DE69016666T2

DE69016666T2 - Walzen von Metallprodukten.

Info

Publication number: DE69016666T2
Application number: DE69016666T
Authority: DE
Inventors: Louis G Hector; Simon Sheu
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1989-04-24
Filing date: 1990-12-13
Publication date: 1995-08-24
Anticipated expiration: 2010-12-14
Also published as: DE69016666D1; JPH04167906A; US4996113A; CA2028711A1; EP0489964A1; AU620740B1; CA2028711C; JPH0613125B2; AU6573390A; EP0489964B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft das Walzen von Metallprodukten im allgemeinen und die Bereitstellung solcher Produkte mit einer anisotropisch gestalteten Oberflächenstruktur im besonderen, die einen verbesserten, gleichmäßigen Glanz vorsieht.
Eine Oberfläche erscheint für das menschliche Auge als glänzend, wenn die Oberfläche einfallendes Licht gerichtet reflektiert, d.h., daß auf die Oberfläche auftreffendes Licht nicht besonders zerstreut wird. Eine gerichtete Reflexion setzt wiederum eine nicht-diffuse Oberflächenbeschaffenheit voraus, so daß das Licht von der Oberfläche in dem gleichen Winkel reflektiert wird wie es auf die Oberfläche eingefallen ist (hierbei handelt es sich um die Definition der gerichteten Reflexion). Eine willkürliche Oberfläche zerstreut einfallendes Licht und erzeugt für das menschliche Auge ein mattes Erscheinungsbild der Oberfläche, d.h., daß einfallendes Licht aufgrund der Zufallsorientierung der Oberflächenrauhheit willkürlich in viele Richtungen reflektiert wird; somit wird die innere Ordung des einfallenden Lichts nicht aufrechterhalten.
Bei der Schaffung eines Walzblechproduktes mit hell glänzender Oberfläche, muß die Oberfläche der zur Erzeugung des Produkts verwendeten Arbeitswalze eine Topographie aufweisen, die so gestaltet ist, daß sie einen hohen Grad der Regelmäßigkeit aufweist. Herkömmliche Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Arbeitswalzen umfassen einen oder mehrere Schleifvorgänge. Durch das Schleifen werden jedoch keine Walzoberflächen mit gleichmäßigen Strukturen erzeugt, da es sich bei dem Schleifen um einen sehr stochastischen Vorgang handelt, der zu einer geschliffenen Strukturhöhe führt, die gemessen von einer durchschnittlichen Grundlinie, von der die Durchschnittsrauhheit gemessen werden kann, einer normalen bzw., einer Gaußschen Verteilung folgt. Die Verteilung der Rauhheit wird durch die Schleifpartikelgröße in dem Schleifmedium (Scheibe), die Vorschubzahl der Walze im Verhältnis zu dem Schleifmedium, die Tiefe des Schliffs und die Anzahl der Schleifdurchläufe beeinflußt.
Bei der Herstellung von Aluminiumdosenendprodukten verlangt der Verbraucher zum Beispiel, daß das Blech eine gleichmäßig glänzende, stark reflektierende Oberfäche mit einer bestimmten Verbundoberflächenrauhheit aufweist, die für das Auge glänzend erscheint und die sich glatt anfühlt. Dies erfordert, daß der Walzvorgang in dem Grenzschmierbereich durchgeführt wird, was bedeutet, daß ein bedeutender Metall-Metall-Kontakt existiert. Die Struktur der Walzoberfläche kann dann wiedergabetreu auf die Blechoberfläche gedruckt werden.
Gemäß dem aktuellen Stand der Technik des Walzenschleifens ist das Walzen von Aluminiumblech in dem Grenzschmierbereich zur Erzeugung einer hell glänzenden Oberfläche bei hohen Geschwindigkeiten (z.B. 1220 Meter (4000 Fuß) in der Minute) bei Arbeitswalzen mit verhältnismäßig großem Durchmesser (kennzeichnenderweise 55,9 cm (22 Inch) schwierig. Folgend sind die Hauptgründe dafür aufgeführt: 1) durch den Schleifvorgang werden Rillen mit veränderlichen Tiefen erzeugt, d.h. die Tiefen zweier aufeinanderfolgender Rillen können sich in der Walzoberfläche ziemlich unterscheiden, was aufgrund der Erzeugung eines dicken Schmiermittelfilms (lokal) zu einer teilweisen bzw. vollständigen Trennung der Walzoberfläche von der Blechoberfläche führen kann; 2) eine geschliffene Walzoberfläche erzeugt aufgrund der Gaußschen Verteilung der Oberflächenrauhheit, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, eine ungleichmäßige Strukturhöhe auf der Blechoberfläche, was zu einer diffusen Lichtreflexion führt; und 3) eine geschliffene Walzoberfläche weist ungleichmäßige Abnutzungseigenschaften auf, was Ungleichmäßigkeiten des Walzvorgangs zur Folge hat, d.h. die Walzgeschwindigkeit muß verändert (reduziert) werden, um dem schlechtesten Zustand auf der Walzoberfläche angepaßt zu werden. (Geschliffene Walzen setzen außerdem ein häufiges Nachschleifen voraus, wodurch sich die Kosten des Walzvorgangs erhöhen.). Es ist allgemein bekannt, daß die Dicke eines Schmierfilms eine Funktion der Quadratwurzel des Walzendurchmessers darstellt, so daß größere Arbeitswalzen ein erheblicheres Problem darstellen als kleinere Arbeitswalzen. In bezug auf die Walzgeschwindigkeit stellt die Filmdicke eine lineare Funktion der Geschwindigkeit dar.
