DE2341689A1

DE2341689A1 - Verbesserungen bei aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE2341689A1
Application number: DE19732341689
Authority: DE
Inventors: Frederick Barry Miners; Larry Roy Morris
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1972-08-23
Filing date: 1973-08-17
Publication date: 1974-03-21
Also published as: NL7311573A; BE803892A; FR2197074B1; AU5906473A; CH608522A5; NO134663C; ES418116A1; FR2197074A1; IT992774B; US3926690A; NO134663B; CA993688A; JPS4986207A; GB1430758A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL.. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATBNTANWJlLTE D-8000 MDNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087

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Alcan Research and Development Limited, Montreal, Quebec,

(Kanada)

Verbesserungen bei Aluminiumlegierungen

Die Erfindung bezieht sich auf Aluminiumlegierungen, die Magnesium und Silizium in dem allgemeinen Bereich von 0.3 bis 1.2 Gew.-% Magnesium und 0.2 bis 1.2 Gew.% Silizium enthalten. Eine Legierung dieses Typus, die 0.45 bis 0.9 % Mg und 0.2 bis 0.6 % Si enthält, wird am häufigsten für die Herstellung von Aluminxumextrudaten verwendet. Diese Legierung ist unter den Normen der United States Aluminum Association Standards als Legierung 6063 bekannt. Andere Legierungen mit unterschiedlichen Bereichen an Mg und Si oder einem Zusatz an kleinen Mengen anderer Elemen-

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te werden im großen Umfang für die Herstellung von Aluminiumextrudaten verwendet. Ähnlicha Legierungen werden in anderen .Ländern verwendet, wenngleich die Grenzen der chemischen Zusammensetzung sich geringfügig von denen die bei der Aluminium Association eingetragen sind, unterscheiden können.

Die am allgemeinsten verwendeten Arten bzw. Bestimmungen der AA 6063-Legierungsklasse gestatten, daß Cu, Cr, Zn, Ti und Mn als Verunreinigungen in Mengen bis zu 0.1 % jeweils vorliegen, während ein Maximum von 0.3 5 % Fe und ein Maximalwert von 0.15 % für weitere Verunreinigungen (0.05 % jeweils) festgelegt ist. Bei der üblichen Industrie- bzw. Handelspraxis be-"trägt jedoch die Gesamtmenge der Verunreinigungen (einschließlich Fe) etwa 0.3 bis 0.4 %. Auch ist es üblich, daß der Siliziumgehalt über denjenigen hinausgeht, der zur Umwandlung des gesamten Magnesiumgehalts in Mg₂Si erforderlich ist.

In dem Gußzustand (as-cast condition) liegen die in dem Extrudatblock vorkommenden Legierungselemente und Verunreinigungen entweder in fester Lösung in der Aluminiummatrix oder getrennt in der Form der intermetallischen Phase an den Grenzen der Körner, zu welchen sich die Legierung verfestigt hat, oder an den Grenzen der dendritischen Zellen innerhalb dieser Körner vor. Es ist seit einigen Jahren üblich gewesen, die Struktur der 6063-Legierung durch eine Hitzebehandlung zu homogenisieren, die darauf gerichtet war, grobe Teilchen der Magnesium-Silizidphase und die Mikro-Trennung oder "Kernbildung" ("coring") des Magnesiums und Siliziums in den dendritischen Zellen zu eliminieren, da es nicht möglich ist, optimale Eigenschaften oder Extrusionsgeschwindxgkexten in Extrudaten zu erhalten, die aus Gußblöcken erzeugt wurden, die eine derartige Trennung von Magnesium und Silizium enthielten. Bei einer weithin üblichen Methodik wurden die im Gußzustand befindlichen Blöcke während mehrerer Stunden auf eine Temperatur von etwa 55O°C erhitzt und rasch abgekühlt,

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um eine große Menge des Magnesiumssilizides in Lösung einzuschließen bzw. festzuhalten und um sicherzustellen, daß der Rest dieser Phase in Form von sehr fein dispergierten Teilchen ausgeschieden wird. Wenn auf diese Weise homogenisierte Gußblöcke rasch wiederum auf Extrudiertemperatur erhitzt werden, können Extrudate mit sehr guten mechanischen Eigenschaften bei günstigen Extrudierdrucken und -geschwindigkeiten erzeugt werden. Jedoch ist das aus derartigen Gußblöcken erzeugte Oberflächenfinish der Extrudate nicht immer so gut wie es erwünscht ist.

