EP0462056A1 - Superplastisches Blech aus einer Aluminiumlegierung - Google Patents

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EP0462056A1
EP0462056A1 EP91810411A EP91810411A EP0462056A1 EP 0462056 A1 EP0462056 A1 EP 0462056A1 EP 91810411 A EP91810411 A EP 91810411A EP 91810411 A EP91810411 A EP 91810411A EP 0462056 A1 EP0462056 A1 EP 0462056A1
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EP
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aluminum alloy
hours
cold
strip
manganese
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EP91810411A
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English (en)
French (fr)
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Philippe Fernandez
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Lonza Services Ltd
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S420/00—Alloys or metallic compositions
    • Y10S420/902—Superplastic

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a fine-grained recrystallized sheet suitable for superplastic forming from a cold-hardenable, hardenable aluminum alloy.
  • the plastic elongation of a superplastic aluminum alloy is usually in the range of 400-800%, 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 present invention has for its object to provide a method of the type mentioned, which allows a cost-effective production of an air-cooled, hardenable, non-corrosion-prone aluminum sheet with superplastic properties.
  • the object is achieved according to the invention in that an alloy with 3-5.5% magnesium, 2-8% zinc, 0-4% copper, 0-1% manganese, 0-0.5% iron, 0-0.4 % Chromium, 0-0.4% molybdenum, 0-0.4% zircon, 0-0.3% silicon and 0-0.05% titanium, rest of aluminum of commercial purity, homogenized after continuous casting, hot rolled, with high Cold rolling degree cold rolled to the final thickness and annealed and cooled in a final heat treatment with rapid heating for recrystallization.
  • An alloy with 4-5% magnesium and 2-6%, preferably 3-4% zinc is particularly suitable as the cold-hardenable, hardenable AlMgZn alloy. Here and for the rest, percentages by weight are always used.
  • the preferred proportions are 0-0.1% copper, 0.2-0.4% manganese, 0.15-0.25% chromium, 0-0.2% iron, 0-0.2 % Molybdenum, 0-0.1% zircon and 0-0.1% silicon, although the chromium content can also be 0-0.1% and the zirconium content can also be 0.15-0.25%.
  • the cast aluminum alloy blocks are freed from the cast skin and cut to length. These formats can be heated to a metal temperature of 420-450 ° C in a first homogenization stage for 2-12 hours, kept at this temperature for 4-12 hours and in a second homogenization stage to 480-530 ° C for 0.5-4 hours heated and kept at this temperature for 2-12 hours.
  • the formats can be heated to a metal temperature of 420-480 ° C. in a continuous homogenization for 4-12 hours and kept at this temperature for 10-30 hours.
  • the hot rolling is expediently carried out immediately after the homogenization annealing or after cooling and reheating to 350-500 ° C.
  • the homogenized formats are rolled onto a 4-30 mm thick band, especially around 6-10 mm.
  • the metal temperature is preferably between 325 and 345 ° C.
  • the hot-rolled strip is preferably intermediate annealed at 300-400 ° C. for 6-36 hours before cold rolling.
  • the hot-rolled strip which can be hardened due to the alloy composition, is additionally strengthened by cold working, in which it is preferably rolled with a degree of cold deformation of 60-95%, in particular 70-90%.
  • the final thickness is e.g. between 1.5 and 3 mm, especially around 2 mm.
  • the homogenization annealing serves to reduce the structural non-uniformities, such as segregations and precipitations, which arise when casting rolled ingots.
  • the cold deformation increases the mechanical strength, the 0.2% proof stress, tensile strength and hardness increase.
  • the recrystallization of the cold-rolled strip serves for extensive softening and is accompanied by a complete recrystallization of the aluminum alloy.
  • rapid heating is essential, which is preferably carried out in a salt bath at 490-510 ° C or in a continuous temperature furnace.
  • the recrystallization annealing should take place with a heating time of at most 8 minutes, in particular at most 3 minutes.
