DE602004009530T2 - Rekristallisation eines Metalllegierungsbleches mittels Konvektions- und Infrarotstrahlungsheizung - Google Patents

Rekristallisation eines Metalllegierungsbleches mittels Konvektions- und Infrarotstrahlungsheizung Download PDF

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Description

  • TECHNISCHES GEBIET
  • Diese Erfindung betrifft das Erwärmen eines stark kaltverarbeiteten Metalllegierungsblechs, um dessen Mikrostruktur zu einem hochverformbaren (z.B. superplastischen) Zustand zu rekristallisieren und dessen Temperatur für einen unmittelbaren Umformprozess anzuheben. Im Spezifischeren betrifft diese Erfindung ein Verfahren, welches Infrarotstrahlungsheizung mit Konvektionsheizung kombiniert, um das kaltverarbeitete Blech für die Rekristallisation und die Umformung unter kontrollierten Bedingungen rasch zu erwärmen.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Karosseriebleche für Kraftfahrzeuge werden gegenwärtig unter Verwendung eines Verfahrens zum superplastischen Formen hergestellt, das auf gewisse magnesiumhaltige Aluminiumlegierungsblech-Grundwerkstoffe angewendet wird. Derzeit handelt es sich bei dem Blechmaterial um eine speziell aufbereitete Aluminiumlegierung 5083 mit feinkörniger Mikrostruktur. AA5083 hat, in Massenprozent ausgedrückt, eine Nennzusammensetzung von 4 bis 5 Prozent Magnesium, 0,3 bis 1 Prozent Mangan, maximal 0,25 Prozent Chrom, ungefähr 0,1 Prozent Kupfer, bis zu ungefähr 0,3 Prozent Eisen, bis zu etwa 0,2 Prozent Silizium, wobei der Rest im wesentlichen zur Gänze aus Aluminium besteht. Im Allgemeinen wird die Legierung zu einer Platte mit geeigneter Dicke vergossen und einer homogenisierenden Wärmebehandlung unterzogen. Daraufhin erfolgt in einer Reihe von Warmwalzvorgängen eine schrittweise Dickenreduzierung der Platte zu einem Blechstreifen mit einer Dicke von zwanzig bis vierzig Millimeter, was bis zu einem gewissen Grad von dem Zielwert für die endgültige Dicke des Blechs abhängig ist. Anschließend wir der Streifen übli cherweise in Etappen, mit der Möglichkeit des Zwischenglühens, auf eine endgültige Blechdicke von etwa ein bis drei oder vier Millimeter kaltgewalzt. Das Ergebnis der thermomechanischen Verarbeitung ist ein Bandring aus Aluminiumblechmaterial mit glatter Oberfläche, dessen Mikrostruktur einer großen Spannung ausgesetzt worden ist.
  • Der kaltgewalzte Streifen ist für einen Umformprozess mit einer hohen Dehnung nicht geeignet. Er muss erneut erwärmt werden, um die gedehnten, spannungsbehafteten Körner, die seine Mikrostruktur charakterisieren, durch die Ausbildung und das Wachstum von nahezu spannungsfreien Körnern zu rekristallisieren. Das Ziel der rekristallisierenden Wärmebehandlung im Fall des AA5083-Blechs ist es, eine sehr feinkörnige Mikrostruktur zu erzeugen, die durch eine Haupt-Phase aus einer festen Lösung aus Magnesium in Aluminium, mit gut verteilten, fein dispergierten Partikeln intermetallischer Verbindungen, welche Legierungsbestandteile wie beispielsweise Al6Mn enthalten, charakterisiert ist. Die Größe der Rekristallisationskörner in der Mikrostruktur liegt gleichmäßig bei etwa zehn bis fünfzehn Mikrometer. Da die dispergierte Phase so klein ist, wird das Material gelegentlich als "pseudo-einphasig" bezeichnet. Das feinkörnige Blech kann erwärmt und superplastisch zu einem komplexen Teil, wie etwa einem Kraftfahrzeug-Karosserieblech verformt werden. Das Blech kann einer substanziellen Dehnung bei einer geeigneten Umformgeschwindigkeit und einer Temperatur im Bereich von etwa 440°C (825°F) bis etwa 550°C (1020°F) standhalten.
