NO122456B - - Google Patents

Description

Fremgangsmåte for fremstilling av aluminium-legeringer

med stor styrke.

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for fremstilling av aluminiumlegeringer med stor styrke. Nærmere bestemt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte for fremstilling av aluminiumlegeringer som har en betydelig større styrke enn konvensjonelle legeringer, selv når de utsettes for kraftig koldbearbeidelse. Oppfinnelsen angår også legeringer fremstilt ved hjelp av fremgangsmåten.

Det er selvsagt meget ønskelig å oppnå en optimal styrke

i aluminiumlegeringer, særlig i vanlige, billige og kommersielt lett tilgjengelige aluminiumlegeringer. Det kjennes forskjellige prosesser for å øke styrken av aluminiumlegeringer. Disse proses-

ser er ofte kostbare og tungvinte, eller de omfatter mange pro-sesstrinn, hvilket er kostbart og tungvint. Dessuten er konvensjo-

nelle prosesser ofte karakterisert ved at de omfatter betingelser som må overholdes meget omhyggelig, hvorved prosessen lar seg vans-kelig gjennomføre i kommersiell målestokk. Ennvidere er prosesser for økning av styrken av aluminiumlegeringer ofte selektivt basert på spesielle legeringsbestanddeler og kan sjeldent brukes for et vidt sammensetningsområde av aluminiumlegeringer.

I tillegg til det som er nevnt ovenfor, er prosesser for økning av styrken av aluminiumlegeringer ofte lite tilfredsstil-lende når det gjelder den oppnådde bruddfasthet. I tillegg der-

til øker konvensjonelle prosesser ofte styrken av aluminiumlegeringer på bekostning av andre fysikalske egenskaper, og forbedrer en egenskap under samtidig forringelse av en annen egenskap.

Tre standard metoder for å forbedre fysikalske egenskaper av legeringer består i å legere dem, å koldbearbeide dem, og i virkningen av annen faseutskilling. Hver av dem virker forrin-gende på andre mekaniske eller fysikalske egenskaper. F.eks. er legeringsprosessen alltid forbundet med en minsking av ledningsevnen, koldbearbeidelsen minsker duktiliteten eller forlengelsen, og ut-skillingsherdningen minsker seigheten og øker kjervfølsomheten og nedsetter korrosjonsmotstanden. Hver av dem har også andre skade-lige virkninger.

Foreliggende oppfinnelse har således som formål å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av aluminiumlegeringer med stor styrke.

Et annet formål er å tilveiebringe en forbedret legering og fremgangsmåte som er billig og bekvem og som lett lar seg gjen-nomføre i kommersiell målestokk.

Et ytterligere formål, er å tilveiebringe en forbedret legering og fremgangsmåte som oppnår meget forbedrede styrkeegenskaper uten større tap av ønskede fysikalske egenskaper, f.eks. elektriske egenskaper og den ønskede finish.

Disse og andre fordeler og formål ved oppfinnelsen vil fremgå av den følgende beskrivelse.

I overensstemmelse med det foran anførte går fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ut på fremstilling av aluminiumlegeringer med stor styrke inneholdende 0,05-1,0% jern, 0,05-1,0% silisium,

i det minste ett materiale valgt fra gruppen bestående av 0-10,0% magnesium, 0-3% mangan, 0-1,0% kobber, 0-0,5% krom, 0-0,5% sink, 0-0,5% zirkonium, 0-0,5% titan, 0-0,1% bor, mindre enn 0,5% av hvert av andre elementer, tilsammen mindre enn 1,5%, mens resten er aluminium, og fremgangsmåten er karakterisert ved at A) nevnte

legering bearbeides ved en temperatur under 232°C med en samlet tverrsnittsreduksjon på over 20%, B) legeringen holdes ved en temperatur fra 121°C til 343°C i en tid som ikke er lengre enn bestemt av følgende formel: T (8,95 + log t) = 5700, hvor T er temperaturen i Kelvin-grader og t er den maksimale tid i minutter ved temperaturen T, hvorved oppnås at det ikke skjer noen rekrystallisering i grunnmassen og at det oppstår et mindre tap i flytegrense og strekkstyrke enn 10%, og C) trinn B) gjentas.

Fortrinnsvis gjentas trinn A) og B) en eller flere

ganger. Før bearbeideIsestrinnet (A) homogeniseres materialet fordelaktig ved en temperatur over 455°C i minst 4 timer. Det er også særlig fordelaktig å kjøle materialet etter homogeniseringstrinnet hurtig til under 232°C.

