DE112004001985T5

DE112004001985T5 - Verfahren zum Herstellen einer hochschadenstoleranten Aluminiumlegierung

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Publication number: DE112004001985T5
Application number: DE112004001985T
Authority: DE
Inventors: Benedictus Rinze; Christian Joachim Keidel; Alfred Ludwig Heinz; Alfred Johann Peter Haszler; Guido Weber
Original assignee: Corus Aluminium Walzprodukte GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 2003-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-11-16
Also published as: AT502313B1; BRPI0415991B1; CN1867689A; AT502313A2; ES2293848A1; CA2539605C; BRPI0415991A; CN100577848C; GB2421739B; CA2539605A1; WO2005049878A2; RU2006118354A; WO2005049878A3; JP5052895B2; RU2326181C2; JP2007510061A; ES2293848B2; AT502313A5; GB0606843D0; GB2421739A

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines hochschadenstoleranten Aluminiumlegierungs-Walzprodukts mit einer hohen Zähigkeit und einer verbesserten Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit, die folgenden Schritte umfassend:
a.) Gießen eines Blocks mit einer Zusammensetzung, die aus der Gruppe bestehend aus Legierungen der Serien AA2000, AA5000, AA6000 und AA7000 gewählt ist;
b.) Homogenisieren und/oder Vorwärmen des Blocks nach dem Gießen;
c.) Warmwalzen des Blocks zu einem warmgewalzten Produkt und wahlweise Kaltwalzen des warmgewalzten Produkts zu einem kaltgewalzten Produkt, dadurch gekennzeichnet, dass das warmgewalzte Produkt das Warmwalzwerk bei einer Warmwalzwerkaustrittstemperatur (T_Exit) verlässt, und Abkühlen des warmgewalzten Produkts von T_Exit auf 150 °C oder niedriger mit einem gesteuerten Abkühlungszyklus mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit, die in den Bereich fällt, der definiert wird durch; T(t) = 50 – (50 – TExit)eα.t und wobei T(t) die Temperatur (°C) als Funktion in Zeit (hrs) ist, t die Zeit (Stunden) ist und α in dem Bereich von –0,09 ± 0,05 (hrs^–1) liegt.

Description

Die vorliegende Erfindung offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer hochschadenstoleranten gewalzten Aluminiumlegierung mit einer guten Zähigkeit und einer verbesserten Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit, während gute Festigkeitsniveaus aufrechterhalten werden, und ein Aluminiumlegierungs-Blech- oder Blechtafelprodukt mit einer solchen hohen Zähigkeit und einer verbesserten Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit. Des Weiteren betrifft die Erfindung die Verwendung eines Legierungsprodukts, das durch das Verfahren dieser Erfindung erzielt wurde.
Es ist auf dem Gebiet bekannt, wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen bei einer Reihe von Anwendungen, bei denen relativ hohe Festigkeit involviert ist, wie bei Luftfahrzeugrümpfen, Fahrzeugteilen und anderen Anwendungen, zu verwenden. Die Aluminiumlegierungen AA2024, AA2324 und AA2524 sind wohlbekannte wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen, die nützliche Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften bei T3-, T39- und T351-Vergütungen aufweisen. Außerdem sind die Aluminiumlegierungen AA6013 und AA6058 wohlbekannte wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen, die nützliche Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften sowie eine gute Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit sowohl bei T4- als auch bei T6-Vergütungen aufweisen.
Es ist bekannt, dass der T4-Vergütungszustand einen lösungsglühbehandelten und abgeschreckten Zustand, der natürlich zu einem im Wesentlichen stabilen Eigenschaftsniveau gealtert wurde, betrifft, während T6-Vergütungen einen festeren Zustand, der durch künstliches Altern hergestellt wurde, betreffen.
Mehrere andere Legierungen der Serien AA2000 und AA6000 sind im Allgemeinen ungeeignet für die Konstruktion von Verkehrsflugzeugen, die unterschiedliche Sätze von Eigenschaften für unterschiedliche Typen von Strukturen erfordern. Je nach den Konstruktionskriterien für ein bestimmtes Flugzeugbauteil können selbst kleine Verbesserungen bei Zähigkeit und Risswachstumsbeständigkeit, im Besonderen für hohe ΔK-Werte, zu Gewichtseinsparungen führen, die sich als Kraftstoffeinsparung über die Lebensdauer des Luftfahrzeugs und/oder ein größeres Niveau an Sicherheit auswirken. Im Besonderen ist es bei Rumpfaußenhaut oder Unterflügelaußenhaut erforderlich, Eigenschaften wie gute Beständigkeit gegenüber Rissausbreitung entweder in der Form von Risszähigkeit oder Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit zu besitzen. Ein gewalztes Legierungsprodukt, das entweder als ein Blech oder als eine Blechtafel mit verbesserten Schadenstoleranzeigenschaften verwendet wird, verbessert die Sicherheit der Passagiere, verringert das Gewicht des Luftfahrzeugs und führt zu einem längeren Flugbereich, niedrigeren Kosten und weniger häufigen Wartungsintervallen.
