EP0462055A1 - Vormaterial aus einer superplastischen AlZnMg-Legierung - Google Patents

Vormaterial aus einer superplastischen AlZnMg-Legierung Download PDF

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EP0462055A1
EP0462055A1 EP91810410A EP91810410A EP0462055A1 EP 0462055 A1 EP0462055 A1 EP 0462055A1 EP 91810410 A EP91810410 A EP 91810410A EP 91810410 A EP91810410 A EP 91810410A EP 0462055 A1 EP0462055 A1 EP 0462055A1
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EP
European Patent Office
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alloy
temperature
hours
heated
superplastic
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Ceased
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EP91810410A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Pius Schwellinger
Philippe Fernandez
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Lonza Services Ltd
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Publication date
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/053—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with zinc as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a starting material from a superplastic AlZnMg alloy and the use of the superplastic starting material.
  • Superplastic materials especially aluminum alloys
  • the most important prerequisite for superplastic forming is the fine-grained nature of the alloy to be formed.
  • the grain size in practice is at most 25 ⁇ m, preferably less than 10 ⁇ m.
  • the grains should also be almost globulitic.
  • there must be no significant coarsening of the regularly distributed grains or subgrains during superplastic forming which is usually carried out at a metal temperature of around 500 ° C.
  • the plastic elongation of a superplastic aluminum alloy at its optimum forming temperature is usually in the range of 400 to 800%, i.e. far above the values of conventional alloys.
  • This allows a wide range of design options in terms of function and design with economical one-piece production.
  • the diverse shapes are reproducible with high dimensional accuracy, there is no "spring-back".
  • the simple tools that can be used have a particularly advantageous effect, since they also allow small and medium-sized production series to be produced cost-effectively and can be produced in short delivery times. Shape changes can be made quickly at affordable costs.
  • the aluminum alloys suitable for superplastic forming generally require complex thermomechanical pretreatment.
  • no AlZnMg alloy is known, which is manufactured conventionally and has superplastic properties in the hot-rolled or pressed state.
  • the present invention is therefore based on the object of providing a method of the type mentioned at the outset which allows the production of complicatedly shaped parts by means of superplastic forming in a simple and economical manner.
  • the invention further relates to an application of the method.
  • the object is achieved according to the invention in that an alloy with 6 to 10% zinc, 2 to 4% magnesium, 0 to 3% copper, 0 to 0.3% iron, 0 to 0.3% zirconium, 0 to 0.3% chromium, 0 to 0.3% manganese, 0 to 0.2% silicon and 0 to 0.2% titanium, the remainder aluminum of commercial purity, homogenized after the continuous casting by heating and holding and to a superplastic primary material large cross-section is deformed.
  • Special embodiments and further developments of the invention are the subject of dependent claims.
  • a primary material with a large cross section for example, a 1 to 30 mm, in particular 4 to 10 mm thick rolled strip, an extruded hollow profile with a wall thickness of 4 to 10 mm and / or an extruded, round solid or tubular profile with a diameter of 10 to 100 mm, in particular 30 to 50 mm, understood.
  • These superplastic materials can then be used immediately to manufacture or after storage, that is, at any time, to further process an end product, be it by rolling, pressing, deep drawing, forging or another processing method known per se.
  • AlZnMg alloy an alloy with 6.5 to 7% zinc, 2.5 to 3% magnesium and 1.5 to 3% copper, the rest of the optional elements specified above and aluminum of commercially available purity are preferably used. Here and the rest, the percentages always refer to percentages by weight.
  • the alloy can be homogenized by gradual heating and holding. After homogenization, the alloy is appropriately cooled.
  • the superplastic deformation after hot rolling or pressing can also take place without solution annealing.
  • An AlZnMg alloy cast into hot-rolled bars is preferably heated in a first homogenization stage for 4 to 12 hours to a metal temperature of 440 to 480 ° C. and kept at this temperature for at least about 3 hours.
  • the alloy is heated to 475 to 495 ° C. for 1 to 6 hours and kept at this second temperature for about 6 hours.
  • the alloy After cooling, after a short or long period of time, the alloy can be heated to 350 to 450 ° C. for up to about 6 hours and then hot-rolled. That as Hot rolled strip preform is coiled or cut to a temperature of up to about 400 ° C.