  • Das U.S.-Patent 6 253 588 mit dem Titel "Quick Plastic Forming of Aluminium Alloy Sheet Metal" (Rasches plastisches Umformen von Aluminiumlegierungsblech), von Rashid et al., das dem Inhaber der vorliegenden Erfindung übertragen wurde, offenbart Verfahren, mit denen das Aluminiumlegierungsblech bei einer geeigneten Formungstemperatur zu Kraftfahrzeug-Karosserieblechen und dergleichen streckgeformt wird. Das Pa tent '588 beschreibt Verfahren zum Formen von Aluminiumlegierungsblech unter Verwendung eines unter Druck stehenden Arbeitsmediums, wie beispielsweise Luft. Gemäß diesem Verfahren wird der Blech-Rohling zuerst auf ein Vorbiege- und Vorwärm-Werkzeug gegeben. Das erwärmte Werkzeug wärmt den Blech-Rohling auf seine Formungstemperatur auf und biegt ihn falls gewünscht vor, um ihn auf ein zweites Werkzeug zu geben, das entsprechend ausgelegt ist, um das erwärmte Blech zu einem Karosserieblech oder dergleichen streckzuformen. Der erwärmte Rohling wird dann an seinen Rändern festgeklemmt und es wird ein Gasdruck angewendet, der das Blech in die Werkzeughöhlung drückt, damit es die erforderliche Gestalt des Teils annimmt. Die Vorbereitung des Blechs vor der Formung ist entscheidend dafür, dass dieses in der Lage ist, der zur Formgebung des Teils nötigen Verformung standzuhalten und eine handelsübliche Oberflächengüte beizubehalten.
  • Wenn der zur Formung ausgewählte Blech-Rohling von dem Bandring-Hersteller rekristallisiert wurde (d.h. in dem vollständig ausgeglühten O-Temper-Zustand), kann die Erwärmung auf dem Vorwärm-Werkzeug das Kornwachstum seiner Mikrostruktur voranbringen. Wenn ein Rohling alternativ dazu von einem kaltgewalzten Bandring ohne Wärmebehandlung, d.h. in dem H18-Temper-Zustand, bereitgestellt wird, so ist das Metall nicht formbar, weil es als letzten Verarbeitungsschritt eine Kaltwalz-Reduktion von 74% oder mehr erfahren hat. Wenn ein nichtrekristallisierter Rohling auf das in dem Patent '588 von Rashid et al. offenbarte Vorwärm- und Vorbiege-Werkzeug gegeben wird, wird das Blech rekristallisiert, während es über eine Zeitdauer von fünf bis zehn Minuten langsam auf die Blech-Formungstemperatur erwärmt wird. Nachdem das Blech rekristallisiert worden ist und eine Formungstemperatur, beispielsweise im Bereich von etwa 441°C bis 452°C (825°F bis 845°F), erreicht, wird es gebogen und an eine erwärmte Formpresse übergeben, in welcher es zu einem Fahrzeug-Karosserieblech oder dergleichen streckgeformt wird.
  • Das lange Vorwärmen des Blech-Rohlings, um die Rekristallisation des kaltverarbeiteten Blechs zu erwirken, so dass eine superplastisch formbare Mikrostruktur entsteht, hat fünf bis zehn Minuten in Anspruch genommen, hat jedoch zu einem sehr gut formbaren Blech geführt. Die langsame Rekristallisation des Blechs auf einem Formwerkzeug steht bei der kommerziellen Herstellung von Karosserieblechen bereits in Verwendung. Die Aufwärmzeiten auf den offenen Werkzeugen sind nicht konsistent gewesen und die Aufwärmzeit hat sich als geschwindigkeitshemmend für den in dem Patent '588 beschriebenen, gesamten Formungsprozess erwiesen. Es ist nunmehr wünschenswert, mit Rohlingen von einem kaltgewalzten Bandring zu arbeiten und diese rascher zu erwärmen, um eine schnellere Produktionsgeschwindigkeit zu ermöglichen. Es steht zu hoffen, dass die raschere Erwärmungsgeschwindigkeit auch zu einer noch feineren Korngröße nach der Rekristallisation und zu einer noch besseren superplastischen Verformbarkeit führt.
