DE69617265T2

DE69617265T2 - Verfahren zur herstellung von dünnbändern aus aluminiumlegierungen mit hoher festigkeit und verformbarkeit

Info

Publication number: DE69617265T2
Application number: DE69617265T
Authority: DE
Inventors: Herve Gehanno; Philippe Jarry; Jean-Marc Legresy; Yves Menet; Peter Schmidt
Original assignee: Pechiney Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1996-12-09
Publication date: 2002-07-04
Anticipated expiration: 2016-12-10
Also published as: EP0866738A1; DE69617265D1; ES2163664T3; US6193818B1; JP2000501995A; AU1101297A; WO1997021508A1; FR2742165B1; KR19990072038A; FR2742165A1; EP0866738B1; KR100434808B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Bändern mit Dicken kleiner als 5 mm aus Aluminiumlegierungen, welche als Legierungselemente Silicium und eventuell Magnesium, Mangan und/oder Kupfer enthalten, durch kontinuierliches Gießen zwischen zwei gekühlte Walzen und eventuell Kaltwalzen, wobei diese Bänder, die eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Formbarkeit aufweisen, für mechanische Anwendungen, insbesondere den Autokarosseriebau bestimmt sind.

Stand der Technik

Bänder aus Aluminiumlegierungen für mechanische Anwendungen wie z.B. den Autokarosseriebau werden gewöhnlich durch halbkontinuierliches Gießen von Platten, Warm- und Kaltwalzen incl. verschiedener zwischengeschalteter oder abschließender Wärmebehandlungen hergestellt.
Man kann auch kontinuierliche Gießverfahren verwenden, insbesondere den Strangguß zwischen zwei gekühlten Walzen, der den Vorteil aufweist, den Warmwalzschritt in begrenztem Umfang durchführen und oftmals einsparen zu können, jedoch bei Legierungen mit hohem Gehalt an Legierungselementen schwierig durchzuführen ist.
So schildert das US-Patent 4126486 von Alcan ein Verfahren zur Herstellung von Bändern aus AlSi-Legierung (Si 4 bis 15 Masse-%) mit eventuellen Mg-, Cu-, Zn-, Fe- und/oder Mn-Zusätzen, beispielsweise durch kontinuierliches Vergießen zwischen zwei Walzen mit einer Geschwindigkeit > 0,25 m/min zu einem Band von 5 bis 8 mm Dicke, nachfolgendes Kaltwalzen mit einem Umformgrad > 60% und Glühen.
Dabei entsteht ein Gußgefüge mit stabförmigen intermetallischen Verbindungen, die durch das Kaltwalzen in feine Teilchen umgewandelt werden, was zu einer Verbesserung der Formbarkeit führt.
Die japanische Patentanmeldung JP 62-207851 von Sky Aluminium betrifft Bänder aus AlSiMg-Legierung mit 0,4 bis 2,5% Si und 0,1 bis 1, 2% (der Masse) Mg mit feinem intermetallischen Gefüge, die durch kontinuierliches Gießen eines Bandes von 3 bis 15 mm Dicke, anschließendes Kaltwalzen, Lösungsglühen und Abschrecken erzeugt werden. Diese Bänder eignen sich für den Autokarosseriebau und andere mechanische Anwendungen, wie Klimageräte oder Kraftstoffbehälter.
Diese Legierungsreihe liegt in einem der herkömmlichen Zusammensetzungsbereiche der Aluminiumlegierungen der Serie 6000 für konventionelle Gießverfahren und nutzt das Aushärtungspotential des Kupfers und Siliciums deswegen nicht aus, weil deren Formbarkeit durch die Anwesenheit grober Siliciumphasen begrenzt ist, was seinerseits die Einsatzmöglichkeiten begrenzt. Die Verarbeitung von Legierungen mit hohem Gehalt an Legierungselementen durch kontinuierliches Gießen zwischen Walzen ist generell mit Problemen verbunden, da das Vorhandensein intermetallischer Phasen beim Gießen zu einem Mikrogefüge führen kann, das für die spätere Weiterverarbeitung ungünstig ist. Zur Herstellung von Bändern aus selbst schwach angereicherten Aluminiumlegierungen mit sowohl hoher mechanischer Festigkeit als auch guter Verformbarkeit wird in diesbezüglichen Veröffentlichungen empfohlen, mit hohen Kräften zwischen den Gießwalzen zu arbeiten, wodurch ein reguläres, seigerungsfreies Mikrogefüge erzielt werden kann.
