NO141942B

NO141942B - Fremgangsmaate for behandling av aluminiumlegeringer

Info

Publication number: NO141942B
Application number: NO751114A
Authority: NO
Inventors: Serge Bercovici
Original assignee: Pechiney Aluminium
Priority date: 1974-04-04
Filing date: 1975-04-02
Publication date: 1980-02-25
Also published as: BE827497A; IT1034783B; NO751115L; ZA752151B; DE2514386A1; ES436216A1; DD117486A5; FR2266748A1; ES436217A1; DE2514386B2; JPS50136209A; NL182416C; CH603805A5; SE7503775L; LU69788A1; DD117372A5; AU7974075A; NO751114L; GB1502114A; FR2266748B1

Description

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for behandling

av aluminium-legeringer som lar seg varmebehandle, av typen Al-Si og Al-Cu-legeringer for å bringe dem til en blandingstilstand av fast og flytende fase under opprettholdelse av fast form, hvor legeringen bringes opp på en temperatur mellom solidus- og likvidus-temperaturene og holdes der i en tid på

mellom noen minutter og noen timer, og det særegne består i at varmebehandlingen forsettes uten omrøring inntil en vektmengde av legeringen på under 40% og fortrinnsvis under 35% er brakt til flytende tilstand, slik at den faste dendrittfase har be-

gynt å gå over i kuleform.

Fra det franske patent nr. 2141979 er det kjent en legering

som hva relative mengder av fast og flytende fase angår, meget nær svarer til det samme forhold som fremkommer ved gjennom-føringen av foreliggende fremgangsmåte. I patentet utgjør imidlertid en kraftig omrøring et vesentlig trekk ved fremstillingen, mens foreliggende fremgangsmåte som angitt gjennomføres uten omrøring. Foreliggende fremgangsmåte er således vesentlig enklere og dermed billigere, og lar seg meget lett gjennomføre

i industriell målestokk.

Det er vel kjent av hvis en metall-legering i fast tilstand oppvarmes gradvis, vil de første spor av flytende fase vise seg i det øyeblikk solidus-temperaturen nås, og at forholdet mellom fast fase og flytende fase utvikler seg inntil full-

stendig smeltning i det øyeblikk likvidus-temperaturen nås.

Det har nå helt overraskende vist seg at hvis en fast metall-

legering bringes opp på en temperatur mellom solidus-tempera-

turen og likvidus-temperaturen, vil det forgrenede dendritt-nettverk i primærfasen, som dog holder seg stort sett fast. under behandlingen, undergå en struktur-degradering og utvikle seg gradvis til en kuleform hvis dimensjoner avhenger av fin-

heten av den opprinnelige dendritt-struktur, men i alminnelig-

het ligger mellom 100 og 400 mikrometer.

Det har videre vist seg at en legering som holdes på en tempera-

tur mellom solidus- og likvidus-temperaturene, beholder ut-

seendet av et fast legeme hvis den relative mengde flytende fase ikke overstiger 60%. Et slikt produkt må imidlertid håndteres med forsiktighet og et støt eller en stor påkjenning medfører ofte en hel eller delvis svekning.Så snart den relative mengde av flytende fase synker til omtrent 50%.og fortrinnsvis under 35%, kan håndteringen foregå med minimal forsiktighet.

Ved en mengde av ca. 20% flytende fase kan produktet håndteres omtrent som et vanlig fast stoff.

Det har nå vist seg at en legering som holdes mellom solidus-

og likvidus-temperaturene, og på en slik temperatur at den forholdsvise mengde flytende fase er mindre enn 40%, er særlig godt egnet til å tilformes ved hjelp av alle de fremgangsmåter som vanlig anvendes i forbindelse med legeringer i fast til-

stand, f.eks. trekking, ekstrudering, laminering, pressing, stansing, smiing osv.

Overgangen fra den faste fase med dendritt-struktur til en kulestruktur, gir den legering som er behandlet i henhold til oppfinnelsen en betydelig forbedret evne til plastisk flyting i fast tilstand, slik at det er mulig både å øke flytehastig-

heten og nedsett den kraft som kreves av maskinen. Disse nye egenskaper svarer til en særlig tilstand av legeringen, som kalles "rheotrop".

