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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung sehr dünner Bänder bzw.
Folien mit einer Dicke unterhalb oder gleich 12 μm aus einer Legierung vom Aluminium-Eisen-Typ.
Derartige Bänder
bzw. Folien werden insbesondere zur Herstellung verbundener Mehrfachschichten,
die eine Papier- oder Kartonschicht, eine Schicht aus einer Aluminiumlegierung
und eine Schicht aus Polymeren aufweisen, zur Konfektion aseptischer, biegsamer
oder starrer Nahrungsmittelverpackungen vom Ziegel-Typ verwendet.
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Stand der
Technik
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Die
nachgesuchten Anwendungseigenschaften für sehr dünne Bänder bzw. Folien aus einer
Aluminiumlegierung betreffen eine gute mechanische Beständigkeit,
eine hinreichende Dehnbarkeit, eine sehr geringe Zahl von Löchern pro
Oberflächeneinheit
sowie eine gute Riss- und Falzbeständigkeit. Das Fehlen von Löchern hängt im Wesentlichen
von der Korngröße ab, die
auf jeden Fall kleiner als die endgültige Dicke sein muss.
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Im Übrigen ist
es, im Hinblick auf eine Herstellung der Erzeugnisse im industriellen
Maßstab,
wichtig, dass sich die gewählte
Legierung leicht gießen
und laminieren lässt,
dass sie nicht allzu teuer ist und insbesondere einen zu niedrigen
Gehalt an Silizium nicht unterschreitet, und dass der Umwandlungsvorgang
nicht zu kompliziert abläuft,
wobei insbesondere eine zu große
Zahl von Wärmebehandlungsstufen
vermieden wird.
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Die
für entsprechende
Anwendungen gewöhnlich
eingesetzten Legierungen sind Legierungen vom Typ 1100 oder 1200,
die weniger als 1 Gew.-% für
die Summe der Gehaltsmengen von Silizium und Eisen enthalten. Bekannt
ist auch, zur Verbesserung der mechanischen Beständigkeit Legierungen mit einem
höheren Gehalt
an Eisen und zusätzlich
Mangan zu verwenden, wie in den Legierungen 8006 und 8015, die an
der Aluminium Association 1978 bzw. 1988 registriert wurden:
Die
registrierte Zusammensetzung von 8006 ist (in Gew.-%):
Si < 0,4, Fe: 1,2–2, Cu < 0,30, Mn: 0,3–1, Mg < 0,10, Zn < 0,10.
Die
registrierte Zusammensetzung von 8015 ist:
Si < 0,30, Fe: 0,8–1,4, Cu < 0,10, Mn: 0,10–0,40, Mg < 0,10, Zn < 0,10.
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Ein
entscheidender Nachteil der Legierungen mit hohem Eisengehalt betrifft
die Schwierigkeit, die Fabrikationsabfälle für weitere Anwendungen zurückzuführen; tatsächlich ist
die Fabrikation sehr dünner
Bänder ein
heikler Vorgang und führt
zu einem entscheidenden Verbrauch je Tonne durch Erzeugung von viel
Ausschuss. Ein Mittel zur Vermeidung dieses Nachteils beruht darauf,
zur Produktion von Roh/Vorprodukten eine kontinuierliche Gießmaschine,
z.B. ein kontinuierliches Gießverfahren
zwischen Zylindern, anzuwenden, wodurch es ermöglicht wird, die Abfall- und
Ausschussmengen der Fabrikation direkt in den Einspeisofen der Maschine
zurückzuführen. Dieser
Vorteil kommt zu den innewohnenden Vorteilen des kontinuierlich
durchgeführten
Gießverfahrens,
insbesondere zu den niedrigen Investitionskosten, hinzu.
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US 5,380,379 , eingereicht
in 1993 von Alcoa Aluminio Do Nordeste, beschreibt eine Folie aus
Aluminium mit der Zusammensetzung (in Gew.-%):
Si < 0,2, Fe: 1,35–1,6, Cu:
0,1–0,4,
Mn: 0,3–0,6,
B: 0,01–0,02,
hergestellt
durch kontinuierliches Gießen
zwischen Zylindern bei einer Dicke von 4,8 bis 10 mm, geglüht oberhalb
450°C und
in der Kälte
laminiert. Für
den Fall einer endgültigen
Dicke der Folie von unterhalb 9 μm
wird im Patent eine zusätzliche
Zwischenglühstufe
vorgeschlagen.