  • Die JP 2000-160260A offenbart ein Verfahren zum Erwärmen eines Blechs gemäß dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs.
  • Die US 5 868 023 A offenbart ein Verfahren zum Formen eines Werkstücks durch örtliche Erwärmung des Werkstücks an einer zu formenden Stelle durch Induktions- bzw. Konvektionserwärmung, oder durch Wärmestrahlung.
  • Demgemäß ist es ein Ziel dieser Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, um ein kaltverarbeitetes, superplastisch formbares Aluminiumlegierungsblech gleichförmig zu erwärmen, um dessen stark spannungsbehaftete Mikrostruktur rasch in eine rekristallisierte, feinkörnige Mikrostruktur umzuwandeln, die für einen Arbeitsgang des superplastischen Formens geeignet ist. Zur selben Zeit, zu der das Blech sich in Rekristallisation befindet, wird es auf eine geeignete Formungstemperatur, beispielsweise eine Streckformungstemperatur, erwärmt. Es ist auch ein Ziel der Erfindung, ein solches Erwärmungsverfahren für andere, kaltverarbeitete Blechlegierungen zu schaffen, die unter statischen Bedingungen zu einem hochverformbaren pseudo-einphasigen Material rekristallisiert werden können.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung erreicht dieses Ziel durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs.
  • Es ist festgestellt worden, dass es möglich und praktisch durchführbar ist, einen Blech-Rohling eines kaltverarbeiteten, AA5083-Materials mit H18-Temperzustand und mit einer für die Herstellung von Fahrzeug-Karosserieblechen geeigneten Abmessung rasch zu rekristallisieren und ihn auf eine Temperatur für superplastisches Formen zu erwärmen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Blech in einen für die Heißluft-Zwangsumlauf-Konvektionsheizung des Blechs angepassten Ofen eingebracht. Die anfängliche, rasche Haupterwärmung des Blechs wird jedoch dadurch bewerkstelligt, dass auch Infrarot-Heizstäbe in angemessen naher Beabstandung zu einer Oberfläche des Blechs verwendet werden.
  • Die Infrarotstrahlungs-Heizstäbe werden eingeschaltet, nachdem das kalte Blech beispielsweise auf einen Keramik-Herd des Ofens platziert worden ist. Die effiziente Strahlungsheizung erhöht die Temperatur des dünnen Metalls rasch und führt zu einer Rekristallisation der kaltverarbeiteten, spannungsbehafteten Körner seiner Mikrostruktur. Gleichzeitig wird die in Zwangsumlauf stehende Heißluft gegen die Oberfläche des Blechs und über diese hinweg geleitet, wodurch dieses ebenfalls erwärmt wird. Die Heizstrahler werden zu einem geeigneten, vorbestimmten Zeitpunkt während des Heizzyklus abgeschaltet, um eine übermäßige Erwärmung bzw. ein örtliches Schmelzen des Blechs zu vermeiden. Die Temperatur der Umwälzluft wird entsprechend gesteuert, um die Maximaltemperatur des Blechs zu begrenzen. Die gegen das Blech strömende Umwälzluft dient dazu, eine gleichförmigere Temperaturverteilung in dem Blech zu erzeugen. So kann die Lufttemperatur beispielsweise auf ungefähr 482°C (900°F) gesteuert werden, um das strahlungserwärmte Blech auf etwa dieselbe Temperatur zu begrenzen. Die Umwälzluft dient auch dazu, die viel heißeren Strahlungsheizelemente (etwa 815° bis etwa 926°C (1500° bis 1700°F)) "abzukühlen" und deren Temperatur zu begrenzen.
