NO144270B - Anvendelse av en aluminium-knalegering som material til fremstilling av deler, som ved siden av god formbarhet og korrosjonsbestandighet maa ha en rekrystallisasjonsterskel som ligger over 400 grader c - Google Patents

Abstract

Anvendelse av en aluminium-knalegering som material til fremstilling av deler, som ved siden av god formbarhet og korrosjonsbestandighet må ha en rekrystallisasjonsterskel som ligger over 400°C.

Description

Oppfinnelsen vedrører anvendelse av en aluminium-knalegering som material til fremstilling av deler, som ved siden av en god formbarhet og korrosjonsbestandighet må ha en

o rekrystallisasjonsterskel som ligger over ^00 C.

Det er kjent at noen egenskaper av aluminium-knalegeringer betraktelig begrenser området av de mulige anvend-elsesområder. Hertil hører spesielt at kaldfastgjorte halvfabrikata ved forholdsvis lave temperaturer og allerede etter korte innvirkningstider taper deres fasthet. Hertil kommer at dette fasthetsfall til den myke tilstand vanligvis foregår innen et meget snevert temperaturintervall.

Det har ikke manglet på forsøk til å forklare dette forhold ved aluminium-knalegeringer og å påvirke det. Således er det eksempelvis i boken "Aluminium und Aluminium-legierungen" av Altenpohl (1965) til tema tilbakegang og rekrystallisasjon på rundt 60 sider sammenstilt en rekke for-søksresultater og forklaringer av de forskjelligste forfattere, hvorav det overensstemmende fremgår at praktisk talt alle undersøkte aluminium-knalegeringer mellom 200 og 300°C har et meget steilt fasthetsfall. Dette kan riktignok påvirkes lite ved de forskjelligste .forholdsregler, til slutt må man imidlertid erkjenne at med de for en normal produksjon av halvfabrikata og lignende også under hensyntagen av økonomiske synspunkter til disposisjon stående fremstillingsfremgangs-måter kan det ikke oppnås nevneverdig forbedring.

Et unntak danner bare kobberholdige aluminium-knalegeringer, som imidlertid bare har en begrenset formbarhet og med hensyn til deres korrosjonstendens bare er begrenset anvendbare.

Tidligere har man delvis med resultat forsøkt

å forbedre nedgangen i fasthetsforholdet av en aluminium-knalegering med forholdsvis høyt manganinnhold ved en drastisk økning av størkningshastigheten ved støpning. Høye størk-ningshastigheter er uten videre å oppnå i laboratoriemåle-stokk, imidlertid ikke ved en vanlig produksjon i industriell målestokk. Dertil er det nemlig nødvendig i spesielle støpe-fremgangsmåter og -innretninger, som hver gang under tiden

ikke går med den nødvendige driftssikkerhet, således at den tilstrebede forbedring av nedgangen i fasthetsforholdet ennå ikke kan oppnås nevneverdige produksjonsmengder og heller ikke med den ønskede økonomi.

Anvendelsesområdet ifølge oppfinnelsen strekker seg blant annet til eksosanlegg for forbrenningsmotorer, rør-bunt-varmeutvekslere, kanalblikk for solarkollektorer og sjø-vannavsaltningsanlegg og lignende. Dessuten strekker anvendelsesområdet ifølge oppfinnelsen seg til gjenstander som kjøkkentøy må være emaljerbare og korrosjonsbestandige og som i ferdig tilstand skal ha en høy bøyestivhet.

Ved materialer for sistnevnte anvendelsesformål prøves emaljerbarheten vanligvis ved at emaljerte prøveblikk med blanke snittkanter dyppes i en oppløsning av 10 til 20 g antimon-III-klorid i 1 liter vann. Som emaljerbar anses en legering, når ved denne prøve etter minst 24, ved høyere krav etter 96 timer den korrosive undervandring av emaljesjiktet fra prøvens kant utgjør mindre enn 3 mm.