  • the alloy is heated to approximately 465 to 475 ° C. at the end of the first homogenization stage and to approximately 485 to 495 ° C. at the end of the second homogenization stage.
  • the alloy is heated to a temperature of approximately 400 to 420 ° C. immediately afterwards or after the ingot has been stored. The hot rolling takes place on a strip thickness of a few millimeters.
  • the tape which can be used as a raw material, has superplastic properties.
  • an AlZnMg alloy cast into press bolts is homogenized in two stages as described above. After cooling, immediately afterwards or after storing the bolt, the alloy is heated to a metal temperature of 200 to 420 ° C and extruded. End temperatures of the homogenization stages of 465 to 475 ° C and 485 to 495 ° C have proven to be particularly suitable for the AlZnMg alloys.
  • the homogenized aluminum alloy is preferably heated to 250 to 390 ° C for pressing.
  • the profile which can be used as a raw material, has superplastic properties.
  • the finished products are characterized by high corrosion resistance, good weldability, high mechanical strength values with good ductility and / or high stress corrosion resistance.
  • other properties such as low density, anodizability, paintability, hygiene, dimensional stability, electrical and thermal conductivity and / or antistatic have an advantageous effect.
  • An aluminum alloy with 6.7% zinc, 2.8% magnesium, 1.7% copper, 0.13% iron, 0.12% zircon, 0.06% silicon, 0.02% manganese, 0.02% chromium and 0.02% titanium is cast by means of electromagnetic continuous casting molds into standard ingots.
  • the cut-to-length formats freed from the cast skin are heated to a first homogenization temperature of 465 ° C. over 11 hours and kept at this temperature for 3 hours.
  • the metal temperature is raised to 480 ° C. over 5 hours and the final temperature is maintained for 6 hours.
  • a homogenized billet is heated to a metal temperature of 410 ° C for 4 hours and hot rolled to 4.5 mm at this inlet temperature.
  • the rolled strip is coiled at a temperature of 395 ° C.
  • This superplastic primary material has a plastic elongation of about 700%.
  • the bolts After removing the cast skin and cutting it to length, the bolts are brought to a first homogenization temperature of 460 ° C. over 6 hours. In a second homogenization step, the metal temperature is raised to 470 ° C. over 3 hours. In a third homogenization step lasting 18 hours, a final temperature of 480 ° C is reached.
  • the homogenized bolts are inductively heated to a pressing temperature of 380 ° C within a few minutes and pressed at a speed of 1.5 m / min to round bars with a diameter of 40 mm.

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Abstract

Eine Legierung mit 6 bis 10% Zink, 2 bis 4% Magnesium, 0 bis 3% Kupfer, 0 bis 0,3% Eisen, 0 bis 0,3% Zirkon, 0 bis 0, 3% Chrom, 0 bis 0,3% Mangan, 0 bis 0,2% Silizium und 0 bis 0,2% Titan, Rest Aluminium handel süblicher Reinheit, wird nach dem Stranggiessen und Halten homogenisiert und zu einem superplastischen Vormaterial grossen Querschnitts verformt. Dieses Vormaterial kann ohne vorhergehende Lösungsglühung superplastisch verformt werden.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vormaterials aus einer superplastischen AlZnMg-Legierung und die Verwendung des superplastischen Vormaterials.
  • Superplastisch umformbare Werkstoffe, insbesondere auch Aluminiumlegierungen, sind seit langem bekannt. Wesentlichste Voraussetzung für eine superplastische Umformung ist die Feinkörnigkeit der umzuformenden Legierung. Bei Aluminiumblechen beispielsweise, welche superplastisch umgeformt werden sollen, liegt die Korngrösse in der Praxis bei höchstens 25 µm, bevorzugt unter 10 µm. Weiter sollen die Körner nahezu globulitisch vorliegen. Schliesslich darf sich während einer superplastischen Umformung, welche in der Regel bei etwa 500°C Metalltemperatur durchgeführt wird, auch keine wesentliche Vergröberung der regelmässig verteilten Körner oder Subkörner einstellen.