EP-A-371946 betrifft die Markierung einer Walzwerkswalze mit einem unterbrochenen Laserstrahl zur Schaffung einer strukturierten Unterseite, um eine ausreichende Bindung mit einem folgend aufzutragenden galvanischen Metallüberzug vorzusehen. EP- A-255501 betrifft ebenso die Schaffung einer Empfangsoberfläche für einen Überzug, und zwar in diesem Fall mit einem Anstrichmittel. Bei der vorliegenden Erfindung sollen Risse bzw. eine unerwünschte Topographie auf gewalztem Metallstoff vermieden werden, während in EP-A-255501 darauf abgezielt wird, eine strukturierte Oberfläche mit Facetten und Furchen in dem gewalzten Produkt vorzusehen.
Wie dies bereits vorstehend erläutert worden ist, handelt es sich bei einer glänzenden, in hohem Maße auf gerichtete Weise reflektierenden Oberfläche, um eine Oberfläche, die Licht hauptsächlich in dem Winkel reflektiert, in dem das Licht auf der Oberfläche auftrifft, d.h. dem Einfallswinkel, und wobei das Licht nicht diffus reflektiert wird. Das Verhältnis der diffusen Reflexion zu der gerichteten Reflexion, wobei es sich um den Anteil des in dem Einfallswinkel gemessenen reflektierten Lichts im Vergleich zu dem um zwei Grad von dem Einfallspunkt entfernt gemessenen reflektierten Anteil des Lichts handelt, ist ein gutes Maß für die Oberflächenhelligkeit. Je niedriger dieses Verhältnis ist, desto größer ist die Oberflächenhelligkeit.
Eine diffuse Reflexion kann auch in Gegenwart von Rissen bzw. Mikrorissen auftreten. Risse werden im allgemeinen dann erzeugt, wenn ein Produkt unter hydrodynamischen Schmierbedingungen gewalzt wird, was bedeutet, daß die Walzen- und Produktoberflächen entweder lokal oder vollständig durch einen Schmiermittelfilm voneinander getrennt sind. Dies gilt insbesondere bei hohen Walzgeschwindigkeiten für Aluminiumblech.
Wenn die Produktoberfläche bereits vorher Risse aufweist, so können sich diese vergrößern, da der hydrodynamische Druck in dem Schmiermittelfilm das Schmiermittel in diese Risse drängt und diese dadurch dehnt und vertieft. Die Risse erstrecken sich im allgemeinen quer zu der Walzrichtung und können sowohl in Stahlals auch in Aluminiumprodukten auftreten.
Somit ist das Ergebnis einer geschliffenen Walzenoberfläche eine willkürliche, stochastische Struktur mit Rissen, so daß die Oberfläche für das menschliche Auge matt erscheint.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die stetig wiederholbare Erzeugung von hell glänzenden Metalloberflächen. Dies wird durch Walzen des Erzeugnisses unter hauptsächlich Grenzschmierbedingungen erreicht. Vorgesehen ist gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verringerung der Dicke von Metallwerkstoffen, umfassend folgende Schritte: Durchführen des in der Dicke zu verringernden Werkstoffs durch Arbeitswalzen eines Walzwerks; Drehen der Walzen und Aufrechterhaltung einer Druckkraft auf den Werkstoff durch die Walzen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Walzen eine glatte Oberfläche und eine Walzoberfläche mit glatten Auflagebereichen aufweist, die die durch mindestens eine sehr kleine, ununterbrochene Rille, die sich in mehreren Umdrehungen in der allgemeinen Walzrichtung um die Walze erstreckt, mit Zwischenräumen versehen sind, wobei die glatte Oberfläche und die Schrägen der Rille frei von jeglichen Werkstoffablagerungen sind, wobei die glatte Oberfläche und die Rille einen Überzug eines harten, dichten Werkstoffs aufweisen, und wobei ein Schmiermittel an die Walzoberflächen der Arbeitswalzen geführt und in die sehr kleine Rille gedrängt wird, und zwar durch die gegen den Werkstoff zwischen den Drehwalzen aufrechterhaltene Druckkraft, wodurch die Dicke des Werkstoffs zwischen den Walzen unter Grenzschmierzuständen wesentlich verringert wird, so daß in der Oberfläche des Werkstoffs keine Risse erzeugt bzw. vergrößert werden, und wobei die glatte Oberflächenbeschaffenheit der mindestens einen Walze auch der Oberfläche des Metallwerkstoffes verliehen wird, welche die glatte Oberfläche der genannten Walze berührt.
Vorgesehen ist gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Walze für ein Walzwerk, die zur Ausführung dieses Verfahrens geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze eine glatte Oberfläche aufweist, und wobei sich mindestens eine ununterbrochene Rille in mehreren Umdrehungen in der allgemeinen Walzrichtung um die Walze erstreckt, wobei sowohl die glatte Oberfläche als auch die Schrägen der Rille frei von Werkstoffablagerungen sind, und wobei ein Überzug eines harten, dichten Werkstoffs die glatte Oberfläche und die Rille bedeckt.
Somit befinden sich zwischen den sehr kleinen Rillen die hochglanzpolierten Bereiche, die eben sind und die glatte Auflageoberflächen vorsehen, die an dem Produkt anliegen, wenn es gewalzt wird, um Schmiermittel von den Auflageoberflächen zu den Rillen zu drängen, so daß das Schmiermittel bei der Einführung des Walzenangriffs in die Rillen fließt. Die Ergebnisse lauten wie folgt: (1) es steht keine dicke Schmierschicht zur Verfügung, um die Oberfläche des an der Walze anliegenden Produktes zu öffnen, um in der Produktoberfläche mikroskopische Risse zu erzeugen und/oder um diese Risse zu erweitern; und (2) die Auflagebereiche verschmieren die Oberfläche des Produkts, wodurch die Produkthelligkeit verbessert wird. Die Oberfläche des gewalzten Produkts erscheint für das menschliche Auge als gleichmäßig hell glänzend, und zwar bei einem Verhältnis der diffusen Reflexion zu der gerichteten Reflexion im Bereich von 0,005 in der Walzrichtung. Eine solche gerillte Oberfläche ist anisotropisch, was bedeutet, daß die Oberfläche keine Eigenschaften aufweist, die entlang allen Meßachsen in alle Richtungen die gleichen Meßwerte aufweisen.
