WO2005123288A1 - Verfahren und anlage zur herstellung eines feinblechs oder einer folie aus einem metallischen werkstoff durch walzen - Google Patents

Verfahren und anlage zur herstellung eines feinblechs oder einer folie aus einem metallischen werkstoff durch walzen Download PDF

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Definitions

  • the invention relates to a method and a plant for producing a thin sheet or a film by rolling. It also relates to the use of a thin sheet or foil produced therewith and a rolled thin sheet or foil made of a specific material.
  • the thin sheet or the film is produced by rolling, the rolling stock heated to a predetermined temperature in the forming zone being rolled with unheated work rolls made of ceramic material in a protective gas atmosphere.
  • the thin sheet or the film has a thickness of less than 0.1 mm, the thickness of a thin sheet is more than 0.1 mm and less than 2 mm.
  • the ceramic material from which the work rolls are made guarantees that there is no appreciable heat transfer from the heated rolling stock to the rolling stand and the rolling stock is thereby cooled. Accordingly, according to the invention, heating of the work rolls can be dispensed with. It is sufficient to ensure a sufficiently low heat transfer that a layer made of the ceramic material is provided at least on the roller circumference.
  • a nitride or oxynitride ceramic, in particular zirconium nitride or zirconium oxynitride, is preferably used as the ceramic material for the work rolls.
  • a protective gas atmosphere is provided at least in the area of the system in which the heated rolling stock and the rolled heated thin sheet or the rolled foil are at a temperature which the metallic material reacts with a gas from the atmosphere, in particular oxygen.
  • An inert gas, in particular argon, is preferably used as the protective gas.
  • the "honeycomb” structure according to the invention can e.g. be arranged in an engine in the exhaust gas chamber in order to also reduce the noise emission.
  • the structure can also form the contact surface for the turbine blades.
  • the "honeycomb” structure can e.g. can be used as thermal protection cladding in space travel.
  • the structure can also be used for other purposes, for example in vehicle construction.
  • the rolling mill then has a twelve-high stand 1 with reels 2, 3 arranged on both sides.
  • the twelve rolls consist of the upper and lower work rolls 4 and 5 and the upper and lower support rolls 6-10 and 11-15, respectively, the upper support rolls 6 and 10 and the lower support rolls 11 and 15 being driven.
  • At least the twelve rollers 4-15 and preferably the reels 2, 3 are arranged in a cabin, not shown, in which there is an inert gas atmosphere.
  • the drives of the rollers 6, 10 and 11, 15 and the reels 2, 3 are located outside of this cabin.
  • the drive rollers 4, 5 consist of a ceramic material.
  • the support rollers 6-15 are made of steel and are cooled, for example by means of water cooling on the inside.
  • the temperature control of the rolling stock 17 takes place via two pyrometers 21, 22 at the inlet or outlet of the rolling stock 17 on the rolling stand 1.
  • a system according to the attached drawing is used to produce a film made of ⁇ -TiAl.
  • the rolling stock 17 used as the starting material is a sheet made of a ⁇ -TiAl with a thickness of 3 mm.
  • the work rolls 4, 5 consist of zirconium nitride. They have a diameter of 40 mm and a bale length of 140 mm.
  • the rolling stock, which is 100 mm wide, is conductively heated to a temperature of 900-1200 ° C. Reversing rolls are carried out with a reduction of 20-25% per roll pass.
  • the rolling speed is approximately 0.5 ms.
  • the vertical rolling force of the work roll 4, 5 on the rolling stock 17 is approximately 4000 kN.
  • the ⁇ -TiAl has a film thickness of 70 ⁇ m with a tolerance across the width and length of 1 ⁇ m.

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Abstract

Zur Herstellung eines Feinblechs oder einer Folie aus einem metallischen Werkstoff durch Walzen wird das in der Umformzone auf eine vorgegebene Temperatur erwärmte Walzgut (17) mit nicht beheizten Arbeitswalzen (4, 5) aus keramischem Material in einer Schutzgasatmosphäre gewalzt.