US 5.213.639 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Aluminiumlegierung der Serie AA2000 mit einer Legierung auf Aluminiumbasis, die warmgewalzt, erwärmt und erneut warmgewalzt wird, wodurch gute Kombinationen von Festigkeit zusammen mit hoher Risszähigkeit und einer niedrigen Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit erzielt werden. Es wird offenbart, eine Zwischenglühbehandlung nach dem Warmwalzen des gegossenen Blocks mit einer Temperatur zwischen 479 °C und 524 °C anzuwenden und die zwischengeglühte Legierung erneut warmzuwalzen. Von einer solchen Legierung wird berichtet, dass sie eine 5%ige Verbesserung gegenüber den herkömmlichen Legierungen der AA2024-Serie bei T-L-Risszähigkeit und eine verbesserte Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit bei bestimmten ΔK-Niveaus aufweist.
Es wurde berichtet, dass die bekannte AA6056-Legierung gegenüber Korngrenzenkorrosion in dem T6-Vergütungszustand empfindlich ist. Zum Überwinden dieses Problems stellt US-5.858.134 einen Prozess für die Herstellung von gewalzten oder extrudierten Produkten mit einer definierten chemischen Zusammensetzung bereit, wobei die Produkte in einen überalterten Vergütungszustand gebracht werden, was zeit- und geldaufwändige Verarbeitungszeiten seitens des Herstellers von Luft- und Raumfahrtbauteilen erforderlich macht. Hier wird berichtet, dass es zum Erzielen der verbesserten Korngrenzenkorrosionsbeständigkeit von wesentlicher Bedeutung für den Prozess ist, dass das Mg/Si-Verhältnis in der Legierung geringer als 1 ist.
US-4.589.932 offenbart ein Aluminium-Knetlegierungsprodukt zum Beispiel für Automobil- und Luft- und Raumfahrtkonstruktionen, wobei die Legierung nachfolgend unter der AA-Bezeichnung 6013 registriert wurde. Eine solche Aluminiumlegierung wurde bei einer Temperatur in einem Bereich von 449 °C bis 582 °C, die sich der Solidustemperatur der Legierung nähert, lösungsglühbehandelt.
EP-A-1143027 offenbart ein Verfahren zum Herstellen einer Al-Mg-Si-Legierung der AA6000-Serie mit einer definierten chemischen Zusamensetzung, wobei die Produkte einem Ablauf künstlicher Alterung unterzogen werden, um die Legierung zu verbessern und die Charakteristiken hoher Schadenstoleranz („HDT") zu erfüllen, die denjenigen der AA2024-Serien ähnlich sind, die vorzugsweise für Luftfahrtanwendungen verwendet werden, aber nicht schweißbar sind. Der Alterungsablauf wird unter Verwendung einer jeweiligen Funktion der Zusammensetzung optimiert.
EP-1170394-A2 offenbart ein Aluminiumlegierungs-Blechprodukt mit verbesserter Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit mit einer anisotropen Mikrostruktur, die durch Körner mit einem durchschnittlichen Länge-zu-Breite-Streckungsverhältnis von mehr als ungefähr 4 definiert wird. Eine solche Legierung weist eine Verbesserung bei Druckfestigkeitseigenschaften auf, die durch jeweilige Blechprodukte im Vergleich zu herkömmlichen AA2524-Blechprodukten erreicht wird. Über die gesamte hoch anisotrope Kornstruktur konnte die Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit verbessert werden.
WO-97/22724 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Aluminiumlegierungs-Blechprodukts, typischerweise für Automobilanwendung, mit verbesserter Dehngrenze durch kontinuierliches und schnelles Erwärmen des warmgewalzten und kaltgewalzten Blechs, das lösungsglühbehandelt und abgeschreckt wurde, auf eine Voralterungstemperatur vor dem Schritt kontinuierlichen Wickelns. Nach dem schnellen Erwärmen wird das Blech in Bandringform bei Umgebungstemperatur abgekühlt, wobei das schnelle Erwärmen und das Abkühlen bei Umgebungstemperatur die Paint Bake Response des Aluminiumlegierungs-Blechs verbessert. Es wird offenbart, dass bevorzugt wird, das gewickelte Blech schnell auf zwischen 65 °C und 121 °C zu erwärmen und eine Abkühlungsgeschwindigkeit bei Umgebungstemperatur zu wählen, bei der bevorzugt wird, dass sie zwischen 1,1 °C/h und 3,3 °C/h liegt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumlegierungsprodukts mit einer verbesserten Zähigkeit und einer verbesserten Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit bereitzustellen, wobei die Festigkeitsniveaus von herkömmlichen Legierungen der Serien AA2000, AA5000, AA6000 oder AA7000 gewahrt bleiben. Im Besonderen ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Herstellen hochschadenstoleranter („HDT") Aluminiumlegierungen mit ausgewogenen Eigenschaften in Bezug auf Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bereitzustellen. Die HDT-Eigenschaften sollten vorzugsweise besser sein als diejenigen von herkömmlich hergestellten AA6013-T6-, 6056-T6-Legierungen und vorzugsweise besser als AA2024-T3- oder AA2524-T3-Legierungen.