  • Es erweist sich, dass das Blech sich innerhalb eines Zeitraums von beispielsweise sechzig bis einhundertfünfzig Sekunden in geeigneter Weise zu einer Mikrostruktur für superplastisches Formen rekristallisieren und auf eine geeignete Temperatur für diesen Umformprozess erwärmen lässt. Diese Zeitspanne ist vorteilhafterweise mit dem tatsächlichen Blechumformprozess vergleichbar, so dass der Erwärmungsprozess den Blechherstellungsprozess nunmehr nicht länger verlangsamt. Das heiße Blech wird aus dem Ofen entnommen und ohne es absichtlich abkühlen zu lassen auf ein Umformwerkzeug zum Vorbiegen und/oder zur abschließenden Bauteilumformung gegeben.
  • Diese Erfindung ist gleichermaßen auf die statische Rekristallisation von anderen pseudo-einphasigen Legierungen wie beispielsweise Aluminiumlegierungen der AA2xxx-Serie, andere Legierungen der AA5xxx-Serie, Legierungen der AA7xxx-Serie, sowie von geeigneten, superplastischen Magnesium-, Eisen- und Titanlegierungen anwendbar.
  • Andere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform ersichtlich, die in der Folge gegeben wird.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist ein schematisches Ablaufdiagramm eines Konvektions- und Strahlungsheizofens samt zugehöriger Beförderungs- und Steuerausrüstung zur Verwendung bei der erfindungsgemäßen Erwärmung von kaltverarbeiteten Blech-Rohlingen.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht des Ofens gemäß der Ebene 2-2 aus 1.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
  • Superplastische Metalle können starken gleichförmigen Beanspruchungen unterworfen werden, bevor sie brechen. Die Fähigkeit eines Metalls, sich superplastisch zu verformen, ist in erster Linie von seiner Zusammensetzung, der Korngröße, der Umformgeschwindigkeit und der Verformungstemperatur abhängig. Metalle, die sich superplastisch verhalten, haben gewöhnlich eine Korngröße von weniger als etwa 10 Mikrometer und sie lassen sich innerhalb eines Dehnungsgeschwindigkeitsbereichs von 10–5 bis 10–1 pro Sekunde bei Temperaturen von mehr als ungefähr der Hälfte ihrer absoluten Schmelztemperatur (0,5 T) verformen. Es wird davon ausgegangen, dass die feine Korngröße ein Korngrenzengleiten und eine Korndrehung ermöglicht und so zu den großen, superplastischen Spannungen beiträgt. Damit sich also eine Aluminiumlegierung oder eine andere, superplastische Legierung aus beispielsweise Titan, Kupfer oder Magnesium superplastisch verformen kann, muss sie zunächst in der Lage sein, in ei ne feinkörnige Struktur verarbeitet zu werden, die während der Verformung gegenüber Kornwachstum resistent ist.
  • Diese Erfindung ist auf superplastische Blechlegierungen anwendbar, die sich vor einem Umformprozess statisch zu einer feinen Kornstruktur rekristallisieren lassen. Das erfindungsgemäße Verfahren wird in Verbindung mit magnesiumhaltigen Aluminiumblechlegierungen, spezifischerweise mit AA5083 veranschaulicht. Die Produktion des Legierungsblechs umfasst eine Kombination aus Warmwalzen, Kaltwalzen und einer abschließenden Wärmebehandlung, um kleine rekristallisierte Körner einer festen Lösung aus Aluminium und Magnesium mit dispergierten, unlöslichen Partikeln auszubilden.
