NO138096B

NO138096B - SUPERPLASTIC DEFORMABLE ALUMINUM ALLOY

Info

Publication number: NO138096B
Application number: NO740134A
Authority: NO
Inventors: Michael James Stowell; Brian Michael Watts; Edward Frederick Emley; Roger Grimes
Original assignee: British Aluminium Co Ltd; Ti Group Services Ltd
Priority date: 1973-01-19
Filing date: 1974-01-17
Publication date: 1978-03-20
Also published as: NL172567B; ES422655A1; CA1043134A; FR2214755B1; CH594738A5; JPS49103814A; SE403301B; IT1006923B; DE2402351A1; NL7400642A; ES445208A1; DE2402351C2; ES445207A1; AT339620B; FR2214755A1; NO138096C; NL172567C; NO740134L; BE809910A; AU6465774A

Description

Nærværende oppfinnelse vedrører en superplastisk deformerbar aluminiumlegering. The present invention relates to a superplastic deformable aluminum alloy.

Det er kjent at visse legeringer under visse betingelser kan under- It is known that certain alloys under certain conditions can under-

gå meget store deformasjoner uten brudd, og dette fenomen er kjent som superplastisitet og utmerker seg ved en høy spenningsgrad-føl-somhetskarakteristikk i materialet, og som bevirker at den normale tilbøyelighet hos en strukket gjenstand til å undergå én lokal deformasjon ("innsnøring") undertrykkes. Fenomenet med superplastisitet har i den senere tid således vært kjent mer som en viten-skapelig kuriositet, som har vært knyttet til et meget begrenset antall legeringer. Først i den senere tid har man vært i stand til å fremstille et materiale av denne type i kommersiell form, undergo very large deformations without breaking, and this phenomenon is known as superplasticity and is distinguished by a high stress-sensitivity characteristic in the material, and which causes the normal tendency of a stretched object to undergo one local deformation ("necking") is suppressed. In recent times, the phenomenon of superplasticity has thus been known more as a scientific curiosity, which has been linked to a very limited number of alloys. Only recently has it been possible to produce a material of this type in commercial form,

nemlig en legering med handelsnavnet "PRESTAL", som har en hoved-sammensetning som tilsvarer 78$ Zn og 22$ Al. Denne legering har imidlertid vært beheftet med alvorlige svakheter såsom høy densitet og dårlig motstand overfor siging og korrosjon, og "PRESTAL" har i fagkretser således ikke blitt akseptert som et kommersielt leve-dyktig materiale. Det har imidlertid utviklet seg sterk interesse for superplastisk formbare materialer på grunn av den egenskap disse har med hensyn til å kunne bli varmformet slik som plast-stoffer ved hjelp av f. eks. komprimert luft og ved anvendelse av billige kokiller, og hvorved man unngår høye omkostninger med hydrauliske presser samt ekstra kraftige kokiller tilvirket i verk-, tøystål. Slike store deformasjoner er dessuten mulige ved forholds- namely an alloy with the trade name "PRESTAL", which has a main composition corresponding to 78$ Zn and 22$ Al. However, this alloy has been plagued with serious weaknesses such as high density and poor resistance to seepage and corrosion, and "PRESTAL" has thus not been accepted in professional circles as a commercially viable material. There has, however, developed a strong interest in superplastically malleable materials because of the property these have with respect to being able to be hot-formed such as plastic substances by means of e.g. compressed air and by using cheap molds, which avoids high costs with hydraulic presses and extra powerful molds made of tool steel. Such large deformations are also possible with relatively

vis lave spenninger, slik at formingen av superplastiske legeringer kan utføres enklere og billigere enn hva som er mulig selv med meget duktile materialer som overhodet ikke oppviser dette fenomen. Som et passende numerisk kriterium på tilstedeværelsen av superplastisitet, kan det konstateres at et superplastisk materiale vil show low stresses, so that the forming of superplastic alloys can be carried out more easily and cheaply than is possible even with very ductile materials which do not exhibit this phenomenon at all. As an appropriate numerical criterion for the presence of superplasticity, it can be stated that a superplastic material will

