NO145102B - Raaemne i form av en stoept plate egnet for fremstilling av dispersjonsforsterkede aluminiumlegeringsprodukter - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et råemne av

den art som er angitt i kravets ingress. De mekaniske egenskapene til et dispersjonsforsterket legeringsprodukt er betinget av en fin dispersjon av mikroskopiske, uopp-

løselige partikler og/eller av dislokeringsstrukturen eller konstrukturen som følger av tilstedeværelsen av disse partikler.

I norsk patentskrift nr. 143166 er beskrevet fremstilling

av dispersjonsforsterkede aluminiumslegeringer ved bearbeidelse av en stopt aluminiumsmasse, i hvilken er til stede spro, stavlignende intermetalliske faser, vanligvis ternære intermetalliske faser, slik at de stavlignende faser brytes opp og danner sepa-rate partikler som er dispergert gjennom hele massen. Det ble funnet at når partikkelstorrelsen for de intermetalliske partikler hadde en diameter i området 0,1 - 2 um og utgjor 5,0 - 20 volumprosent av aluminiumslegeringen, vil den bearbeidede legering utvise meget interessante mekaniske egenskaper. Legeringens mekaniske egenskaper avtar når volumandelen av den intermetalliske fase faller under 5,0%, mens formbarheten og seigheten avtar når volumfraksjonen overskrider 20%. Produktets mekaniske egenskaper påvirkes uheldig som folge av tilstedeværelse av grove intermetalliske partikler av en storrelse som overstiger 3 um i diameter .

Den mest egnede metode for fremstilling av stavlignende, intermetalliske faser i en aluminiumsmasse er å stope en ternær eu-tektisk legering, i hvilken er innarbeidet legerende elementer som danner intermetalliske faser med aluminiumet når diette storkner, idet det anvendes stopebetingelser for å gi såkalt "koplet vekst". Dette fenomen er velkjent og er også forklart i en ar-tikkel av J. D. Livingston i "Material Science Engineering", Vol. 7, (1971), sidene 61 - 70.

I de omtalte legeringer i norsk patent nr. 143166 ble det funnet at det var mulig å oppnå den onskede struktur av nærliggende staver av den intermetalliske fase ved å stope barrene ved en konvensjonell direkte avkjolt, kontinuerlig fremgangsmåte.

Det ble funnet at med ternære, eutektiske legeringssystemer,

for hvilke den beskrevne fremgangsmåte i forste rekke er anvendbar, kunne den onskede struktur av intermetalliske faser i form av nærliggende staver med passende storrelse erholdes hvis veksthastigheten (avsetningshastigheten av fast metall i en retning som er perpendikulær på storkningsfronten) oversteg 1 cm/min.

Det vår også nodvendig å sikre at det eksisterte en egnet tempe-raturgradient i det flytende metall for i storst mulig utstrekning å unngå dannelse av grove, primære intermetalliske partikler i om-rådene foran størkningsfronten.

Fremgangsmåten i henhold til norsk patent nr. 143166 er funnet meget tilfredsstillende for fremstilling av aluminiumlege-ringsark som utviser en god kombinasjon av flytegrense og form-barhetsegenskaper.

Aluminium-siliciumlegeringer med et siliciuminnhold på 4 _ 15% har vært kjent i mange år. I slike legeringer danner ikke silicium en intermetallisk fase når stopingen utfores ved en kontinuerlig, direkte avkjolt stopeprosess under de betingelser som anvendes ved fremstilling av barrer av vesentlig tykkelse, eksempelvis 10 - 30 emj det er imidlertid funnet at siliciumfasen storkner i form av relativt grove bladlignende bånd med en tykkelse i området 2 - 5 um og med en vesentlig storre bredde.

Al-Si aluminiumsark har blitt valset fra et slikt barremateriale.

Det legerte ark erholdt i tilstanden etter valsing har tilfredsstillende styrke, men er for sprott til å tillate at det formes. Hvis det koldvalsede ark varmebehandles ved en temperatur over 250°C, forbedres i vesentlig grad dets smidighet og formbarhet, men dets flytegrense faller ned til ca. nivået for et varmebehandlet aluminiumsark av kommersiell renhet.

Selv om produktet har funnet anvendelse for spesielle formål

så har dette vært begrenset til anvendelse hvor lav mekanisk styrke er aksepterbar.

Sammenlignet med mange andre aluminiumslegeringer utviser Al-Si. legeringer flere fordeler. Silicium er et billig legeringsele-ment,. og legeringene er billige å fremstille og utviser god kor-rosjonsmotstand, men deres relativt lave mekaniske styrke er uheldig. Foreliggende legering, som er kj.ennetegnet ved £L

det som er angitt i kravets karakteristikk, er ikke bekre-

ftet med denne'ulempe.

