WO2020002324A1 - Verfahren zur herstellung eines aluminiumbands mit hoher festigkeit und hoher elektrischer leitfähigkeit - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines aluminiumbands mit hoher festigkeit und hoher elektrischer leitfähigkeit Download PDF

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WO2020002324A1
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aluminum
strip
aluminum strip
cold rolling
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Olaf Engler
Martin Christoph Lentz
Mael Rengel
Marton Sandslett
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Hydro Aluminium Rolled Products GmbH
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/05—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/02—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of metals or alloys
    • H01B1/023—Alloys based on aluminium

Definitions

  • the invention relates to a method for producing an aluminum strip with high strength and high electrical conductivity, and also to an aluminum strip which can be produced using this method, or to an aluminum strip made from such a strip
  • the alloy EN AW-6101B is the standard for applications that require high electrical conductivity and strength. These conductor materials are usually extruded, including quenching and outsourcing, or via rolling processes, which are separate
  • FIG. 1 shows such a method from the prior art for producing an aluminum strip for electrical aluminum conductor applications.
  • the individual process steps are from left to right in FIG. 1, and those in the temperature-time diagram below are qualitative and schematic
  • a bar 6 is first cast in a first step 4 in the DC ingot casting, for example from the alloy EN AW-6101B.
  • a homogenization step 8 in a homogenization furnace 10 hot rolling 12 then takes place on a hot rolling stand 14 and a subsequent cold rolling 16 on a cold rolling stand 18 to the desired final thickness.
  • the homogenization can be preheated
  • Hot rolling temperature can be integrated.
  • a solution annealing 20 in a continuous furnace 22 is required in this production method after cold rolling, before the material is finally subjected to a heat aging annealing 24 in one
  • Heat aging annealing furnace 26 is subjected to increase the strength and the electrical conductivity of the material again.
  • FIG. 2 shows a corresponding process flow 30, the individual
  • Hot rolling step to produce a hot strip instead of cold rolling, the process 30 is followed first by solution annealing 20 and then by hot aging 32 in a hot aging furnace 34 before the strip is finally cold rolled on the cold rolling stand 18. After the cold rolling, the annealing 24 takes place again in the annealing furnace 26.
  • the method described in FIG. 2 can indeed be used to produce aluminum conductor materials with good electrical conductivity, strength and ductility.
  • the process is very long and complex with many different process steps.
  • the object of the present invention is to provide a faster and more efficient method which can nevertheless be used to achieve good properties with regard to electrical conductivity and strength.
  • this object is achieved according to the invention by a method for producing an aluminum strip, in which a melt made of a hardenable aluminum alloy by means of a continuous casting process, in particular double-roll casting
  • Aluminum strip is shaped, in which the aluminum strip is rolled to a thickness by cold rolling and in which the aluminum strip is between the
  • Combination of good strength and high electrical conductivity can be produced, which are comparable to the strengths and electrical conductivities of an aluminum strip produced according to the method from FIG. 1, but with a significantly shortened, faster and more economical process sequence.
  • the process sequence is in particular also shorter, faster and more economical than the process sequence according to FIG. 2.
  • Casting process is provided. This also means providing one for the solution annealing of the continuous furnace required can be dispensed with, so that investment costs are reduced.
  • the cold rolling after the continuous casting process in the process therefore preferably takes place without intermediate solution annealing. This enables significant cost savings and shortening of the process chain to be achieved.
  • a melt made from a hardenable aluminum alloy is shaped into an aluminum strip by a continuous casting process, in particular double-roll casting.
  • the melt is continuously formed into a band.
  • the melt is placed in the nip of two cooled casting rolls, so that a continuous aluminum strip emerges from the nip on the other side of the casting rolls.
  • the thickness of the aluminum strip is determined by the thickness of the nip.
  • the aluminum strip is rolled to its final thickness by cold rolling.
  • Cold rolling is carried out in particular in several passes on a cold rolling stand.
  • the aluminum strip is also hot-aged between the continuous casting process and cold rolling.
  • the aluminum strip is preferably wound onto a coil after the continuous casting process and then placed in coil form in a hot aging oven, in which it is at a predetermined hot aging temperature above a predetermined one
  • Warm aging period is warmed up.
  • the hot aging is preferably the only heat treatment of the aluminum strip between the continuous casting process and the cold rolling.
  • the above-mentioned object is further achieved according to the invention by a method for manufacturing an aluminum strip, in which a melt made of a hardenable aluminum alloy is shaped into an aluminum strip by a continuous casting process, in particular by double-roll casting, in which the
  • Aluminum strip is rolled to an intermediate thickness in a primary cold rolling process, in which the aluminum strip is rolled to final thickness in a secondary cold rolling process and in which the aluminum strip is heat-aged between the primary cold rolling and the secondary cold rolling.
  • the primary and secondary cold rolling take place after the continuous
  • the total rolling degree is preferably less than 30%, preferably less than 20%.
  • the primary cold rolling is preferably carried out in only one cold rolling pass. In this way, the procedure is simplified.
  • the above-mentioned object is further achieved according to the invention by an aluminum strip which can be produced with the previously described method according to the first aspect of the present disclosure or with the previously described method according to the second aspect of the present disclosure, or by an aluminum alloy product, for example one, produced from such an aluminum strip Aluminum sheet or an aluminum cable.
  • Aluminum strip or aluminum alloy product is accordingly a product produced in a continuous casting process, in particular in double roll casting, with a combination of good strength and high electrical conductivity.
  • Aluminum alloy strips or products are manufactured with which or with which a limit drawing ratio of at least 1.9, determined in the cell drawing test according to DIN EN 1669 with a gradual increase in the round diameter until failure in the drawing test, can be achieved. So that's one
  • Aluminum alloy strip particularly suitable for the production of products by cold forming, in particular deep drawing.
  • a product produced by a continuous casting process and cold rolling can be distinguished from a product produced by ingot casting, hot rolling and cold rolling by the mid-segregations that only occur in a continuous casting process, which can also be found in the finished product after cold rolling. This applies to both those with the
  • the aluminum strip or a product made from it is particularly suitable for electrical applications.
  • the above task is corresponding
  • an aluminum alloy is used
  • Type 6xxx aluminum alloy used. Such alloys have proven to be particularly suitable for the desired combination
  • the aluminum alloy has the following:
  • Impurities in each case up to a maximum of 0.05% by weight, in total up to a maximum
  • Si and magnesium cause the precipitation hardening of the aluminum strip and thereby increase its strength.
  • a minimum Si and Mg content of 0.2% by weight is therefore provided for the alloy.
  • the levels of Si and Mg are each limited to 1.0% by weight.
  • the Si content is preferably in the range from 0.3-0.6% by weight and / or the Mg content is preferably in the range from 0.35-0.6% by weight.
  • the ratio of the Si content to the Mg content is preferably in the range between 1.3 and 1.5.
  • Iron reduces the electrical conductivity and should therefore not exceed a content of 0.5% by weight, preferably 0.3% by weight. However, Fe can be contained in small amounts, since otherwise the requirements for the starting materials for the melt become too high, which increases the production costs.
  • the Fe content is preferably in the range 0.1-0.3% by weight.
  • Melting interval which has a negative impact on the castability of double-roll casting, and is therefore limited to max. 0.5% by weight, preferably max. 0.4% by weight, more preferably max. 0.3% by weight.
  • Small amounts of copper increase the Strength, heat resistance and creep resistance, so that a targeted addition of Cu in this area can be useful.
  • Zirconium is poor for conductivity and increases the liquidus temperature and the melting interval of the alloy and is therefore limited to 0.2% by weight.
  • the Zr content is preferably even limited to 0.03% by weight in order to achieve better conductivities.
  • the impurities also deteriorate the conductivity and are therefore limited to 0.05% by weight individually and 0.15% by weight in total, preferably even to 0.03% by weight individually and 0.10% by weight in Sum to achieve better conductivities.
  • the aluminum alloy accordingly has the following composition in% by weight:
  • Impurities in each case up to a maximum of 0.03% by weight, in total up to a maximum of 0.10% by weight,
  • the aluminum melt which typically has a temperature above 670 ° C, is used in a continuous casting process, in particular
  • Double roll casting has already cooled very quickly, so that the strip temperature, measured on the strip surface, already emerges from the casting nip, in particular from the roll nip of the casting rolls used for double roll casting has cooled down very much.
  • the aluminum strip temperature, measured on the strip surface is preferably in the range from 300 to 450 ° C. when it emerges from the casting gap or roll gap; this temperature range can be set, for example, by targeted cooling or dimensioning of the casting installation for the continuous casting process, in particular the casting rolls of the double-roll casting installation, and the casting strip thickness and the casting speed.
  • Cooling the melt during double-roll casting results in an advantageous structure in the aluminum strip in order to be able to achieve the desired mechanical properties of the aluminum strip to be produced.
  • the aluminum strip is cooled to a temperature, measured on the surface of the strip, of less than 200 ° C. immediately after the continuous casting process.
  • the cooling can take place, for example, by active cooling, for example by providing suitable cooling elements or by
  • Air possibly cooled air, is applied to the aluminum strip.
  • additional active cooling which cools the aluminum strip to a temperature below 200 ° C immediately after the continuous casting process, coarse structure precipitations can be prevented, so that overall a more homogeneous supersaturated mixed crystal is formed, which has a positive effect on the hardenability in the subsequent one Warm aging affects.
  • the aluminum strip is between the continuous casting process and the cold rolling at an aging temperature in the range of 100 ° C to 210 ° C, preferably 170 ° C to 190 ° C, and an aging period the aging temperature in the range of 30 minutes to 10 hours
  • the aluminum strip is between the primary and the secondary cold rolling in one
  • Aging temperature in the range of 100 ° C to 210 ° C, preferably 170 ° C to 190 ° C, and a aging time at the aging temperature in the range of Aged for 30 minutes to 10 hours. In experiments, this has
  • Casting process and cold rolling turned out to be advantageous in order to achieve the desired combination of good electrical conductivity and high strength.
  • a short aging period at a relatively low temperature results in an aged aluminum strip.
  • the maximum strength (state T6) can be increased by extending the
  • Aging time to at least 2 hours or an increase in temperature can be achieved.
  • high strength was achieved in tests after hot aging at 185 ° C for 8 hours.
  • condition T7 Due to a high temperature above 200 ° C and a long aging time of at least two hours, coarse precipitations occur in the aluminum strip, so that the aluminum strip reaches the outdated area (condition T7). In experiments, this state was achieved, for example, at an aging temperature of 205 ° C for 8 hours.
  • the aged condition can also be caused by
  • Annealing can be generated at higher temperatures up to 300 ° C.
  • the aluminum strip is annealed after cold rolling.
  • the annealing leads to a lowering of the strength
  • the annealing temperature is and the longer the annealing time is.
  • the desired ratio of electrical conductivity and strength of the aluminum strip can thus be set by back-heating. In the case of the method according to the second aspect of the present disclosure, the back-heating takes place at one
  • a particularly good compromise between electrical conductivity and strength can be achieved at a heat treatment temperature in the range from 160 ° C to 210 ° C, preferably 180 ° C to 190 ° C and a heat treatment time at heat treatment temperature of at least 2 hours, preferably in the range of 2 to 5 hours.
  • the aluminum strip is rolled to a final thickness in the range from 0.2 to 3 mm during cold rolling. These end thicknesses have been found to be suitable for applications in electrical conductor technology.
  • the total degree of deformation during cold rolling (total degree of rolling during cold rolling) is over 50%. Accordingly, the material is preferably reduced in thickness by more than half during cold rolling. This high degree of deformation enables the aluminum strip to be manufactured to be stronger.
  • the total degree of forming in primary and secondary cold rolling is together, i.e. the total degree of forming from the first pass of primary cold rolling to the last pass of secondary cold rolling, over 50%. The total degree of deformation is preferably at
  • the primary and the secondary cold rolling are preferably carried out without intermediate annealing. Accordingly, there is no between the individual passes of primary and secondary cold rolling
  • the primary cold rolling preferably comprising only one pass anyway.
  • Warm aging is basically to be distinguished from intermediate annealing.
  • the intermediate annealing serves for soft annealing of the aluminum strip and therefore requires high temperatures, in particular of more than 300 ° C
  • the hot aging takes place at lower temperatures of at most 300 ° C, preferably at most 250 ° C.
  • the degree of rolling after the intermediate annealing is preferably over 50% in order to achieve good strength.
  • the aluminum strip is preformed with a strip thickness in the range from 3 to 12 mm.
  • strip thicknesses have been found to be suitable, on the one hand, for rapid cooling of the aluminum strip in the continuous casting process and, if appropriate, immediately following active cooling, and for being able to achieve the desired rolling degrees with the desired final thicknesses during cold rolling.
  • R p0.2 , R m and Asomm reference is made to the tensile test according to DIN EN ISO 6892-1: 2017-02.
  • Vickers hardness reference is made to DIN EN 1SO 6507-1: 2006-03 and for the determination of Brinell hardness HBW 2.5 / 31.25 to EN ISO 6506-1 2015-2.
  • Fig. 1 shows a first method for producing an aluminum strip from the
  • Fig. 2 shows a second method for producing an aluminum strip from the
  • Fig. 3 shows an embodiment of the method described here for
  • FIGS 1 and 2 show the previously described methods from the prior art.
  • FIG 3 now shows an embodiment of the method described here for producing an aluminum strip with high strength and high electrical Conductivity according to the first aspect of the present disclosure.
  • the individual process steps are shown schematically from left to right.
  • the temperature-time diagram below illustrates qualitatively and
  • a continuous casting process preferably a double-roll casting 52, takes place in the first method step 52.
  • a melt 54 made of an aluminum alloy is introduced into the nip 56 of two rotating casting rolls 58, 60, so that the aluminum melt 54 solidifies and a continuous aluminum strip 62 forms.
  • the nip 56 is
  • the thickness of the aluminum strip 62 is in the range 3 to 12 mm.