Im Besonderen besteht ein allgemeines Erfordernis für gewalzte Aluminiumlegierungen der Serien AA6000, vorzugsweise in dem Bereich von Aluminiumlegierungen der Serien AA6013 und AA6056, bei Verwendung für Luft- und Raumfahrtanwendungen, dass die Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit („FCGR") nicht größer als ein definiertes Maximum sein soll. Eine FCGR, die die Erfordernisse von hochschadenstoleranten Legierungsprodukten der Serie 2024 erfüllt, ist zum Beispiel eine FCGR unter 0,001 mm/Zyklen bei ΔK = 20 NIPa√m und 0,01 mm/Zyklen bei ΔK = 40 MPa√m.
Es ist noch eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gewalztes Aluminiumlegierungsprodukt zur Verwendung zum Konstruieren von Strukturteilen in der Luftfahrzeugindustrie bereitzustellen sowie ein Luftfahrzeugaußenhautmaterial, das aus solcher Legierung hergestellt ist, bereitzustellen oder ein Fahrzeugbauteil bereitzustellen.
Die vorliegende Erfindung löst eine oder mehrere der vorgenannten Aufgaben durch die Merkmale von Nebenansprüchen.
Bei einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer hochschadenstoleranten Aluminiumlegierung mit einer hohen Zähigkeit und einer verbesserten Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:

a.) Gießen eines Blocks mit einer Zusammensetzung, die aus der Gruppe bestehend aus Legierungen der Serien AA2000, AA5000, AA6000 und AA7000 gewählt ist;
b.) Homogenisieren und/oder Vorwärmen des Blocks nach dem Gießen;
c.) Warmwalzen des Blocks zu einem warmgewalzten Produkt und wahlweise weiteres Kaltwalzen des warmgewalzten Produkts zu einem kaltgewalzten Produkt, dadurch gekennzeichnet, dass das warmgewalzte Produkt das Warmwalzwerk bei einer Warmwalzwerkaustrittstemperatur (T_Exit) verlässt, und Abkühlen des warmgewalzten Produkts von T_Exit auf 150 °C mit einem gesteuerten Abkühlungszyklus mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit, die in den Bereich fällt, der definiert wird durch: T(t) = 50 – (50 – TExit)eα.t

^–1

Es wurde festgestellt, dass unterhalb der Temperatur von 150 °C die Abkühlungsgeschwindigkeit nicht länger relevant ist, um eine oder mehrere der Vorteile, die nach dieser Erfindung festgestellt wurden, zu erreichen.
Während Techniken nach dem Stand der Technik den Fachmann lehren, einen Block zu gießen und warmzuwalzen, um ein Blechtafel- oder Blechprodukt zu erzielen, wobei der Block vor dem Warmwalzen wahlweise vorgewärmt oder homogenisiert wird, verlor das warmgewalzte Produkt seine erhöhte Temperatur ziemlich schnell, wodurch die Leistung des Produkts gefährdet wurde. Es wurde festgestellt, dass durch Halten des warmgewalzten Produkts auf einer erhöhten Temperatur für einen vorgegebenen Zeitraum, um es einem gesteuerten Abkühlungszyklus zu unterziehen, die Schadenstoleranzeigen schaften, wie Zähigkeit und Risswachstumsbeständigkeit eines solchen gewalzten Produkts nach der vorliegenden Erfindung verbessert werden können.
Typische Warmwalzwerkaustrittstemperaturen liegen bei einer Praktik auf industrieller Ebene in einem Bereich von 350 bis 500 °C und hängen von der Legierung ab, wobei zum Beispiel die Austrittstemperatur für eine AA6xxx am höheren Ende dieses Bereichs von ungefähr 420 bis 500 °C liegt, während dies bei Legierungen der Serien AA2xxx und AA7xxx an dem niedrigeren Ende dieses Bereichs von ungefähr 350 bis 425 °C läge.
Ein weiteres Kaltwalzen des abgekühlten warmgewalzten Produkts in Bandringform ist optional. Das Kaltwalzen kann Richt- oder Schrägwalzen sein. Weitere Schritte des Zwischenglühens vor, während oder nach dem Kaltwalzen sind ebenfalls optional.
Des Weiteren ist es möglich, das warmgewalzte Produkt einem Wickeln zu unterziehen, um eine gewickelte Form zu erhalten und dadurch eine gesteuerte Abkühlungsgeschwindigkeit zu erreichen, bis das Produkt auf Raumtemperatur abgekühlt ist. Dann ist es möglich, den Bandring in Vorblöcke zu schneiden, die dann weiter kaltgewalzt werden. Das Material, das durch diese erfinderische Verarbeitungsfolge hergestellt wird, zeigte eine bessere Eigenschaftsausgewogenheit als diejenigen warmgewalzten Produkte, die während oder nach dem Warmwalzen ohne Wickeln in Vorblöcke geschnitten wurden (Standardblechtafelfolge), oder diejenigen Produkte, die nach dem Kaltwalzen gewickelt wurden (Standardblechfolge).