Foreliggende legering , med forbedrede mekaniske egenskaper,

er støpt under slike betingelser at siliciuminnholdet fore-ligger i form av fine forgrenede staver, dvs. staver med en diameter i størrelsesordenen 0,05 - 0,5 pm.

Tilstedeværelsen av grove primære partikler i legeringen i tillegg til de fine partikler kan tolereres opp i en mengde

på 2 volumprosent, men disse store partikler fører til ned-

satt formbarhet, og dannelse av slike partikler bør unngås i størst mulig grad.

Utviklingen av den ønskede struktur i det støpte materiale

kan erholdes ved en kontinuerlig støping av legeringen under betingelser som fører til en veksthastighet på minst 25 cm/min., og fortrinnsvis på minst 40 cm/min., fortrinnsvis 50 - 85, cm/min. Diameteren for siliciumstavene avtar med økende veksthastighet,og som allerede bemerket, bør størrelsen av siliciumpartiklene ikke være mindre enn ca. 0,05 um. Det er folgelig antatt at veksthastigheten under stopingen ikke bor overstige 250 cm/min. Det er i alle tilfelle meget vanskelig å oppnå så hoy veksthastighet under noen kommersielt anvendbar, kontinuerlig stopeoperasjon. Stopematerialet stopes normalt som en kontinuerlig plate med en tykkelse på ca. 6 mm. Den maksimale platetykkelse som gir en veksthastighet på 25 cm/min., er ca. 25 mm.

Det er mulig å senke Si innholdet ned til ca. 4 vektprosent. I dette tilfelle er det foretrukket å innarbeide ytterligere legeringsmaterialer som har evnen til å heve volurnfraksjonen av sekundære faser over 5%. Mer spesielt er det i henhold til oppfinnelsen påtenkt tilsetning av opp til 2 vektprosent Fe og opp til 2 vektprosent Mn (totalmengden av Fe + Mn er maksimalt 3%).. Opp til 2 vektprosent av hver av Cu, Mg, Zn er også tillatelig, men det er foretrukket at totalmengden av Cu, Mg,

Zn og Fe og Mn holdes under 3 vektprosent. Andre elementer kan også være til stede i en maksimal mengde på 1% (maksimalt 0,5%

av hvert element). Det er imidlertid foretrukket at totalmengden av andre elementer bor holdes under 0,15%. Når Fe kun er til stede som vanlige urenheter i aluminium av kommersiell renhet, bor totalmengdene av urenhetene, innbefattende Fe, fortrinnsvis holdes under 0,5%, idet alle legerende elementer bortsett fra Cu, Mg og Mn betraktes som urenheter.

For å oppnå maksimale egenskaper må den anvendte stbpemetode resultere i den angitte hoye veksthastighet i det vesentlige gjennom hele tykkelsen av det stopte materialet.

Ved fremgangsmåter for støping av en tynn aluminiumplate under anvendelse av vannstøping eller et metallkjølesystem, vil for-<p>lantningshastigheten av størkningsfronten være tilnærmet støpehastigheten. For en tykk barre eller støpeform med lav varmeoverføringshastighet, vil veksthastigheten være meget mindre enn støpehastigheten. Veksthastigheten er en viktig parameter, da økende veksthastighet øker antallet av Si-staver (med tilsvarende nedsatt diameter).

For kommersiell stoping. kan kravet til hoy veksthastighet let-test erholdes ved anvendelse av dobbeltvalsestopeanordninger, såsom den kontinuerlige platestoper fremstilt av Hunter Engineering Company, Riverside, California, USA, hvor det smeltede metall størknes i formen som dannes mellom et par kraftige avkjølte valser som trekker det smeltede metall oppover og ut av et isolert injektormunnstykke som er anordnet nær valsene.

Typisk for støpeutstyr av denne type er at det støpte mate-

rialet erholdes i form av en plate med en tykkelse i om-

rådet 5-8 mm ved en støpehastighet i størrelsesorden 60 -

100 cm/min. (som svarer til en veksthastighet i området 50 -

85 cm/min.). Metallet er i det vesentlige fullstendig stør-knet når det passerer senterlinjen for støpevalsene, og det utsettes for kraftig sammenpressing når metallet føres gjennom gapet mellom valsene, med den følge at metallets over-flate er i utmerket varmevekslekontakt med støpevalsene.

