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Die
vorliegende Erfindung betrifft Abstandhalter, die zwischen Aluminiumblöcken angeordnet
sind. Spezieller betrifft die Erfindung die Behandlung von Abstandblöcken, um
die Erzeugung von Oxidflecken und ein Anhaften während des Erwärmens gestapelter
Aluminiumblöcke
zu verhindern.
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Das
Vorwärmen
von Aluminiumlegierungsblöcken
ist eine bewährte
Praxis, um die gewünschten
Eigenschaften in dem Block zu erreichen und um den Block für das Reduzieren
und andere Prozesse ausreichend schmiedbar zu machen. Während des
Vorwärmungsschrittes
werden die Aluminiumblöcke
bis zu Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes der Aluminiumlegierung,
z.B. bis zu etwa 620° C,
erwärmt.
Bei diesen Temperaturen wandern die Alkalimetalle und Erdalkalimetalle
(z.B. Magnesium) in der Aluminiumlegierung zur Blockoberfläche und
reagieren mit verfügbarem
Sauerstoff unter Erzeugung einer Oxidschicht (z.B. Magnesiumoxid)
auf dem Block. Eine Schicht aus Magnesiumoxid hat eine dunkle Farbe
von Braun bis Grau. Wenn ein Block, der diese dunkle Oberfläche hat,
anschließend
gewalzt wird, wird die dunkle Schicht zu dunklen Farbstreifen in
dem Walzprodukt. Bei bestimmten Anwendungen des Walzbleches sind
derartige, dunkle Streifen auf dem Markt aus kosmetischen Gründen unakzeptabel.
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Eine übliche Methode
zur Verringerung der Erzeugung von Magnesiumoxid ist der Betrieb
des Vorwärmofens
in einer Atmosphäre
von verdampftem Ammoniumfluorborat. Das Ammoniumfluorborat reagiert
mit Magnesium auf der Oberfläche
der Blöcke
bevorzugt über
Sauerstoff und erleichtert auch die Möglichkeit der Abgabe von Wasserstoff
aus dem Block, der anderen Falls in dem Block Blasen bilden würde. In
einem Durchstoßofen,
in dem alle Oberflächen
der Blöcke
darin der Atmosphäre
des Ammoniumfluorborats ausgesetzt sind, bewahren die Oberflächen des
Blockes eine silberglänzende
Farbe. Allerdings machen viele Vorwärmöfen ein Stapeln der Blöcke in dem
Ofen erforderlich. Um eine möglichst
große
Oberfläche
der gestapelten Blöcke
an der Ofenatmosphäre
zu exponieren, werden die gestapelten Blöcke durch eine Mehrzahl von
Abstandhaltern mit Zwischenraum angeordnet. Die Abstandhalter sind
aus Aluminiumblöcken
und Keramikwerkstoffen gefertigt worden, wie beispielsweise Calciumsilikat.
Andere geeignete Materialien für
Abstandhalter schließen Titanlegierungen,
Stahllegierungen und Nickellegierungen ein. Nachteile von Aluminium-Abstandhaltern schließen deren
Anfälligkeit
zum Anhaften an dem Block während
seines Erwärmens,
sie kerben den Block und erzeugen unerwünschte Abriebteilchen auf dem
Block. Mit keramischen Abstandhaltern werden diese in Verbindung
mit Aluminiumabstandhaltern auftretenden Probleme vermieden. Allerdings
bleiben die Flecken auf der Blockoberfläche bestehen, die sich während der
Wärmebehandlung
in Kontakt mit dem Abstandblock befand.
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Keramik-Abstandblöcke verhindern,
dass die Ammoniumfluorborat-Atmosphäre die Zwischenfläche zwischen
den Abstandblöcken
und den Gussblöcken
erreicht. An den Abstandhalter-Zwischenflächen werden ausgeprägte Flächen von
dunklen Magnesiumoxid-Flecken auf den Blöcken erzeugt. Die verfärbten Bereiche können entfernt
werden, indem der Block geschält
wird, wobei dieses jedoch mehr Abfall erzeugt, den Ausnutzungsgrad
vermindert und einen weiteren kosten- und zeitaufwendigen Schritt
hinzufügt.