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EP 0 750 685 (Alcan International),
1994 eingereicht, betrifft eine dünne Folie mit einer Dicke von
5 bis 40 μm
der Zusammensetzung (in Gew.-%):
Si < 0,4, Fe: 1,2–2,0, Mn: 0,2–1,0, Mg
und/oder Cu: 0,1–0,5,
Zn < 0,1,
mit
einer mittleren Korngröße unterhalb
5 μm nach
der Endglühstufe.
Das Metall kann mit einem herkömmlichen
halb-kontinuierlichen oder kontinuierlichen Gießverfahren zwischen Zylindern
oder Treibriemen gegossen werden.
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WO
98/45 492 (Alcan International) beschreibt eine rückführbare dünne Folie,
insbesondere für
Anwendungen auf dem Gebiet von Nahrungsmitteln, mit der Zusammensetzung:
Si:
0,2–0,5,
Fe: 0,4–0,8,
Cu: 0,1–0,3,
Mn: 0,05–0,3,
enthaltend
mindestens 2 Gew.-% Dispersoide und mindestens 0,1% Kupfer und/oder
Mangan in fester Lösung.
Die Legierung wird kontinuierlich gegossen, und man führt eine
Zwischenglühstufe
beim Laminieren in der Kälte
durch.
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Gegenstand
der Erfindung
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Bändern aus
einer Legierung vom Aluminium-Eisen-Typ mit einer Dicke unterhalb
oder gleich 12 und vorzugsweise unterhalb 9 μm anzugeben, wobei man ein kontinuierliches
Gießverfahren
zwischen Zylindern durchführt
und Bänder
herstellt, die gleichzeitig eine gute mechanische Beständigkeit
und eine erhöhte
Riss- und Falzbeständigkeit
unter technischen und wirtschaftlichen Bedingungen im entscheidenden
industriellen Produktionsmaßstab
aufweisen.
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Gegenstand
der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Bändern aus
einer Legierung aus Aluminium in einer Dicke unterhalb oder gleich
12 und vorzugsweise < 9 μm, wobei
das Verfahren die Stufen umfasst:
- – Bereitstellen
einer Legierung der Zusammensetzung (in Gew.-%):
Si: 0,15 bis
0,40, Fe: 1,10 bis 1,70, Mg: < 0,02,
Mn:
0,30 bis 0,50,
weitere Elemente: < 0,05 jeweils und < 0,15 insgesamt, Rest: Aluminium,
- – zwischen
Zylindern durchgeführtes
kontinuierliches Gießen
eines Bandes aus dieser Legierung mit einer Dicke von 2 bis 10 mm,
- – Homogenisieren
dieses Bandes bei einer Temperatur von 450 bis 620°C über eine
Dauer von 8 bis 40 h,
- – Laminieren
dieses Bandes in der Kälte,
- – Zwischenglühen des
in der Kälte
laminierten Bandes bei einer Temperatur von 200 bis 400°C über eine Dauer
von 8 bis 15 h,
- – Laminieren
des geglühten
Bandes in der Kälte
bis zu einer Enddicke unterhalb oder gleich 12 μm,
- – Endglühen des
Bandes bei einer Temperatur von 200 bis 300°C über eine Dauer von mindestens
50 h.
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Beschreibung
der Erfindung
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Das
Verfahren gemäß der Erfindung
kombiniert eine besondere Zusammensetzung innerhalb der Zusammensetzung
AA der Legierung 8006 mit einem Fabrikationsbereich, der zu Anwendungseigenschaften führt, die
für die
Herstellung von Verbundkörpern
für Verpackungen
von Nahrungsmitteln interessant sind, wobei im industriellen Maßstab sträfliche Belastungen
vermieden werden. Die Zusammensetzung der Legierung weist einen
Siliziumgehalt von 0,15 bis 0,40% auf, welcher die Anwendung einer
reinen Grundlage nicht benötigt
und daher nicht besonders gesteuert zu werden braucht, im Gegensatz
zur Lehre der
US 5,380,379 ,
worin ein Siliziumgehalt unterhalb 0,2% zur Vermeidung einer Bildung
der intermetallischen Phasen AlFeSi und AlMnSi vorgeschlagen ist.
Der Eisengehalt beträgt
1,1 bis 1,7% und vorzugsweise < 1,4%
und liegt im unteren Bereich der Legierung 8006 und in demjenigen
der Legierung 8015. Der Mangangehalt beträgt 0,3 bis 0,5% und liegt ebenfalls
im unteren Bereich der Legierung 8006. Die Gehaltsmengen von Magnesium
und Kupfer werden auf niedrigen Niveaus gehalten.
