DE2242235C3

DE2242235C3 - Superplastische Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE2242235C3
Application number: DE2242235A
Authority: DE
Inventors: Takashi Tokyo Oikawa
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1971-08-28
Filing date: 1972-08-28
Publication date: 1981-06-04
Also published as: JPS5134367B2; US3841919A; DE2242235A1; GB1363977A; JPS4831111A; DE2242235B2

Description

Die Erfindung betrifft eine superplastische ternäre Al—Si —Mg-Legierung sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Metalle besitzen im allgemeinen eine geringe Plastizität.

Es ist seit langem bekannt, daß eine Eutektoidlegierung aus 78% Zink und 22% Aluminium Superplastizität besitzt.

Die Imperial Smelting Corporation, England, verwendet diese Legierung für Automobilkarosserien und Kühlerauskleidungen unter Ausnutzung ihrer Superplastizität

Die US-PS JJ40101 beschreibt superplastische Legierungen aus 20% Al und 80% Zn, 67% Al und 33% Cu, 88.3% Al und 11,7% Si sowie 62% Cu und 38% Zn.

Die Phasendiagramme dieser superplastsichen Legierungen zeigen, daß die Legierungen eine eutektische Zusammensetzung besitzen, also invariable binare Legierungen sind. Die Verwendungsmöglichkeiten dieser Legierungen sind auf Gebiete beschränkt, auf welchen die Eigenschaften dieser spezifischen Legierungen mit Vorteil ausgenützt werden können.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer ternären superplastichen Al—Si—Mg-Legierung, die hohe Festigkeit, gute Korrosionsbeständigkeit und hohe Abriebfestigkeit besitzt und sich daher für viele Zwecke verwenden läßt

Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen ternären superplasrischen Legierung genannt

Die F i g. 1 zeigt ein ternäres Phasendiagramm der Al—Si—Mg-Legierung und erläutert die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung.

Die Fig.2 ist eine Photomikrographie der erfincungsgemäßen Legierung.

Die erfindungsgemäße Legierung besitzt eine Zusammensetzung, welche in die Fläche fällt, die von den geraden Linien begrenzt wird, welche die Punkte A (89,8% Al, 9,7% Si und 0,5% Mg), ß(78,6% Al, 14,1 % Si, 73% Mg), C (78,5% Al, 16,6% Si, 4,9% Mg), D (863% Al, 13,2% Si, 0,5% Ug) in dem temären Phasendiagramm Al—Si—Mg von Fig. 1 verbinden. Die Legierung besitzt eine solche Zusammensetzung, daß die ausgeschiedenen Phasen von Si und Mg^Si mit einer sehr kleinen Korngröße in der Matrix verteilt sind. In dem Diagramm bezeichnet E₇ den eutektischen Punkt, während die Kurve, tile zur Verbindung von E\ und Ej gezogen ist die eutektische Linie wiedergibt.

In der »Zeitschrift für Metallkunde«. 61 (1970). werden auf den Seiten 704 bis 710 binäre superplastische Legierungen und aus fünf Komponenten bestehende superplastische Legierungen, wobei in dieser Literaturstelle nur ganz allgemein Angaben bezüglich der Zusammensetzung und der charakteristischen Merkmale dieser Legierungen sowie Verfahren zu ihrer Herstellung zu finden sind, beschrieben. Eine superplastische Legierung mit einer Zusammensetzung und den Strukturmerkmalen der erfindungsgemäßen Legierung ist in dieser Literaturstelle nicht zu '^:nden. Ferner sind auch keine Einzelheiten bezüglich der anzuwendenden Behandlungsmethoden bei der Herstellung von superplastischen Legierungen angegeben. Es wird lediglich erwähnt, daß es schwierig ist, superplastische Legierungen herzustellen.

