EP4737596A1

EP4737596A1 - Anlage und verfahren zur wärmebehandlung eines metallbandes

Info

Publication number: EP4737596A1
Application number: EP25212740.2A
Authority: EP
Inventors: Wolfgang Lenz; Thomas Daube; Mykhailo STOLBCHENKO; Josef Köppl
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2024-11-01
Filing date: 2025-10-31
Publication date: 2026-05-06

Abstract

Anlage (1) und Verfahren zur Wärmebehandlung eines Metallbandes (2), vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, das in einer Bandlaufrichtung (R) mit einer Bandlaufgeschwindigkeit transportierbar ist, wobei die Anlage (1) aufweist: eine Lösungsglühvorrichtung (10), die eingerichtet, um das Metallband (2) auf eine erste Temperatur (T1), vorzugsweise im Bereich von 350 °C bis 650 °C, zu erhitzen; eine Abschreckvorrichtung (20), die in Bandlaufrichtung (R) gesehen stromabwärts der Lösungsglühvorrichtung (10) angeordnet und eingerichtet ist, um das Metallband (2) durch Aufbringen eines Kühlmittels auf eine zweite Temperatur (T2), vorzugsweise im Bereich von 70 °C bis 250 °C, abzukühlen; und eine Voralterungsvorrichtung (30), die in Bandlaufrichtung (R) gesehen stromabwärts der Abschreckvorrichtung (20) angeordnet und eingerichtet ist, um das Metallband (2) auf eine dritte Temperatur (T3), vorzugsweise im Bereich von 100 °C bis 350 °C, zu erwärmen; wobei die Lösungsglühvorrichtung (10), die Abschreckvorrichtung (20) und die Voralterungsvorrichtung (30) in einer gemeinsamen, kontinuierlichen Produktionslinie angeordnet sind; und die Voralterungsvorrichtung (30) als elektrische Schnellheizvorrichtung, vorzugsweise Induktionsheizvorrichtung, konzipiert ist.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Anlage und ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Metallbandes, insbesondere eines Bandes aus einer Aluminiumlegierung.

Hintergrund der Erfindung

Aushärtbare Aluminiumlegierungen zeichnen sich durch mindestens einen Legierungsbestandteil aus, dessen Löslichkeit im Aluminium mit sinkender Temperatur abnimmt. Die mechanischen Eigenschaften solcher aushärtbarer Aluminiumlegierungen werden durch die Prozesse des Lösungsglühens, Abschreckens und Auslagerns eingestellt.
Im Prozess des Lösungsglühens wird bei einer ersten Temperatur (beispielsweise 350 °C bis 650 °C) das Legierungselement im Aluminiumband zumeist vollständig gelöst. Im Inneren der Lösungsglühvorrichtung herrschen dazu Atmosphärentemperaturen von beispielsweise 350 °C bis 700 °C vor. Beim Abschreckprozess wird das Band anschließend so schnell auf eine zweite Temperatur (beispielsweise 70 °C bis 150 °C) abgekühlt, dass die Legierungselemente nicht ausgeschieden werden können, sondern entgegen des thermodynamischen Gleichgewichtszustands in Lösung verbleiben. Die anschließende Auslagerung bringt die sich im Ungleichgewichtszustand befindlichen Legierungsbestandteile in einem gewünschten Maß zur Ausscheidung.
Die Prozesse des Lösungsglühens und Abschreckens werden in der Regel in kontinuierlichen Banddurchlaufanlagen, beispielsweise Schwebebandöfen, durchgeführt. Eine rein natürliche Alterung benötigt lange Lagerzeiten. Der Auslagerungsvorgang kann daher zumindest teilweise, etwa in Form einer sogenannten Voralterungsbehandlung, in der gleichen Banddurchlaufanlage wie das Lösungsglühen und Abschrecken erfolgen.
Die WO 2019/141682 A1 beschreibt eine Durchlaufofenanlage zum Wärmebehandeln eines Aluminiumbandes, umfassend eine erste Erwärmungseinheit zum Lösungsglühen des Aluminiumbandes, eine Abkühleinheit sowie eine zweite Erwärmungseinheit, die sich zur Voralterung unmittelbar an die Kühlzone der Abkühleinheit anschließt.
Die Inline-Voralterung benötigt herkömmlich einen beträchtlichen Bauraum von beispielsweise bis zu 25 m. Die Flexibilität der Aufheizung in diesem Bereich ist zudem eingeschränkt durch die Durchlaufgeschwindigkeit des Aluminiumbandes in der Gesamtanlage und die Länge der Erwärmungszone. Eine Inline-Voralterung vor dem Downcoiler erfolgt nicht mit konstanter Prozessgeschwindigkeit und erfordert daher eine aufwändige Prozessführung zur Einstellung konstanter mechanischer Eigenschaften. Eine künstliche Überalterung in etwaigen separaten Glühprozessen benötigt zusätzliches Equipment und zusätzliche Prozessschritte.