Det skal understrekes at rheotropien ikke er en enkel følge av temperaturhevningen. I betraktning av de vanskeligheter som er forbundet med fremgangsmåter for omdannelse av visse legeringer i fast tilstand, ville det ligge nær å anta at det var tilstrekkelig å øke temperaturen ved f.eks. trekkingen, for der--ved å nedsette den kraft som kreves av pressen. Erfaring viser imidlertid at temperaturen 4 50 °C som er valig ved trekking av aluminiumlegeringer, f.eks. AU4 SG (som inneholder ca. 4%

Cu, 1% Si, 0,8% Mn og 0,5% Mg) er maksimal og aldri tidligere er overskredet i industriell praksis. Over denne temperatur legges det merke til at metallets plastisitet, som passerer et maksimum mellom 420 og 450 °C vil synke igjen og, dessuten vil den dynamiske kraft som utvikles ved trekkstenen føre med seg en slik temperaturstigning at profilet blir gjort delvis flytende, altså ubrukelig. Trekking i rheotrop tilstand vil derimot frembringe forholdsvis liten dynamisk kraft ved trekkstenen,

og det er tilstrekkelig med en forholdsvis svak kjølestrøm for, i det ekstruderte profil, å størkne de små mengder flytende fase som er jevnt fordelt og som ikke påvirker kohesjonen. Dessuten blir slitasjen i verktøyet sterkt nedsatt.

For å illustrere virkningen av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen, skal det ved hjelp av mikrofotografier foretas en sammenlikning mellom strukturene i aluminiumlegeringen AU4 GS behandlet på forskjellige måter. Fig. 1 som er et mikrofotografi med forstørrelse 50, viser strukturen i en legering AU4 GS fremstillet på vanlig måte ved halvkontinuerlig støping av en barre. Dendritt-strukturen er klart synlig. Fig. 2 er et mikrofotografi med forstørrelse 50, av samme legering, behandlet i henhold til oppfinnelsen. Den var holdt i 1 time på 6 20 °C, hvilket svarer til en forholdsvis vektmengde flytende fase på ca. 25%.

Mikrofotografiene ble tatt etter et anodisk angrep i en blanding som inneholdt 1000 cm 3 ortofosforsyre og 30 g kromsyreanhydrid ved 90 °C i 1-2 min., under en slik likespenning at strømtett-heten på o prøvestykket var ca. 0,2 A/dm 2. De sorte flekker i fig. 2 er kuler av primærfasen som skyldes dendritt-svekningen. Det vil ofte legges merke til at det inne i kulene forekommer sfæriske rosetter med hvit omkrets som skyldes små flytende dråper som er blitt innesluttet under varmebehandlingen.

Hvor lenge temperaturen skal holdes for å bevirke at kule-strukturen viser seg, og for å oppnå plastisk flytning i fast tilstand, avhenger av legeringstypen og, for en gitt legering, med høyden av den varige temperatur, som dessuten bestemmer forholdet mellom flytende og fast fase. Eksempelvis kan den være fra noen minutter til fire timer, og fortrinnsvis fra ca. 5 til 60 minutter for aluminium-sink-magnesium-legeringer eller aluminium-silisium-kobber-magnesium-legeringer.

Sylinderformede barrer, fremstillet ved kontinuerlig eller halv-kontinuerlig kokillestøping og behandlet i henhold til oppfinnelsen kan behandles i f.eks. en stang-presse. Etter å være ført inn i beholderen for maskinen, kan de ekstruderes i profil-form forutsatt at det forligger muligheter for passende kjøling av trekk-dysen og av det profil som kommer ut av denne, f.eks. kjøling ved hjelp av vann eller luft. Denne kjøling bør være tilstrekkelig til å fryse størstedelen av den flytende fraksjon som inneholdes i den trukkede barre.

Denne fremgangsmåte har følgende fordeler:

- forholdet mellom trekkingen og/eller trekk-hastigheten er høyere, - trekk-trykket er betydelig nedsatt, med derav følgende nedsatt slitasje på verktøyet.

Det har også vist seg at hvis kjølingen foretas.ned til værelsestemperatur eller til en eller annen temperatur som ligger under solidustemperaturen for en behandlet barre og det deretter foretas gjennoppvarming til en temperatur mellom

solidus og likvidus som tilsvarer høyst 40% flytende fase,

vil denne barre så å si straks gjenfinne sine rheotrope egenskaper, noe som beviser at det faktisk har foregått en varig endring i strukturen og det er fremkommet en ny struktur.

