DE602005005509T2

DE602005005509T2 - Aluminiumformplatte mit hoher härte und verfahren zur herstellung dieser platte

Info

Publication number: DE602005005509T2
Application number: DE602005005509T
Authority: DE
Inventors: Claus Jürgen Moritz; Jörgen VAN DE LANGKRUIS
Original assignee: Aleris Aluminum Koblenz GmbH
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH
Priority date: 2004-10-05
Filing date: 2005-10-04
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2025-10-05
Also published as: DE102005047406A1; DE602005005509D1; EP1802782A1; EP1802782B1; US20060070686A1; ATE389736T1; ES2302247T3; FR2876117B1; WO2006037647A1; CN100562595C; FR2876117A1; CA2582249A1; CN101035919A

Description

Die Erfindung betrifft eine Formplatte aus einer Aluminiumknetlegierung. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen der Formplatte.
Auf dem Werkzeug- und Formplattenmarkt zum Blasformen und Warmformen von Gummis und Kunststoff wird eine nachhaltige Anstrengung unternommen, um Kosten zu verringern und gleichzeitig eine zufriedenstellende Verschleißfestigkeit und Reparaturschweißbarkeit beizubehalten. Diese Arten von Werkzeugplatten finden außerdem breite Verwendung bei vielen anderen industriellen Anwendungen, die Bauteile enthalten, die durch verschiedene Bearbeitungsvorgänge, wie Bohren, Fräsen und Drehen, hergestellt werden. Üblicherweise verwendete Werkzeugplatten werden aus ausgewählten Legierungen aus den Legierungen der Serie AA2000, den Legierungen der Serie AA6000 oder den Legierungen der Serie AA7000 hergestellt.
Hohe Verschleißfestigkeit in Verbindung mit guter Bearbeitbarkeit sind wichtige Eigenschaften von Legierungen für eine Formplatte. Bei typischen Werkzeugplatten-Knetlegierungen wird diese Verschleißfestigkeit durch Legieren mit Kupfer (wie bei der Serie AA2000) oder Zink (wie bei der Serie AA7000) oder Magnesium und Silizium (wie bei der Serie AA6000) in Verbindung mit einer thermomechanischen Behandlung erzielt. Bei diesen wärmebehandelbaren Legierungsklassen erfolgt die typische Art des Erreichens hoher Härte über Ausscheidungshärten kohärenter Phasen. Zusätzliches Härten durch relativ grobe Teilchen, wie primäres Si und inkohärentes Mg₂Si, wird auf Grund der damit verbundenen Risiken eutektischen Schmelzens bei erhöhten Temperaturen oft als ungeeignet erachtet. Außerdem ist zusätzliches Härten durch α-Al(Fe, Mn, Cu)Si-Dispersoide nicht gut anzuwenden, da im Allgemeinen angenommen wird, dass sie die Abschreckempfindlichkeit der Legierung erhöhen. Erhöhte Abschreckempfindlichkeit wird, im Besonderen bei Erzeugnissen dickeren Maßes, als nachteilige Eigenschaft erachtet.
Typischerweise wird bei AA2000- und AA7000-Legierungen höhere Härte erreicht als bei AA6000-Legierungen. Ein Nachteil der Serie AA2000 ist der hohe Kupfergehalt, der die Legierung teuer sowie für die Wärmebehandlung sehr empfindlich macht. Außerdem wird die Schweißbarkeit der Legierung durch den hohen Kupfergehalt nachteilig beeinflusst. Ähnliche Argumente werden für die Serie AA7000 erhoben, wie hohe Restspannungen sowie schlechte Schweißbarkeit und schlechtes Korrosionsverhalten, die Komplikationen bei Maßtoleranzen, Reparaturschweißbarkeit und Beständigkeit der Form verursachen. Die Verschleißfestigkeit einer Legierung der Serie AA6000 in einem T6-Vergütungszustand, wie AA6010, AA6013, AA6061, AA6066, AA6070 und AA6082, ist normalerweise für normale industrielle Anwendungen angemessen. Bei Hochleistungsanwendungen wird jedoch eine höhere Verschleißfestigkeit gewünscht, ohne dass Schweißbarkeit und Kosten nachteilig beeinflusst werden.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Formplatte aus einer Aluminiumknetlegierung mit einer verbesserten Verschleißfestigkeit bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe erfüllt durch Bereitstellen einer Formplatte aus einer Aluminiumknetlegierung, die enthält (in Gew.-%):

– Si 1,4 bis 2,1
– Mn 0,8 bis 1,2
– Cu 0,45 bis 0,9
– Mg 0,7 bis 1,2
– Ti < 0,15
– Zn < 0,4
– Fe < 0,7
– eines oder mehrere von Zr, Cr, V, jeweils < 0,25, insgesamt vorzugsweise < 0,35,
– unwesentliche Elemente und Verunreinigungen, jeweils < 0,05, insgesamt < 0,25,
– Rest Aluminium, und mit einer Enddicke zwischen 5 bis 300 mm und in T6-Vergütungszustand mit einer Härte von mehr als 105 HB.