So weisen P.M. Thomas und P.G. Grocock von der Firma Davy International in ihrem Beitrag "High Speed thin strip casting comes of age" auf der Alumitech- Tagung in Atlanta (USA), 26. bis 28. Oktober 1994 darauf hin, dass bei Reinaluminium oder schwach legiertem Aluminium hohe Kräfte von etwa 0,5 bis 1 t je mm Bandbreite auf die Walzen aufgebracht werden müssen, was die Verwendung gewölbter Walzen voraussetzt.
Diesen Autoren zufolge müssen die Kräfte um so höher sein, je geringer die Dicke des gegossenen Bandes ist. Die Auswirkung der aufgebrachten Kraft auf die Seigerungserscheinung in der Mitte ist in dem Artikel in Form eines Diagramms zusammengefasst, das in Fig. 1 wiedergegeben ist und die Seigerungserscheinungsgrenzen in Abhängigkeit von der aufgebrachten Kraft und der Banddicke darstellt. Den Autoren zufolge zeigt dieses Diagramm, dass man unter allen Bedingungen - außer bei relativ geringen Kräften - ein Mikrogefüge erhalten kann, das keine Mikrogefügefehler im Kern aufweist. Bei geringer Dicke sind höhere spezifische Kräfte erforderlich, damit das Gefüge seigerungsfrei bleibt.
Im Beitrag von B. Taraglio und C. Romanowski der Firma Hunter Engineering "Thin-gauge I High-speed roll casting technology for foil production" auf der Tagung AIME/TMS Light Metals 95 ist angegeben, dass die Leistung der zum kontinuierlichen Gießen zwischen Walzen oder Gießwalzen verwendeten Walzanlage 3000 t beträgt. Dieser Wert hebt die Notwendigkeit hervor, bei dem genannten Gießwalzen große Kräfte einzusetzen. Dabei ist es einleuchtend, dass eine Verringerung dieses Kraftaufwands von großem Interesse wäre, da dadurch leichtere und kostengünstigere Anlagen gebaut werden könnten.
Es ist dem Fachmann bekannt - und dies geht aus dem vorstehenden Artikel hervor - dass die Arbeitswerte einer Gießwalzanlage durch drei veränderliche Größen definiert sind, nämlich die von den Walzen auf das Band ausgeübte Kraft (ausgedrückt in Tonnen je Meter Bandbreite), die Dicke des aus den Walzen austretenden Bandes (in mm) und die Gießgeschwindigkeit (in m/min). Von diesen Variablen lassen sich zwei beliebige unabhängig einstellen, und bei allen so definierten Arbeitswerten wird das industrielle Interesse des Verfahrens durch die Qualität des erzeugten Produkts und die Produktivität der Anlage bestimmt.
Zusammenfassend lehrt der Stand der Technik, dass nach Arbeitswerten im hohen Kräftebereich gesucht werden muss, und dies um so mehr, je höher der Legierungsgehalt der Legierung ist. Es wird weiterhin festgestellt, dass bisher keine stark angereicherten Legierungen zum kontinuierlichen Gießen zwischen Walzen hergestellt wurden. Dies geht beispielsweise aus dem in Tabelle 1 des vorgenannten Artikels von B. Taraglio et al. aufgeführten Legierungsverzeichnis hervor, in dem die Legierungen genannt sind, die mit der beschriebenen Gießmaschine vergossen werden können.

