-
Technisches
Feld
-
Diese
Erfindung bezieht sich auf Aluminiumlegierungs-Blechprodukte sowie Verfahren zu deren
Erzeugung. Insbesondere bezieht sie sich auf ein Verfahren zur Erzeugung
eines nachgewalzten neuen Aluminiumlegierungs-Folienbands und eines
Folienmaterials unter Verwendung eines kontinuierlichen Strangguss-Prozesses.
-
Stand der
Technik
-
Dünne oder
Konverter-Folien werden üblicherweise
durch Gießen
einer Bramme einer Aluminiumlegierung so wie AA1145 in einem als
DC- oder Direkt-Hartguss bekannten Verfahren vorbereitet. Die Brammen werden üblicherweise
auf eine hohe Temperatur erhitzt, auf eine Nachwalz-Dicke von zwischen
1 und 5 mm warmgewalzt, dann auf eine Folienmaterial-Dicke von typischerweise
0,2 bis 0,4 mm Dicke kaltgewalzt. Das Band wird oft während des
Kaltwalz-Prozesses einem Zwischenglühungs-Schritt unterworfen.
Das „Folien-Material" wird dann weiteren
Kaltwalz-Operationen unterworfen, oft unter Verwendung von Doppelwalzen-Techniken,
um eine schließliche
Foliendicke von etwa 5 bis 150 μm
zu erzeugen. Wenn das schließliche
Folienprodukt auf eine Dicke von zwischen 5 bis 10 μm gewalzt
wurde, wird das Produkt oft als Konverter-Folie bezeichnet und in
verschiedenen Verpackungs-Anwendungen
verwendet.
-
Dabei
besteht ein Kostenvorteil bei der Verwendung kontinuierlichen Stranggusses
als Startpunkt bei der Erzeugung derartiger Folien, da die Homogenisierung
vor dem Warmwalzen nicht erforderlich ist und die Menge an Heiß-Reduktion, um Wiederwalz-Dicken
auszubilden, deutlich reduziert ist. Jedoch bedürfen kontinuierliche Strangguss- Prozesse unterschiedlicher
Kühlbedingungen
während
der Verfestigung verglichen mit dem DC-Gießen und der Hochtemperatur-Homogenisierschritt
vor dem Warmwalzen fehlt. Infolgedessen führt dies, wenn kontinuierliche
Strangguss-Prozesse
mit Legierungen verwendet werden, die normalerweise durch DC-Gießen und
Homogenisierung vorbereitet wurden, zur Ausbildung von unterschiedlichen
intermetallischen Spezies und einer Schalenverformung im gegossenen
Produkt, was Oberflächendefekte
in dem schlussendlichen Folienmaterial-Produkt bewirkt. Beim kontinuierlichen
Strangguss ist die Kühlrate
des Strangs während des
Vergießens üblicherweise
höher (in
einigen Fällen
viel höher)
als die Kühlrate
in großen
DC-Brammen. Somit führen
solche in einem kontinuierlichen Strangguss-Prozess verarbeiteten
Legierungen ebenso zu Folienmaterialien, die eine höhere Übersättigung
gelöster
Elemente aufweisen und daher unerwünschte Härte- und Erweichungs-Eigenschaften
aufweisen, was zu Schwierigkeiten beim Walzen des Folienmaterials
auf seine schlussendliche Dicke führt.
-
Ein
vormals angewandtes Verfahren zur Erzeugung von Aluminiumlegierungs-Band,
welches zur Verwendung in der Produktion dünner Folien geeignet ist, ist
in der offengelegten japanischen Anmeldung 6-93397 von Furukawa,
veröffentlicht
am 5. April 1999, beschrieben. Dieses Dokument zeigt, dass ein weiter Bereich
von Eisen- und Silizium-Konzentrationen
in der Aluminiumlegierung vorliegen kann, beispielsweise 0,2 bis
0,8% Fe und 0,05 bis 0,3% Si. Jedoch waren die höchsten getesteten Silizium-Konzentrationen
nicht oberhalb von 0,19%.
-
Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen Prozess zur Bereitstellung
von nachgewalztem Folienmaterial auf Basis eines kontinuierlichen
Stranggusses zur Verfügung
zu stellen, der zur störungsfreien
Produktion dünner
Folien ohne Oberflächendefekte
so wie Flecken oder Streifen geeignet ist.
