DE2551295C3

DE2551295C3 - Anwendung des Plattengießverfahrens auf Aluminium-Silizium-Legierungen und Weiterverarbeitung der Gußplatten

Info

Publication number: DE2551295C3
Application number: DE2551295A
Authority: DE
Inventors: John David Saskatchewan Thomson
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1974-11-15
Filing date: 1975-11-14
Publication date: 1984-07-12
Also published as: HU171708B; FR2291284A1; NL7513351A; SE7512813L; YU283175A; IN155527B; CH606460A5; ATA870875A; NO794344L; MY8300002A; DE2551295A1; IN149783B; NO753833L; DE2551295B2; HK41179A; ZA756999B; JPS5173913A; NO145102C; BR7507572A; BE835582A

Description

In den bekannten Aluminium-Silizium-Legierungen mit einem Siliziumgehalt von 7 bis 10% bildet das Silizium keine intermetallische Phase und, wenn sie nach dem Stranggußverfahren unter den für die Herstellung von Barren wesentlicher Dicke (beispielsweise 10 bis 30 cm) angewendeten Bedingungen vergossen werden, liegt die Siliziumphase in Form von relativ grobkörnigen, blattähnlichen Bändern mit einer Dicke im Bereich von 2 bis 5 μπι und einer ziemlich großen Breite vor. Ein aus solchen Barren gewalztes Legierungsbiech hat im gewalzten Zustand eine ausreichende Festigkeit, aber es ist zu spröde, um eine Weiterverarbeitung zu ermöglichen. Wird das kaltgewalzte Blech bei Temperaturen oberhalb 250° C geglüht, so wird die Dehnbarkeit und Verarbeitbarkeit wesentlich verbessert, aber die Streckgrenze sinkt in etwa auf den Wert von geglühten handelsüblichen Reinaluminiumblechen ab. Daher ist die Verwendung solcher Bleche auf solche Bereiche beschränkt, bei denen eine niedrige mechanische Festigkeit ausreicht. Da Silizium ein billiges Legierungselement ist und die Legierungen auf billigem Wege verarbeitet werden können und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, besteht ein Bedürfnis, die_: mechanische Festigkeit von aus solchen Legierungen erhaltenen Blechen zu verbessern.

Das Gießen von Aluminium und dessen Legierungen zu Platten mit einer Dicke von 25 mm oder weniger ist bekannt, z. B. aus E. Herrmann, Handbuch des Stranggießens, 1958, Seiten 532,539 bis 541.

Die Erfindung betrifft die Anwendung des Plattengieß-Verfahrens mit Plattendicken von nicht mehr als 25 mm und einer Wachstumsgeschwindigkeit von mehr als 25 cm/Minute auf Aluminium-Legierungen der

Zusammensetzung

7 bis 10% Silizium

0 bis 1% Kupfer und/oder Magnesium und/oder Mangan

jeweils 0 bis 03% an zulässigen Beimengungen mit insgesamt höchstens 1 % und
Aluminium als Rest,

ίο die im Gußzustand die Anteile an Silizium und intermetallischen Phasen in Form von Stäbchen eines mittleren Durchmessers von 0,05 bis 0,5 μΐη enthalten und von groben primären Kristallen frei sind.

Die Weiterverarbeitung der so bandgegossenen Platten erfolgt durch eine wenigstens 60%ige Dickenverringerung der Gußplatten. Dabei werden die Siliziumstäbchen gebrochen und es bildet sich eine Dispersion von feinen Siliziumteilchen. Die Verringerung der Dicke um wenigstens 60% kann unter heißen oder kalten Bedingungen erfolgen. Es ist also eine Verringerung der Dicke allein durch Kaltverformung möglich. Wird die Verringerung der Dicke aber durch Warmwalzen vorgenommen, so erfolgt eine wenigstens 10%ige Verringerung der Dicke durch Kaltwalzen.
Feine Siliziumteilchen bewirken schon eine gewisse Verbesserung der Streckgrenze in kaltgewalztem Blech, im gewalzten Zustand hat diese Verbesserung einen geringen praktischen Wert

Es erfolgt jedoch eine sehr bemerkenswerte Verbesjo serung der Streckgrenze des Bleches, nachdem dieses bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 400° C geglüht wurde, wobei die Verarbeitbarkeit des Bleches sich bis zu einem Grad verbessert hat daß ein solches Blech zum Tiefziehen oder für starke Streckverformungen verwendet werden kann. Für diese Zwecke ist eine Bruchdehnung von mehr als 15%, vorzugsweise etwa 20%, erforderlich.