Das Oberflächenfinish eines Extrudates hängt in einem großen Ausmaß von der Geschwindigkeit ab, mit der das Metall durch die Düse gezwungen wird.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Verbesserung der Zusammensetzung der Legierung 6063 und ähnlicher Al-Mg-Si*-Legierungen, die Magnesium- und Siliziumgehalte in den vorstehend angegebenen Bereichen aufweisen, zu schaffen, welche eine Erhöhung der Extrudiergeschwindigkeit ohne Verlust des Oberflächenfinish des Extrudates erlaubt oder umgekehrt, einen besseren Standard des Oberflächenfinish ohne Veränderung der Extrudiergeschwindigkeit im Vergleich zu typischen Proben der Legierung 6063 ergibt, die innerhalb die allgemeinen Normen bzw. Spezifikationen fallen.

Eine hauptsächliche Ursache der Schädigungen der Qualität des Oberflächenfinish der Legierungs-6063-Extrudate liegt in dem Ab- bzw. Wegbrechen fester Komponenten von der Oberfläche des Metalles, wenn dieses durch die Düsenöffnung gezwungen wird. Diese Schädigungen zeigen sich als hellgefärbte Mikroeinschnittslinien oder Kratzer auf der Oberfläche des Extrudates und werden allgemein als sogenanntes "pick-up" bezeichnet. Im allgemeinen erhöht sich das Auftreten des "pickup" und seine schädlichen Auswirkungen auf die Reflexion und Glattheit der Oberfläche des extrudierten Metalles mit der Extrudiergeschwindigkeit.

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Es ist nunmehr postuliert worden, daß eine der Hauptürsachen der Oberflächenschädigungen durch "pick-up" auf die
Gegenwart der intermetallischen Phase, die $-Al-Fe-Si genannt
wird, in dem Gußblock während des Extrudierverfahrens zurückzuführen ist. Diese Phase, die unter den normalen Homogenisierungsbedingungen, auf die vorstehend Bezug genommen wurde, unlöslich ist, wächst in Form dünner, brüchiger Blätter und wird während der Herstellung des Gußblocks durch das direkte Abschreckungsgußverfahren gebildet. Man nimmt an, daß das β-Al-Fe-Si die chemische Formel Fe_?-Si„-Al_q aufweist und eine Kristallstruktur vom monoklinen Typus besitzt. Die unlösliche Fereiche Phase kann auch in einer unterschiedlichen Form, as-Al-Fe-Si , vorliegen. Man nimmt an, daß diese Phase die chemische Formel Fe^-Si-Al₁~ aufweist und eine Kristallstruktur vom
kubischen Typus besitzt.

Es ist nunmehr gefunden worden, daß eine wesentliche Ver-ringerung der "pick-up"-Schädigungen erreicht werden kann, wenn die in dem Gußblock während des Extrudierens vorliegende Al-Fe-Si-Phase dieoi-Phase darstellt, wobei man annimmt, daß dies
erfolgt, da diese eine geringere mechanische Brüchigkeit als
die ß-Form besitzt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Eisengehalt in der Legierung innerhalb des Bereiches von
0.05 bis 0.3 % gehalten wird. Oberhalb 0.3 % Fe erfolgt eine
Vermehrung des "pick-up" unabhängig von der Phase der Aluminium-Eisen-Silizium-intermetallischen Verbindung, während unterhalb von 0.05 % Fe die eisenreichen Phasen für die Oberflächengualität der extrudierten Sektion nicht schädlich sind.