Die erhöhte Härte wird erreicht, indem Ausscheidungshärten von Mg-Si-Cu-Phasen, Fe- und Mn-haltigen intermetallischen Verbindungen und Dispersoiden, von denen bekannt ist, dass sie den Aushärtungseffekt bei ausgewogenen AlMgSi(Cu)-Legierungen durch ihren Einfluss auf die Abschreckempfindlichkeit eigentlich verringern, kombiniert wird mit einem hohen Überschuss von Si, der den Mg-Lösungsproduktanteil senkt, um den negativen Einfluss von Mn-haltigen Dispersoiden auf die Abschreckempfindlichkeit zu minimieren. Der Übersättigungsgrad bei Mg-Si-Phasen ist noch nicht so hoch, dass aus dem Mg-, Si- und Cu-Lösungsproduktgehalt bereits besonders hohe Abschreckempfindlichkeiten resultieren. Von der erfindungsgemäßen ausgewogenen Legierungszusammensetzung wird angenommen, dass sie den festigkeitserhöhenden Effekt eines Siliziumzusatzes mit einer moderaten Menge von Kupfer, Magnesium und Mangan verbindet. Es wurde festgestellt, dass diese Legierung zufriedenstellende Schweißbarkeit und eine Härte von wenigstens 105 HB bereitstellt. Es ist zu beachten, dass die Härtewerte auf der Brinell-Skala ausgedrückt werden und mit einer Kugel mit einem Durchmesser von 2,5 mm unter Belastung mit einer Masse von 62,5 kg gemessen wurden. Die Härteprüfungen wurden gemäß ASTM E10 (Version 2002) durchgeführt.
Bei einer bevorzugten Ausführung der Erfindung beträgt die Härte in dem T6-Vergütungszustand wenigstens 115 HB, wobei eine Härte von wenigstens 120 HB stärker zu bevorzugen ist. Diese Härtewerte implizieren eine erhöhte Bearbeitbarkeit sowie Verschleißfestigkeit. Die chemische Zusammensetzung in Verbindung mit einer Wärmebehandlung gewährleistet das Beibehalten angemessener Schweißbarkeit und somit Reparaturfähigkeit: Überraschenderweise wurde festgestellt, dass die Plattenlegierung bei Cu-Gehalten von bis zu 0,9% sehr gute Reparaturfähigkeit zum Beispiel mit einem üblichen 4043-Fülldraht zeigt.
Bei einer Ausführung liegt Si in dem Bereich von 1,53 bis 2,0%, wobei der Bereich von 1,55 bis 1,9% stärker zu bevorzugen ist. Es wurde festgestellt, dass dieser Bereich von Silizium eine sehr gute Kombination der wünschenswerten Eigenschaften mittels Härten durch kohärente Mg-Si-Cu-Phasen und durch primäres Si, inkohärentes Mg₂Si und intermetallischen α-Al(Fe, Mn, Cu)Si-Phasen und Dispersoide bereitstellt.
Bei einer Ausführung liegt Mn in dem Bereich von 0,85 bis 1,10%. Es wurde festgestellt, dass dieser Bereich von Mangan eine sehr gute Kombination der wünschenswerten Eigenschaften bereitstellt, im Besonderen durch Stimulieren der Bildung von intermetallischen α-Al(Fe, Mn, Cu)Si-Phasen und Dispersoiden. Bei hohen Si-Anteilen steigt die Tendenz zur Bildung der relativ brüchigen intermetallischen β-AlFeSi-Phase. Jedoch wird durch Sicherstellen des Vorhandenseins geeigneter Mengen von Mn und Cu die günstigere α-Al(Fe, Mn, Cu)Si-Phase stabilisiert.
Bei einer Ausführung liegt Cu in dem Bereich von 0,5 bis 0,7%. Es wurde festgestellt, dass dieser Bereich von Kupfer eine sehr gute Kombination der wünschenswerten Eigenschaften mittels kohärenter Mg-Si-Cu-Phasen und stabilisiertem α-Al(Fe, Mn, Cu)Si bereitstellt, während gleichzeitig die Legierungskosten niedrig gehalten werden und gute Reparaturschweißbarkeit sichergestellt wird.
Bei einer Ausführung liegt Zn unter 0,3%, vorzugsweise in dem Bereich von 0,17 bis 0,3%.
Bei einer Ausführung beträgt Fe wenigstens 0,2%, wobei der Bereich von 0,2 bis 0,5% stärker zu bevorzugen ist und der Bereich von 0,3 bis 0,5% noch stärker zu bevorzugen ist, um die Bildung ausreichender Mengen härteerhöhender intermetallischer α-Al(Fe, Mn, Cu)Si-Verbindungen sicherzustellen.
Bei einer Ausführung liegen Zr, Cr, V jeweils vorzugsweise unter 0,18%, wobei stärker zu bevorzugen ist, dass sie unter 0,12% liegen, um die Abschreckempfindlichkeit weiter zu verringern.
Bei einer Ausführung weist die Formplatte eine maschinelle Bearbeitbarkeit bzw. Spanbarkeit der Klasse „B" oder besser auf, wie in „ASM Specialty Handbook – Aluminium and Aluminium Alloys (Ed. J. R. Davis), ASM International 1993, Seite 328 bis 331, definiert.
Bei einer Ausführung weist die Formplatte eine Enddicke von 300 mm auf, bei der die beanspruchten Härtewerte in der Plattenmitte immer noch erfüllt werden können. Vorzugsweise liegt die Enddicke in dem Bereich zwischen 5 bis 300 mm, wobei der Bereich zwischen 5 bis 260 mm stärker zu bevorzugen ist. Diese Dickenbereiche ermöglichen die Anwendung der Formplatte für jede praktische Anwendung, die eine Formplatte involviert.
Bei einer Ausführung wurde die Formplatte lediglich durch Warmwalzen zu der Enddicke gewalzt.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer Formplatte bereitgestellt, das die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte umfasst:

– Gießen eines Blockes mit einer Zusammensetzung, die enthält (in Gew.-%): – Si 1,4 bis 2,1 – Mn 0,8 bis 1,2 – Cu 0,45 bis 0,9 – Mg 0,7 bis 1,2 – Ti < 0,15 – Zn < 0,4 – Fe < 0,7 – eines oder mehrere von Zr, Cr, V, jeweils < 0,25, insgesamt vorzugsweise < 0,35, – unwesentliche Elemente und Verunreinigungen, jeweils < 0,05, insgesamt < 0,25, Rest Aluminium und mit bevorzugten Zusammensetzungsbereichen gemäß der Darlegung in der obigen Beschreibung.
– Homogenisieren und/oder Vorwärmen des Blockes,
– Bearbeiten der Platte zu einer Enddicke zwischen 5 und 300 mm, vorzugsweise durch Warmwalzen und/oder Kaltwalzen, wobei lediglich durch Warmwalzen stärker zu bevorzugen ist,
– Durchführen von Wärmebehandlung, die Lösungsglühbehandlung umfasst, gefolgt von schnellem Abkühlen auf unter 250°C bei einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 1°C/s,
– Altern,

Durch erfindungsgemäßes Herstellen einer Formplatte wird ein Erzeugnis hoher Härte mit einem hohen Gehalt spanbrechender intermetallischer Verbindungen erzielt. Die Abkühlgeschwindigkeit während des schnellen Abkühlens nach der Lösungsglühbehandlung ist wichtig, da diese Abkühlgeschwindigkeit die Menge von Lösungsproduktgehalt von Mg, Si und Cu bestimmt, die bei der Lösungsglühbehandlung aufgelöst wurden.
Bei einer Ausführung der Erfindung ist die Wärmebehandlung nach dem Warmwalzen oder Warmpressen eine T6-Behandlung.
Bei einer Ausführung beträgt die Homogenisierungstemperatur wenigstens 450°C, vorzugsweise wenigstens 500°C, wobei eine Homogenisierungstemperatur zwischen 500 und 595°C stärker zu bevorzugen ist, vorzugsweise über einen Zeitraum zwischen 1 bis 25 Stunden, wobei ein Zeitraum zwischen 10 bis 16 Stunden stärker zu bevorzugen ist. Die Vorwärmtemperatur beträgt wenigstens 570°C, zwischen ungefähr 300°C und 570°C, vorzugsweise zwischen 350 und 530°C, vorzugsweise über einen Zeitraum zwischen 1 bis 25 Stunden, wobei ein Zeitraum zwischen 1 bis 10 Stunden stärker zu bevorzugen ist.
Bei einer Ausführung beträgt die Lösungsglühbehandlungstemperatur wenigstens 500°C, vorzugsweise wenigstens 520°C, wobei eine Temperatur von wenigstens 540°C stärker zu bevorzugen ist. Bei einer Ausführung beträgt die Abkühlgeschwindigkeit nach der Lösungsglühbehandlung von der Lösungsglühbehandlungstemperatur auf unter 250°C, vorzugsweise auf unter 150°C, wobei auf unter 100°C stärker zu bevorzugen ist, wenigstens 1°C/s, vorzugsweise wenigstens 2°C/s, wobei eine Abkühlgeschwindigkeit von 5°C/s stärker zu bevorzugen ist und eine Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 10°C/s noch stärker zu bevorzugen ist. Es ist zu beachten, dass die Abkühlgeschwindigkeit des Erzeugnisses während des Abschreckens von dem Ort in dem Erzeugnis abhängt. Die Mitte des Erzeugnisses kühlt langsamer ab als die Oberfläche des Erzeugnisses. Folglich ist, da die Endhärte von der Abkühlgeschwindigkeit abhängt, die Härte niedriger, wenn die örtliche Abkühlgeschwindigkeit während des Abschreckens niedriger ist. Der kritische Punkt in dem Erzeugnis wird als der Punkt definiert, an dem die Abkühlgeschwindigkeit während des Abschreckens am niedrigsten ist. Die vorgenannten Abkühlgeschwindigkeiten beziehen sich auf die Abkühlgeschwindigkeit an dem kritischen Punkt.
