NO141372B - Fremgangsmaate for fremstilling av baandstoept aluminium platemateriale med forbedrede mekaniske og termomekaniske egenskaper - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en fremgangsmåte for fremstilling av halvhårdt aluminium platemateriale med forbedrede mekaniske egenskaper ut fra kommersielt tilgjengelige, kaldt bearbeid-bare Al-knalegeringer.

Ved den konvensjonelle bearbeiding til platemateriale

blir valseemnene utstøpt i form av valseblokker ved halv-kontinuerlig støping. Disse valseblokker bl?r gjenstand for en homogeniseringsbehandling i fra 12-24 timer ved høye temperaturer, eksempelvis fra 490-500°C, nær opp til metallets solidustemperatur. Deretter følger varmvalsing ved noe lavere temperatur, 400-450°C. Denne etterfølges av kaldvalsing og avsluttende gløding, en varmebehandling ved ca. 380°C i et tidsrom på" ca. 2 timer. Som alternativ til kaldvalsing og avsluttende gløding, anvendes også en mellom-gløding ett-er varmvalsing ved 420°C etterfulgt av avsluttende kaldvalsing.

En nyere teknologi for fremstilling av utvalset platemateriale er såkalt båndstøping (strip-casting). Det er en kontinuerlig platestøning karakterisert ved en høy størkningshastighet under bråkjøling av det støpte platemateriale, noe som tillater høyere støpehastigheter. Også her «r det nødvendig med en videre bearbeiding av det utstøpte platemateriale før det foreligger et produkt med tilfredsstillende mekaniske egenskaper. Denne bearbeiding innbefatter at det utstøpte materiale kaldvalses ned til en passende diiuensjon, deretter blir materialet mykglødet ved ca. 420°C i 4 timer, etterfulgt av det såkalte temperstikk, dvs. en ytterligere kald ned-vaising, også kult tenipervalsing. Under denne tempervalsing gjennomgår materialet en tykkelsesreduksjon på 15% eller mer.

Det er kjent at tilsetning av visse elementer som Zr, Nb,

Ta og Ni i en total mengde på 0,3 til 0,8% til visse ikke herdbare aluminium knalegeringer, vil gi en økning av rekrystallisasjonstemperaturen. Således anbefales ifølge US-patent 2,24 5,166 Stroup, patent bevilget 10. juni 1941, en tilsetning på fra 0,01-1% zirkonium til en kopperfri Al/Mg knalegering inneholdende fra 0,25-10% magnesium, for

å øke rekrystallisasjonstemperaturen. Det er også blitt foreslått å benytte zirkoniumtilsetninger i flere kommer-sielle høyfaste og mellomfaste legeringer i 7 000-serien AlZnMg(Cu). Ved slike tilsetninger oppnås en viss økning

av rekrystallisasjonstemperaturen, noe som gir større mulig-heter for fremstilling av varmformede produkter uten at det foregår vesentlig rekrystallisasjon i det ferdige produkt. Noen vesentlig forbedring av de mekaniske egenskaper, flyte-spenning og fasthet samt duktilitet, blir ikke oppnådd ved konvensjonell varmebehandling og varmvalsing av utstøpte valseblokker.

Foreliggende oppfinnelse vedrører kaldbearbeidbare knalegeringer bestående av følgende aluminium legeringer: 1. AlMn-knalegering inneholdende fra 0,30-1,35 vekt-% Mn 2.. AlMgMn-knalegering inneholdende fra 0,2-0,8 vekt-% Mg og fra 0,3-0,8 vekt-% Mn 3. AlMgSi-knalegering inneholdende fra 0,45-0,90 vekt-% Mg og fra 0,2-0,6 vekt-% Si

4. AlMg-knalegering inneholdende fra 0,5-1,1 vekt-% Mg

5. Teknisk rent aluminium med minimum 99,0 vekt-% Al og resten hovedsakelig Si og Fe.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse har man ved hjelp av båndstøpingsteknologi med direkte påfølgende kaldvalsing og en spesiell varmebehandling, fremstilt plater av Al-knalegeringer med sterkt forbedrede egenskaper, dvs. en betydelig heving av duktiliteten med bibeholdt fasthet og en vesentlig heving av rekrystallisasjonstemperaturen samt opp-nåelse av høy varmefasthet kombinert med høy varmeduktilitet.

