DE2353842C2

DE2353842C2 - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumblech

Info

Publication number: DE2353842C2
Application number: DE19732353842
Authority: DE
Inventors: Earl Critton Danville Calif. Beatty; Ralph Clarence Livermore Calif. Dorward; Frank Lee Bountiful Utah Howard; Jacqueline Loveless Spokane Wash. Thompson
Original assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Current assignee: Kaiser Aluminum and Chemical Corp
Priority date: 1973-10-26
Filing date: 1973-10-26
Publication date: 1982-09-30
Also published as: DE2353842A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Aluminiumblech, das bei der Farbanodisatlon In einem anodlslerenden Elektrolyten eine sich von hellgold bis schwarz gefärbte Oxidschicht ermöglicht, auf Alumlnium-Magneslum-Leglerungen.

Es Ist an sich bereits bekannt (US-PS 33 79 580), Produkte aus Aluminium und Alumlnlumlegierungen, wie Bleche, Strangpreßartikel, Gußstöcke und dergleichen, für Architektur- und andere Zwecke einer anodischen Oxydation zur Erzeugung Integrierter Farbüberzüge zu unterwerfen, wodurch sie ein sehr ansprechendes Aussehen erhalten.

Der Elektrolyt besteht aus einer wäßrigen Lösung von Sulfosallcylsäure mit kleinen Mengen von Schwefelsäure und/oder Sulfaten. Später Ist dann gefunden worden, daß zahlreiche Verbindungen, und zwar sowohl organische als auch anorganische, ml: geringen Mengen von Schwefelsäure und/oder Metallsulfaten In wäßrigen Lösungen verwendet werden können, um anodische. Integriert gefärbte Oxydatlonsuberz.üge zu erzeugen. Als Beispiele solcher Verbindungen sind anzuführen Sulfophthalsäure, Sulforesorcln, Llgnosulfonsäure, Oxalsäure, Maleinsäure, Bernsteinsäure und Kombinationen derselben, femer Dlchromate, Molybdate, Wolframate und Vanadate. Es könnten noch viele andere Verbindungen angeführt werden.

s Der hler gebrauchte Ausdruck »Farbanodlsleren« bzw. »Farbeloxleren« soll sich auf das Anodlsierungsverfahren beziehen, das einen gefärbten anodischen Oxydüberzug erzeugt, der durch eine während der Bildung desselben In beträchtlichem Maß ansteigende Widerstandsfähigkeit ίο und durch eine Farbe charakterisiert 1st, die In erster Linie eine Funktion der während des Anodisierens angelegten Badspannung Ist.

Bei den technischen Farbeloxierverfahren wird die gewünschte Färbung normalerweise durch eine Variierung der elektrischen Programmfolge erzielt, die während des Eloxierens angewendet wird, wie z. B. der Stromdichte, der Stromspannung und dergleichen mehr. Die bisher angewendeten elektrischen Programme bestanden aus

(1) einem Zweistufenprogramm, bei dem in der Anfangsstufe mit einer konstanten Stromdichte gearbeitet wird, bis eine vorbestimmte Spitzenspannung erreicht worden Ist, und bei dem in der zweiten Stufe mit konstanter Spannung bei jener Spitzenspannung gearbeitet wird, bis die gewünschte Färbung und Überzugsdicke erreicht ist, und aus
(2) einem EinStufenprogramm, bei dem die Stromdichte auf einem konstanten Wertbereich gehalten wird, bis die gewünschte Färbung und Oxyddicke erreicht Ist. Die Stromdichte bei der Stufe der konstanten Stromdichte kann zwischen etwa 1,1 und 5,4 Amp./dm² und die Spannung zwischen 30 und 75 Volt bei der Stufe der konstanten Spannung betragen. Gelegentlich wird die Badtemperatur von einer normalen 3ä Betriebstemperatur von 25° C erhöht oder gesenkt auf 15° C bzw. 35° C für dunklere bzw. hellere Färbungen.