  • the melt 54 consists of a hardenable aluminum alloy and preferably has the following compositions in% by weight:
  • Impurities in each case up to a maximum of 0.03% by weight, in total up to a maximum of 0.10% by weight,
  • the two casting rolls 58, 60 are preferably cooled so that the
  • the temperature of the aluminum strip 62 measured at the strip surface, has a temperature in the range 64 to 300 ° C. at the point 64 of the exit from the nip 56. Furthermore, the aluminum strip 62 is preferably immediately after the Exit from the nip 56 further cooled to a temperature, measured on the belt surface, of below 200 ° C.
  • a cooling device 66 can be arranged behind the nip, through which the aluminum strip 62
  • a cooling air flow can be applied. Due to the sufficiently rapid cooling of the aluminum strip 62, a supersaturated mixed crystal structure is achieved. After cooling, the aluminum strip 62 is wound up into a coil 68.
  • the coils 68 are heat-aged in a hot aging oven 76, preferably at a hot age temperature in the range from 100 ° C to 210 ° C, preferably 170 ° C to 190 ° C, and for a hot aging period (at the hot aging temperature) in the Range from 30 minutes to 10 hours.
  • the hot aging leads to a
  • Method step 80 cold rolled to final thickness on a cold rolling stand 82.
  • Cold rolling takes place in several passes without intermediate annealing and with one
  • the final thickness of the aluminum strip 62 is preferably in the range of 0.5 to 3 mm.
  • the aluminum strip wound up again to form a coil 88 is back-heated in a back-heating furnace 90.
  • a back-heating furnace 90 different furnaces or one and the same furnace can be used for the outsourcing in method step 74 and for the back-heating in method step 86.
  • the back-heating is preferably carried out at a back-heating temperature in the range from 160 ° C. to 210 ° C., in particular 180 ° C. to 190 ° C., and at a
  • Flashback time (at the flashback temperature) of at least 2 hours
  • the method 50 in FIG. 3 can be used to produce an aluminum strip which combines good strength with high electrical conductivity.
  • the process 50 in FIG. 3 not only manages with significantly fewer process steps, but in particular also without the energy-intensive and - due to the continuous furnace required for this - investment-intensive solution annealing (process step 20 in FIGS. 1 and 2), so that the method 50 can be carried out faster and more economically.
  • Hot aging with different hot aging temperatures and durations The exact hot aging parameters are listed in Table 2 below.
  • the strip sections in question were cold-rolled in several passes without intermediate annealing to a final thickness of 1 mm.
  • the total degree of deformation during cold rolling was therefore 80%.
  • the decrease in thickness per stitch was 10% in each case.
  • Sample sections divided. Some of these sample sections were then subjected to back-heating - with different back-heating temperatures and different back-heating times.
  • test series B1-4 correspond to the aged condition
  • experimental series C1-4 correspond to the state T6
  • these comparison strip sections [analogous to the method from FIG. 1) at 530 ° C. and a holding time of 15 minutes in a sand bath furnace which simulates a continuous furnace at the laboratory level, solution annealed and then quenched with water.
  • the products produced in this way were each divided into several comparative sample sections, some of which were subsequently at 205 ° C. with a holding time of 45 minutes (state T6) and others at 205 ° C. with one
  • the (Vickers) hardness of a material is correlated with its strength. By determining the Vickers hardness, the strength can also be deduced in a simple manner. Basically, it can be assumed here that a higher Vickers hardness also goes hand in hand with a higher strength (R m or R p0, 2) and vice versa.
  • Figure 4 shows the measurement results of the electrical conductivity measurement and the Vickers hardness measurement for the test series Cl-4.
  • FIG. 5 shows the measurement results of the electrical conductivity measurement and the Vickers hardness measurement for the test series Dl-4. The respective ones are on the horizontal axis of abscissa
  • FIG. 6 shows the results of the tensile tests, from left to right first of all of the samples from tests B1, CI and Dl (ie in the as rolled state without back-heating) and to the right of the samples from comparative tests A1 and A2.
  • the bars show the tensile strength R m on the right bar) and the yield strength R p0 , 2 on the left bar) with the associated axis on the left side (in MPa) and the elongation at break Aso mm as points connected by lines with the associated one Axis on the right side (in%)
  • the associated results of the electrical conductivity measurement are also shown in bars.
  • Figure 7 also shows results of tensile tests, namely of samples of the
  • Test series B3, C3, D3 and B4, C4, D4. The diagram shows from left to right the results of the samples of B3, C3 and D3 with a 5-hour glow period at 185 ° C, then the results of the B3, C3 and D3 samples with a 8-hour glow period at 185 ° C and finally the results of the samples of B4, C4 and C4 with a back-heating time of 8 h at 205 ° C.
  • the results for R m , R p o, 2 and Aso mm are plotted as in FIG. 6. For the samples of B3, C3 and D3 at one
  • the glow time of 8 h is also the results of the electrical conductivity measurement.
  • the desired ratios between electrical conductivity and hardness or strength can thus be set by suitably setting the annealing temperature and the annealing duration.
  • the results of the comparative tests A1 and A2 likewise entered in FIGS. 4 and 5 show that the combination of the continuous casting process with the hot aging prior to cold rolling in accordance with the method described here results in better electrical properties
  • DIN 40501-2 defines the following minimum values for strength and electrical conductivity for aluminum products in electrical applications of the alloy EN AW-6101B:
  • the conductivity can be further improved by back-heating with still high strength.
  • the method described here thus enables the production of aluminum strips or products made therefrom with high electrical conductivity and high strength. This is also achieved in a manufacturing process that is significantly shortened compared to the previous methods (cf. FIGS. 1 and 2) and which, in particular, does not require complex solution annealing. This means that aluminum strips suitable for electrical applications can be produced more quickly and more economically.
  • Mitigerations occur during rapid cooling of the aluminum strip cast in a continuous casting process from the outside in and are also retained in the subsequent processing (aging, cold rolling, etc.). In discontinuous casting processes (esp. Ingot casting) such occur
  • FIG. 8 shows an example of a thickness micrograph of a sample section from the test series B1.
  • a piece of sheet metal was cut out of the sample section and ground on one side edge. The sanded side edge was then photographed; 8 shows a section of this photograph.
  • the position of this cutout on the side edge of the piece of sheet metal used for the micrograph is indicated schematically in FIG. 8.
  • the cutout shown does not cover the entire thickness of the side edge, but shows a central cutout in which the central increases occur.
  • a dark stripe can be seen in the middle of the thick micrograph. These are the mid-segregations that occurred in the continuous casting process in the middle of the sheet (in relation to the sheet thickness).
  • the areas above and below ie the areas closer to the top and bottom
  • Table 6 The two aluminum strips W1 and W2 were then each subjected to hot aging with an 8-hour hold time, in the case of strip W1 at 185 ° C. and in the case of strip W2 at 205 ° C. After the hot aging, the two aluminum strips were cooled to room temperature over several hours and then subjected to a first cold rolling in several passes without intermediate annealing to a thickness of 1.0 mm. The total rolling degree during the first cold rolling was therefore 80%. The decrease in thickness per stitch was 33% in each case.
  • sample sections in 1 mm, 0.5 mm and 0.3 mm thickness were subjected to back-heating with a 5-hour hold time at a temperature of 185 ° C. and 205 ° C., respectively
  • the cooling after the back annealing took place with a cooling rate of 30 ° C / h.
  • a section of the tape W3 was aged for 8 h at 185 ° C and cooled to room temperature over several hours. Another section of the band W3 was not aged. Neither cold rolling nor back-heating was carried out on the strip sections of strip W3.
  • FIG. 9 shows the results of these measurements for the test series W2.5 (without back-heating);
  • Figure 10 shows the results of these measurements for the test series W2.ll (after re-annealing at 205 ° C).
  • the axis of abscissa shows the measurement position over the bandwidth, i.e. the measuring position on the strip transverse to the rolling direction.
  • the left ordinate axis shows the Brinell hardness HBW 2.5 / 31.25 and the right ordinate axis shows the conductivity in MS / m.
  • the respective measuring points for the Brinell hardness are connected with solid lines; the respective measuring points for the electrical conductivity are connected with dashed lines.
  • the respective measuring position in the rolling direction strip start, strip center, strip end) is indicated by a
  • FIG. 11 shows the results of the measurements for the test series W2.3 and W2.5 - W2.13.
  • the left ordinate axis gives the tensile strength R m and the yield strength R p0.2 in MPa and the right ordinate axis the elongation at break Aso in%.
  • FIG. 11 show that comparable mechanical properties are achieved after the re-annealing over a large thickness range (0.3-2.3 mm). This is advantageous for the further processing of aluminum strips or sheets into products, in particular if aluminum sheets of different thicknesses are used or thickness-changing forming steps are carried out, in particular cold forming steps.
  • FIG. 12 also shows the results of the yield strength measurements R p o, 2 , the Brinell hardness HBW2.5 / 31.25, the elongation at break Aso and the conductivity in MS / m as well as in% IACS for the test series Wl.l - W1.7 (without back-heating).
  • the thickness of the respective sample sections is plotted on the abscissa axis; on the left axis of ordinate is the proof stress R p0 2 in MPa and on the right
  • the Brinell hardness HBW2.5 / 31.25, the elongation at break Aso in% and the conductivity in MS / m or% IACS are plotted on the ordinate axis.
  • Round diameter divided by punch diameter determined in the cell pulling test according to DIN EN 1669 with a gradual increase in the round diameter until failure in the pulling test.
  • a limit drawing ratio of 2.1 could be achieved without crack formation.
  • hot tensile tests were carried out at 80 ° C and 115 ° C on the corresponding sample sections of the test series W1.5, W1.8 and Wl.ll.
  • some tensile samples of these sample sections were heated to 80 ° C or 115 ° C in an oven and tensile tests were carried out in the oven at these temperatures in accordance with DIN EN ISO 6892-1: 2017-02, the yield strength R p0, 2, tensile strength R m and elongation at break Asom m were measured.
  • the results of the hot tensile tests are shown in FIG.
  • the hot tensile tests at 80 ° C yield strengths R p o, 2 of more than 160 MPa and the hot tensile tests at 115 ° C yield strengths R p0 , 2 of more than 140 MPa were achieved Products made from it are also suitable for use at elevated temperatures.
  • Aluminum strips even at high temperatures, ensure that an aluminum conductor made from such an aluminum strip also fulfills the required mechanical properties even at such temperatures.
  • Solution annealing through the use of a continuous casting process becomes unnecessary, since a suitable heat-aging structure of the aluminum strip is already achieved through the continuous casting. An elaborate and cost-intensive solution annealing before hot aging can therefore be dispensed with.
  • FIG. 15 now shows an exemplary embodiment of the method described here for producing an aluminum strip with high strength and high electrical conductivity according to the second aspect of the present disclosure.
  • the individual process steps are shown schematically from left to right.
  • the temperature-time diagram below illustrates qualitatively and schematically the respective material temperatures for the individual
  • a continuous casting process preferably a double-roll casting 102, takes place in the first method step 102
  • Double-roll casting places a melt 104 made of an aluminum alloy in the nip 106 of two rotating casting rolls 108, 110, so that the aluminum melt 104 solidifies and forms a continuous aluminum strip 112.
  • the nip 106 is preferably set so that the thickness of the
  • Aluminum strip 112 is in the range 3 to 12 mm.
  • the melt 104 consists of a hardenable aluminum alloy and preferably has the following compositions in% by weight:
  • Impurities in each case up to a maximum of 0.03% by weight, in total up to a maximum of 0.10% by weight,
  • the two casting rolls 108, 110 are preferably cooled so that the
  • the temperature of the aluminum strip 112, measured at the strip surface, at the point 114 of the exit from the nip 106 has a temperature in the range from 450 to 300 ° C.
  • the aluminum strip 112 is preferably further cooled immediately after emerging from the nip 106 to a temperature, measured on the strip surface, of below 200 ° C.
  • a cooling device 116 can be arranged behind the nip, through which the aluminum strip 112 can be subjected, for example, to a cooling air flow. Due to the sufficiently rapid cooling of the aluminum strip 112, it becomes supersaturated Mixed crystal structure reached. After cooling, the aluminum strip 112 is wound up into a coil 118.
  • the aluminum strip 112 is rolled in a primary cold rolling on a cold rolling stand 122 in a cold rolling pass and with a degree of rolling of less than 20% to an intermediate thickness and rewound to a coil 124.
  • the coil 124 is then combined in one in the next method step 126
  • Heat aging furnace 128 is heat-aged, preferably at a heat-aging temperature in the range from 100 ° C. to 210 ° C., preferably 170 ° C. to 190 ° C., and for a heat-aging period (at which
  • the cold rolling stand 122 and the cold rolling stand 132 can be the same cold rolling stand or different cold rolling stands.
  • the total rolling degree is for primary and secondary cold rolling
  • the degree of rolling of the secondary cold rolling alone is preferably already more than 50%.
  • the final thickness of the aluminum strip 112 is preferably in the range of 0.5 to 3 mm.
  • the aluminum strip wound up again into a coil 138 is back-heated in a back-heating furnace 140.
  • a back-heating furnace 140 different furnaces or one and the same furnace can be used for the outsourcing in method step 126 and for the re-annealing in method step 136.
  • the annealing is preferably carried out at a
  • Back-heating temperature in the range from 160 ° C. to 210 ° C., in particular 180 ° C. to 190 ° C., and with a back-heating time (at the back-heating temperature) of at least 2 hours, preferably 2 to 5 hours and ductility while reducing the
  • the method 100 in FIG. 15 can be used to produce an aluminum strip that combines good strength with high electrical conductivity.
  • the method 100 in FIG. 15 not only manages with significantly fewer method steps, but in particular also without the energy-intensive and - due to the continuous furnace required for this - investment-intensive solution annealing (method step 20 in FIGS. 1 and 2), so that method 100 can be performed faster and more economically.
  • An aluminum strip W3a with a thickness of 5.0 mm was cast in double roll casting.