Det overraskende ved fremstilling av Al-platemateriale

ifølge oppfinnelsen , er at selv små tilsatsmengder av rekrystallisasjons-modifiserende elementer som f.eks. Zr,

Nb, Ta, Hf, Ni, Cr, Ti, V eller W, kan gi knalegeringene

en betydelig forbedring i termomekaniske egenskaper. For-bedringen er et resultat av den anvendte båndstøpings-teknologi, hvor de modifiserende elementer på grunn av høy størkningshastighet foreligger i alt vesentlig i fast opp-løsning, og anvendelse av den spesielle avsluttende varmebehandling etter kaldvalsing til den ønskede sluttykkelse. Samtidig er fremstillingsprosessen blitt vesentlig forenklet

i forhold til de konvensjonelle varm- og kaldvalseprosesser. Tilsatsen av strukturmodifiserende elementer i disse kna- - legeringer er så små at utstøpingshastigheten ikke påvirkes, f.eks. ved anvendelse av zirkonium i mengder opptil 0,3 vekt-%.

Disse vesentlige tekniske fremskritt oppnås ved hjelp av

den spesielle fremgangsmåte som er definert i de etter-følgende patentkrav.

Nedenfor skal beskrives en praktisk utførelsesform av fremgangsmåten. En aluminiumlegering bestående av 0,15% Si,

0,5% Fe, 0,75% Mn, 0,22% Zr og resten hovedsaklig Al, støpes ut ved kontinuerlig båndstøping, dvs. utstøping mellom inn-vendig vannkjølte, roterende metallvalser. Etter kveiling og avkjøling til romtemperatur blir båndet, som i utgangs-punktet har en tykkelse på ca. 7 mm, valset ned til den ønskede sluttykkelse, eksempelvis 1,0 mm, ved en kaldvalse-prosess. Kalddeformasjonen resulterer i en kraftig øking av

hardheten samtidig som duktiliteten reduseres, og dette er en kombinasjon av egenskaper som for en rekke anvendelser er lite ønskeiig. Med en konvensjonell legeringssammenset-ning ville det derfor blitt aktuelt etter nedvalsing å foreta en mykgløding etterfulgt av tempervalsing for å oppnå de ønskede egenskaper i materialet. Ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, blir derimot det ferdig valsede bånd helt enkelt gitt en avsluttende varmebehandling hvorved temperaturen i metallet bringes sakte opp til 420-470°C og holdes der i omtrent 2 timer før påfølgende avkjøling til romtemperatur. I motsetning til vanlige aluminiumlegeringer, som etter en slik avsluttende varmebehandling uten temperstikk ville bli helt mykglødet, vil de mekaniske egenskapene i den Zr-holdige legeringen stabilisere seg på et nivå tilsvarende en deformasjonsherdet, halvhård kvalitet av en tilsvarende zirkoniumfri legering, dog med den forskjell at duktiliteten er vesentlig forbedret. For å få til denne stabiliseringen av deformasjonstruktur i den Zr-holdige legeringsvarianten, kreves imidlertid at oppvarmingshastigheten ved varmebehandling etter kaldvalsing ikke overskrider en viss kritisk hastighet. De kritiske hastigheter ligger på ca. 50°C/min., og en optimal oppvarmingshastighet for varmebehandlingen ifølge foreliggende oppfinnelse er i størrelsesorden fra 1 til 4°C/min. Denne sakte oppvarmingshastigheten er nødvendig for kimdanning av de fint disper-gerte Al^Zr-partiklene som er nødvendig for å stabilisere substrukturen. Utstøpingstemperaturen ved båndstøping ligger i området 680-750°C, avhengig av den anvendte knalegeringen og det modifiserende tilsetningselementet. For AlMn-legering og zirkoniumtilsats er det hensiktsmessig å støpe ved 680-700°C.

Den grunnleggende forskjell mellom en legering med og en uten Zr-tilsats skal belyses ved følgende eksempel:

Med- utganspunkt i to båndstøpte AlMn-legeringer (støp-tykkelse ca. 7 mm) som er like bortsett fra Zr-tilsatben; legering 1 (A10.8MnO.23Zr) og legering 2 (A10.8Mn), ble det foretatt følgende forsøk. Etter utstøping ved 690°C ble begge kvalitetene kaldvalset til 1 mm tykkelse. Fra disse platene tok man ut prøver som ble varmet ved forskjellige temperaturer i temperaturområdet 400°C til 520°C. Alle varmebehandlinger ble utført med samme oppvarmingshastighet til holdetemperaturen -50°C/time. Holdetiden var for alle forsøkene 2 timer, hvoretter prøven ble kjølt i luft.