Es wird angenommen, daß der hauptsächliche vorteilhafte Effekt der feinen Siliziumteilchen für die Kombination brauchbarer Verarbeitbarkeit und verbesserter Streckgrenze im geglühten Zustand im Erhalten einer feinen gleichmäßigen Korngröße oder Subkorngröße während der letzten Glühbehandlung liegt Um optimale Ergebnisse zu erhalten, ist deshalb die Teilchengröße wichtig und die Dispersion der Teilchen in der Legierung sollte so gleichmäßig wie möglich sein. Die Gegenwart von primären Teilchen in der Legierung zusätzlich zu den feinen Partikelchen kann zwar bis zu einer Größe von etwa 2 Vol.-% toleriert werden, aber diese großen Partikelchen führen zu einer Verschlechterung der Verarbeitbarkeit so daß deren Bildung soweit wie möglich vermieden werden soll.

Die Entwicklung der gewünschten Struktur in dem Gußmaterial kann nur durch kontinuierliches Gießen der Legierung unter Bedingungen erreicht werden, die zu einer Wachstumsrate von mehr als 25 cm/Minute, vorzugsweise wenigstens 40 cm/Minute und insbesondere 50 bis 85 cm/Minute, führen. Der Durchmesser der Siliziumstäbchen vermindert sich mit dem Anstieg der to Wachstumsrate; wie schon bemerkt, sollte der mittlere Durchmesser der Siliziumteilchen nicht weniger als etwa 0,05 μΐη betragen. Die Wachstumsrate während des Gießens sollte einen Wert von etwa 250 cm/Minute nicht übersteigen. Es ist auf jeden Fall außerordentlich hi schwierig, eine so hohe Wachstumsrate in einem üblichen kontinuierlichen Gießverfahren zu erreichen. Das Gußmaterial wird normalerweise als kontinuierliche Platte mit einer Dicke von etwa 6 mm gegossen.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Aluminium-Silizium-Legierungen können noch 0 bis 1% Kupfer und/oder Magnesium und/oder Mangan und jeweils 0 bis 03% an zulässigen Beimengungen, jedoch insgesamt höchstens 1% enthalten. Dabei werden alle legierenden Elemente, außer Kupfer, Magnesium und Mangan, als Beimengungen angesehen.

Ein nichtkontinuierliches Gießverfahren, wie beispielsweise das Gießen in Kokillen, ergibt nicht die gewünschte Struktur; diese kann auch nicht mittels Verfahren, die die Umwandlung des flüssigen Metalls in einzelne Tröpfchen erforderlich machen, wie beispielsweise das sogenannte Metallspritzen, erreicht werden.

Um optimale Eigenschaften zu erhalten, sollte das angewendete Gießverfahren zu der spezifizierten hohen Wachstumsrate führen, und zwar im wesentlichen in der gesamten Dicke des Gußmaterials.

Beim Verfahren zum Gießen von dünnen Aluminiumplatten unter Verwendung direkter Wasserkühlung oder eines Kaltmetallkühlungssystems liegt die Fortschrittsrate der Solidus-Liquidusschicht (Wachstumsrate) nahe bei der Gußrate. Mit einem dicken Barren oder einer Form mit niedriger Wärmeleitungsrate, wie beispielsweise eine Bandgießvorrichtung, wird die Wachstumsrate viel geringer sein als die Gießrate. Die Wachstumsrate ist der wichtigste Parameter, da mit wachsender Wachstumsrate die Anzahl der Siliziumstäbchen ansteigt (mit entsprechend reduziertem Durchmesser).

In praktischen Gießausrüstungen kann die Bedingung für eine hohe Wachstumsrate am leichtesten dadurch erzielt werden, daß Doppelwalzengießmaschinen, wie beispielsweise kontinuierliche Bandgießmaschinen, verwendet werden, in welchen das geschmolzene Metall im Spalt eines stark gekühlten Walzenpaares verfestigt wird. Das gegossene Material liegt bei Verwendung solcher Gießvorrichtungen typischerveise in Form von Platten mit einer Stärke im Bereich von 5 bis 8 mm vor und wird mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 100 cm/Minute (mit einer entsprechenden Wachstumsrate im Bereich von 50 bis 85 cm/Minute) gegossen. Das Metall ist im wesentlichen vollständig erstarrt, wenn es die Mittellinie der Gießwalzen passiert und es wird dann einem starken Druck ausgesetzt, während es durch den

