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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung ist auf
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines Aluminiumblechprodukts
und Produkten daraus gerichtet, und insbesondere ein Verfahren zum
Vorvergüten
eines Aluminiumautomobilblechs zur Herstellung eines Produkts, das
eine erhöhte
Dehnfestigkeit in Antwort auf Automobil-Lackeinbrenn- bzw. Paintbake-Zyklen, eine überragende
Beständigkeit
gegen natürliche
Alterung vor dem Stanzen und verbesserte Stanzeigenschaften aufzeigt.
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Technischer Hintergrund
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In der Automobilindustrie nimmt die
Verwendung von Aluminiumlegierungen aufgrund ihrer gewünschten
Kombination von Eigenschaften zu, wie etwa Korrosionsbeständigkeit,
niedrige Dichte und Kompatibilität
mit existierenden Herstellungsverfahren und Geräten.
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Typischerweise hat das Fahrzeugblechprodukt
eine Dicke von angenähert
0,001 m (0,040")
und enthält
Aluminiumlegierungen sowohl der AA 2000 als auch AA 6000 Serie.
Bevorzugte Legierungen der AA 2000 Serie beinhalten AA 2008, AA
2010 und AA 2036. Legierungen der AA 6000 Serie beinhalten AA 6010,
AA 6016 und AA 6111. Die Legierungen der AA 6000 Serie werden normalerweise
in Automobil-Außenblechanwendungen
eingesetzt, wie etwa Deckel oder Hauben, aufgrund ihrer höheren Festigkeit
und überragenden
Beulbeständigkeit.
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Ein Vorteil bestimmter Aluminiumlegierungen
für Automobilanwendungen
ist die Fähigkeit,
ihre Eigenschaften durch Wärmebehandlung
zu verändern.
Im Idealfall haben diese Aluminiumlegierungen eine ausreichende
Formbarkeit, sodass sie zu einem gewünschten Blech oder einer anderen
Komponentenkonfiguration geformt oder gestanzt werden können und
dann während
eines Automobil-Einbrennlackierzyklus anschließend verfestigt werden, um
die Beulbeständigkeit
zu verbessern. Alternativ könnte eine
signifikante Verfestigung während
des Automobil-Einbrennlackierzyklus ausgenutzt werden, um eine Maßverringerung
der Blechdicke zu gestatten, was noch größere Gewichtseinsparungen der
Komponenten begünstigt.
Diese Verfestigung wird allgemein als "Lackeinbrennreaktion" bzw. "paintbake response" ((PBR) bezeichnet.
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Der Standard-Automobil-Lackeinbrennzyklus
von etwa 350°F
für angenähert 30
Minuten reicht allgemein nicht aus, um AA 6XXX Legierungen eine signifikante
Alterungs- bzw. Vergütungsreaktion (PBR)
zu verleihen. Während
eine volle T6-Vergütungsbehandlung
von 8 Stunden bei 177°C
(350°F) die
Dehnfestigkeit dieser Legierungen bis zu 172,5 MPa (25 ksi) erhöhen kann,
verleiht ein Standard-30-Minuten-Vergütungszyklus allgemein nur einen
13,8 bis 27,6 MPa (2 bis 4 ksi) Zuwachs in der Dehnfestigkeit.
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Um ein verbessertes PBR zu erhalten,
ist das Anwenden einer Vorvergütungsbehandlung
an AA 6XXX Legierungen vorgeschlagen worden, um die künstliche
Vergütung
bzw. Alterung zu verbessern und die natürliche Alterung zu minimieren.
Ein allgemeines Schema eines herkömmlichen Vorvergütungsprozesses
für AA
6XXX Legierungen ist in 1 angegeben.
Das Anwenden der Vorvergütungsbehandlung
verbessert allgemein die Kinetik der Präzipitation und senkt die Präzipitatgröße und verringert
die durchschnittliche Zwischenpartikeltrennung. Der prinzipielle
metallurgische Effekt dieser Typen von Vergütungsbehandlungen ist die Verfeinerung
der Verfestigungs-Präzipitate.
Es ist dieser letztere Effekt, der hauptsächlich für die erhöhte Festigkeit in vorvergüteten Materialien
verantwortlich ist.
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Die Vorvergütung von AA 6111 Legierungen bietet
das Potenzial, die Lackeinbrennreaktion bzw. paintbake response
wesentlich zu erhöhen.