  • Die Aluminiumblechlegierung AA5083 wird in geeigneter Weise von einem Zulieferer kommend in stark kaltverarbeitetem Zustand (z.B. H18-Temper-Kennzeichnung) entgegengenommen. Wie weiter oben in Bezug auf das Patent '588 von Rashid, et al., erwähnt, ist im Zuge der aktuell praktizierten Herstellungsverfahren das Blech bei einer relativ langsamen Erwärmungsgeschwindigkeit rekristallisiert worden, während es vorerwärmt wird, und zwar gewöhnlich auf einem offenen Heiß-Vorbiegewerkzeug. Der Erwärmungsvorgang dauert oft 10 Minuten oder mehr, um das Blech in geeigneter Weise zu rekristallisieren. Es ist nunmehr entdeckt worden, dass die Rekristallisation bei einer viel rascheren Geschwindigkeit bewerkstelligt werden kann, sofern geeignete Erwärmungstechniken geschaffen werden. Die Wärme wird entsprechend gesteuert, um die Mikrostruktur des Rohlings für eine gleichförmige Umformung zu rekristallisieren und um ihn auf eine für den Herstellungsprozess geeignete Formungstemperatur zu erwärmen. Das wärmebehandelte Blech wird dann vor dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur seinem beabsichtigten Umformprozess unterzogen. Es wird nun auf 1 und 2 Bezug genommen, um eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens zu veranschaulichen.
  • Ein ankommender, kaltverarbeiteter Blech-Rohling 10 wird auf einem dem Wärmebehandlungsofen 14 unmittelbar vorgeordneten Auflagetisch 12 bzw. Beförderungsmittel positioniert. Ein Rohling für ein Kraftfahrzeug-Karosserieblech kann beispielsweise Abmessungen von 1625 mm (64 Zoll) × 1117 mm (44 Zoll) × 1,6 mm aufweisen. Er ist oft an einer oder an beiden Seiten mit einem Film aus Bornitrid-Gleitmittelpartikeln beschichtet. Der Ofen 14 ist entsprechend dimensioniert, um zumindest einem solchen Blech Platz zu bieten und um weiter unten beschriebene Heizmittel zu umschließen. Wenn der Ofen 14 verfügbar ist, wird der Rohling 10 durch die Schiebetür 16 in das Eingangsende 18 des Ofens 14 auf einen Herd 20 in dem unteren Bereich des Ofens 14 geschoben oder auf andere, geeignete Weise dorthin befördert. Der in dem Ofen 14 positionierte Rohling wird nunmehr als 10' bezeichnet. Der Herd 20 ist geeigneterweise aus einem keramischen oder feuerfesten Werkstoff gebildet und kann, wie in 2 schematisch dargestellt, beispielsweise auf Balken 22 auf dem Boden 24 des Ofens 14 aufliegen. Der Herd 20 kann eine leicht konvexe Oberseite aufweisen, so dass die Ränder des flachen Blechs 10' nicht auf dem Herd aufliegen und dazu benutzt werden können, um den Rohling in geeigneter Weise in den Ofen 14 hinein- und wieder daraus herauszubewegen. So können zur Beförderung des Rohlings 10 beispielsweise die Ränder des Rohlings auf Schienen (nicht gezeigt) geführt werden oder durch Roboter mit geeigneten End-Effektoren (nicht gezeigt) erfasst werden.
  • In dieser Ausführungsform der Erfindung wird das dünne Blech 10', das typischerweise eine Dicke von 1 bis 4 mm aufweist, in erster Linie durch Konvektion und Strahlung über seine exponierte Oberseite erwärmt, wie aus 1 und 2 ersichtlich. Der Herd 20 wird in dem Ofen erwärmt und schafft eine heiße Unterlage für das Blech 10'. Es ist festzustellen, dass andere Anordnungen zum Tragen des Blechs 10 ersonnen werden könnten, wie beispielsweise eine solche für eine Erwärmung von beiden Seiten.
  • Im Hinblick auf die Einfachheit der Ofenkonstruktion wird jedoch die Ausführungsform aus 1 und 2 bevorzugt.
