DE3216392A1

DE3216392A1 - Verfahren zum walzen eines aluminiumbandes

Info

Publication number: DE3216392A1
Application number: DE19823216392
Authority: DE
Inventors: Harish D. 06430 Fairfield Merchant
Original assignee: Continental Group Inc
Current assignee: Continental Group Inc
Priority date: 1981-06-05
Filing date: 1982-05-03
Publication date: 1983-02-03
Also published as: NO821597L; JPS57203754A; FR2507210A1; CA1201959A; AU8269282A

Description

VERFAHREN ZUM WALZEN EINES ALUMINIUMBANDES

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Walzen eines Aluminiumbandes zur Herstellung eines vergüteten Bleches für die Dosenfertigung . Di eses Aluminiumblech · sol I eine hohe Festigkeit erhalten, ohne seine duktilen Eigenschaften einzubüßen.

Der hier verwendete Begriff "Aluminium" umfaßt die handelsüblichen Sorten des Metalles selbst, z.B.. die Sorte 1100 (Bezeichnung der Aluminium Association), als auch Al umi ni um! egierunqen mit 90"/· und mehr Gewichtsanteilen Aluminium. Legierungen, die sich besonders für die erfindungsgemäße Behandlung eignen, umfassen die Sorten 1100,3003,3004 und 3009 sowie manganhaltige Legierungen mit und ohne Magnesium.

Getränkedosen aus Aluminium mit leicht zu öffnenden Deckeln sind von den Kunden gut aufgenommen worden. Um die natUrlichen. Vorkommen zu schützen, wurden national und international Versuche durchgeführt, derartige Dosen wiederzuverwenden. (Recycling)

Bei der Herstellung dieser Dosen werden für den Dosenkörper und die Deckel verschiedene Legierungen verwendet. Somit ist eine Legierung 3004, die für den Dosenkörper benutzt wird, nicht zur Herstellung des Dosendeckels geeignet, der für die Verformungsärbeit eine größere Biegsamkeit erfordert. Das Aluminiumblech, aus dem der Dosendeckel hergestellt wird, muß eine hohe Festigkeit haben, so daß er die in den Dosen unter Druck aufbewahrte Flüssigkeit sicher festhält.

Eine Legierung 3004 mit einem niedrigen Magnesiumanteil (1%) hat. nicht die erforderliche hohe Festigkeit in Verbindung mit der hohen Biegsamkeit, um für die Herstellung der Dosendeckel geeignet zu sein. Eine Legierung 5182 mit einem relativ hohen Magnesiumanteil (4-5%) hätte dagegen wohl die für Dosendeckel erforderliche Festigkeit und Biegsamkeit. Die typischen Zusammensetzungen dieser Legierungen zeigt nachstehende Tabelle:

Tabelle
Metallanteile in Gew.%

Legierung Fe Si Cu- Mn Mg Cr Zn Ti Al 3004 0,43 0,20 0,15 1.1 1,02 0,03 0,04 0,01 Rest 5182 0,35 0,20 0,15 0,4 4,5 0,10 0,25 0,10 Rest

Die Verwendung verschiedener Aluminiumlegierungen bei der Herstellung von leicht zu öffnenden Dosen für den Dosenkörper einerseits und die Dosendeckel andererseits vermindert sehr wesentlich die Verwendungsmöglichkeit dieser Dosen als Wiedergewinnungssto I i da das hieraus gewonnene Schmelzprodukt naturgemäß eine Legierung mit unbekannter Zusammensetzung sein muß.

Es wäredaher sehr vorteilhaft, wenn die Zugfestigkeit der Leqicrung 3004 etwa auf die Höhe derjenigen der Legierung 5182 gebrai ί-werden könnte, so daß die Legierung 3004 sowohl für den Dosenkörix" als auch für den Deckel dienen könnte. Aluminiumblech zur Verwen dung als Dosenkörper, z.B. eine Legierung 3004 mit H19-Vergütung wird aus einem Barren hergestellt, der anschließend gewalzt wird um ein Blech von einer Stärke von 0,33mm zu ergeben, wobei es gegossen, homogenisiert, heiß gewalzt, angelassen und kaltgewalzi wird, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 802 931 angegeben ist.