Ein gewalztes Metallprodukt kann somit im Vergleich zu Metall, das mit herkömmlichen geschliffenen Walzen gewalzt wird, mit einer verbesserten Helligkeit versehen werden, und die Erfindung ermöglicht es, die Arbeitsoberfläche einer Walzwerkswalze mit einer Struktur zu versehen, die eine solche Verbesserung der Helligkeit erzeugt.
Die Breite und die Tiefe der Rille sind von Mikrongröße; und die umgebende Mehrzahl von Rillen ist mit Zwischenabständen zueinander, die im Bereich von fünf bis 300 Mikron liegen, angeordnet.
Auf diese Weise kann eine Walzoberfläche eine erhöhte Lebensdauer und verbesserte Verschleißmerkmale aufweisen, so daß ein häufiges Nachschleifen nicht erforderlich ist und somit verringern sich die Kosten des Schleifens und die Herstellungskosten insgesamt. Ferner ist auch die Erzeugung von minimalem Abfall möglich, so daß weder die Walzoberfläche noch die Produktoberfläche durch Rückstände wesentlich beeinträchtigt werden, und die Filterbelastung des Walzwerk-Ölhauses wird stark reduziert (In großen Walzwerken verwendete Walzschmiermittel werden im allgemeinen durch eine Filtervorrichtung aufbereitet, die sich in "Ölhäusern" befindet, die zwar physikalisch von den Walzwerken getrennt sind, aber doch eine Flüssigkeitsübertragungsverbindung mit den Walzwerken aufweisen, wobei sie "schmutziges" Schmiermittel von Walzwerk empfangen und sauberes Schmiermittel zu dem Walzwerk zurückführen.).
Die Form der Rille in der Arbeitswalzenoberfläche, die Material empfängt, das in der Dicke wesentlich verringert wird, ist so beschaffen, daß die Rille das Material nicht zurückhält bzw. festhält.
Eine solche Walze führt zu der Erzeugung eines gewalzten Produkts mit einer Oberflächenstruktur mit einheitlich übereinstimmenden Rippen bzw. Plateaus, die durch ebene Bereiche oder Furchen getrennt sind, die hochglanzpoliert sind.
Gemäß dem Stand der Technik wird die Verwendung eines kontinuierlichen Lasers zur Rillenbildung der Walzoberflächen offenbart, wobei bei der vorliegenden Erfindung Impulslaser verwendet werden, wie etwa Kohlendioxidlaser (CO&sub2;), Neodymium:Yttrium-Aluminium-Granat-Laser (Nd:YAG) oder Excimerlaster, die maximale Spitzenleistungen ermöglichen und dabei die einer Walzenoberfläche zugeführte Durchschnittswärme minimieren und die die Form der in der Walzoberfläche gestalteten Struktur besser regeln. Bei Impulslasern ist vor dem Auftreffen des Laserstrahls auf der zu bearbeitenden Oberfläche ferner keine externe mechanische Manipulation des Laserstrahls erforderlich.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit einer Laservorrichtung handelt es sich um den Nd:YAG-Laser, da dessen Ausgabe besser fokussierbar ist, wodurch sich die Genauigkeit der Rillenbildung erhöht und diese im Vergleich zu einem CO&sub2;-Laser auch besser beibehalten werden kann. Das gerillte Profil kann auch durch ein kubisches Bornitrid- bzw. Diamantwerkzeug erzeugt werden, das zum Beispiel durch ein Diamantschleifwerkzeug oder eine Draht- bzw. Ionenstrahlbearbeitung genau auf ein gewünschtes Profil geformt worden ist.
In dem U.S. Patent US-A-4.322.600 an Crahay ist die Verwendung eines kontinuierlichen CO&sub2;-Lasers zum Einschreiben einer Struktur auf eine Walzwerkswalze offenbart. Bei Crahay wird der Laser zur Gestaltung, d.h. zum Brennen von Perforationen und Mikrovertiefungen in die Walzoberfläche verwendet, wobei diese Oberfläche zum Walzen von Stahlblech verwendet wird. Zur Verbesserung des Brennverfahrens wird ein Sauerstroffstrom verwendet.
Bei dem wiederum an Crahay erteilten U.S. Patent US-A-4.628.179 handelt es sich um ein weiteres Patent, das sich auf die Verwendung von Lasern zur Bearbeitung einer Walzoberfläche bezieht. Crahay verwendet hierbei einen Laser- bzw. einen Elektronenstrahl zur Schaffung einer isotropischen Oberflächenrauhheit durch Überlappung und Füllung der in der Walzoberfläche ausgebildeten Rillen durch den Laser- bzw. den Elektronenstrahl. Crahay stellt fest, daß die gewünschte Rauhheitsisotropie nur dann erzielt werden kann, wenn zwei auf einanderfolgende Strahlengänge eine ausreichende Überlappung aufweisen. Dies bedeutet, daß der erste Stich über dem zweiten Stich vorgesehen sein muß, so daß der Werkstoff der Walze in dem ersten Stich fixiert und versetzt (wieder unter Verwendung von Sauerstoff für einen Brennvorgang) werden muß, so daß der erste Stich im wesentlichen vollständig gefüllt und bedeckt wird. Der Patentinhaber stellt somit fest, daß die Punktgröße des Strahls 120 Mikron beträgt und daß sich folgende Punkte in Intervallen von 100 Mikron überlappen, wobei sie einem spiralförmigen Verlauf um die Walze herum folgen. Die Isotropie von Crahay wird dadurch erzielt, daß das Verhältnis der Neigung des spiralförmigen Weges zu der Breie des Strahlengangs kleiner als Eins ist.