Det er kjent at magnesiumholdige aluminiumlegeringer bare består prøven når prøveblikket før emaljeringen ved siden av den vanlige forbehandling ved alkalisk avfetning eventuelt dekapering og klarspyling, dessuten i tillegg underkastes en passivisering av overflaten på basis av krom-holdige oppløsninger. Av denne grunn benyttes det for ovennevnte anvendelsesformål en magnesiumfri (Mg mindre enn 0,01 vekt-%) legering ifølge USA-norm 3003 med innsnevret toler-anseområde.

Denne legering har følgende sammensetning (i vekt-%):

1,0 - 1,3% mangan,

0 - 0 , H% silisium,

0 - 0,6% jern,

0 - 0,1% zink,

0,1 - 0,2% kobber,

resten aluminium

Den viser ved den ovennevnte antimon-III-klorid-prøve ingen korrosiv undervandring under emaljesjiktet. Legeringen har en i og for seg tilstrekkelig fasthet, har imidlertid den ulempe at den ved innbrenning av emaljen, dvs. ved temperaturer over 500°C går over i tilstanden "myk" og at herav fremstilte ferdigprodukter, som f.eks. kjeler og panner ikke har en tilfredsstillende bøyestivhet. Dessuten er det for dette anvendelsesformål kjent legeringer av type AlMgSi (f.eks. material nr. 3-3206 ifølge DIN 1727), hvormed sistnevnte van-skelighet kan omgås, da de etter innbrenning av emaljen igjen herdner. Det kommer på grunn av deres Mg-innhold og den dermed forbundne nødvendighet å måtte gjennomføre•en omstendelig og på grunn av kromatholdig oppløsning økologisk-belastende forbehandling, av økonomiske grunner ikke i betraktning.

Videre er det kjent at legeringer av typen AlCuMg i visse toleranseområder er emaljerbare uten en ekstra forbehandling med kromholdige oppløsninger og at visse legeringer også har den ønskede herdningseffekt. Denne legeringstype utskiller seg imidlertid fra ovennevnte anvendelsesområde, fordi den ikke er bestandig mot en interkrystallinsk korrosjon, som ferdigdelene normalt er utsatt for. Det har vist seg at. med disse legeringer kan det riktignok oppnås en tilfredsstillende emaljevedhengning, at imidlertid allerede etter kort bruk inntrer en ødeleggelse av panner, kjeler og lignende ved interkrystallinsk korrosjon av materialet.

Det består således den oppgave å finne en egnet aluminium-knalegering som material for fremstilling av deler, som ved siden av en god formbarhet og korrosjonsbestandighet må ha en rekrystallisasjonsterskel som ligger over 400°C, og som dessuten er godt emaljerbare uten spesiell forbehandling.

Overraskende har det vist seg at en aluminium-knalegering av den i og for seg kjente sammensetning med (i vekt-%) :

0,8 - 2,2% mangan,

0,1 - 0,5% zirkonium,

0 - 1,0% jern,

0 - 0,6% silizium,

- 0,5% kobber,

0 - maksimalt 0,1% magnesium,

resten aluminium, innbefattende uunngåelige frem-st illingsbet ingede forurensninger

er utmerket egnet for det angitte anvendelsesformål. Den re- . krystallisasjonshemmende virkning av hovedlegeringselementene er så sterk at ved en prøve etter en to timers glødning ved 350°C og en undersøkelse ved værelsestemperatur utgjør fast-hetsfallet i forhold til den kaldformede tilstand bare 10 til 20%. Mellom 350 og 500°C foregår en innskrenkning av strekk-fastheten i den myke tilstand deretter i første nærhet lineært, med ca. 65 N/mm^ pr. 100°C, uten at det kommer til et steilt fall. Forsøkene har entydig vist at rekrystallisasjonstempe-raturen av denne aluminium-knalegering ligger over 400°C.