Wie oben ge sagt, würde
eine verbesserte PBR die Beulbeständigkeit signifikant verbessern
(oder eine Abmessungsverringerung erlauben), während die gleiche Formbarkeit
erhalten bleibt. Andere Strategien zum Erreichen dieser Verbesserung
können
die Verwendung magerer Legierungszusammensetzungen beinhalten, die
eine geringe Dehnfestigkeit (geringeres Rückfedern) und eine überragende
Formbarkeit in dem T4-Zustand liefern könnte, und noch eine Beulbeständigkeit
haben, die zu schwerer legierten Al-Mg-Si-Cu-Legierungen (wie etwa
AA 6111 und AA 6010) im einbrennlackierten Zustand vergleichbar
ist.
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Während
die Vorvergütung
von Aluminiumlegierungen Verbesserung in Bezug auf die Herstellung
von Fahrzeugkomponenten bieten können,
sind die herkömmlichen
Vorvergütungstechniken
nicht ohne Nachteile. In einem herkömmlichen Ansatz werden Aluminiumlegierungswickel
bzw. -coils, die Lösungswärme-behandelt und abgeschreckt
worden sind, einer Chargen-Ofenerhitzung unterzogen. Die Verwendung
von Chargen (oder Wickel)-Vorvergütungsansätzen leidet an dem Phänomen, dass
in unseren Untersuchungen entdeckt wurde und als "Verweilzeit-Zersetzung" bezeichnet wird.
Die Verweilzeit wird als die Zeitdauer zwischen dem Anwenden der Abschreckung
und der Anwendung der Vorvergütung definiert
(1). Es stellte sich
heraus, dass das potenzielle PBR der Legierung ernsthaft beeinträchtigt wurde,
wenn die Verweilzeit zunahm. Um den Effekt der Umgebungstemperatur-Verweilzeit
auf die Effizienz der Vorvergütungsbehandlung
zu bestimmen, wurde eine Serie von Experimenten ausgeführt. Ein AA
6111-F-Temperprodukt wurde einer Standardlösungswärmebehandlung und Abschreckung
unterzogen. Ein Vorvergütungszyklus
von 100°C
(212°F)
für 24
Stunden wurde nach Verweilzeiten bei 24°C (75 °F) von 20 Minuten, 120 Minuten,
18 Stunden und 96 Stunden vorgenommen. Im Anschluss an eine 10-tägige natürliche Alterungs-
(24°C (75°F)) Periode
wurden die Proben einem Einbrennlackierungszyklus von 177°C (350°F) für 30 Minuten
unterzogen. Die Zugtestergebnisse zeigten, dass die Wirksamkeit
der Vorvergütungsbehandlung
in der Verbesserung der paintbake response sehr empfindlich auf
die Verweilzeit war. Wie in 2 in
einem halblogarithmischen Plot gezeigt, verschlechterte sich die
Nach-Einbrennunglackierungs- Dehnfestigkeit
schnell von 248 MPa (36 ksi) auf 186 MPa (27 ksi), wenn die Verweilzeit von
20 Minuten auf 96 Stunden erhöht
wurde, wobei der Großteil
der Zersetzung in den ersten 18 Stunden auftrat. Eine Zunahme der
Verweilzeit von 20 Minuten auf 2 Stunden führte zu einem 14 bis 21 MPa
(2 bis 3 ksi) Verlust in der paintbake response (PBR). Nach 18 Stunden
hatte sich das PBR bis zu einem Wert nahe jenem des Standard AA
6111 Produkts verschlechtert.
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Einige der offensichtlichen Probleme
mit der Chargenbehandlung sind:
- 1. Die Abkühlzeit nach
der Wärmebehandlung
kann bis zu einer Stunde betragen, auch ohne Unterbrechungen. Unter
den meisten Produktionsbedingungen läuft ein Automobilblech mit
0,38 bis 1 m pro Sekunde (75 bis 200 fpm) auf einem kontinuierlichen Wärmebehandler
(CHT). Wickel könnten
nicht überführt werden,
auch unter den besten Bedingungen, bis der Kopf des Wickels und
das Ende des Wickels auf demselben Stamm gewickelt sind. Bei diesen
Geschwindigkeiten und den üblichen
Wickelgrößen erfährt das
Material nahe dem Stamm ein Minimum von einer Stunde Verweilzeit,
was die Leistung des Produkts beeinträchtigt.