  • Der Rohling 10 wird in dem Ofen 14 durch eine Kombination aus Heißluftumlauf-Konvektionsheizung und Infrarotstrahlungsheizung erwärmt. Wie am besten aus 2 ersichtlich, erstreckt sich eine Mehrzahl (sechs gezeigt) von Infrarot-Heizstäben 26 im wesentlichen entlang der Länge des Ofens 14. Sie sind parallel zueinander entlang der Länge des Blechs 10 ausgerichtet, wenn dieses auf dem Herd 20 in dem Ofen 14 aufliegt. Sie sind auch parallel zu der Oberseite des Rohlings 10' positioniert und um eine Distanz von etwa 63,5 bis 76,2 mm (etwa zweieinhalb bis drei Zoll) von dieser beabstandet. Bei den Stäben 26 handelt es sich geeigneterweise um im Handel erhältliche, elektrische Widerstandsheizelemente mit hoher Wattleistung zur Emission von Infrarotenergie. Die Heizstäbe 26 sind durch die Leitung 27 mit der elektrischen Stromquelle 28 verbunden. Die Stromquelle 28 wird von dem Controller 30 in Ausführung des erfindungsgemäßen Erwärmungsprozesses betrieben. Eine bevorzugte Betriebstemperatur für die Stäbe während ihres Erwärmungsmodus für die AA5083-Rohlinge liegt bei etwa 815°C bis etwa 926°C (etwa 1500 bis 1700°F).
  • Zusätzlich zu den Infrarotstrahlungs-Heizelementen 26 wird auch eine Konvektionsheizung verwendet. Die Konvektionsheizung wird gleichermaßen als Ergänzung zur raschen Erwärmung durch die Infrarot-Heizelemente wie zur Steuerung der Höchsttemperatur des Blechs 10' verwendet.
  • Erwärmte Luft wird unter Verwendung eines Gebläses 32 durch den Ofen 14 umgewälzt (siehe 1). Das Gebläse 32 saugt Luft aus der Rückführ-Sammelkammer des Ofens 14 durch den isolierten Heißluftkanal 34. Die so aus dem Ofen 14 abgeführte Heißluft wird über (z.B. durch eine 480V-Dreiphasen-Stromquelle mit 60 Hz gespeiste) elektrische Widerstands heizgeräte gesaugt, die sich in dem Lufterhitzer 36 befinden. Das Gebläse 32 bläst die erwärmte Luft durch den Kanalabschnitt 38 wieder zurück in den Ofen 14. Eine geeignete Heißluft-Umwälzgeschwindigkeit für ein Karosserieblech gemäß obiger Beschreibung kann bei etwa 226 Kubikmeter (8000 Kubikfuß) pro Stunde liegen.
  • Die erwärmte Luft wird in den Ofen 14 an dessen Zuluft-Sammelkammer 50 nahe dem Deckel 42 eingeleitet. Der Heißluftstrom wird nach unten gegen das auf dem Herd 20 liegende Blechmaterial 10' gelenkt. So leitet beispielsweise eine entlang dem Deckel des Ofens 14 verlaufende Sammelkammer 50 die einströmende Heißluft entlang der gesamten Länge des Ofens und lenkt den Strom durch regelmäßig entlang der Länge beabstandete Austrittsöffnungen nach unten. Somit wird Heißluft allgemein senkrecht gegen das Blech 10' gelenkt.
  • Eine Mehrzahl von parallelen Luftrückführ-Sammelkammern 44 ist parallel zu der Länge des Ofens positioniert. Drei davon sind in 2 im Querschnitt zu sehen. Jede Heißluftrückführ-Sammelkammer 44 weist einen sich konisch erweiternden Einlassabschnitt 46 auf, der sich zwischen zwei Infrarot-Heizstäben 26 erstreckt. Heißluft prallt von der Oberfläche des Blechs 10' zurück und wird durch den Gebläsesog in die Einlässe 46 gesaugt. Die rückgeführte Luft strömt in jeder Sammelkammer 44 zu dem Ende des Ofens, wo die getrennten Rückführströme in einem Krümmer (nicht gezeigt) gesammelt werden und in den Rückführkanal 34 weitergeleitet werden.