Ytterligere detaljer forklares ved hjelp av det vedlagte diagram. Den ifølge oppfinnelsen anvendbare aluminium-knalegering ble etter 80%- ig kaldformning, utgående altså fra tilstanden "hård", glødet to timer med forskjellige temperaturer og deretter ble verdiene for strekkfasthet <5g, for strekkgrensen 6Q samt bruddforlengelse 6^^ målt. Fastleggelse av materialverdiene foregikk ved'værelsestemperatur. I dia-grammet ble det dessuten innført verdiene for strekkgrense av en AlMg-legering etter 1 times glødetid, samt legering 3003 ifølge USA-norm etter to timer glødning. Mens kurvene som forbinder målepunktene for sammenligningslegeringene har det ved aluminium-knalegeringer generelt kjente forløp med et mellom 250 og 300°C begynnende steilt fall og et ved 350°C oppnådd fullstendige fasthetstap, er de tilsvarende verdier for den ifølge oppfinnelsen anvendbare legering for-skjøvet oppad rundt 150°C. Allerede alene derved utvides anvendelsesområdet for denne legering ganske vesentlig.

Dertil kommer at inntil minst 400°C er temperaturavhengig-heten av materialverdiene på langt nær ikke så sterkt ut-preget som eksempelvis ved sammenligningslegeringene i området rundt 300°C. Det har fremstillingsteknisk den store fordel at man kan vesentlig enklere og mer sikkert oppnå enhver tilstand mellom "hård" og "myk". Ville man eksempelvis ved sammenligningslegeringene innstille en bestemt fasthetstilstand mellom 260 og 320°C, så måtte glødetempe-råtur og -varighet overholdes meget nøyaktig fordi avvikninger på f.eks. bare 10°C allerede medfører betraktelige endringer av fasthetsverdiene. Tar man hensyn til at slike snevre tempe-raturtoleranser selvsagt må overholdes for hele chargen og på ethvert sted av glødegodset, da blir det tydelig hvor vanske-lig det er å innstille tilstanden "halvhård" ved disse legeringer. Det er også uten videre innlysende at disse fremstill-ingsproblemer blir desto mindre jo mindre fasthetsverdiene endrer seg med glødetemperaturen. Forsåvidt er det nok med et blikk på det vedlagte diagram for å se hvilke fordeler den ifølge oppfinnelsen anvendbare legering har på den ene side på grunn av det utvidede anvendelsesområde og på den annen side med hensyn til fremstilling.

Spesielle fordeler byr anvendelsen av denne aluminium-knalegering for formål, hvor rekrystallisasjonstempe-raturen av materialet må ligge over 400°C. Videre er denne aluminium-knalegering med fordel å anvende .for slike formål hvor avfastning av materialet ved 400oC utgjør mindre enn 50% av fasthetsforskjellen mellom tilstanden "hård" og tilstanden "myk".

Ved materialet som anvendes ifølge oppfinnelsen er det meget overraskende at den ofte iakttatte effekt, at en legeringstilsetning til fasthetsøkning eller strukturfor-bedring vanligvis medfører en nedsettelse av korrosjonsmot-standen ikke inntrer i foreliggende tilfelle. Det kan mer utnyttes den i or for see kiente rekrystallisasjonsforsinkende virkning av zirkonium uten forringelse av korrosjonsmotstand og av emaljerbarhet. Dermed er det funnet en legering som kan anvendes overalt der hvor det kommer an på en over 400°C forskjøvet rekrystallisasjonsters'kel, uten at derved den gode formbarhet og korrosjonsbestandighet samt emaljerbarhet av materialet påvirkes.

For fremstilling av eksosanlegg for forbrenningsmotorer, rørbunt-varmeutvekslere, kanalblikk for solarkollektorer og sjøvannsavsaltningsanlegg eller lignende anvendes ifølge oppfinnelsen fortrinnsvis en aluminium-knalegering, hvor jern og silisium er tilstede i ert' mengde på

minst hver 0, 2%, ved forøvrig liktblivende sammensetning.

