DE1608766B2

DE1608766B2 - Verfahren zur waermebehandlung von aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE1608766B2
Application number: DE19681608766
Authority: DE
Inventors: Joseph; Goldman Alan J.; New Haven; Setzer William C North Haven; Conn. Winter (V.St.A.)
Original assignee: Olin Corp., New York, N.Y. (V.StA.)
Priority date: 1967-01-23
Filing date: 1968-01-22
Publication date: 1973-03-22
Also published as: SE407947B; JPS512049B1; DE1608766A1; GB1192281A; CH509412A; US3490955A; NO122456B; FR1562063A; DE1608766C3; NL6800952A

Description

A) bei einer Temperatur unterhalb 232 ⁰C um mehr als 20% verformt,

B) anschließend bei 120 bis 342 ⁰C geglüht und schließlich

C) wie in Stufe A) erneut verformt wird,

dadurchgekennzeichnet, daß die Dauer der Wärmebehandlung mindestens 1 Sekunde beträgt, längstens aber während eines Zeitraumes durchgeführt wird, der durch die Formel T (8,95 + log 0 = 5700 definiert wird — mit T = Temperatur in Kelvin und t = Zeit in Minuten — mit der Maßgabe, daß die Wärmebehandlung während der so angegebenen Dauer auf jeden Fall vor Beginn der Rekristallisation abgebrochen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung vor der Durchführung der Stufe A) mindestens 4 Stunden lang bei Temperaturen über 460°C lösungsgeglüht wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verfahrensstufe B) wiederholt wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Folge der Verfahrensstufen A) und B) mehrmals wiederholt wird.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach der Homogenisierung ,schnell auf eine Temperatur unterhalb 232°C abgekühlt wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in der Verfahrensstufe A) bei einer Temperatur unterhalb 93⁰C gewalzt wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Legierungen auf Aluminiumbasis, durch das diesem eine hohe Festigkeit verliehen wird.

Es sind bereits verschiedene Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit von Aluminiumlegierungen bekannt. Vielfach sind diese Verfahren aber kostspielig und umständlich, oder es sind mehrere Arbeitsschritte erforderlich, deren Durchführung gleichfalls unbequem und kostspielig ist. Ferner muß bei den bekannten Verfahren häufig mit kritisch festgelegten Verfahrensbedingungen gearbeitet werden, so daß sich diese Verfahren nur unter Schwierigkeiten im technischen Maßstab durchführen bzw. anwenden lassen.

Weiterhin können die bekannten Verfahren zum Teil nur bei Anwesenheit bestimmter Legierungsbestandteile innerhalb eines relativ kleinen Bereichs von Legierungszusammensetzungen durchgeführt werden. Ferner lassen die bekannten Verfahren zum Erhöhen der Festigkeit von Aluminiumlegierungen bezüglich der erzielbaren Zugfestigkeit viel zu wünschen übrig. Außerdem muß bei einer Erhöhung der Festigkeit häufig eine gleichzeitige Verschlechterung anderer

ίο erwünschter physikalischer Eigenschaften in Kauf genommen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, diese Mangel zu beheben und ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mittels dessen die gebräuchlichen und im Handel erhältlichen Aluminiumlegierungen in einfacher und zweckmäßiger Weise optimale Festigkeitseigenschaften erhalten.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen, bestehend aus 0,05 bis 1,0% Eisen, 0,05 bis 1,0% Silizium sowie mindestens ein weiteres Legierungselement der nachstehenden Art: bis zu 10,0% Magnesium und/oder bis zu 3,0% Mangan und/oder bis zu 1,0% Kupfer und/oder bis zu 0,5% Chrom und/oder bis zu 0,5% Zink und/oder bis zu 0,5% Zirkonium und/oder bis zu 0,5% Titan und/oder bis zu 0,1% B°^r> gegebenenfalls weniger als 0,5 % andere Legierungskomponenten, insgesamt aber weniger als 1,5%; R^est Aluminium, bei dem die Legierung

A) bei einer Temperatur unterhalb 232° C um mindestens 20% verformt,

B) anschließend bei 120 bis 342°C geglüht und schließlich

C) wie in Stufe A) erneut verformt wird,

ist dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer der Wärmebehandlung mindestens 1 Sekunde beträgt, längstens aber während eines Zeitraumes durchgeführt wird, der durch die Formel T (8,95 + log t) = 5700 definiert wird — mit T = Temperaturen in Kelvin und / = Zeit in Minuten — mit der Maßgabe, daß die 'Wärmebehandlung während der so angegebenen Dauer auf jeden Fall vor der Rekristallisation abgebrochen wird.

Log bedeuteten, dekadischen Logarithmus.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Verfahrensstufe (B) wiederholt. Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, wenn die Folge der Y.erfahrensstufen (A) und (B) wiederholt wird.