In der DE-AS 169 682 sowie in »Aluminium-Taschenbuch«. 12. Aufig., 1963, Seite 82, sind zwar Legierungen mit Zusammensetzungen beschrieben, die in den Bereich der Zusammensetzung der erfindungsgemäßen superplastischen Legierungen fallen, bei den bekannten Legierungen handelt es sich jedoch nicht um superplastische Legierungen mit den Strukturmerkmalen der erfindungsgemäßen Legierung, sondern um Gußlegierungen mit einer völlig anderen metallurgischen Struktur.

Durch die Erfindung ist es erstmals möglich geworden, auf technisch einfache und wiederholbare Weise mit Erfolg ternäre Legierungen der vorstehend angegebenen Zusammensetzung sowie den erwähnten Strukturmerkmalen herzustellen, wobei diese Legierungen superplastisch sind. Die erfindungsgemäßen Legierungen sind innerhalb eines festen Temperaturbereiches, der unterhalb des Schmelzpunktes der Legierung liegt, superplastisch. Dies trifft nur zu für solche ternären Legierungen mit der angegebenen Zusammensetzung und den erwähnten Feinstrukturmerkmalen.

Das Gefüge der erfindungsgemäßen Legierung wird nachstehend näher beschrieben. Die Fig. 2 zeigt eine

Photomikrographie des Gefüges einer ternären superplastischen eutektischen Legierung aus 80,5% Al, 14,6% Si und 4,9% Mg gemäß der Erfindung. In diesem Diagramm bedeuten die leeren Flächen Aluminiumkri-Sl alle, die gestrichelten Flächen primäre Kristalle von Si und die schwarzen Flächen ausgeschiedene Kristalle von Mg2Si. Der durchschnittliche Durchmesser der Al-Kristalle liegt in der Größenordnung von 5 μπι oder darunter und derjenige von Si und Mg2Si bei 2 bis 3 μπι. Die erFindung£5emäße Legierung besitzt ein Mikrotripiex-Gefüge, in welchem die zwei ausgeschiedenen Phasen von Si und Mg2Si gleichmäßig mit sehr kleiner Korngröße in der Al-Matrix verteilt sind.

Die Legierung läßt sich bezüglich der Plastizität noch verbessern, wenn eines oder mehrere der folgenden Elemente zulegiert werden: 0,01 bis 0,20% Ti, 0,005 bis 0,03% B und 0,01 bis 0,05% P, jeweils bezogen auf das Gewicht der Basislegierung.

Nachstehend wird erläutert, weshalb die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierung auf den vorstehend erwähnten Bereich beschränkt bleiben muß. In diesem Bereich der Zusammensetzung äst der minimale Si-Gehalt auf 9,7% und der minimale Mg-Gehalt auf 0,5% festgelegt Liegen die Si- und Mg-Gehalte niedriger, dann besitzt die Legierung nicht das gewünschte Feingefüge und daher keine Superpla- »tizität Die oberen Grenzen des Si- und Mg-Gehaltes lind 16,6% bzw. 7,3%. Überschreiten diese Gehalte diese oberen Grenzen, dann wird die Legierung spröde.

Erreichen P, Ti und B nicht die unteren Grenzen ihrer Gehaltsbereiche, dann bleiben sie wirkungslos. Über- «teigen ihre Anteile die oberen Grenzen, dann sind die darüber hinaus gehenden Mengen ebenfalls wirkungslos ■nd vergeudet. Darüber hinaus hat ein Überschuß auch ■och den Nachteil, daß die Beseitigung primärer Kristalle erhöht wird, so daß die Legierung ein heterogenes Gefüge erhält.

Die Tatsache, daß die erfindungsgemäße Legierung Superplastizität in einem fixierten Temperaturbereich ■nterhalb ihres Schmelzpunktes besitzt, läßt sich durch das folgend«. Postulat erklären: Die Legierung besitzt, wie vorstehend erwähnt wurde, eine Tripelstruktur. in welcher zahllose kleine Kristallkörner und fein ausgeschiedene Körner gleichmäßig im Gefüge verteilt sind. Folglich existieren feine Phasengrenzflächen, die ihre Lage unter Beanspruchung bei erhöhten Temperaturen leicht verschieben. Diese Tatsache ermöglicht die S jperplastizität der Legierung.

