DE3411762C2

DE3411762C2 -

Info

Publication number: DE3411762C2
Application number: DE19843411762
Authority: DE
Priority date: 1983-03-31
Filing date: 1984-03-30
Publication date: 1991-02-14
Also published as: FR2543578B1; GB8408213D0; GB2139536B; JPS605865A; US4582544A; JPS6362580B2; GB2139536A; DE3411762A1; FR2543578A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur superplastischen Verformung eines Rohlings aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, die eine für die superplastische Verformung geeignete Zusammensetzung und ein dafür geeignetes Gefüge hat und die keine oder zu wenig Zusätze von das Kornwachstum hemmenden Elementen enthält.

Frühere Arbeiten an superplastisch verformbaren Aluminiumlegierungen haben sich auf die folgenden vier Hauptbereiche konzentriert:

1. Eutektische (oder eutektoidische) Zusammensetzungen, in jüngerer Zeit durch Al-Ca-Legierungen belegt.
2. Zusammensetzungen, in welchen nur kleine Volumenanteile von Teilchen zweiter Phase bei Raumtemperaturen und sogar noch kleinere Volumenanteile bei den Temperaturen der superplastischen Verformung zugegen sind. Die superplastische Leistungsfähigkeit dieser Legierungen hängt entscheidend von der richtigen Verteilung sehr feiner Teilchen, wie zum Beispiel ZrAl₃, ab. Solche Legierungen sind in den GB-Patentschriften 13 87 586 und 14 45 181 offenbart.
3. Verändern der thermo-mechanischen Behandlung von "Standard"- Flugzeugaluminiumlegierungen, wie zum Beispiel 7075 und 7475 (nach den Spezifikationen der United States Aluminum Association), zur Erzielung einer sehr feinen Korngröße vor superplastischer Verformung. Auf solche Arbeiten, hauptsächlich durch Rockwell International, ist Bezug genommen in C.H. Hamilton, C.C. Bampton und N.E. Paton, "Superplasticity in High Strength Aluminium Alloys", Seiten 173-189 in Superplastic Forming of Structural Alloys, herausgegeben durch N.E. Paton und C.H. Hamilton, AIME, New York, NY, 1982 (ISBN 0-89520- 389-8).
4. Legierungen, wie zum Beispiel 2004 und seine Derivate, die eine für superplastische Verformung geeignete Zusammensetzung besitzen, jedoch ein Gefüge, welches diese ausschließt; das Gefüge wird modifiziert durch einen anfänglichen nichtsuperplastischen Verformungsschritt bei einer geeigneten Verformungstemperatur zur Induzierung dynamischer Spannungs-Rekristallisation, so daß sich fortschreitend ein feines rekristallisiertes Gefüge entwickelt und anschließend eine superplastische Verformung erfolgen kann.

Die GB-PS 14 56 050 beschreibt das vorstehend unter 4. angegebene Verfahren. Zahlreiche Aluminiumlegierungen sind in der GB-PS 14 56 050 offenbart, und ihnen allen ist der Einschluß eines Bestandteils (Zr, Nb, Ta oder Ni) zur Inhibierung der Kornvergröberung nach Rekristallisation gemeinsam. Ein solcher Kornvergröberungsinhibitor hatte sich vorher als wesentlich herausgestellt. Weiterhin zeigt die GB-PS 15 56 050, daß bei den darin erwähnten Legierungen eine dynamische Spannungs-Rekristallisation nicht auftritt, wenn die Verformungsgeschwindigkeit zu groß ist.

Somit geht aus der GB-PS 14 56 050 ein Verfahren zur superplastischen Verformung eines Rohlings einer Metallegierung hervor, die eine für die superplastische Verformung geeignete Zusammensetzung hat, jedoch ein die superplastische Verformung verhinderndes Gefüge aufweist. Die superplastische Verformung wird durch eine zweistufige Verformung erreicht, deren erste Stufe eine nichtsuperplastische Verformung zur Induzierung dynamischer Rekristallisation ist, während die nachfolgende Stufe eine superplastische Verformung ist. Wenn die Legierung eine Legierung auf Aluminiumgrundlage ist, kann die Legierung mindestens 0,25 Gewichtsprozent eines Kornvergröberungsinhibitors enthalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs angegebenen Art bereitzustellen, mit welchem für bestimmte Aluminiumlegierungen, die keinen als Kornvergröberungsinhibitor wirkenden Bestandteil oder zu wenig davon besitzen, eine leichte superplastische Verformung ermöglicht wird.