Es ist ein wesentliches Merkmal der erfindungsgemäßen Arbeitsweise, daß in der Verfahrensstufe (B) durch -Abstimmung der Dauer der Glühbehandlung auf die angewendete Glühtemperatur Rekristallisationsvorgänge vermieden werden. Dies hat die sehr erwünschte Folge, daß bei der anschließenden Verformung in der Verfahrensstufe (C) eine ultrafeine Subkornstruktur mit Subkornbereichen von weniger als 0,0001 mm gebildet wird. Diese spezielle Gefügestruktur ermöglicht die beachtlichen Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften.

Durch diese Maßnahme unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch vom Stand der Technik, gemäß welchem die bei Al-Mg-Legierungen häufig beobachtete Spannungskorrosion bekämpft werden soll. Da diese Korrosion im wesentlichen durch an den Korngrenzen erfolgende Magnesiumausscheidungen hervorgerufen wird, ist vorgesehen, die Magne-

siumausscheidung so zu beeinflussen, daß diese im wesentlichen innerhalb der Kornmatrix erfolgt. Zu diesem Zweck werden Aluminiumlegierungen mit einem Magnesiumgehalt von 4 bis 8 °/o zunächst warm bearbeitet, insbesondere warm gewalzt. Dann schließt sich eine Kaltverformung und eine mindestens 2 Stunden dauernde Rekristallisationsglühung bei 204 bis 274° C an. Die endgültige Dickenverminderung erfolgt durch Kaltbearbeitung. Durch das Rekristallisationsglühen bilden sich jedoch neue und anders orientierte Kornbereiche, und gleichzeitig nimmt die Festigkeit ab. Das erfindungsgemäße Verfahren führt sogar bei den gebräuchlichen Aluminiumlegierungen zu einer überraschenden Verbesserung der Festigkeitswerte. Beispielsweise wurden Zugfestigkeitswerte auf reproduzierbare Weise erzielt, die bei der Aluminiumlegierung AlMn etwa 37 kp/mm², bei der Aluminiumlegierung AlMgI etwa 31,5 kp/mm², bei der Aluminiumlegierung A199 etwa 24,5 kp/mm² und bei der Aluminiumsorte E-Al etwa 24,5 kp/mm² überschritten. Die vorstehend genannten Festigkeitswerte sind insbesondere deshalb überraschend, weil normalerweise Wärmebehandlungen nach einer Kaltverformung zu einer erheblichen Verringerung der Streckgrenze und der Zugfestigkeit führen, so daß sich eine größere Verformbarkeit bzw. Geschmeidigkeit ergibt.

Die erfindungsgemäß zu behandelnden Aluminiumlegierungen enthalten vorzugsweise 0,3 bis 0,7% Silizium, 0,4 bis 0,8 % Eisen sowie mindestens ein weiteres Legierungselement der nachstehenden Art: 0,1 bis 0,3% Kupfer und/oder bis zu 1,6%.Mangan und/ oder bis zu 5,0 % Magnesium und/oder bis zu 0,2 % Chrom und/oder bis zu 0,3% Zink und/oder bis zu 0,3 % Zirkonium und/oder bis zu 0,05 % Bor und/oder bis zu 0,2 % Titan, gegebenenfalls jeweils bis zu 0,05 % andere Legierungskomponenten, insgesamt aber nicht mehr als 0,15%, Rest Aluminium. Zu den besonders bevorzugten Legierungen gehören die Aluminiumlegierungen AlMgI, AlMn, A199, ECE-Al, superreines Aluminium usw. Im allgemeinen werden die Legierungen der Reihen Reinstaluminium, Al(Mg)Mn und AlMg bevorzugt. :;. .■ ..j

Das jeweils angewendete Gießverfahren für die Legierungen ist nicht von kritischer Bedeutung, und man kann jedes gebräuchliche Verfahren anwenden, z. B. das direkte Abschreckverfahren oder das Verfahren mit kippbarer Form. Die Legierungen können ferner im warmen Zustand auf bekannte Weise zu Platten oder Blechen ausgewalzt werden.

Nach dem Gießen wird die Legierung vorzugsweise lösungsgeglüht, zweckmäßig bei einer Temperatur von über etwa 455°C und vorzugsweise über etwa 510°C. Der Gußblock oder Barren soll mindestens 4 Stunden lang auf der betreffenden Temperatur gehalten werden. Anschließend an diese Homogenisierung soll der Barren schnell auf eine Temperatur unterhalb 232° C und vorzugsweise auf eine Temperatur unterhalb 115° C abgekühlt werden, und zwar mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von über etwa 205° C je Stunde.

Gemäß der Erfindung wird in der Verfahrensstufe (A) die kritische Verformung durchgeführt, insbesondere mittels Walzen, doch kommen auch andere Arten der Verformung in Betracht, z. B. das Ziehen und Schmieden. Vorzugsweise wird die Legierung bei einer Temperatur unterhalb 93° C gewalzt.

