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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmebehandlungsverfahren für Aluminiumlegierungsblechmaterial,
wodurch die Anstrichsbackreaktion des Materials bzw. dessen sich
danach ergebenden Eigenschaften verbessert werden.
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Stand der Technik
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Aluminiumlegierungsblech
wird nunmehr in größerem Umfang
als Struktur- und Abschlussblechmaterial für Fahrzeugkarosserien eingesetzt,
zumal die Automobilhersteller danach trachten, den Kraftstoffverbrauch
durch Verringerung des Fahrzeuggewichts zu verbessern. Gewöhnlich werden
Aluminiumlegierungen entweder durch direkten Kokillenguss als Ingots
oder durch kontinuierlichen Guss in der Form eines dicken Streifenmaterials
hergestellt und dann auf eine vorläufige Dicke gewalzt. In einem
getrennten Arbeitsgang wird der Streifen dann auf die endgültige Dicke
kaltgewalzt und auf eine Spule gewickelt. Die Spule muss dann einer
Lösungswärmebehandlung
unterzogen werden, um die Stärkung
des gebildeten Blechs bei der Härtung eines
späteren
Anstrichs zu ermöglichen.
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Eine
Lösungswärmebehandlung
beinhaltet, dass das Metall auf eine entsprechend hohe Temperatur (z.B.
480 bis 580°C)
erhitzt wird, um die Auflösung
zu einer festen Lösung
aller löslichen
Legierungsbestandteile zu verursachen, die aus dem Ausgangsmetall
beim Heiß-
und Kaltwalzen ausgefällt
wurden, worauf rasch auf Umgebungstemperatur abgeschreckt wird,
um eine feste übersättigte Lösung zu
erzeugen (siehe z.B. "Metallurgy
for the Non-Metallurgist",
veröffentlicht
in 1987 von der American Society for Metals, S. 12-5, 12-6). Dann wird das
Metall fällungsgehärtet, indem
es bei Raumtemperatur (oder manchmal bei höherer Temperatur zur Beschleunigung
des Effekts) eine Zeit lang gehalten wird, um die spontane Bildung
von Feinausfällungen hervorzurufen.
Das Metall kann dann zusätzlich
gereinigt, vorbehandelt und vorgrundiert werden, bevor es an den
Fahrzeughersteller zur Fertigung von Karosserieblechen und dgl.
ausgeliefert wird.
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Es
ist in hohem Maße
wünschenswert,
dass das Legierungsblech, bei Auslieferung an den Hersteller, relativ
leicht verformbar ist, auf dass es zu den gewünschten Formen ohne Schwierigkeit
und übermäßigen Ausschuss
gestanzt und geformt werden kann. Allerdings ist es auch erwünscht, dass
die Bleche, sobald sie gebildet und einer normalen Anstrichs- und
Backprozedur unterzogen worden sind, relativ hart sein sollen, auf dass
Dünnblech
angewandt werden kann und dennoch eine gute Kerbbeständigkeit
ergibt. Der Zustand, in welchem das Legierungsblech an den Hersteller
geliefert wird, wird als T4-Temper bezeichnet, und der Endzustand
des Legierungsblechs nach dem Anstrichs/Back-Zyklus (der durch einen
2%-Streckvorgang und einen Backvorgang bei 177°C über 30 min simuliert werden
kann) wird als T8X-Temper bezeichnet. Zielsetzung ist es daher,
ein Legierungsblech zu produzieren, das eine relativ niedrige Streckgrenze
im T4-Temper und eine hohe Streckgrenze im T8X-Temper auweist.
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Ein
Nachteil der herkömmlichen
Lösungswärmebehandlung
mit nachfolgender herkömmlicher
Alterungshärtungsstufe
ist es, dass die sogenannte "Anstrichsbackreaktion" (die Änderung
bei der Streckgrenze von einem wünschbaren
T4-Temper zu einem wünschbaren
T8X-Temper, verursacht durch Anstreichen und Backen) Schaden nehmen
kann.
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Ein
weiterer Nachteil bestimmter Lösungswärmebehandlungsverfahren
des Standes der Technik ist es, dass dabei das Metall in aufgespulter
Form behandelt werden soll und, als Ergebnis (wegen der großen Masse
an Metall, die auf einmal behandelt werden muss), in einem Chargen-Betrieb,
bei dem die Wärmebehandlungsbedingungen
weniger steuerbar sind, die Haltezeiten länger und eine präzise und
einheitliche Temperatursteuerung nur schwierig durchführbar sind
und hohe Erwärmungs-
und Abkühlgeschwindigkeiten
nicht erreicht werden können.
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Es
besteht daher ein Bedarf nach verbesserten Behandlungsverfahren
von Aluminiumlegierungsblechmaterial, die es ermöglichen, die Anstrichsbackreaktion
zu steigern (den T4- nach
T8X-Festigkeitsanstieg) zu erhöhen,
und die vorzugsweise kontinuierlich durchgeführt werden können, d.h.
auf einem Abschnitt des sich bewegenden Blechs, wobei das Blech
in einer Spule-zu-Spule Behandlungsstrecke verarbeitet wird.
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In
JP 5-44000 von Mitsubishi
Aluminum KK, veröffentlicht
am 23.02.1993, ist eine Umkehrbehandlung für Aluminiumblech offenbart,
wobei die T4-Streckgrenze (zur besseren Formbarkeit) nach einer
langen Periode natürlicher
Alterungshärtung
erniedrigt wird. Nach einer Lösungswärmebehandlung,
Abschreckung und natürlichen
Alterungshärtung
wird das Aluminiumblech auf 200 bis 260°C erwärmt und bei der Spitzenmetalltemperatur
3 bis 80 s lang gehalten
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In
JP 5-279822 von Sumitomo
Light Metal Industries Co., veröffentlicht
am 28.10.1993, ist eine Wärmebehandlung
einer Aluminiumlegierung zur Verbesserung der Anstrichsbackreaktion
offenbart. Nach Lösungswärmebehandlung
und Abschreckung wird das Aluminiumlegierungsblech auf 15 bis 120°C innerhalb
1 Tag 1 h lang oder kürzer
erwärmt
und dann auf 200 bis 300°C
1 min lang oder kürzer
erhitzt.