  • Wenn ein neues Blech 10 durch die Tür 16 in den Ofen 14 hinein auf den Herd 20 bewegt wird, wird der Heißluftstrom gestartet und wird Strom zu den Infrarot-Heizelementen zugeführt. Ein beispielhaftes Ziel für diesen Erwärmungsprozess kann es sein, das kaltverarbeitete Blech in weniger als 150 Sekunden auf eine Temperatur von etwa 482°C (900°F) zu erwär men. Dieses Erwärmungsprogramm soll eine Umwandlung der Mikrostruktur von stark spannungsbehafteten, kaltverarbeiteten Körnern in eine rekristallisierte, feinkörnige pseudo-einphasige, weiche Mikrostruktur (z.B. O-Temper) bewirken. Und das Blech soll auf eine Temperatur erwärmt werden, bei der es in ein Karosserieblech oder ein ähnliches Produkt von komplexer Form gestreckt und/oder gezogen werden kann.
  • Wenn die gewünschte, endgültige Temperatur des Blechs 482°C (900°F) ist, so wird die Temperatur der auf das Blech auftreffenden Heißluft geeigneterweise auf etwa 482° bis 487°C (900 bis 910°F) gesteuert. Die Infrarot-Heizelemente, die durch eine von dem Controller 30 gesteuerte Stromversorgung 28 betrieben werden, weisen beispielsweise etwa 815°C (1500°F) auf. Die Hochtemperatur-Heizstrahler erwärmen das Blech 10' rasch auf seine spezifizierte Temperatur. Das Blech ist typischerweise mit einem dünnen Film aus Bornitrid-Partikeln beschichtet, der als Gleitmittel zwischen der Oberfläche des Blechs und der Oberfläche des Werkzeugs dient, über welches das Blech gestreckt oder gezogen wird. Der weiße BN-Film erhöht den Emissionsgrad des bis zu einem gewissen Ausmaß reflektierenden Aluminiumblechs und der Gesamt-Emissionsgrad des beschichteten Blechs kann bei etwa 0,2 liegen. Wenn die Temperatur des Blechs sich 482°C (900°F) nähert, werden die Heizstrahler abgedreht, um eine übermäßige Erwärmung oder sogar ein örtliches Schmelzen des Blechs zu vermeiden. Die Zeitsteuerung ist enscheidend, um die Erwärmungsgeschwindigkeit zu maximieren, ohne dabei eine übermäßige Erwärmung zu verursachen. Sofern kein zuverlässiges Erwärmungsmodell für den Ofen, das Heizsystem und die Werkstücke verfügbar ist, ist der Zeitpunkt für das Abschalten der Heizstrahler auf experimentellem Weg mittels Test-Blechen zu bestimmen. Beispielsweise kann bestimmt werden, dass die Heizstrahler 26 nach einer Betriebsdauer von 100 Sekunden abgeschaltet werden. Daraufhin erwärmt und/oder kühlt der erwärmte Luftstrom weiterhin Teile des Blechs, um das Blech 10' so rasch wie praktisch durch führbar auf eine gleichförmige Temperatur von etwa 482°C (900°F) zu bringen. Der Luftstrom kühlt auch die Heizstrahler 26 und trägt somit dazu bei, deren Nutzlebensdauer zu erhöhen.
  • Das erwärmte Blech 10' wird aus dem Ofen 14 entnommen, indem es durch die Ausgangstür 52 auf die Oberfläche 48 gezogen, gleiten gelassen oder gehoben wird. Das heiße Blech kann dann auf ein Umformwerkzeug gegeben werden, um seinen erweichten und formbaren Zustand nutzbar zu machen. Da das entnommene, erwärmte Blech 10'' seine Formungstemperatur hat, wird es ohne übermäßige Verzögerung auf das Umformwerkzeug übertragen. Wenn eine gewisse Verzögerung und somit ein Abkühlen vorhersehbar sind, kann es wünschenswert sein, das Blech 10' auf eine geringfügig höhere Temperatur zu erwärmen, um eine Toleranz für diesen Abkühlvorgang vor dem Umformen zu schaffen.