Eine zweite Alternative, um das warmgewalzte Produkt einem gesteuerten Abkühlungszyklus zu unterziehen, ist der Schritt kontinuierlichen Bewegens der Legierung durch einer Ofen nach dem Warmwalzen, wobei der Ofen so eingerichtet werden kann, dass Wärme und/oder Kälte auf die Legierung angewendet wird, während sie sich zu ihrer Kaltwalzstation oder Wickelstation weiterbewegt.
Bei einer weiteren Alternative wird das gewalzte Produkt zuerst auf ein gewünschtes Maß warmgewalzt und dann unter Verwendung herkömmlicher Abkühlung auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach wird das abgekühlte warmgewalzte Produkt wieder auf eine Warmwalzwerkaustrittstemperatur erwärmt und kann dann auf unter 150 °C abkühlen, wobei der gesteuerte Abkühlungszyklus nach der Erfindung verwendet wird und dann weitere Verarbeitung folgt.
Je nachdem, ob Bleche oder Blechtafeln hergestellt werden, wird das warmgewalzte Produkt entweder nach dem Warmwalzen in den Ofen hineingeleitet oder nach dem Warmwalzen gewickelt, wobei die weitere Verarbeitung an Bandringen erfolgt (Blechfolge). Wenn das Produkt bei oder nach dem Warmwalzen in Blechtafeln geschnitten wird, erfolgt die weitere Verarbeitung an dadurch hergestellten Blechtafeln.
Der Ofen kann vorzugsweise so eingerichtet werden, dass er verschiedene Mengen an Wärme in der Nähe der Warmwalzstation und andere Mengen an Wärme in einem größeren Abstand von der Warmwalzstation in Abhängigkeit von der Abkühlungsgeschwindigkeit, Dicke und anderen Abmessungen des warmgewalzten Produkts, das die Warmwalzstation verlässt, anwendet.
Wenn das Warmwalzprodukt dem gesteuerten Abkühlungszyklus durch Wickeln unterzogen wird, ist es möglich, die Legierung nach dem Warmwalzen in einem jeweiligen Ofen zu wickeln, wobei der Ofen dann ebenfalls so eingerichtet werden kann, Wärme anzuwenden, um den Abkühlungszyklus zu steuern.
Bei einer Ausführung besitzt das warmgewalzte Produkt ein Maß in einem Bereich von bis zu 12 mm, wenn es das Warmwalzwerk mit der Warmwalzwerkaustrittstemperatur verlässt, und vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 10 mm, wobei der Bereich von 4 bis 8 mm am stärksten zu bevorzugen ist.
Wenn das gewalzte Produkt des Weiteren einem Kaltwalzvorgang unterzogen wird, wird bevorzugt, dass die Gesamtkaltwalzreduktion in einem Bereich von 40 bis 70 liegt, um die mechanischen Eigenschaften weiter zu optimieren. Das Endmaß des gewalzten Legierungsprodukts liegt vorzugsweise in einem Bereich von ungefähr 2 bis 7 mm.
Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung kann des Weiteren einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen:

d) Lösungsglühbehandeln des warmgewalzten Produkts, nachdem es dem gesteuerten Abkühlungszyklus unterzogen wurde, oder des kaltgewalzten Produkts bei einer Temperatur und Zeit, die ausreichen, um lösliche Bestandteile in der Legierung in feste Lösung zu platzieren;
e) Abschrecken des lösungsglühbehandelten Legierungsprodukts durch eines von Sprühabschrecken oder Immersionsabschrecken in Wasser oder anderen Abschreckmedien;
f) wahlweise Strecken oder Pressen des abgeschreckten Legierungsprodukts oder anderweitiges Kaltumformen zum Entspannen, wie zum Beispiel Richten von Blechprodukten;
g) wahlweise Altern des abgeschreckten und wahlweise gestreckten oder gepressten Legierungsprodukts, um eine gewünschte Vergütung zu erreichen, die von der Legierungschemie abhängt, jedoch die Vergütungen T3, T351, T6, T4, T74, T76, T751, T7451, T7651, T77, T79 umfasst.

Des Weiteren ist es möglich, einen warmgewalzten Block nach einem ersten Warmwalzvorgang zu glühen und/oder wiederzuerwärmen und dann das Produkt zu einem Warmwalzendmaß erneut warmzuwalzen, wobei eine Abkühlung nach der Erfindung folgt. Es ist des Weiteren möglich, das warmgewalzte Produkt vor und/oder bei dem Kaltwalzen zwischenzuglühen. Diese Techniken, die nach dem Stand der Technik bekannt sind, können auf vorteilhafte Weise bei einem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit bei Verwendung des gesteuerten Abkühlungszyklus nach der Erfindung liegt in einem Bereich von 12 bis 20 °C/Stunde.