Darstellung der Erfindung

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine verbesserte Anlage und ein verbessertes Verfahren zur Wärmebehandlung eines Metallbandes, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, bereitzustellen.
Gelöst wird die Aufgabe durch eine Anlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Verfahrensanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Die Anlage dient der Wärmebehandlung eines Metallbandes, insbesondere eines Bandes aus einer Aluminiumlegierung. Die Wärmebehandlung ist Teil der Herstellung von Bändern, Folien oder anderen Flachprodukten, insbesondere Flachwalzprodukten. Während der Wärmebehandlung wird das Metallband mittels einer Transportvorrichtung in einer Bandlaufrichtung mit einer Bandlaufgeschwindigkeit transportiert.
Die Anlage umfasst eine Lösungsglühvorrichtung, die eingerichtet ist, um das Metallband auf eine erste Temperatur, vorzugsweise im Bereich von 350 °C bis 650 °C, zu erhitzen, eine Abschreckvorrichtung, die in Bandlaufrichtung gesehen stromabwärts der Lösungsglühvorrichtung angeordnet und eingerichtet ist, um das Metallband durch Aufbringen eines Kühlmittels, beispielsweise Wasser oder ein Wasser-/Luftgemisch, auf eine zweite Temperatur, vorzugsweise im Bereich von 70 °C bis 250 °C, abzukühlen, und eine Voralterungsvorrichtung, die in Bandlaufrichtung gesehen stromabwärts der Abschreckvorrichtung angeordnet und eingerichtet ist, um das Metallband auf eine dritte Temperatur zu erwärmen. Die dritte Temperatur liegt etwa im Bereich von 100 °C bis 350 °C, bevorzugt 150 °C bis 300 °C, besonders bevorzugt 175 °C bis 275 °C.
Die Lösungsglühvorrichtung, die Abschreckvorrichtung und die Voralterungsvorrichtung sind in einer gemeinsamen, kontinuierlichen Produktionslinie angeordnet. Die Voralterungsvorrichtung ist als elektrische Schnellheizvorrichtung, vorzugsweise Induktionsheizvorrichtung, konzipiert.
Begriffe zur Bezeichnung räumlicher Relationen wie etwa "vor", "hinter", "zwischen", "stromaufwärts", "stromabwärts" usw. beziehen sich hierin auf die Bandlaufrichtung des Metallbandes durch die Anlage während des bestimmungsgemäßen Gebrauchs und sind insofern eindeutig.
Die mit der Lösungsglühvorrichtung und Abschreckvorrichtung in einer gemeinsamen, kontinuierlichen Produktionslinie angeordnete Voralterungsvorrichtung auf Basis einer elektrischen Schnellheizvorrichtung ermöglicht die Durchführung einer Auslagerungsbehandlung (oder zumindest eines Teils davon, "Voralterung") in einem Inline-Prozess mit werkstofftechnisch vorteilhaften Aufheizgeschwindigkeiten. Die Anlage erlaubt eine flexible Nutzung von metallphysikalischen Vorgängen, die nur unmittelbar nach der Abschreckung durch die Abschreckvorrichtung durchführbar sind. Die kompakte Bauweise der Anlage ermöglicht zudem geringe Prozesszeiten für die Voralterung mit entsprechenden positiven Folgen für den spezifischen Energiebedarf. Der Voralterungsprozess durch die Voralterungsvorrichtung ist in die kontinuierliche Produktionslinie integriert, was neben den genannten Vorteilen auch eine besonders gleichmäßige Behandlung über die Bandlänge ermöglicht.
Die Anlage ist vorzugsweise geeignet für die Bearbeitung von Aluminiumbändern mit einer Dicke von 0,2 mm bis 7,0 mm, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,5 mm bis 2,0 mm.
Die Transportgeschwindigkeit liegt vorzugsweise zwischen 5 m/min und 120 m/min.
Die Abschreckvorrichtung ist eingerichtet eine Kühlrate vorzugsweise zwischen 1 K/sek und 100 K/sek einzustellen, besonders bevorzugt zwischen 5 K/sek und 75 K/sek.
Die elektrischen Schnellheizvorrichtung ist eingerichtet eine Temperaturerhöhung von vorzugsweise mehr als 10 K/sek vorzunehmen, besonders bevorzugt von mehr als 30 K/sek . Die elektrische Schnellheizvorrichtung ist eingerichtet eine Temperaturerhöhung von weniger als 100 K/sek vorzunehmen, vorzugsweise weniger als 75 K/sek.
Die Voralterungsvorrichtung, insbesondere deren Heizzone, ist vorzugsweise weniger als 5 m lang.
Ist die Voralterungsvorrichtung als elektrische Schnellheizvorrichtung, vorzugsweise Induktionsheizvorrichtung, konzipiert kann diese besonders vorteilhaft und kompakt aufgebaut sein. Bei der Induktionsheizvorrichtung kann es sich um einen oder mehrere Induktoren handeln, die als Längsfeldinduktor oder Querfeldinduktor oder eine Kombination davon ausgeführt sein können.
Der Leistungs- und Frequenzbereich kann dabei auf die Besonderheiten der Aluminiumlegierung und der jeweiligen Banddicke angepasst werden.
Aufgrund der kompakten Bauweise der Anlage, insbesondere der Voralterungsvorrichtung, kann es notwendig oder sinnvoll sein, die Voralterungsvorrichtung vor dem Kühlmittel aus der unmittelbar benachbarten Abschreckvorrichtung zu schützen.
Zu diesem Zweck weist die Anlage vorzugsweise eine Abblasungsvorrichtung auf, die zwischen der Abschreckvorrichtung und der Voralterungsvorrichtung angeordnet und eingerichtet ist, um das Kühlmittel mit einem Hochdruckgas, vorzugsweise einer Hochdruckluftströmung, aus einer oder mehreren Abblasungsdüsen vom Metallband abzublasen.
Die Abblasungsvorrichtung weist vorzugsweise ein oder mehrere, insbesondere zwei, hintereinander angeordnete Paare von Abblasungsdüsen auf, wobei jedes Paar von Abblasungsdüsen eine obere Abblasungsdüse zur Behandlung der Oberseite des Metallbandes und eine untere Abblasungsdüse zur Behandlung der Unterseite des Metallbandes umfasst. Auf diese Weise kann das Band auf geringem Bauraum zuverlässig von etwaigen Kühlmittelrückständen befreit werden, wodurch die Behandlungsstrecke weiter verkürzt werden kann.