Nachfolgend wird das Verfahren zur Herstellung der «rfindungsgemäßen Legierung beschrieben.

Zunächst wird ein A.-Block bei ungefähr 800°C geschmolzen. Dann werden Si und Mg in Form einer Vorlegierung in der jeweils erforderlichen Menge angesetzt. Werden P, Ti oder B zugesetzt, dann erfolgt diese Zugabe zuletzt. Die Schmelze wird so lange in geschmolzenem Zustand gehalten, bis die zugesetzten t emente gleichmäßig in der Al Phase verteilt sind. Die Schmelze wird dann in Formen vergossen, wobei beispielsweise bei einer Temperatur begonnen wird, die 10° C oberhalb des Schmelzpunktes der Legierung liegt.

Die Legierung nimmt ein der Superplastizität sehr r.iträgliches feines Gefüge an, wenn sie schnell abgekühlt wird. Die Verwendung wassergekühlter Gießformen, die unter Wasserkühlung durchgeführte kontinuierliche Gießmethode sowie ähnliche Methoden rgnen sich zum schnellen Abkühlen der Legierung.

Die Superplastizität im Gußzustand ist jedoch nicht Überragend.

Die Legierung wird dann einer intensiven Warmverformung zwischen 300 und 500⁰C unterzogen; dadurch wird das Gußgefüge mit den primären Al Kristallen und ausgeschiedenen Si- und MgaSi-Kristallen zerbrochen und ein Gefüge mit noch feineren Korngrößen erhalten. Dieses intensive Warmverformen kann beispielsweise Strangpressen, Walzen oder Schmieden oder eine Kombination dieser Methoden umfassen.
Beim Strangpressen und Schmieden soll das Verhältnis der Querschnittsfläche des Barrens vor dem Warmverformen zur Querschnittsfläche des Barrens danach wenigstens 3 :1 betragen.

Beim Warmwalzen soll der Abwalzgrad mindestens 50% betragen.

Die Superplastizität der auf diese Weise erhaltenen Legierung kann weiter dadurch verbessert werden, daß diese Legierung eine Wärmebehandlung erfährt Beispielsweise wird bei ungefähr 520⁰C bis zu 10 Stunden lang lösungsgeglüht, dann auf RT abgeschreckt und

ίο schließlich warmausgelagert

Der Gebrauchswert der erfindun/.gemäßen Legierung wird nachstehend näher erläutert

Die erfindungsgemäße superplastische Legierung zeigt ihre Superplastizität bei Temperaturen zwischen j dem Schmelzpunkt der Legierung und ungefähr 80⁰C unterhalb des Schmelzpunktes. Innerhalb dieses Temperaturbereiches kann diese Legierung, die beispielsweise zu einer Platte verformt wurde, zu jeder gewünschten komplizierten Form verformt werden.

jo Da die erfindungsgemäße superplas?iche Legierung Si und Mg enthält, ist sie sehr fest, korrosions- und abriebbeständig. Daher eignet sich die Legierung zur Herstellung von Materialien, bei denen diese Eigenschaften unumgänglich sind. Die erfindungsgemäße

r> superplastische Legierung läßt sich vielen Verwendungszwecken zuführen. Beispielsweise können Automobilteile, Kühlschrankauskleidungen sowie andere Gegenstände mit ähnlich komplizierten Formen ohne weiteres in der Weise hergestellt werden, daß Platten oder Bleche aus der superplastischen Legierung bei ungefähr 500° C tiefgezogen, gestaucht oder anderweitig ^: shandelt werden. Maschinenteile mit komplizierten Formen können ebenfalls durch Heißpressen oder Heißschmieden hergestellt werden.

■f' Die folgenden bevorzugten Ausführungsformen erläutern die Erfindung.