Bei einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst der Gussblock für die Verarbeitungsfolge des Verfahrens, das hierin offenbart wird, die folgende Zusammensetzung (in Gew.-Si 0,6 bis 1,3, Cu 0,04 bis 1,1, Mn 0,1 bis 0,9, Mg 0,4 bis 1,3, Fe 0,01 bis 0,3, Zr < 0,25, Cr < 0,25, Zn < 0,6, Ti < 0,15, V < 0,25, Hf < 0,25, andere Elemente, im Besonderen Verunreinigungen, jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,20, Rest Aluminium. Wobei Legierungen in dem Zusammensetzungsbereich von AA6013 oder AA6056 stärker zu bevorzugen sind.
Eine andere Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet einen Block, der die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) umfasst: Cu 3,8 bis 5,2, Mg 0,2 bis 1,6, Cr < 0,25, Zr < 0,25 und vorzugsweise 0,06 bis 0,18, Mn ≤ 0,50 und Mn: > 0 und vorzugsweise > 0,15, Fe ≤ 0,15, Si ≤ 0,15 und Mn-haltige Dispersoide und unwesentliche Elemente und Verunreinigungen jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,15 und der Rest im Wesentlichen und wobei die Mn-haltigen Dispersoide vorzugsweise wenigstens teilweise durch Zr-haltige Dispersoide ersetzt werden.
Nach einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung verwendet das Verfahren einen Block, der im Wesentlichen die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) umfasst: Zn 5,0 bis 9,5, Cu 1,0 bis 3,0, Mg 1,0 bis 3,0, Mn < 0,35, Zr < 0,25 und vorzugsweise 0,06 bis 0,16, Cr < 0,25, Fe < 0,25, Si < 0,25, Sc < 0,35, Ti < 0,10, Hf und/oder V < 0,25, andere Elemente, typischerweise Verunreinigungen, jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,15, Rest Aluminium. Typische Beispiele sind Legierungen in dem Bereich von AA7040, AA7050 und AA7x75.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Aluminiumlegierungs-Blech- oder Blechtafelprodukt offenbart, das hohe Zähigkeit und eine verbesserte Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit aufweist und das aus einem Legierungsprodukt hergestellt ist, das nach einem Verfahren, das oben beschrieben wurde und das hierin im Folgenden ausführlicher beschrieben wird, hergestellt wurde. Im Besonderen eignet sich die vorliegende Erfindung am besten zum Herstellen eines gewalzten Legierungsblechprodukts, das ein Strukturelement eines Luftfahrzeugs oder eines Kraftfahrzeugs ist. Ein solches gewalztes Legierungsblechprodukt könnte zum Beispiel als eine Rumpfaußenhaut eines Luftfahrzeugs oder ein Fahrzeugbauteil verwendet werden.
Das Vorgenannte und andere Merkmale und Vorteile des Verfahrens und der Legierungsprodukte nach der vorliegenden Erfindung werden gut ersichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungen und den folgenden Figuren, bei denen
1 eine typische Abkühlungskurve einer Aluminiumlegierung ist, die nach dem Warmwalzen unter Verwendung des Verfahrens nach dieser Erfindung abgekühlt wurde.
BEISPIELE
Beispiel 1
Bei einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung wurden zwei herkömmliche Legierungen (AA6013 und AA6056) gegossen und zu einem Blechprodukt verarbeitet. Hier wurden zwei Verarbeitungsvarianten verwendet:
Arbeitsfolge 1.
Es wurde eine normale Verarbeitungsfolge durch Gießen von Blöcken herkömmlicher AA6013- und AA60156-Legierungszusammensetzungen auf Laborebene verwendet. Blöcke von 80 × 80 × 100 mm wurden spanend getrennt, homogenisiert, vorgewärmt und zu 4,5-mm-Blech warmgewalzt. Nach dem Warmwalzen wurden die warmgewalzten Produkte auf herkömmliche Weise auf Umgebungstemperatur abgekühlt, indem dem Blech ermöglicht wurde, bei Umgebungsluft auf Raumtemperatur abzukühlen, der Kaltwalzstation zugeführt, auf 2 mm kaltgewalzt und 20 min bei 550 °C wärmebehandelt, danach abgeschreckt und 4 Stunden bei 190 °C auf eine T6-Vergütung gealtert.
Arbeitsfolge 2.
Blöcke herkömmlicher AA6013- und AA6056-Legierungszusammensetzungen wurden auf Laborebene gegossen und spanend zu einer Größe von 80 × 80 × 100 mm getrennt. Diese Blöcke wurden homogenisiert, vorgewärmt und zu 4,5-mm-Blech warmgewalzt. Eine Simulation des Warmwickelns auf einer industriellen Ebene wurde einbezogen, indem dem warmgewalzten Produkt eine ähnliche Temperaturgeschichte verliehen wurde wie diejenige, die ein Bandring bei Großproduktion aufgewiesen hätte. Die anderen Verarbeitungsschritte wurden ähnlich wie bei Arbeitsfolge 1 gehalten. Nach dem Kaltwalzen wurde das kaltgewalzte Produkt wurde 20 min bei 550 °C wärmebehandelt, abgeschreckt und nachfolgend 4 Stunden bei 190 °C auf eine T6-Vergütung gealtert. Die Ergebnisse werden in Tabelle 1 angegeben.