  • the softened belts are cooled in air or in water.
  • the softened aluminum strips have superplastic properties. In addition to the great elasticity with relatively high mechanical strength, they are particularly characterized by their extraordinarily low susceptibility to corrosion, also in relation to stress corrosion.
  • An aluminum alloy with 4.4% magnesium, 3.7% zinc, 0.5% copper, 0.7% manganese, 0.12% iron, 0.19% zircon and 0.07% silicon is produced in a vertical continuous casting process with electromagnetic molds cast into bars of 70x200x800 mm, using the usual Tib2 grain refining technique.
  • the casting temperature is around 720 ° C.
  • the cast skin is removed, the bar head and bar base are separated and the bar divided. These are heated to 440 ° C. for 3 hours in a first homogenization stage, kept at this temperature for 8 hours, heated to 500 ° C. for 1 hour in a second homogenization stage and kept at this temperature for 3 hours.
  • the ingots are rolled in several passes at 9 mm, the final temperature of the metal being between 325 and 345 ° C.
  • the recrystallization annealing is carried out with a heating time of 5 minutes in a liquid mixture of potassium and sodium nitrate at 500 ° C. After cooling in water, the tapes are cleaned and dried.
  • Example 1 In a method corresponding to Example 1 for producing a fine-grain recrystallized sheet suitable for superplastic deformation, an aluminum alloy is used with 4.3% magnesium, 3.6% zinc, 0.3% manganese, 0.11% iron, 0.20% zircon and 0.07% silicon.
  • the sheets of both examples show superplastic properties, they are checked for their expansion at 500 ° C, 520 ° C and 540 ° C.
  • Metallographic examinations show finely divided, globulitic grains of less than 10 ⁇ m, which are regularly distributed.

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Abstract

Das feinkörnig rekristallisierte Blech mit superplastischen Eigenschaften besteht aus einer kaltverfestigbaren, aushärtbaren AlMgZn-Legierung. Die Legierung mit 3-5,5% Magnesium, 2-8% Zink, 0-4% Kupfer, 0-1% Mangan, 0-0,5% Eisen, 0-0,4% Chrom, 0-0,4% Molybdän, 0-0,4% Zirkon, 0-0,% Silizium und 0-0,05% Titan, Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit, wird nach dem Stranggiessen homogenisiert und warm abgewalzt. Nach einer allfälligen Zwischenglühung wird das Band mit hohem Kaltwalzgrad kalt an die Enddicke abgewalzt, mit rascher Erwärmung zur Entfestigung rekristallisiert und abgekühlt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines feinkörnig rekristallisierten, zur superplastischen Umformung geeigneten bleches aus einer kaltverfestigbaren, aushärtbaren Aluminiumlegierung.
  • Bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen kann eine Festigkeitserhöhung ausser durch Kaltumformen auch durch Wärmebehandlung herbeigeführt werden. Diese Legierungen, beispielsweise vom Typus AlZnMg und AlZnMgCu, neigen zur Kornbildung, falls die zur Ausscheidungshärtung notwendige Lösungsglühung mit einer Rekristallisation verbunden ist. Für zahlreiche Anwendungen, vor allem für die superplastische Umformung, ist jedoch Feinkörnigkeit erwünscht oder Voraussetzung. Bei blechen beispielsweise, welche superplastisch umgeformt werden sollen, liegt die Korngrösse unterhalb 25 µm, bevorzugt unter 10 µm. Die Körner sollen zudem nahezu globulitisch vorliegen. Ueberdies darf sich während der superplastischen Umformung, welche bei oder knapp oberhalb 500°C durchgeführt wird, auch keine wesentliche Vergröberung der regelmässig verteilten Körner oder Subkörner einstellen.
