DE2925977C2

DE2925977C2 - Verfahren zur Herstellung von halbharten Aluminiumblechen

Info

Publication number: DE2925977C2
Application number: DE2925977A
Authority: DE
Inventors: Aasmund Erik Dr. Rykkinn Nes; Sverre Kopervik Slevolden
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1978-06-27
Filing date: 1979-06-27
Publication date: 1982-07-01
Also published as: GB2024870A; US4265676A; DE2925977A1; FR2429844B1; GB2024870B; SE433947B; FR2429844A1; NO141372B; NO141372C; SE7905550L; NO782215L

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von halbharten Aluminiumblechen mit hoher Festigkeit und Duktilität, bei dem man eine Al-Knetlegierung, die weniger als 0,5% mindestens eines der die Rekristallisation modifizierenden Elemente, wie Zr, Nb, Ta, Hf, Ni, Cr, Ti, V oder W, im wesentlichen in fester Lösung enthält, durch kontinuierliches Bandgießen zu einer Platte gießt, die direkt auf Raumtemperatur abgekühlt, auf die erforderlxhe Dicke kaltgewalzt und einer Entfestigungsglühung unterzogen wird.

Bei der herkömmlichen Herstellung von Blechen und Bändern aus Aluminium werden die Walzblöcke durch halbkontinuierliches Gießen hergestellt. Diese Walzblöcke werden einer 12- bis 24stündigen Homogenisierungsbehandlung bei erhöhter Temperatur nahe der Solidus-Temperatur des Metalls, z.B. 490 bis 500⁰C. unterworfen. Hierauf erfolgt das Warmwalzen bei etwas niedrigerer Temperatur, z. B. 400 bis 450"C, und dann das Kaltwalzen und Nachglühen, das heißt eine etwa 2stündige Wärmebehandlung bei etwa 380⁰C. Anstelle des Kaltwalzens und Nachglühens kann man auch nach dem Warmwalzen ein Zwischenglühen bei 420⁰C und abschließend das Kaltwalzen durchführen.

Eine modernere Technologie zur Herstellung von Walzblechen ist das sogenannte Bandgießen. Dieses kontinuierliche Gießverfahren zeichnet sich durch eine hohe Erstarrungsgeschwindigkeit beim Abkühlen des Gußmaterials aus und ermöglicht daher höhere Gießgeschwindigkeiten. In diesem Fall muß das gegossene Band nachbearbeitet werden, um ein Produkt mit zufriedenstellenden mechanischen Eigenschaften zu erhalten. Diese Bearbeitung umfaßt ein Kaltwalzen des gegossenen Materials auf eine geeignete Dimension, ein 4stündiges Glühen bei etwa 42O⁰C und ein weiteres Kaltwalzen, bei dem die Dicke des Materials um 15% oder mehr reduziert wird.

Nach D. Altenpohl, Aluminium von innen betrachtet, 1957, S. 97, ist es auch möglich, halbharte Bleche aus Reinaluminium und nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen durch Entfestigungsglühen kaltgewalzter Bleche (Kaltwalzgrad meist über 40%) herzustellen, wodurch eine höhere Duktilität des Endproduktes erzielt wird.

Bei D. Altenpohl, Aluminium und Aluminiumlegierungen, Springer-Verlag, 1965, S. 115 u. 116 ist das Bandgießen von Reinaluminium und schwachlegiertem Material (1,5% Mn und/oder 2% Mg) erwähnt. Die hohen Äbkühiungsgesehwiiidigkeilen beim Bandgießen ergeben ein feineres und dichteres Gefüge und damit eine bessere Duktilität des Endproduktes.
In demselben Fachbuch wird auf den Seiten 345 bis 351 und 354 auf die rekristallisationshemmende Wirkung einiger Legierungszusätze, wie Ti, Mn, Cr, Zr, Mg, Si, Ni, V und W hingewiesen, die nach der schnellen Erstarrung beim Bandgießen in übersättigter Lösung vorliegen. Dabei tritt der Einfluß auf die Rekristallisation meist nur bis zu einem bestimmten Prozentsatz an Zusatzelement auf, der um 0,5% liegt, bei Zirkonium z. B. bis zu einem Gehalt von 03%.