Beispiel 1

,ο Die Ergebnisse, welche bei der Durchführung dieses Beispiels erhalten werden, sind in der Tabelle 1 zusammengefaßt. Die Versuche 1 bis 7 beziehen sich auf die erfindungsgemäße superplastische Legierung, wanrend die Versuche 8 bis Il Legierungen betreffen, die

-)> nicht superplastisch sind und lediglich zu Vergleichszwecken verwende« wurden.

Herstellung der Legierungsproben

Al wird bei 800° C geschmolzen, worauf die

M) erforderlichen Me ,gen an Si und Mg in Form einer Vorlegierung zugesetzt werden. Im Falle der Proben für die Versuche 5 bis 7 werden P, Ti und B in den erforderlichen Mengen zugesetzt. Die geschmolzenen Mischungen werden während einer fixierten Zeitspanne

hi bei 800°C gehalten. Unter kontinuierlichem Gießen werden Barren mit Einern Durchmesser von I78mrn erzeugt. Diese Barren besitzen das geschilderte Mikrotriplex-Gefüge.

Wärmst rangpressen

Barren mit dem Durchmesser von 178 mm werden auf einen Durchmesser von 40 mm stranggepreßt. Das Querschnittsverhältnis beträgt 18.6 : I.

Schmieden

Barren mit dem Durchmesser von 178 mm werden bei 300⁰C bis auf einen Durchmesser von 10 mm geschmie- n det.

Warmwalzen

Schmiedebrammen einer Dicke von 20 mm werden auf eine Dicke von 6 mm gewalzt. Der Abwalzgrad beträgt 70%.

Zugfestigkeit und Dehnung bei erhöhter Temperatur

Proben einer Länge von jeweils 25 mm und einem Durchmesser von 5 mm an parallelen Abschnitten werden bei einer Temperatur von 52O^CC und einer Dehnungsgeschwindigkeit von 1 mm/min geprüft.

Tabelle I

	I.ci!ienirms/ijv	Si	12.5	immonsel/unti ( i	Ii Ii I'	Λ rl der W;irrm	er- Wiirniehehiinil-	, 3 Std.	/uglesiii:-	Deh
		Legierung	14.6			Inrnninp	liing	3 Std.	U-it	nung
	Al	84.8	14.6	Mu	-			3 Std.	iN/inm )	I )
l'lrflndungsgcma'Ue		80.5	14.6		_.			3 Std.
1	80.5	14.6	2.7		Schmieden	leine	3 Std.	).o	270
2	80.5	14,6	4.9	..	Strangpressen	keine		12.0	208
3	80.5	14.6	4.9	0.02 -	Strangpressen	520 C₁		^ )	460
4	80.5		4.9	0.02 0.004 -	Wal/en	520 C₁		4,4	530
S	80.5	4.5	4.9	0.02 0.004 0.02	Strangpressen	520 f.		4.0	465
6		14.6	4.9		Strangpressen	520 C.		4,2	490
7	87.9	13.0	4.9	_	Strangpressen	520 C.		4.0	510
Vergleichs legierung	80.5	0.1		_			Beispiel 2
8	75.3	0.1	7.8	- - -	Schmieden	keine	0.40	150
	99.9	ersehen,	4.9	_	keine	keine	0.32	170
10	99.9	11.7	- - -	Walzen	keine	0.95	25
11	ist zu 'ICi^Vl Cl	-	die Legierungen > r^oViminrr ΟΠΛΟ/λ	keine	keine	0.80	40
12	—	Strangpressen	keine	1.40	35
Aus der Tabelle 1 NJr 1 Kic 7 cnnprnl^d	daß Ol t\\*

pt Die I "uiprnnfrpn 7 his 7 und Q sind vnn tier

gleichen Zusammensetzung, sie sind jedoch verschiedenen Verformungs- und Wärmebehandlungen unterzogen worden. Die Legierung Nr. 9 besitzt im Gußzustand ein relativ geringes Ausmaß an Superplastizität bei einer Dehnung von 170%. Die Legierung Nr. 2. die zusätzlich stranggepreßt worden ist. zeigt eine Dehnung von mehr als 200%. Wird eine derartige Strangpreßprobe wärmebehandelt, dann erfolgt eine Rekristallisation, wodurch eine weitere Größenverminderung der Phasengrenzflächen und eine Verbesserung der Superplastizität erzielt werden. Die Legierung Nr. 4, die durch Walzen erzeugt worden ist, ist superplastischer als die stranggepreßte Legierung Nr. 3.