  • Somit wird eine gesteuerte Kombination aus Strahlungsheizung und Konvektionsheizung verwendet, um ein kaltverarbeitetes Blech einer geeigneten Metalllegierung rasch in eine hochverformbare Mikrostruktur umzuwandeln (zu rekristallisieren) und es auf eine geeignete Formungstemperatur zu erwärmen, um die neu gewonnene Formbarkeit nutzbar zu machen. Im Fall eines kaltverarbeiteten AA5083-Blechs beträgt die Erwärmungszeit weniger als 150 Sekunden und liegt oft bei 60 bis 90 Sekunden. Die Formbarkeit des AA5083-Blechs übersteigt in einem Standard-Zugversuch gemessen typischerweise eine Dehnung von 300+%.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren wurde hier zwar hinsichtlich seiner Anwendung auf gewisse Aluminiumlegierungen veranschaulicht, es ist jedoch anerkannt, dass es auch auf andere Aluminiumlegierungen und andere kaltverarbeitete Blechlegierungen, insbesondere auf solche, die sich in einen Zustand für superplastisches Formen rekristallisieren lassen, anwendbar ist.

Claims (8)

  1. Verfahren zur Formung eines Blechs (10) aus einer superplastisch formbaren Metalllegierungszusammensetzung, umfassend: Bereitstellen eines kaltverarbeiteten Blechs (10) aus der Metalllegierungszusammensetzung, Erwärmen des kaltverarbeiteten Blechs (10) durch kombinierte Infrarotstrahlung und Heißluftkonvektion in demselben Herdraum (20) auf eine vorgegebene Blechtemperatur, um die kaltverarbeitete Mikrostruktur des Blechs (10) zu einer feinkörnigen Mikrostruktur zu rekristallisieren, die für superplastisches Formen geeignet ist, und um das Blech (10) auf eine Temperatur für superplastisches Formen zu erwärmen, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen umfasst: Unterbrechen des Infrarotstrahlungserwärmens, bevor das Blech (10) die vorbestimmte Temperatur erreicht, und Fortsetzen des Erwärmens des Blechs (10) auf die vorbestimmte Temperatur mit dem Konvektionserwärmen, und dadurch, dass das erwärmte Blech (10) geformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Erwärmen durch Infrarotstrahlung das Erwärmen mit elektrischen Widerstandsheizgeräten (26) umfasst und die Unterbrechung des Infrarotstrahlungserwärmens das Abschalten der elektrischen Stromzufuhr zu den Heizgeräten (26) umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Blech (10) aus einer superplastisch formbaren Aluminiumlegierungszusammensetzung besteht.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, welches das Bereitstellen eines kaltverarbeiteten Blechs (10) umfasst, das eine Kaltverarbeitungsreduktion auf einen Anlasszustand H18 erfahren hat.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, bei welchem das Blech (10) ein magnesiumhaltiges Aluminiumlegierungsblech ist.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Infrarotstrahlung mit den elektrischen Widerstandsheizungselementen (26) erzeugt wird, die auf einer Temperatur in dem Bereich von etwa 815° bis etwa 926°C (1500°K bis 1700°K) gehalten werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Heißluft-Konvektionsheizung durch Steuern der Temperatur der Luft auf eine vorbestimmte Lufttemperatur über der vorbestimmten Blechtemperatur erzielt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Heißluft-Konvektionsheizung durch Steuern der Temperatur der Luft auf eine vorbestimmte Lufttemperatur innerhalb eines Bereichs von zehn Grad Fahrenheit über der vorbestimmten Blechtemperatur erzielt wird.
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