Es ist von anderer Seite bekannt, daß durch Zusatz von bestimmten Elementen, wie Zr, Nb, Ta und Ni, in einer Gesamtmenge von 0,3 bis 0,8% zu bestimmten nicht aushärtbaren Al-Knetlegierungen eine erhöhte Rekristallisationstemperatur erzielt wird. In dei US-PS 22 45 166 wird der Zusatz vor, 0,01 bis 1,0% Zirkonium zu einer kupferfreien Aliiminiuiw-Magnesium-Knetlegierung, die 0,25 bis 10,0% Mg enthält, empfohlen, um die Rekristallisationstemperatur zu erhöhen. Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, eine handelsübliche Legierung der 7000-Serie AlZnMg (Cu) von hoher oder mittlerer Festigkeit mit Zirkonium zu dotieren. Derartige Zusätze bewirken eine gewisse Erhöhung der Rekristallisationstemperatur, die ihrerseits die Möglichkeit zur Herstellung von warmgeformten Produkten verbessert, ohne daß im Endprodukt eine nennenswerte Rekristallisation stattfindet. Bei der herkömmlichen Wärmebehandlung und beim Warmwalzen der gegossenen Walzbrammen wird keine nennenswerte Verbesserung der mechanischen Eigenschaften erzielt.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein einfach durchführbares Verfahren zur Herstellung von halbharten Aluminiumblechen bereitzustellen, die verbesserte mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe 0,2-Dehngrenze und Zugfestigkeit, in Kombination mit hoher Duktilität bei erhöhten Temperaturen aufweisen.

Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs geschilderten Art dadurch gelöst, daß man im Anschluß an das Kaltwalzen eine Wärmebehandlung durchführt, bei der die Temperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit von weniger als 50°C/min auf 400 bis 500°C gebracht, gehalten und schließlich auf Raumtemperatur abgpkühlt wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf handelsübliche nichtaushärtbare AIKnetlcgierungen, insbeson-

dere die folgenden Aluminiumlegierungen angewandt werden;

1. AlMn-Knetlegierung, die 0,30 bis 1,35% Mn enthält;

2. AlMgMn-Knetlegierung, die 0,2 bis 0,8% Mg und 0,3bis0,8%Mnenthä!·;

3. AlMg-Knetlegierung, die 0,5 bis 1,1% Mg enthält;

4. Reinaluminium mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99%.

Erfindungsgemäß lassen sich nach dem Bandgießverfahren, durch direkt anschließendes Kaltwalzen und eine spezielle Wärmebehandlung Bleche aus Al-Knetlegierungen mit wesentlich verbesserten Eigenschaften herstellen, d. h. einer erhöhten Duktilität bei gleichbleibender Zugfestigkeit und wesentlich erhöhter Rekristallisationstemperatur, wobei gleichzeitig eine hohe Zugfestigkeit und Duktilität bei erhöhten Temperaturen erzielt werden.

Bei der erfindungsgemäßen Herstellung von Aluminiumblechen ist es überraschend, daß sine beträchtliche Verbesserung der thermisch-mechanischei; Eigenschaften erzielt wird, obwohl nur sehr geringe Mengen an rekristallisations-modifizierenden Elementen, wie Zr, Nb, Ta, Hf, Ni, Cr, Ti, V oder W, zugesetzt werden. Die erzielte Verbesserung ist das Ergebnis der angewandten Bandgießtechnik, bei der diese Elemente aufgrund der hohen Erstarrungsgeschwindigkeit im wesentlichen in fester Lösung vorliegen, sowie der Anwendung einer speziellen Wärmebehandlung nach dem Kaltwalzen auf die erforderliche Enddicke.

Gleichzeitig wird das Herstellungsverfahren im Vergleich zu herkömmlichen Warm- und Kaltwalzverfahren wesentlich vereinfacht. Die Zusatzmenge der die Rekristallisation beeinflussenden Elemente in den Knetlegierungen ist so gering, z. B. bis zu 0,3% im Falle von Zirkonium, daß die Gießgeschwindigkeit nicht beeinflußt wird.

Im folgenden wird ein in der Praxis durchgeführtes Verfahren näher erläutert:

Eine Aluminiumlegierung aus 0,15% Si, 0,5% Fe, 0,75% Mn, 0,22% Zr und Aluminium als Rest wird im Bandguß verarbeitet, d. h. durch Gießen zwischen intern gekühlten Drehwalzen. Nach dem Aufspulen und Abkühlen auf Raumtemperatur wird die Platte von einer Anfangsdicke von etwa 7 mm auf die erforderliche Enddicke, z. B. 1 mm, kaltgewalzt. Die Kaltverformung bewirkt eine starke Zunahme der Härte und gleichzeitig eine verminderte Duktilität. Diese Eigenschaftskombination ist für bestimmte Anwendungen unerwünscht. Es ist daher notwendig, im Falle einer herkömmlichen Legierungszusammensetzung nach dem Walzen ein Weichglühen und anschließend ein Kaltwalzen durchzuführen, um die pewünschten Eigenschaften zu erzielen. Im Gegensatz dazu unterwirft man im Verfahren der Erfindung das kaltgewalzte Blech einfach einer abschließenden Wärmebehandlung, bei der die Metalltemperatur ζ. B. langsam auf 420 bis 470° C gebracht und etwa 2 Stunden bei diesem Wert gehalten wird, bevor man auf Raumtemperatur abkühlt.