Denne gjenoppvarming kan foretas ved en temperatur som er høyere,

lik eller lavere enn temperaturen for den første behandling alt etter den forholdvise mengde flytende fase som ønskes.

Det skal nå beskrives noen eksempler på hvorledes fremgangs-

måten i henhold til oppfinnelsen kan gjennomføres. Alle trekk-prøvene i eksemplene 1-7 ble foretatt i en Loewy-presse på

800 tonn.

Eksempel 1

Tre sylinderformede barrer med en diameter på 100 mm og en

lengde på 300 mm av nystøpt legering AU4 SG, som består av aluminium med 0,42% jern, 0,91% silisium, 4,24% kobber, 0,82%

mangan og 0,51% magnesium, ble holdt i 15 min. ved temperaturen.

barre A - 585 °C

barre B - 59 5 °C

barre C - 605 °C

noe som tilsvarte henholdsvis

ca. 6% flytende fase i barre A

ca. 8% flytende fase i barre B

ca. 13% flytende fase i barre C.

I tre forsøk som fulgte etter hverandre ble de ført inn i beholderen som på forhånd var oppvarmet til 420-450 °C i 800 tonn-pressen og straks trukket med en hastighet på 8 m/min. i form av et profil med rektangulært tverrsnitt 40 x 3 mm. Vann-kjølingen av trekk-dysen ble innstillet slik at temperaturen i profilet ved utgangen fra dysen var ca. 450 °C. Håndteringen av barrene foregikk under vanlige forhold og trekkingen ble utført på tilfredssti llende måte. For hver barre bl e det oppnådd ca. 15 m profil med upåklagelig overflateutseende. De mekaniske egenskaper for profilene ble målt på prøvestykker:

1) Rå-trekk

2) Etter 8 timer ved 175 °C

3) Herdet i vann etter å være holdt i 2 timer ved 505 °C deretter 8 timer ved 175 °C (tilstand T6) , med følgende resultater:

Disse egenskaper, som var omtrent uavhengige av behandlings-temperaturen, var helt tilfredsstillende og likner dem som oppnås ved produkter som er trukket på vanlig måte.

Eksempel 2

En barre av AU'4 'SG med diameter 100 mm og samme sammensetning som i eksempel 1, ble behandlet i henhold til oppfinnelsen, i 15 min. ved 572 °C slik at det fremkom ca. 4% flytende fase. Barren ble trukket slik at det ble oppnådd en rund stang med

en diameter på 20 mm, dvs. et trekkforhold på 25, med en hastighet på 3 m/min. Det midlere trykk på legemet i pressen

2

var fastlagt på 15 N/mm .

Samme forsøk, utført på vanlig måte ved varm-trekning på en barre som ikke var behandlet i henhold til oppfinnelsen, krevet et trykk på 2 2 N/mm 2,■altså ca. 50% høyere trykk.

De trukkede stenger hadde følgende egenskaper:

For den stang som var trukket i henhold til oppfinnelsen, vil det ses at en enkel behandling i 8 timer ved 175 °C gjør det mulig

å oppnå mekaniske egenskaper som er bedre enn de som fore-ligger i tilsvarende tilstand etter vanlig trekning.

Eksempel 3

Av to små barrer av AZ5G som består av aluminium, 4,40% sink, 1,18% magnesium, med diameter 100 mm, ble en trukket på vanlig måte, den annen etter behandling i henhold til oppfinnelsen, nemlig til 30 mm ved 620 °C slik at det fremkom 4% flytende fase.

Det ble trukket en rund stang med en diameter på 20 mm med en hastighet på 13,2 m/min.

Det trykk som var nødvendit var 15,5 N/mm 2 for den barre som ikke var behandlet og 11,8 N/mm 2 for den barre som var behandlet i henhold til oppfinnelsen, altså en nedsettelse av presse-kraften på 24%.

Eksempel 4

To barrer av AZ5G, med samme sammensetning som i eksempel 3

ble trukket med en bro-dyse, for å fremstille et hulprofil med kvadratisk tverrsnitt 25 x 25 mm og tykkelse 2 mm. Den ene var ikke behandlet, den annen behandlet i henhold til oppfinnelsen i 20 min. ved 6 25 °C slik at det ble dannet 7% flytende fase.

Det trykk som var nødvendig var 28 N/mm 2 for den barre som

ikke var behandlet og 23,8 N/mm 2 for den som var behandlet, altså en nedsettelse på 17%.

