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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines stranggepressten Materials unter Verwendung einer Aluminiumlegierung auf Al-Zn-Mg-Basis, wobei insbesondere ein recyceltes Aluminiummaterial effektiv genutzt werden kann.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Bei hochfesten Aluminiumlegierungen, die für stranggepresste Materialien verwendet werden, sind vor allem Aluminiumlegierungen der Serie 6000 auf Al-Mg-Si-Basis und der Serie 7000 auf Al-Zn-Mg-Basis bekannt.
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Aus der Aluminiumlegierung, die für stranggepresste Materialien verwendet wird, werden lange Knüppel kontinuierlich zum Gebrauch gegossen, indem geschmolzenes Metall mit einer Legierungszusammensetzung, in der die Komponenten auf vorbestimmte Variationsbreiten eingestellt sind, von oben in eine Gussform eingespritzt wird und das geschmolzene Metall von einem unteren Teil oder unterhalb der Gussform abgekühlt und verfestigt wird.
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Bei diesem Herstellungsverfahren werden Si- und Fe-Komponenten einfach als Verunreinigungen beigemischt.
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Dementsprechend wird die Beimischung von Si und Fe zu einem Problem, wenn die gebrauchten Produkte, die einst als stranggepresste Materialien unter Verwendung von Knüppeln aus Aluminiumlegierungen hergestellt wurden, und Schrottmaterialien wie Reste, die bei der Herstellung von und Schrott, wie z.B. Reste, die bei der Herstellung von Produkten anfallen, hergestellt wurden, umgeschmolzen und als recycelte Aluminiummaterialien verwendet werden.
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In Aluminiumlegierungen auf Al-Si-Mg-Basis ist der Si-Gehalt ursprünglich groß, und der zulässige Bereich des Fe-Gehalts ist relativ groß, so dass die Beimischung von Si und Fe kein großes Problem darstellt, aber in Aluminiumlegierungen auf Al-Zn-Mg-Basis verursacht die Beimischung von Si und Fe eine Verringerung der Festigkeit und eine Verschlechterung der Biegeverformbarkeit und dergleichen und wird zu einem erheblichen Problem.
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Zum Beispiel offenbart Patentdokument 1 ein hochfestes stranggepresstes Aluminiumlegierungsmaterial, das 5,0 bis 7,0 Gew.-% Zn, 1,0 bis 1,50 Gew.-% Mg, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Cu, 0,05 bis 0,20 Gew.-% Zr, 0,03 bis 0,2 Gew.-% Cr, 0,3 Gew.-% oder weniger Mn und 0,001 bis 0,05 Gew.-% Ti enthält, und der Rest Al und unvermeidliche Verunreinigungen beinhaltet.
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Bei dem stranggepressten Aluminiumlegierungsmaterial, das in derselben Veröffentlichung offenbart wird, werden Si und Fe ebenfalls als Verunreinigungen behandelt, und in diesem Beispiel wird Si auf 0,1 Gew.-% oder weniger niedergehalten, und Fe auf 0,21 Gew.-% oder weniger niedergehalten.
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Dies liegt daran, dass 0,03 bis 0,2 Gew.-% Cr zugesetzt werden, um die Größe und Tiefe der rekristallisierten Schicht, die sich auf der Oberfläche des stranggepressten Materials bildet, zu unterdrücken, und es daher notwendig ist, die Mengen an Verunreinigungen wie Si und Fe auf geringe Mengen niederzuhalten, um eine hohe Festigkeit und SCC-Beständigkeit (Beständigkeit gegen Spannungskorrosionsrisse) sicherzustellen.
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DOKUMENT DES STANDS DER TECHNIK
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PATENTDOKUMENT
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Patentdokument 1:
JP-B-2928445 -
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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TECHNISCHES PROBLEM
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines stranggepressten Aluminiumlegierungsmaterials bereitzustellen, das einen zulässigen Variationsbreite von Verunreinigungen an Si und Fe erhöhen kann und hohe Festigkeit erreichen kann, um die Verwendung von recycelten Aluminiummaterialien zu ermöglichen.