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In
JP 2-209457 von Kobe Steel
Ltd., veröffentlicht
am 20.08.1990, ist eine Modifikation einer herkömmlichen kontinuierlichen Glühlösungswärmebehandlungsstrecke
zur Verbesserung der Anstrichsbackreaktion von Aluminiumblechmaterial
offenbart. Eine Wiedererwärmungsvorrichtung
wird am Ende der Linie/Strecke zugefügt, um das Aluminiumblech sofort
nach der Lösungswärmebehandlung
und Abschreckung erneut zu erwärmen.
Für andere
Offenbahrungen in Bezug auf Wärmebehandlungen
zur Steuerung der Alterung in Aluminiumlegierungen weisen wir auf
die JP-A-(1993) 70908 und die
1990-209547 sowie
die
US-A-4897124 und
die
48080247 und die
EP-A-616044 (Stand
der Technik gemäß Art. 54(3)
EPÜ).
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Die
Gegenstände
dieser Literaturstellen führen
jedoch nicht zu dem gewünschten
Ausmaß an
Verbesserungen.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein lösungswärmebehandeltes Aluminiumlegierungsblechmaterial
bereitzustellen, das eine gute Anstrichsbackreaktion aufweist, wenn
es herkömmlichen
Anstrich- und Backzyklen unterzogen wird.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Metallstabilisierwärmebehandlungsverfahren
anzugeben, das an Aluminiumblech auf kontinuierlicher Basis nach
einer Lösungswärmebehandlung
ohne nachteile Auswirkung auf die angestrebten T4- und T8X-Temper
des Materials durchführbar
ist.
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Noch
eine Aufgabe der Erfindung ist es, die nachteiligen Auswirkungen
der sofortigen natürlichen
Alterungshärtung
nach einer Lösungswärmebehandlung
von Aluminiumlegierungsblechmaterial auf die "Anstrichsbackreaktion" des Metalls herabzusetzen.
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Schließlich ist
es noch eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Aluminiumlegierungsblechmaterial
zu erzeugen, das eine niedrige Streckgrenze im T4-Temper und eine
hohe Streckgrenze im T8X-Temper aufweist.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines lösungswärmebehandelten
Aluminiumlegierungsblechmaterials angegeben, das sich zur Verwendung
in der Fabrikation von Automobilblechteilen eignet, die durch die
Stufen der Formung und des Backens eines Anstrichs gefertigt werden,
umfassend die Schritte, wie sie unten in Anspruch 1 dargelegt sind.
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Die
anschließende
Wärmebehandlung
(oder die erste derartige Behandlung, wenn mehr als eine angewandt
werden) wird innerhalb 12 h der Abschreckungsstufe, die die Lösungserhitzungsbehandlung
beendet, gestartet werden, um eine Herabsetzung der Streckgrenze
des Metalls in seinem sich ergebenden T8X-Temper zu vermeiden. Noch
bevorzugter wird die anschließende
bzw. nachfolgende Wärmebehandlung
innerhalb 1 h der Abschreckstufe durchgeführt, und in kontinuierlichen
Verfahren wird der Zeitaufschub gewöhnlich auf eine Sache von Sekunden
verringert.
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Das
sich ergebende wärmebehandelte
Material ist im allgemeinen dann stark und fest genug, um (falls gewünscht) die
Notwendigkeit einer natürlichen
Alterung (d.h. einer Haltestufe bei Raumtemperatur 48 h lang oder
länger)
zu eliminieren, bevor es einer Fabrikationsstufe unterzogen wird,
z.B. auf Länge
geschnitten und/oder zu Automobil-Stanzteilen geformt wird. Das Material
kann bis zu 10% niedriger bei der Festigkeit im T4-Temper (nach
1 Woche natürlicher
Alterung) liegen und bis zu 50% stärker im T8X-Temper als herkömmlich erzeugtes Blechmaterial
aus einer identischen Legierung sein. Außerdem kann das Verfahren gegebenenfalls in
die herkömmlichen
Trocknungs-, Vorbehandlungshärtungs-
und Grundierhärtungsvorgänge integriert
werden, die Teil der Reinigungs-, Vorbehandlungs- bzw. Vorgrundiervorgänge sind,
die zur Erzeugung eines mit einem Voranstrich versehenen Blechprodukts
notwendig sind. Alternativ dazu, kann das Verfahren der vorliegenden
Erfindung auch auf blankes Blech angewandt werden. In jedem Fall
kann die Wärmebehandlung
der vorliegenden Erfindung mit einer herkömmlichen Lösungserhitzungsbehandlung des
Materials integriert und angewandt werden, um dann entweder blankes
oder gereinigtes, vorbehandeltes und vorgrundiertes Material in
1 kontinuierlicher Betriebsweise zu fertigen.
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In
der vorliegenden Anmeldung wird, wie aus der obigen Beschreibung
ersichtlich, auf die Begriffe T4-Temper und T8X-Temper Bezug genommen.
Um der Klarheit willen, werden diese Begriffe nun in einigem Detail
beschreiben.
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Der
als "T4"-Temper bezeichnete
Temper ist gut bekannt (siehe z.B. "Aluminum Standards and Data", (1984), S. 11,
veröffentlicht
von der Aluminum Association). Die in der vorliegenden Erfindung
verwendeten Aluminiumlegierungen verändern kontinuierlich ihre Zugspannungseigenschaften
nach dem Lösungserhitzungsverfahren,
und der T4-Temper bezieht sich auf die Zugspannungseigenschaften
des Blechs, nachdem derartige Änderungen
bis zu einem vernünftigen
Grad stattgefunden haben, aber noch vor Änderungen, die durch herkömmliche
Anstrichs- und Backverfahren herbeigeführt werden.
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Der
T8X-Temper mag weniger gut bekannt sein, und er bezieht sich hier
auf ein T4-Tempermaterial, das einer Spannungsverformung um 2% und
einer anschließenden
30minütigen
Behandlung bei 177°C
unterzogen worden ist, um die Formungs- plus Anstrichshärtungsbehandlung
(simulierend) darzustellen, die in typischer Weise bei Automobilblechteilen
durchgeführt
werden.