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Dementsprechend
bleibt ein Bedarf für
ein Verfahren zum Vorwärmen
gestapelter Aluminiumblöcke, die
mit Hilfe von Abstandhaltern mit Zwischenraum angeordnet werden,
womit die Erzeugung dunkler Flecke oberhalb und unterhalb der Abstandhalter
vermieden wird.
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Dieser
Mangel wird durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung zur Behandlung
einer Oberfläche eines
gestapelten Aluminiumlegierungsblockes während eines Wärmebehandlungsprozesses
behoben, welches Verfahren die Schritte umfasst: a) Anordnen eines
Abstandhalters angrenzend an einen Aluminiumlegierungsblock zur
Erzeugung eines Stapels, wobei der Abstandhalter eine tragende Oberfläche in Kontakt
mit einer Kontaktfläche
des Aluminiumlegierungsblockes einschließt, und die tragende Oberfläche und
gegebenenfalls die Kontaktfläche
ein Fluor enthaltendes Material einschließt; und b) Erwärmen des
Stapels bis zu mindestens einer Temperatur, bei der sich das Fluor
enthaltende Material zersetzt, so dass eine Lage einer fluorierten
Oxidverbindung auf der Kontaktfläche
gebildet wird. Das fluorierte Oxid, das auf der Kontaktfläche gebildet
wird, ist vorzugsweise ein Fluorid und/oder Oxyfluorid eines Alkalimetalls
und/oder Erdalkalimetalls. In der Regel schließt lediglich die tragende Oberfläche das
Fluor enthaltende Material ein, wobei jedoch auch die Kontaktfläche des
Blockes ebenfalls das Fluor enthaltende Material einschließen kann.
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Der
Abstandhalter kann aus Aluminiumlegierungen, Keramikwerkstoffen,
Titanlegierungen, Stahllegierungen oder Nickellegierungen oder Kombinationen
davon gefertigt sein. Bevorzugte Materialien für den Abstandhalter sind Keramikwerkstoffe,
Keramikverbundstoffe und mit Metall beschichtete Keramikwerkstoffe.
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Das
Fluor enthaltende Material kann ein Material sein, das organisches
oder unorganisches Fluor enthält.
Geeignete Materialien, die unorganisches Fluor enthalten, schließen ein:
Aluminiumfluorid, Aluminiumhydrogenfluorid, Ammoniumfluorborat,
Ammoniumfluorid, Calciumfluorid, Natriumaluminiumfluorid, Magnesiumfluorid,
Magnesiumhexafluorsilicat, Kaliumfluorid, Natriumfluorid und Natriumhexafluorsilicat.
Geeignete Materialien, die organisches Fluor enthalten, schließen ein:
Polytetrafluorethylen, Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen, Tetrafluorethylen-Perfluor(alkylvinylether),
Tetrafluorethylen-Ethylen, Polivinylidenflu orid, Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen,
Vinylidenfluorid-1-H-pentafluorpropylen, Polivinylfluorid, Tetrafluorethylen-Perfluorethylensulfonsäure, fluoriertes
Ethylen-Propylen
(z.B. Tetrafluorethylen-Propylen), Ethylen-Chlortrifluorethylen
und Perfluoralkoxy-Copolymere.
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Das
Fluor enthaltende Material zersetzt sich oder verdampft vorzugsweise
bei etwa 200°–660° C und ist
bevorzugt Kaliumfluorid oder Polytetrafluorethylen. Das Verfahren
der vorliegenden Erfindung eignet sich besonders zum Behandeln von
Legierungen der Serien der Aluminum Association 1XXX, 2XXX, 3XXX,
4XXX, 5XXX, 6XXX, 7XXX oder 8XXX.
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Ferner
schließt
das Verfahren einen ersten Schritt ein, bei dem eine Behandlungszusammensetzung unter
Einbeziehung des Fluor enthaltenden Materials auf die tragende Oberfläche oder
die Kontaktfläche durch
Aufstreichen, Spritzen, Tauchen oder Walzenbeschichten aufgetragen
wird. Die Behandlungszusammensetzung kann ferner ein Lösemittel
einschließen,
Bindemittel, Tensid oder Dispergiermittel.