Es wird erwartet, daß die Verwendung der Technik des zweiten Patents von Crahay, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, beim Hochgeschwindigkeitswalzen von Nichteisen-Metallen, wie etwa von Aluminium, zur starken Erzeugung von Verschleißabfallrückständen führt. Dies würde eine Produktoberfläche mit einer höheren Konzentration von Verschleißabfallrückständen sowie einem Überzug der Walzoberfläche mit den Rückständen führen, d.h. Metallübertragung, da die Grobheit der Walze und der Schmiermittelfluß nicht auf die hier beschriebene Art und Weise geregelt werden.
Die Erfindung und deren Aufgaben und Vorteile werden in bezug auf die folgende genaue Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen am besten deutlich. Es zeigen:
Figur 1 schematisch eine Laservorrichtung zur Feinstrukturierung der Oberfläche einer Stahlwalze gemäß den Grundsätzen der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 ein Mikrobild einer Stahlwalzenoberfläche AISI 52100, die in 200-facher Vergrößerung dargestellt ist, wobei die Oberfläche durch den Laser aus Figur 1 mit Rillen in Mikrongröße versehen worden ist (Die Materialverschiebung auf der Walzoberfläche, die durch die Ablagerung von bedampften Oberflächenmaterial verursacht wird, wurde beseitigt und die Oberfläche mit einer Chromschicht überzogen);
Figur 3 ein Mikrobild einer Stahlwalzenoberfläche AISI 52100 (200 mal vergrößert), die auf die Art und Weise von Figur 2 strukturiert worden ist, wobei sie jedoch eine Materialablagerung an den Schrägen der Rillen aufweist;
Figur 4 ein Mikrobild einer Oberfläche eines Blechs einer Aluminiumlegierung 5182, die in 200-facher Vergrößerung dargestellt ist; wobei die Dicke des Blechs durch eine geschliffene Walzoberfläche um 17% reduziert worden ist; und wobei das Mikrobild eine mit Rissen versehene Oberflächenstruktur zeigt, wobei die Risse mikroskopische Risse darstellen, die sich quer zu der Walzrichtung erstrecken;
Figur 5 den Mechanismus, durch den die Risse aus Figur 4 während dem Walzen erzeugt werden;
Figur 6 schematisch die diffuse Lichtreflexion von einer Oberfläche mit willkürlichen Kämmen und Furchen;
Figur 7 ein Mikrobild der Oberfläche eines zweiten Blechs der Legierung 5182 in 200-facher Vergrößerung, wobei das Blech von einer Walze gewalzt worden ist, deren Arbeitsoberfläche durch Funkenerosion gestaltet worden ist;
Figur 8 ein Mikrobild eines weiteren Aluminiumblechs in 200- facher Vergrößerung, wobei im wesentlichen keine Querrisse bzw. keine mikroskopischen Risse zu sehen sind;
Figur 9 graphisch die Oberfläche eines von der strukturierten Walze aus Figur 1 gewalzten Blechs; und
Figur 10 eine teilweise Querschnittsansicht einer Arbeitswalze, die mit sehr kleinen Rillen versehen ist, die durch einen in einem Klemmhalter angebrachten mikroskopischen Schneideeinsatz gestaltet worden sind.
In bezug auf Figur 1 der Zeichnungen sind in dem Verfahren zur Bearbeitung von Spiralrillen 14 in Mikrongröße in der Walzoberfläche eine Werkzeugstahl-Arbeitswalze 10 eines Walzwerks (in den Zeichnungen ansonsten nicht dargestellt) und ein Nd:YAG- Laser 12 schematisch dargestellt. Die Rillen erstrecken sich kontinuierlich in der allgmeinen Walzrichtung. Wie dies (in Draufsicht) dargestellt ist, sind die Rillen 14 nebeneinander angeordnet, wobei es sich dabei tatsächlich um eine einzige ununterbrochene Rille handeln kann, die sich spiralförmig der Länge nach um die Walze erstreckt. Die Anzahl der Rillen bzw. der Umdrehungen einer einzigen Rille hängt von der Breite des zu walzenden Streifens ab.
Der Nd:YAG-Laser weist einen Güteschalter auf, der einen Energiestrahl 16 mit hoher Intensität (Impulsstrahl) mit einer Wellenlänge von vorzugsweise 1,064 Mikron vorsieht, der sich in dem unsichtbaren Teil (nahe infrarot) des elekromagnetischen Spektrums befindet. Das Güteschalten ist in "Solid State Engineering", 2.Ausgabe, von Walter Koechner, Springer Verlag, 1988, in Einzelheiten beschrieben. Im wesentlichen umfaßt es die Energieansammlung der Pumpenlampe des Lasers in dem laseraktiven Element und den folgenden Ausstoß der angesammelten Energie in kurzen Impulsen von etwa 100 Nanosekunden. Durch das Güteschalten können die Spitzenleistungen des Strahls wesentlich erhöht und dabei in kleinen Bündeln bzw. Energieimpulsen gehalten werden, die zur Rillenbildung in Metalloberflächen ausreichend sind.