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Die
Legierung wird in einer kontinuierlichen Gießmaschine für Bänder zwischen 2 gekühlten Zylindern, wie
z.B. im Jumbo 3CTM von Pechiney Rhenalu,
gegossen. Das Gießverfahren
wird bei einer Dicke von 2 bis 10 mm mit einer Gießgeschwindigkeit
von 0,5 bis 3 m/min durchgeführt.
Es ist möglich,
die gesamte Abfall- und Ausschussmenge der Fabrikation in den Einspeisofen
der Maschine zurückzuführen. Das
gegossene Band wird sodann bei einer Temperatur von 450 bis 620°C 8 bis 40
h lang homogenisiert und dann langsam abgekühlt.
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Man
schreitet sodann zu einer Laminierung in der Kälte zur Zwischenformung bis
zu einer Dicke von 0,8 bis 0,3 mm voran, worauf bei einer Temperatur
von 200 bis 400°C,
um so eine Feinstruktur zu erhalten, und vorzugsweise bei 302 bis
370°C zwischengeglüht wird,
um eine umkristallisierte Struktur mit einer Korngröße von nicht
mehr als 30 und vorzugsweise nicht mehr als 15 μm zu erhalten. Das Band wird
dann in der Kälte
bis zu einer Enddicke gemäß üblicher
Verfahrenstechnik laminiert, worauf eine Endglühstufe zur Entfettung bei einer
Temperatur von 200 bis 300°C über eine
Dauer von mindestens 50 h, insbesondere abhängig von der Breite der Bänder, durchgeführt wird.
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Die
Bänder
gemäß der Erfindung
weisen eine Bruchbeständigkeit
von mehr als 100 MPa, eine Elastizitätsgrenze von mehr als 80 MPa,
eine Bruchdehnung von mehr als 3% und eine Porosität gemäß der Norm EN
546-4 von weniger als 10 Löcher
pro dm2 auf. Sie weisen auch eine verbesserte
Riss- und Falzbeständigkeit
im Vergleich mit Bändern
auf, die aus klassischen Gießverfahren
hervorgegangen sind.
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Man
kann anmerken, dass weniger als 12 μm dicke Bänder bzw. Folien mit vollkommen
ausreichenden Anwendungseigenschaften erhalten werden, wobei nur
eine einzige Zwischenglühstufe
durchgeführt
werden muss, wohingegen für
den gleichen Dickenbereich in
US
5,380,379 eine erste Zwischenglühstufe bei 200 bis 250°C bei einer
Dicke von 0,31 bis 0,38 mm und dann eine zweite Zwischenglühstufe bei
200 bis 300°C bei
einer Dicke von 20 bis 45 μm
vorgeschlagen wird.
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Die
Leistungsdaten werden dank einer präzisen Steuerung der Kristallisation
mittels der Größe, Morphologie
und Verteilung der intermetallischen Partikel erhalten. Eine genügend gute
homogene Partikelverteilung und eine maximale Sättigung der festen Lösung von
Mangan ergeben eine feinkörnige
und homogene Kristallisation, die zu den guten mechanischen Eigenschaften,
insbesondere zur Riss- und Falzbeständigkeit, sowie zu der nur
geringen Porosität
der Erzeugnisse beiträgt.
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Die
mit dem Verfahren gemäß der Erfindung
erhaltenen Bänder
eignen sich ganz besonders zur Fabrikation von Mehrschicht-Verbunden,
z.B. von Papier oder Karton/Aluminium/Polymer-Verbunden zur Konfektion
aseptischer Nahrungsmittelverpackungen vom Ziegel-Typ. Sie können auch
roh, lackiert oder angestrichen für verschiedene Typen von Verpackungen
verwendet werden.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Man
stellt eine Legierung der Zusammensetzung her:
Si = 0,23%,
Fe = 1,26%, Cu = 0,017%, Mn = 0,37%, Mg = 0,0032%, Ti = 0,008%.
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Die
Legierung wurde in einer Breite von 1500 mm und einer Dicke von
8 mm in einer Geschwindigkeit von 0,96 m/min auf einer Gießmaschine
zwischen 2 gekühlten
Zylindern der Marke Jumbo 3CTM von Pechiney Rhenalu
gegossen. Das gegossene Band wurde 12 h lang bei einer Temperatur
von 600°C
homogenisiert. Das Band wurde dann in der Kälte bis auf eine Dicke von
0,5 mm laminiert, worauf eine Spulen-Zwischenglühstufe 12 h lang bei 350°C durchgeführt wurde,
um das Metall feinkörnig
kristallisieren zu lassen. Das Band wurde dann bis zu einer Enddicke
von 6,60 μm
erneut laminiert, worauf eine Endglühstufe zur Entfettung ca. 80
h lang bei 280°C
durchgeführt
wurde.