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Der
hier verwendete Begriff "Anstrichsbackreaktion" bedeutet die Änderung
bei den Zugspannungseigenschaften des Materials, und zwar so wie
sich das Material vom T4-Temper zum T8X-Temper beim tatsächlichen
Anstrichs- und Backvorgang verändert.
Eine gute Anstrichsbackreaktion ist eine, die den Anstieg der Zugspannungsstreckgrenze
bei diesem Verfahren maximiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung einer Temperatur-gegen-die-Zeit-Kurve,
die eine Simulation einer kontinuierlichen Hitzebehandlungs- und
Glüh-(CASH)-Linie/Strecke
mit gemäß der vorliegenden
Erfindung durchgeführter
Wiedererwärmungsstabilisierstufe
zeigt; und
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2 ist
eine Darstellung von Temperatur-gegen-die-Zeit-Profilen, erhalten gemäß den unten
angegebenen Beispielen.
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Beste Ausführungsformen der Erfindung
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Wie
bereits festgestellt, wird im Verfahren der vorliegenden Erfindung
mindestens eine anschließende Wärmebehandlung
(d.h. eine bei niedriger Temperatur erfolgende erneute Erwärmungsstufe)
sofort oder kurz nach einer Standard-Lösungserhitzungsbehandlung und
Abschreckung eines Aluminiumlegierungsbleches eingeführt.
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Zum
Erreichen des angestrebten Effekts der vorliegenden Erfindung ist
die Temperatur des Blechmaterials nach der Abschreckstufe, die die
Lösungserhitzungsbehandlung
beendet, 60°C
oder niedriger. Das Blechmaterial wird dann einer oder einer Reihe
von anschließenden
Wärmebehandlungen
unterzogen, in welchen das Metall auf eine Temperatur im Bereich
von 100 bis 300°C
(vorzugsweise von 130 bis 270°C)
erwärmt wird,
worauf es abgekühlt
wird. Bei der (oder der jeweiligen) Wärmebehandlung wird das Metall
direkt auf eine Spitzentemperatur erwärmt, und bei der Spitzentemperatur
eine sehr kurze Verweilzeit lang gehalten und dann direkt unter
eine bestimmte Endtemperatur abgekühlt (diese Behandlungen werden
als "Behandlung
mit einer Temperaturspitze" ("spiking") bezeichnet, da
das Profil einer Temperatur-gegen-die-Zeit-Kurve für derartige Verfahren
eine im allgemeinen dreieckig gepunktete oder leicht abgestumpfte "Spitze" ("spike") ergibt). Die Verweilzeit
bei der Maximaltemperatur beträgt
5 s oder weniger und bevorzugt 1 s oder weniger. Diese Verfahrensweise
hat den Effekt, dass eine gute Duktilität des Metalls im T4-Temper
beibehalten und gleichzeitig die Anstrichsbackre-aktion maximiert
werden.
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In
der (oder der jeweiligen) anschließenden Wärmebehandlungsstufe wird das
Blechmaterial direkt auf die Spitzentemperatur im festgelegten Bereich
mit einer Geschwindigkeit von 10°C/min
oder schneller (vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit im Bereich
von 5 bis 10°C/s)
erwärmt
und dann direkt von der Spitzentemperatur auf eine Temperatur im
Bereich von 55 bis 85°C
mit einer Geschwindigkeit von 4°C/s
oder schneller (bevorzugter von 25°C/s oder schneller) abgekühlt.
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Der
Grund, warum der vorliegende Erfindungsgegenstand dahingehend wirksam
ist, dass eine gute Reaktion bzw. ein entsprechendes Verhalten nach
einem später
erfolgenden Anstrichsbackvorgang beibehalten bleiben, ist nicht
genauer bekannt, es gibt aber eine Theorie, dass der folgende Mechanismus
eine Rolle spielt. Bei der Lösungserhitzungs behandlung
werden die Partikel der zweiten Phase, die beim Heiß- und Kaltwalzen
gebildet werden, oberhalb der Gleichgewichts-Solvus-Temperatur (480
bis 580°C)
erneut aufgelöst, und
eine rasche Abkühlung
des Materials danach während
der Abschreckstufe unterdrückt
die Wiederausfällung
der gelösten
Anteile. Bei dieser Stufe ist das Material übersättigt mit gelösten Stoffen
und überschüssigen Leerstellen.
Die übersättigte feste
Lösung
ist hoch instabil, und sie zerfällt,
wenn eine herkömmliche
natürliche Alterung
durchgeführt
wird, um Zonen und Kluster zu bilden, was die Festigkeit des Materials
erhöht,
die Festigkeit im T8X-Temper aber deutlich absinken lässt. Die
Anwendung der bei niedriger Temperatur durchgeführten anschließenden Wärmebehandlung
bzw. der entsprechenden jeweiligen weiteren Wärmebehandlungsstufen soll gemäß der vorliegenden
Erfindung dazu führen,
dass stabile Kluster und Zonen erzeugt und geschaffen werden, die
eine Ausfällung
der härtenden
Partikel durch die Stamm-Metallmatrix
hindurch fördern
und begünstigen
und die Festigkeit der Legierung im T8X-Temper verbessern. Das Ausmaß der tatsächlich erreichten Verbesserung
hängt von
der Legierungszusammensetzung und den angewandten Spitzentemperaturen
ab.
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Es
ist herausgefunden worden, dass in einigen Fällen, die natürliche Alterung,
die auf die anschließende(n)
Wärmebehandlung(en)
folgt, zu einem gewissen Festigkeitsverlust im T8X-Temper führt. Dieser
kann verringert oder eliminiert werden, indem eine Voralterungsstufe
durchgeführt
wird, die auf die oben genannten anschließenden Wärmebehandlungen folgt. Diese
Voralterung wird durch Abkühlung
des Materials von einer Temperatur im Bereich von 55 bis 85°C mit einer Geschwindigkeit
von weniger als 2°C
pro h durchgeführt,
welche auf die (oder die endgültige)
anschließende
Wärmebehandlung
folgt. In solch einem Fall würde
daher die (oder die endgültige)
anschließende
Wärmebehandlung
eine Abkühlung
des Metalls auf eine Temperatur im Bereich von 55 bis 85°C mit der
festgelegten Geschwindigkeit von 4°C/s oder schneller (bevorzugter
von 25°C/s
oder schneller) beinhalten, worauf das Metall auf Umgebungstemperatur
mit einer Geschwindigkeit von weniger als 2°C/h abgekühlt wird.