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In
die vorliegende Erfindung ist ferner eine Blockgruppe einbezogen,
die einen Abstandhalter aufweist, der zwischen Blöcken der
Aluminiumlegierung angeordnet wird, die einer Wärmebehandlung unterzogen werden,
wobei der Abstandhalter eine tragende Oberfläche zum Kontaktieren eines
Aluminiumlegierungsblockes aufweist, der einer Wärmebehandlung unterzogen wird,
wobei die tragende Oberfläche
eine Behandlungszusammensetzung einschließt, die ein Fluor enthaltendes
Material aufweist, sowie einen Aluminiumlegierungsblock in Kontakt
mit der tragende Oberfläche.
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Weitere
Merkmale der vorliegenden Erfindung werden eingehender in der folgenden,
darauf bezogenen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben, die im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen zu sehen ist,
worin sind:
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1 eine
Rasterelektronenmikrographie eines Bleches im Walzzustand einer
5182-Legierung;
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2 eine
Rasterelektronenmikrographie einer der Oberflächen des Bleches von 1,
die einer konventionellen Wärmebehandlung
für 20
Stunden unterworfen wurde;
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3 eine
Rasterelektronenmikrographie der Oberfläche des Bleches von 2 nach
60 Stunden der konventionellen Wärmebehandlung;
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4 eine
Rasterelektronenmikrographie einer der Oberflächen des Bleches von 1,
das einer Wärmebehandlung
gemäß der vorliegenden
Erfindung für
20 Stunden unterworfen wurde;
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5 eine
Rasterelektronenmikrographie der Oberfläche des Bleches von 4 nach
60 Stunden der Wärmebehandlung
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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Für die Aufgaben
der nachfolgenden Beschreibung gilt als selbstverständlich,
dass die Erfindung zahlreiche alternative Variationen und Schrittfolgen
mit Ausnahme darauf annehmen kann, dass ausdrücklich auf das Gegenteil verwiesen
wird. Ebenfalls gilt als selbstverständlich, dass die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten
und in der folgenden Beschreibung beschriebenen, speziellen Vorrichtungen
und Verfahren einfach exemplarische Ausführungsformen der Erfindung
sind. Damit sind die hierin offenbarten, speziellen Abmessungen
und anderen physikalischen Merkmale in Verbindung mit den Ausführungsformen
nicht als einschränkend
zu betrachten.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren zum Behandeln einer
Oberfläche
eines gestapelten Aluminiumblockes während eines Wärmebehandlungsprozesses.
Aluminiumlegierungsblöcke
werden typischer Weise in einem Vormärmofen übereinander gestapelt, der
Temperaturen bis unterhalb des Schmelzpunktes der Aluminiumlegierung
erreicht, z.B. etwa 200°–600° C. Die Blöcke werden
mit Hilfe einer Mehrzahl von Abstandhaltern auf Abstand gehalten,
die aus verschiedenen Materialien erzeugt werden können, einschließlich Keramikwerkstoffen,
Aluminiumlegierungen, Titanlegierungen, Stahllegierungen, Nickellegierungen
und Kombinationen davon. Bevorzugte Materialien für die Abstandhalter
sind keramische Werkstoffe, Keramikverbundstoffe und Metallkeramikverbundstoffe,
wie beispielsweise Keramikstrukturen, die mit einem Metall beschichtet
sind.
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Der
Vorwärmprozess
bewirkt, dass Alkalimetalle und Erdalkalimetalle (z.B. Magnesium)
in der Aluminiumlegierung an die Oberflächen des Blockes wandern und
mit verfügbaren
Elementen in der Ofenatmosphäre
reagieren, wie beispielsweise Sauerstoff oder Fluor. Die vorliegende
Erfindung eignet sich speziell zur Anwendung in einem Vorwärmofen,
der über
eine Atmosphäre
verfügt,
in der dampfförmiges
Ammoniumfluorborat (NH4BF4)
enthalten ist. Ammoniumfluorborat sublimiert bei etwa 240° C, was unterhalb
einer Betriebstemperatur eines typischen Vorwärmofens für Aluminiumlegierungsblöcke ist.