  • Die plastische Dehnung einer superplastischen Aluminiumlegierung liegt bei ihrer optimalen Umformtemperatur meist im Bereich von 400 bis 800%, also weit über den Werten üblicher Legierungen. Dies erlaubt bei wirtschaftlicher Fertigung aus einem Stück vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten in bezug auf Funktion und Design. Die vielfältigen Formen sind mit hoher Massgenauigkeit reproduzierbar, es tritt kein "Spring-back" ein. Besonders vorteilhaft wirken sich die einsetzbaren einfachen Werkzeuge aus, welche kostengünstig auch kleine und mittlere Fabrikationsserien erlauben und in kurzen Lieferzeiten herstellbar sind. Formänderungen können rasch zu tragbaren Kosten durchgeführt werden.
  • Es sind zahlreiche binäre und ternäre Aluminiumlegierungen mit superplastischen Eigenschaften beschrieben worden, beispielsweise in der EP,A1 0297035, in Scripta Metallurgica, Vol. 20, Seiten 1721 bis 1726, 1986, Materials Science Forum, Vol. 13/14 (1987), Seiten 421 bis 428 und Metallurgical Transactons A, Vol. 17A, Juni 1986, Seiten 1035 bis 1041.
  • Bei den für eine superplastische Umformung geeigneten Aluminiumlegierungen ist im allgemeinen eine aufwendige thermomechanische Vorbehandlung erforderlich. Insbesondere ist keine AlZnMg-Legierung bekannt, welche konventionell hergestellt wird und in warmgewalztem oder gepresstem Zustand superplastische Eigenschaften hat.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das zur Herstellung kompliziert geformter Teile mittels superplastischer Umformung auf einfache und wirtschaftliche Weise erlaubt. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Anwendung des Verfahrens.
  • In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Legierung mit 6 bis 10% Zink, 2 bis 4% Magnesium, 0 bis 3% Kupfer, 0 bis 0,3% Eisen, 0 bis 0,3% Zirkon, 0 bis 0,3% Chrom, 0 bis 0,3% Mangan, 0 bis 0,2% Silizium und 0 bis 0,2% Titan, Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit, nach dem Stranggiessen durch Erwärmen und Halten homogenisiert und zu einem superplastischen Vormaterial grossen Querschnitts verformt wird. Spezielle Ausführungsformen und Weiterausbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
  • Unter einem Vormaterial grossen Querschnitts wird beispielsweise ein 1 bis 30 mm, insbesondere 4 bis 10 mm dickes Walzband, ein stranggepresstes Hohlprofil einer Wandstärke von 4 bis 10 mm und/oder ein stranggepresstes, rundes Voll- oder Rohrprofil eines Durchmessers von 10 bis 100 mm, insbesondere 30 bis 50 mm, verstanden. Diese superplastischen Vormaterialien lassen sich unmittelbar anschliessend an die Herstellung oder nach einer Lagerung, also zu einem beliebigen Zeitpunkt, zu einem Endprodukt weiter verarbeiten, sei es durch Walzen, Pressen, Tiefziehen, Schmieden oder ein weiteres an sich bekanntes Bearbeitungsverfahren.
  • Als AlZnMg-Legierung wird vorzugsweise eine Legierung mit 6,5 bis 7% Zink, 2,5 bis 3% Magnesium und 1,5 bis 3% Kupfer, Rest oben angegebene fakultative Elemente und Aluminium handelsüblicher Reinheit, eingesetzt. Hier und im übrigen beziehen sich die Prozentangaben stets auf Gewichtsprozente.
  • Die Legierung kann durch stufenweises Erwärmen und Halten homogenisiert werden. Nach dem Homogenisieren wird die Legierung zweckmässig abgekühlt.
  • Weiter hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Legierung vor dem Warmwalzen oder Pressen zu heterogenisieren, insbesondere bei etwa 400°C.
  • Die superplastische Verformung nach dem Warmwalzen oder Pressen kann auch ohne Lösungsglühung erfolgen.
  • Eine zu Warmwalzbarren vergossene AlZnMg-Legierung wird vorzugsweise in einer ersten Homogenisierungsstufe während 4 bis 12 Stunden auf 440 bis 480°C Metalltemperatur erwärmt und während wenigstens etwa 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. In einer zweiten Homogenisierungsstufe wird die Legierung während 1 bis 6 Stunden auf 475 bis 495°C erwärmt und bis etwa 6 Stunden auf dieser zweiten Temperatur gehalten.