Die gestellte Aufgabe wird durch das Verfahren entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 bis 3 unter Verwendung der dort angegebenen Legierungstypen gelöst. Die Legierungsbestandteile sind in Gewichtsprozenten angegeben. Die Ansprüche 4 und 5 enthalten vorteilhafte Verfahrensbedingungen.

Weitere Einzelheiten der vorliegenden Erfindung werden nun nachfolgend, beispielsweise unter Bezugnahme auf die einzige Figur der Zeichnungen, näher erläutert werden, welche Mikrografien (a) und (b) zeigt.

Beispiel

Eine Legierung der Zusammensetzung

Lithium
2,62
Magnesium	0,68
Kupfer	1,21
Zirkonium	0,12
Titan	0,01
Aluminium	Rest (zufällige Verunreinigungen einschließend)

wurde zu einem 300-kg-Walzbarren von 508 mm×178 mm Querschnitt gegossen, homogenisiert und zur Entfernung von Oberflächenmängeln geschält. Der Barren wurde auf 530°C vorgewärmt und warmgewalzt zu einem 5-mm-Warmrohling. Der 5-mm-Warmrohling wurde zur Erzeugung eines Bleches von 1,6 mm Dicke kaltgewalzt.

Zwei Proben des Bleches wurden superplastisch verformt nach Vorheizung auf 510°C für 20 Minuten. Bei einer Einspannbackengeschwindigkeit (bezogen auf die Dehnungsgechwindigkeit) von 12,5 mm/min wurde in einer Probe eine superplastische Dehnung von 550% erreicht, während bei einer Einspannbackengeschwindigkeit von 3,38 mm/min in der anderen Probe eine superplastische Dehnung von 730% erreicht wurde. Die Mikrografie zeigt das Gefüge eines Materials, das zu einem solchen Ausmaß gedehnt wurde, daß die dynamische Rekristallisation zu einer feinen Korngröße vollständig das anfängliche Knetgefüge ersetzt hatte. Die viel feinere Korngröße, die sich während der dynamischen Rekristallisation des Materials gebildet hat, welches bei der schnelleren Einspannbackengeschwindigkeit von 12,5 mm/min gedehnt wurde, ist offensichtlich.

Weitere Proben des Blechmaterials wurden auf 510°C für 20 min vorgeheizt und bei einer Einspannbackengeschwindigkeit von 12,5 mm/min superplastisch verformt, bis sich das Material dynamisch rekristallisiert hatte zu einem Gefüge ähnlich demjenigen gemäß Fig. 1(a) der Zeichnung (in diesem Fall nach 200% Dehnung). Das Material wurde weiterhin gedehnt bei einer Einspannbackengeschwindigkeit von 3,38 mm/min, und eine superplastische Dehnung von 1185% wurde erreicht. Diese superplastische Verformbarkeit war erheblich höher als diejenigen, die im vorausgehenden Absatz für Material angegeben sind, welches bei einer einzigen Dehnungsgeschwindigkeit gedehnt wurde.

Es wurde auch festgestellt, daß der Lunkerungsgrad bei hohen Dehnungen in Material, welches bei den zwei unterschiedlichen Geschwindigkeiten gedehnt war, erheblich geringer war als eine Folge der feineren Korngröße des Materials.