Alternativ oder zusätzlich kann die Anlage eine oder mehrere Schutzrollen aufweisen, die zwischen der Abschreckvorrichtung und der Voralterungsvorrichtung angeordnet sind, mit dem Metallband zumindest zeitweise in Kontakt stehen. Zur Vermeidung einer Beschädigung der Bandoberfläche ist die zumindest eine Schutzrolle vorzugsweise gummiert. Die Umfangsgeschwindigkeit der Schutzrolle(n) ist vorzugsweise an die Bandlaufgeschwindigkeit angepasst.
Alternativ oder zusätzlich erfolgt die Bandführung zwischen der Abschreckvorrichtung und der Voralterungsvorrichtung zumindest abschnittsweise in einem aufwärtsgerichteten Winkel α, wobei insbesondere gilt: 0° < α <= 5°. Zumindest eine der Schutzrollen kann hierbei synergetisch zur Umlenkung des Metallbandes aus der horizontalen Lage in die aufwärtsgerichtete Lage genutzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der Abschreckvorrichtung und der Voralterungsvorrichtung ein mechanischer Spritzschutz aus einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise Plexiglas oder Epoxidharz, angeordnet sein. Der mechanische Spritzschutz kann als Gehäuse oder Teil eines Gehäuses für die Voralterungsvorrichtung ausgebildet sein.
Vorzugsweise weist die Anlage eine Trocknungsvorrichtung oder eine kombinierte Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung, umfassend einen Trocknungsabschnitt und einen Voralterungsabschnitt, auf, wobei die Trocknungsvorrichtung bzw. der Trocknungsabschnitt der kombinierten Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung eingerichtet sein kann, um das Metallband bei einer Temperatur im Bereich von 130 °C bis 170 °C zu trocknen. Eine solche Trocknungsvorrichtung bzw. ein solcher Trocknungsabschnitt kommt insbesondere in Kombination mit einer Beschichtungsvorrichtung zur Beschichtung einer oder beider Bandoberflächen in Betracht. Durch die Anhebung der Temperatur in der Trocknungsvorrichtung bzw. im Trocknungsabschnitt der kombinierten Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung ist es möglich, eine zumindest teilweise Alterung zu initiieren, wodurch Energie in der dedizierten Voralterungsvorrichtung eingespart werden kann.
Die oben genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Metallbandes, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, das in einer Bandlaufrichtung mit einer Bandlaufgeschwindigkeit transportiert wird, wobei das Verfahren aufweist: Erhitzen des Metallbandes auf eine erste Temperatur, vorzugsweise im Bereich von 350 °C bis 650 °C, mittels einer Lösungsglühvorrichtung; danach Abkühlen des Metallbandes durch Aufbringen eines Kühlmittels auf eine zweite Temperatur, vorzugsweise im Bereich von 70 °C bis 250 °C, mittels einer Abschreckvorrichtung; und danach Erwärmen des Metallbandes auf eine dritte Temperatur, vorzugsweise im Bereich von 100 °C bis 350 °C, mittels einer Voralterungsvorrichtung; wobei das Erwärmen des Metallbandes auf die dritte Temperatur in der Voralterungsvorrichtung mittels einer elektrischen Schnellheizvorrichtung, insbesondere Induktionsheizvorrichtung, erfolgt.
Die Merkmale, technischen Wirkungen, Vorteile sowie Ausführungsbeispiele, die in Bezug auf die Anlage beschrieben wurden, gelten analog für das Verfahren.
So ist aus den oben genannten Gründen zwischen der Abschreckvorrichtung und der Voralterungsvorrichtung vorzugsweise eine Abblasungsvorrichtung angeordnet, die Kühlmittel mit einem Hochdruckgas, vorzugsweise einer Hochdruckluftströmung, aus einer oder mehreren Abblasungsdüsen vom Metallband abbläst. Die Abblasungsvorrichtung weist vorzugsweise ein oder mehrere, insbesondere zwei, hintereinander angeordnete Paare von Abblasungsdüsen auf, wobei jedes Paar von Abblasungsdüsen eine obere Abblasungsdüse zur Behandlung der Oberseite des Metallbandes und eine untere Abblasungsdüse zur Behandlung der Unterseite des Metallbandes umfasst.
Vorzugsweise sind aus den oben genannten Gründen eine oder mehrere Schutzrollen zwischen der Abschreckvorrichtung und der Voralterungsvorrichtung angeordnet, die mit dem Metallband zumindest zeitweise in Kontakt stehen, wobei die eine oder mehreren Schutzrollen vorzugsweise gummiert sind, wobei die Umfangsgeschwindigkeit der einen oder mehreren Schutzrollen vorzugsweise an die Bandlaufgeschwindigkeit angepasst ist.
Vorzugsweise wird das Metallband zwischen der Abschreckvorrichtung und der Voralterungsvorrichtung aus den oben genannten Gründen zumindest abschnittsweise in einem aufwärtsgerichteten Winkel α geführt, wobei insbesondere gilt: 0° < α <= 5°. Vorzugsweise wird das Metallband hierbei durch zumindest eine der Schutzrollen aus der horizontalen Lage in die aufwärtsgerichtete Lage umgelenkt.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem zu behandelnden Metallband um ein Band aus einer Aluminium-Legierung, deren Hauptlegierungselemente Magnesium und Silicium sind oder deren Hauptlegierungselement Kupfer oder deren Hauptlegierungselement Zink ist.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die darin beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, sofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele erfolgt dabei mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen.