- 2. Der Wärmetransfer
zu dem Wickel in dem Chargenwärmebehandlungsofen
wäre träge. Hohe
Ofenhitzen könnten
nicht toleriert werden, da sie eine zu frühe Vergütung bzw. Alterung verursachen
würden. Die
effektive Verweilzeit würde
signifikant zunehmen, wenn der Wickel auf die Vorvergütungstemperatur gebracht
wird. Wiederum würde
die Leistung beeinträchtigt.
- 3. Der Wärmetransfer
aus dem Wickel heraus (Kühlung)
wäre träge. Auch
würde eine
exzessive Vorvergütung
die Leistung beeinträchtigen.
- 4. Eine Ofenbeladung würde
bis 6 bis 8 Wickel pro Charge benötigen, um wirtschaftlich zu
sein; die Verweilzeit könnte
um diesen Faktor deutlich multipliziert werden, wenn die Ofenbeladung
akkumuliert wird.
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Es kommt zu anderen technischen Schwierigkeiten,
wenn der kontinuierliche Vorvergütungsansatz
in Betracht gezogen wird. Bei Verwendung eines kontinuierlichen
Vorvergütungsansatzes
würde das Blech
von dem Wickel abgezogen werden und durch einen Niedertemperaturheizer
hindurchtreten und gekühlt
und wieder aufgewickelt werden. Das offensichtliche Problem mit
der Anwendung dieses Ansatzes sind die langen einhergehenden Durchwärmzeiten.
Die Verwendung des bekannten erfolgreichen Vorvergütungszyklus
von 100°C
(212°F)
Durchwärmung
für 24
Stunden würde
vom wirtschaftlichen Standpunkt her zu einem nicht akzeptablen Durchsatz
führen.
Alternative kontinuierliche Vorvergütungsbehandlungen haben auch
ihre Nachteile. Das Anwenden einer Hochtemperatur-"Spitze" (Durchwärmzeiten
einige Sekunden bis einige Minuten), siehe U.S. Patent Nr. 4,808,247
von Komatsubura et al., als eine Vorvergütung unter Verwendung eines kontinuierlichen
Wärmebehandlers,
führt zu
einer beschleunigten natürlichen
Alterung, einem Phänomen, das
zur Produktinstabilität
und begrenzte Lagerbeständigkeit
führt.
Dieser Aufwickel-Abwickel-Aufwickel-Ansatz
unterliegt auch der wirtschaftlichen Grenze, da der Wickel durch
noch eine weitere Prozesslinie laufen muss, was Aufwand und eine
mögliche
Beschädigung
bei der Handhabung und einhergehende Verluste mit sich bringt.
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Im Hinblick auf die oben angemerkten
Nachteile in der herkömmlichen
Verarbeitung unter Verwendung sowohl von Chargen als auch kontinuierlicher
Vorvergütungsbehandlung
hat sich ein Bedarf entwickelt, ein verbessertes Aluminiumlegierungsblechprodukt
anzugeben, das eine verbesserte Lackeinbrennreaktion bzw. paintbake
response, Beständigkeit
gegen natürliches
Altern sowie eine verbesserte Formbarkeit hat und das mit einem
rentablen ökonomischen
Prozess im industriellen Maßstab
hergestellt werden kann. In Reaktion auf dieses Erfordernis gibt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung an,
die ein Aluminiumlegierungsblech mit verbesserter paintbake response
produziert, und ziemlich überraschend,
auch für
Beständigkeit
gegenüber
natürlicher
Alterung sowie für
verbesserte Formbarkeit sorgt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eine erste Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumblech
anzugeben, das nach Anwendung herkömmlicher Automobillackeinbrenn-
bzw. paintbake-Zyklen eine überragende
Festigkeit hat.
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Eine andere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, ein Aluminiumblechprodukt herzustellen, das während verlängerter
Dauern natürlicher
Alterung eine überragende
Stabilität
aufweist, um für
eine konsistente Stanzeigenschaften während dessen Verwendung bei
der Herstellung von Automobil- und LKW-Komponenten, wie etwa Blechen, zu sorgen.
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Eine weitere Aufgabe der vorliegenden
Erfindung ist es, eine Vorrichtung zum Herstellen von Aluminiumblech
anzugeben, das nach dem Anwenden herkömmlicher Automobillackeinbrenn-
bzw. paintbake-Zyklen eine überragende
Festigkeit hat.
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Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung
ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von Aluminiumblech
anzugeben, das für
Aluminiumlegierungen geeignet ist, die typischerweise in Fahrzeugkomponentenanwendungen
eingesetzt werden, wie etwa Al-MgSi-Legierungen, Al-Mg-Si-Cu-Legierungen
und besonders bevorzugt Aluminiumlegierungen vom Typ der AA 2000
und AA 6000 Serien.