I henhold til oppfinnelsen er det funnet at den ovennevn-

te prosess resulterer i en overraskende forbedring av styrken selv i vanlige aluminiumlegeringer, og selv ved innføring av varmebe-handlinger etter >en kraftig koldbearbeidelse. F.eks. kan man re-produserbart oppnå strekkstyrker på over 3720 kg/cm 2 for aluminiumlegeringen 3003, over 3160 kg/cm 2 for aluminiumlegeringen 5005, over 2460 kg/cm 2 for aluminiumlegeringen 1100 og over 2460

kg/cm 2 for aluminium av EC-kvalitet. De ovenfor angitte legerings-tall representerer benevnelser av Aluminum Association. Dette er særlig overraskende da varmebehandlingen etter koldbearbeidelsen forårsaker normalt en betydelig minsking av flytegrensen og strekkstyrken, mens den øker duktiliteten.

Foreliggende oppfinnelse kan generelt anvendes på et

vidt område av aluminiumlegeringer og på meget rent aluminium,

og det oppnåes betydelige forbedringer med alle disse materialer. Det foretrekkes imidlertid at aluminiumlegeringen inneholder mind-

re enn 99,5% aluminium og at visse tilleggselementer er tilstede i legeringen. I det følgende angis de tillatte og foretrukne mengder av tilleggselementer i vektprosent: silisium fra 0,05 til 1,0%, fortrinnsvis fra 0,3 til 0,7%, jern fra 0,05 til 1,0%, fortrinnsvis fra 0,4 til 0,8%. I tillegg til jern og silisium må legeringen inneholde i det minste ett av de følgende materialer: kobber fra 0 til 1,0%, fortrinnsvis fra 0,1 til 0,3%, mangan fra 0 til 3,0%, fortrinnsvis fra 0 til 1,6%, magnesium fra 0 til 10,0%, fortrinns-

vis fra O til 5,0 %, krom fra O til 0,5 %, fortrinnsvis fra O til 0,2 %, sink fra 0 til 0,5 %, fortrinnsvis fra 0 til 0,3 %, zirkoni-

uiti fra O til 0,5 %, fortrinnsvis O til 0,3 %, bor fra O til 0,1 %, fortrinnsvis fra O til 0,05 %, titan fra O til 0,5 %, fortrinns-

vis fra O til 0,2 %, andre elementer, hvert mindre enn 0,5 %, tilsammen mindre enn 1,5 %, fortrinnsvis hvert av dem mindre enn 0,05 %, tilsammen mindre enn 0,15 %. Særlig foretrukne legeringer omfatter aluminiumlegeringer 5005, 3003, 1100, aluminium av EC-kvalitet, høyrent aluminium osv. De foretrukne legeringer hører generelt til 1000-rekken, 3000-rekken og 5000-rekken.

I henhold til oppfinnelsen kan aluminiumlegeringene stø-

pes på hvilken som helst ønsket måte. Den særlige støpningsmetode er ikke kritisk og man kan bruke hvilken som helst kommersiell stø-pemetode, f.eks. direkte kokillestøpning eller støpning i tippba-

re kokiller. Legeringene kan også varmvalses til plater på konven-sjonell måte. Etter støpningen foretrekkes ifølge oppfinnelsen å gjennomføre en homogeniserings- eller oppløsningsbehandling. Denne oppløsningsbehandling bør utføres ved en temperatur på over 455°C

og fortrinnsvis over 510°C, og blokken bør holdes ved denne temperatur i minst 4 timer. Etter oppløsningstrinnet bør blokken hurtig kjøles til under 232°C og fortrinnsvis kjøles hurtig til under 121°C med en hastighet på over 205°C pr. time.

I henhold til oppfinnelsen kan om ønsket oppløsningstrin-

net kombineres med støpningsprosessen, dvs. at materialet under støpningsprosessen kan holdes ved den nødvendige temperatur i den nødvendige tid, etterfulgt av en hurtig kjøling.

Formålet med oppløsningstrinnet er som følger: når aluminiumlegeringen inneholder de ovenfor nevnte legeringsbestandde-

ler bringer oppløsningstrinnet etterfulgt av hurtig kjøling, en meget stor mengde av disse materialer i oppløsning. Således befin-

ner seg de oppløselige elementer eller legeringsbestanddeler i fast oppløsning, fortrinnsvis i maksimal grad, i aluminiumgrunn-massen. Dette er som nevnt ovenfor, den foretrukne metode.