-
Es
ist ein weiteres Ziel, ein Folienmaterial in kontinuierlicher Bandform
zu produzieren, das im Wesentlichen eine einzelne intermetallische
Spezies der Alpha-Phase enthält. „Alpha-Phase" bedeutet hierbei
eine intermetallische Phase, die aus Al-Fe-Si besteht, wobei Fe
im Bereich von 30 bis 33% und Si im Bereich von 6 bis 12% (Rest
Aluminium) liegt. Die Stoichiometrie ist typischerweise Fe3Si2Al12 bis
Fe2SiAl8.
-
Offenbarung
der Erfindung
-
Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Aluminiumlegierungs-Bands, welches zur Verwendung bei der
Produktion dünner
Folien geeignet ist. Eine geschmolzene Aluminiumlegierung, die Eisen
in einer Menge von 0,4 bis 0,8 Gew.-%, Si in einer Menge von 0,2
bis 0,4 Gew.-%, optional weniger als 0,05 Gew.-% Cu, Mn, Mg, Zn
oder V, weniger als 0,03 Gew.-% Ti und Rest Aluminium sowie weniger
als 0,03 Gew.-% unvermeidlicher Verunreinigungen enthält, wird
vorbereitet. Die Legierung wird mittels einer Stranggießmaschine
oder mittels Blockgusses vergossen, um ein Band auszuformen, welches eine
Dicke von etwa 4 bis 30 mm mit einer durchschnittlichen Abkühlrate durch
die Dicke des gegossenen Bands während
des Gießens
im Bereich von etwa 20 bis 200°C/sec
aufweist. Das somit erhaltene vergossene Band enthält eine
einzelne intermetallische Phase, die im Wesentlichen aus 100% Alpha-AlFeSi-Phase
besteht.
-
Das
vergossene Band kann auf eine gewünschte Dicke warm- oder kaltgewalzt
werden, um ein Nachwalz-Material zur Verfügung zu stellen.
-
Das
mittels des oben beschriebenen Prozesses erhaltene Nachwalz-Material
weist reduzierte Oberflächendefekte,
die üblicherweise
als „Tannenbaum-Effekt" bezeichnet wurden,
auf. Der Tannenbaum-Effekt ist eine Oberflächenerscheinung, die durch
nicht einheitliche intermetallische Verteilung in dem vergossenen Material
bewirkt werden, wobei mehr als eine intermetallische Phase vorliegt.
Die Uneinheitlichkeit ist durch die Verfestigung verschiedener intermetallischer
Spezies bewirkt. Die Abwesenheit des Tannenbaum-Effekts bedeutet,
dass die Oberflächenqualität der schlussendlichen
Folie verbessert und die Nadelloch-Frequenz in der schlussendlichen
Folie reduziert ist. Es war bisher nicht möglich, diese Oberflächenqualität unter
Verwendung eines kontinuierlichen Stranggussprozesses zu erreichen.
Das gemäß der vorliegenden
Erfindung erhaltene Aluminiumlegierungs-Bandprodukt ist zur Verwendung in der
Produktion dünner
Folien oder Konverter-Folien geeignet.
-
Das
gemäß der vorliegenden
Erfindung produzierte Bandmaterial wird typischerweise gewalzt,
um Folien mit dünner
Dicke auszubilden, die eine Dicke von etwa 5 bi 150 μm aufweisen,
mit reduzierten Oberflächendefekten
so wie Nadellöchern,
großen
Löchern,
Streifen und Tränen
im schlussendlichen Produkt.
-
Die
Kombination von Legierungs-Zusammensetzung und kontinuierlichem
Strangguss-Prozess wurde als Grund für die Ausbildung von im Wesentlichen
100% Alpha-AlFeSi-Phase während
des Gießens
ermittelt. Es ist diese im Wesentlichen reine Alpha-Phase, die zu
geringeren Oberflächendefekten
während
des Walzens der dünnen
Folien-Produkte auf die Schlussdicke führt.