Kurze Beschreibung der Figuren

Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

Figur 1: schematisch eine Anlage zur Wärmebehandlung eines Metallbandes gemäß einem Ausführungsbeispiel sowie eine grafische Darstellung, welche eine beispielhafte Entwicklung der Temperatur des Metallbandes als Funktion der Anlagenposition bzw. Prozesszeit zeigt;
Figur 2: einen Ausschnitt einer Anlage zur Wärmebehandlung eines Metallbandes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Figur 3: schematisch eine Anlage zur Wärmebehandlung eines Metallbandes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel; und
Figur 4: schematisch eine Anlage zur Wärmebehandlung eines Metallbandes gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanz zu vermeiden.
Die Figur 1 zeigt schematisch eine Anlage 1 zur Wärmebehandlung eines Metallbandes 2, insbesondere aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung, sowie eine grafische Darstellung, welche eine beispielhafte Entwicklung der Temperatur T des Metallbandes 2 als Funktion der Anlagenposition x bzw. Prozesszeit t zeigt.
Die Anlage 1 umfasst eine Lösungsglühvorrichtung 10, eine Abschreckvorrichtung 20 und eine Voralterungsvorrichtung 30, die in einer gemeinsamen, kontinuierlichen Produktionslinie angeordnet sind.
Die Lösungsglühvorrichtung 10 ist eingerichtet, um das Metallband 2 auf eine erste Temperatur T1 zu erhitzen, bei der zumindest ein Legierungselement gelöst wird, vorzugsweise auf eine erste Temperatur T1 im Bereich von 350 °C bis 650 °C. Das Metallband 2 wird hierbei mittels einer geeigneten Transportvorrichtung (nicht gezeigt) entlang einer Bandlaufrichtung R durch die Anlage 1 bzw. Lösungsglühvorrichtung 10 transportiert. Die Lösungsglühvorrichtung 10 weist eine geeignete Heizeinrichtung auf, die beispielsweise mittels Brenngas oder via Induktion das Metallband 2 erhitzt. Das Lösungsglühen in der Lösungsglühvorrichtung 10 kann unter einem Schutzgas erfolgen.
In der Abschreckvorrichtung 20, die sich in Bandlaufrichtung R an die Lösungsglühvorrichtung 10 anschließt, wird das Metallband 2 auf eine zweite Temperatur T2 abgekühlt, vorzugsweise auf eine zweite Temperatur T2 im Bereich von 70 °C bis 250 °C, bei der die betreffenden Legierungselemente nicht ausgeschieden werden können, sondern entgegen des thermodynamischen Gleichgewichtszustands in Lösung verbleiben. Die für diesen Vorgang erforderliche Abschreckgeschwindigkeit liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 5 K/s bis 100 K/s, besonders bevorzugt im Bereich von 10 k/sek bis 75 K/sek.. Besonders wichtig für die Unterdrückung der vorzeitigen Ausscheidung der Legierungselemente ist eine hohe Abschreckrate ausgehend von Solvus-Temperatur bis 200 °C. Die Abschreckvorrichtung 20 kann auf der Oberseite und gegebenenfalls Unterseite Spritzbalken 21 (vgl. Figur 2) mit jeweils einer Mehrzahl an Düsen aufweisen, die ein Kühlmittel, beispielsweise Wasser oder ein Wasser-/Luftgemisch, auf das Metallband 2 aufbringen. Allerdings sind alternative Kühlungskonzepte ebenfalls möglich.
Stromabwärts der Abschreckvorrichtung 20 ist die Voralterungsvorrichtung 30 angeordnet, die eingerichtet ist, um das Metallband 2 auf eine dritte Temperatur T3 zu erwärmen, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften des Metallbandes 2 einzustellen.
Unmittelbar nach dem Ende des Abschreckvorgangs fängt eine diffusionsbedingte Ausscheidung der Legierungselemente an. Dieser Prozess beginnt mit der Bildung von sogenannten Cluster aus Atomen der Legierungselemente. Die Art von gebildeten Cluster ist temperaturabhängig und definiert die maximal erreichbare Festigkeit der Legierung. Ziel der Voralterung ist Begünstigung der Bildung von Cluster, die Erreichen von einem besseren Eigenschaftsprofil ermöglichen, und deren Stabilisierung. Solche Cluster bilden sich bei Temperaturen oberhalb von 60 °C. Da dieser Prozess diffusionsgesteuert ist, verläuft er intensiver bei höheren Temperaturen, besonders intensiv im Bereich von 175 °C bis 275 °C. Deswegen ist es besonders wichtig das Aluminiumband unmittelbar nach dem Abschrecken erneut auf die Temperatur zu bringen, bei welcher die bevorzugten Cluster sich innerhalb einer kürzeren Zeit von wenigen Sekunden bilden und stabilisieren. Die dritte Temperatur T3 liegt etwa im Bereich von 100 °C bis 350 °C, bevorzugt 150 °C bis 300 °C, besonders bevorzugt 175 °C bis 275 °C. Die Voralterungsvorrichtung 30 ermöglicht eine Inline-Voralterung und ist als elektrische Schnellheizvorrichtung auf Induktionsbasis konzipiert. Die Voralterungsvorrichtung 30 weist zu diesem Zweck entsprechende Induktionsspulen 31 (vgl. Figur 2) auf. Die Erwärmung des Metallbandes 2 in der Voralterungsvorrichtung 30 erfolgt vorzugsweise innerhalb weniger Sekunden. Dabei sollte vorzugsweise eine Aufheizrate von 10 K/s bis 75 K/s erreicht werden.