I henhold til oppfinnelsen utgjør det neste trinn den kritiske bearbeidelsesoperasjon. Den foretrukne bearbeidelses-

art er naturligvis valsing, og beskrivelsen vil bli særlig rettet på denne bearbeidelsesart. Det bør imidlertid forståes at andre bearbeidelsesmåter kan tas i bruk,, særlig i senere trinn, såsom trekking, senkesmiing osv.

Materialet bearbeides eller valses ved en temperatur

under 232°C med en samlet tverrsnittsreduksjon på over 20 %. Det foretrekkes å valse ved en temperatur under 93°C. Materialet kan valses én eller flere ganger, idet graden av tverrsnittsreduksjon pr. valsing ikke er kritisk. Det foretrekkes generelt å utføre flere små tverrsnittsreduksjoner istedenfor en stor tverrsnittsre-duks jon. Hver valsing bør generelt gi minst en 15 % tverrsnittsre-duks jon. Det kan utføres store tverrsnittsreduksjoner, f.eks. kan man om ønsket utføre tverrsnittsreduksjoner på over 99 %, dvs. til trådform. Uttrykket "tverrsnittsreduksjon" betyr i beskrivelsen

den totale innsnøring.

Etter valsings- eller bearbeidelsestrinnet holdes materialet ved en temperatur fra 121 til 343°C i et tidsrom som ikke er større enn definert ved følgende formel: T (8,95 + log t) = 5700, hvor T er en hvilken som helst gitt temperatur innenfor det ovenfor nevnte temperaturområde i Kelvin-grader og t er den maksimale tid i minutter ved temperaturen T. Den minimale tid ved denne temperatur er ikke særlig kritisk, men bør i det minste være ett se-kund. Naturligvis, jo høyere temperaturen innenfor det ovenfor nevnte temperaturområde er, desto kortere er den maksimale tid i hvilken materialet holdes ved denne temperatur, og jo lavere temperaturen er, desto lengere er den maksimale tid. Det foretrekkes å arbeide i temperaturområdet fra 121 til 232°C. Eksempler på maksimale tider i samsvar med den foregående formel er: omtrent 400 timer ved 149°C, omtrent 16 timer ved 205°C og 2 minutter ved 343°C.

Som nevnt ovenfor holdes materialet etter valsings- eller bearbeidelsestrinnet ved mellom 121 og 343°C i en tid som ikke er lenger enn bestemt av den forangående empiriske ligning, for hvilken konstantene ble bestemt ved forsøk. Det er inteæssant å bemerke at en forandring av ligningen til l/t = eksp. (-Q/RT) gir en verdi for Q - aktiveringsenergien - som er litt lavere enn den som er nødvendig for rekrystallisasjon i aluminium. Dette viser at begynnelsen av rekrystallisasjonen utgjør den øvre grense for varmebehandlingen.

Etter varmebehandlingen bearbeides eller valses materialet igjen ved en temperatur under 2 32°C med en samlet tverrsnitts-reduks jon på minst 20 % på samme måte som nevnt ovenfor. Dette andre valsings- eller bearbeidelsestrinn kan være det endelige trinn, eller kan være og fortrinnsvis er etterfulgt av en ytterligere varmebehandling meJJom 121 og 343°C som nevnt ovenfor.

Koldbearbeidelse etter en varmebehandling ved lav temperatur er usedvanlig under fremstillingen av smidde aluminiumgjen-stander, da behandlingen ved lav temperatur eller delvis glødning finner normalt sted for å stabilisere materialet eller senke styrken til ønsket verdi for å oppnå spesifikke egenskaper. Således spesifiserer -H2X og -H3X standards av Aluminum Association nødven-digheten av herdningen og delvis glødning eller av herdning og deretter stabilisering. I henhold til oppfinnelsen tilveiebringer imidlertid stabilisering eller delvis glødning som forberedelses-trinn for etterfølgende koldbearbeidelse, en betydelig økning av mekaniske egenskaper.

Det foretrekkes å gjenta valsings- og varmebehandlingstrinnene flere ganger, fortrinnsvis 3 til 5 ganger. Slutt-trinnet i henhold til oppfinnelsen kan være enten valsings- eller bearbeidelsestrinnet eller varmebehandlingstrinnet, avhengig av det som ønskes oppnådd.