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Andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung
werden im Verlauf einer Beschreibung davon ersichtlich.
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Um die vorstehenden Aufgaben und
Vorteile zu erlangen, ist in seiner breitesten Ausführung das erfindungsgemäße Verfahren
eine Verbesserung gegenüber
dem bekannten Herstellungsprozess von Aluminiumlegierungsblech auf
der Basis entweder von Al-Mg-Si- oder Al-Mg-Si-Cu-haltigen Aluminiumlegierungen,
worin die Legierung heißgewalzt
und kaltgewalzt wird, um ein kaltgewalztes Blech zu bilden. Das
kaltgewalzte Blech wird dann ferner einer fortlaufenden Lösungswärmebehandlung
unterzogen, kontinuierlichem Abschrecken und kontinuierlichem Aufwickeln,
um das Blech in Wickelform bereitzustellen. Erfindungsgemäß wird das
Blech nach dem kontinuierlichen Abschreckschritt und vor dem kontinuierlichen
Aufwickelschritt kontinuierlich und schnell erhitzt, wie in den
Ansprüchen
gelehrt. Nach dem schnellen Erhitzen wird das Blech in der Wickelform
umgebungsmäßig abgekühlt, wobei
das schnelle Erhitzen und das Umgebungsabkühlen die Lackeinbrennreaktion
bzw. paintbake response des Aluminiumlegierungsblechs verbessern.
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Das schnelle Erhitzen hebt die Wickelblechtemperatur
auf zwischen 65°C
und 121°C
(150 und 250°F)
an. Die Umgebungsabkühlrate
ist eine Funktion der Umgebungsbedingungen, beträgt jedoch zwischen 1,1 und
3,3°C (2
und 6°F)
pro Stunde, und weiter bevorzugt etwa 1,7°C (3°F) pro Stunde.
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Der schnelle Erhitzungsschritt ist
so ausgestaltet, dass die Temperatur des Aluminiumblechs nach dem
Abschrecken auf die Sollvonrergütungstemperatur
so schnell wie möglich
angehoben wird, bevorzugt durch Induktionsheizen. In der Vorrichtung der
Erfindung ist ein Mittel zum kontinuierlichen schnellen Erhitzen
des Blechs auf eine Vorvergütungstemperatur
zwischen einer herkömmlichen
Lösungswärmebehandlung/Abschreckvorrichtung
und der Kühlstation
einer herkömmlichen
kontinuierlichen Aluminiumblechwärmebehandlungsstrecke
angeordnet. Das Mittel zum schnellen Erhitzen ist bevorzugt ein
Induktionsheizer, sodass die Blechtemperatur schnell auf eine Vorvergütungstemperatur
für die
anschließende
Umgebungsabkühlung
gebracht wird und noch für
eine ausreichende Gleichmäßigkeit
und Steuerung im Falle von Streckenverlangsamungen oder Stopps gesorgt
ist.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung
wird ein durch das oben beschriebene Verfahren hergestelltes Blechprodukt
offenbart, wobei das Blechprodukt eine signifikante Verbesserung
in der Lackeinbrennreaktion, z. B. bis zu 97 Mpa (14 ksi) oder mehr aufzeigt,
sowie Beständigkeit
auf natürliche
Alterung und ver besserte Formbarkeit infolge erhöhter Dehnwerte, überragender
Verarbeitungshärtungseigenschaft
und geringerer Festigkeit in dem vor-Lackeinbrenn-lackierten Zustand.