Die Legierungen Nr. 5,6 und 7 sind unter Zugabe von Ti, Ti und B sowie Ti. B und P in die Schmelze Nr. 2 erzeugt worden. Die Wirkung dieser Zusatzelemente wird deutlich, wenn die Ergebnisse dieser Proben mit denen der Probe verglichen werden, welche unter den gleichen Bedingungen, aber ohne Zusätze erzeugt worden ist Die Legierungen Nr. 8 bis Nr. 12 sind nach anderen als den erfindungsgemäßen Methoden hergestellt worden. Keine dieser Legierungen besitzt Superplastizität.

nipcpc Rpicnipl cnli rlip Rp7iphnna 7wicrhpn Hpr

Temperatur und der Superplastizität zeigen, und zwar ermittelt unter Verwendung der Legierung Nr. 3 gemäß Tabelle 1.

Die Legierung Nr. 3 besitzt einen Schmelzpunkt von 558⁰C. Teststücke werden auf ihre Dehnung (%) und Zugfestigkeit (N/mm²) geprüft, wobei die Temperatur zwischen 440 und 520°C variiert. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 zusammengefaßt.

Tabelle 2

Eigenschaft Temperatur, C

520 500 480 460

bO

b5 Zugfestigkeit
(N/mm²)
Dehnung (%)

2,2 4,6 6,7 12,0 14.4 460 348 356 214 200

Tabelle 2 zeigt, daß Dehnung und Superplastizität mit einer Erhöhung der Temperatur ansteigen. Die Dehnung beträgt 200% bei 440⁰C Bei Temperaturen unterhalb 440⁰C wird keine Superplastizität festgestellt

Hierzu 2 Blatt Zeichnuneen

Claims

Patentansprüche:

1. Superplastische Aluminiumlegierung, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung, die in dem ternären Phasendiagramm Al—Si—Mg innerhalb der Fläche liegt, die von den geraden Linien begrenzt wird, welche die Punkte A (89,8% Al, 9.7% Si, 0,5% Mg), 13(78.6% Al, 14,1% Si, 73% Mg). C(78,5% Al, 16,6% Si,4,9% Mg) und L>(863% Al, 13,2% Si, 0,5% Mg) miteinander verbinden, und durch ein Mikrotriplex-Gefüge, in dem die beiden ausgeschiedenen Phasen aus eutektischen Si-Kristallen und aus Mg2Si-Kristallen, die jeweils einen durchschnittlichen Korndurchmesser von bis zu 2 bis 3 μηη aufweisen, gleichmäßig innerhalb der Matrix aus Aluminiumkristallen mit einem durchschnittlichen Korndurchmesser von bis zu 5 μπι verteilt sind, wobei das Gefüge nach schneller Abkühlung intensiv warmverformt und gegebenenfalls wärmebehandelt worden ist.

2. Superplastische Legierung nach Anspruch !, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt an 0,01 bis 0,20% Titan, 0,005 bis 0,03% Bor und/oder 0,01 bis 0,05% Phosphor, jeweils bezogen auf das Gewicht der Basislegierung, die ein Mikrotriplex-Gefüge hat, worin auch Ti'an, Bor und/oder Phosphor gleichmäßig innerhalb der Aluminiummatrix verteilt sind.

3. Verfahren zur Herstellung der Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legienr 1 der genannten Zusammensetzung von Schmelztemperatur vergossen und schnell abgekühlt, der erhaltene Gußoarren anschließend intensiv warmverformt, iösungsgeglüht, abgeschreckt und warmausgelagert wi, d.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei der intensiven Warmverformung stranggepreßt, gewalzt, gesenkgeschmiedet oder geschmiedet wird.