Det er funnet at ved anvendelse av dette utstyr kan Al-Si legeringer med et siliciuminnhold i området 5 - 12% stopes i form av en tynn plate, i hvilket i det vesentlige alt av siliciumet fin-nes i form av fine staver. Med et siliciuminnhold i området 12 - 15% kan det også være et innhold av primære siliciumpartikler.

Det er foretrukket at siliciuminnholdet i legeringen bør

være noe under den eutektiske sammensetning, i den hensikt å utvide størkningsintervallet. F.eks. er det foretrukket et Si innhold på 7 - 10% for dette forhold. De mekaniske egenskaper av produktet kan forbedres ved tilsetning av små an-deler, eksempelvis opp til 2% av Cu og/eller Mg (en total mengde som ikke overstiger 3%). Det er vanligvis fore-

trukket å tilsette (hvis det gjøres) 0,2 - 1% Cu eller Mg.

I det følgende eksempel sammenlignes strukturen for en Al - 9,5% Si-legering erholdt etter støping med konvensjonell vannstøping på den ene side og som en tynn plate med høy vekst-hastighet overstigende 40 cm/min. på den annen side.

Det følgende eksempel sammenligner styrke- og forlengelses-egenskapene for ark fremstilt fra to legeringer ifølge oppfinnelsen, nemlig et koldvalset ark fremstilt fra en tovalse-støpeplate og en tynn vannstøpt plate med de høye vekthastig-heter ifølge eksempel 1, med koldvalset ark fremstilt fra en barre, vannstøpt ved konvensjonelle veksthastigheter i stør-relsesorden 6-8 cm/min.

Den tynne vannstøpte (D.C.) plate ble støpt ved en fremgangsmåte tilsvarende standard vannstøping, bortsett fra at det ble støpt en meget tynn barre. Formen var en vannavkjølt kobberform., 19 mm lang, og på den utgående barre ble det på-ført en strømmende vannfilm med en strømningshastighet på 150 cm/s. Støpehastigheten var av størrelsesorden 75 - 120 cm/min. Denne høye støpehastighet kombinert med det store varmetapet fra den tynne plate ga meget høye veksthastigheter i den sentrale del av barren.

Bemerk: (1) Strekkfasthet og flytegrense er middeltall for be-stemmelser utfort "i arkets lengderetning og tverr-retning for standard prbvestykker, innspennings-lengden var 5 cm. (2) 6 mm tykk plate ble varmebehandlet i en time ved den angitte temperatur for koldvalsing ned til en tykkelse på 1 mm. (3) Standard D.C. barre, 10 cm tykk, forvarmet til 350°C og varmvalset til en tykkelse på 6 mm og deretter koldvalset til en tykkelse på 1 mm.

EKSEMPEL 3

Det ble fremstilt tynne vannstøpte plater fra Al-Si legeringer med forskjellig Si innhold og med en tykkelse på 6 mm ved en veksthastighet på 40 - 60 cm/min. Denne ble deretter koldvalset til et 1 mm tykt ark. Arket ble deretter delvis varmebehandlet ved 300°C eller 350°C i to timer. Flytegrensen ble deretter avsatt grafisk mot det prosentvise innhold av Si, slik som vist i den vedlagte fig. 1, hvorfra det kan sees at det var en prog-ressiv økning i flytegrensen når Si innholdet øket i området 6 % Si til 11,5 % Si.

Claims (1)

1. Råemne i form av en støpt plate egnet for fremstilling av dispersjonsforsterkede aluminium-legeringsprodukter, ved en etterfølgende tykkelsesreduksjon og varmebehandling, og'med følgende sammensetning i vekt-%: Si 4 - 15 %, fortrinnsvis under 12 % Cu 0 - 2 % Mg 0 - 2 % Zn 0 - 2 % Fe 0 - 2 % Mn 0 - 2 % og at Fe + Mn er<3 %. eventuelt andre elementer hver opp til 0,5 % og totalt opp til 1 %

   Al ad 100 %, og mer foretrukket bestående av: Si 7 - 10 % Cu 0 - 1,0 % Mg 0 - 1, 0 % Mn 0 - 1,0 % eventuelt andre elementer hver opp til 0,3 % og totalt opp til 1 %

   Al ad 100 %, og fortrinnsvis har følgende sammensetning: Si 7 - 10 % Cu 0,2 - 1 % eventuelt andre elementer maksimalt 0,5 % Al ad 100 %,karakterisert ved at Si, samt eventuelt intermetalliske faser i det vesentlige er tilstede i form av langstrakte staver med en tykkelse i området 0,05 - 0,5 um, og i det vesentlige er fri for grove, primære partikler og at platen er kontinuerlig støpt og har en tykkelse som ikke overstiger 25 mm.