oppvise en spenningsgrad-følsomhetskarakteristikk ("m"-verdi), på i det minste 0,3, og en uniaksial strekk-forlengelse på i det minste 200$, idet "m"-verdien defineres ved forholdet exhibit a stress-rate sensitivity characteristic ("m" value) of at least 0.3 and a uniaxial tensile elongation of at least 200$, the "m" value being defined by the ratio

hvor ( T representerer flytespenning,^ en konstant, £ deformasjons-graden og i/ l spenningsgrad-følsomhetskarakteristikken. where ( T represents yield stress, ^ a constant, £ the degree of deformation and i/ l the degree of stress sensitivity characteristic.

I britisk patent nr. 1.387•586 er det beskrevet en legering på aluminiumbasis som kan deformeres superplastisk. -i-en i nevnte patent patent beskrevne'legering inneholder minst 5$ magnesium eller minst 1$ sink sammen med minst ett av elementene Zr, Nb, Ta og Ni' i en total mengde av 0,3 til 0,8$, hvilke elementer i alt vesentlig er tilstede i fast oppløsning. Før nevnte britisk patent var ingen "superplastisk" legering kjent bortsett fra den eutektiske Al-Cu-forbindelse som inneholder 33$ kobber, men denne legering har hverken den lave tetthet eller den gode korrosjonsbestandighet som kjenne-tegner aluminiumlegeringer generelt. British patent no. 1,387•586 describes an aluminum-based alloy which can be deformed superplastically. -in-an in said patent patent described' alloy contains at least 5$ magnesium or at least 1$ zinc together with at least one of the elements Zr, Nb, Ta and Ni' in a total amount of 0.3 to 0.8$, which elements are essentially present in solid solution. Prior to the said British patent, no "superplastic" alloy was known except for the eutectic Al-Cu compound containing 33% copper, but this alloy has neither the low density nor the good corrosion resistance that characterizes aluminum alloys in general.

Ved inkorporering av selv betydelige mengder zirkonium i den ønskede form viste det seg ikke mulig å indusere superplastisk egenskap i ren aluminium eller Al-1,25$ Mn-legeringer inneholdende noen få prosent magnesium, selv om disse er de billigste og mest anvendte aluminiumlegeringer for produksjon av formede komponenter. US By incorporating even significant amounts of zirconium in the desired form, it proved not possible to induce superplastic properties in pure aluminum or Al-1.25$ Mn alloys containing a few percent magnesium, although these are the cheapest and most widely used aluminum alloys for production of shaped components. US

patent nr. 2.2^5.166 og US patent nr. 2.670.309 vedrører legeringer på aluminiumbasis, og som er tilsatt mindre mengder Zr. I de nevnte patenter understrekes det at bearbeidelse av legeringer kan skje uten rekrystallisasjon. Produktene formes således ved anvendelse av allerede velkjente metoder innen aluminiumindustrien, og de nevnte legeringer oppviser således ingen superplastisk deformerbarhet. patent no. 2,2^5,166 and US patent no. 2,670,309 relate to aluminum-based alloys to which smaller amounts of Zr have been added. In the aforementioned patents, it is emphasized that processing of alloys can take place without recrystallization. The products are thus shaped using already well-known methods within the aluminum industry, and the aforementioned alloys thus exhibit no superplastic deformability.

