DE69318959T2

DE69318959T2 - Schichtstoff aus Metallblech und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE69318959T2
Application number: DE69318959T
Authority: DE
Inventors: Pierre-Jean Cunat; Marc Mantel; Gilles Tremouilles
Original assignee: USINOR SA; Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
Current assignee: USINOR SA; Sollac SA
Priority date: 1992-12-31
Filing date: 1993-12-28
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2013-12-29
Also published as: EP0605327A1; ATE166835T1; FR2699839B1; ES2117699T3; DE69318959D1; FR2699839A1; EP0605327B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtstoffes aus Metallblech, genannt Sandwichblech, plan oder aufgespult, bestehend aus in einer Folge von Walzvorgängen hergestellten und Bänder bildenden Metallfolien unterschiedlicher metallurgischer Zusammensetzung.
Nach einem solchen bekannten Verfahren:
- wird wenigstens ein Band mit einem viskoelastischen Film bestrichen, der sich unter Wärme entfaltende adhäsive Eigenschaften hat,
- wird das bestrichene Band mit einem weiteren Band unter Ausbildung der Schichtstruktur verbunden,
- wird die Schichtstruktur gepreßt und erwärmt, damit der viskoelastische Film und die Metallbänder aneinander haften.
Ein derartiges Verfahren wird insbesondere eingesetzt, um ein Blech mit Schichtstruktur zu erzielen, das ein Band aus rostfreiem Stahl und ein Band aus nicht rostfreiem Stahl aufweist, wobei das zweite Band etwa fünfmal so stark ist wie das erste.
Eine derartige Struktur kann erzielt werden, wenn das Band aus nicht rostfreiem Stahl ein Band ist, das den Spannungen standhält, die von dem Band aus rostfreiem Stahl erzeugt werden, wenn dieses bei unterschiedlicher Wärmedehnung unter Spannung steht. Die relativ geringe Stärke des unter Spannung stehenden rostfreien Stahlbands vermeidet große Verformungen des anderen Stahlbands. Eine solche Struktur mit zwei unterschiedlich starken Blechen ist jedoch für einen Einsatz des Bleches insbesondere im Bereich des Tiefziehens ungeeignet.
Das größte Problem kommt daher, daß die linearen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, aus denen die Bänder bestehen, verschieden sind. Der Koeffizient für rostfreien Stahl ist höher als für Weichstahl, wodurch nach einer gleichmäßigen Erwärmung Restspannungen bestehen bleiben, wenn das mehrschichtige Blech abgekühlt ist, wobei das Band aus rostfreiem Stahl unter Spannung steht und das Band aus Weichstahl komprimiert wird.
Derartige Spannungen erzeugen eine Faltenbildung auf der komprimierten Seite, wodurch das Blech unbrauchbar wird.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Herstellung eines Bleches mit Schichtstruktur zu ermöglichen, das insbesondere gute Tiefzieheigenschaften hat.
Ihr Gegenstand ist ein Verfahren der oben definierten Art, dadurch gekennzeichnet, daß man jedes Band vor dem Pressen einer spezifischen Temperaturerhöhung derart unterwirft in Abhängigkeit von der metallurgischen Zusammensetzung eines jeden Bandes, daß jedes Band der gleichen vorherbestimmten linearen thermischen Ausdehnung unterliegt, wobei die Bänder jeweils auf die Temperaturen TAc und TAi erwärmt werden, so daß TAc x αAc = TAi x αAi, und wobei αAc und αAi die jeweiligen linearen Ausdehnungskoeffiziente der Materialien der beiden Bänder sind.
Nach anderen Merkmalen:
- erfolgt die spezifische Temperaturerhöhung der jeweiligen Bänder vor dem Bestreichen oder Auftragen des viskoelastischen Films;
- erfolgt die spezifische Temperaturerhöhung der jeweiligen Bänder nach dem Bestreichen oder Auftragen des viskoelastischen Films;