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LÖSUNG DES PROBLEMS
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Ein Verfahren zur Herstellung eines stranggepressten Aluminiumlegierungsmaterials gemäß der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines stranggepressten Aluminiumlegierungsmaterials unter Verwendung einer Aluminiumlegierung, die 20 bis 95 Massenprozent eines recycelten Aluminiummaterials enthält, das durch Sammeln und Wiedereinschmelzen von stranggepressten Materialien aus Aluminiumlegierungen hergestellt wird, bei denen es sich um gebrauchtes Material oder Schrott handelt, die in einem Herstellungsverfahren erzeugt werden, die in Masseanteilen enthalten: 6,0 bis 8,0 % Zn, 1,0 bis 2,0 % Mg, 0.10 bis 0,50% Cu, 0,10 bis 0,25% Zr und 0,005 bis 0,05% Ti, mit 0,30% oder weniger Si und 0.40 % oder weniger Fe als Verunreinigungen und als Rest Al, einschließlich das Abkühlen eines stranggepressten Materials mit einer Abkühlgeschwindigkeit von 50 bis 750 °C/min von einer Temperatur des stranggepressten Materials von 325 bis 550 °C direkt nach dem Strangpressen und des anschließenden Durchführens einer zweiphasigen künstlichen Alterungsbehandlung bei 90 bis 130 °C für 1 bis 8 Stunden und bei 130 bis 180 °C für 1 bis 20 Stunden.
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In der Erfindung wird das recycelte Aluminiummaterial eingeschmolzen und durch Zugabe von Neumaterial erfolgt eine Einstellung der Komponenten bzw. der Bestandteile für das geschmolzene Metall.
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Hier können zusätzlich 0,35 % oder weniger Mn weiterhin enthalten sein und 0,25 % oder weniger Sr können weiterhin enthalten sein.
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Dadurch wird ein stranggepresstes Material mit einer Zugfestigkeit von 400 MPa oder mehr sowie einer 0,2%-igen Streckgrenze von 380 MPa oder mehr erhalten.
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Die Erfindung ist in der Lage, unmittelbar nach dem Strangpressen bei der Abkühlgeschwindigkeit eines Luftkühlungsniveaus abschreckzuhärten, während der zulässige Bereich der Mischungsmenge von Si und Fe als Verunreinigungen auf 0,30 Massenprozent oder weniger Si und 0,40 Massenprozent oder weniger Fe erhöht wird, um das Nutzungsverhältnis des recycelten Aluminiummaterials zu verbessern, und die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung, die so eingestellt ist, dass sie SCC-Beständigkeit mit hoher Festigkeit sicherstellt, wird unten beschrieben. Zn-Komponente:
- In einer Aluminiumlegierung der Serie 7000 hat eine Zn-Komponente den höchsten Gehalt, da die Strangpressbarkeit selbst bei einer relativ hohen Konzentration von Zn kaum abnimmt.
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Wird jedoch zu viel Zn zugesetzt, verschlechtert sich die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit, weshalb ein Bereich von 6,0 bis 8,0 Massenprozent Zn bevorzugt ist.
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Mg-Komponente:
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Eine Mg-Komponente ist neben Zn eine wichtige Zusatzkomponente, da eine hohe Festigkeit durch Ausscheidungen von MgZn2 mit der Zn-Komponente erzielt wird, aber mit zunehmender Zugabemenge verschlechtert sich die Extrudierbarkeit und auch die Biegeverformbarkeit, so dass ein Bereich von 1,0 bis 2,0 Massenprozent Mg bevorzugt ist.
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Cu-Komponente:
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Eine Cu-Komponente verbessert die Festigkeit durch Mischkristallbildung und hat die Wirkung, die Potentialdifferenz mit einer PF-Zone zu senken, indem sie zusammen mit MgZn2 in der Kristallkorngrenze des Metallgefüges existiert und dadurch die SCC-Beständigkeit verbessert.
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Hierbei bezieht sich die PF-Zone auf Bereiche (ausscheidungsfreie Zone) ohne Ausscheidungen, die auf beiden Seiten der Korngrenze beobachtet werden.
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Wenn jedoch zu viel Cu zugesetzt wird, verschlechtert sich die Extrudierbarkeit bzw. Strangpressbarkeit und die allgemeine Korrosionsbeständigkeit wird verschlechtert, so dass ein Bereich von 0,10 bis 0,50 Massenprozent Cu vorzuziehen ist.
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Zr, Mn, UND Cr Komponenten:
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Zr, Mn und Cr-Komponenten sind allesamt Übergangselemente, welche eine Wirkung des Unterdrückens der Tiefe der rekristallisierten Schicht haben, die sich zum Zeitpunkt des Strangpressens an der Oberfläche des stranggepressten Materials bildet, und eine Wirkung des Verfeinerns von Kristallkörnern, und verbessern die SCC-Beständigkeit.