Det har ved nærværende oppfinnelse vist seg å være avgjørende for aluminiumlegeringens superplastiske deformerbarhet at innholdet av elementer såsom Zr, Nb, Ta og Ni i alt vesentlig foreligger i fast oppløsning. Nærværende oppfinnelse vedrører således en superplastisk deformerbar aluminiumlegering bestående av et ikke-varmbearbeidbart utgangsmateriale valgt fra gruppen bestående av: In the present invention, it has been found to be decisive for the aluminum alloy's superplastic deformability that the content of elements such as Zr, Nb, Ta and Ni is essentially in solid solution. The present invention thus relates to a superplastically deformable aluminum alloy consisting of a non-heat-workable starting material selected from the group consisting of:

1. aluminium av normal kommersiell renhet, 1. aluminum of normal commercial purity,

2. aluminium og 0,75 til 2,5$ mangan, 2. aluminum and 0.75 to 2.5$ manganese,

3. aluminium og 0,25 til 0,75 mangan, og 3. aluminum and 0.25 to 0.75 manganese, and

4. aluminium og 1 til 4$ magnesium 4. aluminum and 1 to 4$ magnesium

sammen med dynamisk rekrystallisasjons-modifiserende tilsetninger for disse materialer for å oppnå en fin struktur, hvilke tilsetninger består hhv. av: together with dynamic recrystallization-modifying additives for these materials to achieve a fine structure, which additives consist respectively of:

.1.. 0,4 til 2$ jern og 0,4 til 2$.silisium, .1.. 0.4 to 2$ iron and 0.4 to 2$.silicon,

2. 0,4 til 1$ jern, 2. 0.4 to 1$ iron,

3. ingen, 3. none,

4. 0,25 til 0,75 mangan, 4. 0.25 to 0.75 manganese,

og i det minste ett av elementene Zr, Nb, Ta og Ni i en total mengde på 0,3 til 1$, og hvorved resten utgjøres av normale urenheter, og denne legering er karakterisert ved at legeringens innhold av Zr, Nb, Ta og Ni i alt vesentlig foreligger i fast oppløsning. Zr fore-trekkes av de nevnte elementer, og mengden av Zr er hensiktsmessig ikke mer enn 0,8$, fortrinnsvis 0,4 til 0,7$. and at least one of the elements Zr, Nb, Ta and Ni in a total amount of 0.3 to 1$, and whereby the rest is made up of normal impurities, and this alloy is characterized in that the alloy's content of Zr, Nb, Ta and Nine essentially exist in solid solution. Zr is preferred among the aforementioned elements, and the amount of Zr is suitably not more than 0.8$, preferably 0.4 to 0.7$.

Basislegeringen kan bestå av aluminium inneholdende fra 0,75 til 2,5$ Mn og fra 0.,4 til 1$ Fe, idet den fortrinnsvis inneholder fra 1 til 2$ Mn og i det minste 0,6$ Fe. The base alloy may consist of aluminum containing from 0.75 to 2.5% Mn and from 0.4 to 1% Fe, preferably containing from 1 to 2% Mn and at least 0.6% Fe.

Basislegeringen kan inneholde fra 0,25 til 0,75$ Mn, fortrinnsvis fra 0,3 til 0,5$ Mn. Dessuten kan legeringen inneholde fra 1 til 4$ Mg. Det totale mengden av Zr, Nb, Ta og Ni bør fortrinnsvis ikke overstige 0,8$, og den er hensiktsmessig fra 0,4 til 0,7$. The base alloy may contain from 0.25 to 0.75% Mn, preferably from 0.3 to 0.5% Mn. In addition, the alloy may contain from 1 to 4% Mg. The total amount of Zr, Nb, Ta and Ni should preferably not exceed 0.8$, and it is suitably from 0.4 to 0.7$.

Fremstillingen av halvfabrikata som utgjøres av en superplastisk deformerbar legering på aluminiumbasis, omfatter støping av en flytende legering med en sammensetning i henhold til det anførte ved en temperatur av minst 775°C og fortrinnsvis i overkant av 800°C for å gi en cellestørrelse i den støpte legering som ikke overstiger 30 /am, idet man utsetter den støpte legering for plastisk bearbeiding ved en temperatur som ikke vesentlig overskrider 550°C. The production of the semi-finished product which is made up of a superplastic deformable aluminum-based alloy comprises casting a liquid alloy with a composition according to the above at a temperature of at least 775°C and preferably in excess of 800°C to give a cell size in the cast alloy which does not exceed 30 /am, subjecting the cast alloy to plastic processing at a temperature which does not significantly exceed 550°C.