Tabelle 1. Übersicht der Festigkeit (R_p, R_m) unter Verwendung kleiner Euronorm, Kerbzähigkeit (TS/R_p), Korngrenzenkorrosion (IGC) in Tiefen und Typ der 6013- und 6056-Legierungszusammensetzungen, die nach Arbeitsfolge 1 und Arbeitsfolge 2, wie oben beschrieben, bei zwei unterschiedlichen Warmwalzaustrittstemperatureinstellungen verarbeitet wurden.
Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die gewalzten Produkte bessere Kerbzähigkeit bei höheren Warmwalztemperaturen unter Beibehaltung guter Niveaus bei Dehngrenze und spezifischer Zugfestigkeit zeigten. Des Weiteren gibt es eine Verbesserung bei der Korngrenzenkorrosion, so dass weitere Prüfungen in Bezug auf die Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit erfolgten (Tabelle 2).
Tabelle 2. Übersicht der Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit (FCGR) für die Beispiele Nr. 1,2 und 5,6 aus Tabelle 1 (höhere Warmwalztemperaturen) bei zwei unterschiedlichen ΔK-Niveaus.
Während die Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit der erfinderischen Produkte mit der Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit eines Produkts, das nach der Standardverarbeitungsfolge bei niedrigeren ΔK-Werten hergestellt wurde, nahezu identisch ist, wird die Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit bei höheren ΔK-Werten verbessert.
Nach einer anderen bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung wurde eine kupferarme hochschadenstolerante Legierungszusammensetzung der Serie AA6000 in einem Großproduktionsversuch hergestellt. Die Zusammensetzung wird in Tabelle 3 angegeben.
Tabelle 3. Zusammensetzung von hochschadenstolerantem Blechprodukt der Serie AA6000 in Gew.-%, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Die Legierung wurde zu einem Blechprodukt mit einem Warmwalzmaß von 4,5 mm verarbeitet. Die folgenden drei Verarbeitungsvarianten wurden dann angewendet:

Arbeitsfolge 1: Eine Standardverarbeitungsfolge. (Kein Wickelschritt nach dem Warmwalzen).
Arbeitsfolge 2.: Die erfinderische Verarbeitungsfolge mit Wickeln nach dem Warmwalzen und Warmwalzen und Kaltwalzen in derselben Richtung.
Arbeitsfolge 3.: Die erfinderische Verarbeitungsfolge mit Wickeln nach dem Warmwalzen und Warmwalzen und Kaltwalzen in unterschiedlichen Richtungen (Schrägwalzen).

Alle drei vorgenannten Verarbeitungsvarianten wurden nach der folgenden allgemeinen Verarbeitungsfolge angewendet:

a. Direct-Chill-Casting von Blöcken einer Legierungszusammensetzung nach Tabelle 3.
b. Homogenisieren der gegossenen Blöcke.
c. Vorwärmen der homogenisierten Blöcke für 6 Stunden bei 510 °C und nachfolgendes Warmwalzen der vorgewärmten Blöcke, dazu führend, dass die Austrittstemperatur ungefähr 450 °C bei einem Maß von 4,5 mm beträgt.
d1. Kein Wickeln (= Arbeitsfolge 1).
d2. Wickeln, Abkühlen und Schneiden zu Blechtafeln (= Arbeitsfolge 2).
d3. Wickeln, Abkühlen und Schneiden zu Blechtafeln (= Arbeitsfolge 3).
e1. Kaltwalzen auf ein Endmaß von 2 mm (Arbeitsfolge 1).
e2. Kaltwalzen in dieselbe Richtung wie bei dem Warmwalzen auf ein Endmaß von 2 mm (Arbeitsfolge 2).
e3. Kaltwalzen in eine andere Richtung wie bei dem Warmwalzen (Schrägwalzen) auf ein Endmaß von 2 mm (Arbeitsfolge 3).
f. Wärmebehandeln für 2 Stunden bei 550 °C.
g. Strecken des kaltgewalzten Produkts um 1,5 bis 2,5 %.
h. Altern für 4 Stunden bei 190 °C zu einem T6-Vergütungszustand.

Tabelle 4. Übersicht der Festigkeit (R_p, R_m) unter Verwendung kleiner Euronorm, Kerbzähigkeit (TS/R_p) und Korngrenzenkorrosion (IGC) eines fertigen Produkts mit einer Legierung nach Tabelle 3 und unter Verwendung von drei Verarbeitungsfolgen 1, 2 und 3, wie oben beschrieben.
Während die Festigkeitsniveaus gewahrt werden konnten, zeigten die gewalzten Produkte, die nach den Verarbeitungsfolgen 2 und 3 hergestellt wurden, eine bessere Kerbzähigkeit und ein besseres Korngrenzenkorrosionsverhalten. Folglich wurde außerdem die Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit gemessen und in den Tabellen 5 und 6 angegeben.
Tabelle 5. Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit in mm/Zyklus für 5 unterschiedliche ΔK-Werte für die Produkte, die nach den Verarbeitungsfolgen 1, 2 und 3, wie oben beschrieben, hergestellt wurden.