For fremstilling av gjenstander som - som kjøkken-utstyr - må være emaljerbart og korrosjonsbestandig og som i ferdig tilstand må ha en høy bøyestivhet begrenses zirkonium-innholdet ved forøvrig liktblivende sammensetning, fortrinnsvis til 0,1 til 0, 35 vekt-%.

Ifølge en videreutformning av den ifølge oppfinnelsen anvendbare aluminium-knalegering, er det ved denne, ved et manganinnhold på minst 0,8 vekt-% forøvrig mangan erstattet med inntil 1 vekt-% jern. Videre er det fordelaktig, når summen av mangan- og zirkoniuminnhold ligger mellom 1,15 og 2,3 vekt-%. En videre fortrinnsvis innstilling av aluminium-knalegeringen består i at ved fravær av kobber utgjør magne-siuminnholdet maksimalt 0,02%. Endelig kan aluminium-knalegeringen for anvendelsesformål ifølge oppfinnelsen også bestå av 1,0 til 1,8% mangan, 0,15 til 0,3% zirkonium, resten aluminium, innbefattende fremstillingsbetingede forurensninger. Ifølge en annen anvendelsesbetingelse bør tilbakegangsfast-hetsnedgangen av materialet ved 400°C utgjøre mindre enn 50% av fasthetsforskjellen mellom tilstanden "hård" og tilstanden "myk".

Som spesielt fordelaktig har det for anvendelses-formålene ifølge oppfinnelsen vist seg aluminium-knalegeringer med følgende sammensetning (i vekt-%):

1,2 - 1,8 % mangan,

0,15 - 0,30% zirkonium,

0,2 - 0,7 % jern

0,2 - 0,4 % silisium,

0 - 0,3 % kobber,

0 - maksimalt 0,1% magnesium,

resten aluminium, innbefattende uunngåelige, fremstillingsbetingede forurensninger, eller 1,4 - 1, 6% mangan,

0,2 - 0,3% zirkonium,

0,4 - 0,6% jern,

0,2 - 0,4% silisium,

0 - 0,1% kobber,

0 - maksimalt 0,1% magnesium,

resten aluminium, innbefattende uunngåelige, fremstillingsbetingede forurensninger.

Ved fremstilling av halvfabrikata, som skal anvendes ifølge oppfinnelsen gåes det hensiktsmessig fram således at en smelte ifølge en av de angitte sammensetninger på vanlig måte støpes til en strengstøpeblokk og senkes med en hastighet fra 40 til 80 mm pr. minutt, at strengstøpblokker holdes 5 til 10 timer ved en temperatur fra 450 til maksimalt 500°C, at deretter gjennomføres en varmomformning og for oppnåelse av det tilstrebede slutt-tverrsnitt en kaldformning med minst 50% formendring og at endelig ved en avfasthetsglødning innstilles de foreskrevne fasthets- og duktilitetsverdier.

Videre detaljer og fordeler ved den ifølge oppfinnelsen anvendbare aluminium-knalegering forklares nærmere ved hjelp av følgende eksempler:

Eksempel_l:

Por eksosanlegg for motorkjøretøy, spesielt lydpotter og sluttrør, anvendes for tiden utelukkende stål i forskjellig form. Anvendes stål uten spesiell overflatebe-skyttelse, så har eksosanleggene bare en .kort levetid. Anvendes derimot et stål, hvis overflate er beskyttet, f.eks. aluminert, forsinket eller emaljert, så oppnås riktignok en noe bedre levetid, som imidlertid vanligvis ikke berettiger den vesentlige høyere pris for overflatebeskyttelsen. Endelig anvendes i enkelte tilfeller også edelstål, mot hvis ut-bredte anvendelse imidlertid 'den høye pris står. Alle stål-eksosanlegg har dessuten den ulempe at de har en forholdsvis høy vekt, hvilke det står imot bestrebelsene til å bygge kjøretøyene lettest mulig.