Bei einer weiteren Ausführung umfasst der Alterungsprozess natürliches Altern über eine maximale Dauer von 28 Tagen, vorzugsweise über eine maximale Dauer von 14 Tagen, wobei eine maximale Dauer von 7 Tagen stärker zu bevorzugen ist und eine maximale Dauer von 2 Tagen noch stärker zu bevorzugen ist, gefolgt von einer künstlichen Alterungsbehandlung, die dem Altern bei ungefähr 180 bis 200°C für ungefähr 1 bis 10 Stunden entspricht. Der Fachperson ist bekannt, dass Zeit und Temperatur eines Glühens normalerweise nicht unabhängig ausgewählt werden. Der Alterungsprozess wird thermisch aktiviert, wobei dies zu der Situation führt, dass eine hohe Temperatur gepaart mit einer kurzen Zeit einer niedrigeren Temperatur und einer längeren Zeit entspricht, d. h., dass der gleiche metallurgische Zustand nach der Alterungsbehandlung erreicht wird.
Bei einer Ausführung der Erfindung umfasst der Bearbeitungsschritt einen Walz- oder Pressschritt. Bei einer weiteren Ausführung umfasst der Walzschritt einen Warmwalz- und/oder einen Warmpressschritt und/oder einen Kaltwalzschritt. Vorzugsweise umfasst der Bearbeitungsschritt lediglich Warmwalzen und/oder Warmpressen.
Bei einer Ausführung der Erfindung ist der Gießschritt ein Schritt endformnahen Gießens, wobei die Maße der Gusserzeugnisses dem Endprodukt nahe kommen.

Es wird nun eine besondere Ausführung der Erfindung mit den folgenden nichtbeschränkenden Beispielen und der folgenden nichtbeschränkenden Figur erklärt. Es ist zu beachten, dass die chemische Zusammensetzung der Legierungen verändert wurde, indem Späne einer Hartlötlegierung, die hauptsächlich aus einer Kernlegierung der Serie AA300 bestand, die mit einer Si-reichen Legierung der Serie AA4000 plattiert war, mit technisch reinem Al 99,0 gemischt wurden, wonach Cu und/oder Mg und/oder andere Elemente hinzugefügt werden können, um die Endchemie zu erzielen. Tabelle 1. Mittlere Zusammensetzung geprüfter Legierungen und Härte im T6-Zustand.

Legierung	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti	HB	Gehalt Hartlötlegierung (%)
Al 99,0	0,4	0,6	0,03	0,03	0,03	0,07	-	-	0
Hartlötlegierung	2,0	0,4	0,5	1,0	0,40	0,25	0,05	-	100
Beispiel 1*	1,72	0,37	0,61	0,77	0,97	0,21	0,05	124	82
Beispiel 2	1,70	0,39	0,91	0,95	0,85	0,21	0,05	124	81
Beispiel 3	2,10	0,38	0,50	1,03	0,88	0,25	0,05	124	100
Beispiel 4*	1,68	0,41	0,40	0,78	0,98	0,21	0,05	123	80
Beispiel 5*	1,71	0,43	0,51	0,76	0,70	0,21	0,05	122	82
Beispiel 6	1,59	0,38	0,61	0,81	0,98	0,10	0,03	123	75
Beispiel 7	1,60	0,39	0,64	0,95	0,91	0,02	0,05	Fig. 1	80