Schon In der Anfangsphase der Entwicklung des Farbeloxlerprozesses wurde klar erkannt, daß trotz der Tatsaehe, daß das Verfahren ein breites Spektrum von Färbungen auf zahlreichen Alumlnlumlegierungen liefert, die für das Farbeloxleren in technischem Maßstab tatsachlich geeigneten Legierungen ziemlich beschränkt sein würden. Dies war dem Umstand zuzuschreiben, daß viele Aluminiumlegierungen fleckige oder streifige anodisch aufgebrachte Oxydüberzüge liefern, und daß viele Legierungen unter Bildung eines breiten Spektrums von Färbungen nicht anodisch oxydiert werden konnten, ohne die Parameter der anodischen Oxydation, wie Badzusammensetzung, Badtemperatur, Stromdichte, Spannung und dergleichen, recht erheblich zu modifizieren. Die Änderungen der Badzusammensetzung und beträchllche Änderungen der Badtemperaturen sind aber unzweckmäßige und kostspielige Maßnahmen. Ferner Ist es bislang äußerst schwierig gewesen, anodische Oxydüberzüge In einem für Außenarchltekturzwecke, Insbesondere Verkleidungen, technisch brauchbaren Dickenbereich, nämlich einem Bereich von etwa 0,01 bis etwa 0,04 mm, In einem breiten Farbspektrum durch zweckentsprechende Variation von Stromspannung und Stromdichte und mäßige Abwandlungen der Badtemperatur von beispielsweise bis zu 10" C zu entwickeln. Hinsichtlich der Maximaldicke der durch Eloxieren aufgebrachten Oxydüberzüge besteht zwar eine Beschränkung, doch Ist es vom Standpunkt der Wirtschaftlichkeit aus klar, daß mit zunehmender Oxidschichtdicke die Kosten steigen, die zur Erzeugung des Überzuges aufgewendet werden müßten.

Schon frühzeitig wurde festgestellt, daß verschiedene Partien der gleichen Legierung und Charge trotz gleichem Anodtsierungsprogramm Oxydaberzüge lieferten, die farblich nicht übereinstimmten, d. h. die nicht das gleiche Aussehen zeigten, wenn man sie nebeneinander betrachtete. Zwar kann die entwickelte Färbung die gleiche sein, d. h. goldfarben, bernsteinfarben, statuen-bronzefarben oder schwarz, doch können gewisse Unterschiede im Ton bzw. der Nuance der Färbung vorhanden sein, so daß das farbanodlsierte Material ein visuell unterschiedliches Aussehen aufweisen kann und damit technisch unbrauchbar ist.

Nun war es bereits seit längerem erwünscht, zwei oder drei separate Legierungen zur Verfügung zu haben, um das volle Farbspektrum auf den Blechprodukten erzeugen zu können. So wurde die modifizierte Legierung 5005 der AA dazu verwendet, Farbtöne von goldfarben bis dunkelbraun oder statuen-bronzefarben zu erzeugen. Um einen schwarzen anodischen Oxydüberzug zu erhalten, mußte eine andere Legierung, z. B. 5086 der AA verwendet werden.

Der Erfindung liefet die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung bzw. ein solches Aluminiumblech zu schaffen, das In wesentlich verbesserter Weise farbanodlsierbar ist, und zwar mit Farbtönen von hellgoldfarben bis schwarz Innerhalb eines technisch brauchbaren Dickenbereiches von 0,0127 bis 0,0381 mm, allein durch Änderung der Parameter der Farbanodlsation.

Die Aufgabe wird durch die Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Aluminiumblech gelöst, wobei die Barren gegossen, In einem Temperaturbereich von 538 bis 607° C unter Vermeidung von Temperaturschwankungen von menr als ± 16,5° C bei zusammengehörigen Chargen homogenisier., und auf Blechdicke warmgewalzt werden, auf eine Aluminiumlegierung aus

0,05 bis 0,20% Silizium,

0,15 bis 0,40* Eisen,

0,15 bis 0,30% Kupfer,

0,10 bis 0,30% Mangan,

0,6 bis 1,0% Magnesium und

0,04 bis 0,12% Chrom

und Aluminium als Rest mit zulässigen Beimengungen.