Mot utførelsen av et slikt motorkjøretøy-eksosanlegg av en aluminiumlegering talte tidligere at de kjente aluminiumlegeringer ikke har tilstrekkelig varmefasthet resp. at de ved tilstrekkelig varmefasthet ikke var tilstrekkelig korrosjonsbestandige mot avgasskondensatene innenifra og saltvannet utenifra og at de ikke har tilstrekkelig god formbarhet for de nødvendige folde-brettearbeider. Alle disse ulemper kunne overvinnes når aluminium-knalegeringen ifølge oppfinnelsen anvendes mot deres overordentlige avfast-ningskarakteristikk.

Eksemgel_2:

Ved fremstilling av varmeutvekslere av aluminiumlegeringer består blant annet det problem at den ved praktisk talt alle halvfabrikata oppnåelige fasthetstilstand ikke kan utnyttes på grunn av den ved fremstilling av varmeutvekslerne nødvendige loddarbeid. Ved utlegning av slike varmeutvekslere må det derfor gåes ut fra de i tilstanden "myk" tilstedeværende fasthetsverdier, hvilket naturlig med henblikk på de i tilstanden "hård" tilstedeværende fasthetsverdier betyr et betraktelig merbehov av material. Dessuten er det som allerede nevnt ved de vanlige aluminium-knalegeringer meget vanske-lig å innstille en bestemt kombinasjon av fasthet og duktilitet, slik det hyppig kreves for bygning av varmeutvekslere.

Aluminium-knalegeringene som skal anvendes ifølge oppfinnelsen gir nå på grunn av deres gunstige av-fastningskarakteristikk den mulighet, problemløst å innstille forskjellige materialtilstander, hvorved på den ene side er sikret den til bøying eller utvidelse av eksempelvis varme-utvekslerrør nødvendige gode formbarhet og på den annen side er det tilstede samtidig høyere fasthetsverdier enn ved de vanlige aluminium-knalegeringer. Spesielt muliggjør de ifølge oppfinnelsen anvendbare halvfabrikata anvendelsen av loddefremgangsmåter ved fremstilling av varmeutvekslere, fordi i løpet av den korte, for loddingen nødvendige tid inntrer ingen fasthetsfall til tilstanden "myk". Derved kan ved utlegning legges til grunn høyere fasthetsverdier, hvilket igjen utvirker seg umiddelbart på materialforbruk

og dermed på omkostninger.

Eksemgel_3_:

De fordelaktige materialegenskaper virker spesielt også ved fremstilling av såkalt kanalblikk og deres anvendelse i temperaturområdet mellom 20 og 250°C. Kanalblikk består av to ved valsesveising under frigjøring av en kanalstruktur med hverandre forbundne blikk eller plater, hvis kanalbilde deretter oppblåses ved hjelp av et trykk-middel. De er hittil spesielt anvendt i kj øleteknikken for kjøleskap- og frysetraufordampere, hvor problemet med nedgang i fasthet og rekrystallisasjon ikke spiller noen rolle. Da oppblåsningsprosessen på den ene side krever en god formbarhet,

de nevnte nye anvendelsestilfeller forutsetter på den annen side bestemte strekkfastheter, kan det ikke anvendes de vanligvis anvendte aluminiummaterialer, fordi de ikke muliggjør noe brukbart kompromiss mellom duktilitet og strekkf asthet-.

Med materialene som skal anvendes ifølge oppfinnelsen kunne for kanalblikk anvendelsesområdet utvides til 250°C, således at de konstruktivt forøvrig meget gunstige kanalblikk nå også kan anvendes som solarkollektorer og som varmeutvekslere ved sjøvannavsaltning.