Bei der Herstellung von Aluminiumblechen durch Kokillenguß wird zunächst ein Barren mit einer Dicke von 40,6 - 61,0cm hergestellt. Dieser Barren wird einer Homogenisierungsstufe unterworfen, wobei er 4-16 Stunden auf 510-607⁰C erhitzt wird. Unmittelbar nach dieser Homogenisierung wird der Barren warmgewalzt, wobei er durch eine Reihe von bei einer Temperatur von 343-510⁰C gehaltenen Reduzierwalzen geführt wird, die das Blech auf eine Dicke von 3,3mm redu?ipren. Anschließend wird das Nachwalzgut bei einer Temperaiur von 371-482°C etwa 0,5 bis 4 h angelassen um eine Rekristallisation de'-Metal1 aufbaues zu erzielen.

Das angelassene Nachwalzgut wird dann einer Vergütung unterworfen, wobei es bei Raumtemperatur auf ein Endmaß von 0,33mm in einer Fünfwalzenanlage kaltgewalzt wird um ein im wesentlichen vollhartp^

H — 19 Tempermaterial zu erhalten. Beim Walzen des H-19-Tempermateria Is wird die Zugfestigkeit des vergüteten Aluminiumbleches von etwa 68 948 kN/m² auf etwa 275 792 bis 310 266 kN/m² gesteigert, während die prozentuale Dehnung als Maß für die Biegsamkeit bei der Dosenherstellung von 25 auf etwa 1% sinkt.

Es wurden schon verschiedene Versuche unternommen, die ZUgfestiqkeit von verfestigtem, gehärteten Aluminiumblech zu verbessern. Diese erforderten stets veränderliche Walzvorgänge, doch haben dip<if Versuche immer nur zu verbesserten Zugfestigkeiten auf Kosten einer verminderten Dehnbarkeit geführt. Jede Verminderung der Dehnunq auf Werte unter 1% macht jedoch ein Aluminiumblech für die Herstellung von Dosen aus zwei Teilen ungeeignet.

Es wäre daher äußerst vorteilhaft, wenn die Zuqfestigkeit von ν ρ >' güteten Aluminiumlegierungen mit geringem Magnes i umantei 1 , ζ . Γ3. ! ^i%-g.ierungen der Bezeichnung 3004-H19 auf die Eigenschaften von Aluminiumlegierungen mit hohem Magnesiumanteil gebracht werden könnten, wie z.B. eine Legierung 5182, ohne daß andere physikalische Eigenschaften, z.B. die Dehnung nachteilig beeinflußt werden. Eine Steigerung der Zugfestigkeit der Legierung 3004-H19 auf diejenige ' der Legierung 5182 würde es möglich machen, Legierungen mit geringem Magnesiumanteil für Dosendeckel zu verwenden, mit dem sich daraus ergebenden Vorteil, daß die Aluminiumdosendeckel im wesentlichen die gleiche Zusammensetzung haben, wie die Dosenkörper, so daß sich in sehr wünschenswerter Weise eine Dose ergibt, die einor Wiederverwendung (Recycling) zugeführt werden kann.

Die US-PS 3 787 248 lehrt ein Verfahren zur Herstellung von hochfesten, hochverformbaren Aluminiumlegierungen, die zur Verwendung für Dosendeckel geeignet sind und Legierungszusammensetzungen haben, die denjenigen ähnlich sind, die für Dosenkörper üblich sind. Das Verfahren umfaßt eine Warmbehandlung nach jeder Walzreduzieruna um 10-20%, wobei der W-alzvorgang durch eine große Anzahl Wärmebehandlungsstufen unterbrochen wird. Dieses Verfahren ist industriell vorrichtungsmäßig sehr schwierig durchführbar.

Die Lösung der vorgenannten Aufgabe besteht erfindungsgemäß in den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1. Sie ersetzt die Vielzahl der Wärmebehandlungsstufen durch eine einzige Vergütungsstufe (Walzen bei einer Temperatur von 66-232°C) und erreicht damit nicht nur eine Vereinfachung des bekannten Verfahrens, sondern auch eine größere Steigerung der Zugfestigkeit.

Gemäß der Erfindung kann die Zugfestigkeit vergüteter Aluminiumlegierungen, insbesondere vergüteter Aluminiumlegierungen mit niedrigem Magnesiumanteil, wie die Legierunq 3004, bedeutend erhöht werden, ohne dabei andere physikalische Eigenschaften zu beeinträchtigen, indem die Vergütung bei einer Temperatur von 66-232"C erfolgt.