Die Breite des Strahls 16 beträgt fünf bis zehn Mikron, (abhängig von der Fokussieroptik in der Vorrichtung), so daß jeder Strahlenimpuls, bei der obigen Strahlenintensität (Impulsleistung), einen Punkt auf das Oberflächenmetall einer Werkzeugstahlwalze mit einer Breite oder einem Durchmesser eindampft, die bzw. der der Strahlenbreite entspricht, wenn der Strahl auf der Walzoberfläche auftrifft, ohne daß ein Schmelzen des Stahls auftritt. Dadurch wird in der Oberfläche der Walze 10 eine diskrete, sehr kleine Rille 14 gestaltet, wenn der Strahl und die Walze im Verhältnis zueinander bewegt werden. Vorzugsweise wird die Walze um ihre Achse gedreht und der Länge der Walze nach bewegt. Die Frequenz und die Wellenlänge eins Nd:YAG-Lasers bzw. eines Excimerlasers ist derart, daß ihre Strahlen in einer Arbeitsoberfläche durch Mikro- Materialbearbeitung eine Rille im Bereich der Breite bzw. des Querschnitts des Strahls gestalten, wobei die Wellenlänge des YAG-Lasers bzw. des Excimerlasers in das Metall eines Werkstücks wirksamer eindringt (koppelt) als die Wellenlänge eines CO&sub2;- Lasers. Wenn die Frequenz des Lasers verdoppelt (führt zu einem Strahl mit einer Wellenlänge von 1,064 Mikron), verdreifacht (führt zu einem Strahl mit einem Drittel der Wellenlänge von 1,064 Mikron) oder vervierfacht (führt zu einem Strahl mit einem Viertel der Wellenlänge von 1,064 Mikron) wird, so wird eine Rille gestaltet, die entsprechend die Hälfte, ein Drittel bzw. ein Viertel der Größe der Rille ausmacht, die ohne Verdoppelung, Verdreifachung bzw. Vervierfachung gestaltet wird. Der Nd:YAG- Laser kann in einem Stahlwerkstück zum Beispiel eine Rille mit einer Breite von acht Mikron gestalten. Durch eine Verdoppelung der Laserfrequenz wird aufgrund der geringeren emittierten Wellenlänge eine Rille mit einer Breite von vier Mikron gestaltet. Der durch die Frequenzverdoppelung erzeugte Strahl verbindet sich wirksamer mit der Stahloberfläche als der ursprüngliche Strahl des Lasers mit der Wellenlänge von 1,064 Mikron, so daß die durch den Impulsstrahl bewirkte Bearbeitung im Querschnitt feiner ist. Die Frequenzverdoppelung kann dadurch bewirkt werden, daß die Laser-Endpumpe ein Lithiumdiodatkristall (LiIO&sub3;) aufweist. Die gewünschte Leistung des LiO&sub3;-Kristalls liegt im grünen Bereich (0,532 Mikron) des elektromagnetischen Spektrums. Für das Walzen von Aluminiumblech ist eine Rillenbreite von vier bis zwanzig Mikron geeignet, wobei die Rillentiefe im Bereich von 0,5 bis fünf Mikron liegt. Die Tiefe wird durch die Leistung des Impulsstrahls und durch die Zeit, die ein gegebener Abschnitt der Stahloberfläche dem Strahl ausgesetzt ist, geregelt.
Allgemein gilt, daß der durch den Strahl bewirkte Schnitt umso feiner ist, desto geringer die Wellenlänge des Laserstrahls ist.
Bei der Gestaltung der Rille l4 wird das verdampfte Metall dadurch vor dem Strahl 16 herbewegt, daß der Luftstrom von einer sich hinter dem Strahl befindenden Düse 18 bewegt wird. (Gemäß Figur 1 ist die Düse 18 ausschließlich zum Zwecke der Veranschaulichung in der Perspektivansicht und exzentrisch zu dem Strahl 16 dargestellt.) Bei der Luftquelle kann es sich um "Fabrikluft" handeln, die in Fabriken und Geschäften erhältlich ist. Der Luftstrom von der Düse 18 bewegt das verdampfte Metall vor dem Laserstrahl her, um die Walzoberfläche kurz vor dem Strahl vorzuerwärmen. Der Strom von 18 schränkt auch die Menge der Ablagerung des verdampften Metalls auf den Schrägen der Rille (Figur 3) und der Optik (in Figur 1 nicht sichtbar) ein, welche den Strahl 16 auf die Walzoberfläche fokussiert. Wenn die Metallablagerungen die Schrägen der Rille erreichen, wird die Walze leicht poliert, um diese Ablagerungen nach Beendigung des Bearbeitungsvorgangs zu entfernen. In dem Mikrobild der Walzoberfläche aus Figur 2 der Zeichnungen handelt es sich um diesen Fall. In Figur 2 stellen dunkele Linien die Rillen dar, die sich fast im rechten Winkel zu der Walzenachse erstrecken. Die Rillen weisen eine Breite von 15 Mikron auf und sind zueinander in Abständen von 113,0 Mikron angeordnet.
Der Strahl eines Nd:YAG-Lasers erzeugt kennzeichnenderweise keilförmige bzw. dreiecksstumpfartige Rillen (im Querschnitt quer zu der Breite der Rillen) in der Oberfläche einer Walze. Beim Walzen eines Streifens 20, wie dies in Figur 9 teilweise im Querschnitt dargestellt ist, fließt bei diesen keilförmigen Rillen ein geringer Anteil des Streifenoberflächenmaterials in die Rillen und füllt diese teilweise. Dabei handelt es sich um ein Formänderungsverfahren, das als Mikro-Rückwärts-Fließpressen bekannt ist. Der Effekt der Rillen ist es somit, auf der Streifenoberfläche schmale, keilförmige, erhöhte Teilstücke bzw. Rippen 22 (Figur 9) zu gestalten. Zwischen diesen Rippen befinden sich im wesentlichen glatte Bereiche 26, die einfallendes Licht 28 gerichtet 30 reflektieren, so daß der Streifen 20 für das menschliche Auge hell erscheint. Die Rippen 22, die nur wenige Mikron breit sind, sind für das menschliche Auge nicht deutlich sichtbar.