Die Lösungsglühvorrichtung 10, die Abschreckvorrichtung 20 und die Voralterungsvorrichtung 30 können an einer gemeinsamen Tragestruktur oder an getrennten Tragestrukturen, insbesondere Stahlbaustrukturen, mit jeweiligen Fixpunkten der Wärmeausdehnung installiert sein.
Das Material des zu verarbeitenden Metallbandes ist vorzugsweise eine Aluminiumlegierung, insbesondere Aluminium-Magnesium-Silicium-Legierung (Al-Mg-Si). Eine Voraussetzung für die Stabilisierung der Mikrostruktur von Al-Mg-Si-Legierungen für eine etwaige weitere langzeitige Lagerung vor dem endgültigen Aushärten ist die Begünstigung der Bildung von ausbalancierten Mg-Si-Clustern. Dies wird durch die Voralterungsbehandlung mittels der Voralterungsvorrichtung 30 realisiert, soweit möglich unmittelbar nach dem Abschrecken durch die Abschreckvorrichtung 20 nach dem Lösungsglühen. Da der Bildungsprozess dieser Cluster diffusionsgesteuert abläuft, nimmt seine Intensität mit der steigenden Temperatur T3 zu. Bei Temperaturen T3 im Bereich von 190 °C bis 250 °C reichen für die erfolgreiche Stabilisierung wenige Sekunden.
Die verkürzte Prozesszeit bietet Vorteile für den technologischen Gesamtprozess insbesondere in Verbindung mit einer ebenfalls verkürzten Aufheizzeit von der Abschrecktemperatur T2 auf eine Haltetemperatur vor der Voralterung. Das ermöglicht eine besonders kompakte Bauweise der Voralterungsvorrichtung 30 und eine Platzierung derselben in der Aushärtungslinie unmittelbar nach der Abschreckvorrichtung 20. Die Heizzone der Voralterungsvorrichtung 30 ist vorzugsweise weniger als 5 m lang.
Das kurzzeitige Aufheizen und ebenfalls kurze Aussetzen des Metallbandes 2 der dritten Temperatur T3 bringt energetische Vorteile im Vergleich zu einer mehrstündigen Voralterungsbehandlung etwa im Zustand eines aufgewickelten Coils. Weiterhin können einige exotherme Reaktionen bei den höheren Aufheizraten unterdrückt und dadurch die für Al-Mg-Si-Legierungen konventionelle Ausscheidungssequenz zugunsten einer kontrollierten Bildung der intermetallischen Phasen modifiziert werden.
Für eine frisch abgeschreckte Al-Mg-Si-Fe-Legierung führt eine größere Aufheizrate bis zu einem Temperaturbereich von 175 °C bis 275 °C durch Unterdrückung der Aushärtung zu niedrigen Härtewerten im stabilisierten Material, was positiv für etwaige unmittelbar anschließende Richtprozesse und/oder eine spätere Blechumformung ist. In dem genannten Temperaturbereich findet dann schon die Aushärtung statt und es ist wichtig, das Band schnell, d.h. mit der höheren Aufheizrate, in diesen Temperaturbereich zu bringen.
Aufgrund der kompakten Bauweise der Anlage 1, insbesondere der Voralterungsvorrichtung 30, kann es notwendig oder sinnvoll sein, die Voralterungsvorrichtung 30 vor dem Kühlmittel aus der unmittelbar benachbarten Abschreckvorrichtung 20 zu schützen. Zu diesem Zweck können eine oder mehrere Maßnahmen ergriffen werden.
Die Figur 2 zeigt diesbezüglich einen Ausschnitt der Anlage 1, umfassend die Abschreckvorrichtung 20 und die Voralterungsvorrichtung 30, gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Die Anlage 1 kann eine Abblasungsvorrichtung 40 aufweisen, die zwischen der Abschreckvorrichtung 20 und der Voralterungsvorrichtung 30 angeordnet und eingerichtet ist, um das Kühlmittel mit einer Hochdruckluftströmung aus einer oder mehreren dafür ausgelegten Abblasungsdüsen 41 vom Metallband 2 abzublasen. Vorzugsweise sind die Abblasungsdüsen 41 paarweise zur Behandlung entsprechend der Oberseite und der Unterseite des Metallbandes 2 angeordnet. Vorzugsweise sind zwei Paare von Abblasungsdüsen 41 installiert.
Alternativ oder zusätzlich können zwischen der Abschreckvorrichtung 20 und der Voralterungsvorrichtung 30 eine oder mehrere Schutzrollen 50 installiert sein, die mit dem Metallband 2 zumindest zeitweise in Kontakt stehen. Zur Vermeidung einer Beschädigung der Bandoberfläche sind die Schutzrollen 50 vorzugsweise gummiert. Die Umfangsgeschwindigkeit der Schutzrolle(n) 50 ist an die Bandlaufgeschwindigkeit angepasst.