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Jedoch gibt es Unterschiede in den Wirkungen auf die Abschreckhärtung unmittelbar nach dem Strangpressen, die Cr-Komponente macht die Abschreckhärtung am empfindlichsten, und die erforderliche hohe Festigkeit kann nicht ohne Hochgeschwindigkeitskühlung auf einem Wasserkühlungsniveau bei der Kantenabschreckhärtung erzielt werden.
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Es ist die Mn-Komponente, welche die Härteempfindlichkeit am nächststärksten erhöht, und die Zr-Komponente reagiert am wenigsten empfindlich auf die Abschreckhärtung, so dass im Rahmen der Erfindung die Einstellung durch Zugabe von Zr und Mn erfolgt und die Cr-Komponente so weit wie möglich verringert wird.
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Dementsprechend ist es bevorzugt, dass 0,10 bis 0,25 Massenprozent Zr und 0,35 Massenprozent oder weniger Mn festgelegt wird, und Cr bevorzugt nicht zugesetzt wird, und falls Cr zugesetzt wird, ist es bevorzugt, das Niveau an unvermeidbaren Verunreinigungen unter 0,05 Massenprozent zu halten.
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Sr-Komponente
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Die Sr-Komponente hat einen großen Einfluss auf die Kristallstruktur beim Gießen von Knüppeln, und das Zugeben einer sehr geringen Menge der Sr-Komponente unterdrückt ein Vergröbern von Kristallkörner und unterdrückt die Rekristallisation an der Oberfläche des stranggepressten Materials während des Strangpressens.
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Obwohl dies kein wesentlicher Bestandteil der Erfindung ist, werden bevorzugt 0,25 Massenprozent oder weniger Sr zugesetzt.
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Bei übermäßiger Zugabe von Sr treten jedoch grobkristalline Substanzen auf und die Festigkeit nimmt ab, so dass es notwendig ist, die Menge an Sr mit der Menge der Zugabe der Übergangselemente einzustellen, und eine Gesamtmenge von [Mn + Zr + Sr] wird in einem Bereich von 0,25 bis 0,50 Massenprozent festgelegt. Ti-Komponente:
- Eine Ti-Komponente ist wirksam hinsichtlich der Verfeinerung von Kristallkörnern während des Knüppelgießens, und Ti ist bevorzugt in einem Bereich von 0,005 bis 0,05 Massenprozent.
- Es wird angemerkt, dass häufig eine sehr geringe Menge B enthalten ist.
- Anschließend werden Gießen und Homogenisierungsbehandlung eines Knüppels beschrieben.
- Ein Knüppel zum Strangpressen wird im Allgemeinen als langer zylindrischer Knüppel stranggegossen.
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Als Gussverfahren werden verschiedene Verfahren wie etwa ein Heißluft-Gussverfahren und ein Schwimmer-Gussverfahren durchgeführt, und in beiden Fällen wird die Aluminiumlegierung in einen langen zylindrischen Knüppel gegossen, indem er von einem Umfang an einem unteren Teil einer Gussform oder einer Unterseite der Gussform abgekühlt und erstarrt wird.
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Der Knüppel, der in der Erfindung verwendet wird, hat bevorzugt ein Gussgefüge mit einem feinen Gefüge, das aus feinen Kristallkörnern zusammengesetzt ist, und eine Gießgeschwindigkeit, mit der er abgekühlt und erstarrt wird und auf der Unterseite der Gießform gegossen wird, beträgt bevorzugt 50 mm/min oder mehr, und als Ergebnis wird das Feingefüge des Knüppels bevorzugt zu einem Gussgefüge mit einer durchschnittlichen Korngröße von 250 µm oder weniger, besonders bevorzugt 200 µm oder weniger.
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Die Strangpressbedingungen werden beschrieben.
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Eine Strangpressvorrichtung weist einen Behälter auf, an dessen Vorderseite eine Extrusionsdüse angebracht ist, ein zylindrischer Knüppel wird in den Behälter geladen und von hinten durch eine Spindel oder dergleichen warmstranggepresst.
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Hierbei wird der Knüppel in einem Zustand in den Behälter geladen, in dem der Knüppel auf 400 °C oder höher, bevorzugt 430 bis 510 °C, vorgewärmt und stranggepresst wird.
