischen 5 und 90%, insbesondere zwischen 45 und 65%, gezogen. Dieser Ziehschritt
sollte natürlich durchgeführt werden, ohne die Oberfläche des gezogenen Gegenstandes
nachteilig zu beeinflussen.
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Vor und/oder nach dem Kaltziehen und/oder auf den Zwischenstufen beim
mehrstufigen Kaltziehen kann auch ein Warmauslagern hinzugefügt werden, welches
darin besteht, dass die rohrförmigen Erzeugnisse während 0,25-24 Std. bei einer
Temperatur von 93-210°C gehalten warden. Bei Anwendung eines einzigen Warmauslagerungsschrittes
findet dieser bevorzugt nach dem Kaltziehen statt.
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Nach einer bevorzugten Ausführungsform kann die Legierung, insbesondere
nach dem Kaltziehen, mit einer Ouerschnittsreduktion zwischen 45 und 65%, während
4 - 8 Std. bei einer Temperatur von ungefähr 1500C ausgelagert werden. Mit diesem
Warmauslagern erreicht die erfindungsgemäss verarbeitete Aluminiumlegierung Festigektiseigenschaften,
welche diejenigen der Legierung 6063 in warmausgelagertem Zustand übertrifft.
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Das Verfahren der vorliegenden Erfindung und die damit erreichten
Vorteile werden mittels des folgenden Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Beispiel Die chemische Analyse eines stranggepressten Rohrrohlings
aus der erfindungsgemässen Aluminiumlegierung A ergibt für die Legierungskomponenten
folgende Anteile: 0,70 Gew.-% Silizium, 0,56 Gew.-t Magnesium, 0,27 Gew.-% Eisen,
0,11 Gew.-% Kupfer, 0,11 Gew.-% Zirkon, 0,103 Gew.-% Mangan, 0,103 Gew.-% Chrom,
0,0078 Gew.-% Titan, 0,0066 Gew.-% Bor, 0,005 Gew.-% Zink und 0,0025 Gew.-t Beryllium.
Ein als Vergleichsprobe verwendeter Rohrrohling aus der handelsüblichen Aluminiumlegierung
AA 6063 hat folgende, durch eine chemische Analyse bestimmte Anteile der Legierungskomponenten:
0,45 Gew.-% Magnesium, 0,43 Gew.-% Silizium, 0.16 Gew.-% Eisen, 0,010 Gew.-% Titan,
0,0032 Gew.-% Bor,<0,05 Gew-% Zink, <0,03 Gew-% Kupfer, <0,02 Gew.-% Mangan,
<0,02 Gew.-% Chrom, <0,02 Gew.-% Zirkon und <0,002 Gew.-t Beryllium. Den
chemischen Analysen kann entnommen werden, dass die Legierung er Vergleichsprobe
die erfindungsgemäss erforderlichen Chrom- und Zirkongehalte nicht aufweist.
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In der Tabelle I werden die Festigkeits- und Dehnungseigenschaften
von stranggepressten, ausgelagerten sowie ausgelagerten und gezogenen bzw. gezogenen
und ausgelagerten Rohren gezeigt. In beiden Fällen wird ein T4-wärmebehandelter
(lösungsgeglüht, abgeschreckt und bei Raumtemperatur bis zum Erreichen eines stabilen
Zustands ausgelagert), stranggepresster Rohrrohling eingesetzt.
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Die gemessenen mechanischen Eigenschaften beziehen sich auf folgende
Verfahrensstufen: a) stranggepresster Zustand (T4-Wärmebehandlung), b) nach dem
Auslagern des stranggepressten Rohlings während 5 Std. bei 1770C
c)
nach dem Auslagern des stranggepressten Rohlings während 5 Std. bei 1770C und anschliessendem
Kaltziehen mit einer Reduktion von 50% (T9-Wärmebehandlung), und d) nach der T4-Wärmebehandlung
wird der stranggepresste Rohrrohling mit einer Reduktion von 50 % kaltgezogen und
anschliessend während 4 Std. bei 150 0c ausgelagert (T8-Wärmebehandlung).
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Aus Tabelle I geht klar hervor, dass die erfindungsgemässe Aluminiumlegierung
A bei allen gezeigten Wärmebehandlungen eine grössere 0,2 - Dehngrenze und Zerreissfestigkeit
als die handelsübliche Aluminiumlegierung AA 6063 aufweist. Es ist ersichtlich,
dass sowohl die T8- als auch die T9-17ärmebehandlung sehr hohe Festigkeitswerte
ergeben. In der Tat ist die 0,2 - Dehngrenze mindestens 35 kg/mm2 von der gleichen
Grössenordnung wie bei der typischen 0,2 - Dehngrenze der aushärtbaren Aluminiumlegierung
AA -2024- T3, welche jedoch in der Herstellung viel kostspieliger ist.
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Tabelle I Festigkeits-und Dehnungseigenschaften von stranggepressten,ausgelagertan,
gezogenen sowie ausgelagertan und gazogenen bzw. gezogenen und ausgelagertan Rohren
Verfahrensatufe Legierung A;T4-wärmebehandelter, Legierung 6062;T4-wärmebehandelter,
stranggepresster Rohrrohling stranggepresster Rohrrohling 38,2x2,4 mm* 54,0x2,8mm*
38,1x2,4 mm* 54,0x2,8 mm* a) 0,2-Dehnung [kg/mm²] 13,5-17,2 13,9-17,8 8,0-8,1 10,8-11,4
Zerreissfestigkeit[kg/mm²] 24,3-26,0 25,2-26,2 15,6-16,0 18,2-18,3 Dehnung [%] 28-31
28-35 30 30-36 b) 0,2-Dehnung [kg/mm²] 27,6-28,1 28,3-28,7 20,3 23,3 Zerreissfestigkeitkg/mm²]
29,4-29,9 29,9-30,0 23,3 25,4 Dehnung [%] 16-18 15-17 19 19 c) 0,2-Dehngrenze [kg/mm²]
36,2 39,9 Zerreissfestigkeit[kg/mm²] 36,4 36,1 Dehnung [%] 7 8 d) 0,2-Dehngrenze
[kg/mm²] 35,0 35,0 35,8 Zerreissfestigkeit[kg/mm²] 37,1 30,9 38,3 Dahnung [%] 5,0
13,0 7,0 * Aeusserer Durchmesser % Wandstärke
Abschliessend soll
nochmals betont werden, dass sich die Festigkeits- und Dehnbarkeitseigenschaften
der einzelnen erfindungsgemässen Legierung deutlich von einander unterscheiden können.
Diese Eigenschaften können etwas ausgeglichen werden, indem sowohl die Temperatur
beim Auslagern als auch die Zeitdauer der verschiedenen Auslagerungsschritte variiert
werden.
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Die erhöhten Festigkeitswerte, welche mit dem erfindungsgemässen Verfahren
erreicht werden, liegen über denjenigen von handelsüblichen Legierungen, ohne dass
ein besonderer Wärmebehandlungsschritt notwendig wäre. Das Weglassen dieses besonderen,
ein Lösungsglühen umfassenden Schrittes hilft, insbesondere im Hinblick auf die
dauernd steigenden Preise, die Verfahrenskosten von irgendwelchen gezoqenen Erzeugnissen
zu senken.