Alternativ oder zusätzlich kann die Bandführung zwischen der Abschreckvorrichtung 20 und der Voralterungsvorrichtung 30 in einem aufwärtsgerichteten Winkel α, vorzugsweise 0° < α <= 5°, erfolgen. Die Schutzrolle 50 kann hierbei synergetisch zur Umlenkung des Metallbandes 2 aus der horizontalen Lage in die aufwärtsgerichtete Lage genutzt werden.
Alternativ oder zusätzlich kann zwischen der Abschreckvorrichtung 20 und der Voralterungsvorrichtung 30 ein mechanischer Spritzschutz 32 zum Schutz der Induktionsspulen 31 aus einem elektrisch nichtleitenden Material, beispielsweise Plexiglas oder Epoxidharz, installiert sein. Der mechanische Spritzschutz 32 kann als Gehäuse oder als Teil eines Gehäuses für die Voralterungsvorrichtung 30 ausgebildet sein.
Vorzugsweise liegt der Taupunkt der Atmosphäre zwischen der Abschreckvorrichtung 20 und der Voralterungsvorrichtung 30 unterhalb einer zulässigen Mindesttemperatur (PMT), um eine unerwünschte Kondensatbildung zu vermeiden.
Die Voralterungsvorrichtung 30 kann flexibel ausgeführt sein, umfassend beispielsweise mehrere Induktoren oder eine Kombination aus einem oder mehreren Induktoren und einer weiteren Beheizungseinrichtung, um neben den maximalen Aufheizgeschwindigkeiten auch geringere Aufheizgeschwindigkeiten bei gleicher Bandlaufgeschwindigkeit realisieren zu können.
Die Figur 3 zeigt schematisch eine Anlage 1 zur Wärmebehandlung eines Metallbandes 2 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
Ausgehend von der Anlage 1 der Figur 1 sind hierbei ferner in der gemeinsamen kontinuierlichen Produktionslinie eine Richtvorrichtung 60 zur Verbesserung der Planheit des Metallbandes 2, eine Reinigungsvorrichtung 70 zur Reinigung der Bandoberflächen und eine Beschichtungsvorrichtung 80 zur Beschichtung einer oder beider Bandoberflächen angeordnet. Die Richtvorrichtung 60, die Reinigungsvorrichtung 70 und die Beschichtungsvorrichtung 80 sind in dieser Reihenfolge hinter der Abschreckvorrichtung 20 installiert. Im Ausführungsbeispiel der Figur 3 wird die Voralterung zudem in einer kombinierten Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung 30', umfassend einen Trocknungsabschnitt und einen Voralterungsabschnitt, durchgeführt.
Die Bereitstellung des Metallbandes 2 für den kontinuierlichen Prozess erfolgt über eine Abwickelvorrichtung 3, die ein zu einem Coil gewickeltes Metallband 2 abwickelt und der Anlage 1 zur Verfügung stellt. Das in der Anlage 1 behandelte Metallband 2 wird nach der Behandlung durch eine Aufwickelvorrichtung 4 wieder zu einem Coil aufgewickelt.
Das Ausführungsbeispiel der Figur 4 unterscheidet sich von dem der Figur 3 dadurch, dass die Voralterung in der Voralterungsvorrichtung 30 unmittelbar im Anschluss an das Kühlen in der Abschreckvorrichtung 20 erfolgt. Nach der Beschichtung wird das Metallband 2 in einer Trocknungsvorrichtung 90 getrocknet, bevor es durch die Aufwickelvorrichtung 4 zu einem Coil aufgewickelt wird.
In Anlagen 1 gemäß den Ausführungsbeispielen der Figuren 3 und 4 ist es möglich, durch die Anhebung der Temperatur in der Trocknungsvorrichtung 90 bzw. im Trocknungsabschnitt der kombinierten Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung 30' nach der Beschichtung eine zumindest teilweise Alterung zu initiieren, wodurch Energie in der dedizierten Voralterungsvorrichtung 30 eingespart werden kann. Die Temperatur der Trocknungsvorrichtung 90 bzw. des Trocknungsabschnitts der kombinierten Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung 30' wird hierbei vorzugsweise auf einen Bereich von 130 °C bis 170 °C, insbesondere auf ca. 150 °C, eingestellt. Es kann hierin auch ein Abschnitt vorgesehen sein, in dem das Metallband 2 für wenige Sekunden auch darüber, beispielsweise auf eine Temperatur im Bereich von 170 °C bis 230 °C, erwärmt wird.
Die Anlage 1 erlaubt eine flexible Nutzung von metallphysikalischen Vorgängen, die nur unmittelbar nach der Abschreckung durch die Abschreckvorrichtung 20 durchführbar sind. Die kompakte Bauweise der Anlage 1 ermöglicht geringe Prozesszeiten für die Voralterung mit entsprechenden positiven Folgen für den spezifischen Energiebedarf. Der Voralterungsprozess durch die Voralterungsvorrichtung 30 ist in die kontinuierliche Produktionslinie integriert, was neben den genannten Vorteilen auch eine besonders gleichmäßige Behandlung über die Bandlänge ermöglicht.
Soweit anwendbar können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