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Weiter bevorzugt wird das lösungswärmebehandelte
und abgeschreckte Aluminiumblech schnell auf eine Temperatur zwischen
etwa 65°C
(150°F) und
etwa 121°C
(250°F)
in einem kontinuierlichen Prozess erhitzt, wobei dieses Erhitzen
so schnell wie möglich
nach dem Anwenden der Abschreckung und Nivellierung stattfindet,
die der Lösungswärmebehandlung
folgen. Dann wird das Aluminiumblech aufgewickelt und als aufgewickeltes
Produkt abkühlen gelassen,
ohne dass zusätzliche
Ofenbehandlungen erforderlich sind. Das natürliche Abkühlen des Wickels auf dem Fabrikboden
sorgt für
eine akzeptable Vorvergütungsbehandlung,
die das Erfordernis zur anschließenden Nacherhitzung vermeidet
und nur minimalen Leistungsverlusten aufgrund dem Phänomen der
Verweilzeit-Zersetzung unterliegt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Es wird nun auf die Zeichnungen der
Erfindung Bezug genommen, worin:
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1 ist
ein schematisches Diagramm einer herkömmlichen Verarbeitungstechnik
zum Vorvergüten
von Aluminiumlegierungsblechen;
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2 ist
eine Graphik, die den Effekt der Verweilzeit auf die Dehnfestigkeit
nach dem Lackeinbrennen;
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3 ist
ein schematisches Diagramm einer Art des erfindungsgemäßen Prozesses;
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4 ist
eine Umgebungsabkühlkurve
für einen
Aluminiumwickel;
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5 ist
eine Graphik, die den Effekt schneller Erhitzung auf Temperaturen
zwischen 79°C
und 121°C
(175°F und
250°F) zeigt,
gefolgt durch simu liertes Wickelabkühlen, auf eine Dehnfestigkeit
sowohl vor als auch nach einer simulierten Lackeinbrennbehandlung;
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6 ist
eine Graphik, die den Effekt schneller Erhitzung und von simuliertem
Wickelabkühlen auf
eine Dehnfestigkeit und die Lackeinbrennreaktion zeigt; und
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7 ist
eine Graphik, die den Effekt vom schnellen Erhitzen und simulierten
Wickelabkühlen auf
die Gesamtdehnung und Gleichmaßdehnung zeigt.
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Beschreibung der bevorzugten
Ausführungen
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung
sind effizient darin, Aluminiumlegierungs-Automobilkarosserieblech
vom Al-Mg-Si- und Al-Mg-Si-Cu-Typ
zu verbessern, während
gleichzeitig dessen Formbarkeit und Stanzeigenschaften verbessert
werden. Das Anwenden des erfindungsgemäßen Bearbeitungsverfahrens
an diesen Typen von Aluminiumlegierungsblechprodukten verbessert
die künstliche
Vergütungsreaktion,
die während
Standardautomobil-Lackeinbrennzyklen
erhalten wird, bis zum 4-fachen.
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In der vorliegenden Erfindung wird
das Aluminiumblech, nach dem üblichen
Lösungserhitzen und
Abschrecken und vor dem Blechaufwickeln einem schnellen Erhitzen
auf eine Vorvergütungstemperatur
unterzogen. Die Vorvergütungstemperatur
ist als jene Temperatur definiert, die keine exzessive Vergütung bzw.
Alterung hervorruft und eine T4 Dehnfestigkeit erhöht, während noch
eine signifikante Lackeinbrennreaktion bzw. paintbake response, Beständigkeit
gegen natürliche
Alterung und verbesserte Formbarkeit gesorgt wird. Bevorzugt liegt
die Vorvergütungstemperatur
zwischen 65° und
121°C (150° und 250°F). Die Erhitzungsrate
ist derart, dass das kontinuierlich und schnell behandelte Material
im Wesentlichen auf die Vorvergütungstemperatur
gebracht wird, d. h. ohne jeden Rampenansstieg oder andere langsame
Erhitzung. Das Erhitzen findet nach dem Anwenden der Abschreckung,
die der Lösungswärmebehandlung
folgt, so schnell wie möglich statt.
Das Aluminium wird dann aufgewickelt und als gewickeltes Produkt
abkühlen
gelassen, ohne zusätzliche
Ofenbehandlungen zu benötigen.
Die natürliche
Abkühlung
des Wickels, gewöhnlich
auf einem Fabrikboden, bietet eine akzeptable Vorvergütungsbehandlung,
die das Erfordernis nach Nacherhitzung vermeidet und unterliegt
nur minimalen Leistungsverlusten aufgrund des Phänomens der Verweilzeitzersetzung.
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Das beschriebene Verfahren bietet
gesonderte Vorteile gegenüber
der herkömmlichen
Praxis und gegenüber
Chargenvorvergütungsstrategien, wie
sie oben diskutiert sind. Die signifikantesten Vorteile sind:
Die
Lackeinbrennreaktion kann von dem Standard 14 MPa (2 ksi) auf 97
MPa (14 ksi) erhöht
werden; natürliche
Alterung in dem Produkt wird aufgehoben; die Formbarkeit des Produkts
wird erhöht.