Ved siden av det allerede nevnte anvendelses-

område for kjøkkenutstyr kan aluminiumlegeringen ifølge oppfinnelsen selvsagt også benyttes i alle andre tilfeller,

hvor det må oppfylles tilsvarende eller lignende krav. Ferdigproduktene har et fast-vedhengende emaljesjikt som i antimon-III-klorid-prøve ikke undervandres. De er bestandige mot alle forekommende korrosjonsangrep og har ovenfor gjenstander av en AlMn-legering uten zirkonium en tydelig høyere bøyestivhet. Utslagsgivende for bøyestivheten er strekkgrensen, som ved materialet som skal anvendes ifølge oppfinnelsen på det ferdige produkt er vesentlig høyere enn ved de emaljerbare AlMn-legeringer ifølge USA-norm 3003-

Claims (10)

1. Anvendelse av en aluminium-knalegering med følgende sammensetning (i vekt-%): 0,8 - 2,2 % mangan, 0,10 - 0,50% zirkonium, 0 - 1,0 % jern, 0 - 0,6 % silisium, 0 - 0,5 % kobber, 0 - maksimalt 0,1% magnesium, resten aluminium innbefattende uunngåelige, frem-st illingsbe tingede forurensninger som material til fremstilling av deler, som ved siden av god formbarhet og korrosjonsbestandighet må ha en rekrystallisas jons-terskel som ligger over 400°C.

2. Anvendelse ifølge krav 1, idet legeringen minst inneholder 0,2 vekt-% jern og minst 0,2 vekt-% silisium som material til fremstilling av eksosanlegg for forbrenningsmotorer, rørbunt-varmutvekslere, kanalblikk for solarkollektorer og sjøvannsavsaltningsanlegg.

3. Anvendelse ifølge krav 1, idet legeringen inneholder zirkonium med en mengde fra 0,1-0,35 vekt-% som material til fremstilling av gjenstander som må være emaljerbare og korrosjonsbestandige og som i ferdig tilstand skal ha en høy bøyestivhet, f.eks. kjøkkenutstyr.

4. Anvendelse av en aluminium-knalegering ifølge krav 3 som minst inneholder 0,8 vekt-% mangan og hvori det øvrige mangan er erstattet med inntil 1 vekt-% jern.

5. Anvendelse av en aluminium-knalegering ifølge krav 3, hvori summen av mangan- og zirkoniuminnholdene ligger i området fra 1,15 - 2,3 vekt-%.

6. Anvendelse ifølge et av kravene 3~5j idet legeringen maksimalt inneholder 0,02 vekt-% magnesium og er fri for kobber.

7. Anvendelse ifølge et av kravene 3~6, idet legeringen inneholder 1,0 - 1,8 vekt-% mangan, 0,15 - 0,30 vekt-% zirkonium, resten aluminium innbefattende fremstillingsbetingede forurensninger.

8. Anvendelse av en aluminium-knalegering ifølge krav 1 eller 2 for formål hvor materialets avfastning ved 400°C er mindre enn 50% av fasthetsforskjellen mellom tilstanden "hård" og tilstanden "myk".

9- Anvendelse ifølge et av kravene 1 eller 2, idet legeringen inneholder (i vekt-%): 1,2 - 1,8 % mangan, 0,15 - 0,30% zirkonium, 0,2 - 0,7 % jern, 0,2 - 0,4 % silisium, 0 - 0,3 % kobber, 0 - maksimalt 0,1% magnesium,-resten aluminium innbefattende uunngåelige frem-st illingsbetingede forurensninger.

10. Anvendelse ifølge krav l og 2,' idet legeringen inneholder (i vekt-%): 1,4 - 1,6% mangan, 0,2 - 0,3% zirkonium, 0,4 - 0,6% jern, 0,2 - 0,4% silisium, 0 -0,1% kobber, 0 - maksimalt 0,1% magnesium, resten aluminium innbefattende uunngåelige fremstillingsbetingede forurensninger.