Description

Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Feinblechs oder einer Folie aus einem metallischen Werkstoff durch Walzen
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines Feinblechs oder einer Folie durch Walzen. Sie hat auch die Verwendung eines damit hergestellten Feinblechs bzw. einer Folie und ein gewalztes Feinblech bzw. Folie aus einem bestimmten Werkstoff zum Gegenstand.
Von Strukturbauteilen in der Luft- und Raumfahrt wird neben einem geringen Gewicht eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen erwartet. Werkstoffe, die diese Forderungen erfüllen, stellen TiAl-Basislegierungen, wie γ-TiAl dar. Diese Legierungen sind ist jedoch wie andere metallische Werkstoffe, die ein geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen aufweisen, nur schwer verformbar. Leichtstrukturbauteile werden häufig als "Honeycomb"-Strukturen gefertigt, d.h. als Verbundkörper mit einer Mittelschicht aus Waben zwischen zwei Deckschichten. Um ein möglichst geringes Gewicht zu erreichen, sollten die Mittelschicht und die Deckschicht aus einem möglichst dünnen Material, vorzugsweise einer Folie bestehen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Feinblech bzw. eine Folie hoher Oberflächenqualität aus einem schwer verformbaren metallischen Werkstoff bereitzustellen.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Feinblech bzw. die Folie durch Walzen hergestellt wird, wobei das in der Umformzone auf eine vorgegebene Temperatur erwärmte Walzgut mit nicht beheizten Arbeitswalzen aus keramischem Material in einer Schutzgasatmosphäre gewalzt wird. Während eine Folie eine Dicke von weniger als 0,1 mm aufweist, beträgt die Dicke eines Feinblechs mehr als 0,1 mm und weniger als 2 mm.
Erfmdungsgemäß wird lediglich das Walzgut erwärmt, denn das keramische Material, aus dem die Arbeitswalzen bestehen, garantiert, dass kein nennenswerter Wärmeübergang von dem erwärmten Walzgut auf das Walzgerüst erfolgt und dadurch das Walzgut abgekühlt wird. Demgemäß kann erfindungsgemäß auf eine Heizung der Arbeitswalzen verzichtet werden. Dabei reicht es aus, um einen hinreichend geringen Wärmeübergang sicherzustellen, dass zumindest am Walzenumfang eine Schicht aus dem keramischen Material vorgesehen ist. Als keramisches Material für die Arbeitswalzen wird vorzugsweise eine Nitrid- oder Oxi- nitrid-Keramik, insbesondere Zirkonnitrid oder Zirkonoxinitrid verwendet.
Um eine Kaltverfestigung zu vermeiden oder zumindest abzubauen, beträgt erfindungsgemäß die Temperatur des Walzgutes in der Umformzone vorzugsweise wenigstens das 0,3 -fache, insbesondere mindestens das 0,4-fache der homologen Temperatur des metallischen oder intermetallischen Werkstoffs. Dabei gilt:
Homologe Temperatur [K] = Betriebstemperatur [K] / Schmelztemperatur [K]
Als metallische oder intermetallische Werkstoffe werden erfindungsgemäß vorzugsweise spröde oder hoch verfestigende Werkstoffe verwendet, insbesondere Werkstoffe geringer Dichte. So liegt vorzugsweise die Spröd/Duktil- Übergangstemperatur des metallischen oder intermetallischen Werkstoffs über der Raumtemperatur oder der Verfestigungsexponent liegt über 0,3.
Als metallische Werkstoffe können erfϊndungsgemäß beispielsweise Molybdän-, Wolfram-, Nickel-, Beryllium- oder Titanlegierungen verwendet werden. Als Nickellegierungen können insbesondere Nickelbasis-Superlegierungen eingesetzt werden. Als Berylliumlegierung kann z.B. eine Beryllium-Iridium-Legierung verwendet werden, und als Titanlegierung, z.B. Titan- Aluminium-Legierungen, wie Ti 6242, eine Titanbasislegierung mit 6 Gew.-% Aluminium.
Als intermetallische Werkstoffe sind Silizide, Beryllide, Aluminide, und hier wiederum bevorzugt γ-TiAl-Basislegierungen zu nennen.
Intermetallische Werkstoffe weisen eine hohe Spröd/Duktil- Übergangstemperatur auf, die typischerweise bei 0,4-0,5 der homologen Temperatur liegt. Demgemäß liegt, wenn erfindungsgemäß ein Feinblech oder eine Folie hergestellt wird, die Temperatur des Walzgutes in der Umformzone oberhalb der Spröd/Duktil-Übergangstemperatur, d.h. zum Beispiel einer TiAl- Basislegierung, wie bei γ-TiAl, beispielsweise bei mindestens 700°C.
Die Stärke des Feinblechs bzw. der Folie, das bzw. die erfindungsgemäß hergestellt wird, beträgt vorzugsweise höchstens 200 μm, insbesondere höchstens 100 μm, also beispielsweise 70 μm oder weniger.