Nach der Verformung wird die Legierung in der Verfahrensstufe (B) auf kritische Weise auf einer Temperatur zwischen 120 und 340° C gehalten, und zwar

während einer Zeitspanne, die nicht langer ist, als der vorstehend angegebenen Formel T (8,95 + log t) = 5700 entspricht. Die Mindestbehandlungsdauer ist nicht besonders kritisch, sofern sie wenigstens 1 Sekünde beträgt. Je höher die Temperatur innerhalb des vorstehend erwähnten Temperaturbereichs ist, desto kürzer ist natürlich die maximale zulässige Behandlungsdauer. Auf jeden Fall aber muß die Wärmebehandlung vor Beginn der Rekristallisation abgebrochen werden. Vorzugsweise wird in einem Temperaturbereich von 120 bis 230° C gearbeitet. Entsprechende Behandlungszeiten ergeben sich aus der nachstehenden Tabelle:

1-5 Temperatur	T	5700	5700 „	t
°C	(⁰K)	T		Minuten
204 246 279	477 519 552	11,95 10,98 10,33	3,00 2,03 1,38	1000 107 24

Anschließend wird die Legierung erneut unter den Bedingungen der Stufe (A) um mindestens 20 % verformt.

Vorzugsweise werden die Verfahrensstufen (A) und (B) drei- bis fünfmal wiederholt. Der letzte Arbeitsschritt des Verfahrens kann entweder ein Walzvorgang bzw. eine Verformung oder eine Wärmebehandlung sein, was sich nach den jeweiligen Erfordernissen richtet.

Die nachstehenden Beispiele erläutern die Erfindung.

Es wurden die folgenden Legierungen verwendet:

Aluminiumlegierung Al 99, Aluminiumlegierung AlMn, Aluminiumlegierung AlMgI sowie eine Aluminiumlegierung mit 4% Magnesium. Alle diese Legierungen wurden unter direkter Abschreckung gegossen und allseitig geschält, so daß man Barren von etwa 44,5 · 100 · 150 mm erhielt.

Beispiel I

Bei diesem Beispiel wurde die Legierung AlMn im gegossenen Zustand durch Kaltwalzen bearbeitet und von einer Dicke von 44,5 mm ausgehend schrittweise auf eine Dicke von 38, 31,8, 25,4, 20,3, 16,5, 12,7, 8,9, 6,35, 4,45, 3,1, 2,1, 1,78, 1,27, 0,915, 0,635, 0,457 und 0,355 mm ausgewalzt. Nach jeder Dickenverminderung — mit Ausnahme der letzten — wurde die Legierung 10 Minuten lang auf einer Temperatur von etwa 205° C gehalten. Bei einer Dehnung von 0,2% betrug die 0,2-Grenze etwa 40,9 kp/mm² und die Zugfestigkeit etwa 44,5 kp/mm².

F i g. 1 zeigt eine Mikrophotographie der Aluminiumlegierung AlMn entsprechend dem vorstehenden Beispiel bei einer Dicke von etwa 0,915 mm.

F i g. 2 zeigt zum Vergleich eine Mikrophotographie der Aluminiumlegierung AlMn bei einer Dicke von etwa 0,915 mm, wobei die Legierung in der nachstehenden Weise behandelt wurde: Die Legierung wurde bei etwa 590°C homogenisiert, wobei das Warmwalzen bei etwa 515° C begann, anschließend wurde sie auf die gewünschte Dicke ausgewalzt.

Die beiden in F i g. 1 und 2 wiedergegebenen Mikrophotographien wurden bei einer 30 OOOfachen Vergrößerung hergestellt. Es handelt sich um nach dem Durchsichtsverfahren hergestellte elektronenmikroskopische Photographien dünner Folien, zu deren Herstellung das kalt gewalzte Material durch elektro-