  • Die plastische Dehnung einer superplastischen Aluminiumlegierung liegt meist im bereich von 400-800%, 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 sindzahl reiche binäre und ternäre Aluminiumlegierungen mit superplastischen Eigenschaften beschrieben worden, insbesondere auch des Typus AlMg, beispielsweise in der EP,A1 0297035.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, welches eine kostengünstige Herstellung eines auch luftabkühlbaren, aushärtbaren, nicht korrosionsanfälligen Aluminiumblechs mit superplastischen Eigenschaften erlaubt.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Legierung mit 3-5,5% Magnesium, 2-8% Zink, 0-4% Kupfer, 0-1% Mangan, 0-0,5% Eisen, 0-0,4% Chrom, 0-0,4% Molybdän, 0-0,4% Zirkon, 0-0,3% Silizium und 0-0,05% Titan, Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit, nach dem Stranggiessen homogenisiert, warm abgewalzt, mit hohem Kaltwalzgrad kalt an die Enddicke abgewalzt und in einer abschliessenden Wärmebehandlung mit schneller Erwärmung zur Rekristallisation geglüht und abgekühlt wird.
  • Als kaltverfestigbare, aushärtbare AlMgZn-Legierung eignet sich insbesondere eine Legierung mit 4-5% Magnesium und 2-6%, vorzugsweise 3-4% Zink. Hier und im übrigen werden mit den prozentualen Angaben stets Gewichtsanteile bezeichnet.
  • Für die übrigen Legierungskomponenten liegen die bevorzugten Anteile bei 0-0,1% Kupfer, 0,2-0,4% Mangan, 0,15-0,25% Chrom, 0-0,2% Eisen, 0-0,2% Molybdän, 0-0,1% Zirkon und 0-0,1% Silizium, wobei jedoch auch der Chromgehalt bei 0-0,1% und gleichzeitig der Zirkongehalt bei 0,15-0,25% liegen können.
  • Bemerkenswert ist der gegenüber der EP,A1,0297035 sehr geringe Eisengehalt.
  • Der Einsatz von zwei besonderen, im Rahmen der Erfindung liegenden Legierungstypen ist erfolgreich geprüft worden.
    • Eine-Aluminiumlegierung mit 4-5% Magnesium, 3-4% Zink, 0,4-0,6% Kupfer, 0,6-0,8% Mangan, 0,1-0,15% Eisen, 0,1-0,2% Zirkon und 0,05-0,1% Silizium.
    • Eine Aluminiumlegierung mit 4,1-4,5% Magnesium, 3,5-3,7% Zink, 0,2-0,4% Mangan, 0,05-0,15% Eisen, 0,1-0,3% Zirkon und 0,05-0,1% Silizium.
  • Die stranggegossenen Blöcke der Aluminiumlegierung werden von der Gusshaut befreit und abgelängt. Diese Formate können in einer ersten Homogenisierungsstufe während 2-12 Stunden auf eine Metalltemperatur von 420-450°C erwärmt, während 4-12 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und in einer zweiten Homogenisierungsstufe während 0,5-4 Stunden auf 480-530°C erwärmt und während 2-12 Stunden auf dieser Temperatur gehalten werden.
  • Anstelle einer zweistufigen Homogenisierungsglühung können jedoch die Formate in einer stufenlosen Homogenisierung während 4-12 Stunden auf eine Metalltemperatur von 420-480°C erwärmt und während 10-30 Stunden auf dieser Temperatur gehalten werden.
  • Das Warmwalzen erfolgt zweckmässig unmittelbar nach dem Homogenisierungsglühen oder nach dem Abkühlen und dem Wiedererwärmen auf 350-500°C. In mehreren Stichen werden die homogenisierten Formate an ein 4-30 mm dickes band abgewalzt, insbesondere an etwa 6-10 mm. Am Ende des Warmwalzens liegt die Metalltemperatur bevorzugt zwischen 325 und 345°C.
  • Vorzugsweise wird das warm abgewalzte Band vor dem Kaltwalzen während 6-36 Stunden bei 300-400 °C zwischengeglüht.