1: Anlage zur Wärmebehandlung eines Metallbandes
2: Metallband
3: Abwickelvorrichtung
4: Aufwickelvorrichtung
10: Lösungsglühvorrichtung
20: Abschreckvorrichtung
21: Spritzbalken
30: Voralterungsvorrichtung
30': Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung
31: Induktionsspule
32: Mechanischer Spritzschutz
40: Abblasungsvorrichtung
41: Abblasungsdüse
50: Schutzrolle
60: Richtvorrichtung
70: Reinigungsvorrichtung
80: Beschichtungsvorrichtung
90: Trocknungsvorrichtung

R: Bandlaufrichtung

Claims

Anlage (1) zur Wärmebehandlung eines Metallbandes (2), vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, das in einer Bandlaufrichtung (R) mit einer Bandlaufgeschwindigkeit transportierbar ist, wobei die Anlage (1) aufweist:
eine Lösungsglühvorrichtung (10), die eingerichtet ist, um das Metallband (2) auf eine erste Temperatur (T1), vorzugsweise im Bereich von 350 °C bis 650 °C, bevorzugt bis 600 °C, besonders bevorzugt bis 585 °C, zu erhitzen;

eine Abschreckvorrichtung (20), die in Bandlaufrichtung (R) gesehen stromabwärts der Lösungsglühvorrichtung (10) angeordnet und eingerichtet ist, um das Metallband (2) durch Aufbringen eines Kühlmittels auf eine zweite Temperatur (T2), vorzugsweise im Bereich von 70 °C bis 250 °C, abzukühlen; und

eine Voralterungsvorrichtung (30), die in Bandlaufrichtung (R) gesehen stromabwärts der Abschreckvorrichtung (20) angeordnet und eingerichtet ist, um das Metallband (2) auf eine dritte Temperatur (T3), vorzugsweise im Bereich von 100 °C bis 350 °C, zu erwärmen; wobei

die Lösungsglühvorrichtung (10), die Abschreckvorrichtung (20) und die Voralterungsvorrichtung (30) in einer gemeinsamen, kontinuierlichen Produktionslinie angeordnet sind; und