-
Wege zur Ausführung der
Erfindung
-
Die
in dem vorliegenden Prozess verwendete Legierung stellt Fe im Bereich
von 0,4 bis 0,8%, vorzugsweise 0,4 bis 0,6% und insbesondere bevorzugt
0,42 bis 0,48 Gew.-% und Si im Bereich von 0,2 bis 0,4%, vorzugsweise
0,2 bis 0,3% und insbesondere bevorzugt von 0,22 bis 0,28 Gew.-%.
Das bevorzugte Si/Fe-Verhältnis
liegt vorzugsweise im Bereich von 0,25 bis 1,0, besonders bevorzugt
0,4 bis 0,7. Wenn Si und Fe innerhalb dieser Bereich vorliegen,
resultieren die Bedingungen beim kontinuierlichen Stranggießen in einem gegossenen
Strang mit im Wesentlichen 100% Alpha-AlFeSi-Phase. Wenn Si weniger als 0,2% ist,
bilden sich signifikante Mengen an FeAl6-Phase
und das gegossene Band ist anfällig
für Schalen-Fehler.
Wenn Si 0,4% übersteigt,
besteht die Tendenz, eine Beta-Phase auszuformen, die ebenso beim
Walzen störend
ist. Wenn Fe geringer als 0,4% ist, weist das Band eine zu geringe
Festigkeit auf. Wenn Fe 0,8% übersteigt,
kann sich wiederum FeAl6 ausbilden und die
gesamte Menge an intermetallischen Phase ist ebenso exzessiv.
-
Elemente
so wie Mg, Mn, Cu, V, Zn sollten vorzugsweise sämtlich geringer als etwa 0,05
Gew.-% sein. Ti sollte vorzugsweise geringer als 0,03% sein und
alle anderen Elemente sollten vorzugsweise geringer als 0,03% sein,
wobei die Kombination aller anderen Elemente vorzugsweise nicht
0,15% übersteigt.
-
Der
Bandgießprozess
wird in einem kontinuierlichen Stranggießprozess ausgeführt, wobei
die Strangdicke geringer als 30 mm ist. Vorzugsweise ist die Strangdicke
größer als
oder etwa gleich 4 mm. Der Strang-Gießprozess sollte eine durchschnittliche
Kühlrate über die
Dicke des gegossenen Bands von etwa 20 bis 200°C/sec vorsehen. Eine Kühlrate von
weniger als 20°C/sec
resultiert in der Bildung von Oberflächen-Seigerungen, was zu einer
geringen Oberflächenqualität im abschließenden Band
führt.
Eine Kühlrate
größer als 200°C/sec führt zu exzessiver
Schalen-Verformung.
Die aktuelle Kühlrate
hängt von
der Strangdicke und der Kühl-Eignung
der Gießform
ab.
-
Der
Band-Gießprozess
wird unter Verwendung einer Block- oder Stranggießanlage
durchgeführt.
Besonders bevorzugt wird eine Zwillings-Stranggießmaschine
verwendet, bei der das Vergießen
auf texturierten Stahlbändern
durchgeführt
wird.
-
Die
Bramme in ihrem wie vergossenen Zustand weist einen Sekundär-Dendritarm
mit einem Abstand von zwischen 8 und 15 μm auf, wenn sie unter den oben
beschriebenen Bedingungen vergossen wurde. Der Abstand des Sekundär-Dendritenarms
wird mit Standard-Messverfahren, wie sie beispielsweise in einem
Artikel von R. E. Spear et al. in The Transactions of the American
Foundrymen's Society,
Tagungsband des 67. jährlichen
Meetings, 1963, Band 71, veröffentlicht
von der American Foundrymen's
Society, Des Plaines, Illinois, USA, 1964, Seiten 209 bis 215, beschrieben
wurde.
-
Die
wie vergossene Bramme wird vorzugsweise auf eine Nachwalz-Dicke
ohne jeden Homogenisierungsschritt oder andere zusätzliche
Erwärmungen
warmgewalzt. Vorzugsweise wird ein Warmwalz-Prozess mit einer Eingangstemperatur
von zwischen etwa 400°C
und 550°C
und einer Ausgangs-Temperatur von zwischen etwa 200°C bis 320°C verwendet,
um eine Nachwalz-Banddicke
von zwischen 1 bis 3 mm, vorzugsweise 1 bis 2 mm zu produzieren.
Dieses Nachwalz-Band wird normalerweise aufgehaspelt und es wird
ihm erlaubt, vor zusätzlichen
Bearbeitungsschritten an der Umgebungsluft abzukühlen.