En modifikasjon av foreliggende oppfinnelse omfatter føl-gende: Om ønsket kan valsingen foretas innenfor varmebehandlings-området. Når man således valser ved en temperatur fra 121 til 232°C og holder materialet ved denne temperatur, kan man effektivt kombinere valse- og bearbeidelsestrinnene med varmebehandlingstrinnet og unngå derved et spesielt varmebehandlingstrinn.

En ytterligere modifikasjon omfatter følgende: Slutt-trinnet kan valgfritt være det trinn hvor materialet ifølge opp-

o fmnelsen holdes ved en temperatur mellom 121 og 343 C, men i et lengere tidsrom enn tillatt av den foregående formel, så at det ikke skjer en rekrystallisasjon i grunnmassen, men at det er et tap av flytegrensen og strekkestyrken på mindre enn 25 %. Dette bevir-ker at flytegrensen og strekkstyrken ennå er meget større enn de som normalt oppnås, men duktiliteten blir økt.

I henhold til oppfinnelsen danner den første valsings-operasjon eller den første deformasjon en cellulær mikrokornstruk-tur. Dvs. at legeringens mikrostruktur er karakterisert ved korn innenfor andre korn. Varmebehandlingstrinnet har en tendens til å stabilisere mikrokornveggene ved at atomer vandrer mot mikrokornveggene. Den annen deformasjon danner flere mikrokornvegger inne i mikrokornstrukturen, og herved gjøres mikrokornene finere og finere ettersom deformasjons- og varmebehandlingstrinnene gjentas.

De forbedrede legeringer fremstilt ifølge oppfinnelsen er således karakterisert ved meget forbedrede styrkeegenskaper og en ultrafin kornstruktur, idet kornstørrelsen er 0,001 mm eller mindre. Dessuten er kornstrukturen helt stabil. Legeringer fremstilt ifølge oppfinnelsen har også følgende egenskaper: Kornene har be-grensningsvegger som er sammenklemte sammenfiltrede og innfiltret i hverandre, dvs. de er temisk stabile eller fiksert, idet sammen-klemningen er oppnådd ved at legeringselementer er gått i oppløs-ning. Grunnmassen mellom de sammenfiltrede steder består av områder med lavere innhold av legeringstilsetninger og lav sammenfilt-ringstetthet.

Oppfinnelsen vil forklares nærmere ved hjelp av følgende illustrerende eksempler.

Eksempel I

I de følgende eksempler ble følgende legeringer brukt: Aluminiumlegering 1100, aluminiumlegering 3003, aluminiumlegering 5005 og høyrent aluminium. Alle disse legeringer ble direkte ko-Qkillestøpt og høvlet til blokker 4,3 cm x 10 cm x 15 cm.

Eksempel II

I dette eksempel ble legering 3003 støpt og trinnvis koldvalset fra 4,37 til 3,75 til 3,15 til 2,5 til 2 til 1,6 til 1,25 til 0,9 til 0,6 til 0,44 til 0,31 til 0,21 til 0,18 til 0,12 til

0,09 til 0,06 til 0,045 til 0,035 cm. Etter hver tverrsnittsreduksjon, unntatt den siste, ble legeringen holdt ved en temperatur på 205°C. Det resulterende materiale hadde en gjennomsnittlig flytegrense ved 0,2 % "offset" på 4513 kg/cm og en bruddfasthet på

4440 kg/cm 2med en 2 % forlengelse.

For sammenligningens skyld ble legering 3003 koldvalset til 0,035 cm og hadde følgende egenskaper: flytegrense 0,2 % "offset" på 1898 kg/cm p , bruddgrense på 2180 kg/cm 2 med 2 % forlengelse . Fig. 1 viser-et mikrofotografi av aluminiumlegeringen 3003 erholdt i samsvar med foregående eksempel med et tverrsnitt på 0,09 cm. Fig. 2 er et mikrofotografi av aluminiumlegeringen 3003 med et tverrsnitt på 0,09 cm med legeringen behandlet på følgende måte: Legeringen ble homogenisert ved 593°C, varmvalset begynnen-de med 510°C og koldvalset til det ønskede tverrsnitt. Begge mikrofotografier er en forstørrelse på 30 000 ganger. Mikrofoto-grafiene ble fremstilt ved hjelp av en overføringselektronmikro-graf tatt fra tynne folier dannet ved elektrokjemisk valsing av koldvalset materiale til en tykkelse på ca. 2000 ÅngstrCm.