  • the composition of the aluminum strip W3a is identical to that
  • composition of the composition W3 is given in Table 6 above (all figures in% by weight).
  • the aluminum strip W3a was divided into different sections, which were then processed in different ways.
  • a first group of tests (W3a.l-6) sections of the band W3a were first subjected to hot aging with an 8-hour hold time in accordance with the method from FIG. 3, specifically at temperatures of 160 ° C., 175 ° C. or 185 ° C.
  • the sections were cooled to room temperature over several hours and then subjected to cold rolling in several passes without intermediate annealing to a thickness of 2.0 mm or 1.0 mm.
  • the total rolling degree during cold rolling was therefore 60% and 80%. Back-heating was not carried out.
  • the degree of rolling in the secondary cold rolling was therefore 55% and 77%, respectively.
  • the total rolling degree of primary and secondary cold rolling was 60% and 80%, respectively. Back-heating was not carried out.
  • test series W3a.l-6 correspond to the method from FIG. 3;
  • Test series W3a.7-15 correspond to the method from FIG. 15. At different sample sections of the individual test series
  • FIG. 16 shows the results of these measurements for the test series W3a.l-12. On the abscissa axis is the electrical conductivity in MS / m and on the
  • the Brinell hardness HBW2.5 / 31.25 is plotted on the ordinate axis.
  • Each data point shows the measurement results that were measured for a strip section processed according to one of the test series W3a.l-12.
  • the data points for the strip sections processed according to FIG. 3 are marked with a
  • results in FIG. 16 show that even better results with regard to hardness / strength and electrical conductivity were achieved with the method according to FIG. 15 than with the method according to FIG. 3 with a corresponding final thickness.
  • the lines belonging to the method according to FIG. 15 (solid, dashed) are compared to the lines belonging to the method according to FIG. 3
  • the ratio of conductivity and strength can be finely adjusted by choosing a suitable primary or secondary degree of rolling (lower secondary degree of rolling for higher conductivity, higher secondary degree of rolling for higher strength).

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands (62) mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit, bei dem eine Schmelze (54) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung durch einen kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere durch Doppelwalzengießen, zu einem Aluminiumband (62) urgeformt wird, bei dem das Aluminiumband (62) durch Kaltwalzen auf Enddicke gewalzt wird und bei dem das Aluminiumband (62) zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen warmausgelagert wird. Die Erfindung betrifft zudem ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands (112) mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit. Die Erfindung betrifft weiterhin ein mit diesen Verfahren herstellbares Aluminiumband (62) bzw. ein daraus hergestelltes Aluminiumprodukt sowie die Verwendung des Aluminiumband (62) oder Aluminiumprodukts für einen elektrischen Leiter, insbesondere für ein Aluminiumkabel.

Description

Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit sowie weiter ein mit diesen Verfahren herstellbares Aluminiumband oder ein aus einem solchen Aluminiumband
hergestelltes Aluminiumprodukt. im Bereich der Aluminiumleiterwerkstoffe ist die Legierung EN AW-6101B Standard für Anwendungen, die hohe elektrische Leitfähigkeiten und Festigkeiten erfordern. Diese Leiterwerkstoffe werden üblicherweise über ein Strangpressen inklusive Abschreckung und Auslagern oder über Walzprozesse, die eine separate
Lösungsglühung erfordern, hergestellt.
Figur 1 zeigt ein solches Verfahren aus dem Stand der Technik zur Herstellung eines Aluminiumbands für elektrische Aluminiumleiteranwendungen. Dabei sind in Figur 1 von links nach rechts die einzelnen Verfahrensschritte und in dem darunter angeordneten Temperatur-Zeit-Diagramm qualitativ und schematisch die
Materialtemperatur während der Herstellung dargestellt. Bei dem in Figur 1 gezeigten Verfahrensablauf 2 wird in einem ersten Schritt 4 im DC- Barrenguss zunächst ein Barren 6 gegossen, zum Beispiel aus der Legierung EN AW- 6101B. Nach einem Homogenisierungsschritt 8 in einem Homogenisierungsofen 10 erfolgt anschließend das Warmwalzen 12 auf einem Warmwalzgerüst 14 und ein anschließendes Kaltwalzen 16 auf einem Kaltwalzgerüst 18 auf die gewünschte Enddicke. Alternativ kann die Homogenisierung in das Vorwärmen auf
Warmwalztemperatur integriert werden. Um die gewünschten Materialeigenschaften hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit zu erreichen, ist bei dieser Herstellungsweise nach dem Kaltwalzen ein Lösungsglühen 20 in einem Durchlaufofen 22 erforderlich, bevor das Material abschließend einer Warmauslagerungsglühung 24 in einem
Warmauslagerungsglühofen 26 unterzogen wird, um die Festigkeit und die elektrische Leitfähigkeit des Materials wieder zu erhöhen.
Neben dem in Figur 1 dargestellten Verfahren ist aus dem Stand der Technik noch ein weiteres Verfahren zur Herstellung von Aluminiumbändern für Elektroleiter- Anwendungen bekannt, und zwar aus dem Artikel„Enhancing electrical conductivity and strength in Al alloys by modification of conventional thermal-mechanical process" von C.H. Liu et al., veröffentlicht in Materials and Design 87 (2015) 1 - 5. Gemäß diesem Artikel wurde festgestellt, dass bei dem in Figur 1 dargestellten Verfahren eine verbesserte elektrische Leitfähigkeit und Festigkeit erreicht werden kann, indem das Band vor dem Kaltwalzen lösungsgeglüht und warmausgelagert wird.
Figur 2 zeigt einen entsprechenden Verfahrensablauf 30, wobei die einzelnen
Verfahrensschritte wiederum von links nach rechts dargestellt sind und das darunter angeordnete Temperatur-Zeit-Diagramm qualitativ und schematisch die
Materialtemperatur während der Herstellung illustriert.
Bei dem Verfahren 30 erfolgt - wie beim Verfahren 2 - wiederum zunächst der DC- Barrenguss 4 und ein Homogenisieren bzw. Vorwärmen 8 mit anschließendem
Warmwalzschritt zur Herstellung eines Warmbands. Anstelle des Kaltwalzens folgt bei dem Verfahren 30 nun zunächst das Lösungsglühen 20 und anschließend eine Warmauslagerung 32 in einem Warmauslagerungsofen 34, bevor das Band dann schließlich auf dem Kaltwalzgerüst 18 kaltgewalzt wird. Nach dem Kaltwalzen erfolgt wiederum das Rückglühen 24 im Rückglühofen 26.
Mit dem in Figur 2 beschriebenen Verfahren können zwar Aluminiumleiterwerkstoffe mit guter elektrischer Leitfähigkeit, Festigkeit und Duktilität hergestellt werden. Der Verfahrensablauf ist jedoch sehr lang und aufwändig mit vielen verschiedenen Verfahrensschritten.
Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein schnelleres und effizienteres Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen gleichwohl gute Eigenschaften hinsichtlich elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit erreicht werden können.
Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands, bei dem eine Schmelze aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung durch einen kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere Doppelwalzengießen, zu einem
Aluminiumband urgeformt wird, bei dem das Aluminiumband durch Kaltwalzen auf eine Dicke gewalzt wird und bei dem das Aluminiumband zwischen dem
kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen warmausgelagert wird. Es wurde festgestellt dass sich mit diesem Verfahren ein Aluminiumband mit einer
Kombination aus guter Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit herstellen lässt, die mit den Festigkeiten und elektrischen Leitfähigkeiten eines gemäß dem Verfahren aus Figur 1 hergestellten Aluminiumbands vergleichbar sind, jedoch bei einem wesentlich verkürzten, schnelleren und wirtschaftlicheren Verfahrensablauf. Der Verfahrensablauf ist insbesondere auch kürzer, schneller und wirtschaftlicher als der Verfahrensablauf nach Figur 2.
Durch die Anwendung eines kontinuierlichen Gießprozesses, insbesondere des Doppelwalzgießverfahrens (englisch: twin-roll casting), werden nicht nur die bei den Verfahren gemäß Figur 1 und 2 vorgesehenen mehreren Verfahrensschritte des Barrengusses, der Homogenisierung und des Warmwalzens durch einen einzelnen kontinuierlichen Gießprozess ersetzt. Es wurde zudem festgestellt, dass das bei den Verfahrensabläufen gemäß Figur 1 und 2 erforderliche energieintensive
Lösungsglühen entbehrlich ist, wenn das Band durch einen kontinuierlichen
Gießprozess zur Verfügung gestellt wird. Dadurch ist auch die Bereitstellung eines für die Lösungsglühung erforderlichen Durchlaufofens entbehrlich, so dass Investitionskosten reduziert werden.
Entsprechend erfolgt das Kaltwalzen nach dem kontinuierlichen Gießprozess bei dem Verfahren daher vorzugsweise ohne zwischenzeitliches Lösungsglühen. Hierdurch kann eine signifikante Kosteneinsparung und Verkürzung der Prozesskette erreicht werden.
Bei dem Verfahren wird eine Schmelze aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung durch einen kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere Doppelwalzengießen, zu einem Aluminiumband urgeformt. Bei dem kontinuierlichen Gießprozess wird die Schmelze kontinuierlich zu einem Band geformt. So wird die Schmelze zum Beispiel beim Doppelwalzengießen in den Walzenspalt zweier gekühlter Gießwalzen gegeben, so dass auf der anderen Seite der Gießwalzen ein kontinuierliches Aluminiumband aus dem Walzenspalt austritt. Die Dicke des Aluminiumbands wird durch die Dicke des Walzenspalts vorgegeben.
Bei dem Verfahren wird das Aluminiumband durch Kaltwalzen auf Enddicke gewalzt. Das Kaltwalzen erfolgt insbesondere in mehreren Stichen auf einem Kaltwalzgerüst.
Weiterhin wird das Aluminiumband zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen warmausgelagert. Zu diesem Zweck wird das Aluminiumband vorzugsweise nach dem kontinuierlichen Gießprozess auf ein Coil aufgewickelt und dann in Coilform in einen Warmauslagerungsofen gegeben, in dem es bei einer vorgegebenen Warmauslagerungstemperatur über eine vorgegebene
Warmauslagerungsdauer warmausgelagert wird. Die Warmauslagerung ist vorzugsweise die einzige Wärmebehandlung des Aluminiumbands zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen.
Die oben genannte Aufgabe wird gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands, bei dem eine Schmelze aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung durch einen kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere durch Doppelwalzengießen, zu einem Aluminiumband urgeformt wird, bei dem das
Aluminiumband in einem primären Kaltwalzen auf eine Zwischendicke gewalzt wird, bei dem das Aluminiumband in einem sekundären Kaltwalzen auf Enddicke gewalzt wird und bei dem das Aluminiumband zwischen dem primären Kaltwalzen und dem sekundären Kaltwalzen warmausgelagert wird.
Es wurde festgestellt, dass sich die zuvor für das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Vorteile auch dann erreichen lassen, wenn das Aluminiumband zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Warmauslagern zunächst einem primären Kaltwalzen unterzogen wird. Insbesondere haben Versuche ergeben, dass durch diese Verfahrensreihenfolge Festigkeiten bzw. Härten sowie elektrische Leitfähigkeiten erzielt werden konnten, die noch über den mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt erzielten Festigkeiten/Härten bzw. elektrischen Leitfähigkeiten lagen. Weiterhin erlaubt dieses Verfahren eine höhere Flexibilität beim Prozessablauf und kann logistische Vorteile bringen.
Das primäre und sekundäre Kaltwalzen erfolgen nach dem kontinuierlichen
Gießprozess vorzugsweise ohne zwischenzeitliches Lösungsglühen. Hierdurch kann eine signifikante Kosteneinsparung und Verkürzung der Prozesskette erreicht werden.
Beim primären Kaltwalzen liegt der Gesamtabwalzgrad vorzugsweise bei weniger als 30%, vorzugsweise bei weniger als 20%. Auf diese Weise kann beim sekundären Kaltwalzen nach dem Warmauslagern ein ausreichend hoher Abwalzgrad für die zu erzielende Verfestigung erreicht werden. Das primäre Kaltwalzen wird vorzugsweise in nur einem Kaltwalzstich durchgeführt. Auf diese Weise wird der Verfahrensablauf vereinfacht. Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin erfindungsgemäß gelöst durch ein mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung oder mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung herstellbares Aluminiumband bzw. durch ein aus einem solchen Aluminiumband hergestellten Aluminiumlegierungsprodukt, beispielsweise einem Aluminiumblech oder einem Aluminiumkabel. Bei dem
Aluminiumband bzw. Aluminiumlegierungsprodukt handelt es sich entsprechend um ein in einem kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere im Doppelwalzenguss, hergestelltes Produkt mit einer Kombination aus guter Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit.
Es wurde festgestellt, dass mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung bzw. mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung insbesondere Aluminiumlegierungsbänder bzw. Produkte hergestellt werden können, die eine Festigkeit im Bereich Rp0,2 > 170 MPa, insbesondere > 180 MPa, und eine elektrische Leitfähigkeit im Bereich > 30,5 MS/m aufweisen. Damit liegen diese Produkte deutlich oberhalb der Anforderungen gemäß DIN40501-2 für Legierungen vom Typ 6101B.
Es wurde zudem festgestellt, dass mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung bzw. mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung insbesondere Aluminiumlegierungsbänder bzw. Produkte hergestellt werden können, deren Produkt aus Rp0,2 und elektrischer Leitfähigkeit > 6000 MPa MS/m liegt.
Darüber hinaus wurde festgestellt, dass mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung bzw. mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung insbesondere Aluminiumlegierungsbänder bzw. Produkte hergestellt werden können, die im Warmzugversuch, d.h. bei Durchführung eines Zugversuchs nach DIN EN ISO 6892-1:2017-02, jedoch bei einer erhöhten Temperatur der Zugproben, eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 160 MPa bei einer Zugproben-Temperatur von 80 °C und von mindestens 140 MPa bei einer Zugproben-Temperatur von 115 °C aufweisen.