Eksempel 5

To barrer av AU4 SG med samme sammensetning og samme dimensjon som i eksempel 1, ble trukket i en bro-dyse, den ene ikke behandlet, den annen behandlet i henhold til oppfinnelsen i 30 min. ved 585 °C, slik at det ble dannet 6% flytende fase, for å oppnå et hulprofil med kvadratisk tverrsnitt 25 x 25 mm og en tykkelse på 2 mm.

Trekkingen av AU4 SG i en bro-dy se ble ikke foretatt på vanlig måte. Den ville, i dette spesielle tilfelle ha ført til - dårlige resultater, et dårlig overflate-utseende og kreve et trykk på 29 N/mm 2, nær den grense som gjelder for 800 tonn-pressen.

Derimot gav trekkingen av den barre som var behandlet i henhold til oppfinnelsen utmerkede resultater og krevet bare et trykk på 21 "N/mm .

Eksempel 6

En barre av AU4 SG, med samme sammensetning og samme dimensjon som i eksempel 1 ble behandlet, i henhold til oppfinnelsen ved å holdes i 15 min. ved 620 °C, slik at det ble 25% flytende fase. Deretter ble den ført inn i beholderen for trekk-pressen. For å unngå enhver fase for deformering, ble behandlingen

og overføringen av barren fra gejnoppvarmningsovnen til pressen utført i en halvsirkelformet vannrett vugge.

Det ble ekstrudert et profil på 40 x 3 mm uten noen vanskelig-het, med et trykk som ikke oversteg 22 N/mm 2. Den 800 tonn-presse som ble brukt i dette forsøk, gjorde det ikke mulig å trekke en 100 mm barre forvarmet til 420/450 °C av AU4 SG til 40 x 3 mm under vanlige forhold.

Ved å gjøre bruk av oppfinnelsen ble det således i dette tilfelle oppnådd en meget stor fordel.

Eksempel 7

En sylinderformet barre med diameter på 100 mm og lengde 300 mm av legering AU4 SG ble holdt i 15 min. ved 585 °C for å danne ca. 6% flytende fase, derpå kjølet til væreIsestemperatur, der på gjenoppvarmet til 595 °C og uten opphold ført inn i beholderen som var forvarmet til 420-450 °C i en 800 tonn trekk-presse, og straks trukket med en hastighet på 8 m/min. til et profil med rektangulært tverrsnitt 40 x 3 mm. Vannkjølingen av dysen var innstillet slik at profil-temperaturen ved utgangen fra dysen var ca. 450 °C.

Resultatene av dette forsøk var de samme som i eksempel IB, noe som viser at en enkel gjenoppvarming til den valgte temperatur, av en barre som på forhånd er behandlet i henhold til oppfinnelsen og deretter kjølet, øyeblikkelig gjenoppretter dens rheotrope egenskaper.

Eksempel 8

Ved senke-smiing ble det fremstillet en kompressor-drivstang

av AU4 SG med en avstand på 100 mm mellom aksene for stemplet og snekken. Vanligvis krever fremstillingen av en slik stang et tilformningstrinn og et slutt-trinn.

Ved å gjenoppvarme emnet i 15 min. ved 595 °C slik at det ble

8% flytende fase, kunne denne stang oppnås i et eneste trinn,

med et trykk på 4 N/mm 2 i det hydrauliske kretsløp for pressen,.. i stedet for 10 N/mm 2 under vanlige forhold.

Claims

1. Fremgangsmåte for behandling av aluminium-legeringer som lar seg varmebehandle, av typen Al-Si og Al-Cu-legeringer for å bringe dem til en blandingstilstand av fast og flytende fase under opprettholdelse av fast form, hvor legeringen bringes opp på en temperatur mellom solidus- og likvidus-temperaturene og holdes der i en tid på mellom noen minutter og noen timer, karakterisert ved at varmebehandlingen fort-settes uten omrøring inntil en vektmengde av legeringen på under 40% og fortrinnsvis under 35% er brakt til flytende tilstand, slik at den faste dendrittfase har begynt å gå over i kuleform.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at legeringen etter behandlingen kjøles til en temperatur under solidustemperaturen og deretter varmes igjen uten omrøring til en temperatur mellom solidus- og likvidus-temperaturene tilsvarende en vektmengde flytende fase på under 40% og fortrinnsvis under 35%.