Resultatene som er gitt i Tabell 1 og Fig. 1, viser hvordan styrken, definert ved flytegrense;! Rp 0,2 (Fig. la) og duktiliteten definert ved forlengelsen Ag (Fig. lb), hvor målelengden er lik fire ganger prøvebredden, endres med varmebehandlingstemperaturen. Man ser av disse resultatene at mens legering 2 viser et raskt fali i fasthet med økende temperatur i området 4 00°C- 4 20°C, viser legering 1 en bemerkelsesverdig fasthetsstabilitet. Først ved varmebe-handlings temperaturer over ca. 48 0°C begynner et raskere fali med økende temperatur. Det vil si, ved en tilsats av ca. 0,2% Zr har man kunnet øke rekrystallisasjonstemperaturen (definert ved 50% reduksjon i fasthet etter 2 timer ved hoider.oir.pÆratur) med hele S0°c fra 410°c til 490°C. For ytterligere å belyse de fordeler som oppnås ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, er nedenfor omtalt forsøk som viser at det ved fremgangsmåten kan fremstilles lege-ringskvaliteter med vesentlig forbedrede termisk metastabile avfastningsegenskaper sammenlignet med konvensjonelt fremstilt platemateriale av de samme legeringer uten zirkoniumtilsats.

Eksempel 2

Det konvensjonelt fremstilte platemateriale uten zirkoniumtilsats (legering 2) ble først båndstøpt og deretter valset i fire stikk til 1,25 mm, mykglødet ved 420°C i fire timer (vanlig batch), deretter fulgte tempervalsing fra 1,25 mm til 0,88 mm, altså en tykkelsesreduksjon på ca. 30%.

Platematerialet fremstilt ifølge oppfinnelsen (legering 1) ble utstøpt ved 690°C og direkte utvalset fra 7 mm til 1 mm plate (ca. 85% reduksjon), etterfulgt av en batchgløde-behandling i to timer ved 440°C. Den nøyaktige sammensetning av legeringene var som angitt i tabell 2.

De to platekvaliteter ble så testet i en standard strekk-prøvemaskin med sikte på å kartlegge de mekaniske egenskaper;

1) ved høyere temperatur og

2) etter en langvarig høytemperatur varmebehandling.

Resultatene er gjengitt i Tabell 3 og 4, se nedenfor, og også vist grafisk ved hjelp av kurvene ifølge Fig. 2 og 3.

Det fremgår av resultatene at mens romtemperaturfastheten

til legeringene 1 og 2 er sammenlignbare, er legering 1 vesentlig mer duktil og viser en bedre varmefasthet (Tabell 3)•

Videre kan Zr-legeringen holdes i lengre tider ved relativt høy temperatur uten at romtemperaturegenskapene reduseres. Eksempelvis viser legering 1 bare en liten reduksjon i fasthet etter 120 timer ved 400°C, mens.fastheten i legering 2

er redusert med ca. 30% allerede etter 2 timer ved samme temperatur (Fig. 3). Av andre forsøk som er utført fremgår at legeringen ifølge oppfinnelsen har overlegne formbarhets-egenskaper og høy varmeduktilitet ved anvendelse av lave tøyningshastigheter.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av halvhårde aluminium platematerialer med høy fasthet kombinert med høy duktilitet ut fra kommersielt tilgjengelige Al-knalegeringer, tilsatt i det minste ett rekrystallisasjons-modifiserende element som Zr, Nb, Ta, Hf, Ni, Cr, Ti, V eller W,karakterisert ved at knalegeringer. inneholdende mindre enn 0,5 vekt-% av de modifiserende tilsetningselementene, som i alt vesentlig foreligger i fast oppløsning, utstøpes ved kontinuerlig båndstøpning til et bånd som direkte avkjøles til romtemperatur og kaldvalses til ønsket tykkelse, etterfulgt av en avsluttende varmebehandling hvorved temperaturen bringes opp til 400-500°C med oppvarmings-hastigheter lavere enn 50°C/min. med påfølgende av-kjøling til romtemperatur.

2. Fremgangsmåte for fremstilling av halvhårde aluminium-, plater ifølge krav 1, karakterisert ved at tilsetningselementet er zirkonium i konsentrasjoner fra 0,1-0,3 vekt-%.

3. Fremgangsmåte for fremstilling av halvhårde aluminium — plater ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at oppvarmingshastigheten under varmebehandlingen holdes på l-4°C/min.

4. Fremgangsmåte for fremstilling av halvhårde aluminium — plater ifølge krav 1-3, karakterisert ved at temperaturen under varmebehandlingen bringes opp til 440-460°C.

5. Fremgangsmåte for fremstilling av halvhårde aluminium plater ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringens materialtykkelse reduseres med minst 65% av dens opprinnelige tykkelse ved kaldvalsingen.