Tabelle 6. Werte von Tabelle 5 in Bezug auf den Standard (Arbeitsfolge 1).
Die oben ausgewiesenen Beispiele zeigen, dass die Schadenstoleranzeigenschaften von Blech- oder Blechtafelprodukten unter Verwendung des erfinderischen Verfahrens verbessert werden können und dass die Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit im Besonderen für höhere ΔK-Werte verbessert werden kann.
Beispiel 2.
1 zeigt eine typische kontinuierliche Abkühlungskurve für eine Aluminium-AA7050-Legierung bei Abkühlung von einer Warmwalzwerkaustrittstemperatur von 440 °C auf eine Temperatur unter 150 °C, wobei das Metallblech ein Maß von 4,5 mm aufweist und sofort bei Verlassen des Warmwalzwerks nach einer Ausführung des Verfahrens dieser Erfindung gewickelt wird. Die Breite des Bandrings betrug 1,4 Meter. Die Temperaturen des Bandrings als Funktion von Zeit werden außerdem in Tabelle 7 für den wärmsten Punkt eines Bandrings (der die Mitte ist und als HotSpt in 1 angezeigt wird) und den kältesten Punkt (der die Kante eines Bandrings ist und als ColdSpt in 1 angezeigt wird) angegeben. Tabelle 7 stellt außerdem die Temperaturen bei einem Bandring mit einer Breite von 2,8 Metern bereit.
Bei der gezeigten Abkühlungskurve in 1 beträgt das α ungefähr –0,084 hrs^–1.
Wenn einem Blech mit einem Maß von ungefähr 4,0 bis 4,5 mm ermöglicht wurde, unter Verwendung herkömmlicher Abkühlungspraktik von der Warmwalzwerkaustrittstemperatur auf unter 150 °C abzukühlen, indem nämlich die Blechtafel nach Verlassen des Warmwalzwerks ohne Wickelvorgang oder Ähnliches zum Abkühlen in normaler stehender Luft belassen wurde, lag das α typischerweise in dem Bereich von –0,5 bis –2 hrs^–1 und führte dazu, dass sich eine solche Blechtafel in einem Zeitraum von weniger als 3 Stunden von der Warmwalzwerkaustrittstemperatur auf eine Temperatur von 150 °C oder weniger abkühlte.
Der gesteuerte Abkühlungszyklus folgt der oben und in den Ansprüchen dargelegten Gleichung und die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit der gewickelten Produktform von 440 auf 150 °C liegt in dem Bereich von 12 bis 20 °C/Stunde.
Tabelle 7. Bandringtemperaturen als Funktion der Zeit bei Abkühlung nach der Erfindung für eine AA7050-Legierung mit einem Maß beim Wickeln von 4,5 mm.
Nachdem die Erfindung nun vollständig beschrieben wurde, ist für den Durchschnittsfachmann offensichtlich, dass viele Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang oder Geist der Erfindung, wie hierin beschrieben, abzuweichen.
Zusammenfassung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines hochschadenstoleranten gewalzten Aluminiumlegierungs-Produkts mit einer hohen Zähigkeit und einer verbesserten Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit, die folgenden Schritte umfassend: a) Gießen eines Blocks mit einer Zusammensetzung, die aus der Gruppe bestehend aus Legierungen der Serien AA2000, AA5000, AA6000 und AA7000 gewählt ist; b) Homogenisieren und/oder Vorwärmen des Blocks nach dem Gießen; d) Warmwalzen des Blocks zu einem warmgewalzten Produkt und wahlweise Kaltwalzen des warmgewalzten Produkts zu einem kaltgewalzten Produkt, dadurch gekennzeichnet, dass das warmgewalzte Produkt das Warmwalzwerk bei einer Warmwalzwerkaustrittstemperatur (T_Exit) verlässt, und Abkühlen des warmgewalzten Produkts von T_Exit auf 150 °C oder niedriger mit einem gesteuerten Abkühlungszyklus mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit, die in den Bereich fällt, der definiert wird durch: T(t) = 50 – (50 – T_Exit)e^α.t, und wobei T(t) die Temperatur (°C) als Funktion in Zeit (hrs) ist, t die Zeit (Stunden) ist und α in dem Bereich von –0,09 ± 0,05/hrs^–1) liegt.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines hochschadenstoleranten Aluminiumlegierungs-Walzprodukts mit einer hohen Zähigkeit und einer verbesserten Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit, die folgenden Schritte umfassend: a.) Gießen eines Blocks mit einer Zusammensetzung, die aus der Gruppe bestehend aus Legierungen der Serien AA2000, AA5000, AA6000 und AA7000 gewählt ist; b.) Homogenisieren und/oder Vorwärmen des Blocks nach dem Gießen; c.) Warmwalzen des Blocks zu einem warmgewalzten Produkt und wahlweise Kaltwalzen des warmgewalzten Produkts zu einem kaltgewalzten Produkt, dadurch gekennzeichnet, dass das warmgewalzte Produkt das Warmwalzwerk bei einer Warmwalzwerkaustrittstemperatur (T_Exit) verlässt, und Abkühlen des warmgewalzten Produkts von T_Exit auf 150 °C oder niedriger mit einem gesteuerten Abkühlungszyklus mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit, die in den Bereich fällt, der definiert wird durch; T(t) = 50 – (50 – TExit)eα.t und wobei T(t) die Temperatur (°C) als Funktion