  • Nach dem Abkühlen, nach kurzer oder längerer Zeit, kann die Legierung zum Warmwalzen während bis etwa 6 Stunden auf 350 bis 450°C erwärmt und dann warm abgewalzt werden. Das als Warmwalzband ausgebildete Vormaterial wird bei einer Temperatur bis etwa 400°C aufgehaspelt oder abgelängt.
  • Nach einer besonders günstigen Ausführungsform wird die Legierung am Ende der ersten Homogenisierungsstufe auf etwa 465 bis 475°C erwärmt, am Ende der zweiten Homogenisierungsstufe auf etwa 485 bis 495°C. Zum Warmwalzen wird die Legierung, unmittelbar darauf oder nach einem Lagern des Barrens, auf eine Temperatur von etwa 400 bis 420°C erwärmt. Das Warmwalzen erfolgt an eine Banddicke von wenigen Millimetern. Das als Vormaterial verwendbare Band weist superplastische Eigenschaften auf.
  • Nach einem weiteren bevorzugten Verfahren wird eine zu Pressbolzen vergossene AlZnMg-Legierung wie oben beschrieben in zwei Stufen homogenisiert. Nach dem Abkühlen, unmittelbar darauf oder nach einem Lagern des Bolzens, wird die Legierung auf eine Metalltemperatur von 200 bis 420°C erwärmt und stranggepresst. Als besonders geeignet für die AlZnMg-Legierungen haben sich Endtemperaturen der Homogenisierungsstufen von 465 bis 475°C und 485 bis 495°C erwiesen.
  • Die homogenisierte Aluminiumlegierung wird für das Pressen vorzugsweise auf 250 bis 390°C erwärmt. Das als Vormaterial verwendbare Profil weist superplastische Eigenschaften auf.
  • Das Herstellen von dicken Bändern und Strangpressprofilen in SPF-Qualität (SPF-Superplastic Forming) wird erfindungsgemäss unerwartet mit einem nicht rekristallisierten, gekneteten Gefüge erreicht. Mit diesem superplastischen Vormaterial grossen Querschnitts können beispielsweise
    • Walzbänder aller Art,
    • Hohlkörper durch Umformung von Hohlprofilen, insbesondere stranggepressten Rohren,
    • innenversteifte, DB-ähnliche Produkte, oder
    • Teile mit sehr unterschiedlichen, kontrolliert hergestellten Wandstärken
    hergestellt werden. Die superplastische Verformung erfolgt bevorzugt ohne vorhergehende Lösungsglühung.
  • Die Fertigprodukte zeichnen sich neben der ausserordentlichen Formenvielfalt durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine gute Schweissbarkeit, hohe mechanische Festigkeitswerte bei guter Duktilität und/oder einen hohen Spannungskorrosionswiderstand aus. Je nach spezifischer Anwendung können sich auch noch weitere Eigenschaften, wie z.B. geringe Dichte, Anodisierbarkeit, Lackierbarkeit, Hygiene, Masshaltigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit und/oder Antistatik vorteilhaft auswirken.
  • Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Eine Aluminiumlegierung mit 6,7% Zink, 2,8% Magnesium, 1,7% Kupfer, 0,13% Eisen, 0,12% Zirkon, 0,06% Silizium, 0,02% Mangan, 0,02% Chrom und 0,02% Titan wird mittels elektromagnetischer Stranggiesskokillen zu Walzbarren üblichen Formats vergossen. Die von der Gusshaut befreiten, abgelängten Formate werden während 11 Stunden auf eine erste Homogenisierungstemperatur von 465°C erwärmt und während 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. In einer zweiten Homogenisierungsstufe wird die Metalltemperatur während 5 Stunden auf 480°C erhöht und die Endtemperatur während 6 Stunden gehalten. Zum Warmwalzen wird ein homogenisierter Barren während 4 Stunden auf eine Metalltemperatur von 410°C angewärmt und mit dieser Eingangstemperatur warm an 4,5 mm abgewalzt. Das Walzband wird mit einer Temperatur von 395°C aufgehaspelt. Dieses superplastische Vormaterial weist eine plastische Dehnung von etwa 700% auf.