Weiterhin wurde überraschenderweise festgestellt, dass mit dem zuvor
beschriebenen Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung bzw. mit dem zuvor beschriebenen Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung trotz der starken Verfestigung gute Tiefziehbarkeiten erreicht werden können. Insbesondere können mit den Verfahren
Aluminiumlegierungsbänder bzw. Produkte hergesteilt werden, mit denen bzw. bei denen ein Grenzziehverhältnis von mindestens 1,9, bestimmt im Näpfchenziehversuch nach DIN EN 1669 unter schrittweiser Erhöhung des Rondendurchmesser bis zum Versagen im Ziehversuch, erreicht werden kann. Damit ist ein derartiges
Aluminiumlegierungsband insbesondere zur Herstellung von Produkten durch Kaltverformung, insbesondere Tiefziehen, geeignet.
Ein durch einen kontinuierlichen Gießprozess und Kaltwalzen hergestelltes Produkt kann in der Praxis von einem durch Barrenguss, Warmwalzen und Kaltwalzen hergestellten Produkt durch die nur bei einem kontinuierlichen Gießprozess auftretenden Mittenseigerungen unterschieden werden, die sich auch im fertigen Produkt nach dem Kaltwalzen wiederfinden. Dies gilt sowohl für die mit dem
Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung hergestellten Aluminiumbänder als auch durch die mit dem Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung hergestellten Aluminiumbänder sowie die jeweils daraus hergestellten Produkte.
Aufgrund der Kombination aus hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit eignet sich das Aluminiumband bzw. ein daraus hergestelltes Produkt insbesondere für Elektroanwendungen. Entsprechend wird die zuvor genannte Aufgabe
erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch die Verwendung des zuvor beschriebenen Aluminiumbands oder Aluminiumprodukts für einen elektrischen Leiter,
insbesondere für ein Aluminiumkabel.
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen des zuvor beschriebenen Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung und des zuvor beschriebenen Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beschrieben, die jeweils unabhängig voneinander sowohl für das Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung als auch für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung gelten. Weiterhin können die Ausführungsformen auch untereinander kombiniert werden.
Bei einer ersten Ausführungsform wird als Aluminiumlegierung eine
Aluminiumlegierung vom Typ 6xxx verwendet. Derartige Legierungen haben sich als besonders geeignet erwiesen für die gewünschte Kombination an
Materialeigenschaften aus hoher elektrischer Leitfähigkeit bei guter Festigkeit.
Bei einer weiteren Ausführungsform weist die Aluminiumlegierung folgende
Zusammensetzungen in Gew -% auf:
0,2 Gew.-%
Figure imgf000010_0001
1,0 Gew.-%,
0,2 Gew.-%
Figure imgf000010_0002
1,0 Gew.-%,
Fe < 0,5 Gew.-%,
Mn s 0,4 Gew.-%,
Zn < 0,1 Gew.-%,
Cu
Figure imgf000010_0003
0,5 Gew.-%,
Zr
Figure imgf000010_0004
0,2 Gew.-%,
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,05 Gew.-%, insgesamt bis maximal
0,15 Gew.-%,
Rest Aluminium. Mit dieser Legierungszusammensetzung wurden in Versuchen die gewünschten Kombinationen aus hoher elektrischer Leitfähigkeit bei guter Festigkeit erreicht. Die Bedeutung der einzelnen Legierungskomponenten wird im Folgenden erläutert:
Silizium und Magnesium bewirken die Ausscheidungshärtung des Aluminiumbands und erhöhen dadurch dessen Festigkeit. Daher ist bei der Legierung ein Mindestgehalt an Si und Mg von jeweils 0,2 Gew.-% vorgesehen. Zu große Gehalte von Si und Mg führen jedoch zu einer Verschlechterung der Leitfähigkeit Daher sind die Gehalte von Si und Mg jeweils auf 1,0 Gew.-% begrenzt. Um für Elektroanwendungen geeignete Festigkeiten zu erzielen, liegt der Si-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 0,3 - 0,6 Gew.-% und/oder der Mg-Gehalt vorzugsweise im Bereich 0,35 - 0,6 Gew.-%. Für eine optimale Ausscheidungshärtung liegt das Verhältnis des Si-Gehalts zum Mg-Gehalt vorzugsweise im Bereich zwischen 1,3 und 1,5.
Eisen reduziert die elektrische Leitfähigkeit und soll daher einen Gehalt von 0,5 Gew.- %, vorzugsweise von 0,3 Gew.-% nicht überschreiten. In kleinen Mengen kann Fe jedoch enthalten sein, da ansonsten die Anforderungen an die Ausgangsmaterialien für die Schmelze zu hoch werden, wodurch sich die Herstellungskosten erhöhen.
Daher liegt der Fe-Gehalt bevorzugt im Bereich 0,1 - 0,3 Gew.-%.
Mangan verschlechtert die elektrische Leitfähigkeit deutlich und ist daher auf max. 0,4 Gew.-%, bevorzugt auf max. 0,1 Gew.-% beschränkt. Andererseits führen jedoch bereits recht geringe Gehalte von Mn zu einer guten Korngrößenstabilisierung, so dass höhere Festigkeiten erreicht werden können. Daher kann es vorteilhaft sein, wenn die Legierung in diesem Bereich auch ein Mn-Gehalt von mindestens 0,001 Gew.-% aufweist.
Kupfer verschlechtert die elektrische Leitfähigkeit und vergrößert das
Schmelzintervall, was sich negativ auf die Gießbarkeit beim Doppelwalzengießen auswirkt, und ist daher auf max. 0,5 Gew.-%, vorzugsweise max. 0,4 Gew.-%, weiter bevorzugt max. 0,3 Gew.-%, beschränkt. Geringe Mengen an Kupfer erhöhen die Festigkeit, die Warmfestigkeit und die Kriechbeständigkeit, so dass eine gezielte Zugabe von Cu in diesem Bereich sinnvoll sein kann.
Zirkonium ist schlecht für die Leitfähigkeit und erhöht die Liquidustemperatur sowie das Schmelzintervall der Legierung und ist daher auf 0,2 Gew.-% beschränkt.
Vorzugsweise ist der der Zr-Gehalt sogar auf 0,03 Gew.-% beschränkt, um bessere Leitfähigkeiten zu erreichen.
Die Verunreinigungen verschlechtern die Leitfähigkeit ebenfalls und sind daher auf 0,05 Gew.-% einzeln und 0,15 Gew.-% in Summe beschränkt, vorzugsweise sogar auf 0,03 Gew.-% einzeln und 0,10 Gew.-% in Summe, um bessere Leitfähigkeiten zu erreichen.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist die Aluminiumlegierung entsprechend folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf:
0,3 Gew.-% < Si < 0,6 Gew.-%,
0,35 Gew.-% < Mg < 0,6 Gew.-%,
0,1 Gew.-% < Fe < 0,3 Gew.-%,
Mn < 0,1 Gew.-%,
Zn s 0,1 Gew.-%,
Cu < 0,5 Gew.-%,
Zr < 0,03 Gew.-%,
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,03 Gew.-%, insgesamt bis maximal 0,10 Gew.-%,
Rest Aluminium.
Die Aluminiumschmelze, die typischerweise eine Temperatur von über 670 °C aufweist, wird bei einem kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere
Doppelwalzengießen, bereits sehr schnell abgekühlt, so dass die Bandtemperatur, gemessen an der Bandoberfläche, beim Austritt aus dem Gießspalt, insbesondere aus dem Walzenspalt der zum Doppelwalzengießen verwendeten Gießwalzen, bereits sehr stark abgekühlt ist. Vorzugsweise liegt die Aluminiumband-Temperatur, gemessen an der Bandoberfläche, bei Austritt aus dem Gießspalt bzw. Walzenspalt im Bereich von 300 bis 450 °C; dieser Temperaturbereich kann beispielsweise durch eine gezielte Kühlung bzw. Dimensionierung der Gießanlage für den kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere der Gießwalzen der Doppelwalzengießanlage, sowie die Gießbanddicke und die Gießgeschwindigkeit eingestellt werden. Das schnelle
Abkühlen der Schmelze beim Doppelwalzenguss ergibt im Aluminiumband ein vorteilhaftes Gefüge, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften des herzustellenden Aluminiumbands erreichen zu können.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband unmittelbar nach dem kontinuierlichen Gießprozess auf eine Temperatur, gemessen an der Bandoberfläche, von unter 200 °C abgekühlt. Das Abkühlen kann beispielsweise durch aktives Kühlen erfolgen, zum Beispiel durch Vorsehen geeigneter Kühlelemente oder durch
Beaufschlagen des Aluminiumbands mit Luft, ggf. gekühlter Luft. Indem eine zusätzliche aktive Kühlung vorgesehen wird, die das Aluminiumband unmittelbar nach dem kontinuierlichen Gießprozess auf eine Temperatur von unter 200 °C abkühlt, können grobe Gefügeausscheidungen verhindert werden, so dass sich insgesamt ein homogenerer übersättigter Mischkristall bildet, der sich positiv auf die Aushärtbarkeit beim nachfolgenden Warmauslagern auswirkt.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird das Aluminiumband zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen bei einer Auslagerungstemperatur im Bereich von 100 °C bis 210 °C, vorzugsweise 170 °C bis 190 °C, und einer Auslagerungsdauer bei der Auslagerungstemperatur im Bereich von 30 Minuten bis 10 Stunden
warmausgelagert. Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird das Aluminiumband zwischen dem primären und dem sekundären Kaltwalzen bei einer
Auslagerungstemperatur im Bereich von 100 °C bis 210 °C, vorzugsweise 170 °C bis 190 °C, und einer Auslagerungsdauer bei der Auslagerungstemperatur im Bereich von 30 Minuten bis 10 Stunden warmausgelagert. In Versuchen hat sich dieser
Parameterbereich für die Warmauslagerung zwischen dem kontinuierlichen
Gießprozess und dem Kaltwalzen als vorteilhaft herausgestellt, um die gewünschte Kombination aus guter elektrischer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit zu erreichen.
Durch eine kurze Ausscheidungsdauer bei relativ geringer Ausscheidungstemperatur, zum Beispiel 45 Minuten bei 185 °C, wird ein unteraltertes Aluminiumband erreicht. Die maximale Festigkeit (Zustand T6) kann durch eine Verlängerung der
Auslagerungszeit auf mindestens 2 Stunden oder eine Erhöhung der Temperatur (z.B. 30 - 60 min bei 205°C) erreicht werden. So wurde beispielsweise in Versuchen nach einer Warmauslagerung bei 185 °C über 8 Stunden eine hohe Festigkeit erreicht.
Durch eine hohe Temperatur oberhalb von 200 °C und eine lange Auslagerungszeit von mindestens zwei Stunden entstehen grobe Ausscheidungen im Aluminiumband, so dass das Aluminiumband in den überalterten Bereich (Zustand T7) gelangt. In Versuchen wurde dieser Zustand beispielsweise bei einer Auslagerungstemperatur von 205 °C über 8 Stunden erzielt. Der überalterte Zustand kann auch durch
Glühungen bei höheren Temperaturen bis 300°C erzeugt werden.
Die Zustände T6, T7 etc. beziehen sich jeweils auf die Definition in Norm EN 515:1993.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband nach dem Kaltwalzen rückgeglüht. Das Rückglühen führt zu einer Absenkung der Festigkeit bei
gleichzeitiger Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und der Duktilität. Dabei steigt die elektrische Leitfähigkeit und sinkt die Festigkeit umso mehr, je höher die
Rückglühtemperatur ist und je länger die Rückglühdauer ist. Durch die Rückglühung kann damit das gewünschte Verhältnis von elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit des Aluminiumbands eingestellt werden. Im Falle des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung erfolgt das Rückglühen bei einer
entsprechenden Ausführungsform nach dem sekundären Kaltwalzen. Ein besonders guter Kompromiss zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit kann erreicht werden bei einer Rückglühtemperatur im Bereich von 160 °C bis 210 °C, vorzugsweise 180 °C bis 190 °C und einer Rückglühdauer bei Rückglühtemperatur von mindestens 2 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 5 Stunden.
Insbesondere wurde festgestellt, dass die größten Änderungen von elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit innerhalb der ersten zwei Stunden der Rückglühung erfolgen, während sich diese Eigenschaften in der nachfolgenden Glühzeit deutlich weniger ändern. Durch die Beschränkung der Rückglühzeit auf einen Zeitraum von 2 bis 5 Stunden kann daher der Rückglüheffekt im Wesentlichen erreicht werden, ohne dass unnötig Energie und Zeit durch eine überlange Rückglühbehandlung vergeudet wird.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband beim Kaltwalzen auf eine Enddicke im Bereich von 0,2 bis 3 mm gewalzt. Für Anwendungen in der elektrischen Leitertechnik haben sich diese Enddicken als geeignet herausgestellt.
Bei einer weiteren Ausführungsform beträgt der Gesamtumformgrad beim Kaltwalzen (Gesamtabwalzgrad beim Kaltwalzen) über 50%. Das Material wird demnach beim Kaltwalzen vorzugsweise um mehr als die Hälfte in der Dicke reduziert. Durch diesen hohen Umformgrad kann eine höhere Festigkeit des herzustellenden Aluminiumbands erreicht werden. Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung beträgt der Gesamtumformgrad beim primären und sekundären Kaltwalzen zusammen, d.h. der Gesamtumformgrad vom ersten Stich des primären Kaltwalzens bis zum letzten Stich des sekundären Kaltwalzens, über 50%. Vorzugsweise beträgt der Gesamtumformgrad beim
sekundären Kaltwalzen allein über 50%.