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Die
Anwendung von lediglich einer einzigen anschließenden Wärmebehandlungsstufe reicht
gewöhnlich
hin, um das angestrebte Ergebnis zu erzielen, es ist aber dann bevorzugt,
das Metall auf eine Spitzentemperatur im oberen Teil des festgelegten
Bereichs, d.h. auf eine Temperatur im Bereich von 190 bis 300°C, zu erwärmen.
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Bevorzugter
werden allerdings mehr als eine anschließende Niedertemperaturerwärmungsbehandlungsstufe,
z.B. 2 bis 4, angewandt. Meistens erfolgen drei derartige Behandlungsstufen,
die in die Reinigungs-/Trocknungs-, Vorbehandlungs/Härtungs-
und Vorgrundier/Härtungsverfahrensstufen
eingegliedert werden, die gewöhnlich
bei der Fabrikation eines vorab angestrichenen Spulenprodukts durchgeführt werden. Diese
Verfahrensabläufe
schließen
eine kontinuierlich durchgeführte
Reinigung und Vorbehandlung des Materials vor einem Anstrich und
dessen Härtung
ein. In der vorliegenden Erfindung werden die herkömmlichen Temperaturen
und Erwärmungs-
und Abkühlgeschwindigkeiten,
die in diesen bekannten Stufen angewandt werden, durch die oben
beschriebenen Temperaturen und Geschwindigkeiten ersetzt. Dies geschieht
ohne nachteilige Auswirkung auf die Reinigungs-/Trocknungs-, Vorbehandlungs/Härtungs-
und Vorgrundier/Härtungsverfahrensstufen,
zumal die in der vorliegenden Erfindung angewandten Temperaturen
und Geschwindigkeiten kompatibel mit diesen bekannten Stufen sind.
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Die
erforderlichen Wärmebehandlungen
können
ausgeführt
werden, indem das kaltgewalzte Material durch eine integrierte kontinuierliche
Glüh-Lösungs-Wärme-(Continuous
Anneal Solution Heat)-(CASH)-Linie/Strecke (auch bekannt als Kontinuierliche
Glüh-Linie/Strecke
(Continuous Anneal Line) (CAL)) geleitet wird, worin die oben genannten
Oberflächenbehandlungsstufen
eingeschlossen werden, durch welche die erforderliche Stabilisier-Wiedererwärmungsstufe
oder die jeweiligen weiteren Stufen bereitgestellt werden. Somit
kann das Verfahren in einer bevorzugten Ausführungsform aus den folgenden
Stufen bestehen:
- (1) Lösungserhitzungsbehandlung/rasche
Abkühlung
- (2) Nivellierung
- (3) Reinigung/Trocknung
- (4) Vorbehandlung/Härtung
- (5) Vorgrundierung/Härtung
- (6) Spulenkühlung.
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In
eine jede oder mehrere der obigen Stufen (3) bis (5) kann eine gemäß der Erfindung
durchzuführende
Stabilisationserwärmungsbehandlung
eingegliedert werden.
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Ein
typisches Temperaturprofil, das eine solche Reihe von Stufen ergibt,
ist in 1 der beigefügten Zeichnungen
als ein Beispiel dargestellt. Die erste Temperaturspitze von links
in dieser Zeichnung zeigt eine Lösungserhitzungsbehandlung
(Solution Heat Treatment) (SHT) und rasche Abkühlung auf Raumtemperatur (eine
Temperatur unterhalb ca. 60°C).
Das Metallblech wird dann einer gegebenenfalls durchzuführenden Streckung
von nicht mehr als 2% und gewöhnlich
von ca. 0,2%, welche einige Sekunden braucht, als Routine-Nivellierstufe
unterzogen. Dabei wird der Streifen über besonders angeordnete Walzen
gestreckt, um die Welligkeit zu beseitigen. Drei anschließende Wärmebehandlungen
werden dann gemäß der vorliegenden
Erfindung in Abfolge durchgeführt,
währenddessen
das Metall auf die Spitzentemperaturen (105°C, 130°C und 240°C) weniger als 1 s lang erwärmt wird.
In einer in 1 gezeigten Endstufe wird das
Blech einer gesteuerten Voralterungsstufe unterzogen, die vorzugsweise
durch gesteuerte Abkühlung
von einer Temperatur von ca. 85°C
mit einer Geschwindigkeit von weniger als 2°C/h durchgeführt wird. In einem technischen
Betriebsablauf würde
diese Stufe nicht wirklich Teil des kontinuierlichen Verfahrens
sein und abseits der Strecke erfolgen, nachdem der Streifen erneut
aufgespult worden ist.
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Wie
aus den Bezeichnungen in 1 ersichtlich, sind die Stabilisations-Erwärmungsbehandlungen
in die herkömmlichen
Reinigungs/Trocknungs-, Vorbehandlungs/Härtungs- und Vorgrundier/Härtungsstufen
eingegliedert. Die endgültige
(eigentliche) Wärmebehandlung
ist als eine endgültige
(eigentliche) Voralterungsstufe (Vorbehandlungsstufe) dargestellt.
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Die
Schritte des Verfahrens gemäß der Erfindung
werden nun noch detaillierter durch die vorliegenden Beispiele erläutert.