Es wird angenommen, daß die Gegenwart von Lithium, das auch zum größeren Anteil die physikalischen und mechanischen Eigenschaften der Legierungen beeinflußt, ebenfalls die dynamische Rekristallisation begünstigt. Jedoch unterscheiden sich die jetzt betrachteten Al-Li- Legierungen von denjenigen des Absatzes 4. der Beschreibungseinleitung darin, daß sie in ihrer kalt verarbeiteten Form inhärent superplastisch verformbar sind und sie nicht genug Zr enthalten, damit letzteres als ein Kornvergröberungsinhibitor nach der Rekristallisation wirken kann. Das Zweistufenverformungsverfahren der vorliegenden Erfindung widerspricht auch unserer in der GB-Patentschrift 14 56 050 offenbarten Erfahrung, wonach die Anwendung einer zu hohen Dehnungsgeschwindigkeit die Rekristallisation inhibiert.

Wir haben gefunden, daß die erste höhere Einspannbackengeschwindigkeit zwischen 8 und 40 mm/min (Dehnungsgeschwindigkeiten von 1×10^-2sec^-1 bis 5×10^-2sec^-1 repräsentierend) und die zweite niedrigere Einspannbackengeschwindigkeit zwischen 0,75 und 3,75 mm/min (Dehnungsgeschwindigkeiten von 1×10^-3sec^-1 bis 5×10^-3sec^-1 repräsentierend) schwanken kann. Bevorzugt kann in einer praktischen biaxialen Verformungsoperation die höhere Dehnungsgeschwindigkeit für eine Zeit zwischen 60 und 180 Sekunden und die niedrigere Dehnungsgeschwindigkeit kann für eine Zeit zwischen 20 und 30 Minuten zur Anwendung gelangen.

Wie in unserer gleichzeitig u. a. aufgrund der britischen Prioritätsanmeldung 83 08 908 eingereichten Anmeldung offenbar ist, sind Aluminiumlegierungen mit einer Zusammensetzung innerhalb der nachfolgenden Gewichtsprozentbereiche besonders für das Verfahren der vorliegenden Erfindung geeignet und werden auch gemäß Anspruch 1 eingesetzt.

Lithium\|2,3 bis 2,9
Magnesium	0,5 bis 1,0
Kupfer	1,6 bis 2,4
Zirkonium	0,05 bis 0,25
Titan	0 bis 0,5
Mangan	0 bis 0,5
Nickel	0 bis 0,5
Chrom	0 bis 0,5
Zink	0 bis 2,0
Aluminium	Rest (abgesehen von zufälligen Verunreinigungen)

Es wird angenommen, daß die durch das erfindungsgemäße Zweistufenverfahren erzielten unerwarteten Ergebnisse der Leichtigkeit zugeordnet werden können, welche einige Legierungen aufweisen, dynamisch zu rekristallisieren, aufgewogen durch die Tendenz für einige der rekristallisierten Körner, sich zu vergröbern. Insbesondere im Fall der Lithium enthaltenden Legierungen sichert die rasche Anfangsdehnung, daß ein gleichmäßig feines Gefüge erhalten wird. Wenn eine einzige langsamere Dehnungsgeschwindigkeit verwendet wird, resultieren im Gegensatz dazu einige gröbere Körner, so daß diese Körner während fortgesetzter Verformung Anlaß zu frühzeitigem Bruch geben.

Claims

1. Verfahren zur superplastischen Verformung eines Rohlings aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, die eine für die superplastische Verformung geeignete Zusammensetzung und ein dafür geeignetes Gefüge hat und die keine oder zu wenig Zusätze von das Kornwachstum hemmenden Elementen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling aus einer Legierung mit
2,3 bis 2,9% Lithium,
0,5 bis 1,0% Magnesium,
1,6 bis 2,4% Kupfer,
0,05 bis 0,25% Zirkonium,
0 bis 0,5% Titan,
0 bis 0,5% Mangan,
0 bis 0,5% Nickel,
0 bis 0,5% Chrom,
0 bis 2,0% Zink und
Aluminium als Rest mit zufälligen Verunreinigungen hergestellt wird, dieser auf eine Verformungstemperatur erwärmt wird, bei einer ersten Dehnungsgeschwindigkeit zwischen 1×10^-2sec^-1 und 5×10^-2sec^-1 (entsprechend einer Einspannbackengeschwindigkeit zwischen 8 und 40 mm/min) zur Induzierung einer dynamischen Rekristallisation verformt und die Verformung des Rohlings bei einer zweiten geringeren Dehnungsgeschwindigkeit zwischen 1×10^-3sec^-1 und 5×10^-3sec^-1 (entsprechend einer Einspannbackengeschwindigkeit zwischen 0,75 und 3,75 mm/min) fortgesetzt wird.