Die mechanischen Eigenschaften der zirkoniumhaltigen Legierung stabilisieren sich auf einem Niveau, das der durch Verformung verfestigten halbharten Qualität einer entsprechenden zirkoniumfreien Legierung entspricht, mit Aufnahme des Unterschieds in der Duktilität, die wesentlich verbessert ist. Um dies..· Stabilisierung des Ver/ormungsgefüges der zirkoniumhaltigen Legierung zu erzielen, darf die Heizrate während der Wärmebehandlung nach dem Kaltwalzen einen bestimmten kritischen Wert nicht Fiberschreiten. Der kritische Wert beträgt etwa 50°C/min und eine

5 optimale Heizrate für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung liegt im Bereich von 1 bis4°C/min.

Diese niedrige Heizrate ist erforderlich, um eine Ausscheidung von feinverteilten Al₃Zr-Teilchen zu erreichen, die für die Stabilisierung der Substruktur

ίο erforderlich ist Die Gießtemperatur während des Bandgießens liegt im Bereich von 680 bis 750⁰C.. je nach der verwendeten Knetlegierung und dem kristaliisationshemmenden Zusatzelefnent Im Falle einer AIMn-Legierung und dem Zusatz von Zirkonium gießt man vorzugsweise bei 680 bis 700° C.

Der grundlegende Unterschied zwischen einer zirkoniumhaltigen und einer zirkoniumfreien Legierung ist in dem folgenden Beispiel erläutert

Beispiel 1

Zwei bandgegossene AiMn-Le:gerungen (Dicke des Giißmaterials: etwa 7 rnrn), die rr.i* Ausnahme des Zirkoniumzusatzes identisch sind:
Legierung 1 (Al; 0,3 Mn;0,23 Zr) und Legierung 2 (Al; 0,8 Mn), werden nach dem Gießen bei 690°C zu 1 mm dicken Blechen kaltgewalzt. Proben dieser Bleche werden auf unterschiedliche Temperaturen im Bereich von 400 bis 520⁰C erhitzt. Alle Wärmebehandlungen erfolgen mit derselben Heizrate von 50°C/min bis zur

jü Haltetemperatur. Die Haltezeit beträgt in allen Tests 2 Stunden, worauf man die Probe an der Luft abkühlt.

Tabelle 1

35	Temp.	[N/mm²]	Leg.	Ab	Leg.
	⁰C	Leg.	143	[%]	11
		160	143	Leg.	16
40	405	55	62	8	27
	454	53	34
	ΓΙΟ		37

Die Ergebnisse in Tabelle I und Fig. 1 zeigen, wie sich die Festigkeit, definiert durch die 0,2-Dehngrenze Rp 0,2 (Fig. la), und die Duktilität, uefiniert durch die Bruchdehnung Ab (Fig. Ib), wobei die Meßlänge viermal so groß ist wie die Breite der Probe, mit der Wärmebehandlungstemperatur ändert.

-,o Die Ergebnisse zeigen, daß bei der Legierung 2 ein schneller Festigkeitsabfall bei Erhöhung der Temperatur im Bereich von 400 bis 420⁰C auftritt, während die Legierung 1 beträchtliche Festigkeitsstabilität zeigt. Es lieet in erster Linie an der Wärmebehandlungstemperatür oberhalb etwa 480⁰C, daß ein schnellerer Festigkeitsabfall bei Temperaturerhöhung eintritt. Dies bedeutet, daß der Zusatz von etwa 0,2% Zr e-ne Erhöhung der Rekristallisationstemperatur (definiert als die Temperatur, bei der nach einer Haltezeit von

en 2 Stunden eine J-O%ige Festigkeitsabnahme erfolgt) um 80°C von 410 auf 490°C ergibt.

Zur weiteren Erläuterung der erfindrngsgemiiß erzielten Vorteile ist nachstehend ein Test beschrieben, der zeigt, daD' das erfindungsgemäße Verfahren die Herstellung von Legierungsqualitäten mit wesentlich verbesserter Beständigkeit gegen thermische Erholung als herkömmlich hergestellte Bleche derselben Legierungen ohne Zusatz von Zirkonium ermöglicht.

Beispiel 2

Das herkömmlich hergestellte Bandmaterial ohne Das erfindungsgemäß hergestellte Bandmaterial

Zirkoniumzusatz (Legierung 2) wird bandgegossen und (Legierung I) wird bei 69O⁰C gegossen und direkt von anschließend in vier Durchgängen auf 1,25 mm gewalzt. -, 7,0 auf 1,0 mm gewalzt (Reduktion ca. 85%) und

4 Stunden bei 420°C weichgeglüht (üblicher Ansatz) und anschließend 2 Stunden bei 440⁰C chargengeglüht. Die

anschließend von 1,25 auf 0,88 mm kaltgewalzt, was genaue Zusammensetzung der Legierungen ist in

einer 30prozentigen Reduktion der Materialdicke Tabelle 2 angegeben,
entspricht.