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Beispiel 1
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Die
in der folgenden Tabelle 1 angegebenen Legierungen wurden in diesem
Beispiel eingesetzt. Diese Legierungen lagen in der Form von Blechen
einer Dicke von 0,1 cm (0,039 Inch) vor. TABELLE 1 NOMINAL-ZUSAMMENSETZUNGEN VERSCHIEDENER
ANWENDUNGSLEGIERUNGEN (IN GEWICHTSPROZENT)
Legierungen | Cu | Fe | Mg | Mn | Si | Ti |
X
611* | <0,01 | 0,15 | 0,77 | <0,01 | 0,93 | 0,06 |
AA6111 | 0,78 | 0,11 | 0,81 | 0,16 | 0,60 | 0,08 |
AA6009 | 0,33 | 0,23 | 0,49 | 0,31 | 0,80 | |
AA6016 | 0,10 | 0,29 | 0,40 | 0,08 | 1,22 | 0,01 |
AA2036 | 2,2 | 0,15 | 0,18 | 0,10 | 0,18 | |
KSE* | 1,10 | 0,15 | 1,22 | 0,08 | 0,26 | |
KSG* | 1,52 | 0,15 | 1,22 | 0.08 | 0,33 | |
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Diese
Legierungen lagen anfänglich
im durch Lösungserhitzung
handelten und natürlich
gealterten Zustand vor, und es wurden Zugspannungsproben aus diesen
Legierungen hergestellt. Die Proben wurden erneut bei 560°C 30 s lang
lösungserhitzungsbehandelt
und dann rasch abgekühlt.
Die Zugspannungseigenschaften des durch Lösungserhitzung behandelten
Materials wurden in T4- und T8X-Tempern nach 1 Woche natürlicher
Alterung bestimmt und ermittelt. Zu Vergleichszwecken wurden die
Eigenschaften sofort nach der Lösungserhitzungsbehandlung
und Abschreckung ebenfalls bestimmt und ermittelt.
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Zur
Untersuchung der Effekte der angewandten Niedertemperaturerwärmungs-Behandlungen
wurden die erneut mit einer Lösungserhitzung
behandelten Proben sofort einer Behandlung mit einer Temperaturspitze zwischen
100 und 270°C
in einem Förderband-Ofen
unterzogen und rasch auf unter 100°C abgekühlt. 2 zeigt
die Erwärmungsprofile
(a) bis (g), die in typischer Weise in der Behandlung angewandt
wurden. Diese Profile wurden durch Erwärmen des Blechs in einem Förderband-Ofen
erhalten, dessen Temperatur auf 320°C festgelegt worden war. Die
Profile (a) bis (g) wurden durch Abänderung der Bandgeschwindigkeiten
wie folgt (ausgedrückt
in m/min (Fuß/min)
erhalten: (a) 6,8 (22,3); (b) 6,25 (20,5); (c) 5,33 (17,5); (d)
4,42 (14,5); (e) 3,5 (11,5); (f) 2,6 (8,5); und (g) 1,68 (5,5).
Die Verzögerung
zwischen den thermischen Spitzen wurde auf einem Minimum gehalten.
Zum Vergleich der Stabilität
des Materials nach verschiedenen Wärmebehandlungen wurde Zugspannungstests
in T4 und T8X-Tempern sowohl mit als auch ohne 1 Woche natürlicher
Alterung durchgeführt.
Einige Proben wurden der zusätzlichen
Voralterungsbehandlung gemäß der Erfindung
im Bereich von 55 bis 85°C
in einem Ofen 8 h lang unterzogen, worauf auf Umgebungstemperatur
abgekühlt
wurde. Dies erfolgte, um im Labor mit Teststücken die Situation eines Spulenstreifens
in der Praxis bei einer Temperatur von 55 bis 85°C zu simulieren, und dann ließ man die
Spulen auf natürliche
Weise mit einer Geschwindigkeit von weniger als 2°C/h abkühlen.
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Zugspannungstests
wurden an Duplikat-Proben in verschiedenen Tempern mit einer Roboter
betriebenen INSTRON®-Testmaschine durchgeführt. Die
Festigkeitswerte wurden als genau innerhalb ±1% ermittelt, während die
Gesamtdehnung (EL%) um ±5%
schwanken konnte.
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Unter Lösungserwärmung behandelte und natürlich gealterte
Materialien
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Die
Zugspannungeigenschaften YS der Materialien im Ist-Zustand, 1 Woche
natürlich
gealtert (T4) und im T8X-Zustand (2%-Streckung und dann 30 min bei
177°C) sind
in Tabelle 2 angegeben: TABELLE 2 ZUGSPANNUNGSEIGENSCHAFTEN DES LÖSUNGSWARMEBEHANDELTEN
UND 1 ZYKLUS AUSGESETZTEN MATERIALS
Legierung | PMT (°C) | keine natürliche Alterung | 1 Woche
natürliche
Alterung |
| | Ist-Zustand | T8X | T4 | T8X |
| | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL |
AA6111 | Vergleich | 625,7
(8,9) | 29 | 2980,7
(42,4) | 14 | 1427,1
(20,3) | 27 | 2102,0
(29,9) | 23 |
| 130 | 653,8
(9,3) | 31 | - | - | 1265,4
(18,0) | 27 | 2165,2
(30,8) | 21 |
| 240 | 1033,4
(14,7) | 24 | 3212,7
(45,7) | 13 | 1462,3
(20,8) | 25 | 2727,6
(38,8) | 18 |
AA6016 | Vergleich | 787,4
(11,2) | 29 | 1975,4
(28,1) | 18 | 1195,1
(17,0) | 32 | 1834,8
(26,1) | 24 |
| 130 | 878,8
(12,5) | 29 | 2256,6
(32,1) | 17 | 1068,6
(15,2) | 29 | 2151,2
(30,6) | 24 |
AA6009 | Vergleich | - | - | - | - | 1258,4
(17,9) | 27 | 1806,7
(25,7) | 21 |
| 240 | 604,6
(8,6) | 28 | 2720,6
(38,7) | 14 | 1153,0
(19,0) | 27 | 2031,7
(28,9) | 19 |
KSE | Vergleich | - | - | - | - | 1335,7
(19,0) | 25 | 1841,9
(26,2) | 25 |
| 240 | 857,7
(12,2) | 26 | 2095
(29,8) | 20 | 1117,8
(15,8) | 26 | 2052,7
(29,2) | 21 |
- Anmerkung: In der obigen Tabelle bedeutet
PMT Peak Metal Temperature (Spitzenmetalltemperatur), YS bedeutet
Yield Strength (Streckgrenze), KSI bedeutet Kilopounds/Square Inch
und %EL bedeutet Prozent-Dehnung.