Die Einrichtung zur Erwärmung des Walzgutes in der Umformzone auf eine Temperatur, die bei Werkstoffen ohne einen SpröαVDuktil-Übergang bei der 0,3- fachen, bevorzugt der 0,4-fachen homologen Temperatur und bei Werkstoffen mit einem Spröd/Duktil-Übergang oberhalb der Spröd/Duktil- Übergangstemperatur liegt, kann beispielsweise durch Wärmestrahlung oder induktiv erfolgen. Vorzugsweise wird jedoch eine konduktive Erwärmung durchgeführt, d.h. das Walzgut durch elektrische Widerstandsheizung erwärmt. Dazu wird vorzugsweise beiderseits, also vor und hinter den Arbeitswalzen ein elektrischer Kontakt an das Walzgut angelegt. Die Kontaktstellen können beispielswei- se durch Kontaktwalzen und/oder Bürsten gebildet sein, die an dem Walzgut angreifen.
Um eine Reaktion des erwärmten Walzgutes mit Gasen der Atmosphäre, insbesondere eine Oxidation des Walzgutes zu verhindern, ist erfindungsgemäß zumindest in dem Bereich der Anlage, in dem sich das erwärmte Walzgut und das gewalzte erwärmte Feinblech bzw. die gewalzte Folie auf einer Temperatur befinden, bei der der metallische Werkstoff mit einem Gas der Atmosphäre, insbesondere Sauerstoff, reagiert, eine Schutzgasatmosphäre vorgesehen. Als Schutzgas wird vorzugsweise ein Edelgas, insbesondere Argon verwendet.
Die Umformgeschwindigkeit soll erfindungsgemäß mehr als 10 s"1 betragen, und die Walzgeschwindigkeiten aus wirtschaftlichen Gründen mindestens 0,1 m/s, insbesondere mindestens 0,5 m/s. Die vertikale Walzkraft, die von den Arbeitswalzen auf das Walzgut ausgeübt wird, beträgt vorzugsweise mindestens 3000 kN. Die Stärke des Walzgutes beträgt vorzugsweise mehr als 1 mm, beispielsweise 2 mm oder mehr. Die Reduktion des Walzgutes pro Walzstich beträgt vorzugsweise wenigstens 10%, insbesondere mindestens 20%. Vorzugsweise wird ein Reversierwalzen mit einem Reversierwalzgerüst durchgeführt.
Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. mit der erfmdungsgemäßen Anlage hergestellte Folie kann für unterschiedliche Zwecke eingesetzt werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäß gewalzte Folie z.B. aus einer Nickel- /Lotlegierang als Lotfolie eingesetzt werden.
Vor allem ist die erfindungsgemäß gewalzte Folie aber für die Herstellung von Leichtstrukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt geeignet. So kann aus der Folie eine "Honeycomb"-Struktur, d.h. eine Verbundstruktur aus einer Mittel- Schicht aus Waben zwischen zwei Deckschichten hergestellt werden. Zur Bildung der Mittelschicht wird die gewalzte Folie beispielsweise in Streifen geschnitten, die gefaltet und miteinander zu den Waben der Mittelschicht verbunden werden, beispielsweise durch Schweißen, worauf die beiden Deckschichten aus der Folie an der Mittelschicht, z.B. durch Schweißen befestigt werden.
Die erfindungsgemäße "Honeycomb"-Stuktur kann z.B. in einem Triebwerk in der Abgaskammer angeordnet werden, um damit auch die Geräuschemission herabzusetzen. Die Struktur kann zudem die Anstreiffläche für die Turbinenschaufeln bilden. Ferner kann die "Honeycomb"-Struktur z.B. in der Raumfahrt als Thermoschutzverkleidung verwendet werden. Die Struktur kann jedoch auch für andere Zwecke eingesetzt werden, beispielsweise im Fahrzeugbau.
Nachstehend ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage anhand der beigefügten Zeichnung beispielhaft näher erläutert, deren einzige Figur schematisch eine Walzanlage zeigt.
Danach weist die Walzanlage ein Zwölf- alzengerüst 1 mit beidseitig angeordneten Haspeln 2, 3 auf. Die zwölf Walzen bestehen aus den oberen und unteren Arbeitswalzen 4 bzw. 5 und den oberen und unteren Stützwalzen 6-10 bzw. 11- 15, wobei die oberen Stützwalzen 6 und 10 und die unteren Stützwalzen 11 und 15 angetrieben sind. Zumindest die zwölf Walzen 4-15 und bevorzugt die Haspeln 2, 3 sind in einer nicht dargestellten Kabine angeordnet, in der sich eine Schutzgasatmosphäre befindet. Die Antriebe der Walzen 6, 10 und 11, 15 sowie der Haspeln 2, 3 befinden sich außerhalb dieser Kabine. Die Antriebswalzen 4, 5 bestehen aus einem Keramikwerkstoff. Die Stützwalzen 6-15 bestehen aus Stahl und werden gekühlt, beispielsweise innen mittels Wasserkühlung.
Das Walzgut 17 ist an den Haspeln 2, 3 angekoppelt. Es wird durch Stromfluss durch das Walzgut 17 konduktiv erwärmt. Die elektrische Kontaktierung erfolgt z.B. durch nicht dargestellte Kontaktwalzen oder Bürsten an den Kontaktstellen 18 und 19 beiderseits, also vor und hinter dem Walzgerüst 1.