I legeringen ifølge oppfinnelsen kan det i tillegg til normale for-urensninger, slik som silisium når dette element ikke kreves som en spesiell bestanddel, tilsettes vanlige tilfeldige elementer, f.eks. beryllium, titan og bor, f.eks. for å kontrollere oksydasjon eller bevirke korn-raffinering i den støpte struktur. In the alloy according to the invention, in addition to normal impurities, such as silicon when this element is not required as a special component, ordinary random elements can be added, e.g. beryllium, titanium and boron, e.g. to control oxidation or effect grain refinement in the cast structure.

Prosenttallene i nærværende beskrivelse angir vektprosent. The percentages in this description indicate percentage by weight.

Undersøkelser som er foretatt i forbindelse med den superplastiske egenskap som ble oppnådd i legeringer ifølge britisk patent nr. 1.387.586 viste at en del^dynamisk rekrystallisasjon fant sted i løpet av den superplastiske deformasjon, mens legeringer som var rekrystallisert før varmformingsoperasjonen og de som var forblitt ukrystallisert etter varmformingen ikke oppviste superplastisitet. På basis av denne iakttagelse var det mulig å foreskrive ytterligere elementer som, ved å nedsette den høye feilstablingsenergien til aluminium, ville fremme rekrystallisasjonen og muliggjøre at det finner sted en viss dynamisk rekrystallisering til en fin-struktur under varmdeformasjonen når det gjelder ren aluminium og Al-1,25$ Mn-legeringen. På tilsvarende måte var det mulig å foreskrive tilsetninger for å retardere rekrystallisasjonen til en fin-struktur når det gjaldt lavlegerte Al-Mg-legeringer. Når disse rekrystallisa-sjonsmaterialer ble tilsatt til disse tre slags legeringer som sammen med bare zirkoniumtilsetninger ikke tidligere kunne gjøres superplastiske, kunne alle tre materialer deformeres superplastisk slik som vist ved resultatene ifølge tabell 1. Alternativt kan når det gjelder Al-Mn-legeringer, den dynamiske rekrystal.Usasjonen fremmes ved å redusere manganinnholdet, i hvilket tilfelle det ikke var nødvendig å foreta noen ytterligere tilsetning bortsett fra zirkonlum. Disse legeringer med lavere manganinn-hold kunne deretter deformeres superplastisk som vist ved resultatene ifølge tabell 2„ Investigations made in connection with the superplastic property obtained in alloys according to British Patent No. 1,387,586 showed that a partial dynamic recrystallization took place during the superplastic deformation, while alloys which were recrystallized before the hot forming operation and those which were remained uncrystallized after hot forming did not exhibit superplasticity. On the basis of this observation, it was possible to prescribe additional elements which, by lowering the high fault stacking energy of aluminum, would promote the recrystallization and enable some dynamic recrystallization into a fine structure to take place during the hot deformation in the case of pure aluminum and Al -1.25$ The Mn alloy. Similarly, it was possible to prescribe additions to retard the recrystallization to a fine structure in the case of low-alloy Al-Mg alloys. When these recrystallization materials were added to these three kinds of alloys which together with only zirconium additions could not previously be made superplastic, all three materials could be deformed superplastically as shown by the results according to table 1. Alternatively, in the case of Al-Mn alloys, the dynamic recrystal.Usation is promoted by reducing the manganese content, in which case it was not necessary to make any further addition except for zirconium. These alloys with lower manganese content could then be deformed superplastically as shown by the results according to table 2„

Legeringene ifølge oppfinnelsen bør støpes ved en temperatur av The alloys according to the invention should be cast at a temperature of

minst 775°C og fortrinnsvis i overkant av 800°C for å gi en celle-størrelse i den støpte legering som ikke overstiger 30/um. Den støpte legering kan utsettes for plastisk bearbeiding ved en temperatur som ikke vesentlig overstiger 550°C. at least 775°C and preferably in excess of 800°C to give a cell size in the cast alloy that does not exceed 30 µm. The cast alloy can be subjected to plastic processing at a temperature that does not significantly exceed 550°C.