Gleichzeitig wurde festgestellt, dass der Abwalzgrad beim Kaltwalzen bei den hier beschriebenen Verfahren nur geringen Einfluss auf die Leitfähigkeit hat, so dass mit einem Abwalzgrad beim Kaltwalzen von über 50% gleichzeitig eine hohe Festigkeit mit guter Leitfähigkeit erreicht werden kann. Das Kaltwalzen erfolgt vorzugsweise ohne Zwischenglühen. Dies erleichtert das Erreichen des Gesamtabwalzgrades beim Kaltwalzen nach dem letzten Glühen, so dass höhere Festigkeiten erreicht werden können. Darüber hinaus führt eine
Zwischenglühung zur Vergröberung der härtenden Ausscheidungen, was zu einem ungewollten Festigkeitsverlust führen kann.
Bei einer entsprechenden Ausführungsform des Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung erfolgen das primäre und das sekundäre Kaltwalzen vorzugsweise ohne Zwischenglühen. Demnach findet zwischen den einzelnen Stichen des primären und des sekundären Kaltwalzens kein
Zwischenglühen statt, wobei das primäre Kaltwalzen vorzugsweise ohnehin nur einen Stich umfasst.
Das zwischen dem primären und sekundären Kaltwalzen vorgesehene
Warmauslagern ist grundsätzlich von einem Zwischenglühen zu unterscheiden.
Während das Zwischenglühen zum Weichglühen des Aluminiumbands dient und daher hohe Temperaturen, insbesondere von mehr als 300 °C erfordert, erfolgt das Warmauslagern bei geringeren Temperaturen von höchstens 300 °C, vorzugsweise höchstens 250 °C.
Wenn jedoch eine Zwischenglühung durchgeführt wird, beträgt der Abwalzgrad nach dem Zwischenglühen vorzugsweise über 50%, um eine gute Festigkeit zu erreichen.
Bei einer weiteren Ausführungsform wird das Aluminiumband mit einer Banddicke im Bereich von 3 bis 12 mm urgeformt. Diese Banddicken haben sich als geeignet herausgestellt, um einerseits eine rasche Abkühlung des Aluminiumbands beim kontinuierlichen Gießprozess und ggf. unmittelbar anschließendem aktiven Kühlen zu erreichen, sowie um beim Kaltwalzen die gewünschten Abwalzgrade mit den gewünschten Enddicken erreichen zu können. Für die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften Rp0,2, Rm und Asomm wird auf den Zugversuch gemäß DIN EN ISO 6892-1:2017-02 verwiesen. Für die Bestimmung der Vickershärte wird auf DIN EN 1SO 6507-1:2006-03 und für die Bestimmung der Brinellhärte HBW 2.5/31.25 auf die EN ISO 6506-1 2015-2 verwiesen. Für die
Bestimmung der Leitfähigkeit wird auf das Wirbelstromverfahren nach DIN EN 2004- 1 1993-09 verwiesen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Verfahren und der damit herstellbaren
Aluminiumbänder bzw. Produkte ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen und Versuchen, wobei auf die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird.
In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 ein erstes Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands aus dem
Stand der Technik,
Fig. 2 ein zweites Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands aus dem
Stand der Technik,
Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel des vorliegend beschriebenen Verfahrens zur
Herstellung eines Aluminiumbands gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung,
Fig. 4 & 5 Messergebnisse zur elektrischen Leitfähigkeit und Härte einer ersten und einer zweiten Versuchsreihe,
Fig. 6 & 7 Messergebnisse zur elektrischen Leitfähigkeit und zu
Festigkeitsparametern der Versuchsreihen,
Fig. 8 ein Schliffbild eines Aluminiumprodukts mit Mittenseigerungen, Fig. 9 Messergebnisse zur elektrischen Leitfähigkeit und zur Brinellhärte weiterer Versuchsreihen (ohne Rückglühung),
Fig. 10 Messergebnisse zur elektrischen Leitfähigkeit und zur Brinellhärte weiterer Versuchsreihen (nach Rückglühung),
Fig. 11 Messergebnisse zu mechanischen Eigenschaften abhängig von der Dicke und der Rückglühung,
Fig. 12 Messergebnisse zu mechanischen Eigenschaften abhängig von der
Dicke,
Fig. 13 Messergebnisse zu mechanischen Eigenschaften aus
Warmzugversuchen,
Fig. 14 Messergebnisse zur elektrischen Leitfähigkeit und zu mechanischen
Eigenschaften vor und nach der Warmauslagerung,
Fig. 15 ein Ausführungsbeispiel des vorliegend beschriebenen Verfahrens zur
Herstellung eines Aluminiumbands gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung und
Fig. 16 Messergebnisse zur elektrischen Leitfähigkeit und zur Brinellhärte von weiterer Versuchsreihen.
Die Figuren 1 und 2 zeigen die bereits zuvor beschriebenen Verfahren aus dem Stand der Technik.
Figur 3 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel des vorliegend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumbands mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung. In Figur 3 sind die einzelnen Verfahrensschritte schematisch von links nach rechts dargestellt. Das darunter abgebildete Temperatur-Zeit-Diagramm illustriert qualitativ und
schematisch die jeweilige Materialtemperaturen bei den einzelnen
Verfahrensschritten.
Bei dem Verfahren 50 erfolgt im ersten Verfahrensschritt 52 ein kontinuierlicher Gießprozess, vorzugsweise ein Doppelwalzengießen 52. Bei dem Doppelwalzengießen wird eine Schmelze 54 aus einer Aluminiumlegierung in den Walzenspalt 56 zweier rotierender Gießwalzen 58, 60 gegeben, so dass die Aluminiumschmelze 54 erstarrt und ein kontinuierliches Aluminiumband 62 bildet. Der Walzenspalt 56 ist
vorzugsweise so eingestellt, dass die Dicke des Aluminiumbands 62 im Bereich 3 bis 12 mm liegt.
Die Schmelze 54 besteht aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung und weist vorzugsweise folgende Zusammensetzungen in Gew.-% auf:
0,3 Gew.-% < Si < 0,6 Gew.-%,
0,35 Gew.-% < Mg < 0,6 Gew.-%,
0,1 Gew.-%
Figure imgf000019_0001
Fe < 0,3 Gew.-%,
Mn < 0,1 Gew.-%,
Zn < 0,1 Gew.-%,
Cu < 0,5 Gew.-%,
Zr < 0,03 Gew.-%,
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,03 Gew.-%, insgesamt bis maximal 0,10 Gew.-%,
Rest Aluminium.
Die beiden Gießwalzen 58, 60 werden vorzugsweise so gekühlt, so dass die
Temperatur des Aluminiumbands 62, gemessen an der Bandoberfläche, am Ort 64 des Austritts aus dem Walzenspalt 56 eine Temperatur im Bereich von 450 bis 300 °C aufweist. Weiterhin wird das Aluminiumband 62 vorzugsweise unmittelbar nach dem Austritt aus dem Walzenspalt 56 weiter gekühlt auf eine Temperatur, gemessen an der Bandoberfläche, von unter 200 °C. Zu diesem Zweck kann eine Kühleinrichtung 66 hinter dem Walzenspalt angeordnet sein, durch die das Aluminiumband 62
beispielsweise mit einem kühlenden Luftstrom beaufschlagt werden kann. Durch die hinreichend schnelle Abkühlung des Aluminiumbands 62 wird ein übersättigtes Mischkristallgefüge erreicht. Nach dem Kühlen wird das Aluminiumband 62 zu einem Coil 68 aufgewickelt.
Im nächsten Verfahrensschritt 74 wird das Coils 68 in einem Warmauslagerungsofen 76 warmausgelagert, und zwar vorzugsweise bei einer Warmauslagerungstemperatur im Bereich von 100 °C bis 210 °C, vorzugsweise 170 °C bis 190 °C, und für eine Warmauslagerungsdauer (bei der Warmauslagerungstemperatur) im Bereich von 30 Minuten bis 10 Stunden. Das Warmauslagern führt zu einer
Ausscheidungsverfestigung des Aluminiumbands 62.
Nach dem Warmauslagern wird das Aluminiumband 62 im nächsten
Verfahrensschritt 80 auf einem Kaltwalzgerüst 82 auf Enddicke kaltgewalzt. Das Kaltwalzen erfolgt in mehreren Stichen ohne Zwischenglühen und mit einem
Gesamtabwalzgrad von mehr als 50%. Die Enddicke des Aluminiumbands 62 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 3 mm.
Im nachfolgenden (optionalen) Verfahrensschritt 86 wird das wieder zu einem Coil 88 aufgewickelte Aluminiumband in einem Rückglühofen 90 rückgeglüht. Grundsätzlich können für die Auslagerung in Verfahrensschritt 74 und für die Rückglühung in Verfahrensschritt 86 verschiedene Öfen oder auch ein und derselbe Ofen genutzt werden. Die Rückglühung erfolgt vorzugsweise bei einer Rückglühtemperatur im Bereich von 160 °C bis 210 °C, insbesondere 180 °C bis 190 °C, und bei einer
Rückglühdauer (bei der Rückglühtemperatur) von mindestens 2 Stunden,
vorzugsweise 2 bis 5 Stunden. Durch die Rückglühung wird ein Anstieg der
elektrischen Leitfähigkeit und der Duktilität bei gleichzeitiger Reduktion der Festigkeit bewirkt. Auf diese Weise kann das gewünschte Verhältnis von Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit bedarfsgemäß eingestellt werden.
Insgesamt kann mit dem Verfahren 50 in Figur 3 ein Aluminiumband hergestellt werden, das eine gute Festigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit vereint.
Gegenüber den Verfahren aus Figur 1 und 2 kommt das Verfahren 50 in Figur 3 nicht nur mit wesentlich weniger Verfahrensschritten aus, sondern insbesondere auch ohne das energieaufwändige und - aufgrund des hierfür notwendigen Durchlaufofens - investitionsaufwändige Lösungsglühen (Verfahrensschritt 20 in Figur 1 bzw. 2], so dass das Verfahren 50 schneller und wirtschaftlicher durchgeführt werden kann.
Im Rahmen der Erfindung wurden Versuche durchgeführt, um die Eigenschaften von mit dem Verfahren aus Figur 3 hergestellten Aluminiumbändern zu untersuchen.
Diese werden im Folgenden erläutert.
Aus einer Aluminiumlegierungsschmelze wurde im Doppelwalzenguss ein
Aluminiumband mit einer Dicke von 5 mm gegossen und anschließend in mehrere Bandabschnitte aufgeteilt. Die Zusammensetzung der Aluminiumschmelze ist in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben (alle Angaben in Gew.-%):
Figure imgf000021_0001
Einige der Bandabschnitte des Aluminiumbands wurden dann jeweils einer
Warmauslagerung mit verschiedenen Warmauslagerungstemperaturen und -dauern unterzogen. Die genauen Warmauslagerungsparameter sind in der Tabelle 2 unten aufgeführt.
Nach der Warmauslagerung wurden die betreffenden Bandabschnitte in mehreren Stichen ohne Zwischenglühen jeweils auf eine Enddicke von 1 mm kaltgewalzt. Der Gesamtumformungsgrad beim Kaltwalzen betrug also 80%. Die Dickenabnahme pro Stich betrug jeweils 10%.
Diese kaltgewalzten Bandabschnitte wurden wiederum jeweils in mehrere
Probenabschnitte aufgeteilt. An einigen dieser Probenabschnitte wurde dann - mit verschiedenen Rückglühtemperaturen und verschiedenen Rückglühdauern - jeweils eine Rückglühung durchgeführt.
Die Verfahrensparameter der durchgeführten Versuchsreihen sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben:
Figure imgf000022_0001
Tabelle 2
Mit den jeweiligen Auslagerungsparametern entsprechen die Versuchsreihen Bl-4 dem unteralterten Zustand, die Versuchsreichen Cl-4 dem Zustand T6 und die
Versuchsreichen Dl-4 dem Zustand T7 (überaltert), wobei sich diese Bezeichnungen (unteraltert, T6, T7) auf die ausgelagerten Gießbänder beziehen. Bei den Versuchsreihen B2-4, C2-4 und D2-4 wurden jeweils die Rückglühdauern zwischen 30 Minuten und 16 Stunden variiert. Als Vergleichsbeispiele wurden weitere Bandabschnitte des mit der in Tabelle 1 aufgeführten Aluminiumlegierung im Doppelwalzenguss mit einer Dicke von 5 mm gegossenen Aluminiumbands verarbeitet Anders als bei den zuvor beschriebenen Versuchen wurden diese Vergleichs-Bandabschnitte jedoch nicht warmausgelagert sondern ohne Auslagerung unmittelbar auf die Enddicke von 1 mm kaltgewalzt, und zwar wiederum in mehreren Stichen und ohne Zwischenglühen.
Anschließend wurden diese Vergleichs-Bandabschnitte [analog zum Verfahren aus Fig. 1) bei 530 °C und einer Haltezeit von 15 Minuten in einem Sandbadofen, der einen Durchlaufofen auf Laborebene simuliert, lösungsgeglüht und anschließend mit Wasser abgeschreckt. Die auf diese Weise hergestellten Produkte wurde jeweils in mehrere Vergleichsprobenabschnitte zerteilt, von denen einige anschließend bei 205 °C mit einer Haltezeit von 45 Minuten (Zustand T6) und andere bei 205 °C mit einer
Haltezeit von 8 Stunden (Zustand T7) warmausgelagert wurden. Die nachfolgende Tabelle 3 gibt die einzelnen Verfahrensparameter der Vergleichsbeispiele an:
Figure imgf000023_0001
Tabelle 3
An den einzelnen Proben der Versuchsreihen B1-D4 und der Vergleichsbeispiele Al und A2 wurde jeweils die elektrische Leitfähigkeit mit dem Wirbelstromverfahren nach DIN EN 2004-1 1993-09 gemessen. Zur Beurteilung der mechanischen
Eigenschaften wurde zudem die Vickershärte gemäß DIN EN ISO 6507-1:2006-03 bestimmt Weiterhin wurden an einigen Proben Zugversuche durchgeführt und die Zugfestigkeit Rm, die Dehngrenze Rp0,2 und die Bruchdehnung Asomm gemäß DIN EN ISO 6892-1:2017-02 bestimmt.