ίο Spalt zwischen den Walzen hindurchgeht mit der Konsequenz, daß dessen Oberflächen in ausgezeichnetem Wärmeaustauschkontakt mit den Gießwalzen stehen. Im Vergleich mit Aluminium-Silizium-Legierungsble chen gleicher Zusammensetzung, die aber durch Warmwalzen von Barren konventioneller Abmessungen hergestellt wurden, die beispielsweise eine Dicke von 15 cm, hergestellt durch kontinuierliches Gießen unter direkter Kühlung mit einer Gießgeschwindigkeit

μ von 15 cm/Minute (und entsprechender Wachstumsrate in der Größenordnung von 6 bis 8 cm/Minute) aufwiesen, zeigten die Aluminium-Silizium-Legierungsbleche, die nach dem erfindungsgemäß anzuwendenden Verfahren hergestelltwurden, eine erhebliche Verbesse rung der mechanischen Eigenschaften. Eine erwünsch te Kombination von Streckgrenze und Verarbeitbarkeit erhält man, wenn man das kaltbearbeitete Blech glüht, beispielsweise zwei Stunden bei 300" C. Das folgende Beispiel vergleicht die Struktur der Aluminium-Siliziumlegierung mit 9,5% Silizium im gegossenen Zustand, wenn der Barren einerseits konventionell als Stranggußbarren hergestellt wurde, oder wenn andererseits eine dünne Platte mit hohen Wachstumsraten von mehr als 40 cm/Minute gegossen

•35 wird.

Beispiel 1 Vergleich von Aluminium-Siliziumlegierungen mit 9,5% Silizium im gegossenen Zustand

GuB	Konventioneller Strangguß (D.C.)	Dünne Platte direktgekühlt	Platte aus der Doppel walzengießmaschine
Querschnitt	10X23 cm	0,6X30 cm	0,7X83 cm
Gießgeschwindigkeit	7,5-10 cm/Min.	75-120CmZMJn.	60-80 cm/Min.
Wachstumsrate (Erstarrung)	6-8 cm/Min.	40-60 cm/Min.	50-75 cm/Min.
MikroStruktur	blattähnliche Siliziumbänder	feine verzweigte Siliziumstäbchen	feine verzweigte Siliziumstäbchen
Siliziumphase, mittlerer Durchmesser	2-5μτ.ι	*weniger als ^lh* μηι**	weniger als ^lk [an

Das folgende Beispiel vergleicht die Festigkeit und die Dehnung von kaltgewalztem Blech, das aus einer Doppelwalzengießmaschine hergestellt wurde, und einer dünnen Platte, die unter Direktkühlung hergestellt wurde, unter den hohen Wachstumsraten von Beispiel 1, mit kaltgewalztem Blech, hergestellt aus einem normalen Stranggußbarren, gegossen bei konventionellen Wachstumsraten der Größenordnung von 6 bis 8 cm/Minute.

Die dünne, unter Direktkühlung hergestellte P.latte wurde nach einem Verfahren, das den Standardgießver

fahren unter direkter Kühlung ähnlich war, gegossen, ausgenommen, daß ein sehr dünner Rohblock gegossen wurde. Die Form war eine wassergekühlte Kupferform von 19 mm Länge; es wurde ein Kühlwasserfilm hoher Geschwindigkeit (lSOcm/Sek.) auf die entstehende Platte gerichtet

Die Gießgeschwindigkeit lag im Bereich von 75 bis 120 cm/Minute. Die hohe Gießgeschwindigkeit in Verbindung mit der hohen Wärmeentzugsrate der dünnen Platte ergab sehr hohe Wachstumsraten in dem Mittelteil der Platte.

Beispiel 2

Aluminium-Silizium-Legierungen Dehnungseigenschaften¹) von 1 mm dicken Blechen

Material

wie gewalzt	οο,ι	Dehnung	geglüht	bei	300⁰C (2 h)	Dehnung
as	N/mm²	%				%
N/mm²		N/mm²		N/mm²

Doppelwalzenplatte 9,4% Silizium

(Platte bei 275X geglüht)²) 9,4% Silizium (Platte bei 350^cC geglüht)

Dünne Stranggußplatte

Material

290	220	7	200	150	16
270	200	6	190	130	21

9,5% Silizium - 0,6% Kupfer	C	380	190	2	220	160	17
(Platte bei 325^CC geglüht)	Konventioneller Stranggußbarren
11,6% Silizium	9,5% Silizium	270	200	5	200	140	15
(Platte bei 350⁼C geglüht)	(Barren bei 35O⁰C geglüht)³)
12,0% Silizium
(Barren bei 350°C geglüht)
Tabelle 2 (Fortsetzung)	240	180	7	140	60	33