Bei einem Schneidwerkzeug 35, das in Figur 10 schematisch im Aufriß dargestellt ist, handelt es sich um eine Vorrichtung, die nicht-keilförmige, kontinuierliche Rillen in einer Arbeitsoberfläche erzeugen kann. Das Werkzeug umfaßt einen Einsatz 36 mit einer harten, sehr kleinen Schneidkante 38 mit vorbestimmter Querschnittsform in Mikrongröße. Die Schneidkante kann in einer Walze 10 eine Rille 40 in einer Größe und mit einer Querschnittsform schneiden, die der Größe und Form von 36 entspricht, wenn sie bei entsprechender Kraft mit der Walzoberfläche eingreift, wie dies in Figur 10 durch den Pfeil 42 dargestellt ist, und wenn die Walze und der Einsatz im Verhältnis zueinander bewegt werden. Der Querschnitt des Einsatzes kann im wesentlichen dreiecksförmig (wie dies dargestellt ist), halbkreisförmig oder Gaußsche (glockenförmig) sein, und somit ist der Querschnitt nicht auf die durch den Strahl des Lasers 12 vorgesehene Keilform beschränkt. Der Einsatz 36 kann so bemessen sein, daß er in der Walze 10 Rillen mit einer Tiefe im Bereich von 0,25 bis 5 Mikron und einer Breite im Bereich von 2,5 bis 25 Mikron erzeugt. Bei dreiecksförmigen, halbkreisförmigen oder Gaußschen Rillen, wird die Tiefe an der Basis der Rillen gemessen, die sich in der Ebene der Walzenoberfläche befindet. Die Breite der Bereiche (52) zwischen den Rillen liegt im Bereich von fünf bis 300 Mikron. Wenn eine solche Rille in der Walze beim Walz- und Dickenreduzierungsverfahren mit dem Werkstoff 20 (Figur 9) eingreift, fließt der Werkstoff von 20 in die Rille, so daß eine Rippenstruktur gestaltet wird, die dem Querschnitt des Einsatzes angenähert ist.
Bei dem Werkstoff des Einsatzes 36 handelt es sich vorzugsweise um kubisches Bornitrid. Dieser Werkstoff ist handelsüblich und wird als Metallschneidwerkzeug verwendet. Die Schneidfläche dieses Nitridstoffes ist in Mikrongröße durch ein Diamantschleifwerkzeug bzw. durch Ionenstrahlbearbeitung auf geeignete Weise geformt.
In Figur 10 werden die Walze und das Werkzeug im Verhältnis zueinander bewegt, um die Rillen 40 zu bilden. Wenn die Rillen (im Aufriß) als eine einzige ununterbrochene, spiralförmige Rille gebildet werden, so kann die Walze um ihre Walzachse bewegt und das Werkzeug lateral verschoben werden.
Jede der durch den Einsatz 36 und den Laserstrahl 16 vorgesehenen Rillenformen ist so beschaffen, daß wenn die Dicke eines Metallstreifens bei der Durchführung zwischen den Arbeitswalzen eines Walzwerks reduziert wird, wobei diese Reduzierung unter sehr hohen Druckkräften geschieht, wie dies vorstehend beschrieben worden ist, das Metall des Streifens in die Rillen tritt, jedoch nicht in den Rillen zurückgehalten wird, so daß die Walze sauber bleibt und nicht von dem Metall des Streifens bedeckt wird. Dies kann durch die Verwendung eines Walzenüberzugs, z.B. mit Chrom, sichergestellt werden. Die Oberfläche des Streifens wird jedoch in keinem Fall durch an der Oberfläche der Walze haftende Reste beschädigt.
Nachdem die Rillen l4 durch den Laser 12 in der Oberfläche einer Walze gestaltet worden sind, wird die Walze poliert, um jegliche Ablagerungen von Walzenwerkstoff zu entfernen, die durch den Lufstrom von der Düse 18 noch nicht entfernt worden sind. In Figur 3 der Mikrobilder ist die Situation dargestellt, in der Materialablagerungen 10a der Walze noch nicht entfernt worden sind, welche an den Schrägen der Rillen in der Walze gezahnte Kanten bilden. Die gezahnten Kanten nehmen Material des Streifens 20 auf und betten dieses (20a) in den Oberflächenrillen ein. (Bei dem in der Figur 3 dargestellten eingebetteten Material 20a handelt es sich um eine Aluminiumlegierung 5182, wobei die Dicke des Materialstreifens um zwanzig Prozent reduziert worden ist.) Sobald das Streifenmaterial einmal eingebettet worden ist, kann es so gut wie überhaupt nicht mehr aus den Rillen entfernt werden. Aus diesem Grund muß jede Materialablagerung an den Schrägen der Rillen vor der Anwendung der Walze entfernt werden. Diese Ablagerungen können durch leichtes Polieren entfernt werden, wodurch die Walzentopographie ansonsten nicht beeinträchtigt wird. Bei einem geeigneten Poliervorgang wird die Walzenoberfläche manuell mit einem Tuch und einer feinen Diamantpaste glanzgeschliffen, wobei für die Entfernung von Ablagerungen natürlich auch andere Verfahren angewandt werden können. Die Lebensdauer der polierten Walze kann durch den Überzug der Walze mit einem Werkstoff, wie etwa mit Chrom, weiter verlängert werden.