Das an den Blockoberflächen
vorhandene Magnesium reagiert mit dem Fluor in NH4BF4 unter Bildung eines dünnen, glatten zweilagigen Überzugs
mit einem reifähnlichen,
weißen
Aussehen. Dieser Überzug
schließt
eine äußerste Schicht
von Magnesiumoxid/hydroxid und eine Schicht Magnesiumoxidfluorid
ein, die an der Blockoberfläche
angrenzt. An der Stelle der Abstandhalter kann das NH4BF4 den Aluminiumblock nicht erreichen und
den reifähnlichen,
weißichen Überzug nicht
erzeugen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Fluor enthaltendes Material auf die Grenzfläche zwischen den
Aluminiumblöcken
und den Abstandhaltern aufgebracht, so dass Alkalimetalle oder Erdalkalimetalle,
wie beispielsweise Magnesium, die zu den Oberflächen der Blöcke während der Vorwärmebehandlung
wandern, sich mit dem Fluor verbinden können. Auf diese Weise wird
der Teil der Blockoberflächen,
der sich nicht in Kontakt mit einem Abstandhalter befindet mit NH4BF4 behandelt, während der
Teil der Blockoberflächen,
der von einem Abstandhalter bedeckt ist, mit anderem Fluor enthaltenden
Material behandelt wird, so dass die Gesamtoberfläche des
Blockes mit Fluor behandelt ist.
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Die
Zwischenfläche
zwischen einem Aluminiumblock und einem Abstandhalter wird behandelt,
indem eine Fluor enthaltende Behandlungszusammensetzung aufgebracht
wird auf: i) Eine tragende Oberfläche des Abstandhalters, der
sich mit Block in Kontakt befindet, und wahlweise ii) eine Kontaktfläche des
Aluminiumblockes, der sich mit einem Abstandhalter in Kontakt befindet.
Die Oberfläche
des Abstandhalters, der sich mit dem Block in Kontakt befindet,
wird als die tragende Oberfläche
bezeichnet und trägt
den Block von der Unterseite des Blockes oder kontaktiert eine Oberseite
des Blockes. Vorzugsweise wird die Behandlungszusammensetzung auf
die tragende Oberfläche
des Abstandhalters aufgetragen. In einem Stapel von Blöcken werden
einander gegenüberliegende
Seiten jedes Abstandhalters gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelt, der verwendet wird, um die Blöcke in einem
Vorwärmofen
auf Abstand zu halten. Beim Auftragen der Behandlungszusammensetzung
auf die Abstandhalter können
die Abstandhalter innerhalb eines Stapels in eine andere Position
gebracht werden und gewährleisten
dennoch, dass die Zwischenflächen
zwischen den Abstandhaltern und den Blöcken die Behandlungszusammensetzung
einschließt.
Allerdings ist es ebenfalls möglich, die
Behandlungszusammensetzung auf einen Teil der Oberfläche der
Blöcke
oder auf die gesamte Blockoberfläche
aufzubringen. Die Behandlungszusammensetzung kann auf die Abstandhalter
und wahlweise auf die Blöcke
in einer Trockenform oder über
Aufstreichen, Spritzen, Tauchen oder Walzenbeschichten aufgetragen werden,
wenn sie in ein Lösemittel,
Bindemittel, Tensid oder Dispergiermittel suspendiert oder aufgelöst werden.
Geeignete Lösemittel
schließen
Wasser und Alkohol ein. Geeignete Bindemittel schließen Anstrichmittel, Lacke
und Schellacke ein. Alternativ kann die Behandlungszusammensetzung
in eine Folie, in ein Flächengebilde
oder einen dünnen
Film zum Aufkaschieren einbezogen sein, der auf die Abstandhalter
aufgebracht wird. Ebenfalls ist es möglich, die Behandlungszusammensetzung
in die Oberfläche
der Abstandhalter während
der Herstellung der Abstandhalter einzuarbeiten.