-
Das
Nachwalz-Band kann dann mittels Kaltwalzen weiterverarbeitet werden,
um ein Folienmaterial auszubilden. Der bevorzugte Prozess beinhaltet
ein erstes Kaltwalzen auf ein oder mehrere Zwischendicken mit Zwischenglüh-Schritten,
und ein anschließendes
Kaltwalzen zu einem Folien-Material. Die Dicke des Folienmaterial-Produkts
ist typischerweise von 0,2 bis 0,4 mm.
-
Es
wird insbesondere bevorzugt, dass der Kaltwalz-Prozess eine Zwei-Stufen-Zwischenglühung beinhaltet.
Die Zwischenglühung
umfasst das Erwärmen
eines Bands mit Zwischendicke bei 350 bis 450°C für zumindest 0,5 Stunden, jedoch
vorzugsweise weniger als 12 Stunden, und ein anschließendes Abkühlen des Bands
auf 200 bis 330°C
und Halten für
zumindest 0,5 Stunden, jedoch vorzugsweise weniger als 12 Stunden. Eine
Kalt-Reduktion von zumindest 40% vor der Zwischenglühung wird
bevorzugt.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird durch die beiliegenden Zeichnungen dargestellt, in
denen:
-
1 eine
Fotographie der geätzten
Oberfläche
eines gewalzten Bands außerhalb
des Zusammensetzungs-Bereichs der Erfindung ist; und
-
2 eine
Fotographie der geätzten
Oberfläche
eines gewalzten Bands innerhalb des Zusammensetzungs-Bereichs der
Erfindung ist.
-
Beispiel 1
-
Zwei
Aluminiumlegierungen wurden auf einer Zwillingsband-Gießmaschine
im Labormaßstab
vergossen. Legierung 1 enthielt 0,96 Gew.-% Fe, 0,05 Gew.-% Si sowie
den Rest im Wesentlichen Aluminium. Die Zusammensetzung der Legierung
1 war daher außerhalb
des Bereichs der vorliegenden Erfindung. Legierung 2 enthielt 0,45
Gew.-% Fe und 0,25 Gew.-% Si, was innerhalb des Bereichs der vorliegenden
Erfindung liegt. Die Strang-Dicke
war 19 mm und die Gießgeschwindigkeit
war 3 m/min. Die resultierenden Brammen wurden auf 3 mm warmgewalzt
und anschließend
auf 0,3 mm kaltgewalzt. Die gewalzten Bleche wurden dann in Schwefelsäure-Lösung eloxiert,
um die Verteilung der intermetallischen Phase freizulegen. Diese
Behandlung bewirkt, dass dunkle Bereich dort vorliegen, wo intermetallische
FeAl6-Phasen ausgebildet wurden. Die Resultate
sind in den 1 und 2 gezeigt.
Legierung 1 (1) hat eine Mischung von dunklen
und hellen Bereichen, was anzeigt, dass diese Legierung eine Mischung
von zumindest zwei intermetallischen Phasen aufweist. Auf der anderen
Seite zeigt Legierung 2 (2) nur einen weißen Bereich,
was anzeigt, dass die intermetallischen Phasen in dieser Legierung
gleichmäßig (und
eines einzigen Typs) sind.
-
Beispiel 2
-
Die
Prozedur aus Beispiel 1 wurde unter Verwendung von Aluminiumlegierungen,
die einen Bereich von Eisen- und Silizium-Konzentrationen enthalten,
wiederholt. Die Legierungs-Zusammensetzungen in Gew.-% und die resultierenden
intermetallischen Phasen sind in Tabelle 1 gezeigt.
-
-
Anmerkungen:
Gemischte intermetallische Phasen bedeuten mehr als eine vorliegende
Spezies. Einzelne intermetallische Phasen bedeuten im Wesentlichen
insgesamt Alpha-Phase.
-
Die
in Tabelle 1 gezeigten Resultate demonstrieren, dass die Legierung
Nr. 6, die Konzentration von Eisen und Silizium innerhalb des Bereichs
der vorliegenden Erfindung aufweist, frei von Tannenbaum-Bildern ist
und eine einzelne intermetallische Phase aufweist.