Vorzugswelse setzt sich die Legierung zusammen aus

0,08 bis 0,14% Silizium,

0,15 bis 0,25% Elsen,

0,16 bis 0,25% Kupfer,

0,16 bis 0.25% Mangan,

0,70 bis 0,90% Magnesium,

0,04 bis 0,08% Chrom

und Aluminium als Rest mit zulässigen Beimengungen.

Die Summe der Gehalte an Kupfer und Mangan sollte 0,45% nicht überschreiten.

Der Gehalt an zulässigen Beimengungen sollte je 0,05%, Insbesondere 0,03%, und ihre Gesamtmenge 0,15%, vorzugsweise 0,10%, nicht überschreiten. Sofern nichts anderes vermerkt Ist, bedeuten alle In dieser Erfindungsbeschreibung angegebenen Prozentwerte Gew.-%.

Wenngleich viele der Leglerungsbiidner die Färbung des entstehenden Oxydüberzuges beeinflussen. Ist Chrom bei der vorliegenden Legierung von besonders entscheidender Bedeutung In bezug auf die Rcproduzlerbarkelt der Färbung, d. h. auf die Übereinstimmung Im Farbton. Ohne Vorhandensein von Chrom In den angegebenen Mengen verursachen kleine Variationen des

50

55

60

65 Mangangehaltes, insbesondere Im unteren Teil des Mengenbereiches, große Schwankungen im Farbton, wenn das Werkstück farbanodlslert wird.

Bei dem Verfahren nach der Erfindung wird die Aluminiumlegierung der oben angegebenen Zusammensetzung In Barren gegossen, und zwar normalerweise nach dem Kokillengußverfahren. Dann wird homogenisierungsgeglüht und schließlich heißgewalzt. Gewünschtenfalls kann das Blech welter kaltgewalzt werden. Zur Erzielung einer gleichmäßigen Farbreproduzierban.elt soll das Homogenisierungsglühen 4 bis 24 Stunden lang bei einer Temperatur zwischen 538° C und 607° C durchgeführt werden. Die maximale Schwankung der Temperatur des Diffusionsglühens bzw. Homogenisierungsglühen von Ansatz zu Ansatz In dem Bereich soll ± 16,5° C betrafen, um die Erzeugung einer gleichmäßigen Färbung zu gewährleisten. Eine verhältnismäßig langsame Aufheizgeschwindigkeit von weniger als 38° grd/h, Insbesondere von 24° grd/h ist beim Homogenlslerungsglühen besonders vorteilhaft.

Nach dem Homogenisieren läßt man die Barren auf Raumtemperatur abkühlen, vorzugsweise mit einer Geschwindigkeit von weniger als 38° grd/h; sie werden danach entzundert. Nach dem Entzundern werden die Barren wieder auf Walztemperatur, z. B. 400 bis 454° C erhitzt und dann heißgewalzt. Eine abgewandelte Arbeitsweise nach dem Gießen besteht Im Entzundern, Homogenisieren, Abkühlea auf die Heißwalztemperatur und Heißwalzen. Gewünschtenfalls kann das Blech bei einer Temperatur unter 121° C kaltgewalzt werden.

Die folgenden Beispiele sollen die praktische Durchführung der Erfindung und deren Vorteile veranschaulichen.

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Beispiel I

Es wurde ein Barren aus einem gleichstrom-beheizten Schmelzofen folgender Legierungszusammensetzung gegossen:

Elsen 0,21%

Kupfer 0,18%

Mangan 0,16%

Chrom 0,06%

Silizium 0,13%

Magnesium 0,73% und als

Rest Aluminium mit den normalen Verunreinigungen.