Das Anwenden des kontinuierlichen Vorvergütungszyklus bietet ein Verfahren
zur Herstellung eines Aluminiumblechprodukts mit verbesserter Beulbeständigkeit, größerer Stabilität für die Konsistenz
der Stanzung sowie überragende
Stanzeigenschaften. Das Verarbeitungsverfahren vermeidet eine zusätzliche
Metallbehandlung und verspricht ein kostengünstiges Verfahren zur Verbesserung
der Produkteigenschaft und Reduktion der Produktvariabilität.
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Ein schematisches Diagramm, das eine
Ausführung
einer Wickelvorvergütungsvorrichtung
zeigt, ist in 3 gezeigt.
In dieser Vorrichtung wird ein frisch abgeschrecktes Aluminium 6111
Blech 1, das den Akkumulator 3 am Ausgang eines
kontinuierlichen Wärmebehandlers
(CHT) 5 verlässt,
unter Verwendung eines Induktionsheizers 7 auf eine Temperatur
zwischen 65 und 121°C
(150°F und
250°F) wieder
erhitzt. 3 zeigt auch
einen Nivellierer 9 stromab des CHT 5 und einen
Ausgangsakkumulator 3, der zwischen dem Nivellierer 9 und
dem Induktionsheizer 7 angeordnet ist.
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Nachdem das Blech 1 durch
den Induktionsheizer 7 vorvergütet ist, wird es zur anschließenden Verarbeitung
in Wickelform 13 aufgewickelt.
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Es sollte sich verstehen, dass der
Induktionsheizer 7 eine bevorzugte Vorrichtung zum schnellen Erhitzen
des Lösungswärme-behandelten
und abgeschreckten Blechs 1 vor der Bildung der Wickelform 13 ist.
Erfindungsgemäß kann jedes
Mittel für
diese schnelle Erhitzung angewendet werden. Das schnelle Erhitzungsmittel
ist ausgestaltet, um das Blech 1 schnell auf eine Soll-Vorvergütungtemperatur
zu erhitzen.
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Das Folgende bietet eine Beispielsberechnung
zur Bestimmung des Energiebedarfs oder Erhitzungsrate für ein Schnellerhitzungsmittel
auf der Basis einer Soll-Vorvergütungstemperatur
von 121°C (250°F), einer
bestimmten Streckengeschwindigkeit, einer bestimmten Eintrittstemperatur
und einer bestimmten Größe und einem
bestimmten Typ für
das Blech, das schnell zu erhitzen ist. Natürlich kann der Energiebedarf
in Abhängigkeit
von den jeweils gewählten
Variablen veränderlich
sein.
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Der theoretische Energiebedarf für eine solche
Einheit wurde auf der Basis einer Streckengeschwindigkeit von 0,51
m/s (100 fpm), 24°C
(75°F) Eintrittstemperatur,
121°C (250°F) Austrittstemperatur,
einer Blechdicke von 0,001 m (0,041 "), einer Breite von 1,83 m (72") und den physikalischen
Eigenschaften einer AA 6111 Legierung berechnet. Diese Berechnung
führt zu
einem geschätzten
Energiebedarf von 280 kW, einem Energiebedarf, der für standardmäßige industrielle
Leistungsfähigkeit
gut ist.
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Um weiter die Verbesserungen zu demonstrieren,
die der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und dem Verfahren zugeordnet sind, wurde ein Testbetrieb in Bezug
auf die Lackeinbrennreaktion, die natürliche Alterungsbeständigkeit
und die verbesserte Formbarkeit durchgeführt. Die unten beschriebenen Tests
erläutern
ferner die Umgebungsabkühlraten, die
in Verbindung mit der Schnellerwärmungs-Vorvergütungsbehandlung
angewendet wurden, sowie die verbesserten physikalischen Eigenschaften,
die durch die Erfindung erreicht werden. Es sollte sich verstehen,
dass die unten beschriebenen Experimente nur Beispiele der Erfindung
sind und die Erfindung hierauf nicht beschränkt ist.
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Unter Verwendung empirischer Daten
von Anlagenversuchen und Labortests wurden Experimente durchgeführt, in
denen die natürliche
Abkühlrate
von Metallwickeln auf einem Fabrikboden untersucht wurden, um eine
kostengünstige
Vorvergütungsbehandlung
anzuwenden. In diesen Experimenten wurden die Effekte von Änderungen
in dem Zeittemperaturprofil der Vorvergütungsbehandlung auf die Lackeinbrennreaktion
und T4 Eigenschaften untersucht.