Mit Hilfe der Erfindung kann die Zugfestigkeitvon Al umiηiumleqιe rungen, wie sie üblicherweise für die Herstellung von Dosenkörpei π benutzt werden, z.B. eine Legierung 3004 auf Werte verbessert wei den, die denjenigen gleichkommen, die für hochfeste Aluminiumlegierungen, z.B. 5182 gelten, ohne daß dabei eine wesentliche Minderung der Dehnungseigenschaften eintritt. Wie noch ausgeführt wird, wird die Festigkeit der sich ergebenden Legierung 3004-H19 durch Vergütung der Legierung 3004 auf eine H19-Härte bei Temperaturen von 66-204⁰C von 310 266 auf 448 162 kN/m² erhöht, d.h. auf eine Zugfestigkeit, die vergleichbar ist mit der Zugfestigkeit von .400 000 kN/m² der Legierunq 5182 mit einer H19 Härte.

Die erfindunqsgemäß einem Aluminiumblech mit niedrigem Magnesiumanteil vermittelte verbesserte Zugfestigkeit macht dieses Blech für die Verwendung bei Dosendeckeln geeignet. Somit ist es gemäß d Erfindung möglich, Getränkedosen aus Aluminium herzustellen, bei denen der Dosenkörper und die Dosendeckel aus dem gleichen Legierungsmaterial, z.B. der .Legierung 3004 bestehen. Durch diese einheitliche Zusammensetzung der Dosenteile werden diese Getränkedosen aus Aluminium zu einem erwünschten Altmaterialbestandtei1 und fördern ihre Wiederverarbeitung.

Das erfindungsgemäße Verfahren beeinflußt in keiner Weise die Biegsamkeit der vergüteten Legierung, so daß diese mit den übli-

chen Vorrichtungen und Verfahrensmitteln zu Dosendeckeln verarbeitet werden kann.

Unabhängig vom Gießverfahren wurde ermittelt, daß die Wirkung der Vergütung bei der vorliegenden Erfindung verbessert wird, wenn die Legierung vorher einer Wärmebehandlung unterzogen wird um etwaige Verunreinigungen in der Legierung in feste Lösung zu bringen und diese Verunreinigungen in übersättigtem Zustand in der Legierung zu belassen. Dies kann dadurch geschehen, daß die beruhigte weiche Legierung bei einer Temperatur von 427-593°C erwärmt wird und anschließend der erhitzte Strang durch raaches Eintauchen in ein geeignetes Medium, z.B. kalte Luft oder Wasser auf Raumtemperatur abgeschreckt wird um die gelösten Verunreinigungen in übersättigtem ZUstand zurückzuhalten.

Wenn die richtigen Arten der Verunreinigungen (Mn, Fe, Ti, Cr,V; und Anteile der Verunreinigungen in der Legierung vorhanden sind und die Übersättigung bereits im Strang beim Austritt aus der Warmwalzeinrichtung erfolgt ist, kann die vorbeschriebene Wärmebehandlung zur Erzielung der Übersättigung entfallen. Für die Zwekke der Anwendung wird eine Aluminiumlegierung als im übersättigten Zustand angesehen, wenn der Anteil der Metalle aus der Gruppe Fe, Ti, Cr und V mindestens 0,05% und der Anteil an Mangan in der Alumini uml eg i erun-g . mi ndestens 0,4% betragen.

.Die Vergütungsstufe des Verfahrens nach der Erfindung erfolgt, wenn die Alumin.iumlegierung vorher auf eine Dicke von 2,5-19mm gewalzt oder gegossen ist. Im DC-Verfahren wird das gegossene Aluminium warm gewalzt und von einer Dicke von 40,6-61,0cm auf eine Dicke von 2,5mm reduziert,bevor es vergütet wird. Beim kontinuierlichen Gießverfahren wird der Strang direkt auf eine Dicke von 6,4-19mm gegossen und dann vor dem Vergüten homogenisiert.

Die spezifische Vergütungstemperatur für die Aluminiumlegierung , bei der diese auf eine Dicke von etwa 0,33mm gewalzt wird, eine Dicke, wie sie für die Dosenherstellung benötigt wird, schwankt je nach der zu vergütenden Legierung, Bei der Legierung 3004 erhielt man die besten Ergebnisse, wenn der Aluminiumstrang bei etwa 135⁰C vergütet wurde. Allgemein liegt die Vergütungstemperatur

erfindungsgemäß bei 66-204⁰C.