2. Verfahren zur superplastischen Verformung eines Rohlings aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, die eine für die superplastische Verformung geeignete Zusammensetzung und ein dafür geeignetes Gefüge hat und die keine oder zu wenig Zusätze von das Kornwachstum hemmenden Elementen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling aus einer Legierung mit
1,2 bis 2,0% Kupfer,
2,1 bis 2,9% Magnesium,
0,18 bis 0,28% Chrom,
5,1 bis 6,1% Zink,
bis zu 0,4% Silizium,
bis zu 0,5% Eisen,
bis zu 0,3% Mangan,
bis zu 0,2% Titan,
anderen Beimengungen bis zu 0,05% einzeln, bis 0,15% zusammen und Aluminium als Rest (Legierung 7075 nach den Spezifikationen der United States Aluminum Association) hergestellt wird, dieser auf eine Verformungstemperatur erwärmt wird, bei einer ersten Dehnungsgeschwindigkeit zwischen 1×10^-2 sec^-1 und 5×10^-2sec^-1 (entsprechend einer Einspannbackengeschwindigkeit zwischen 8 und 40 mm/min) zur Induzierung einer dynamischen Rekristallisation verfromt und die Verformung des Rohlings bei einer zweiten geringeren Dehnungsgeschwindigkeit zwischen 1×10^-3sec^-1 und 5×10^-3sec^-1 (entsprechend einer Einspannbackengeschwindigkeit zwischen 0,75 und 3,75 mm/min) fortgesetzt wird.

3. Verfahren zur superplastischen Verformung eines Rohlings aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, die eine für die superplastische Verformung geeignete Zusammensetzung und ein dafür geeignetes Gefüge hat und die keine oder zu wenig Zusätze von das Kornwachstum hemmenden Elementen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohling aus einer Legierung mit
1,2 bis 1,9% Kupfer,
1,9 bis 2,6% Magnesium,
0,18 bis 0,25% Chrom,
5,2 bis 6,2% Zink,
bis zu 0,1% Silizium,
bis zu 0,12% Eisen,
bis zu 0,6% Mangan,
bis zu 0,06% Titan,
anderen Beimengungen bis 0,05% einzeln, bis 0,15% zusammen und Aluminium als Rest (Legierung 7475 nach den Spezifikationen der United States Aluminum Association) hergestellt wird, dieser auf eine Verformungstemperatur erwärmt wird, bei einer ersten Dehnungsgeschwindigkeit zwischen 1×10^-2sec^-1 und 5×10^-2sec^-1 (entsprechend einer Einspannbackengeschwindigkeit zwischen 8 und 40 mm/min) zur Induzierung einer dynamischen Rekristallisation verformt und die Verformung des Rohlings bei einer zweiten geringeren Dehnungsgeschwindigkeit zwischen 1×10^-3sec^-1 und 5×10^-3sec^-1 (entsprechend einer Einspannbackengeschwindigkeit zwischen 0,75 und 3,75 mm/min) fortgesetzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dehnungsgeschwindigkeit etwa 1,56×10^-2sec^-1 (entsprechend einer Einspannbackengeschwindigkeit von 12,5 mm/min) und die zweite Dehnungsgeschwindigkeit etwa 4,5×10^-3sec^-1 (entsprechend einer Einspannbackengeschwindigkeit von 3,38 mm/min) beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Dehnungsgeschwindigkeit für eine Zeitspanne zwischen 60 und 180 sec und die zweite Dehnungsgeschwindigkeit für eine Zeitspanne zwischen 20 und 30 min zur Anwendung gelangt.