Es ist nunmehr gefunden worden, daß der Zusatz von Strontium oder Kalzium in Mengen von 0.01 bis 0.5 % in Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen des in Rede stehenden Typus
dazu führt, daß zumindest ein größerer Teil der Al-Fe-Si-Phase in dem im Gußzustand befindlichen Gußblock in der cL -Phase vor-

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liegt. Andere Elemente können in der Legierung in wesentlichen Mengen toleriert werden. Somit kann die Legierung bis zu 0.4 % Cu, bis zu 0.1 % jeweils von Mn und Zn und eine Gesamtmenge von bis zu 0.15 % (0.05 % jeweils) an zusätzlichen Verunreinigungen enthalten, ohne daß die durch den Ca- oder Sr-Zusatz hervorgerufenen günstigen Wirkungen verlorengehen.

Wenngleich die Zugabe von Kalzium oder Strontium in den angegebenen Mengen zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften von Extrudaten über den gesamten Bereich der anfänglich angegebenen Magnesium- und Siliziumgehalte hilfreich ist, ist es bevorzugt, den Magnesiumgehalt unter 0.7 % und den kombinierten Gesamtgehalt an Magnesium plus Silizium unter 1.5 % zu halten.

Während, wie vorstehend angegeben, die Zugabe von Kalzium oder Strontium in Mengen von 0.01 bis 0.5 % in Aussicht genommen ist, werden die günstigsten Wirkungen der Erfindung bei einem Zusatz von etwa 0.02 bis 0.05 % erzielt. Bei der Zugabe von Sr oder Ca in einer Menge von etwa 0.05 % liegt im wesentlichen die Gesamtheit der Al-Fe-Si-Phase in der oi -Form in dem im Gußzustand befindlichen Gußblock vor. Während ein im Gußzustand befindlicher Gußblock ohne weitere Wärmebehandlung mit relativ geringen Geschwindigkeiten ziemlich zufriedenstellend extrudiert werden kann, können höhere Extrudiergeschwxndigkeiten durch Erhitzen des Gußblockes oberhalb die Mg₂Si-Lösetemperatur (solvus temperature) während eines ausreichenden Zeitraumes um die Mg₂-Si-Phase in Lösung zu bringen, erreicht werden. Die Höhe des Sr- oder Ca-Zusatzes wird vorzugsweise auf etwa 0.02 bis 0.05 % gehalten, da im wesentlichen die gesamten günstigen Wirkungen des Zusatzes bei dieser Höhe erreicht worden sind. Oberhalb dieser Höhe wird, sofern überhaupt, nur eine geringe Verbesserung der Oberflächeneigenschaften erreicht und es tritt eine allmähliche Verringerung der Festigkeit der Legierung auf. Es ist möglich, sowohl Ca als auch Sr hinzuzufügen, wobei die Wirkung im wesentlichen additiv ist. Es ergeben sich jedoch

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keine Vorteile bei dieser Vorgehensweise und dies ist unter Betriebsgesichtspunkten unbequem. Wenn Sr irtd Ca zusammengegeben werden, sollte der Gesamtzusatz. der zwei Komponenten innerhalb des vorstehend angegebenen Bereiches liegen.

Es ist gefunden worden, daß die α-Al-Fe-Si-Phase auch durch Zusatz eines oder mehrerer von Na, Be und B zu Legierungen, die in die vorliegende Gruppe fallen, gefördert wird. Aus verschiedenen Gründen ist die Einfügung dieser Elemente in der erforderlichen Menge bei normalen Industrievorgängen jedoch nicht praktikabel. Beispielsweise würden Zusätze an Be potentielle Toxizitätsprobleme hervorrufen.