Die Auswahl der Vergütungstemperatur hängt auch von der Walzgeschwindigkeit ab, bei der die Vergütung erfolgt, übliche Walzgeschwindigkeiten liegen beim Vergüten zwischen 304,8 und 1524m/min. Bei der Auswahl der Vergütungstemperatur ändert sich die .ausgewähl te Temperatur mit der Walzgeschwindigkeit, d.h. bei größeren WaI;:- geschwindigkeiten sind Vergütungstemperaturen von 121-?04°C üblich während sie bei niedrigeren Walzrjeschwi ndi qkei ten bei 93- 177"C lic gen.

Die Aluminiumlegierungen, die nach dem erfindunqsgemäßen Verfahren vergütbar sind, haben folgende Zusammensetzungsbereiche:

Mg	0-6%	Mn	0-3%	Cu	0-5%
Fe	0-1%	Si	0-2%	Ti	0-1%
Zr	0-1%	Cr	0-1%	V	0-1%
Al	Rest

Die Erfindung sei nachstehend anhand einiger Beispiele näher erläutert.
BEI.SPIEL I

Ein warmgewalztes 2,2mm dickes Band (heißes Band) der Legierung 3004 wird erfindungsgemäß vergütet.

Am Ausgang des Aluminiumwalzwerks war das Band tot weich, d.h. es hatte die Vergütungsstufe 0 und eine Zuqfestigkeit von 75 843 kN/m² sowie eine Dehnung von 25%. Das Band wurde bei 468 _+ 6°C 5 min lang erhitzt, um Verunreinigungen ■ (Mn, Fe, Ti,Cr) in der Legierung zu lösen. (STUFE A) Nachdem das Band auf diese Weise erhitzt war, wurde es dann rasch in Wasser abgeschreckt, (STUFE B), um die Verunreinigungen im übersättigten ZUstand festzulegen. Das abgeschreckte Band wurd*5min lang bei 135°C erwärmt, um es auf eine Temperatur zu bringen, bei der es vergütet wurde (STUFE C).

Um das Band gemäß der Erfindung zu vergüten, wurde es nacheinander mit einer Geschwindigkeit von 2,134m/min und bei einer Temperatur

von 13 5° C durch ein Paar Reduzierwalzen geführt, die auf 135"C erhitzt waren und von denen das Band dann um 90% seiner Dicke auf 0,22mm reduziert wurde (H19-Vergütung). Um die Dickenverminderuncj zu erreichen, waren fünf Durchläufe durch die Reduzierwalzen mit einer Walzgeschwindigkeit von 2,134 m/min erforderlich (STUFE D) Nach der Beendigung jedes Durchlaufes durch die Walzen wurde das Band auf 135°C erhitzt und 30s lang bei dieser Temperatur gehalten um sicherzustellen, daß das Band eine Temperatur von 135°C beim Eintritt in die Reduzierwalzen hatte (STUFE E). Die Temperatur der Stufen C,D und E wurde innerhalb eines Toleranzbereiches von H₁ 3°C gesteuert.

Die Zugfestigkeit und prozentuale Dehnung der vergüteten Legierunn wurde bestimmt durch ZUg-Dehnungsprüfungen an Proben von 5,08cm Meßlänge aus dem vergüteten Aluminiumband. Die Zugfestigkeit der Legierung und ihre durch die Dehnung ausgedrückte Biegsamkeit, sind Eigenschaften der Legierung, die für die Hers te!1ung. von Dosendeckeln wichtig sind. Die Zugfestigkeit des vergüteten Bandes betrug 448 162 kN/m² bei einer Dehnung von 2%.

Das gleiche Aluminiumband, behandelt nach den Stufen A und B ergab kaltgewalzt zur Herstellung einer üblichen Legierung 3004 mit einer H19-Vergütung eine Zugfestigkeit von nur 310 266 kN/m² bei einer Dehnung von 2%. Der häufig für Dosendeckel verwendete Werkstoff Legierung 5182 in H19-Vergütung hat eine Zugfestigkeit von 400 000 kN/m² bei einer Dehnung von 3%.

Die Herstellungsgeschichte des für das Beispiel I verwendeten Warmband-Werkstoffes war wie folgt:

1. 12 h lang homogenisiert bei 510-566⁰C

2. Luftkühlung auf Walztemperatur von 427-454°C, ■3. Warmwalzen von 59,7cm auf 4,8mm Dicke.

Die Mikroanalyse des Warmbandes zeigte eine Verteilung von Eisen und Mangan zwischen der Aluminiummatrix und komplexen intermetallischen Komponenten. Die übersättigte Aluminiummatrix enthielt 0,58% Mn und 0,09%Fe in Lösung, während die verbleibenden Anteile an Mn und Fe als komplexe intermetallische Verbindungen vorhanden

- 9 waren. Titan, Chrom und Vanadium konnten nicht festgestellt werden.