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Diese Experimente simulierten auch
das Wiedererhitzen von frisch abgeschrecktem (6111-W [2 min,]) Automobilblech
auf eine relativ niedrige Temperatur (weniger als 121°C (250°F)), unmittelbar bevor
es am Austrittsende des CHT aufgewickelt wurde. Die thermische Masse
des Wickels gibt vor, dass das Abkühlen auf Raumtemperatur durch
klassische Newton'sche
Abkühlung
bestimmt ist. Aus empirischen Daten, wie sie in 4 gezeigt sind, ist diese Abkühlrate überraschend
langsam.
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In 4 ist
eine Wickelabkühlkurve
für Aluminium
gezeigt. In diesem spezifischen Fall wurden die Daten von Stellen
innerhalb der Lagen eines 1,83 m (72'')
breiten Wickels aus AA 6111-F abgenommen (0,0009 m (0,037'') kaltgewalzt). Verschiedene wichtige
Punkte sind erwähnenswert:
- 1. Die Abkühlraten
nahe den Außenlagen
und nahe der Mitte des Wickels sind nahezu gleich. Dies impliziert,
dass das Abkühlen
weitgehend durch die Blechenden (axial) stattfindet anstatt durch
die Oberfläche
der äußeren Lagen
(radial), wie es durch die gegebenen Wärmeübertragungskoeffizienten von
Aluminium und Aluminiumoxid/Luft/Ölbarrieren zu erwarten wäre.
- 2. Unterhalb 121°C
(250°F)
fällt die
Abkühlrate
signifikant ab. Obwohl die Abkühlrate
logarithmisch ist, kann sie als linear mit 1,7°C (3°F) pro Stunde angenähert werden.
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Auf der Basis der empirischen Daten
von Wickelabkühlen
wurden Laboröfen programmiert,
um das Niedertemperaturende der Abkühlkurve zu simulieren und dieses
abnehmende Temperaturprofil auf frisch abgeschrecktes AA 6111-W auszuüben. Es wurde
eine Veweilzeit von 2 Minuten gewählt, weil diese jener Zeit
am besten angenähert
ist, die für
das Metall zum Lauf durch den CHT-Nivellierer 9 und den Akkumulator 11 erforderlich
ist (siehe 3). Unter Verwendung
einer Abkühlrate
von 1,7°C
(3°F) pro Stunde
wurden fünf
Ausgangstemperaturen getestet: 121°C (250°F), 107°C (225°F), 93°C (200°F), 79°C (175°F), 65°C (150°F). Die Kühlzeiten auf Umgebungstemperatur
betrugen jeweils 57, 48, 40, 32 und 23 Stunden. In 4 ist auch eine Darstellung dieser fünf Abkühlwege angegeben.
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Nach der Schnellerhitzungs-Vorvergütungsbehandlung
wurden den Proben zusätzliche
10 Tage natürlicher
Alterung (T4 Behandlung) gestattet, und dann wurden die Proben für eine Zugprüfung und Herstellung
einer Folie zur Transmissionselektronenmikroskopie genommen. Eine
Hälfte
der Proben wurde einer Standardlackeinbrennsimulation von 194°C (350°C) pro 30
min. unterzogen, und eine Hälfte
wurde in dem Zustand wie vorvergütet
+10 Tage natürlicher
Alterung untersucht.
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Die Zugdehnfestigkeit, sowohl vor
als auch nach dem simulierten Lackeinbrennzyklen, ist in 5 für die fünf Ausgangstemperaturen der
Wickelkühlsimulation
gezeigt. Aus diesen Daten kann geschlossen werden:
- 1. Eine Ausgangstemperatur zwischen 93°C (200°F) und 107°C (225°F) erscheint als Optimum. Temperaturen
oberhalb 107°C
(225°F) scheinen,
obwohl sie ein gutes PBR erzielen, eine frühzeitige Alterung hervorzurufen
(erhöhte
T4 Dehnfestigkeit), und Temperaturen unterhalb dieses Bereichs beginnen,
die Lackeinbrennreaktion zu reduzieren.
- 2. Für
die Proben, denen eine Ausgangstemperatur von 93°C (200°F) gegeben wurde, wurde ein PBR
von 99 MPa (14,4 ksi) erreicht. Dies steht im Gegensatz zu den PBR
von 14 MPa (2 ksi) in Standard AA 6111-T4 und einer 62 MPa (9 ksi) Reaktion
in AA6111, angegeben als "Rechteckwellen" Vorvergütungszyklus
bei 100°C
(212°F) für 24 Stunden
nach einer zweistündigen
Verweilzeit.