- erfolgt die spezifische Temperaturerhöhung der jeweiligen Bänder nach dem Zusammenfügen der Bänder;
- erfolgt die spezifische Temperaturerhöhung der jeweiligen Bänder nach dem Auftragen des viskoelastischen Films oder nach dem Zusammenfügen der Bänder und ist ausreichend, um gleichzeitig eine Haftung zwischen dem viskoelastischem Film und den Metallbändern zu erzeugen;
- wird die Schichtstruktur gleichzeitig mit dem Preßvorgang oder nach dem Preßvorgang zusätzlich erwärmt, um eine Haftung zwischen dem viskoelastischen Film und den Metallbändern zu erzeugen, wenn die spezifische Temperaturerhöhung eines jeden Bandes nicht ausreicht, um eine Haftung zwischen viskoelastischem Film und Metallbändern zu bewirken;
- wird ein Band aus rostfreiem Stahl mit einem Band aus Weichstahl zusammengefügt, wobei beide Bänder etwa gleich stark sind;
- weist das Band aus rostfreiem Stahl Tiefzieheigenschaften in Bezug auf Expansion und Einhalsung auf, die einem mit der Abkürzung LDR (Limiting Drawing Ratio) bezeichneten Grenzziehverhältnis entsprechen, das größer als 2 ist und vorzugsweise zwischen 2 und 2,2 liegt;
- weist das Band aus Weichstahl mechanische Eigenschaften mit einer Elastizitätsgrenze unterhalb von 180 N/mm² und einem LDR von 2,1 bis 2,3 auf;
- wird ein Band mit einem viskoelastischen Film bestrichen, der wahlweise aus einem flüssigen Harz mit einem Lösungsmittel, einer Emulsion in wäßriger Dispersion, einem thermoplastischen Material, einem Polymer oder einem Copolymer besteht.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Schichtstoff aus Metallblech, Sandwichblech genannt, das anhand des Verfahrens erzielt wird und aus Metallfolien unterschiedlicher metallurgischer Zusammensetzung besteht, die plan oder aufgespult sind und die in einer Folge von Walzvorgängen hergestellt sind. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Band aus rostfreiem Stahl und ein Band aus Weichstahl aufweist, die gleich stark oder annähernd stark sind und zwischen 0,05 und 1 mm liegen und durch einen viskoelastischen Film verbunden werden, dessen Stärke zwischen 20 und 100 um und vorzugsweise zwischen 50 und 80 um liegt.
Der rostfreie Stahl ist ein Austenitstahl und das Weichstahlband kann verchromt sein.
Ein sog. Sandwichblech mit Schichtstruktur besteht aus mindestens zwei kaltgewalzten Metallbändern unterschiedlicher metallurgischer Zusammensetzung, die plan oder aufgespult und untereinander durch eine Seele verbunden sind, welche die Kohäsion der Struktur gewährleistet.
Um dieses Blech zu erzielen, wird ein aus einer viskoelastischen Verbindung bestehender Film auf eine der Metallbänder aufgetragen. Diese Verbindung kann sich im Zustand eines solvatisierten Harzes oder extrudierten Films befinden. Je nach Art der Verbindung kann diesem Vorgang eine Verdunstung des Lösungsmittels folgen. Anschließend wird auf das von dem viskoelastischen Film bedeckte Band ein weiteres Band aufgebracht, um die Schichtstruktur zu bilden. Gleichzeitig mit dem kontinuierlichen Pressen der Schichtstruktur mit einem Druck zwischen beispielsweise 10&sup5; und 10&sup6; Pa wird deren Temperatur auf beispielsweise 180 bis 250 ºC erhöht, damit eine Haftung zwischen den Bändern und dem viskoelastischen Film erzielt wird.