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Das durch Warmumformung stranggepresste Material hat ebenfalls eine hohe Temperatur aufgrund der Umformwärme, jedoch ist es bevorzugt, 440 °C oder höher sicherzustellen, um die nachfolgende Abschreckhärtung ausreichend durchzuführen, und zumindest 325 °C oder höher ist zu dem Zeitpunkt des Beginns der Kühlung durch Luftkühlung erforderlich.
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Wenn die Temperatur des stranggepressten Materials direkt nach dem Strangpressen 550 °C übersteigt, ist dies nicht empfehlenswert, da Furchenfehler auftreten können..
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Für das stranggepresste Material, das wie oben beschrieben stranggepresst wurde, wird eine Formwerkzeugkanten-Abschreckhärtung durch Luftkühlung durchgeführt.
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Die Abkühlgeschwindigkeit im Bereich von 50 bis 750 °C/min wird durch Gebläsekühlung oder ähnlichen sichergestellt.
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Bei der herkömmlichen Wasserkühlung wird das stranggepresste Material oft lokal schnell abgekühlt, und es kommt leicht zu einer Dehnungsverformung im stranggepressten Material, wie etwa einer Querschnittsverformung, während bei der Erfindung durch die Luftkühlung eine hohe Festigkeit erreicht wird und die Dehnungsverformung durch die Kühlung auch unterdrückt werden kann.
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Die künstliche Alterungsbehandlung nach dem Strangpressen wird beschrieben. Ein stranggepresstes Material, das aus einer Aluminiumlegierung der Serie 7000 hergestellt ist, kann eine hohe Festigkeit erlangen, indem G.P.-Zonen und Zwischenphasen in der Kristallstruktur des stranggepressten Materials ausgefällt werden, und eine zweiphasige künstliche Alterungsbehandlung wird bei 90 bis 130 °C für 1 bis 8 Stunden für eine erste Phase und bei 130 bis 180° C für 1 bis 20 Stunden für eine zweite Phase durchgeführt.
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VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
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In der Erfindung kann durch Anwenden der oben beschriebenen Aluminiumlegierungszusammensetzung und der Herstellungsbedingungen die nutzbare Menge an recyceltem Material erhöht werden und es können stranggepresste Materialien mit hoher Festigkeit und ausgezeichneter SCC-Beständigkeit erlangt werden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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- 1 veranschaulicht Zusammensetzungen von für die Bewertung verwendeten Aluminiumlegierungen.
- 2 veranschaulicht Bedingungen zum Gießen und Strangpressen von Knüppeln.
- 3 veranschaulicht Bewertungsergebnisse von stranggepressten Materialien.
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BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Zusammensetzungen verschiedener Aluminiumlegierungen wurden angepasst, und zylindrische Knüppel mit einem Durchmesser von 8 Zoll wurden experimentell hergestellt und bewertet, während die Strangpressbedingungen untersucht wurden, wie im Folgenden beschrieben wird.
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Lange Knüppel von 8 Zoll wurden mit den in der Tabelle aus 2 angegebenen Gießgeschwindigkeiten gegossen, wobei geschmolzene Metalle aus Aluminiumlegierungen mit verschiedenen Legierungszusammensetzungen verwendet wurden, die in der Tabelle aus 1 dargestellt sind.
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In diesem Fall wurden recycelte Aluminiummaterialien in Proportionen verwendet, die in einer Tabelle in 2 dargestellt sind, um die Zusammensetzungen in einer Tabelle aus 1 einzustellen.
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Als nächstes wurde direkt nach der Homogenisierungsbehandlung unter den in der Tabelle aus 2 als „HOMO“ dargestellten Homogenisierungsbehandlungsbedingungen eine Abkühlung unter den Bedingungen der „Abkühlgeschwindigkeit nach HOMO“ in der Tabelle aus 2 durchgeführt.
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Es wird angemerkt, dass die in der Tabelle aufgeführten Bedingungen jeweils für die Erfindung geeignete Bedingungen darstellen.
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In der Tabelle wurde die „Knüppelkristallkorngröße“ durch Messung eines Wertes der durchschnittlichen Kristallkorngröße mit einem Lichtmikroskop ermittelt, nachdem ein Prüfstück mit gegossenem Querschnitt aus einem Knüppel herausgeschnitten und das Prüfstück poliert und geätzt wurde.