Ved å studere disse mikrofotografier kan man se at fig.

2 har store områder av sammenfiltrede steder liggende mellom store områder av tilsynelatende ubearbeidede materialer. på fig. 1 som viser legeringen ifølge oppfinnelsen sees på den annen side en rek-ke av merkbare, adskilte korn på omtrent 0,0001 mm. Det kan ikke sees noe område med tilsynelatende ubearbeidet materiale. De adskilte mikrokorn er separert av merkbare kornbegrensendevegger.

Eksempel III

Den i eksempel I fremstilte aluminiumlegering ble opphetet til 593°C og holdt i 16 timer. Den ble deretter bråkjølt med vann til romtemperatur i 5 sekunder etterfulgt av trinnvis koldvalsing fra 4,4 cm til 3,75 til 3,1 til 2 til 1,6 til 1,25 til 0,9 til- 0,6 til 0,44 til 0,3 til 0,22 cm. Etter dette ble materialet ytterligere trinnvis koldvalset, unntatt at etter hver tverr-snittsreduks jon med unntagelse av den siste ble materialet opphetet til 205°C og holdt i 10 minutter ved denne temperatur og bråkjølt med vann til romtemperatur. Tverrsnittsreduksjonene var følgende: fra 0,22 til 0,18 til 0,125 til 0,09 til 0,07 til 0,06 til 0,05

til 0,04 til 0,03 cm. Det resulterende materiale hadde en gjennomsnittlig flytegrense på 3370 kg/cm 2 ved 0,2 % "offset" og en bruddgrense på 2890 kg/cm 2 med 2 % forlengelse. Mikrostrukturen lignet den som er vist på fig. 1. Identisk'materiale behandlet på samme måte uten mellomglødning hadde en flytegrense på o bare 2670 kg/cm<2 >ved 2 % "offset" og en bruddgrense på o 3040 kg/cm 2 med 4 % forlengelse .

Eksempel IV

Den i eksempel I behandlede aluminiumlegering 5005 ble koldvalset trinnvis fra 4,4 cm til 3,75 til 3,1 til 2 til 1,6 til 1,25 til 0,9 til 0,6 til 0,44 til 0,3 til 0,21 til 0,15 til 0,11

til 0,08 til 0,05 cm. Etter den siste koldvalsing ble materialet holdt i 10 minutter ved 149°C etterfulgt av en ytterligere koldvalsing til 0,045 cm. Det resulterende materiale hadde en gjennom-snitt* lig flytegrense på o 3440 kg/cm 2 ved 0,02 % "offset" og en bruddgrense på o 3500 kg/cm 2 med en forlengelse på o 1 %. For sammenligningens skyld ble aluminiumlegering 5005 koldvalset til 0,045 cm og hadde følgende egenskaper: flytegrense 1968 kg/cm <2>ved 0,2 % "offset", bruddgrense 2040 kg/cm 2 med en forlengelse på o 1 %.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av aluminiumlegeringer med stor styrke inneholdende o,05 - 1,0% jern, 0,05 - 1,0% silisium, i det minste ett materiale valgt fra gruppen bestående av 0 - 10,0 % magnesium, 0-3% mangan, 0 - 1,0% kobber, 0 - 0,5% krom, 0 - 0,5% sink, 0 - 0,5% zirkonium, 0 - 0,5% titan, 0 - 0,1% bor, mindre enn 0,5% av hvert av andre elementer, tilsammen mindre enn 1,5%, mens resten er aluminium, karakterisert ved at A) nevnte legering bearbeides ved en temperatur under 232°C med en samlet tverrsnittsreduksjon på over 20%, B) legeringen holdes ved en temperatur fra 121°C til 343°C i en tid som ikke er lengre enn bestemt av følgende formel: T (8,95 + log t) = 5700, hvor T er temperaturen i Kelvin-grader og t er den maksimale tid i minutter ved temperaturen T, hvorved oppnås at det ikke skjer noen rekrystallisering i grunnmassen og at det oppstår et mindre tap i flytegrense og strekkstyrke enn 10%, og C) trinn B) gjentas.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at trinn A) og B) gjentas en eller flere ganger.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at materialet før bearbeidelsestrinnet A) homogeniseres ved en temperatur over 455°C i minst 4 timer.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 3, karakterisert ved at materialet etter homogeniseringstrinnet kjøles hurtig til under 2 32°C.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at trinn A) består i en valsing ved en temperatur under 93°C.