Erfindungsgemäß wird jedes Metallband vor dem Pressen einer spezifischen Temperaturerhöhung unterzogen, die von metallurgischen Art eines jeden Bandes abhängt. Diese Erwärmung kann durch Induktion, Wärmeleitung, Joule-Effekt oder Infrarot-Strahlung erfolgen. Der Temperaturunterschied zwischen den beiden Bändern kann je nach angewendetem Verfahren zwischen ca. 40 und 100 ºC liegen und die Erwärmungszeit 5 bis 30 s betragen. Somit wird jedes Band einer festgelegten linearen Wärmedehnung unterzogen. Diese Temperaturerhöhung kann vor oder nach dem Auftragen des viskoelastischen Films erfolgen. Im letzteren Fall kann die unterschiedliche Temperaturerhöhung der Metallbänder ausreichen, um gleichzeitig die Polymerisation oder Härtung der Klebezwischenschicht wenigstens teilweise zu bewirken.
Zum Beispiel bildet ein Band aus rostreiem Stahl die erste Schicht und weist hohe Tiefzieheigenschaften in Bezug auf Expansion und Einhalsung auf. Es wird vorzugsweise rostfreier Austenitstahl verwendet, dessen LDR bei einer Stärke von 0,7 mm höher als 2,0 und die Erichsen-Tiefung höher als 11,5 mm ist.
Das zweite Stahlband ist aus Weichstahl mit einer relativ niedrigen d.h. bei 160 N/mm² liegenden elastischen Grenze und einem LDR von ca. 2,2. Bevor die Schichtstruktur erzeugt wird, kann das Band aus Weichstahl einer Chromatierungsbehandlung unterzogen werden, damit die Haftung des viskoelastischen Films begünstigt wird.
Das Band aus Weichstahl kann auch durch Galvanisation oder Elektroverzinkung überzogen werden.
Die beiden Bänder aus rostfreiem Stahl und Weichstahl haben eine etwa gleiche Stärke, die von 0,05 mm bis 1 mm gehen kann.
Der die beiden Bänder verbindende viskoelastische Film ist vorteilhaft ein Polymer, das wahlweise Polyvinylacetat, Polyvinylchlorid, Polystyrol oder Polybutadien sein kann, oder auch ein Copolymer, das wahlweise ein Copolymer Styrol/Butadien, Vinylacetat/Maleinsäureester, Acrylester/Styrol, Polyurethan oder Polyester sein kann oder ein Gemisch von Homopolymeren und Copolymeren sein kann.
Vorzugsweise enthält der viskoelastische Film ferner einen Weichmacher, der Dibutylphthalat, Tributylphosphat, Ester und/oder Polyester sein kann.
Die Zusammenfügungsvorgänge der Stahlbänder und des viskoelastischen Films erfolgen in einer Kalandrierstraße für lange zu Spulen aufgewickelte Bänder. Erfindungsgemäß ist es erforderlich, die Bänder aus Weichstahl stärker zu erhitzen, denn ihr linearer Ausdehnungskoeffizient αAc liegt unter dem linearen Ausdehnungskoeffizient αAi des rostfreien Austenitstahls. Zur Information: αAc ist gleich 12 10&supmin;&sup6; ºC&supmin;¹ und αAi ist gleich 18 10&supmin;&sup6; ºC&supmin;¹.
Das Band aus Weichstahl wird auf eine höhere Temperatur gebracht als das Band aus rostfreiem Stahl, damit die folgende Gleichung gegeben ist:
TAc x αAc = TAi x αAi
wobei TAc und TAi jeweils die spezifische Temperatur des Bands aus Weichstahl und des Bands aus rostfreiem Stahl darstellen.
Durch diese unterschiedliche Erhitzung sind die nach der Abkühlung verbleibenden Verformungen der Schichtstruktur praktisch unbedeutend.
Die durch das Verfahren erzielten Bleche mit Schichtstruktur werden industriell entwickelt, um folgende Hauptmerkmale zu erfüllen:
- erhöhte Rostbeständigkeit;
- Dämpfung der Vibrationen im Bereich der Resonanzfrequenz der Schichtstruktur;
- Dämpfung von Luftgeräuschen;
- Formgebungs- und Tiefzieheignung.
Da die Erfindung es ermöglicht, Bleche mit Schichtstruktur zu erzielen, die durch ihre allgemeine Konzeption und ihre Geometrie phonische und mechanische Eigenschaften für einen Einsatz insbesondere im Bereich des Tiefziehens bieten, werden nachfolgend die mit den Blechen verbundenen Eigenschaften, insbesondere die Dämpfungs- und Tiefzieheigenschaften, beschrieben.