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Die
Bruchbeständigkeit
Rm, die bei 0,2% Dehnung konventionelle
Elastizitätsgrenze
R0,2 (in MPa) und die Bruchdehnung A (in
%) wurden im Vergleich mit den entsprechenden Eigenschaften von
Bändern
gleicher Dicke aus einer Legierung 1200 gemessen, die mit einem
halb-kontinuierlichen traditionellen Gießverfahren gegossen worden
war. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben:
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Die
Porosität
des Bandes wurde auf der Grundlage der Zahl von Löchern pro
dm2 gemäß der Norm EN
546-4 ebenfalls gemessen. Diese Porosität beträgt 6 Löcher pro dm2,
gegenüber
einem Mittelwert von 13 Löchern
pro dm2 für die mit einem klassischen
Verfahren gegossene Legierung 1200.
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Beispiel 2
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Es
wurden Versuche zur Rissbeständigkeit
für Schnittfolien
mit Bändern
aus einer klassisch gegossenen Legierung 1200 mit einer Dicke von
6,3, 6,6 und 9 μm
und mit Bändern
gemäß der Erfindung
gleicher Dicken durchgeführt.
Die Versuche wurden mit den Elmendorf-Verfahren gemäß der Norm
EN 21974 (ISO 1974) durchgeführt.
Der Versuch beruht auf der Bestimmung der Kraft, die notwendig ist,
um einen Reißvorgang
auf einer Probe fortzupflanzen. Ein erster Test ohne vordefinierten
Spalt liefert einen Indikator des Widerstands gegen den Beginn und
die Fortpflanzung eines Risses, und ein zweiter Test mit vordefiniertem
Spalt ergibt eine Quantifizierung des Widerstands gegen Fortpflanzung
allein. Die in der Liste des Paragraph 1 des Annex A der Norm gewählte Kraft
beträgt
4 N für
den eingesetzten Reißvorgang
und 32 N für
den noch nicht eingesetzten Reißvorgang.
Jede Probe ist aus einem Sandwich aus 8 Folien zusammengesetzt,
deren Laminierrichtung mit der Richtung der Fortpflanzung des Risses
zusammenfällt.
Die Ergebnisse (Mittelwert aus mehreren Versuchen) bezüglich der
mittleren Kraftanwendung, die für
die Reißkraft
F1 (mit Einsetzen des Risses) und F2 (ohne Einsetzen des Risses)
notwendig ist, sind in Tabelle 2 zusammengefasst:
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Festzustellen
ist, dass die Folien der Erfindung eine höhere Rissbeständigkeit
als die mit klassischen Gießverfahren
hergestellten Folien aufweisen.
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Beispiel 3
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Die
Falzbeständigkeit
gemäß der Norm
ISO 5626 wurde mit einem Gerät
von Lhomargy gemessen. Die Falzbelastung erfolgt mit einer Hin-
und Herbewegung eines zwischen 4 den Falzwinkel steuernden Zylindern angeordneten
Spalts. Die Befestigungsvorrichtung für das Band und die Zugspannung
wurden leicht modifiziert, um dem Unterschied zwischen Aluminium
und Papier Rechnung zu tragen. Der Abstand zwischen den Spannbacken
wurde auf 35 mm (anstatt 28,5 mm) vergrößert, und das System von Gegengewichten
wurde angepasst, um Spannungswerte von 0,4 N, 1,7 N und 3 N (anstatt
9,81 N und 8 N) zu ergeben. Die verwendeten Prüfkörper weisen Abmessungen von
170 mm × 15
mm (anstatt 100 × 15
mm) auf, wobei die Laminierrichtung in Linie mit dem Falzblatt verläuft, d.h.
senkrecht zur Richtung der Zugspannung. Die Prüfungen wurden auf Bändern aus
einer Legierung 1200 einer Dicke von 6,6 und 9 μm, die aus einem klassischen
Gießverfahren
stammten, und auf Bändern
gemäß der Erfindung
mit gleichen Dicken durchgeführt.
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Es
wurde die Anzahl von Bruch-Zyklen C für unterschiedliche Typen der
Belastung (Spannung und Dehnung) gemessen. Die Ergebnisse (Mittelwert
aus mehreren Versuchen) sind in Tabelle 3 angegeben:
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Festzustellen
ist, dass die Bänder
gemäß der Erfindung
nicht nur mechanisch beständiger
sind, sondern auch eine bessere Falzbeständigkeit als die klassisch
gegossene Legierung 1200 für
die Dicke von 6,6 μm
und in etwa eine gleichwertige Falzbeständigkeit für die Dicke von 9 μm aufweisen.