In der Figur 4 der Mikrobilder ist eine Blechoberflächenstruktur 44 dargestellt, die anscheinend in eine Richtung ausgerichtet ist, doch tatsächlich ist die Ausrichtung verhältnismäßig willkürlich, und die Struktur ist mit kleinen mikroskopischen Rissen 46 versehen. Diese Risse erstrecken sich im allgemeinen quer zu der Walzrichtung. Sie sind das Ergebnis dicker Schmiermittelfilme 47, die lokal und in willkürlichen, schmalen und unterbrochenen Vertiefungen 48 in einer geschliffenen Walzenoberfläche 10b eingeschlossen sind, wie dies in Figur 5 übertrieben dargestellt ist. Die Figur 5 zeigt somit eine geschliffene Walzenoberfläche, die zur Darstellung der zufällig angeordneten Grobheit stark vergrößert abgebildet ist. Zwischen den Vertiefungen befinden sich schmale, diskontinuierliche Spitzen, die mit langgestreckten, diskontinuierlichen Vertiefungen 49 in der Oberfläche des Blechs 44 eingreifen und diese bilden, während die Dicke des Blechs reduziert wird. Das in den Vertiefungen 48 eingeschlossene Schmiermittel wird dadurch stark unter Druck gesetzt und gegen die Blechoberfläche gedrängt, da es nicht aus den Vertiefungen austreten kann. Der Druck reicht aus, um die Oberfläche des Blechs zu öffnen (Rißbildung). Dabei handelt es sich um das Problem aus den Figuren 4 und 5, wobei die Dicke des Blechs aus dem Mikrobild aus Figur 4 um 17% reduziert worden ist. Eine solche Oberfläche und Struktur ist graphisch und im Querschnitt auch in der Figur 6 der Zeichnungen dargestellt. Die Querschnittsansicht aus Figur 6 dient zur Darstellung der Strukturwillkürlichkeit in der Walzen- und Blechoberfläche.
In der Figur 7 der Zeichnungen ist die Struktur eines Blechs eines Aluminiums 5182 (200-fach vergrößert) dargestellt, wobei das Blech mit einer durch Funkenerosion bearbeiteten Arbeitswalze gewalzt worden ist. Durch diese Technik werden in der Walzoberfläche Gruben bzw. Mulden gestaltet. Wenn ein Aluminiumblech mit einer solchen mit Mulden versehenen Oberfläche gewalzt wird, so sammeln sich auf der Blechoberfläche Rückstände (die dunklen Bereiche aus Figur 7) in Form von Aluminiumoxid an, welches die Qualität der Blechoberfläche wesentlich verschlechtert. Die Oberflächenrückstände werden durch die willkürlich angeordnete Grobheit der Walze erzeugt, die einen "Schleifpapier"-Effekt erzeugt, d.h. es tritt ein feiner Partikelrückstand auf, der dem Rückstand entspricht, der erzeugt wird, wenn eine Holzoberfläche mit Schleifpapier abgeschliffen wird.
Folglich sind die Oberflächen des gewalzten Produkts aus den Figuren 4, 5, 6 und 7 matt, wobei das auf die Oberflächen auftreffende einfallende Licht 28 diffus von den Oberflächen reflektiert wird. Das diffus reflektierte Licht ist in Figur 6 durch die Bezugsziffer 50 gekennzeichnet. Das diffus reflektierte Licht aus Figur 6 steht im Gegensatz zu dem stark gebündelten, gerichtet reflektierten Licht 30 aus Figur 9. Die graphische Darstellung aus Figur 9 stellt die Oberfläche des Blechs 20 dar, wie dies durch das Mikrobild aus Figur 8 angezeigt wird, wobei die Oberfläche im wesentlichen keine Rückstände und Risse aufweist.
In bezug auf die Figuren 1, 2 und 10 sind die ununterbrochenen Rillen 14 bzw. 40 in der Walze 10 durch im wesentlichen glatte, verhältnismäßig breite Bereiche 52 getrennt, die sich wie die Rillen um die Walzoberfläche erstrecken, wobei die Breite der breiten Bereiche im Bereich von fünf bis 300 Mikron liegt. Die Breite dieser Bereich wird in jedem Fall gemäß den Walzparametern ausgewählt, wie etwa dem in der Dicke zu verringernden Werkstoff (Legierung), der Zusammensetzung des verwendeten Schmiermittels und der Geschwindigkeit des Walzvorgangs. Die Bereiche 52 sehen breite, glatte Auflagebereiche vor, die während dem Walzverfahren an dem Streifen 20 (Figur 8) anliegen, um auf der Oberfläche des Streifens breite, glatte, helle und ebene Oberflächen 26 zu gestalten. Die Bereiche 52 reduzieren die Dicke des Streifens 20 und Grenzschmierbedingungen, d.h., daß jedes zwischen den Walzoberflächen 52 und Streifenoberflächen 26 eintretende und vorhandene Schmiermittel von den breiten Bereichen von 52 in die in der Walze vorgesehene Rillen 14 bzw. 40 gedrängt wird, so daß während dem Walzverfahren zwischen den Oberflächen 52 und 26 so gut wie kein dicker Schmiermittelfilm verbleibt. Wenn das Schmiermittel die Rillen erreicht, wird es während sich die Walzen gegen den Streifen anliegend drehen, entlang den Rillen geleitet. Folglich ist das Schmiermittel nicht auf die gleiche Weise eingeschlossen, wie dies vorstehend in Verbindung mit den unterbrochenen Vertiefungen der geschliffenen Walzen beschrieben worden ist. Da das Schmiermittel nicht eingeschlossen wird, steigt der Druck des Schmiermittels auch nicht an und bewirkt auch keine Rißbildung in der Streifenoberfläche. In den breiten Bereichen von 52 und 26 ist kein Schmiermittel vorhanden, um die Streifenoberfläche zu öffnen, so daß der das Walzwerk verlassende Streifen im wesentlichen keine querverlaufenden Risse aufweist.
Ferner weisen auch die Oberflächen 26 ebenso wie die Oberfläche der Walze 10 keine Furchen und Kämme mit willkürlichen Größen auf. Die Oberfläche des Streifens 20 umfaßt nun eine Kombination aus breiten, im wesentlichen glatten Bereichen 26 mit genau ausgewählten Breiten, die durch Rippen 22 mit genauer Höhe, Breite und Konfiguration voneinander getrennt sind.