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In der Tabelle gibt die „BLT-Temperatur“ die Vorwärmtemperatur an, wenn der Knüppel in einen Behälter einer Strangpressvorrichtung geladen wird, die „Profiltemperatur nach dem Strangpressen“ gibt die Oberflächentemperatur eines stranggepressten Materials direkt nach dem Strangpressen an, die „Profiltemperatur zu Beginn der Abkühlung“ und die „Abkühlgeschwindigkeit nach dem Strangpressen“ gibt die Oberflächentemperatur des stranggepressten Materials zu Beginn der Formwerkzeugkanten-Abschreckhärtung und eine Abkühlgeschwindigkeit durch Gebläseluftkühlung an.
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In der Tabelle bezeichnen die „Wärmebehandlungsbedingungen“ die Bedingungen und die Behandlungsdauer der künstlichen Alterungsbehandlung.
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Die Bewertungsergebnisse sind in einer Tabelle der 3 dargestellt.
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Die in der Tabelle angegebene „T5-Zugfestigkeit“, „T5-Streckgrenze“ und „T5-Dehnung“ wurden durch Ausschneiden von JIS-Z2241- und JIS-5-Prüfkörpern in Strangpressrichtung aus den stranggepressten Materialien gemessen, die der zweistufigen künstlichen Alterungsbehandlung mit einem den JIS-Normen entsprechenden Zugprüfgerät unterzogen wurden.
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Wie bei „SCC“ in der Tabelle wurde das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Rissen bewertet, indem das stranggepresste Material in der Strangpressrichtung in Prüfstücke geschnitten wurde, 80 % der Spannung eines in der Tabelle unter „T5-Streckgrenze“ angegebenen Wertes der 0,2%-igen Streckgrenze in einer Biegerichtung aufgebracht und 720 Zyklen unter den folgenden Bedingungen durchgeführt wurden.
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In der Tabelle zeigt ein „Kreis“ an, dass kein Riss aufgetreten ist. SCC-Widerstandstest eines Zykluses
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Nachdem die Prüfkörper 10 Minuten lang in eine 3,5 %-ige wässrige NaCl-Lösung bei 25 °C getaucht wurden, wurden sie 50 Minuten lang in einer Atmosphäre von 25 °C und 40 % Luftfeuchtigkeit festgehalten und danach aus einem Prüfofen zum natürlichen Trocknen herausgenommen.
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Was die „Mikrostruktur, Tiefe der Oberflächenrekristallisation“ in der Tabelle betrifft, so wurde ein stranggepresster Querschnitt des stranggepressten Materials poliert und geätzt, und die Tiefe der rekristallisierten Schicht, die sich auf einer Oberflächenseite des stranggepressten Materials gebildet hat, wurde mit einem optischen Mikroskop gemessen.
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Aus den Bewertungsergebnissen in 3 lässt sich Folgendes aussagen:
- In jedem der Beispiele 1 bis 8 lagen die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung, die Gießbedingungen des Aluminiumknüppels und die Strangpressbedingungen innerhalb der festgelegten Bereiche, so dass die Verwendungsrate des recycelten Aluminiummaterials innerhalb des Bereichs von 20 bis 95 % hoch angesetzt werden konnte.
- Im Gegensatz dazu betrug das recycelte Aluminiummaterial in Vergleichsbeispiel 1 100 %, so dass der Si-Gehalt nicht auf 0,30 % oder weniger niedergehalten werden konnte und der Fe-Gehalt nicht auf 0,40 % oder weniger gesenkt werden konnte und die SCC-Beständigkeit nicht das Ziel erreichte.
- In Vergleichsbeispiel 2 wurde die Verwendungsmenge des recycelten Aluminiums auf 25 % gesenkt, aber die Legierungszusammensetzung lag außerhalb der Festlegung, so dass die SCC-Beständigkeit nicht das Ziel erreichte.
- In Vergleichsbeispiel 3 betrug der Anteil des verwendeten recycelten Aluminiums 100 %, und auch in diesem Fall erreichte die Festigkeit nicht das Ziel.
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INDUSTRIELLE ANWENDBARKEIT
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In der Erfindung können stranggepresste Aluminiumlegierungsmaterialen mit einer hohen Festigkeit und hervorragender SCC-Beständigkeit erhalten werden, während recycelte Aluminiummaterialien effektiv genutzt werden, und die stranggepressten Aluminiumlegierungsmaterialen können für Strukturelemente von Fahrzeugen und verschiedenen Maschinen verwendet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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