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Die
Behandlungszusammensetzung enthält
ein Fluor enthaltendes Material, das sich bei einer Temperatur unterhalb
der Betriebstemperatur des Ofens zersetzt oder verdampft. Bei Zersetzung
oder Verdampfung des Fluor enthaltenden Materials, reagieren Alkalimetalle
und/oder Erdalkalimetalle in der Aluminiumlegierung, die aus der
Masse der Blöcke
zu den Grenzflächen
von Block/Abstandhalter wandern, teilweise mit dem Fluor unter Erzeugung
eines Fluorüberzugs
auf den Blockoberflächen.
Die mit dem Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelten Blöcke können gewalzt
sein, mit einer Passivierungsschicht versehen sein und/oder weiter
beschichtet sein mit Polymeren in der üblichen Verfahrensweise. Geeignete
Materialien, die unorganisches Fluor enthalten, schließen ein:
Aluminiumfluorid, Ammoniumhydrogenfluorid, Ammoniumfluorborat, Ammoniumfluorid,
Calciumfluorid, Natriumaluminiumfluorid, Magnesiumfluorid, Magnesiumhexafluorsilicat,
Kaliumfluorid, Natriumfluorid, Natriumhydrogenfluorid und Natriumhexafluorsilicat.
Ein bevorzugtes Material, das unorganisches Fluor enthält, ist
Kaliumfluorid.
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Geeignete
Materialien, die organisches Fluor enthalten, schließen ein:
Polytetrafluorethylen ("PTFE"), Tetrafluorethylen-Hexafluorpropylen,
Tetrafluorethylen-Perfluor(alkylvinylether), Tetrafluorethylen-Ethylen,
Polivinylidenfluorid, Vinylidenfluorid-Hexafluorpropylen, Vinylidenfluorid-1-H-pentafluorpropylen,
Polyvinylfluorid, Tetrafluorethylen-Perfluorethylensulfonsäure, fluoriertes
Ethylen-Propylen
(z.B. Tetrafluorethylen-Propylen), Ethylen-Chlortrifluorethylen
und Perfluoralkoxy-Copolymere. Ein bevorzugtes Material, das organisches
Fluor enthält
ist PTFE. Eine geeignete Behandlungszusammensetzung, die PTFE enthält, ist
KRYTOX® von
der E. I. du Pont de Nemours and Company. Kommerziell verfügbare Fluorpolymere,
die in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangen können, schließen ein:
TEFLON®,
NAFRON®,
TEDLAR®,
Technoflon SL, VITON®, KALREZ®, KYNAR®,
und Aflon COP.
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Aluminiumlegierung,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelt werden können,
schließen
Legierungen der Aluminum Association der Reihen 1XXX, 2XXX, 3XXX,
4XXX, 5XXX, 6XXX, 7XXX oder 8XXX ein sowie andere eingetragene und
nicht eingetragene Gusslegierungen, Schmiedelegierungen, Strangguss- und
Knetlegierungen.
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Während die
Erfindung vorstehend allgemein gehalten beschrieben worden ist,
liefern die speziellen Beispiele eine zusätzliche Veranschaulichung des
Produktes und der Verfahrensschritte, die für die vorliegende Erfindung
typisch sind.
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Beispiele
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Es
wurde eine Dispersion von PTFE auf die eine Seite eines Abstandhalters
aus Calciumsilikat aufgebracht. Es wurde ein Walzblech einer jungfräulichen
Legierung AA 5182 zwischen der mit PTFE behandelten Seite des Abstandhalters
und einem unbehandelten Abstandhalter angeordnet. Der Stapel der
Abstandhalter, der das Aluminiumblech sandwichartig einschloss wurde
bis 500° C
in einem Ofen mit einer Luftatmosphäre erwärmt, der für 20 Stunden und 60 Stunden
gehalten wurde. Die Tiefenprofile der Produkte der Oberflächenreaktion
wurden mit Hilfe der Auger-Elektronenspektroskopie (AES) für das Walzblech
und das erwärmte Blech
an den behandelten und unbehandelten Grenzflächen gemessen. Die AES-Daten
und das Aussehen des Bleches vor und nach der Wärmebehandlung sind in Tabelle
1 dargestellt.