Gegenstand der Erfindung

Die Erfinder stellten im Gegensatz zu der durch die vorbekannte Technik gegebenen Lehre fest, dass die Verwendung von Arbeitswerten, die kleinen Kraftbeträgen entsprechen, überraschenderweise zu einer Verbesserung der Mikrogefügeeigenschaften der gegossenen Bänder führt im Vergleich zu Bändern, die mit größeren Kraftwerten gegossen werden, und die Herstellung dünner Bänder aus Legierungen ermöglicht, die Silicium, Magnesium, Mangan und/oder Kupfer enthalten, insbesondere AlSiMg- und AlSiMgCu-Legierungen, die bei kontinuierlichen Gießverfahren bisher nicht zur Anwendung kamen, mit sowohl hoher Festigkeit als auch guter Verformbarkeit.
Gegenstand der Erfindung ist somit ein Verfahren zur Herstellung von Bändern aus Aluminiumlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit und guter Verformbarkeit, umfassend:
- die Herstellung einer Aluminiumlegierung, welche (in Masse) 0,95 bis 13% Si, 0 bis 2% Mg und/oder 0 bis 1% Mangan und/oder 0 bis 2% Cu und/oder 0 bis 2% Fe enthält, wobei die weiteren Elemente jeweils weniger als 0,5% und insgesamt 2% betragen,
- das kontinuierliche Gießen dieser Legierung zwischen zwei gekühlte Walzen zur Herstellung eines Gießbandes von 1,5 bis 5 mm Dicke,
- eventuell das Kaltwalzen dieses Bandes auf eine Dicke < 2 mm, Verfahren, bei dem die Arbeitswerte in einem Diagramm, das als Abszisse die Banddicke (in mm) und als Ordinate die auf die Walzen wirkende spezifische Kraft hat (in t je Meter Gießbandbreite), unterhalb der Geraden AB' liegen, wobei A' und B' folgenden Koordinaten haben:
A': 1,5 mm 700 t/m
B': 5 mm 300 t/m,
und bei dem diese Kraft mindestens 100 t je Meter Gießbandbreite beträgt. Das Verfahren umfasst eventuell zum einen eine Glühung des gegossenen Bandes vor dem Walzen bei einer Temperatur von 420 bis 600ºC je nach Zusammensetzung der Legierung, zum anderen eine Wärmebehandlung des gewalzten Bandes durch Lösungsglühen bei 420 bis 600ºC, Abschrecken und Warmauslagern bei einer Temperatur < 300ºC.
Die Erfindung kommt bevorzugt bei Legierungen folgender Zusammensetzung (in Masse-%) zur Anwendung:
Si: 2,6-13 Mg: 1,4-2 Cu < 2 Fe < 0,4 (und vorzugsweise < 0,25)
Mn < 0,5.

Beschreibung der Figuren

In Fig. 1 sind in einem Diagramm ohne Maße, das als Abszisse die aufgebrachte Kraft und als Ordinate die Banddicke hat, die verschiedenen Bereiche dargestellt, die der Erscheinung von Mikrogefügefehlern, insbesondere Seigerungen entsprechen. Dieses Diagramm ist dem vorgenannten Artikel von P.M. Thomas et al. entnommen und gehört somit zum Stand der Technik.
In Fig. 2 ist in einem Diagramm, das als Abszisse die Dicke des gegossenen Bandes und als Ordinate die auf die Walzen wirkende Kraft hat, der erfindungsgemäße Arbeitsbereich dargestellt.
Fig. 3 und 4 sind mikroskopische Schnitte durch ein gegossenes Band, die ein reguläres Mikrogefüge mit feiner, homogener Verteilung der intermetallischen Phasen bzw. ein Mikrogefüge mit Seigerungen darstellen, welches für eine spätere Weiterverarbeitung ungeeignet ist.
In Fig. 5 bis 9 sind für fünf verschiedene Legierungen jeweils die für die Gießparameter der verschiedenen durchgeführten Versuche repräsentativen Werte in einem Dicke-Kraft-Diagramm dargestellt.