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chemisches Abtragen auf eine Dicke von etwa 2000 Ä 38, 31,8, 25,4, 20,3, 16,5, 12,7, 8,9, 6,35, 4,45, 3,1, gebracht wurde. 2,16, 1,52, 1,07, 0,76 und 0,56 mm kalt ausgewalzt. Die Mikrophotographien lassen erkennen, daß in Nach der letzten Kaltverformung wurde sie 10 Mi-Fig. 2 große Flächen mit Versetzungszonen vor- nuten lang auf einer Temperatur von etwa 148⁰C handen sind, zwischen die große Flächen von offenbar 5 gehalten; hierauf folgte eine zusätzliche Kaltverfornicht verformten! Metall eingestreut sind. Im Gegen- mung bis auf eine Dicke von 0,46 mm. Die Legierung satz hierzu weist die erfindungsgemäß behandelte hatte dann eine 0,02-Grenze von etwa 34,3 kp/mm² Legierung (Fig. 1) eine Anzahl von erkennbaren und bei einer Bruchdehnung von 1 % eine Zugfestigeinzelnen Körnern mit einer Abmessung von etwa keit von etwa 35,0 kp/mm². Wurde die Aluminium-0,0001 mm auf. Es sind keine Zonen zu sehen, inner- io legierung AlMgI zum Vergleich auf eine Dicke von halb deren das Metall offenbar nicht verformt wurde. 0,46 mm kalt ausgewalzt, so zeigte sie eine 0,2-Grenze Die Subkörner von geringerer Größe sind durch von nur etwa 19,7 kp/mm² und bei einer Brucherkennbare Korngrenzenwände getrennt. dehnung von 1% ^ei^ne Zugfestigkeit von nur etwa

_D . . . _TT 20,4 kp/mm².

B e ι s ρ ι e 1 II ₁₅

Die AluminiumlegierungAlMn wurde auf etwa Beispiel IV

590°C erhitzt und 16 Stunden lang auf dieser Tempe- (zum Vergleich")
ratur gehalten. Dann wurde die Legierung innerhalb

5 Sekunden in Wasser auf Raumtemperatur abge- Eine handelsübliche Aluminiumlegierung mit einem

schreckt; hierauf wurde sie schrittweise von einer 20 Magnesiumgehalt von 4% wurde nach dem Gießen

Dicke von etwa 44,5 auf 38, 31,8, 20,3, 16,5, 12,7, bis auf 4,57 mm kalt ausgewalzt, was einer Dicken-

8,9, 6,35, 4,45, 3,1 und 2,24 mm ausgewalzt. Nach verminderung von etwa 75 % entspricht. Anschließend

dem Auswalzen wurde die Legierung weiter schritt- behandelte man 2 Stunden lang in einem Ofen mit

weise kaltgewalzt, wobei nach jeder Dickenverminde- Luftumwälzung bei einer Temperatur von 204⁰C. Die

rung — mit Ausnahme der letzten — auf etwa 205⁰C 25 Aufheizzeit der Legierung betrug 10 Minuten. Nach

erhitzt, 10 Minuten lang auf dieser Temperatur ge- dem Glühen ließ man an der Luft abkühlen, polierte

halten und dann in Wasser auf Raumtemperatur ab- eine Probe und untersuchte sie unter dem Polarisations-

geschreckt wurde. In diesem Fall wurde die Dicke mikroskop.

der Legierung schrittweise von 2,24 auf 1,83, 1,27, Wie sich aus der Mikrophotographie von F i g. 3

0,915, 0,735, 0,61, 0,508, 0,43 und 0,33 mm verringert. 30 ergibt, hat an den durch Pfeile gekennzeichneten Stel-

Sie zeigte eine mittlere 0,2-Grenze von etwa 33,6 kp/ len eine deutliche Rekristallisation stattgefunden.

mm² und eine Zugfestigkeit von etwa 38,9 kp/mm². Diese Stellen unterscheiden sich auch farblich im

Das Mikrogefüge ähnelte dem in F i g. 1 gezeigten. polarisierten Licht von ihrer Umgebung, was auf

Eine in der gleichen Weise, jedoch unter Fortlassung eine andere Orientierung hindeutet,

der Zwischenglühungen, behandelte Legierung zeigte 35 Härtemessungen ergeben gleichfalls einen Nachweis

eine 0,2-Grenze von nur etwa 26,7 kp/mm² und bei für die Rekristallisation:

einer Bruchdehnung von 4% eine Zugfestigkeit von Vickershärte

nur etwa 30,4 kp/mm². (unter einer Last

um 10 kg)

B e i s ρ i e 1 III _{40 Nach dem Ka}i_{twa]zen 110}

Die Aluminiumlegierung AlMgI wurde von einer 2 Stunden Glühen bei 204⁰C 82,5

Dicke von 44,5 mm schrittweise auf eine Dicke von ¹J₂ Stunde Glühen bei 343,3 ⁰C .... 57

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen, bestehend aus 0,05 bis 1,0% Eisen, 0,05 bis 1,0% Silizium sowie mindestens ein weiteres Legierungselement der nachstehenden Art: bis zu 10,0% Magnesium und/oder bis zu 3,0 % Mangan und/oder bis zu 1,0 % Kupfer und/ oder bis zu 0,5% Chrom und/oder bis zu 0,5% Zink und/oder bis zu 0,5% Zirkonium und/oder bis zu 0,5% Titan und/oder bis zu 0,1% Bor, gegebenenfalls weniger als 0,5% andere Legierungskomponenten, insgesamt aber nicht mehr als 1,5%» Rest Aluminium, bei dem die Legierung