Die Temperaturregelung des Walzgutes 17 erfolgt über zwei Pyrometer 21, 22 am Ein- bzw. Auslauf des Walzgutes 17 am Walzgerüst 1.
Das Walzgut 17 wird reversierend im Walzgerüst 1 umgeformt. Nach jedem Walzstich werden die Antriebe für die angetriebenen Stützwalzen 6, 10 und 11, 15 sowie für die beiden Haspeln 2, 3 angehalten und erneut in der entgegengesetzten Richtung angefahren, um das Walzgut 17 bis zum nächsten Ende umzuformen. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis die gewünschte Folienstärke erreicht ist, die mit einem nicht dargestellten Banddickenmeßgerät ermittelt werden kann, das beispielsweise nach dem laseroptischen Triangulationsprinzip arbeitet.
(Beispiel)
Zur Herstellung einer Folie aus γ-TiAl wird eine Anlage gemäß der beigefügten Zeichnung verwendet. Das als Ausgangsmaterial verwendete Walzgut 17 ist ein Blech aus einem γ-TiAl mit einer Stärke von 3 mm. Die Arbeitswalzen 4, 5 bestehen aus Zirkonnitrid. Sie weisen einen Durchmesser von 40 mm und eine Ballenlänge von 140 mm auf. Das Walzgut, das eine Breite von 100 mm besitzt, wird konduktiv auf eine Temperatur von 900-1200°C erwärmt. Es wird ein Re- versierwalzen mit einer Reduktion von 20-25% pro Walzenstich durchgeführt. Die Walzgeschwindigkeit beträgt etwa 0,5 m s. Die vertikale Walzkraft der Arbeitswalze 4, 5 auf das Walzgut 17 beträgt etwa 4000 kN. Das γ-TiAl weist nach dem Walzen eine Folienstärke von 70 μm mit einer Toleranz über die Breite und Länge von 1 μm auf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Feinblechs oder einer Folie aus einem metallischen oder intermetallischen Werkstoff durch Walzen, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Umformzone auf eine vorgegebene Temperatur erwärmte Walzgut (17) mit nicht beheizten Arbeitswalzen (4, 5) aus keramischem Material in einer Schutzgasatmosphäre gewalzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie eine Stärke von weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 100 μm aufweist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vorgegebene Temperatur des Walzgutes (17) in der Umformzone mindestens dem 0,3-fachen, insbesondere mindestens dem 0,4-fachen der homologen Temperatur entspricht.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische oder intermetallische Werkstoff eine Spröd-/Duktil- Übergangstemperatur größer als Raumtemperatur oder einen Verfestigungsexponenten größer als 0,3 aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der intermetallische eine Werkstoff TiAl-Basislegierung ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des Walzgutes (17) in der Umformzone mindestens 700°C, insbesondere mindestens 800°C beträgt.
7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Material, aus dem die Arbeitswalzen (4, 5) bestehen, eine Nitrid- oder Oxinitrid-Keramik, bevorzugt Zirkonnitrid o- der Zirkonoxinitrid ist.
8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Erwärmen des Walzgutes (17) konduktiv durch Anlegen eines Stromes beiderseits der Arbeitswalzen (4, 5) erfolgt.
9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzgeschwindigkeit mehr als 0,5 m/s beträgt.
10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reversierwalzen durchgeführt wird.
11. Anlage zur Durchföhrung des Verfahrens nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Walzgerüst (1) nicht beheizte Arbeitswalzen (4, 5) aus einem keramischen Material aufweist und eine Einrichtung zur Erwärmung des Walzgutes (17) in der Umformzone und eine Einrichtung zur Bildung einer Schutzgasatmosphäre zumindest in dem Bereich, in dem sich das erwärmte Walzgut (17) auf einer Temperatur befindet, bei der der metallische Werkstoff mit Gasen der Atmosphäre reagiert, vorgesehen sind.
12. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine konduktive Einrichtung zur Erwärmung des Walzgutes (17) vorgesehen ist, deren e- lektrische Kontaktstellen (18, 19) beiderseits der Arbeitswalzen (4, 5) liegen.
13. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 10 hergestellten Folie zur Herstellung von Leichtbaustrukturen für die Luft- und Raumfahrt.
14. Verwendung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtbaustruktur eine Verbundstruktur aus einer Mittelschicht aus Waben zwischen zwei Deckschichten ist.
15. Gewalzte Folie aus γ-TiAl mit einer Stärke von weniger als 200 μm, insbesondere weniger als 100 μm.
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