Die (Vickers)Härte eines Materials ist mit dessen Festigkeit korreliert. Durch die Bestimmung der Vickershärte kann damit auf einfache Weise auch auf die Festigkeit rückgeschlossen werden. Grundsätzlich kann hier davon ausgegangen werden, dass eine höhere Vickershärte auch mit einer höheren Festigkeit (Rm bzw. Rp0,2) einhergeht und umgekehrt.
Figur 4 zeigt die Messergebnisse der elektrischen Leitfähigkeits-Messung sowie der Vickershärte-Messung für die Versuchsreihen Cl-4. Figur 5 zeigt die Messergebnisse der elektrischen Leitfähigkeits-Messung sowie der Vickershärte-Messung für die Versuchsreihen Dl-4. Auf der horizontalen Abszissenachse sind die jeweiligen
Rückglühdauern in Stunden, auf der linken Ordinatenachse die elektrische
Leitfähigkeit in MS/m (Mega-Siemens pro Meter) und auf der rechten Ordinatenachse die Vickershärte HV (einheitslose Größe) aufgetragen. Die Ergebnisse bei„0 h" entsprechen den Versuchen CI bzw. Dl, d.h. den Versuchen ohne Rückglühung. Die Ergebnisse der einzelnen Versuchsreihen C2, C3, C4 bzw. D2, D3, D4 sind in den Figuren 4 und 5 durch Kurven miteinander verbunden, die der besseren
Zuordenbarkeit dienen. Weiterhin sind in den Figuren 4 und 5 auch die bei den Vergleichsproben Al und A2 erzielten Werte für die elektrische Leitfähigkeit (Pfeile links) sowie für die Vickershärte (Pfeile rechts) aufgetragen.
Figur 6 zeigt die Ergebnisse der Zugversuche, und zwar von links nach rechts zunächst von den Proben der Versuche Bl, CI und Dl (d.h. im Zustand wie gewalzt („as rolled") ohne Rückglühung) und rechts daneben von den Proben der Vergleichsversuche Al und A2. Dargestellt sind als Balken jeweils die Zugfestigkeit Rm Qeweils rechter Balken) und die Dehngrenze Rp0,2 Qeweils linker Balken) mit der zugehörigen Achse auf der linken Seite (in MPa) sowie die Bruchdehnung Asomm als durch Linien verbundene Punktemit der zugehörigen Achse auf der rechten Seite (in %). Über den Balken sind zudem die zugehörigen Ergebnisse der elektrischen Leitfähigkeits- Messung angegeben.
Figur 7 zeigt ebenfalls Ergebnisse der Zugversuche, und zwar von Proben der
Versuchsreihen B3, C3, D3 sowie B4, C4, D4. Das Diagramm zeigt von links nach rechts die Ergebnisse der Proben von B3, C3 und D3 bei einer Rückglühdauer von 5 h bei 185°C, dann die Ergebnisse der Proben von B3, C3 und D3 bei einer Rückglühdauer von 8 h bei 185°C und schließlich die Ergebnisse der Proben von B4, C4 und C4 bei einer Rückglühdauer von 8 h bei 205°C. Die Ergebnisse für Rm, Rpo,2 und Asomm sind wie bei Figur 6 aufgetragen. Für die Proben von B3, C3 und D3 bei einer
Rückglühdauer von 8 h sind zudem die Ergebnisse der elektrischen Leitfähigkeits- Messung angegeben.
Aus den Figuren 4 und 5 ist ersichtlich, dass die Rückglühbehandlung zu einer Reduzierung der Härte (bzw. Festigkeit) bei gleichzeitiger Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit führt. Es ist weiterhin ersichtlich, dass die größte Änderung innerhalb der ersten 2 Stunden eintritt, während sich die elektrische Leitfähigkeit und die Härte danach nur noch in geringem Maße ändern.
Durch die geeignete Einstellung der Rückglühtemperatur und der Rückglühdauer können damit die gewünschten Verhältnisse zwischen elektrischer Leitfähigkeit und Härte bzw. Festigkeit eingestellt werden. Die in den Figuren 4 und 5 ebenfalls eingetragenen Ergebnisse der Vergleichsversuche Al und A2 zeigen, dass durch die Kombination des kontinuierlichen Gießprozesses mit dem Warmauslagern vor dem Kaltwalzen gemäß dem hier beschriebenen Verfahren bessere elektrische
Leitfähigkeiten erreicht werden können als mit dem Vergleichsverfahren, bei dem keine Warmauslagerung vor dem Kaltwalzen erfolgt (Vergleichsbeispiele Al, A2).
Wie zudem die Ergebnisse in den Figuren 6 und 7 zeigen, können mit dem hier beschriebenen Verfahren bessere Verhältnisse von elektrischer Leitfähigkeit und Festigkeit erreicht werden als mit den Vergleichsversuchen Al und A2. Die DIN 40501-2 definiert für Aluminiumprodukte in Elektroanwendungen der Legierung EN AW-6101B folgende Mindestwerte für die Festigkeit und elektrische Leitfähigkeit:
Figure imgf000026_0001
Tabelle 4
Der Vergleich dieser Vorgaben mit den Ergebnissen in Figur 6 zeigt, dass mit dem hier beschriebenen Verfahren in den Versuchsreihen C und D selbst ohne Rückglühung sogar bereits bessere elektrische Leitfähigkeiten erreicht werden können, als durch die Norm im Zustand T7 gefordert wird, und dies bei erheblich höherer Festigkeit (Rm, Rp0,2) als durch die Norm gefordert.
Wie aus Figur 7 ersichtlich, lässt sich die Leitfähigkeit durch eine Rückglühung bei immer noch hoher Festigkeit noch weiter verbessern.
Die Versuche zeigen insbesondere, dass sich mit dem beschriebenen Verfahren Aluminiumlegierungsbänder bzw. daraus hergestellte Produkte hersteilen lassen, deren Festigkeit im Bereich Rp0,2 > 170 MPa, insbesondere > 180 MPa, und deren elektrische Leitfähigkeit im Bereich > 30,5 MS/m liegt. Insbesondere das erreichbare Produkt aus Rp0,2 und elektrischer Leitfähigkeit von über 6000 MPa MS/m liegt deutlich oberhalb der Anforderungen gemäß DIN40501-2 für Legierungen vom Typ 6101B. Exemplarisch sind die genauen Werte einiger Versuche (Bl, CI, Dl sowie B3, C3, D3, letztere jeweils mit 8h Rückglühdauer) aus den Figuren 4 - 7 noch einmal in der nachfolgenden Tabelle 5 aufgeführt und den Werten der DIN40501-2
gegenübergestellt:
Figure imgf000027_0001
Tabelle 5
Zusammengefasst ermöglicht das hier beschriebene Verfahren damit die Herstellung von Aluminiumbändern bzw. daraus erzeugten Produkten mit hoher elektrischer Leitfähigkeit und hoher Festigkeit. Dies wird zudem bei einem gegenüber den bisherigen Verfahren (vgl. Fig. 1 und 2) deutlich verkürzten Herstellungsprozess erreicht, der insbesondere ohne aufwändige Lösungsglühung auskommt. Damit lassen sich für Elektroanwendungen geeignete Aluminiumbänder in kürzerer Zeit und wirtschaftlicher hersteilen.
Aluminiumprodukte, die aus einem mit kontinuierlichem Gießen hergestellten Aluminiumband produziert wurden, lassen sich durch die bei diesen
Aluminiumprodukten vorhandenen Mittenseigerungen von solchen
Aluminiumprodukten unterscheiden, die aus einem mit diskontinuierlichem Gießen (insb. Barrenguss) hergestellten Aluminiumband produziert wurden. Die
Mittenseigerungen entstehen beim schnellen Abkühlen des im kontinuierlichen Gießverfahren gegossenen Aluminiumbands von außen nach innen und bleiben auch bei der nachfolgenden Prozessierung (Auslagerung, Kaltwalzen etc.) erhalten. Bei diskontinuierlichen Gießverfahren (insb. Barrenguss) treten derartige
Mittenseigerungen nicht auf. Figur 8 zeigt exemplarisch ein Dicken-Schliffbild eines Probenabschnitts aus der Versuchsreihe Bl. Für das Schliffbild wurde aus dem Probenabschnitt ein Blechstück ausgeschnitten und an einer Seitenkante geschliffen. Die geschliffene Seitenkante wurde dann fotografiert; Fig. 8 zeigt einen Ausschnitt dieser Fotografie. Die Position dieses Ausschnitts an der Seitenkante des für das Schliffbild verwendeten Blechstücks ist in Fig. 8 schematisch angedeutet. Wie dargestellt deckt der gezeigte Ausschnitt nicht die gesamte Dicke der Seitenkante ab sondern zeigt einen mittigen Ausschnitt, in dem die Mittenseigerungen auftreten. In dem Dicken-Schliffbild ist in der Mitte ein dunkler Streifen zu erkennen. Hierbei handelt es sich um die beim kontinuierlichen Gießverfahren in der Blechmitte (in Bezug auf die Blechdicke) entstandenen Mittenseigerungen. Die Bereiche darüber und darunter (d.h. die näher an der Ober- bzw. Unterseite liegenden Bereiche) erscheinen demgegenüber hell, da in diesen Bereichen die blanke Aluminiumoberfläche ohne bzw. mit nur minimalen Seigerungen sichtbar ist.
Im Rahmen der Erfindung wurden weitere Versuche durchgeführt, um die
Eigenschaften von mit dem Verfahren aus Fig. 3 hergestellten Aluminiumbändern zu untersuchen. Diese werden im Folgenden erläutert. lm Doppelwalzenguss wurden drei Aluminiumbänder Wl, W2 und W3 mit einer Dicke von je 5.0 mm gegossen. Die Zusammensetzungen der Aluminiumbänder Wl, W2 und W3 sind in der nachfolgenden Tabelle 6 angegeben (alle Angaben in Gew.-%):
Figure imgf000028_0001
Tabelle 6 Die beiden Aluminiumbänder W1 und W2 wurden dann jeweils einer Warmauslagerung mit 8 h Haltezeit unterzogen, und zwar im Fall von Band W1 bei 185 °C und im Fall von Band W2 bei 205 °C. Nach der Warmauslagerung wurden die beiden Aluminiumbänder über mehrere Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend einem ersten Kaltwalzen in mehreren Stichen ohne Zwischenglühen auf eine Dicke von 1,0 mm unterzogen. Der Gesamtabwalzgrad beim ersten Kaltwalzen betrug also 80%. Die Dickenabnahme pro Stich betrug jeweils 33%.
Vor dem ersten Kaltwalzen und bei verschiedenen Zwischendicken wurden den Aluminiumbändern W1 und W2 einige Probenabschnitte entnommen. Weitere Probenabschnitte (vom Anfang, aus der Mitte und vom Ende des Bands bezogen auf die Walzrichtung) wurden den Bändern nach Erreichen der Dicke von 1,0 mm entnommen.
Einige dieser Probenabschnitte von 1,0 mm Dicke wurden in einem zweiten
Kaltwalzen in mehreren Stichen ohne Zwischenglühen auf eine Enddicke von 0,5 mm bzw. 0,3 mm weiter abgewalzt.
Von den Probenabschnitten in 1 mm, 0,5 mm und 0,3 mm Dicke wurden einige einer Rückglühung mit 5 h Haltezeit bei einer Temperatur von 185°C bzw. 205°C
unterzogen. Die Abkühlung nach dem Rückglühen erfolgte mit einer Abkühlrate von 30 °C/h.
Von dem Band W3 wurde ein Bandabschnitt für 8 h bei 185°C warmausgelagert und über mehrere Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt. Ein weiterer Bandabschnitt des Bands W3 wurde nicht warmausgelagert. Am den Bandabschnitten des Bands W3 erfolgte weder ein Kaltwalzen noch eine Rückglühung.
Die Herstellungsparameter für die einzelnen Versuchsreihen sind in der folgenden Tabelle 7 angegeben:
Figure imgf000030_0001
Tabelle 7 An verschiedenen Probenabschnitten der Versuchsreihen mit 1 mm Enddicke (W1.5, W1.8 und Wl.ll sowie W2.5, W2.8 und W2.ll) wurden Brinellhärte-Messungen nach EN ISO 6506-1 2015-2 und Leitfähigkeitsmessungen mit dem Wirbelstromverfahren nach DIN EN 2004-1 1993-09 durchgeführt, und zwar für Probenabschnitte vom Bandanfang, der Bandmitte und vom Bandende, bezogen auf die Walzrichtung, sowie jeweils an verschiedenen Positionen über die Bandbreite (d.h. quer zur Walzrichtung).
Figur 9 zeigt die Ergebnisse dieser Messungen für die Versuchsreihe W2.5 (ohne Rückglühung); Figur 10 zeigt die Ergebnisse dieser Messungen für die Versuchsreihe W2.ll (nach Rückglühung bei 205 °C). Die Abszissenachse zeigt die Messposition über die Bandbreite, d.h. die Messposition auf dem Band quer zur Walzrichtung. Die linke Ordinatenachse zeigt die Brinellhärte HBW 2.5/31.25 und die rechte Ordinatenachse die Leitfähigkeit in MS/m. Die jeweiligen Messpunkte für die Brinellhärte sind mit durchgezogenen Linien verbunden; die jeweiligen Messpunkte für die elektrische Leitfähigkeit sind mit gestrichelten Linien verbunden. Die jeweilige Messposition in Walzrichtung (Bandanfang, Bandmitte, Bandende) ist jeweils durch ein
entsprechendes Symbol (gefüllter Punkt, gefülltes Dreieck, gefüllte Raute)
gekennzeichnet.