Aus Kontrastgründen wurde eine Legierung 3004 gleicher zusammensetzung einem anderen Verfahren unterworfen:

1. 10h lang homogenisiert bei 577-604⁰C

2. Ofen abgekühlt mit 56°C/h bis auf Walztemperatur 427°C,

3. Warmgewalzt von 59,7cm auf 2,8mm Dicke.

Die Mikroanalyse dieses Warmband.es zeigte, daß die Aluminiummatrix 0,33? Mn enthielt. Fe wurde nicht festgestellt (ausgefällt und nicht übersättigt); Ti, Cr und V waren ebenfalls nicht feststellbar. In den komplexen intermetallischen Verbindungen waren Mn und Fe vorhanden. Als man die Legierung den Verfahrensstufen A,B-,C,D im E aussetzte, zeigte die Legierung keinerlei ZUnahme der Zugfesi.i" ke.it, wenn sie einer Vergütung bei 121-149°C und Walzgeschwind in keiten von 2 ,Ί 3 - 76,2 m/min ausgesetzt wurde.

Eine Änderung der Stufen A und B bewirkte ebenfalls keine Verbesserung der Zugfestigkeit nach der Vergütung, sondern zeigte vielmehr die Notwendigkeit für die Anwesenheit gewisser übersättigter Metal 1 verunreinigungen in der Legierung, bevor die Vergütung gemäß der Erfindung erreicht werden kann.

BEISPIEL II

Der Vorgang von' Beispiel I wurde wiederholt mit Ausnahme der Stufe D, die mit einer Vergütung H18 erfolgte, wobei eine Walzreduktion um 80% bei verschiedenen Temperaturen erfolgte. Nachstehend sind die Ergebnisse angeführt:

VERGÜTUNGSTEMPERATUR ZUGFESTIGKEIT BEI EINER

⁰C H18-VERG0TUNG kN/m²

24 289 582

66 324 056

93 344 740

135 365 424

177 351 635

204 324 056

- ίο -

(Fortsetzung der Tabelle)

232 ' 262 002

260 248 213

Wie die Tabelle zeigt, ergab sich als optimale Vergütungstemperatur 135°C. Bei geringeren oder höheren Verqütungstempera türen war die Zugfestigkeit nach der Vergütung geringer.·

BEISPIEL III

Die Vorgänge des Beispiels I wurden wiederholt mit der Ausnahme, daß die Stufen A,B,C und E nicht zur Verqütung·benutzt wurden;d. h. das Band kam aus dem Walzwerk mit einer H19-Vergütung, nachdem es mit einer Geschwindigkeit von 2,13m/min aufeinanderfolgend durch auf 135¹⁰C erhitzte Reduktionswalzen gelaufen war .(STUFE D). Die Zugfestigkeit des vergüteten Bandes wurde mit 419 31O.kN/m² ermittelt, die Dehnung betrug. 2%.

BEISPIEL IV

Der Vorgang nach Beispiel I wurde wiederholt, jedoch ohne die Stufen A und B. Die Zugfestigkeit des vergüteten Bandes betrug bei einer Dehnung von 2% 400 690 kN/m² .

Claims

PATEMTAMWALT -I Dipping. Wc!fse»H? *. Raub ό· KrafeldorStr. So -1«- (C2· ;) 15^252 θ/ I D O 3 Z D-S100 AÄOHE^I t PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Walzen eines Aluminiumbandes zur Herstellung eines vergüteten Bleches für die Dosenfertigung, dadurch gekennzeichnet, daß das aus übersättigtem Aluminium gebildete Band während der Vergütung bei einer Temperatur von 66-232°C gewalzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,d-adurch g e k e η η ζ e i < h net, daß das Aluminiumblech aus einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, die mindestens 0,4% Mangan enthält.·

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumblech aus einer Aluminiuni-

■ legierung hergestellt wird, die mindestens 0,05% eines Metal ι r·- aus einer Gruppe der Metalle Eisen, Titan, Chrom, Vanadium aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß das Aluminiumblech aus einer Legierung 3004 besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech eine H-19 Vergütung erhält.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß das Band auf 1 3 5 h^ 3 ° C erhitzt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Band vor der Vergütung auf eine Temperatur von 427-593°C erhitzt wird.

Für THE CONTINENTAL GROUP INC: