DE2064741A1

DE2064741A1 - Verfahren zum Erzeugen hochplastischer Eigenschaften bei Zmk-Aluminium-Legierungen

Info

Publication number: DE2064741A1
Application number: DE19702064741
Authority: DE
Inventors: Colin John Bristol Swanson (Groß bntannien). R
Original assignee: Imperial Smelting Corp Ltd
Current assignee: Imperial Smelting Corp Ltd
Priority date: 1970-01-01
Filing date: 1970-12-31
Publication date: 1971-07-15
Also published as: FR2075148A5; DE2064741B2; GB1297101A; JPS5011847B1; DE2064741C3; US3753791A

Description

IMPERIAL SMELTING CORPORATION (N.S.G.) LIMITED, Austral House, Basinghall Avenue, E.G. 2, London, England

Verfahren zum Erzeugen hochplastischer Eigenschaften bei Zink-Aluminium-Legierungen

Die Erfindung betrifft die Wärmebehandlung von Zink-Aluminium-Legierungen, um bei derartigen Legierungen hochplastische Eigenschaften zu erzeugen.

Der Ausdruck "hochplastisch" wird hier in Beziehung auf Metalle verwendet, die eine wesentliche Empfindlichkeit bezüglich der Dehnungsgeschwindigkeit aufweisen. Die Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit m ist der variable Exponent in der Formel <* = KE^¹, in der <*■ die Spannung in Last pro Flächeneinheit, E die Dehnungsgeschwindigkeit in Längenänderung pro Zeiteinheit und K eine Konstante darstellen, die als Dehnungsgeschwindigkeitskoeffizient bezeichnet wird.

Während das Vorhandensein einer wesentlichen Empfindlichkeit der Dehngeschwindigkeit m die größtmögliche Längung bestimmt, der ein Metall ohne Bruch unterworfen werden kann, ist der Dehngeschwindigkeitskoeffizient K kennzeichnend für die Bestimmung der Festigkeit des Materials und folglich für die Größe der Verformungsarbeit des Teiles.

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Bekannte Verfahren zum Erzeugen hochplastischer Eigenschaften bei Zink-Aluminium-Legierangen bestehen aus einer Wärmebehandlung der Legierung bei einer Temperatur oberhalb 275° C für eine Zeitspanne, die ausreichend ist, um.die Legierung im wesentlichen homogen zu machen, dem Abschrecken oder einem ähnlich schnellen Abkühlen der Legierung und der mechanischen Bearbeitung der abgekühlten " Legierung bei einer Temperatur unterhalb 273° C.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß es beim Arbeiten mit Zink-Aluminium-Legierungen mit 18 bis 40 Gew.-% Aluminium möglich ist,dieses Wärmebehandlungs-Abkühlverfahren derart abzuändern, daß im Gegensatz zum Abschrecken eine relativ langsame Abkühlgeschwindigkeit verwendet wird, vorausgesetzt, daß wahrend der Durchführung des Verfahrens bestimmte Maßnahmen getroffen werden.

Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zum Erzeugen hochplastischer Eigenschaften bei Zink-Aluminium-Legie- K rungen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

(a) Die an sich bekannte Wärmebehandlung eines Körpers aus einer Legierung mit 18 bis 40 Gew.-% Aluminium und Eest Zink mit zufälligen Verunreinigungen und geringen Anteilen an ternären Legierungsbestandteilen, wobei die Zu^- sammensetzung der^ Legierung und die Temperatur derart sind, dafiVlmeilipiT^Ht^en^Bfereich des Zink-Aluminium-Zustandsdiagramms solange veiharrt wird, bis eine im wesentlichen homogene Struktur erreicht ist;

(b) Das anschließende Abkühlen des aus der Legierung bestehenden Körpers auf eine Temperatur unterhalb 275° C mit einer 10° C pro Minute nicht übersteigendem Abkühl-

10qfi29/12CU -"^"^:-^: BADORfGiNAL

geschwindigkeit; und

(c) Das Bearbeiten des aus der Legierung bestehenden Körpers, um eine seiner Abmessungen um mindestens 90 % zu verringern, wobei mindestens die Hälfte der gesamten prozentualen Verringerung einer Abmessung unterhalb einer Temperatur von 275° und die gesamte prozentuale Verringerung seiner Abmessung oberhalb einer Temperatur von i 200° C durchgeführt wird.

Vorzugsweise beträgt diese Verringerung mindestens 92 % oder mindestens 94- %, d.h. die Abmessungen des Werkstückes sind kleiner als 10 % und vorzugsweise kleiner als 6 % der Abmessungen des ursprünglichen Legierungskorpers. Sie Bearbeitung wird vorzugsweise durch Walzen durchgeführt.

Die Abkühlgeschwindigkeit von weniger als 10⁰G pro Minute unterscheidet sich sehr stark von einer Abschreckgeschwindigkeit, die normalerweise mehrere Grade pro Sekunde betragt. Die Abkühlung kann durch Abkühlung in Luft (normalerweise in ruhender Luft) oder durch Abkühlung durch * Abschalten der Wärmezufuhr der Wärmebehandlungszone, wie z.B. des Ofens, durchgeführt werden, wobei die gesamte Umgebung dieser Art abkühlen kann. Die Abkühlung im Ofen ist normalerweise langsamer als die Abkühlung in Luft und vorzugsweise kommt eine Abkühlgeschwindigkeit von 3 bis 5° G pro Minute zur Anwendung.

Weitere vorzugsweise Kennzeichen schließen eine Wärmebehandlungszeit von mindestens 3 Stunden (eine kürzere Zeit ist jedoch nicht immer unzureichend für eine vollständige Homogenisierung) und eine fallweise zusätzliche Bearbeitungs-

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stufe unterhalb einer Temperatur von 200° C insbesondere für die Legierungen mit dem geringeren Aluminiumanteil innerhalb des angegebenen Bereiches ein.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht in der Kombination der Verfahrensschritte von Abkühlen und Bearbeiten, die im Temperaturbereich von 2GO bis 275° G und vorzugsweise P von 200 bis 250° 0 durchgeführt werden. Somit kann, vorausgesetzt daß die oben angeführten Bedingungen erfüllt sind, ein Teil der Bearbeitung oberhalb 275° C jedoch der größte Teil der Bearbeitung im Bereich zwischen 200° C und 275° G durchgeführt werden, oder die gesamte Bearbeitung kann in diesem Bereich durchgeführt werden. Da es möglich ist, derart zu arbeiten, daß das Abkühlen bis auf eine Temperatur unterhalb 200° C durchgeführt wird, wird der aus der. Legierung bestehende Körper auf eine Temperatur oberhalb 200 C wieder aufgeheizt und anschließend mindestens ein Teil der gesamten Abmessungsverringerung unterhalb einer Temperatur von 275° C durchgeführt. Aus dem gerade Angeführten ergeben . sich weitere Möglichkeiten von selbst. So kann die gesamte ' (mindestens 90 % betragende) Verringerung nach einer derartigen Wiederaufheizung durchgeführt werden. Alternativ kann der Körper teilweise vor dem Abkühlen unterhalb einer Temperatur von 200° C bearbeitet werden (d.h. auf Raumtemperatur), wobei eine derartige Bearbeitung völlig oder nur teilweise unterhalb einer Temperatur von 275° C erfolgt, und anschlies-

send die Legierung nach dem Wiederaufheizen weiter bearbeitet kann

werden/. In allen diesen Pällen soll die Bearbeitung im Temperaturbereich von 200 bis 275° G die Hälfte der gesamten Bearbeitung betragen, wobei die gesamte Bearbeitung mindestens % Verringerung der ursprünglichen Abmessung beträgt.

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Weiterer Gegenstand der Erfindung ist die nach dem obigen Verfahren hergestellte hochplastische Legierung. Um allgemein zweckdienlich zu sein, sollte diese eine Unterdruckverformzeit haben, im folgenden kurz UVZ, die für ein Blech mit 1,27 nun Dicke durch das unten beschriebene Verfahren bestimmt wird, kleiner als 350 Sekunden ist. Dieser Wert ist jedoch nicht kritisch und hängt von der beabsichtigten Endverwendung des Materials ab. Die Dicke der Probe beeinflußt diese TTVZ jedoch nicht linear.

Eine derartige Legierung kann aus Zink und Aluminium mit lediglich zufälligen Verunreinigungen bestehen. Es kann die eutektische Zusammensetzung verwendet werden, jedoch hat sich die sogenannte 70/30 Zink-Aluminiumlegierung mit den auf diesem Fachgebiet üblichen Zusammensetzungstoleranzen gleichfalls als gut verwendbar erwiesen. Ternäre Legierungsbestandteile können gleichfalls verwendet werden. So kann Magnesium anwesend sein, z.B. in Mengen bis zu 0.1 Gew.-% (insbesondere 0.01 %) und Kupfer in Mengen bis zu 1.0 Gew.-% (insbesondere 0*5 Gew.-%).

Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden nicht einschränkenden Beispiele weiter erklärt und beschrieben. In jedem dieser Beispiele wird auf die "Unterdruckverformzeit" oder "UVZ" Bezug genommen. Diese Größe ist ein bekanntes Maß der Hochplastizität und wird dadurch ermittelt, daß (I) eine Scheibe aus der Legierung über dem Ende eines Rohres mit einem Innendurchmesser von 81.28 mm, in dem ein temperaturgeregelter Lufteinscbluß aufrechterhalten wird, angeklammert, (II) auf eine Seite der Scheibe Unterdruck aufgebracht wird und (III) die Zeit gemessen wird, die notwendig ist, um die

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Scheibe ' in einer Halbkugel von 29,21 mm Radius zuYzormen, dJbt, um die Fläche um 50 % zu vergrößern. Eine zweckdienliche Vergleichsprobe wird verwendet, um festzustellen, wann der halbkugelige Zustand erreicht ist.

In den folgenden Beispielen sind die Ausdrücke "Anlagen" und "Homogenisierung" als Synonyme verwendet.

Ein Legierungskcirper von 19»Q5 Hirn Dicke,bestehend aus 70 Gew,-% Zink, 30 Gew,-% Aluminium und 0,5 Gew.-% Kupfer (ermittelt auf der Basis des vorhandenen Zinks und Aluminiums) wurde bei 375° C 5 Stunden lang erhitzt, auf Baumtemperatur in Luft abgekühlt, auf 250^Q C wieder erhitzt und bei dieser Temperatur in ein 1.27 mm dickes Blech gewalzt. Die Unterdruckverformzeit betrug 255 Sekunden*

Ein gleicher Iiegierungskörper wurde bei 375° C für eine Stunde erhitzt, abgeschreckt und eine Stunde lang bei Raumtemperatur gealtert und auf 1,27 rat *>ei 250° G ausgewalzt und ergab eine fast gleiche unterdruckverformzeit von 24-5 Sekunden. Somit scheinen beide Verfahren zu beinahe gleichem Ergebnis zu führen·

BBISPIBtE" 2 BIS θ

Legierungsgttt von 19»O5 mm Dicke und ©ine ßewißbtszusammensetaung von 70 % Zink, 30 % Aluminium und 0.01 % Magnesium, ermittelt auf der Basis des Gesamtζinks und Aluminiums wur-

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de wärmebehandelt, verschiedenartig abgeschreckt oder in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt und danach wieder aufgeheizt und bei 250° C auf 1.27 mm Dicke gewalzt. Das Vorgehen wies folgende Einzelheiten auf:

Homogenisiert Abkühlung durch UVZ in Sek.

Beisp. 2:	1	Stunde	bei	35O°C	Abschrecken	140
Beisp. 3:	1	Stunde	bei	375⁰C	Abschrecken	245
Beisp. 4:	1	Stunde	bei	375⁰G	Luftkühlung	1 110
Beisp. 5:	5	Stunden	bei	375°C	Luftkühlung	265
Beisp. 6:	1	Stunde	bei	400⁰O	Abschrecken	180
Beisp. 7:	1	Stunde	bei	400⁰C	Luftkühlung	580
Beisp. 8:	5	Stunden	bei	400⁰C	Luf tkühlung	180

Die Beispiele 2, 3 und 6 veranschaulichen das nach dem Stand der Technik bekannte Verfahren, während die Beispiele 4 und 7 die Wirkung einer unzureichenden Homogenisierungszeit veranschaulicht. Die Beispiele 5 und 8 veranschaulichen die Erfindung. Die Abkühlung in Luft tritt mit ungefähr 5° C pro Minute auf.

BEISPIEL 9

>sassB«sass

Dieses Beispiel veranschaulicht, daß die anfänglich verwendete Art des Legierungskörpers zwar einen gewissen Einfluß auf die Ergebnisse hat, die Erfindung (jedoch ganz allgemein angewendet werden kann.

Das Walzen von Platinen von 19·Ο5 roa Dicke, die (A) durch Schwerkraftguß und (B) durch semikontinuierlicbes Gießen

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mit direkter Kühlung hergestellt waren und eine 70/30 Zink-Aluminium-Zusammensetzung aufwiesen, wurden bei 375° C angelassen und anschließend in Luft auf Raumtemperatur abgekühlt. Sie wurden anschließend auf 250° C wieder erwärmt und bei dieser !Temperatur auf 1.27 mm gewalzt. Dies ergab folgende Ergebnisse: -

ANLASS-ZEIT IN STUNDEN UVZ IN SEKUNDEN.

(A)	(B)
1100	___
270	465
	245

16
21 275

no — 310

Es ist klar ersichtlich, daß die Anlaßzeiten,, die notwendig sind, um eine annehmbare UVZ von z.B. 350 Sekunden oder weniger zu erreichen, verschieden sind, jedoch daß bei jeweils ausreichender Anlaßzeit keine wesentlichen Unterschiede offensichtlich sind.

BEISPIEL 10

Dieses Beispiel veranschaulicht, daß, obwohl eine geeignete Bearbeitung unterhalb einer Temperatur von 275° G durchgeführt werden muß, es möglich ist, die Bearbeitung teilweise oberhalb dieser Temperatur durchzuführen, ohne die mögliche Hochplastizität zu verringern.

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Eine 19.05 mm dicke, schwerkraftgegossene Walzplatte von der 70/30 Zink-Aluminium-Zusammensetzung wurde für 5 Stunden und bei 373° C angelassen. Danach wurde sie in der folgenden Weise gewalzt, wobei die folgenden Wirkungen erzielt wurden:

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BEHANDLUNG WZ IN SEKÜNDl

(I) Ohne Abkühlen; gewalzt von 19.05 auf 1,27 mm bei 375^Q 0 2 300

_, (II) Ofenabküblung; " " 350° 0 920

ο (hi) « » η ₅₂₅o _{c 660}

S (IY) " " " 300° C . 960

S (V) " " " 250° C 310

^ (YI) Ohne Abkühlen; gewalzt von 19.05 auf 17.78 mm bei 375° 0

•^ dann anschließend ι

ο · .■·■.■

*" Ofenabkühlung; gewalzt von 17.78 auf 16.51 mm bei 350° C

dann. " " 16.51 auf 15.24 mm bei 325° C

dann " " 15.24 auf 13.97 mm bei 300° C

dann " " 13-97 auf 12.70 mm bei 375° C

dann " , ". 12.70 auf 1.27 mm bei 250° C 245

(YII) Abkühlen inLuft^kuf Raumtemperatur; Wiedererwärmen; gewalzt von

19.05 auf 1.27 mm bei 250° C .270

BEISPIEL 11

Dieses Beispiel veranschaulicht, daß ein \ ■ Herunterwalzen bei Temperaturen ·β£β¥ί!«ΜΓνοη 275° G der Hochplastizität schädlich ist.

Schwerkraftgegossene Platten aus 70/30 Zink-Aluminium-Le- (| gierung wurden für 5 Stunden bei der Temperatur von 375°C angelassen. Danach wurden sie verschiedenen Bearbeitungen unterworfen.

Eine Platte wurde in Luft abgekühlt und 24 Stunden lang darauf temperaturgealtert und anschließend auf 250° O wiedererwärmt und bei dieser Temperatur auf 1.27 mm gewalzt. Sie wies eine UVZ von 285 Sekunden auf.

Die andere Platte wurde nicht abgekühlt, sondern bei 375° C auf 9.525 nun herunter ge walzt und anschließend in Luft abgekühlt und für 24 Stunden bei Baumtemperatur gealtert, ehe sie auf 250° C wiedererwärmt wurde und bei dieser Tempera- f tür auf I.27 mm heruntergewalzt wurde. Sie wies eine UVZ von 720 Sekunden auf.

Dieser Unterschied der Ergebnisse kann

Bearbeitung p von 275° O zugerechnet werden. Weiterhin scheint es im Vergleich mit Beispiel 10 möglich zu sein, daß die Wiedererhitzung auf irgendeine Weise den gesamten Vorgang verßchlechterti da sie ziemlich lange dauert, weil der Hohling 9.525 m* äick ist.

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BEISPIEL 12

Dieses Beispiel veranschaulicht, daß die erforderliche Bearbeitung oberhalb einer minimalen Temperatur von ungefähr 200° C und unterhalb von 275° C durchgeführt werden muß.

Drei Proben aus schwerkraftgegossenen, 19«05 nun dicken Walzplatten, aus der 70/30 Zink-Aluminium-Zusammensetzung, die jedoch 0.5 Gew.-% Kupfer des gesamten Zink- und Aluminiumgehaltes aufwiesen, wurden 5 Stunden lang bei 375 C angelassen und auf Raumtemperatur in Luft abgekühlt. Sie wurden dann auf folgende Weise behandelt:

(A) Auf 250° C wiedererhitzt und auf 1.27 mm Dicke herabgewalzt, um erfindungsgemäß eine annehmbare UVZ von 255 Sekunden zu ergeben,

(B) auf 150° C wiedererwärmt (d.h. unterhalb des Temperaturbereiches der Erfindung) und auf 1.27 mm herabgewalzt, woraus sich eine UYZ von 405 Sekunden ergab, die außerhalb der gebräuchlicherweise annehmbaren Grenzen lag,

(C) auf 250 C wiedererhitzt und auf 6.55 mm herabgewalzt; dann auf Raumtemperatur abgekühlt und auf I5O⁰ C wiedererwärmt und auf 1.27 mm heruntergewalzt, woraus sich eine UVZ von 670 Sekunden ergab. Die prozentuale Maßverringerung (von I9.O5 mm auf 6.35 mm) liegt unterhalb der erfindungsgemäßen Maßverringerung und die anschließende Bearbeitung unterhalb des erfindungsgemäßen Temperaturbereiches und konnte somit die Materialeigenschaften nicht verbessern. Es muß hier wiederum angenommen werden, daß das

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Wiedererhitzen, in diesem Falle doppelt, möglicherweise ein schädliches Kornwachstum verursacht.

BEISPIEL 13

Dieses Beispiel veranschaulicht, daß, falls eine ausreichende Maßverringerung oberhalb einer Temperatur von 200° C durchgeführt wurde und falls ein geeigneter Anteil davon unterhalb von 275° G durchgeführt wurde, eine weitere Bearbeitung, die Hochplastizifcät nicht zerstört.

Proben der Walzplatten der gleichen Zusammensetzung wie in Beispiel 12, jedoch mit einer Dicke von 127·0 mm wurden 24 Stunden bei 360° G angelassen, im Ofen auf 250° C abgekühlt, bei 250° C auf 635 mm Dicke heruntergewalzt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen. Diese Proben waren hochplastisch und die anschließende Bearbeitung, die im folgendeivzusammengefasst ist, zerstörte nicht diese ho-he Plastizität.

(a) Wiedererhitzen auf 25O⁰G und Walzen auf 1.27 mm - UVZ

Il

150⁰G	Il	14	0.	1.27	Tfim	- UVZ	190
250⁰C	Il		0.	635	mm	- UVZ	165
100⁰G	Il		635	mm	- UVZ	160
BEISPIEL

Dieses Beispiel veranschaulicht, wie die Wiedererhibzungszeifcen die UVZ beeinflußen können und zwar untejr manchen Um-

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ständen stärker beeinflussen können als dieses die tatsächlichen Bearbeitungstemperaturen tuen.

Ein homogenisierter Block aus 70/50 Zink-Aluminium-Legierung von 95·25 nun Dicke wurde auf-m bei einer Temperatur

von 25Ο⁰ - 260° G herabgewalzt, wobei das auf diese Weise erhaltene Blech eine UVZ von 260 Sekunden aufwies. Eine Anzahl von Proben wurden weiter auf 0.635 η bei den folgenden Temperaturen herabgewalzt, wobei sich die folgenden UVZ-Werte ergaben:

T⁰ C	UVZ (in
250	55
150	75
Raumtemperatur	55

ψ Eine andere Probe wurde 3 Stunden lang vor dem Walzen bei 250⁰ C gehalten und dann bei dieser Temperatur von 250° C auf 0.635 mm heruntergewalzt. Diese Probe ergab eine UVZ von 130 Sekunden.

Sämtliche in der Beschreibung erkennbaren technischen Einzelheiten sind für die Erfindung von Bedeutung.

ORIGINAL IWSPECTED

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Erzeugen hochplastischer Eigenschaften bei Zink-Aluminium-Legierungen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

(a) Die an sich bekannte Wärmebehandlung eines Körpers aus einer Legierung mit 18 bis 40 Gew.-% Aluminium und Rest Zink mit zufälligen Verunreinigungen und geringen Anteilen an ternären Legierungsbestandteilen, wobei die Zusammensetzung der Legierung und die Temperatur derart sind, daßylm einphasigen HereicB des Zxnk-Aluminium-Zustandsdiagrammes solange verharrt vdrd, bis eine im wesentlichen homogene Struktur erreicht ist;

(b) das anschließende Abkühlen des Körpers auf eine Temperatur unterhalb 275° C mit einer 10° C pro Minute nicht übersteigenden 'Abkühlgeschwindigkeit; und

(c) das Bearbeiten des aus der Legierung bestehenden Körpers, um eine seiner Abmessungen um mindestens 90 % zu verringern, wobei mindestens die Hälfte des gesamten prozentualen Verringerung dieser Abmessung unterhalb einer Temperatur von 275 G und die gesamte prozentuale Verringerung seiner Abmessung oberhalb einer Temperatur von 200° C durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der gesamtenVerringerung einer der Abmessungen des Körpers oberhalb einer Temperatur von 275° C durchgeführt wird.

0RK3INAL INSPECTED

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3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Verringerung einer der Abmessungen des Körpers unterhalb einer Temperatur von 275° C durchgeführt wird.

, 4. Verfahren nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung bis auf eine unter 200° C liegende Temperatur durchgeführt wird, der Körper dann auf eine Temperatur oberhalb 200°. C und unterhalb 275° C wieder aufgeheizt wird und anschließend mindestens ein Teil der Verringerung einer seiner Abmessungen unterhalb einer Temperatur von 275° G durchgeführt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Verringerung einer der Abmessungen des Körpers nach der Wiedererhitzung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Hälfte der gesamten Verlängerung einer der Abmessungen unterhalb einer Temperatur von 250° C durchgeführt wird.

P 7· Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungszeit mindestens 3 Stunden beträgt.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlgeschwindigkeit zwischen 3° C und 5° C pro Minute liegt.

9. Verfahren nach einem oder mehreren der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Bearbeitung aus einem Herunterwalzen besteht.

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10. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine anschließende Bearbeitungsstufe unterhalb einer Temperatur von 200° O durchgeführt wird.

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