  • Das aufgrund der Legierungszusammensetzung aushärtbare Warmwalzband wird zusätzlich durch Kaltverfornen verfestigt, indem es bevorzugt mit einem Kaltverformungsgrad von 60-95%, insbesondere 70-90%, abgewalzt wird. Die Enddicke liegt z.B. zwischen 1,5 und 3 mm, insbesondere bei etwa 2 mm.
  • Das Homogenisierungsglühen dient einer Verminderung der beim Giessen von Walzbarren entstehenden Gefügeungleichmässigkeiten, wie Seigerungen und Ausscheidungen. Durch die Kaltverformung nimmt die mechanische Festigkeit zu, die 0,2%-Dehngrenze, Zugfestigkeit und Härte steigen an. Die Rekristallisation des kaltgewalzten Bandes dient der weitgehenden Entfestigung und ist von einer vollständigen Umkristallisation der Aluminiumlegierung begleitet.
  • Von wesentlicher Bedeutung ist neben dem hohen Kaltwalzgrad ein schnelles Erwärmen, das vorzugsweise in einem Salzbad von 490-510°C oder in einem banddurchlaufofen entsprechender Temperatur erfolgt. Das Rekristallisationsglühen soll, je nach Legierungszusammensetzung und beschaffenheit des kaltgewalzten bandes, mit einer Anwärmungszeit von höchstens 8 Minuten, insbesondere von höchstens 3 Minuten, erfolgen. Die entfestigten bänder werden an der Luft oder im Wasser abgekühlt.
  • Die entfestigten Alumimumbänder haben superplastische Eigenschaften. Neben der grossen Dehnbarkeit bei verhältnismässig hoher mechanischer Festigkeit zeichnen sie sich insbesondere durch ihre ausserordentlich geringe Korrosionsanfälligkeit, auch in bezug auf Spannungskorrosion, aus.
  • Je nach spezifischer Anwendung wirken sich noch weitere Eigenschaften, wie geringe Dichte, Anodisierbarkeit, Lackierbarkeit, Hygiene, Masshaltigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit und/oder Antistatik vorteilhaft aus.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.
    • Beispiel 1
  • Eine Aluminiumlegierung mit 4,4% Magnesium, 3,7% Zink, 0,5% Kupfer, 0,7% Mangan, 0,12% Eisen, 0,19% Zirkon und 0,07% Silizium wird im Vertikalstranggiessverfahren mit elektromagnetischen Kokillen zu barren von 70x200x800 mm vergossen, unter Anwendung der üblichen Tib₂-Kornfeinungstechnik. Die Giesstemperatur liegt bei etwa 720°C. Nach dem Giessen wird die Gusshaut entfernt, barrenkopf und barrenfuss werden abgetrennt und der barren aufgeteilt. Diese werden in einer ersten Homogenisierungsstufe während 3 Stunden auf 440°C erwärmt, während 8 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, in einer zweiten Homogenisierungsstufe während 1 Stunde auf 500°C erwärmt und während 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten.
  • Unmittelbar nach der Homogenisierung werden die Barren in mehreren Stichen an 9 mm abgewalzt, wobei die Endtemperatur des Metalls zwischen 325 und 345°C liegt.
  • Das Kaltwalzen erfolgt mit einem Kaltverformungsgrad von etwa 78% an 2 mm. Das Rekristallisationsglühen erfolgt mit einer Anwärmungszeit von 5 Minuten in einem flüssigen Gemisch von Kalium- und Natriumnitrat bei 500°C. Nach dem Abkühlen im Wasser werden die Bänder gereinigt und getrocknet.
    • Beispiel 2
  • In einem Beispiel 1 entsprechenden Verfahren zur Herstellung eines feinkörnig rekristallisierten, zur superplastischen Verformung geeigneten Bleches wird eine Aluminiumlegierung mit 4,3% Magnesium, 3,6% Zink, 0,3% Mangan, 0,11°% Eisen, 0,20% Zirkon und 0,07% Silizium eingesetzt.