Bei dem Verfahren zur Reduzierung der Dicke des Streifens 20 "verschmieren" die Auflagebereiche 52 der Walze ferner die Oberfläche des Streifens, die mit den Auflagebereichen eingreift. Bei dem Verschmieren handelt es sich um einen Vorgang, bei dem die Kraft der an dem zu walzenden Streifen anliegenden Walzen sämtliche verbleibenden unebenen Profile auf der Streifenoberfläche glättet, so daß die gerichtete Reflexion der Oberfläche weiter verbessert wird.
Eine weitere Verbesserung des Reflexionsvermögens wird durch Hochpolieren der Oberfläche der Walze 10 vor der Bearbeitung durch den Laser 12 bzw. das Werkzeug 35 erreicht. Dadurch werden hochpolierte Auflagebereiche 52 vorgesehen, die deren polierte Eigenschaften während dem Verfahren zur Reduzierung der Dicke auf das gewalzte Produkt übertragen und somit das Glättungsverfahren verbessern.
Die erfindungsgemäße Walze 10 ist somit mit einer bearbeiteten, vorhersehbaren, nicht-willkürlichen Oberflächenbeschaffenheit und Struktur versehen, die durch einen Impulslaserstrahl 16 oder einen Schneideinsatz 36 möglich gemacht wird. Diese bearbeitete Walzenoberfläche sieht einen anisotropischen, vorhersehbaren, bearbeiteten Streifen vor, der eine verlangte, gleichmäßig hell glänzende Oberfläche aufweist. Die Struktur der Walze ist anisotropisch, da sie mit diskreten Rillen 14 bzw. 40 versehen ist, die durch Auflagebereiche 52 mit Abstand zueinander angeordnet sind, wobei die Auflagebereiche ein Verhältnis Abstand-Rille von 2,0 oder mehr aufweisen.

Claims

1. Verfahren zur Verringerung der Dicke von Metallwerkstoffen, umfassend folgende Schritte: Durchführen des in der Dicke zu verringernden Werkstoffs durch Arbeitswalzen eines Walzwerks;

Drehen der Walzen und Aufrechterhaltung einer Druckkraft auf den Werkstoff durch die Walzen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der Walzen (10) eine glatte Oberfläche und eine Walzoberfläche mit glatten Auflagebereichen (52) aufweist, die die durch mindestens eine sehr kleine, ununterbrochene Rille (14), die sich in mehreren Umdrehungen in der allgemeinen Walzrichtung um die Walze (10) erstreckt, mit Zwischenräumen versehen sind, wobei die glatte Oberfläche und die Schrägen der Rille (10) frei von jeglichen Werkstoffablagerungen sind, wobei die glatte Oberfläche und die Rille (10) einen Überzug eines harten, dichten Werkstoffs aufweisen, und wobei ein Schmiermittel an die Walzoberflächen der Arbeitswalzen geführt und in die sehr kleine Rille (l4) gedrängt wird, und zwar durch die gegen den Werkstoff (20) zwischen den Drehwalzen aufrechterhaltene Druckkraft, wodurch die Dicke des Werkstoffs zwischen den Walzen unter Grenzschmierzuständen wesentlich verringert wird, so daß in der Oberfläche des Werkstoffs keine Risse erzeugt bzw. vergrößert werden, und wobei die glatte Oberflächenbeschaffenheit der mindestens einen Walze (10) auch der Oberfläche des Metallwerkstoffes verliehen wird, welche die glatte Oberfläche der genannten Walze berührt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille (14) in der Walzenoberfläche unter Verwendung eines Laserstrahls (16) gestaltet wird, um den Werkstoff der Walzoberfläche zu verdampfen, wobei ein gasförmiger Strom neben Kontaktbereich zwischen dem Strahl und der Oberfläche gerichtet wird, um den Dampf vor dem Strahl herzubewegen, wenn die Walze (10) und der Strahl (16) relativ zueinander bewegt werden, wodurch die Walzenoberfläche in einem Bereich dieser vor dem Strahl vorerwärmt wird, wobei der fließende Dampf die Ablagerung von Walzenwerkstoff an den Schrägen der Rille und an für die Fokussierung des Laserstrahls (16) verwendeten optischen Geräten minimiert.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rille (40) durch ein Werkzeug (35) vorgesehen wird, welches im Querschnitt ein vorbestimmtes Profil und eine Schneidkante (38) in Mikrongröße aufweist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Auflagebereiche (52) im Bereich von fünf bis 300 Mikron liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Rille (14, 40) mindestens 2,5 Mikron und nicht mehr als fünfundzwanzig Mikron beträgt, wobei die Tiefe der Rille im Bereich von 0,25 bis fünf Mikron liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl (16) so fokussiert wird, daß er in die Walzenoberfläche eine keilförmige Rille (14) schreibt.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Mehrzahl diskreter, radialer Rillen an mit Zwischenabständen versehenen Stellen entlang der Länge der Walze (10) um diese herum erstrecken.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine einzige Rille spiralförmig um die Walze (10) erstreckt.

9. Walze (10) für ein Walzwerk, das zur Ausführung des Verfahrens gemäß Anspruch 1 geeignet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Walze eine glatte Oberfläche aufweist, und wobei sich mindestens eine ununterbrochene Rille (14) in mehreren Umdrehungen in der allgemeinen Walzrichtung um die Walze erstreckt, wobei sowohl die glatte Oberfläche als auch die Schrägen der Rille (14) frei von Werkstoffablagerungen sind, und wobei ein Überzug eines harten, dichten Werkstoffs die glatte Oberfläche und die Rille bedeckt.

10. Walze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine Mehrzahl diskreter, radialer Rillen an mit Zwischenabständen angeordneten Stellen entlang der Länge der Walze (10) um diese herum erstrecken.

11. Walze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich eine einzige Rille spiralförmig um die Walze (10) erstreckt.