Beschreibung der Erfindung

Die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendete Aluminiumlegierung enthält 0,5 bis 13% Silicium. Bei über 13% wird die Bildung von Siliciumphasen beobachtet, die sich schädlich auf das Umformverhalten auswirken. Bei unter 5% ist die durch das Silicium bewirkte Aushärtung unzureichend, um ausreichende mechanische Eigenschaften für die beabsichtigten Anwendungen wie den Autokarosseriebau zu erzielen.
Das Silicium kann zur Ausscheidung der metastabilen aushärtenden Mg&sub2;Si- Phasen mit Magnesium verbunden werden. Zu hohe Mg-Gehalte > 2% führen zu Seigerungsvorgängen, und dies um so mehr, je größer die beim Gießen aufgebrachte Kraft ist.
Durch Zugabe von Kupfer oder Eisen kann die mechanische Festigkeit verbessert werden, jedoch wird bei über 2% die Duktilität des Bandes und damit seine Verformungsfähigkeit herabgesetzt. Die Zugabe von Mangan ermöglicht eine bessere Kontrolle der Korngröße.
Die Herstellung stark angereicherter Legierungen muss sorgfältig überwacht werden, da hohe Gehalte an Legierungselementen zur Bildung zahlreicher intermetallischer Phasen führen, wobei die Gefahr besteht, dass sie sich zusammenschließen und bei der Erstarrung eine Seigerung bewirken, was sich schädlich auf die mechanischen Eigenschaften der Bänder, insbesondere auf die Verformungsfähigkeit auswirkt. Aus diesem Grunde muss die Überwachung der unabhängigen Gießparameter, z.B. die Dicke und die aufgebrachte Kraft, pemanent und präzise sein.
Das kontinuierliche Vergießen dieser Legierungen erfolgt zwischen zwei gekühlten Walzen (englisch "twin roll casting"). Derartige Gießmaschinen sind seit vielen Jahren in Betrieb, z.B. die von Pechiney Rhenalu vertriebenen "3C"- Maschinen, und wurden vor kurzem auf die Herstellung von Bändern < 5 mm Dicke umgestellt.
Im Hinblick auf die Vermeidung von Seigerungen intermetallischer Phasen im gegossenen Band, die sich schädlich auf die mechanischen Eigenschaften und vor allem auf die Verformbarkeit auswirken, stellte die Anmelderin überraschenderweise fest, dass bei gegebener Gießbandbreite die Kraft, die während des Gießens auf die Walzen ausgeübt wird (mitunter auch Trennkraft genannt, da es sich um die Kraft handelt, die der Trennung der Walzen voneinander entgegenwirkt) innerhalb der Grenzen eines besonderen Bereichs des Kraft-Dicke-Diagramms liegen muss.
Im Gegensatz zu dem, was in älterer Technik empfohlen wird, muss die Kraft um so geringer sein, je mehr Legierungselemente, insbesondere Magnesium in der Legierung enthalten sind, denn die Gefahr, dass schädliche Seigerungen erscheinen, ist dann besonders groß.
Die spezifische Kraft darf 100 t/m nicht unterschreiten, da das Band sonst nicht mehr mitgeschleppt würde und die Oberflächenbeschaffenheit nicht zufriedenstellend wäre. Sie ist stets kleiner als 750 tlm und muss zwecks Erzielung eines regulären Mikrogefüges, so wie es in Fig. 3 dargestellt ist, unterhalb der Geraden A'B' gehalten werden.
Bei ausgehärteten Legierungen wird das gewalzte Band einer Wärmebehandlung unterworfen, die auf herkömmliche Weise ein Lösungsglühen bei einer Temperatur, die geringfügig unter der Temperatur liegt, bei der der Schmelzprozess einsetzt, ein Abschrecken und eine Kaltauslagerung bei Raumtemperatur umfasst, oder einer Warmauslagerungsbehandlung bei einer Temperatur < 300ºC.

Beispiele

Es wurden fünf mit A bis E gekennzeichnete Legierungen folgender Zusammensetzung hergestellt:
Mit Hilfe einer in die Schmelze eingebrachten Aluminium-Titan-Bor-Legierung des Typs ATSB wurde im Ofen eine Raffinationsbehandlung durchgeführt. Die fünf Legierungen wurden auf einer "3C"-Gießmaschine der Firma Pechiney Rhenalu zwischen zwei von innen mit Wasser gekühlten, edelstahlbandagierten Walzen zu Bändern von 1,5 m Breite in verschiedenen Dicken und mit verschiedenen Kraftbeträgen vergossen. Die Temperatur beim Austritt aus der Gießanlage lag zwischen 220 und 350ºC.
Das Mikrogefüge der Walzbänder wurde untersucht, wobei in Fig. 3 ein Beispiel eines regulären Mikrogefüges mit homogen verteilten feinen intermetallischen Teilchen dargestellt ist und in Fig. 4 ein fehlerhaftes Mikrogefüge, das Seigerungen intermetallischer Phasen in Form von in Gießrichtung orientierten langen Streifen aufweist und dadurch für eine spätere Weiterverarbeitung ungeeignet ist.
Die Gießbänder wurden anschließend während 8 h bei 540ºC homogenisiert, dann auf 1 mm kaltgewalzt, in einem Durchlaufofen bei einer Temperatur von 540ºC lösungsgeglüht und während einer Zeit von 30 min bis 8 h bei 180ºC warmausgelagert.