Tabelle 2

Zusammensetzung der Legierungen

/Γ	Si	le	Ml!	Mn	( U	Ii	I!	0.012
Legierung 1 0.23	0.15	0.4'	0.03	0.8	0.002	0.017	0.003	0.(KM
I .'ΡΙ.'ΓΙΙΠΒ ?	0.12	0.4!	0.(K)H	0.8	0.002	0.017	0.004

l)-e heulen Ulechqualitäten werden in einer StandardVerreiHpriilimusmaschine getestet, um die mechanischen (-.iaenschaften

ι ■) bei erhöhter Temperatur und

^{1 }}\ nach längerer Wärmebehandlung bei erhöhter ί hohen Temperatur /u messen.

Die Lrgehnisse >ind in den Tabellen 3 und 4 /iisammenuetaßt und in den f^; i g. 2 und 3 graphisch wiedergegeben.

Tabelle 3

0.2-Dehngren/e (R,,,.). Zugfestigkeit (R.,.) und Bruchdehnung (.·)„) bei Raumtemperatur und erhöhten
Temperaturen

Tem r	K₁,, ■	I	leg	K..	i	[.eg.	•ι«	Leg.
C	[N/mm-'	134	[N/mm-	146	H	7.2
	I. eg	73	I. eg	78	leg.	11.8
RT	143	51	165	58	14.2	20.0
250	^c>4	32	104	39	15.0	30.0
300			T* ' /	33	28.5	34.2
350	45	54	31.0
380	34	43	47.3

Tabelle 4

Mechanische Eigenschaften !gemessen bei Raumtemperatur 1 nach der Wärmebehandlung bei 400⁰C mit unterschiedlichen Haltezeiten

Hait-evcit	/?,,,;	]	Leg.	R-	1	Leg.	['•1	Leg.
bei ■!/»"<	[N/mm^:	107	[N/mm-	126	Leg.	13.1
iStd.i	Leg.	104	Leg.	118	132	16,0
2	148	82	165	106	16.2	22.6
20	139	81	159	104	13.9	25.0
72	134	158		17.2
120	130	153

Die Ergebnisse zeigen, daß die Legierungen 1 und 2 werden, ohne daß eine Verschlechterung der Eigenbei Raumtemperatur vergleichbare Festigkeit besitzen. schäften bei Raumtemperatur auftritt Beispielsweise die Legierung 1 jedoch dehnbarer ist und weit bessere zeigt die Legierung 1 nach 120 Stunden bei 400⁰C nur Festigkeit bei erhöhten Temperaluren (Tabelle 3) 65 eine geringe Festigkeitsabnahme, während die Festigaufweist- keit der Legierung 2 bereits nach 2 Stunden bei Außerdem kann die zirkoniumhaitige Legierung länge- derselben Temperatur um etwa 30% abnimmt (F ί g. 3). re Zeit bei relativ hohen Temperaturen gehalten

Hi.-rzu 3 Blatt Ziichr.unsen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von halbharten Aluminiumblechen mit hoher Festigkeit und Duktilitat, bei dem man eine Aluminium-Knetlegierung, die weniger als 0,5% mindestens eines die Rekristallisation modifizierenden Elements, wie Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium, Nickel, Chrom, Titan, Vanadium oder Wolfram im wesentlichen in fester Lösung enthält, durch kontinuierliches Bandgießen zu einer Platte gießt, die direkt auf Raumtemperatur abgekühlt und auf die erforderliche Dicke kaltgewalzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß man im Anschluß an das Kaltwalzen eine Wärmebe- , handlung durchführt, bei der die Temperatur mit einer Aufheizgeschwindigkeit von weniger als 50°C/min auf 400 bis 500° C gebracht und gehalten wird, und schließlich auf Raumtemperatur abkühlt

Z Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizgeschwindigkeit 1 bis 4°C/min beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltetemperatur während der Wärmebehandlung 440 bis 460° C beträgt. 2

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Aluminium-Mangan-Kanlegierungen, die 030 bis 1,35% Mangan enthalten.

5. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf AIuminium-Magnesium-Mangan-Knetlegierungen, die 0,2 bis 0,8% Magnesium und 0,3 bis 0,8% Mangan er.halten.

6. Anwendung de^c Verfc^urens nach Anspruch 1 auf Aluminium-Magnesium-Knetlegierungen, die 0,5 bis 1,1% Magnesium enthalter?

7. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf Reinaluminium mit einem Reinheitsgrad von 99%.