Eine Legierung gemäß der Erfindung hatte die folgende Zusammensetzung: Si 0.40 bis O.5O %, Mg 0.45 bis 0.55 %, Fe 0.15 bis 0.25 %; Sr oder Ca 0.015 bis 0.05 %; Gesamtmenge anderer Verunreinigungen 0.2 % (max); Rest Aluminium. Diese Legierung wurde zu Rundextrudiergußblöcken durch das D.C.-Gußverfahren gegossen und die Gußblöcke wurden bei Temperaturen zwischen 500 und 58O°C während etwa einer Stunde hitzebehandelt, um das Magnesiumsilizid in Lösung zu bringen. Beim Extrudieren dieses Materials wurde ermittelt,daß eine deutliche Verbesserung der Spiegelreflexion und Glätte der Extrudate im Vergleich mit den Extrudaten der gleichen Legierung (jedoch ohne entweder Sr- oder Ca-Zusatz) auftrat.

Bei einer Versuchsfolge wurde diese Legierung, die 0.018 % Ca (a) und 0.05 % Ca (b) enthielt, mit einer kalziumfreien Standardlegierung (c) verglichen. Die Gußblöcke wurden nach erneuter Erhitzung auf 425°C mit 45.72 m/min (150 ft/min) mit den folgenden Ergebnissen extrudiert: ;

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72 %	23 %
25	17
38	72
kein "pick-up"	"pick-up"

Spiegelreflexion 46 %

* Bildklarheit 19

# Weißheit 48 Sichtbarer Vergleich kein "pick-up"

% Gemessen durch die durch B.W. Robinson in "Metal Finishing", Februar 1970 beschriebenen Verfahren.

Bei einer weiteren Versuchsfolge wurde die 0.015 % Sr (a), und 0.05 % Sr (b) enthaltende Legierung mit der Sr-freien Standardlegierung (c) verglichen. Die Gußblöcke wurden nach einer Wiedererhitzung auf 400°C mit 68.58 m/min (225 ft/min) mit den folgenden Ergebnissen extrudiert:

Spiegelreflexion 35 % 51 % 30 %

Bildklarheit 36 37 29

Weißheit 61 51 66

Sichtbarer Vergleich leichtes "pick-up" kein "pick-up" schweres

"pick-up"

Es wird somit ersichtlich, daß eine deutliche Verbesserung der Extrudateigenschaften erreicht worden ist. Bei weiteren Versuchen wurde die gleiche Legierung bei Höhen an Sr von 0.2 % und 0.5 % und Ca von 0.2 und 0.5 % geprüft. Diese wurden durch die gleiche Düse wie in dem vorhergehenden Versuch mit 83.82 m/min (275 ft/min) extrudiert und wurden mit der Standardlegierung

(c) unter den gleichen Bedingungen verglichen..

Die Ca- und Sr'-Zusätze aufweisenden Legierungen wurden mit einer leuchtenden und "pick-up"-freien Oberfläche extrudiert, während die Oberfläche der Extrudate der Standardlegierung trüb waren und ein starkes "pick-up" aufwiesen.

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Claims

Patentansprüche

1. Aluminiumlegierung, enthaltend 0.3 bis 1.2 % Mg, 0.2 bis 1.2 % Si, bis zu 0.4 % Cu und bis zu 0.1 % jeweils Zn, Mn, 0.05 bis O.3 % Fe als Verunreinigung und 0.15 % Gesamtmenge (jeweils 0.05 %) weiterer Verunreinigungen, gekennzeichnet durch das Vorliegen von Sr und/oder Ca in einer Gesamtmenge von 0.01 bis 0,5 %,

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, gekennzeic fane t durch einen Gesamtgehalt an Sr und/oder Ca in dem Bereich von 0.02 bis 0.05 %.

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Mg unter O.7 % und die Summe der Gehalte von Mg und Si unter 1.5 % liegen.

4. Verfahren zur Verbesserung der Extrudierbarkeit einer AIuminium-Magnesiumsilizid-Legierung die einen Eisenyerunreinigungsgehalt im Bereich von 0.05 bis 0.3 % aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man Sr und/oder Ca in einer Gesamtmenge von 0.01 bis 0,5 % einbringt.

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