Die Messungen in Figur 9 zeigen eine sehr gleichmäßige Härte und Leitfähigkeit, sowohl über die Breite (Abszissenachse) als auch über die Länge des Bands
(Messungen am Bandanfang, in der Bandmitte und am Bandende). Diese
Gleichmäßigkeit sowie die Leitfähigkeit werden durch die Rückglühung noch einmal erhöht, wie die Messungen in Figur 10 zeigen. Die Messergebnisse für die
Versuchsreihen an den Probenabschnitten aus dem Band W1 sind vergleichbar.
Es wird vermutet, dass die hohe Gleichmäßigkeit der Härte und der Leitfähigkeit durch die gewählte Legierungszusammensetzung zusammen mit der
Produktionsweise (Bandguss, Warmauslagerung, Kaltwalzen, Rückglühung) erreicht wird. Die Legierungszusammensetzung führt zu einer geringen Abschreckempfindlichkeit, so dass die Abschreckzeit nach dem Bandgießen weniger genau eingestellt werden muss und das Band auch bei langsamerer Abkühlung die erforderliche Aushärtung erreicht Dies vereinfacht den Produktionsprozess.
An verschiedenen Probenabschnitten der einzelnen Versuchsreihen wurden zudem Zugversuche nach DIN EN ISO 6892-1:2017-02 durchgeführt, um die Zugfestigkeit Rm, die Dehngrenze Rpo,2 und die Bruchdehnung Asomm zu bestimmen. Die Zugrichtung war jeweils parallel zur Walzrichtung. Figur 11 zeigt die Ergebnisse der Messungen für die Versuchsreihen W2.3 und W2.5 - W2.13. Die linke Ordinatenachse gibt die Zugfestigkeit Rm und die Dehngrenze Rp0,2 in MPa und die rechte Ordinatenachse die Bruchdehnung Aso in % an.
Die Ergebnisse in Fig. 11 zeigen, dass nach der Rückglühung über einen großen Dickenbereich (0,3 - 2,3 mm) vergleichbare mechanische Eigenschaften erreicht werden. Dies ist vorteilhaft für die weitere Verarbeitung von Aluminiumbändern bzw. -blechen zu Produkten, insbesondere wenn Aluminiumbleche unterschiedlicher Dicke verwendet werden oder dickenändernde Umformschritte durchgeführt werden, insbesondere Kaltumformschritte.
Für die Versuchsreihen W1.3 und W1.5 - W1.13 wurden vergleichbare Werte erzielt wie in Figur 11 dargestellt, allerdings mit etwas geringeren Festigkeiten und dafür höherer Bruchdehnung. Dies ist auf die geringere Warmauslagerungstemperatur beim Band W1 zurückzuführen.
Weiterhin wurden an den entsprechenden Probenabschnitten (außer an Dicke 0,3 mm) Leitfähigkeitsmessungen mit dem Wirbelstromverfahren nach DIN EN 2004-1 1993-09 durchgeführt, deren Ergebnisse in der folgenden Tabelle 8 angegeben sind:
Figure imgf000033_0001
Tabelle 8
In Figur 12 sind zudem die Ergebnisse der Messungen der Dehngrenze Rpo,2, der Brinellhärte HBW2.5/31.25, der Bruchdehnung Aso und der Leitfähigkeit in MS/m sowie in %IACS für die Versuchsreihen Wl.l - W1.7 (ohne Rückglühung) dargestellt. Auf der Abszissenachse ist die Dicke der jeweiligen Probenabschnitte aufgetragen; auf der linke Ordinatenachse ist die Dehngrenze Rp0 2 in MPa und auf der rechten
Ordinatenachse die Brinellhärte HBW2.5/31.25, die Bruchdehnung Aso in % und die Leitfähigkeit in MS/m bzw. %IACS aufgetragen.
Es zeigt sich, dass mit dem beschriebenen Verfahren Aluminiumbänder mit annähernd gleicher Leitfähigkeit über einen großen Dickenbereich hergestellt werden können. Dies erlaubt einen hohen Abwalzgrad von mindestens 50 % beim Kaltwalzen, um eine hohe Festigkeit des Aluminiumbands zu erreichen, ohne die Leitfähigkeit zu reduzieren.
Weiterhin wurde das Grenzziehverhältnis (= maximal tiefziehbarer
Rondendurchmesser geteilt durch Stempeldurchmesser) im Näpfchenziehversuch nach DIN EN 1669 unter schrittweiser Erhöhung des Rondendurchmessers bis zum Versagen im Ziehversuch bestimmt. Hierbei konnte ein Grenzziehverhältnis von 2,1 ohne Rissbildung erreicht werden.
Weiterhin wurden an den entsprechenden Probenabschnitten der Versuchsreihen W1.5, W1.8 und Wl.ll Warmzugversuche bei 80 °C sowie 115 °C durchgeführt. Zu diesem Zweck wurden in einem Ofen einige Zugproben dieser Probenabschnitte auf 80 °C bzw. 115 °C erwärmt und bei diesen Temperaturen in dem Ofen Zugversuche nach DIN EN ISO 6892-1:2017-02 durchgeführt, wobei die Dehngrenze Rp0,2, die Zugfestigkeit Rm und die Bruchdehnung Asomm gemessen wurden. Die Ergebnisse der Warmzugversuche sind in Figur 13 dargestellt, wobei auf der Abszissenachse die zugehörige Versuchsreihe entsprechend Tabelle 7 angegeben ist und auf der linken Ordinatenachse die Dehngrenze Rpo,2 und die Zugfestigkeit Rm in MPa und auf der rechten Ordinatenachse die Bruchdehnung Aso in % aufgetragen sind. Die Warmzugversuche wurden bei den Proben der drei Säulengruppen links bei 80 °C und bei den drei Säulengruppen rechts bei 115 °C durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass die Proben auch bei den erhöhten Temperaturen noch gute mechanische Eigenschaften zeigen. Insbesondere wurden bei den Warmzugversuchen bei 80 °C Dehngrenzen Rpo,2 von mehr als 160 MPa und bei den Warmzugversuchen bei 115 °C Dehngrenzen Rp0,2 von mehr als 140 MPa erreicht Damit sind die mit den hier beschriebenen Verfahren hergestellten Aluminiumbänder und daraus hergestellte Produkte auch für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen geeignet.
Damit eignen sich die Aluminiumbänder und Produkte insbesondere für
Aluminiumleiteranwendungen. Ein stromführender Leiter erwärmt sich im Einsatz insbesondere aufgrund seines spezifischen Widerstands, wobei abhängig vom
Leiterquerschnitt und der Stromstärke unter Umständen Temperaturen von mehr als 50 °C oder auch mehr als 80 °C, in bestimmten Fällen sogar mehr als 100 °C erreicht werden können. Die guten mechanischen Eigenschaften des untersuchten
Aluminiumbands auch bei hohen Temperaturen bewirken, dass ein aus einem solchen Aluminiumband hergestellter Aluminiumleiter auch noch bei solchen Temperaturen die geforderten mechanischen Eigenschaften erfüllt.
Es wurden weitere Versuche durchgeführt, um den Einfluss der Warmauslagerung zwischen dem kontinuierlichen Gießen und dem Kaltwalzen zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden an Probenabschnitten des Bands W3 nach dem
kontinuierlichen Gießen (W3.1) und nach dem Warmauslagern (W3.2) Zugversuche nach DIN EN ISO 6892-1:2017-02, Brinellhärte-Messungen nach EN ISO 6506-1 2015- 2 und Leitfähigkeitsmessungen mit dem Wirbelstromverfahren nach DIN EN 2004-1 1993-09 durchgeführt. Die Messergebnisse sind in Figur 14 dargestellt, wobei die sechs Säulengruppen von links nach rechts die Dehngrenze Rpo,2 in MPa, die Zugfestigkeit Rm in MPa, die
Bruchdehnung A50 in %, die Brinellhärte HBW 2.5/31.25 sowie die Leitfähigkeit in MS/m sowie in %lACS angeben. Die Werte sind in ihren jeweiligen Einheiten auf der linken Ordinatenachse aufgetragen. Die linke Säule jeder Säulengruppe zeigt die Ergebnisse für die Proben W3.1 nach dem kontinuierlichen Gießen (ohne
Warmauslagerung) und die rechte Säule jeder Säulengruppe zeigt die Ergebnisse für die Proben W3.2 nach der Warmauslagerung.
Wie die Messergebnisse in Fig. 14 zeigen, führt die Warmauslagerung zu einem Anstieg der Festigkeit (RPo,2 und Rm), zur Reduzierung der Bruchdehnung (Asomm) und einer Erhöhung der Leitfähigkeit. Dies zeigt, dass bei der Warmauslagerung des kontinuierlich gegossenen Aluminiumbands eine Gefügeveränderung erreicht wird, für die bei dem bisher verwendeten Barrenguss bisher eine Lösungsglühung erforderlich war. Damit ist nachgewiesen, dass das gesonderte Schritt des
Lösungsglühens durch den Einsatz eines kontinuierlichen Gießverfahrens entbehrlich wird, da eine geeignete warmauslagerungsfähige Gefügestruktur des Aluminiumbands bereits durch das kontinuierliche Gießen erreicht wird. Auf ein aufwändiges und kostenintensives Lösungsglühen vor der Warmauslagerung kann daher verzichtet werden.
Figur 15 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel des vorliegend beschriebenen Verfahrens zur Herstellung eines Aluminiumbands mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung. Analog zu Figur 3 sind die einzelnen Verfahrensschritte schematisch von links nach rechts dargestellt. Das darunter abgebildete Temperatur-Zeit-Diagramm illustriert qualitativ und schematisch die jeweilige Materialtemperaturen bei den einzelnen
Verfahrensschritten. Bei dem Verfahren 100 erfolgt im ersten Verfahrensschritt 102 ein kontinuierlicher Gießprozess, vorzugsweise ein Doppelwalzengießen 102. Bei dem
Doppelwalzengießen wird eine Schmelze 104 aus einer Aluminiumlegierung in den Walzenspalt 106 zweier rotierender Gießwalzen 108, 110 gegeben, so dass die Aluminiumschmelze 104 erstarrt und ein kontinuierliches Aluminiumband 112 bildet. Der Walzenspalt 106 ist vorzugsweise so eingestellt, dass die Dicke des
Aluminiumbands 112 im Bereich 3 bis 12 mm liegt.
Die Schmelze 104 besteht aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung und weist vorzugsweise folgende Zusammensetzungen in Gew.-% auf:
0,3 Gew.-% < Si < 0,6 Gew.-%,
0,35 Gew.-% < Mg < 0,6 Gew.-%,
0,1 Gew.-% < Fe < 0,3 Gew.-%,
Mn < 0,1 Gew.-%,
Zn < 0,1 Gew.-%,
Cu £ 0,5 Gew.-%,
Zr < 0,03 Gew.-%,
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,03 Gew.-%, insgesamt bis maximal 0,10 Gew.-%,
Rest Aluminium.
Die beiden Gießwalzen 108, 110 werden vorzugsweise so gekühlt, so dass die
Temperatur des Aluminiumbands 112, gemessen an der Bandoberfläche, am Ort 114 des Austritts aus dem Walzenspalt 106 eine Temperatur im Bereich von 450 bis 300 °C aufweist. Weiterhin wird das Aluminiumband 112 vorzugsweise unmittelbar nach dem Austritt aus dem Walzenspalt 106 weiter gekühlt auf eine Temperatur, gemessen an der Bandoberfläche, von unter 200 °C. Zu diesem Zweck kann eine Kühleinrichtung 116 hinter dem Walzenspalt angeordnet sein, durch die das Aluminiumband 112 beispielsweise mit einem kühlenden Luftstrom beaufschlagt werden kann. Durch die hinreichend schnelle Abkühlung des Aluminiumbands 112 wird ein übersättigtes Mischkristallgefüge erreicht. Nach dem Kühlen wird das Aluminiumband 112 zu einem Coil 118 aufgewickelt.
Im nächsten Verfahrensschritt 120 wird das Aluminiumband 112 in einem primären Kaltwalzen auf einem Kaltwalzgerüst 122 in einem Kaltwalzstich und mit einem Abwalzgrad von weniger als 20% auf eine Zwischendicke gewalzt und wieder zu einem Coil 124 aufgewickelt.
Anschließend wird das Coils 124 im nächsten Verfahrensschritt 126 in einem
Warmauslagerungsofen 128 warmausgelagert, und zwar vorzugsweise bei einer Warmauslagerungstemperatur im Bereich von 100 °C bis 210 °C, vorzugsweise 170 °C bis 190 °C, und für eine Warmauslagerungsdauer (bei der
Warmauslagerungstemperatur) im Bereich von 30 Minuten bis 10 Stunden. Das Warmauslagern führt zu einer Ausscheidungsverfestigung des Aluminiumbands 112.
Nach dem Warmauslagern wird das Aluminiumband 112 im nächsten
Verfahrensschritt 130 in einem sekundären Kaltwalzen auf einem Kaltwalzgerüst 132 auf Enddicke kaltgewalzt. Das Kaltwalzen erfolgt in mehreren Stichen ohne
Zwischenglühen. Bei dem Kaltwalzgerüst 122 und dem Kaltwalzgerüst 132 kann es sich um dasselbe Kaltwalzgerüst oder um verschiedene Kaltwalzgerüste handeln.
Der Gesamtabwalzgrad beträgt beim primären und sekundären Kaltwalzen
zusammen (d.h. von der Dicke des gegossenen Bands bis zur Enddicke) mehr als 50 %. Vorzugsweise beträgt bereits der Abwalzgrad des sekundären Kaltwalzens allein (d.h. von der Zwischendicke zur Enddicke) mehr als 50%.
Die Enddicke des Aluminiumbands 112 liegt vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 3 mm.