  • Die Bleche beider Beispiele zeigen superplastische Eigenschaften, sie werden bei 500°C, 520°C und 540°C bezüglich ihrer Dehnung kontrolliert.
  • Metallographische Untersuchungen zeigen feinverteilte, globulitische Körner von weniger als 10 µm, welche regelmässig verteilt sind.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines feinkörnig rekristallisierten, zur superplastischen Umformung geeigneten Bleches aus einer kaltverfestigbaren, aushärtbaren Aluminiumlegierung,

    dadurch gekennzeichnet, dass

    eine Legierung mit 3-5,5% Magnesium, 2-8% Zink, 0-4%% Kupfer, 0-1% Mangan, 0-0,5% Eisen, 0-0,4% Chrom, 0-0,4% Molybdän, 0-0,4% Zirkon, 0-0,3% Silizium und 0-0,05% Titan, Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit, nach dem Stranggiessen homogenisiert, warm abgewalzt, mit hohem Kaltwalzgrad kalt an die Enddicke abgewalzt und in einer abschliessenden Wärmebehandlung mit schneller Erwärmung zur Rekristallisation geglüht und abgekühlt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit 4-5% Magnesium und 2-6%, vorzugsweise 3-4%, Zink eingesetzt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit 0-0,1% Kupfer, 0,2-0,4% Mangan, 0,15-0,25% Chrom, 0-0,2% Eisen, 0-0,2% Molybdän, 0-0,1% Zirkon und 0-0,1% Silizium eingesetzt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit 0-0,1% Kupfer, 0,2-0,4% Mangan, 0-0,1% Chrom, 0-0,2% Eisen, 0-0,2°% Molybdän, 0,15-0,25% Zirkon und 0-0,1% Silizium eingesetzt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit 4-5% Magnesium, 3-4% Zink, 0,4-0,6% Kupfer, 0,6-0,8% Mangan, 0,1-0,15% Eisen, 0,1-0,3% Zirkon und 0,05-0,1% Silizium eingesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit 4,1-4,5% Magnesium, 3,5-3,7% Zink, 0,2-0,4% Mangan, 0,05-0,15% Eisen, 0,1-0,3% Chrom und 0,05-0,1% Silizium eingesetzt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung in einer ersten Homogenisierungsstufe während 2-12 Stunden auf eine Metalltemperatur von 420-450°C erwärmt, während 4-12 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und in einer zweiten Homogenisierungsstufe während 0,5-4 Stunden auf 480-530°C erwärmt und während 2-12 Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird, oder eine Aluminiumlegierung in einer stufenlosen Homogenisierung während 4-12 Stunden auf eine Metalltemperatur von 420-480°C erwärmt und während 10-30 Stunden auf dieser Temperatur gehalten wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das unmittelbar an die Homogenisierungsglühung anschliessende oder nach dem Abkühlen und dem Wiedererwärmen auf 350-500°C durchgeführte Warmwalzen zu einem 4-30 mm, vorzugsweise etwa 6-10 mm dicken Band führt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das warm abgewalzte Band vor dem Kaltwalzen während 6-36 Stunden bei 300-400°C zwischengeglüht wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmwalzband mit einem Verformungsgrad von 60-95%, vorzugsweise 70-90%, kalt abgewalzt wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kaltwalzband zur Rekristallisation mit einer Anwärmungszeit von höchstens 8 min, vorzugsweise von höchstens 3 min, bei einer Temperatur von 400-540°C geglüht wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet dass das Kaltwalzband in einem Salzbad oder in einem Banddurchlaufofen rekristallisiert wird.
EP91810411A 1990-06-11 1991-05-30 Superplastisches Blech aus einer Aluminiumlegierung Withdrawn EP0462056A1 (de)

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