Der Barren wurde 6 Stunden bei 538° C homogenisiert, wobei eine Aufheiz- und Abkühlungsgeschwindigkeit von 15,5° C pro Stunde eingehalten wurde, wurde dann entzundert (scalped) und warmgewalzt bei einer Anfangstemperatur von 440° C und einer Endtemperatur von 343° C und wurde danach auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Proben wurden In einem Inhibierten alkalischen Reiniger gereinigt. In einer 50%lgen Salpetersäurelösung desoxydlert, 10 Minuten In einer 5%lgen Lösung eines kaustischen Alkalls bei 57" C gebeizt, und es wurde In einer 50%igen Salpetersäurelösung die Mattierung beseitigt (desmutted). Vier Proben dieses Blechmaterials wurden In einem wäßrigen Elektrolyten, der 65 g/Llter Suifosalicylsäure. 5,8 g/Llter Schwefelsäure und 1.7 g/Llter gelöstes Aluminium enthielt, mit 4 verschiedenen elektrischen Programmen anodisch oxydiert. Die Färbungen der entstandenen anodischen Oxydüberzüge waren goldfarben, bernsteinfarben, statuen-bronzefarben bzw. schwarz, und die verschiedenen Parameter der anodischen Oxydationsbehandlung, die man anwendete,

um diese Färbungen zu erzeugen, sind nachstehend zusammengestellt. Es Ist zu beachten, daß die Statuen-Bronzefärbung und die schwarze Färbung In 20 bzw. 40 Minuten unter Anwendung einer Gesamtstrommenge von 1,08 bzw. 1,3 Amperestunden pro dm² erhalten wurden.

Tabelle I

Parameter der anodischen Oxydationsbehandlung

Farbe Strom- Spitzen- Gesamt- Gesamtstrom- Dicke der Bad-

des Überzuges dichte spannung dauer der menge Oxydschicht temperatur

anodischen Ampere-Oxydation Stunden Amp./dm² Volt pro dm² mm °C

gold 1,3 40 55

bernsteinfarben 2,15 51 30

Statuen-Bronze 3,23 65 20

schwarz 3,23 65 40

0,97
1,08
1,08
1,3

0,0203
0,0203
0,0203
0,0229

25
25
25
15

Beispiel 2

Es wurden drei separate Legierungen, de"en Zusammensetzungen in der nachstehenden Tabelle II angeführt sind, hergestellt, und es wurden aus jeder Legierung drei Barren gegossen. Ein Barren jeder Legierungszusammensetzung wurde bei Temperaturen von 538° C, 579° C bzw. 607⁰C homogenisiert. Die Aufheizgeschwindigkeit und die Abkühlungsgeschwindigkeit betrugen in jedem Fall 15,5° C pro Stunde. Die Barren wurden dann bei Raumtemperatur entzundert, wieder auf eine Temperatur von 440° C erhitzt und auf eine Dicke von 3,556 mm ausgewalzt. Proben eines jeden der entstandenen Blechprcdukte wurden dann für die anodische Oxydation vorbereitet durch Reinigen In einem Inhibierten alkalischen Reiniger, Desoxydieren in einer 50%igen Salpetersäurelösung, 10 Minuten langes Beizen In einer 5%Igen Lösung von kaustischem Alkali bei 57° C, Entmattieren (desmutting) in einer 50%igen Salpetersäurelösung. Die Proben wurden dann anodisch oxydiert In einem wäßrigen Elektrolyten, &->.r 65 g/Llter Sulfosallcylsäure, 5,8 g/Llter Schwefelsäure und 1,7 g/Llter gelöstes Aluminium enthielt. Die Temperatur des Elektrolyten wurde auf 25°C ± 1°C gehalten. Das angewendete Anodislerungsprogramm war ein Zweistufenprogramm, bei dem in der ersten Stufe eine konstante Stromdichte von 3,23 Amp./dm² durchgeleitet wurde, Ms eine Spitzenspannung von 65 Volt erreicht war, und In der zweiten Stufe eine konstante Spannungsperlode von 65 Volt eingehalten wurde, bis eine Gesamtstrommenge von 1,08 Amperestunden pro dm² durchgegangen war. Die Färbungen aller Proben entsprachen einer Statuen-Bronzefarbe und zeigten Im allgemeinen eine gute Ton-in-Ton-Überelnstlmmung. Die fotometrischen Farbbestimmungen sind In der nachstehenden Tabelle III zusammengestellt. Die Instrumentelle Bewertung der Färbung wurde mit einem Reflexlonsstärke-Meßgerät »Photovolt Modell 610« mit einem »Modell T-Kopf« vorgenommen. Die Werte für das Reflexionsvermögen wurden gegenüber einem Porzellanemaille-Standard gemessen, der gegen MgO, das mit 100% eingesetzt wurde, kalibriert war. Der »Gelbhelts«-Faktör (yellowness factor) wird bestimmt aus der Beziehung

Y = 100(A-B)/G,

wobei A der Reflexionswert Für die Bernsteinfarbe, B der Reflexlonswert für Blau und G der Reflexionswert für Grün Ist.