* Vergleichsbeispiele

Diese Legierungen wurden bei einer Temperatur über 510°C homogenisiert, wahlweise warmgewalzt, bei 550°C lösungsglühbehandelt, mit wenigstens 10°C/s abgekühlt, um den Lösungsproduktgehalt von Mg, Si und Cu zu maximieren, 14 Tage bei Raumtemperatur gelagert und im Anschluss an eine Alterungsbehandlung, die 190°C für 2 bis 6 Stunden entsprach, gealtert. Auf diese Weise wird ein T6-Vergütungserzeugnis hoher Härte mit einem hohen Gehalt spanbrechender intermetallischer Verbindungen erzielt, wobei dies zu einer Härte von wenigstens 120 HB führt. Beispiel 7 wurde bei 530°C lösungsglühbehandelt und bei Raumtemperatur über einen Zeitraum von 1 Tag gelagert, wobei der Rest der Prozessbedingungen so war wie oben für die anderen Legierungen angegeben.
Diese Härteprofile von Platten mit der Zusammensetzung gemäß Beispiel 7 mit Dicken von 80, 100 oder 150 mm werden in 1 gezeigt. Entlang der X-Achse wird die Distanz (L) zu der Mitte der Platte in der Dickenrichtung in mm angegeben und entlang der Y-Achse wird die Härte in HB-Werten an unterschiedlichen Stellen über die Dicke der Platte angegeben. Alle gemessenen Werte zeigen einen Härtewert von wenigstens 120 HB an jeder Stelle über die Dicke der Platte.
Es versteht sich selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungen und Beispiele, die oben beschrieben werden, beschränkt ist, sondern alle Ausführungen innerhalb des Umfangs der Beschreibung und der folgenden Ansprüche einschließt.

Claims

Formplatte aus einer Aluminiumknetlegierung, umfassend (in Gew.-%): – Si 1,4 bis 2,1 – Mn 0,8 bis 1,2 – Cu 0,45 bis 0,9 – Mg 0,7 bis 1,2 – Ti < 0,15 – Zn < 0,4 – Fe < 0,7 – eines oder mehrere von Zr, Cr, V, jeweils < 0,25 – unwesentliche Elemente und Verunreinigungen, jeweils < 0,05, insgesamt < 0,25, – Rest Aluminium, und mit einer Enddicke zwischen 5 bis 300 mm und in T6-Vergütungszustand mit einer Härte von mehr als 105 HB.
Formplatte nach Anspruch 1, wobei Si in dem Bereich von 1,53 bis 2,0% liegt, wobei der Bereich von 1,55 bis 1,9% stärker zu bevorzugen ist.
Formplatte nach Anspruch 1 oder 2, wobei Mn in dem Bereich von 0,85 bis 1,10% liegt.
Formplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei Cu in dem Bereich von 0,5 bis 0,7% liegt.
Formplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Mg in dem Bereich von 0,9 bis 1,1% liegt.
Formplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei Zn unter 0,3%, vorzugsweise in dem Bereich von 0,17 bis 0,3%, liegt.
Formplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Formplatte eine maschinelle Bearbeitbarkeit der Klasse „B" oder besser aufweist.
Formplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Formplatte eine Enddicke in dem Bereich von 5 bis 260 mm aufweist.
Formplatte nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Formplatte lediglich durch Warmwalzen zu der Enddicke gewalzt wurde.
Verfahren zum Herstellen einer Formplatte, die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte umfassend: – Gießen einer Zusammensetzung, die enthält (in Gew.-%): – Si 1,4 bis 2,1 – Mn 0,8 bis 1,2 – Cu 0,45 bis 0,9 – Mg 0,7 bis 1,2 – Ti < 0,15 – Zn < 0,4 – Fe < 0,7 – eines oder mehrere von Zr, Cr, V, jeweils < 0,25 – unwesentliche Elemente und Verunreinigungen, jeweils < 0,05, insgesamt < 0,25, Rest Aluminium, – Homogenisieren und/oder Vorwärmen, – Bearbeiten der Platte zu einer Enddicke zwischen 5 und 300 mm, – Durchführen von Wärmebehandlung, die Lösungsglühbehandlung umfasst, gefolgt von schnellem Abkühlen auf unter 250°C bei einer Abkühlgeschwindigkeit von wenigstens 1°C/s, – Auslagern, wobei die Abkühlgeschwindigkeit während des schnellen Abkühlens so ausgewählt wird, dass eine Härte der Formplatte von wenigstens 105 HB erzielt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Wärmebehandlung eine T6-Behandlung ist.