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Somit wird durch schnelles Erhitzen
eines Lösungswärme-behandelten
und abgeschreckten Aluminiumlegierungsblechs vor dem Aufwickeln
eine signifikante Lackeinbrennreaktion erreicht, zusammen mit einer
verbesserten Stanzeigenschaften, aufgrund der Reduktion der T4 Dehnfestigkeit.
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Nun ist in Bezug auf die 6 und 7 der Effekt der natürlichen Alterungszeit an AA
6111 Aluminiumslegierungen gezeigt, die zuvor der erfindungsgemäßen Vorvergütungspraxis
unterzogen wurden. Insbesondere in Bezug auf 6 zeigt das T4 Aluminiumlegierungsblech
vor dem Lackeinbrennen eine relativ flache Kurve der Dehnfestigkeit über 60 Tage. Dies
bedeutet, dass durch erfindungsgemäßes Vorvergüten die Beständigkeit
gegenüber
natürlicher
Alterung erhöht
werden. Somit zeigt das Aluminiumblech nicht den typischen Dehnfestigkeits-Zuwachs in
der T4 Dehnfestigkeit, d. h. 7 bis 14 MPa (1 oder 2 ksi), die die
Stanzeigenschaften nachteilig beeinflussen kann. Auch sinkt die
T4 Dehnfestigkeit, was das Problem von Zurückfedern reduziert, das bei
Automobilaluminium-Stanzungen
häufig
ist.
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6 bestätigt auch
die signifikante Lackeinbrennreaktion, die erreicht wird, wenn das
Aluminiumblech erfindungsgemäß vorvergütet wird,
auch nach 60 Tagen natürlicher
Alterungszeit.
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Nun in Bezug auf 7. Ziemlich überraschend zusammen mit der
verbesserten Lackeinbrennreaktion zeigt das Aluminiumblech, das
dem erfindungsgemäßen Prozess
unterzogen ist, auch signifikante Verbesserungen in der T4 Gesamtdehnung und
der Gleichmaßdehnung
Die in 4 angegebenen
Kurven als gemessene Dehnung zeigen signifikante Verbesserungen
gegenüber
der nicht nivellierten Standard T4 Dehnung von 24 %. Unter Verwendung
einer Ausgangstemperatur von 93°C
(200°F) und
60 Tagen natürlicher
Alterungszeit wird ein 4%-iger Zuwachs gegenüber dem herkömmlichen Standard
realisiert (28%).
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Was die Gleichmaßdehnung betrifft, beträgt typischerweise
dieser Wert für
eine Standard AA 6111 – T4
Legierung etwa 18%. Wenn das erfindungsgemäße Verfahren angewendet wird,
wird die Gleichmaßdehnung
stark verbessert, erstreckt sich bis zu 23% für eine Vorvergütungstemperatur
von 93°C
(200°F).
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Zusammenfassend zeigen die oben diskutierten
Daten auf, dass bei Durchführung
der Erfindung eine überragende
Stabilität
und PBR erreicht werden, insbesondere dann, wenn eine 1,7°C (3°F) pro Stunden/Umgebungsakühlrate von
einer 93°C (200°F) Vorvergütungstemperatur
angewendet wurde. Zugtests, die an Proben vor dem Anwenden eines
Lackeinbrennzyklus durchgeführt
wurden, zeigen auf, dass eine Bruchdehnung, die eng mit der Formbarkeit
und Stanzeigenschaft einhergeht, auch bis zu 28% erhöht ist,
eine vollständige
4 %-ige Verbesserung gegenüber
einer Dehnung von Standard AA 6111 T4 Aluminiumlegierung. Ähnlich wird
bei Durchführung
der Erfindung auch eine Gleichmaßdehnung verbessert. Zusätzlich wird
eine Lackeinbrennreaktion, welche die normalen 14 Mpa (2 ksi) weit übersteigt,
erreicht, wenn ein Aluminiumblech direkt nach kontinuierlicher Wärmebehandlung
und Abschrecken und Umgebungsabkühlen
des Wickels schnell erhitzt wird. In Verbindung mit diesen Verbesserungen
zeigt das Aluminiumblech auch eine Beständigkeit gegen natürliche Alterung,
indem es keinen Zuwachs in der Dehnfestigkeit über die Zeit hinweg zeigt.
Diese Alterungsbeständigkeit
ist signifikant, da Zuwächse
in der Dehnfestigkeit über
die Zeit die Stanzeigenschaften nachteilig beeinträchtigen können.