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In
allen Fällen
sind die Eigenschaften der Vergleichsproben (siehe Tabelle 2) typisch
für ein
Material, das in herkömmlicher
Weise gefertigt wurde. Das AA6111-Material des Ist-Zustands ergab
625,7 kg/cm2 (8,9 ksi) YS und war um ca.
375% auf 2980,7 kg/cm2 (42,4 ksi) in T8X-Temper
erhöht.
Nach 1 Woche natürlicher Alterung
betrugen die YS-Werte in den T4- und T8X-Tempern 1427,1 bzw. 2102,0
kg/cm2 (20,3 bzw. 29,9 ksi). Es sollte angemerkt
sein, dass natürliche
Alterung über
1 Woche die Streckgrenze in T4-Temper um ca. 130% erhöhte und
die T8X-Reaktion um ca. 25% verringerte.
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Das
AA6016-Material ergab 787,4 bzw. 1975,4 kg/cm2 (11,2
bzw. 28,1 ksi) Streckgrenze in den Ist- bzw. T8X-Tempern. Nach 1
Woche natürlicher
Alterung, wie bei AA6111, erhöhte
sich die Streckgrenze im T4-Temper auf 1195,1 kg/cm2 (17
ksi), während
der T8X-Wert auf 1834,8 kg/cm2 (26,1 ksi)
absank. Es sollte allerdings angemerkt sein, dass das Ausmaß des Festigkeitsverlustes
wegen natürlicher
Alterung in diesem Fall viel geringer, verglichen mit dem des AA6111-Materials,
war.
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Die
Zugspannungseigenschaften der weiteren Legierungen zeigten ebenfalls
einen Trend ähnlich
dem der AA6016- und AA6111-Materialien.
-
Effekt thermischer Behandlung
auf die Eigenschaften von durch Lösungserwärmung behandeltem Material
-
1 Zyklus
-
In
obiger Tabelle 2 sind auch die Ergebnisse von Zugspannungstests
an AA6111-, AA6016-, AA6009- und KSE-Materialien angegeben, nachdem sie einer
Temperaturspitze (PMT) bei 130 oder 240°C in einem Förderband-Ofen ausgesetzt wurden.
Wie erwartet, stieg der Wert der Streckgrenze im Ist-Zustand und
in den T8X-Tempern wegen Behandlung mit der thermischen Spitze bei
130 oder 240°C
an. In allen Fällen,
ausser bei AA6111, behandelt mit Erwärmungsspitze bei 240°C, waren
die Werte der Streckgrenze des 1 Woche lang natürlich gealterten Materials
um ca. 10% niedriger in T4 und geringfügig besser in T8X gegenüber dem
Vergleichsmaterial.
-
2 Zyklen
-
Der
Effekt von zwei Zyklen auf frisch durch Lösungserhitzung behandeltes
Material wurde an AA6111-und AA6016 Materialien untersucht. In der
folgenden Tabelle 3 sind die Ergebnisse der Zugspannungstests an
diesen Materialien unter verschieden gealterten Bedingungen zusammengefasst: TABELLE 3 EFFEKT VON 1 WOCHE HALTEN AUF DIE ZUGSPANNUNGSEIGENSCHAFTEN
DER DURCH LÖSUNGSERHITZUNG
BEHANDELTEN PLUS MIT ZWEI ZYKLEN STABILISIERTEN MATERIALIEN
Legierung | PMT (°C) | keine natürliche Alterung | 1 Woche
natürliche
Alterung |
| | T4 | T8X | T4 | T8X |
| | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL |
AA6016 | keine | 787,4
(11,2) | 29 | 1975,4
(28,1) | 18 | 1195,1
(17,0) | 32 | 1834,8
(26,1) | 24 |
| 130/240 | 745,2
(10,6) | 30 | 2460,5
(35,0) | 16 | 1138,9
(16,2) | 29 | 2291,8
(32,6) | 21 |
| 150/150 | 857,7
(12,2) | 28 | 2320
(33,0) | 17 | 1012,3
(14,4) | 31 | 2305,8
(32,8) | 23 |
AA6111 | keine | 625,7
(8,9) | 29 | 2980,7
(42,4) | 14 | 1427,1
(20,3) | 27 | 2102
(29,9) | 23 |
| 130/240 | 1075,6
(15,3) | 29 | 3121,3
(44,4) | 17 | 1420,1
(20,2) | 26 | 2770,6
(38,7) | 20 |
| 150/150 | 780,3
(11,1) | 29 | 2889,3
(41,1) | 16 | 1335,7
(19,0) | 27 | 2369,1
(33,7) | 22 |
-
Wiederum
stabilisiert, wie im Fall der mit 1 Zyklus durchgeführten Behandlungen,
diese Behandlung teilweise die AA61ll-Festigkeit, und die Endwerte
im T8X-Temper sind generell besser als diejenigen des Vergleichs
und gleich oder besser als bei einem nur 1 Zyklus ausgesetzten Material.
Es sollte dabei angemerkt sein, dass die Wahl der Temperatur der
Erwärmungsspitze
durchaus signifikant bezüglich
der T8X-Reaktion für
das AA6111-Material ist. Generell scheint die Wahl einer höheren Temperatur
wichtiger als die Anzahl der thermischen Spitzen (Erwärmungsspitzen)
zu sein.
-
Das
AA6016-Material verhielt sich geringfügig anders als AA6111. Die
Legierung ergab, abhängig
von der Temperatur der thermischen Spitzen, unterschiedliche Kombinationen
der Festigkeit in T4- und T8X-Tempern. Als beispielsweise das Material
einer Erwärmungsspitze
bei 130 bzw. 240°C
ausgesetzt wurde, lag die Streckgrenze im T4-Zustand nahe derjenigen
im Ist-Zustand, aber ca. 7% höher
im T8X-Zustand,
verglichen mit dem Vergleichsmaterial. Nach 1 Woche natürlicher
Alterung stieg die Streckgrenze im T4-Temper an, sank aber geringfügig um 211
kg/cm2 (um 3 ksi) im T8X-Temper ab.