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Es
wurde ein Block aus AA 5182 für
10 Stunden bis 500° C
in dem Ofen eines Fertigungsbetriebs mit einer Luftatmosphäre Wärmebehandelt,
die dampfförmiges
Ammoniumfluorborat enthielt. Die Tiefenprofile der Produkte der
Oberflächenreaktion
des Blockes wurden mit Hilfe der AES gemessen und das Aussehen des Blockes
als Probe 6 in Tabelle 1 aufgenommen. Tabelle
1
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Die
Oberflächen
des Bleches, die angrenzend an unbehandelten Abstandhaltern (Proben
2 und 3) angeordnet waren, hatten eine unakzeptable dicke Oxidschicht
mit einer Dicke von mehr als 10.000 Å und zeigten eine dunkelbraune
Färbung
von der dicken Oxidschicht. Im Gegensatz dazu hatten die Probenoberflächen, die
angrenzend an den Abstandhalter mit PTFE (Proben 4 und 5) angeordnet
waren, Oxidschichtdicken ähnlich
der des Abschnittes der Vergleichsprobe, die an der Ammoniumfluorborat-Atmosphäre, d.h.
etwa eine Dicke von 1.100–1.500 Å. Die mit
PTFE behandelten Proben hatten auch ein ähnliches, akzeptables Aussehen, wie
die mit Ammoniumfluorborat behandelte Block.
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Die 1–5 sind
Rasterelektronenmikrographien in 500-facher Vergrößerung der
Oberflächen der
in Tabelle 1 aufgeführten
Proben 1–5. 1 zeigte
das Aluminiumblech mit einer glänzenden
Silberfärbung
mit Markierungen von Walzen in Längsrichtung.
Die in den 2 und 3 gezeigte
Fläche
des nicht gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelten Bleches hat poröse, rauhe Oberflächenstrukturen
mit lockerer Packung. Diese Strukturen streuen nahezu alle Wellenlängen des
sichtbaren Lichts und haben zur Wirkung, dass die Oberfläche dunkel
erscheint. Die in den 4 und 5 gezeigte
Oberflächenmorphologie
der gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelten Bleche ist deutlich von denen der unbehandelten
Bleche in den 2 und 3 verschieden.
Gezeigt sind die hellen, weißen
Flächen,
die dem Blech ein akzeptables, reifartiges Aussehen verleihen. Diese
Tests wurden zur einfacheren Handhabung an Blechen ausgeführt. Es
wird angenommen, dass die Behandlung der Grenzfläche zwischen Blöcken und
Abstandhaltern ähnliche
Ergebnisse erzielen.
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Aluminiumlegierungsblöcke, die
einer Wärmebehandlung
gemäß der vorliegenden
Erfindung unterworfen werden, haben im Ergebnis eine helle, weiße Färbung an
der Stelle der Grenzfläche
zwischen den Blöcken
und Abstandhaltern, die im Aussehen ähnlich derjenigen der Blockoberflächen ist,
die sich nicht mit den Abstandhaltern in Kontakt befanden, die jedoch
an einer NH4BF4-Atmosphäre exponiert
waren. Die wärmebehandelten
Blöcke
haben ein gleichförmiges
Aussehen, das für
viele kommerzielle Anwendungen von Aluminiumlegierungsblech wünschenswert
ist. Dieses Verfahren verringert Abfall, indem die Notwendigkeit
zum Schälen
oder zum Besäumen
der Kanten verfärbter
Bereiche vermieden wird und die Empfindlichkeit gegenüber unterschiedlichen
Mengen von Magnesium in Aluminiumlegierungen auf ein Minimum herabgesetzt
wird. Das Verfahren wird mühelos
am Anwendungsort (im Vorwärmofen)
oder am Herstellungsort der Abstandhalter umgesetzt.