Legierung A

Die Ergebnisse der fünf Versuche, die mit dieser Legierung in verschiedenen Dicken und mit verschiedenen auf die Walzen aufgebrachten Kräften durchgeführt wurden, sind in der folgenden Tabelle angegeben und im Schaubild der Fig. 5 dargestellt:
Auf dem gewalzten und durch Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern wärmebehandelten Band entsprechend Versuch Nr. 3, d. h. 5 Gießdicke 4,8 mm, Gießgeschwindigkeit 2,1 m/min und Kraft 213 tlm, wurde die Dehngrenze bei 0,2% plastischer Verformung R02, die Bruchfestigkeit Rm und der Kaltverfestigungsgrad n bei 3 bis 4% Verformung gemessen:
R0,2 = 240 MPa Rm = 315 MPa n = 0,273

Legierung B

Die 14 Versuche ergaben folgende Ergebnisse:
Sie sind im Schaubild der Fig. 6 dargestellt. Das Mikrogefüge ist in allen Fällen regulär, außer beim Versuch Nr. 14.

Legierung C

Die drei Versuche mit dieser Legierung ergaben folgende Ergebnisse:
Diese Ergebnisse sind im Schaubild der Fig. 7 dargestellt.
Die mechanischen Eigenschaften des gewalzten und wärmebehandelten Bandes, das beim Gießversuch Nr. 2 entstand (Gießdicke 4,14 mm, Geschwindigkeit 1,78 m/min. Kraft 489 t/m), sind die folgenden: R0,2= 275 MPa Rm = 345 n = 0,286

Legierung D

Die Ergebnisse der sechs Gießversuche waren folgende:
Diese Ergebnisse wurden auf das Schaubild der Fig. 8 übertragen. An den aus den Versuchen Nr. 1 und 3 hervorgegangenen gewalzten und wärmebehandelten Bändern wurden folgende mechanischen Eigenschaften bestimmt:
Nr. 1 R0,2 = 168 MPa Rm = 356 MPa n = 0,263
Nr. 3 R0,2 = 179 MPa Rm = 345 MPa n = 0,289

Legierung E

Die Ergebnisse der drei Versuche waren die folgenden:
Diese Ergebnisse wurden auf das Schaubild der Fig. 9 übertragen. An dem gewalzten und wärmebehandelten Band gemäß Gießversuch Nr. 1 (Dicke 3,23 mm, Geschwindigkeit 3,1 m/min. Kraft 207 Um) wurden folgende mechanischen Eigenschaften bestimmt:
R0,2 = 210 MPa Rm = 320 MPa n = 0,299

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Bändern aus Aluminiumlegierung mit hoher mechanischer Festigkeit und guter Verformbarkeit, umfassend:

- die Herstellung einer Legierung, welche in Masse 0,95 bis 13% Si, 0 bis 2% Mg und/oder 0 bis 2% Cu, und/oder 0 bis 1% Mn und/oder 0 bis 2% Fe enthält, wobei die weiteren Elemente jeweils weniger als 0,5 % und insgesamt 2% betragen,

- das kontinuierliche Gießen dieser Legierung zwischen zwei gekühlte Walzen zur Herstellung eines Gießbandes von 1, 5 bis 5 mm Dicke, wobei die auf die Walzen wirkende Kraft in einem Diagramm, das als Abszisse die Gießdicke und als Ordinate die spezifische Kraft hat, unterhalb der Geraden A'B' gehalten wird, wobei die Koordinaten von A' und B' wie folgt sind:

A': 1,5 mm 700 t je Meter Gießbandbreite

B': 5 mm 300 t/m

und die wirkende Kraft mindestens 100 tlm beträgt,

- eventuell das Kaltwalzen dieses Bandes.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die vergossene Legierung so ist, dass Si > 2, 6% und Mg > 1, 4%.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei dem zwischen dem Gießen und dem Kaltwalzen ein Homogenisierungsglühen bei 420 bis 600ºC vorgenommen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem das gewalzte Band einem Lösungsglühen bei 420 bis 600ºC, einem Abschrecken und einer Warmauslagerung bei einer Temperatur unter 300ºC unterworfen wird.

5. Verwendung eines Bandes aus AlSiMgCu-Legierung der Zusammensetzung Si: 2,6-13%, Mg: 1,4-2%, Cu < 2%, hergestellt nach dem Verfahren des Anspruchs 4, für Autokarosserieelemente.