die Voralterungsvorrichtung (30) als elektrische Schnellheizvorrichtung, vorzugsweise Induktionsheizvorrichtung, konzipiert ist.
Anlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (1) eine Abblasungsvorrichtung (40) aufweist, die zwischen der Abschreckvorrichtung (20) und der Voralterungsvorrichtung (30) angeordnet und eingerichtet ist, um das Kühlmittel mit einem Hochdruckgas, vorzugsweise einer Hochdruckluftströmung, aus einer oder mehreren Abblasungsdüsen (41) vom Metallband (2) abzublasen.
Anlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abblasungsvorrichtung (40) ein oder mehrere, vorzugsweise zwei, hintereinander angeordnete Paare von Abblasungsdüsen (41) aufweist, wobei jedes Paar von Abblasungsdüsen (41) eine obere Abblasungsdüse (41) zur Behandlung der Oberseite des Metallbandes (2) und eine untere Abblasungsdüse (41) zur Behandlung der Unterseite des Metallbandes (2) umfasst.
Anlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (1) eine oder mehrere Schutzrollen (50) aufweist, die zwischen der Abschreckvorrichtung (20) und der Voralterungsvorrichtung (30) angeordnet sind, mit dem Metallband (2) zumindest zeitweise in Kontakt stehen, wobei die eine oder mehreren Schutzrollen (50) vorzugsweise gummiert sind, wobei die Umfangsgeschwindigkeit der einen oder mehreren Schutzrollen (50) vorzugsweise an die Bandlaufgeschwindigkeit angepasst ist.
Anlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandführung zwischen der Abschreckvorrichtung (20) und der Voralterungsvorrichtung (30) zumindest abschnittsweise in einem aufwärtsgerichteten Winkel (α), vorzugsweise 0° < α <= 5°, erfolgt.
Anlage (1) nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Schutzrollen (50) eine Umlenkung des Metallbandes (2) aus der horizontalen Lage in die aufwärtsgerichtete Lage realisiert.
Anlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abschreckvorrichtung (20) und der Voralterungsvorrichtung (30) ein mechanischer Spritzschutz (32) aus einem elektrisch nichtleitenden Material, vorzugsweise Plexiglas oder Epoxidharz, angeordnet ist.
Anlage (1) nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage (1) eine Trocknungsvorrichtung (90) oder eine kombinierte Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung (30'), umfassend einen Trocknungsabschnitt und einen Voralterungsabschnitt, aufweist, wobei die Trocknungsvorrichtung (90) bzw. der Trocknungsabschnitt der kombinierten Trocknungs- und Voralterungsvorrichtung (30') vorzugsweise eingerichtet ist, um das Metallband (2) bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 250 °C, bevorzugt von 120 °C bis 200 °C, besonders bevorzugt von 130 °C bis 170 °C, zu trocknen.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Metallbandes (2), vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, das in einer Bandlaufrichtung (R) mit einer Bandlaufgeschwindigkeit transportiert wird, wobei das Verfahren aufweist:
Erhitzen des Metallbandes (2) auf eine erste Temperatur (T1), vorzugsweise im Bereich von 350 °C bis 650 °C, mittels einer Lösungsglühvorrichtung;

danach Abkühlen des Metallbandes (2) durch Aufbringen eines Kühlmittels auf eine zweite Temperatur (T2), vorzugsweise im Bereich von 70 °C bis 250 °C, mittels einer Abschreckvorrichtung (20); und

danach Erwärmen des Metallbandes (2) auf eine dritte Temperatur (T3), vorzugsweise im Bereich von 100 °C bis 350 °C, mittels einer Voralterungsvorrichtung (30); wobei

das Erwärmen des Metallbandes (2) auf die dritte Temperatur (T3) in der Voralterungsvorrichtung (30) mittels einer elektrischen Schnellheizvorrichtung, vorzugsweise Induktionsheizvorrichtung, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Abschreckvorrichtung (20) und der Voralterungsvorrichtung (30) eine Abblasungsvorrichtung (40) angeordnet ist, die Kühlmittel mit einem Hochdruckgas, vorzugsweise einer Hochdruckluftströmung, aus einer oder mehreren Abblasungsdüsen (41) vom Metallband (2) abbläst.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere Schutzrollen (50) zwischen der Abschreckvorrichtung (20) und der Voralterungsvorrichtung (30) angeordnet sind, mit dem Metallband (2) zumindest zeitweise in Kontakt stehen, wobei die eine oder mehreren Schutzrollen (50) vorzugsweise gummiert sind, wobei die Umfangsgeschwindigkeit der einen oder mehreren Schutzrollen (50) vorzugsweise an die Bandlaufgeschwindigkeit angepasst ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (2) zwischen der Abschreckvorrichtung (20) und der Voralterungsvorrichtung (30) zumindest abschnittsweise in einem aufwärtsgerichteten Winkel (α), vorzugsweise 0° < α <= 5°, geführt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallband (2) durch zumindest eine der Schutzrollen (50) aus der horizontalen Lage in die aufwärtsgerichtete Lage umgelenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Metallbandes (2) eine Aluminium-Legierung ist, deren Hauptlegierungselemente Magnesium und Silicium sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Metallbandes (2) eine Aluminium-Legierung ist, deren Hauptlegierungselement Kupfer ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Metallbandes (2) eine Aluminium-Legierung ist, deren Hauptlegierungselement Zink ist.