-
3 Zyklen
-
In
der folgenden Tabelle 4 sind die Ergebnisse der Zugspannungstests
an Materialien zusammengefasst, die dreimal sofort nach Lösungserhitzungsbehandlung
einer Erwärmungsspitze
unterzogen wurden. Generell verändert
die Anwendung eines zusätzlichen
Zyklus die mechanischen Eigenschaften der Materialien nicht signifikant
(vgl. die Daten in Tabellen 3 und 4). TABELLE 4 EFFEKT VON 1 WOCHE HALTEN AUF DIE ZUGSPANNUNGSEIGENSCHAFTEN
DER DURCH LÖSUNGSERHITZUNG
BEHANDELTEN PLUS MIT DREI ZYKLEN STABILISIERTEN MATERIALIEN
Legierung | PMT (°C) | keine natürliche Alterung | 1 Woche
natürliche
Alterung |
| | T4 | T8X | T4 | T8X |
| | YS kg/cm2 (KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL |
AA6016 | Vergleich | 787,4
(11,2) | 29 | 1975,4
(28,1) | 18 | 1195,1
(17,0) | 32 | 1834,6
(26,1) | 24 |
| 130/130/240 | 767,4
(11,2) | 35 | 2474,6
(35,2) | 16 | 1138,9
(16,2) | 30 | 2193,4
(31,2) | 22 |
| 150/150/150 | 885,8
(12,6) | 31 | 2298,8
(32,7) | 20 | 1033,4
(14,7) | 33 | 2277,7
(32,4) | 21 |
AA6111 | Vergleich | 625,7
(8,9) | 29 | 2980,7
(42,4) | 14 | 1427,1
(20,3) | 27 | 2102
(29,9) | 23 |
| 130/130/240 | 1131,8
(16,1) | 29 | 3121,3
(44,4) | 14 | 1462,2
(20,8) | - | 2805
(39,9) | 19 |
| 150/150/150 | 794,4
(11,3) | 31 | 2980,7
(42,4) | 17 | 1321,6
(18,8) | 26 | 2390,2
(34,0) | 22 |
-
3 Zyklen und Voralterung
-
Die
Anwendung thermischer Spitzen (Erwärmungsspitzen) in Kombination
mit Voralterung bei Temperaturen im Bereich von 55 bis 85°C 8 h lang
oder länger
ergab ein Material mit einer ausgezeichneten Kombination der T4-
und T8X-Eigenschaften,
wie in Tabelle 5 gezeigt: TABELLE 5 EFFEKT EINER VORALTERUNG AUF DIE STRECKGRENZE
VON MIT DREI ZYKLEN STABILISIERTEN (130/130/240°C) AA6010- und AA6111 MATERIALIEN
Legierung | Voralterung (°C)xh | keine naturliche
Alterung | 1 Woche
naturliche Alterung |
| | T4 | T8X | T4 | T8X |
| | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL |
AA6016 | Vergleich | 787,4
(11,2) | 35 | 2474,6
(35,2) | 16 | 1138,9
(16,2) | 30 | 2193,4
(31,2) | 21 |
| 55 × 8 | 984,2
(14,0) | 26 | 2481,6
(35,3) | 20 | 1131,8
(16,1) | 27 | 2390,2
(34,0) | 22 |
| 70 × 8 | 1012,3
(14,4) | 28 | 2467,5
(35,1) | 21 | 1082,6
(15,4) | 26 | 2411,3
(34,3) | 22 |
| 85 × 8 | 1061,5
(15,1) | 26 | 2488,6
(35,4) | 21 | 1153
(16,4) | 28 | 2474,6
(35,2) | 21 |
AA6111 | Vergleich | 1131,8
(16,1) | 29 | 3121,3
(44,4) | 14 | 1462,2
(20,8) | - | 2755,8
(39,2) | 19 |
| 55 × 8 | 1342,7
(19,1) | 23 | 3044
(43,3) | 17 | 1511,5
(21,5) | 22 | 2945,6
(41,9) | 17 |
| 70 × 8 | 1448,2
(20,6) | 24 | 3079,1
(43,8) | 16 | 1497,4
(21,3) | 21 | 3001,8
(42,7) | 16 |
| 85 × 8 | 1567,7
(22,3) | 16 | 3128,4
(44,5) | 18 | 1546,6
(22,0) | - | 3142,4
(44,7) | 17 |
-
Diese
Ergebnisse zeigen, dass die Anwendung von 1 oder mehr thermischer
Zyklen im Temperaturbereich von 100 bis 240°C nach Lösungserhitzungsbehandlung die
T8X-Temper-Eigenschaften
wärmebehandelbarer
Aluminiumlegierungen verbessert. Die genaue Auswirkung der Behandlung
hängt vom
Typ der Legierung, der Wahl der maximalen Temperatur (Behandlung
mit Erwärmungsspitze)
und den Voralterungsbedingungen ab.
-
Im
Fall der in diesem Beispiel getesteten besonderen Legierungen können die
folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:
-
AA6016:
-
- (a) Eine einzige Behandlung mit einer Niedertemperaturerwärmungsspitze
(130 bis 240°C)
ergibt eine verbesserte T8X-Reaktion, obwohl ein gewisser Festigkeitsverlust
mit natürlicher
Alterung auftritt; die Festigkeit stabilisiert sich bei ca. 2179,3
kg/cm2 (31 ksi).
- (b) Wird das Material mit einer Erwärmungsspitze bei 240°C behandelt
und anschließend
bei 55 bis 85°C 8
h lang oder länger
vorgealtert, steigt die T8X-Festigkeit auf 2460,5 kg/cm2 (35
ksi) an, und die Stabilität gegen
natürliche
Alterung verbessert sich.
- (c) Die integrierten Behandlungen verursachen keinen Dehnungsverlust,
und typische erhaltene Dehnungswerte betragen 25 bis 30%.