Tabelle II
Zusammensetzung

rung
Nr.

Si

Fe

Mg Cu

Mn

Cr

Al

³⁰ 3

0,13
0,10
0,12

0,21
0,20
0,22

0,73
0,75
0,84

0,18
0,16
0,25

0,16
0,24
0,19

0,06 Rest
0,05 Rest
0,06 Rest

Tabelle III
Instrumentelle Bewertung

Legierung	Homogenisie	Reflexions	»Gelbheits
Nr.	rungstempera	wert für	faktor«
	tur ⁰C	Grün
1	538	4,2	i6
1	580	5,2	21
1	607	6,1	26
2	538	4,0	10
2	580	4,5	16
2	607	5,8	24
3	538	3,8	13
3	580	4,7	20
3	607	5,7	25

Der Reflexionswert für Grün Ist normalerweise kennzeichnend für die Helligkeit oder Dunkelheit der Probe In dem Sinn, daß, je niedriger der Reflexionswert Ist, desto dunkler die Färbung Ist. der »Gelbhe!ts«-Faktor bezv,ic:inet Im allgemeinen den Gelbheitsgrad des Musters; je höher der Faktor Ist, desto stärker gelb Ist das Aussehen des Überzuges. Eine Variation des Wertes für die Grünreflexlon um weniger als 4, vorzugsweise um weniger als 3, filr hellere Färbungen und um weniger als 2,0, vorzugsweise um weniger als 1, für die dunkleren Färbungen 1st für architektonische Anwendungen Im allgemeinen vertretbar, Wie oben bereits erwähnt, sind die bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Verfahrens entstandenen Blecherzeugnisse dadurch ausgezeichnet, daß sie einen Integriert gefärbten anodischen Oxydüberzug bilden, der, bei Einhaltung bestimmter Anodlsatlonsbedlngungen eine Färbung aufweist, die eine GrOnreflexion besitzt, die um weniger als 4 Einheiten, für gewohn-

llrh um weniger als 3 Einhellen, bei den helleren Färbungen und um weniger als 2 Einheiten, für gewöhnlich um weniger als eine Einheit, bei den dunkleren Färbungen schwankt bei einer anderen Probe des genannten Blechmaterials, die in der gleichen Welse anodisch oxydiert worden ist.

Claims

Patentansprüche:

1. Anwendung eines Verfahrens zur Herstellung von Aluminiumblech mit einem Gefüge, das bei der Farbanodisatlon durch Variation der Arbeltsbedingungen die Bildung einer 0,0127 bis 0,0381 mm dicken, hellgold bis schwarz gefärbten Oxidschicht ermöglicht, wobei die Barren gegossen, homogenisiert, und auf Blechdicke warmgewalzt werden, auf eine Aluminiumlegierung aus

0,05 bis 0,20« Silizium,
0,15 bis 0,40* Elsen,
0,15 bis 0,30» Kupfer,
0,10 bis 0,30» Mangan,
0,6 bis 1,096 Magnesium,
0,04 bis 0,12« Chrom

und Aluminium als Rest mit zulässigen Beimengungen

mit der Maßgabe, daß In einem Temperaturbereich von 538 bis 607° C unter Vermeidung von Temperaturschwankungen von mehr als ± 16,5° C bei zusammengehörigen Chargen homogenisierungsgeglüht wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Aluminiumlegierung aus:

0,08 bis 0,14% Silizium,
0,15 bis 0,25% Elsen,
0,16 bis 0,25% Kupfer,
0,16 bis 0,25% Mangan,
0,70 bis 0,90% Magnesium,
0,04 bis 0,08% Chrom

Lid Aluminium als Rest mit zulässigen Beimengungen.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2 auf eine Aluminiumlegierung, bei der die Summe von Kupfer und Mangan 0,45% nicht überschreitet.