    • Beispiel 2
  • Eine Aluminiumlegierung mit 6,9% Zink, 2,7% Magnesium, 1,8% Kupfer, 0,02% Eisen, 0,14% Zirkon und 0,01% Silizium wird mittels konventioneller Stranggiesskokillen zu Pressbolzen vergossen, welche 220 mm Durchmesser haben.
  • Nach dem Entfernen der Gusshaut und dem Ablängen werden die Bolzen während 6 Stunden auf eine erste Homogenisierungstemperatur von 460°C gebracht. In einem zweiten Homogeniserungsschritt wird die Metalltemperatur während 3 Stunden auf 470°C erhöht. In einem 18 Stunden dauernden dritten Homogenisierungsschritt wird eine Endtemperatur von 480°C erreicht.
  • Die homogenisierten Bolzen werden innerhalb weniger Minuten induktiv auf eine Presstemperatur von 380°C angewärmt und mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/min zu Rundstangen eines Durchmessers von 40 mm verpresst.
  • Diese Rundstangen weisen superplastische Eigenschaften auf, haben eine plastische Dehnung von 600%.
  • Metallographische Untersuchungen beider Beispiele zeigen feinverteilte, globulitische Körner von weniger als 10 µm, welche regelmässig verteilt sind.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Vormaterials aus einer superplastischen AlZnMg-Legierung,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    eine Legierung mit 6 bis 10% Zink, 2 bis 4% Magnesium, 0 bis 3% Kupfer, 0 bis 0,3% Eisen, 0 bis 0,3% Zirkon, 0 bis 0,3% Chrom, 0 bis 0,3% Mangan, 0 bis 0,2% Silizium und 0 bis 0,2% Titan, Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit, nach dem Stranggiessen durch Erwärmen und Halten homogenisiert und zu einem superplastischen Vormaterial grossen Querschnitts verformt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit 6,5 bis 7% Zink, 2,5 bis 3% Magnesium und 1,5 bis 3% Kupfer eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung durch stufenweises Erwärmen und Halten homogenisiert und nachher vorzugsweise abgekühl t wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung vor dem Warmwalzen oder Pressen heterogenisiert wird, vorzugsweise bei etwa 400°C.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mit einem Warmwalzgrad oder einem Verpressungsverhältnis von wenigstens 10:1 verformt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung zum Warmwalzen in einer ersten Homogenisierungsstufe während 4 bis 12 Stunden auf 440 bis 480°C Metalltemperatur erwärmt, während wenigstens etwa 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, in einer zweiten Homogenisierungsstufe während 1 bis 6 Stunden auf 475 bis 495°C erwärmt, auf dieser Temperatur gehalten, abgekühlt, zum Warmwalzen auf 350 bis 450°C angewärmt, gehalten und abgewalzt wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung auf eine Endtemperatur der ersten Homogenisierungsstufe von 465 bis 475°C, der zweiten Homogenisierungsstufe von 475 bis 495°C und während etwa bis 6 Stunden auf eine Warmwalztemperatur von 400 bis 420°C erwärmt, und an eine Banddicke von 1 bis 30 mm, vorzugsweise 4 bis 10 mm, warm abgewalzt wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung zum Pressen in einer ersten Homogenisierungsstufe während 4 bis 12 Stunden auf 440 bis 480°C Metalltemperatur erwärmt, während wenigstens etwa 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, in einer zweiten Homogenisierungsstufe während 1 bis 6 Stunden auf 475 bis 495°C erwärmt, auf dieser Temperatur gehalten, abgekühlt, auf eine Presstemperatur von 200 bis 420°C erwärmt und stranggepresst wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung auf eine Endtemperatur der ersten Homogenisierungsstufe von 465 bis 475°C, der zweiten Homogenisierungsstufe von 475 bis 495°C und während etwa bis 6 Stunden auf eine Presstemperatur von 370 bis 390°C erwärmt, gehalten und stranggepresst wird.
  10. Verwendung des Vormaterials, hergestellt nach dem Verfahren gemäss eines der Patentansprüche 1 bis 9, zur superplastischen Verformung ohne vorhergehende Lösungsglühung.
EP91810410A 1990-06-11 1991-05-30 Vormaterial aus einer superplastischen AlZnMg-Legierung Ceased EP0462055A1 (de)

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