230	190	7	140	60	25

geglüht bei 350°C (2 h) geglüht bei 40O⁰C (2 h)

cb οό,2 Dehnung ob <Oj Dehnung

N/mm²

A	190	130	20	180	100	20
Doppeiwalzcnplatte
9,4% Silizium	180	110	21	160	80	24
(Platte bei 275^CC geglüht)²)
9,4% Silizium
(Platte bei 350⁼C geglüht)	210	120	19	200	100	20
B Dünne Stranggußplatte
9,5% Silizium - 0,6% Kupfer	190	120	18
(Platte bei 325=C geglüht)
11,6% Silizium
(Platte bei 350⁼C geglüht)	150	- 50	28	140	50	30
C Konventioneller Stranggußbarren
9,5% Silizium	140	60	24	150	60	23
(Barren bei 350°C geglüht)³)
12.0% Silizium

(Barren bei 350⁰C geglüht) Anmerkung:

') Zugfestigkeit (σ_Β) und Streckgrenze (Oc_-2) sind Mittelwerte aus longitudinalen und transversalen Zugproben von Standardblechen; die Dehnungen wurden über 5 cm Länge gemessen.

²) 6 mm dick gegossene Platten, die eine Stunde lang bei den angegebenen Temperaturen geglüht wurden, bevor sie zu 1 mm dicken Blechen gewalzt wurden.

³) Im normalen Strangguß hergestellte Barren, 10 cm dick, auf 350°C vorerhitzt, wann auf 6 mm gewalzt und dann auf 1 mm kaltgewalzt

7 Beispiel 3

Eine unter direkter Kühlung hergestellte dünne Platte wurde aus Aluminium-Silizium-Legierungen verschiedener Siliziumgehalte in einer Dicke von 6 mm mit einer Wachstumsrate von 40 bis 60 cm/Minute hergestellt. Diese wurde dann auf 1 mm Dicke kaltgewalzt. Das Blech wurde dann bei 300⁰C bzw. 350°C zwei Stunden lang geglüht. Die Streckgrenze wurde dann gegen den prozentualen Siliziumgehalt graphisch aufgetragen, wie es in der beiliegenden Figur dargestellt ist, aus der ersehen werden kann, daß die Streckgrenze mit steigendem Siliziumgehalt innerhalb des Bereiches von 6% Silizium bis 11,5% Silizium anstieg.

Die gegossene Platte, die die stäbchenähnliche Siüziurnphasc aufweist, kann aufgewickelt werden und zum Walzen und anschließendem Glühen an andere Orte befördert werden.

20 Beispiel 4

Eine Aluminium-Silizium-Legierung der Zusammensetzung 9,4% Silizium, 0,17% Eisen, 0,03% Titan und Rest Aluminium, (die Verunreinigungen liegen jeweils unterhalb 0,01%), wurde in einer Hunter-Engineering-Doppelwalzengießmaschine mit einer Geschwindigkeit von 70 cm/Minute gegossen, und zwar auf eine Dicke von 7,4 mm und Breite von 84 cm. Die Schmelze wurde dem Oberteil der Maschine bei einer Temperatur von etwa 610°C zugeführt

Die gegossene Platte wurde einer Glühung bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 400⁰C während wenigstens '/2 Stunde unterworfen, bevor kaltgewalzt wurde.

Diese Glühbehandlung vermindert die Tendenz zum Brechen, das sonst während des Kaltwalzens erfolgen kann. Es ist in der Tat sehr schwierig, die Platte erfolgreich kaltzuwalzen, es sein denn, die Platte wurde vorher einer Glühbehandlung unterzogen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentansprüche:

1. Anwendung des Plattengieß-Verfahrens mit Plattendicken von nicht mehr als 25 mm und einer Wachstumsgeschwindigkeit von mehr als 25 cm/Minute auf Aluminium-Legierungen der Zusammensetzung

7 bis 10% Silizium

0 bis 1 % Kupfer und/oder Magnesium und/oder Mangan,

jeweils 0 bis 0,3% an zulässigen Beimengungen mit insgesamt höchstens 1% und

Aluminium als Rest,

die im Gußzustand die Anteile an Silizium und intermetallischen Phasen in Form von Stäbchen eines mittleren Durchmessers von 0,05 bis 0,5 μηι enthalten und von groben primären Kristallen frei sind.

2. Verfahren zur Weiterverarbeitung der nach Anspruch 1 bandgegossenen Platten, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußplatten um wenigstens 60% in ihrer Dicke verringert werden, wobei wenigstens 10% der Verringerung durch Kaltverformung erfolgt und schließlich die erhaltenen Bleche oder Bänder im Temperaturbereich von 250 bis 400° C geglüht werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußplatten vor dem Walzen bei 250 bis 400° C geglüht werden.