- Dämpfung

Die Dämpfungseigenschaften werden durch die Messung des Dämpfungskoeffizienten oder Verlustfaktors β ermittelt, indem eine Vorrichtung verwendet wird, die auf der Hervorhebung der Resonanzspitzen bei ständiger Vibration beruht.
Zu diesem Zweck werden mehrschichtige Blechprobestücke mit genormten Maßen senkrecht angeordnet, wobei ein Ende eingefaßt und das andere frei ist. Diese Probestücke werden Zwangsvibrationen im Frequenzbereich von 10 Hz bis 1.500 Hz ausgesetzt.
Ein elektromagnetischer Sender erzeugt eine zum freien Ende querlaufende Vibration und ein identischer Empfänger mißt die Amplitude der Schwingung in der Nähe des eingefaßten Endes. Während einer Frequenzabtastung geht die Kurve der Sender-/Empfänger-Verstärkung (Resonanzkurve) über mehrere Spitzen, deren Breite direkt mit dem Dämpfungskoeffizienten verbunden ist. Wenn f. die Frequenz und Δf die Breite des Peaks auf halber Höhe ist, so ergibt sich der Verlustfaktor aus:
β = Δf/f.
Durch eine sehr feine Frequenzabtastung im Bereich der durch grobe Abtastung ermittelten Resonanzfrequenzen ist es möglich, eine Kurve zu ziehen, die den Dämpfungsfaktor β als Funktion der Frequenz darstellt.
Die Tabellen 1, 2 und 3 zeigen einerseits die Werte des Koeffizienten β eines Bleches mit Schichtstruktur als Funktion der Frequenz, und andererseits die Werte des Koeffizienten β als Funktion der Temperatur des Bleches bei zwei gegebenen Frequenzen.
In dem ersten Beispiel (Tabelle 1 und 2) besteht das erfindungsgemäße Blech aus einer mehrschichtigen Struktur, die von einer vorzugsweise 50 bis 80 um starken Seele gebildet wird, die zwischen die zwei gewalzten Bänder eingepreßt ist, wobei das eine Band aus 0,2 mm starkem rostfreiem Austenitstahl und das andere aus 0,2 mm starkem Weichstahl besteht. Die Seele beruht auf einem veränderten Polymer aus Polyvinylacetat. Die Zusammenfügung wird erreicht, indem die Schichtstruktur nach einer unterschiedlichen Erhitzung auf 200 bzw. 240 ºC einem Druck von 10&sup5; Pa ausgesetzt wird.
Der Dämpfungs- oder Verlustkoeffizient β liegt bei einem Frequenzbereich von 60 bis 1.500 Hz zwischen 0,05 und 0,12 (Tabelle 1). Bei Frequenzen von 500 bis 1.500 Hz und Temperaturen, die zwischen 30 und 120 ºC schwanken, liegt der Dämpfungskoeffizient β ebenfalls zwischen 0,05 und 0,12 (Tabelle 2). Tabelle 1: Dämpfungskoeffizient β als Funktion der Frequenz bei Umgebungstemperatur Tabelle 2: Dämpfungskoeffizient β als Funktion der Temperatur
Bei dem zweiten Beispiel ist das Polymer ein Polyester, alles andere ist gleich. Die Dämpfungskoeffizienten β liegen dann bei einem Frequenzbereich von 30 bis 360 Hz und einer Temperatur von 40 ºC zwischen 0,035 und 0,21 (Tabelle 3). Tabelle 3: Dämpfungskoeffizient β als Funktion der Frequenz bei 40 ºC