in Zeit (hrs) ist, t die Zeit (Stunden) ist und α in dem Bereich von –0,09 ± 0,05 (hrs^–1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei α in dem Bereich von –0,09 ± 0, 03 (hrs^–1) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das warmgewalzte Produkt einem gesteuerten Abkühlungszyklus unterzogen wird, wodurch eine erhöhte Temperatur für einen vorgegebenen Zeitraum aufrechterhalten wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das warmgewalzte Produkt dem gesteuerten Abkühlungszyklus durch Wickeln der warmgewalzten Produktlegierung nach dem Warmwalzen unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, wobei das warmgewalzte Produkt dem gesteuerten Abkühlungszyklus unterzogen wird, indem das gewalzte Produkt nach dem Warmwalzen kontinuierlich durch einen Ofen hindurch bewegt wird, wobei der Ofen so eingerichtet werden kann, dass Wärme auf das gewalzte Legierungsprodukt angewendet wird, während es sich zu einer Kaltwalzstation oder einer Wickelstation weiterbewegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das warmgewalzte Produkt dem gesteuerten Abkühlungszyklus durch Wickeln des gewalzten Legierungsprodukts nach dem Warmwalzen in einem Ofen unterzogen wird, wobei der Ofen so eingerichtet werden kann, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit des Legierungsprodukts während des Wickelns gesteuert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das warmgewalzte Produkt ein Maß in einem Bereich von weniger als 12 mm aufweist, während es das Warmwalzwerk bei der Warmwalzwerkaustrittstemperatur verlässt.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das warmgewalzte Produkt ein Maß in einem Bereich von 1 bis 10 mm und vorzugsweise in dem Bereich von 4 bis 8 mm aufweist:
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das Verfahren des Weiteren einen oder mehrere der folgenden Prozessschritte umfasst: d) Lösungsglühbehandeln des warmgewalzten Produkts, nachdem es dem gesteuerten Abkühlungszyklus unterzogen wurde, oder des kaltgewalzten Produkts; e) Abschrecken des lösungsglühbehandelten Legierungsprodukts; f) wahlweise Strecken oder Pressen des abgeschreckten Legierungsprodukts; g) wahlweise Altern des abgeschreckten und wahlweise gestreckten oder gepresster Legierungsprodukts, um eine gewünschte Vergütung zu erreichen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit in dem gesteuerten Abkühlungszyklus in einem Bereich von 12 bis 20 °C/Stunde liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Gießen eines Blocks die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) umfasst: Si 0,6 bis 1,3 Cu 0,04 bis 1,1 Mn 0,1 bis 0,9 Mg 0,4 bis 1,3 Fe 0,01 bis 0,3 Zr < 0,25 Cr < 0,25 Zn < 0,6 Ti < 0,15 V < 0,25 Hf < 0,25, andere Elemente jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,20, Rest Aluminium.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gießen eines Blocks eine Legierung in dem Zusammensetzungsbereich von AA6013 oder AA6056 umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gießen eines Blocks die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) umfasst: Cu 3,8 bis 5,2 Mg 0,2 bis 1,6 Cr < 0,25 Zr < 0,25 und vorzugsweise 0,06 bis 0,18 Mn ≤ 0,50 und Mn: > 0 und vorzugsweise > 0,15 Fe ≤ 0,15 Si ≤ 0,15, andere Elemente jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,15, Rest Aluminium.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gießen eines Blocks die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) umfasst: Zn 5,0 bis 9,5 Cu 1,0 bis 3,0 Mg 1,0 bis 3,0 Mn < 0,35 Zr < 0,25 und vorzugsweise 0,06 bis 0,16 Cr < 0,25 Fe < 0,25 Si < 0,25 Sc < 0,35 Ti < 0,10 Hf und/oder V < 0,25, andere Elemente jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,15, Rest Aluminium.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei das Gießen eines Blocks eine Legierung in dem Zusammensetzungsbereich, der aus der Gruppe aus AA7040, AA7050 und AA7x75 gewählt ist, umfasst.
Aluminiumlegierungs-Blech- oder Blechtafelprodukt mit einer hohen Zähigkeit und einer verbesserten Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit, das aus einer Legierung hergestellt ist, die nach einem Verfahren, das in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht wird, hergestellt wurde.
Gewalztes Legierungs-Blechprodukt nach Anspruch 16, wobei das Produkt ein Strukturelement eines Luftfahrzeugs oder eines Kraftfahrzeugs ist.
Gewalztes Legierungs-Blechprodukt nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Produkt eine Rumpfaußenhaut eines Luftfahrzeugs oder ein Fahrzeugbauteil ist.
Gewalztes Legierungsprodukt nach einem der Ansprüche 16 bis 18, wobei das gewalzte Legierungsprodukt ein Endmaß in dem Bereich von 2 bis 7 mm aufweist.