Den nærværende oppfinnelse skaffer tilveie superplastisk deformer-bare legeringer på aluminiumbasis som (foruten deres superplastiske egenskaper) ikke bare er en billig type av legeringer, men som også lett kan bearbeides av fabrikanter av konvensjonelt formede komponenter (doV.s. der kreves ingen spesiealopplæring for anvendelse av de nye legeringene)• The present invention provides superplastically deformable aluminum-based alloys which (in addition to their superplastic properties) are not only an inexpensive type of alloy, but which can also be easily machined by manufacturers of conventionally shaped components (doV.s. where no special training is required for application of the new alloys)•

Hvis ønskes., kan legeringene utsettes for en konvensjonell kald-formingsoperasjon enten før eller etter superplastisk deformasjon. If desired, the alloys may be subjected to a conventional cold-forming operation either before or after superplastic deformation.

Det vil lett insees at istedenfor å anvende Zr som tilsetning, kan It will be easily seen that instead of using Zr as an additive, can

man alternativt bruke Nb, Ta og Ni. one can alternatively use Nb, Ta and Ni.

Det vil også forstås at når den støpte legering senere valses eller formes på annen måte, så kan den prosentandel av Zr, Nb, Ta og Ni som finnes i fast oppløsning, endres. It will also be understood that when the cast alloy is later rolled or shaped in another way, the percentage of Zr, Nb, Ta and Ni found in solid solution can change.

Hvorvidt den valsede eller på annen måte formede legering forblir superplastisk, vil både være avhengig av den restmengde av Zr, Nb, Ta og Ni som er tilbake i fast løsning og den grad av kornraffiner-ing som forårsakes av noe av Zr, Nb, Ta og Ni som omdannes fra fast løsning. Whether the rolled or otherwise formed alloy remains superplastic will depend both on the residual amount of Zr, Nb, Ta and Ni remaining in solid solution and the degree of grain refinement caused by some of the Zr, Nb, Ta and Ni which is converted from solid solution.

Således kan en støpt legering ifølge oppfinnelsen formes partielt ved hjelp av forskjellige prosesser og bibeholde sinesuperplastiske egenskaper, Thus, a cast alloy according to the invention can be partially shaped using different processes and retain its superplastic properties,

Claims

1. Superplastic deformable aluminum alloy consisting of a non-heat-workable starting material selected from the group consisting of: 1. aluminum of normal-commercial purity, 2. aluminum and 0.75 to 2.5% manganese, 3. aluminum and 0.25 to 0 .75 manganese, and 4. aluminum and 1 to 4$ magnesium,

together with dynamic recrystallization-modifying additives for these materials to achieve a fine structure, which additives consist respectively of: 1. 0.4 to 2$ iron and 0.4 to 2$ silicon, 2. 0.4 to 1$ Iron, 3. none, 4. 0.25 to 0.75$ manganese,

and at least one of the elements Zr, Nb, Ta and Ni in a total amount of 0.3 to 1$, and whereby the rest is made up of normal impurities, characterized in that the alloy's content of Zr, Nb, Ta and Ni is substantially available in solid solution.

2. Alloy according to claim 1, characterized in that said element is Zr and the amount is not more than 0.8$.

3. Alloy according to claim 2, characterized in that the amount of Zr is from 0.4 to 0.7$.

4. Alloy according to claims 1-3, characterized in that the total content of iron and silicon is from 0.75 to 2$.

5. Alloy according to claims 1-4, characterized in that equal weight proportions of iron and silicon are used.

6. Alloy according to claim 1, characterized in that the manganese addition is in the range 1-2$ with an iron content of at least 0.6$.

7. Alloy according to claim 1, characterized in that the manganese content is from 0.3 to 0.5$.