- Tiefziehen

Die Scherspannung des viskoelastischen Films liegt über 10 MPa. Diese Spannung wird mit Hilfe eines Zugstabes gemessen, der den der Scherspannung unterliegenden Polymerfilm beansprucht. Die verwendeten Polymere ermöglichen es, Scherspannungen über 10 MPa zu erreichen, was unbedingt erforderlich ist, um eine Faltenbildung beim Tiefziehen zu vermeiden.
Ferner muß während des Tiefziehvorgangs ein viel höherer Druck zwischen Ziehform und Niederhalter angelegt werden als bei einem monolithischen Blech gleicher Stärke.
Die Tabelle 4 zeigt die Tiefzieheigenschaften, die mit einem Blech mit Schichtstruktur erzielt werden, wobei die Gesamtstärke 0,5 mm und die Stärke des viskoelastischen Films 80 um beträgt. Bei all diesen Versuchen wird das Substrat aus rostfreiem Austenitstahl vom Typ 18 % Chrom und 9 % Nickel im Inneren des Ziehteils angebracht. Tabelle 4
β max. = Tiefzieh-Grenzverhältnis
H max. = Maximaltiefung (Bruch)

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schichtstoffes aus Metallblech, Sandwichblech genannt, plan oder aufgespult, bestehend aus Metallfolien unterschiedlicher metallurgischer Zusammensetzung, hergestellt in einer Folge von Walzvorgängen und unter Wärme verbunden, wobei man

- wenigstens ein Band mit einem viskoelastischen Film mit adhäsiven Eigenschaften bestreicht,

- das bestrichene Band mit einem weiteren Band unter Ausbildung der Schichtstruktur verbindet,

- die Schichtstruktur preßt, dadurch gekennzeichnet, daß man vor dem Pressen jedes Band einer spezifischen Temperaturerhöhung derart unterwirft in Abhängigkeit von der metallurgischen Zusammensetzung jedes Bandes, daß jedes Band der gleichen vorherbestimmten linearen thermischen Ausdehnung unterliegt, wobei die Bänder auf die Temperaturen TAc und TAi erwärmt werden, so daß TAc x αAc = TAi x αAi ist, worin αAc und αAi die jeweiligen linearen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien der beiden Bänder sind.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die spezifische Temperaturerhöhung der jeweiligen Bänder vor dem Bestreichen oder Aufbringen des viskoelastischen Films durchführt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die spezifische Temperaturerhöhung der jeweiligen Bänder nach dem Bestreichen oder Aufbringen des viskoelastischen Films durchführt.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die spezifische Temperaturerhöhung der jeweiligen Bänder vor dem Verbinden der Bänder durchführt.

5. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die spezifische Temperaturerhöhung der jeweiligen Metallbänder ausreichend ist, das gleichzeitige Anhaften zwischen dem viskoelastischen Film und den Metallbändern zu bewirken.

6. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man gleichzeitig mit dem Pressen oder nach dem Pressen eine zusätzliche Erwärmung des Schichtstoffes bewirkt, um das Anhaften zwischen dem viskoelastischen Film und den Metallbändern zu bewirken.

7. Verfahren gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Band aus rostfreiem Stahl und ein Band aus Weichstahl verbindet, wobei die Bänder die gleiche Stärke aufweisen.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus rostfreiem Stahl ein Ausbauchungsvermögen zur Ausdehnung oder Zusammenziehung aufweist, welches einem Ausbauchungsverhältnis oder LDR (Limiting Drawing Ratio) von größer als 2 entspricht.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus Weichstahl mechanische Eigenschaften mit einer Elastizitätsgrenze unterhalb von 180 N/mm² und einem LDR von 2,1 bis 2,3 aufweist.

10. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Band mit einem viskoeslastischen Film, ausgewählt aus einem flüssigen Harz mit einem Lösemittel, einer Emulsion in einer wäßrigen Dispersion, einem thermoplastischen Material, einem Polymer, einem Copolymer, bestreicht.

11. Schichtstoffe aus Metallblech, Sandwichblech genannt, plan oder aufgespult, bestehend aus Metallfolien unterschiedlicher metallurgischer Zusammensetzung, hergestellt in einer Folge von Walzvorgängen, erhalten gemäß mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß dieser ein Band aus rostfreiem Stahl und ein Band aus Weichstahl, mit gleicher oder ähnlicher Stärke, von 0,05 bis 1 mm, verbunden mit einem viskoelastischen Film, umfaßt.

12. Metallblech gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus rostfreiem Stahl ein austenitischer Stahl ist.

13. Metallblech gemäß mindestens einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Band aus Weichstahl chromatiert ist.