-
AA6111:
-
- (a) Behandlung mit Erwärmungsspitze bei 240°C ist für den besten
Effekt erwünscht,
aber es stellt sich ein Festigkeitsverlust mit natürlicher
Alterung von 351,5 kg/cm2 (5 ksi) ein. Trotzdem
ist die T8X-Festigkeit nach der durch natürliche Alterung verursachten
Verringerung immer noch höher
als diejenige des Vergleichsmaterials.
- (b) Voralterung bei Temperaturen im Bereich von 55 bis 85°C 8 h lang
setzt die durch natürliche
Alterung verursachte Festigkeitsverringerung herab. Die T8X- Festigkeit ist in
diesem Fall auf 3163,5 kg/cm2 (fast auf 45
ksi) stark verbessert.
-
Beispiel 2
-
In
der folgenden Tabelle 6 sind die Durchschnittszugspannungseigenschaften
von AA6111- und AA6016-Materialien angegeben, die verschiedenen
thermischen Spitzen- und Voralterungsbehandlungen unterzogen wurden: TABELLE 6 EFFEKTE EINER DREI-STUFEN-STABILISIERBEHANDLUNG
AUF DIE ZUGSPANNUNGSEIGENSCHAFTEN DER FRISCH DURCH LÖSUNGSERHITZUNG
BEHANDELTEN AA6111- und AA6016-MATERIALIEN
Thermische
Historie | AA6111 | AA6016 |
| T4 | T8X | T4 | T8X |
| YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL | YS kg/cm2
(KSI) | %EL |
SHT
plus abgeschreckt plus 1 Woche bei Raumtemperatur (RT) (Vergleich) | 1427,1
(20,3) | 27 | 2102
(29,9) | 23 | 1195,1
(17,0) | 32 | 1834,8
(26,1) | 24 |
SHT
plus abgeschreckt* plus Stabilisation (105°C) Plus Stabilisation II (130°C) plus Stabilisation
III (240°C) plus
a)
1 Woche bei RT
b) 5 h bei 85°C
und kein Halten bei RT
c) 5 h bei 85°C und 1 Woche Halten bei RT | 1595,8
(22,7)
1715,3
(24,4)
- | 23
24
- | 3156,5
(44,9)
3262
(46,4)
- | 15
17
- | 984,2
(14,0)
-
1047,5
(14,9) | 27
-
24 | 2200,4
(31,3)
-
2312,9
(32,9) | 19
-
17 |
- * Kaltes Wasser für AA6111 und Zwangsluft für AA6016
-
Die
Tabelle schließt
auch die Daten der auf herkömmliche
Weise erzeugten Gegenstücke
ebenso ein. Wie erwartet ist ersichtlich, dass beide Materialien
eine deutliche Verbesserung bei der Streckgrenze im T8X-Temper nach
1 Woche bei Raumtemperatur (RT) zeigen und ergeben. Eine Voralterung
der Materialien bei 85°C
5 h lang verbessert die Streckgrenze sogar noch weiter im T8X-Temper.
-
Bei
technischer Lösungserhitzungsbehandlung
(SHT) in der Praxis wird das durch Lösungserwärmung behandelte Material nivelliert.
Diese Verfahrensstufe ist in einer integrierten Linie/Strecke ebenso
hoch erwünscht.
Zur Untersuchung des Effekts einer solchen Verfahrensstufe wurden
die Legierungen AA6111 und 6016 unterschiedlichen Beträgen einer
Streckung sofort nach der SHT unterzogen. In der unten angegebenen Tabelle
7 sind die Ergebnisse der Zugspannungstests zusammengefasst.
-
Die
Daten ergeben, dass eine Streckung unterhalb 1% keinen Effekt auf
die Streckgrenze in den T4- und T8X-Tempern hat und ausübt. Allerdings
steigt, oberhalb 1% Streckung, die T4-Festigkeit an, und die Formbarkeit
kann nachteilig beeinflusst werden.
-
Diese
Messergebnisse legen es nahe, dass die thermischen Spitzen (Erwärmungsspitzen)
zur Verbesserung der Festigkeit im T8X-Temper durch die Trocknungs-
und Härtungsstufen
bewerkstelligt werden können,
die nach Trocknung, Vorbehandlung, Vorgrundierung und Hochtemperaturaufspulen
am Ende aller Betriebsstufen angewandt werden. Tabelle 7 EFFEKTE EINER PROZENT-STRECKUNG (VOR DEN
STABILISIERBEHANDLUNGEN) AUF DIE ZUGSPANNUNGSEIGENSCHAFTEN DER DURCH
LÖSUNGSERWÄRMUNG BEHANDELTEN
AA6111- und 6016-LEGIERUNGEN
Thermische
Historie | AA6111 | AA6016 |
| T4 | T8X | T4 | T8X |
| YS kg/cm2 (KSI) | %EL | YS kg/cm2 (KSI) | %EL | YS kg/cm2 (KSI) | %EL | YS kg/cm2 (KSI) | %EL |
SHT
plus abgeschreckt plus 1 Woche bei Raumtemperatur (RT) (Vergleich) | 1427,1
(20,3) | 27 | 2102
(29,9) | 23 | 1195,1
(17,0) | 32 | 1834,8
(26,1) | 24 |
SHT
Plus abgeschreckt *plus mit Zwangsluft abgeschreckt plus Stabilisation (105°C) plus Stabilisation II (130°C) plus Stabilisation III (240°C) Plus 1 Woche bei
RT | | | | | | | | |
A)
0,2% | 1490,4
(21,2) | 24 | 3086,2
(43,9) | 16 | 1047,5
(14,9) | 23 | 2341
(33,3) | 16 |
B)
0,5% | 1518,2
(21,6) | 21 | 3072,1
(43,7) | 15 | 1167
(16,6) | 24 | 2376,1
(33,8) | 17 |
C)
1,0% | 1609,9
(22,9) | 23 | 3121,3
(44,4) | 16 | 1251,3
(17,8) | 20 | 2453,5
(34,9) | 15 |
D)
2,0% | 1694,2
(24,1) | 20 | 3177,6
(45,2) | 15 | 1321,6
(18,8) | 16 | 2453,5
(34,9) | 16 |