Im nachfolgenden (optionalen) Verfahrensschritt 136 wird das wieder zu einem Coil 138 aufgewickelte Aluminiumband in einem Rückglühofen 140 rückgeglüht. Grundsätzlich können für die Auslagerung in Verfahrensschritt 126 und für die Rückglühung in Verfahrensschritt 136 verschiedene Öfen oder auch ein und derselbe Ofen genutzt werden. Die Rückglühung erfolgt vorzugsweise bei einer
Rückglühtemperatur im Bereich von 160 °C bis 210 °C, insbesondere 180 °C bis 190 °C, und bei einer Rückglühdauer (bei der Rückglühtemperatur] von mindestens 2 Stunden, vorzugsweise 2 bis 5 Stunden. Durch die Rückglühung wird ein Anstieg der elektrischen Leitfähigkeit und der Duktilität bei gleichzeitiger Reduktion der
Festigkeit bewirkt. Auf diese Weise kann das gewünschte Verhältnis von Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit bedarfsgemäß eingestellt werden.
Insgesamt kann mit dem Verfahren 100 in Figur 15 ein Aluminiumband hergestellt werden, das eine gute Festigkeit mit hoher elektrischer Leitfähigkeit vereint.
Gegenüber den Verfahren aus Figur 1 und 2 kommt das Verfahren 100 in Figur 15 nicht nur mit wesentlich weniger Verfahrensschritten aus, sondern insbesondere auch ohne das energieaufwändige und - aufgrund des hierfür notwendigen Durchlaufofens - investitionsaufwändige Lösungsglühen (Verfahrensschritt 20 in Figur 1 bzw. 2), so dass das Verfahren 100 schneller und wirtschaftlicher durchgeführt werden kann.
Im Rahmen der Erfindung wurden Versuche durchgeführt, um die Eigenschaften von mit dem Verfahren aus Figur 15 hergestellten Aluminiumbändern zu untersuchen. Diese werden im Folgenden erläutert:
Im Doppelwalzenguss wurde ein Aluminiumband W3a mit einer Dicke von 5.0 mm gegossen. Die Zusammensetzung des Aluminiumbands W3a ist identisch zur
Zusammensetzung der ist in der obigen Tabelle 6 angegeben Zusammensetzung W3 (alle Angaben in Gew.-%).
Das Aluminiumband W3a wurde in verschiedene Abschnitte aufgeteilt, die dann jeweils auf unterschiedliche Weise weiterverarbeitet wurden. In einer ersten Gruppe von Versuchen (W3a.l-6) wurden Abschnitte des Bands W3a entsprechend dem Verfahren aus Fig. 3 zunächst einer Warmauslagerung mit 8 h Haltezeit unterzogen, und zwar bei Temperaturen von 160 °C, 175 °C bzw. 185 °C. Nach der Warmauslagerung wurden die Abschnitte über mehrere Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend einem Kaltwalzen in mehreren Stichen ohne Zwischenglühen auf eine Dicke von 2,0 mm bzw. 1,0 mm unterzogen. Der Gesamtabwalzgrad beim Kaltwalzen betrug also 60% bzw. 80%. Eine Rückglühung wurde nicht durchgeführt.
In einer zweiten Gruppe von Versuchen (W3a.7-12) wurden weitere Abschnitte des Bands W3a entsprechend dem Verfahren aus Fig. 15 zunächst einem primären Kaltwalzen unterzogen, bei dem die Abschnitte in einem Stich auf eine Dicke von 4,4 mm gewalzt wurden. Der Abwalzgrad bei diesem primären Kaltwalzen betrug demnach 12%. Anschließend wurden die Abschnitte einer Warmauslagerung mit 8 h Haltezeit unterzogen, und zwar bei Temperaturen von 160 °C, 175 °C bzw. 185 °C, und nach der Warmauslagerung über mehrere Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt. Anschließend wurden die Abschnitte einem sekundären Kaltwalzen in mehreren Stichen und ohne Zwischenglühen auf eine Dicke von 2,0 mm bzw. 1,0 mm
unterzogen. Der Abwalzgrad beim sekundären Kaltwalzen betrug demnach 55% bzw. 77%. Der Gesamtabwalzgrad von primärem und sekundärem Kaltwalzen zusammen betrug 60% bzw. 80%. Eine Rückglühung wurde nicht durchgeführt.
In einer dritten Gruppe von Versuchen (W3a.l3-16) wurden weitere Abschnitte des Bands W3a entsprechend dem Verfahren aus Fig. 15 zunächst einem primären Kaltwalzen unterzogen, bei dem die Abschnitte in jeweils einem Stich auf
verschiedene Dicken (4,75 mm, 4,5 mm, 4,25 mm bzw. 3,5 mm) gewalzt wurden. Die Abwalzgrade betrugen bei dem primären Kaltwalzen demnach 5%, 10%, 15% bzw. 30%. Anschließend wurden die Abschnitte einer Warmauslagerung mit 8 h Haltezeit bei 160 °C unterzogen und nach der Warmauslagerung über mehrere Stunden auf Raumtemperatur abgekühlt. Anschließend wurden die Abschnitte einem sekundären Kaltwalzen in mehreren Stichen und ohne Zwischenglühen auf eine Dicke von 1,0 mm unterzogen. Der Abwalzgrad beim sekundären Kaltwalzen betrug demnach 79%, 78%, 76% bzw. 71%. Der Gesamtabwalzgrad von primärem und sekundärem Kaltwalzen zusammen betrug 80%. Eine Rückglühung wurde nicht durchgeführt. Die Herstellungsparameter für die einzelnen Versuchsreihen sind in der folgenden Tabelle 9 angegeben:
Figure imgf000040_0001
Tabelle 9
Die Versuchsreihen W3a.l-6 entsprechen dem Verfahren aus Fig. 3; die
Versuchsreihen W3a.7-15 entsprechen dem Verfahren aus Fig. 15. An verschiedenen Probenabschnitten der einzelnen Versuchsreihen wurden
Brinellhärte-Messungen nach EN ISO 6506-1 2015-2 und Leitfähigkeitsmessungen mit dem Wirbelstromverfahren nach DIN EN 2004-1 1993-09 durchgeführt.
Figur 16 zeigt die Ergebnisse dieser Messungen für die Versuchsreihen W3a.l-12. Auf der Abszissenachse ist die elektrische Leitfähigkeit in MS/m und auf der
Ordinatenachse die Brinellhärte HBW2.5/31.25 aufgetragen. Jeder Datenpunkt zeigt die Messergebnisse, die für einen gemäß einer der Versuchsreihen W3a.l-12 verarbeiteten Bandabschnitt gemessen wurden. Zur besseren Übersicht sind die Datenpunkte zu den gemäß Fig. 3 verarbeiteten Bandabschnitten mit einer
punktierten Linie (für Enddicke 1mm) bzw. mit einer strichpunktierten Linie (für Enddicke 2mm) und die Datenpunkte zu den gemäß Fig. 15 verarbeiteten
Bandabschnitten mit einer durchgezogenen Linie (für Enddicke 1mm) bzw. mit einer gestrichelten Linie (für Enddicke 2mm) verbunden.
Wie die Ergebnisse in Fig. 16 zeigen, wurden durchgehend gute Härten bzw.
Festigkeiten in Kombination mit guter elektrischer Leitfähigkeit erreicht. In allen Fällen steigt die Leitfähigkeit mit zunehmender Warmauslagerungstemperatur an, typischerweise auf Kosten der Härte/Festigkeit.
Weiterhin zeigen die Ergebnisse in Fig. 16, dass mit dem Verfahren gemäß Fig. 15 sogar durchgehend bessere Ergebnisse hinsichtlich Härte/Festigkeit und elektrischer Leitfähigkeit erzielt wurden als mit dem Verfahren gemäß Fig. 3 bei entsprechender Enddicke. Die zum Verfahren gemäß Fig. 15 gehörigen Linien (durchgezogen, gestrichelt) sind gegenüber den zum Verfahren gemäß Fig. 3 gehörigen Linien
(punktiert, strichpunktiert) entsprechend nach rechts oben, d.h. zu höheren Brinell- Härten und höheren Leitfähigkeiten verschoben (s. Pfeile in Fig. 16).
Damit können die mit dem Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung erzielten, bereits guten Ergebnisse durch das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung noch übertroffen werden. Für die verschiedenen Proben der Versuchsreihen W3a.l3-16, die sich nur durch die jeweiligen Abwalzgrade des primären und sekundären Kaltwalzens unterschieden, ergaben sich im Wesentlichen gleiche Brinellhärte-Werte von ca. 78 HB 2,5/31,25 und im Wesentlichen gleiche, zu geringeren sekundären Abwalzgraden leicht ansteigende Leitfähigkeiten (31,6 MS/m für W3a.l3 bis 32,0 MS/m für W3a.l6).
Weiterhin wurden an den Proben der Versuchsreihen W3a.l3-16 Zugversuche durchgeführt Diese ergaben im Wesentlichen gleiche Werte für die Bruchdehnung A50mm von ca. 5,8% sowie im Wesentlichen gleiche, zu geringeren sekundären
Abwalzgraden leicht abfallende Werte für die Zugfestigkeit Rm (268 MPa für W3a.l3 bis 259 für W3a.l6) und die Dehngrenze Rp0,2 (274 MPa für W3a.l3 bis 266 MPa für W3a.l6). Damit werden die vorteilhaften Eigenschaften in dem untersuchten Bereich für den primären und sekundären Abwalzgrad durchgehend erreicht, wobei sich das
Verhältnis von Leitfähigkeit und Festigkeit durch Wahl eines geeigneten primären bzw. sekundären Abwalzgrads feinjustieren lässt (geringerer sekundärer Abwalzgrad für höhere Leitfähigkeit, höherer sekundärer Abwalzgrad für höhere Festigkeit).
SE/fu 180414WO 24. Juni 2019

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands (62) mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit,
bei dem eine Schmelze (54) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung durch einen kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere durch Doppelwalzengießen, zu einem Aluminiumband (62) urgeformt wird,
bei dem das Aluminiumband (62) durch Kaltwalzen auf Enddicke gewalzt wird und
bei dem das Aluminiumband (62) zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen warmausgelagert wird.
2. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbands (112) mit hoher Festigkeit und hoher elektrischer Leitfähigkeit,
bei dem eine Schmelze (104) aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung durch einen kontinuierlichen Gießprozess, insbesondere durch Doppelwalzengießen, zu einem Aluminiumband (112) urgeformt wird,
bei dem das Aluminiumband (112) in einem primären Kaltwalzen (120) auf eine Zwischendicke gewalzt wird,
bei dem das Aluminiumband (112) in einem sekundären Kaltwalzen (139) auf Enddicke gewalzt wird und
bei dem das Aluminiumband (112) zwischen dem primären Kaltwalzen (120) und dem sekundären Kaltwalzen (130) warmausgelagert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltwalzen nach dem kontinuierlichen
Gießprozess ohne zwischenzeitliches Lösungsglühen erfolgt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass als Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung vom Typ 6xxx verwendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung folgende
Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
0,2 Gew.-% < Si < 1,0 Gew.-%,
0,2 Gew.-% < Mg < 1,0 Gew.-%,
Fe < 0,5 Gew.-%,
Mn < 0,4 Gew.-%,
Zn < 0,1 Gew.-%,
Cu < 0,5 Gew.-%,
Zr < 0,2 Gew.-%,
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,05 Gew.-%, insgesamt bis maximal 0,15 Gew.-%,
Rest Aluminium.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung folgende
Zusammensetzung in Gew.-% aufweist:
0,3 Gew.-% < Si < 0,6 Gew.-%,
0,35 Gew.-% < Mg < 0,6 Gew.-%,
0,1 Gew.-% < Fe < 0,3 Gew.-%,
Mn < 0,1 Gew.-%,
Zn < 0,1 Gew.-%,
Cu < 0,5 Gew.-%,
Zr < 0,03 Gew.-%,
Verunreinigungen jeweils bis maximal 0,03 Gew.-%, insgesamt bis maxim; 0,10 Gew.-%,
Rest Aluminium.
SE/fu 180414WO 24. Juni 2019
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumband (62, 112) unmittelbar nach dem kontinuierlichen Gießprozess auf eine Temperatur, gemessen an der Bandoberfläche, von unter 200 °C abgekühlt wird, insbesondere durch aktives Kühlen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumband (62, 112) zwischen dem kontinuierlichen Gießprozess und dem Kaltwalzen bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C - 210 °C, vorzugsweise 170 °C - 190 °C, und einer Haltezeit im Bereich von 30 Minuten bis 10 Stunden warmausgelagert wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumband (62, 112) nach dem
Kaltwalzen rückgeglüht wird, insbesondere bei einer Glühtemperatur im Bereich von 160 °C - 210 °C, vorzugsweise 180 °C - 190 °C, bei einer Haltezeit von mindestens 2 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 5 Stunden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumband (62, 112) auf eine Enddicke im Bereich von 0,2 - 3 mm kaltgewalzt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtabwalzgrad beim Kaltwalzen über 50% beträgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumband (62, 112) ohne
Zwischenglühen kaltgewalzt wird.
SE/fu 180414WO 24. Juni 2019
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumband (62, 112) mit einer Banddicke im Bereich von 3 - 12 mm urgeformt wird.
14. Aluminiumband (62, 112), herstellbar mit einem Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis 13, oder aus einem solchen Aluminiumband (62, 112) hergestelltes Aluminiumprodukt.
15. Aluminiumband oder Alumäniumprodukt nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumband (62, 112) oder
Aluminiumprodukt eine Festigkeit Rp0,2 > 170 MPa, vorzugsweise > 180 MPa, und eine elektrische Leitfähigkeit > 30,5 MS/m aufweist.
16. Aluminiumband oder Aluminiumprodukt nach Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass das Aluminiumband (62, 112) oder
Aluminiumprodukt ein Grenzziehverhältnis von mindestens 1,9, bestimmt im Näpfchenziehversuch nach DIN EN 1669 unter schrittweiser Erhöhung des Rondendurchmesser bis zum Versagen im Ziehversuch, erreicht.
17. Verwendung des Aluminiumband (62, 112) oder Aluminiumprodukts nach einem der Ansprüche 14 bis 16 für einen elektrischen Leiter, insbesondere für ein Aluminiumkabel.
SE/fu 180414WO 24. Juni 2019
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