NO145103B - Fremgangsmaate ved fremstilling av en aluminium-silicium-legering i form av et ark - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte av den art som er angitt i krav 1' ingress. De mekaniske egenskapene til et dispersjonsforsterket legeringsprcdukt er betinget av en fin dispersjon av mikroskopiske, uoppløselige partikler og/eller av dislokeringsstrukturen eller kornstrukturen som følger av tilstedeværelsen av disse partikler.

I norsk patent nummer 143166 er beskrevet fremstilling av dispersjonsforsterkede aluminiumslegeringer ved be-arbeidelse av en støpt aluminiumsmasse, i hvilken er tilstede sprø, stavlignende intermetalliske faser, vanligvis ternære intermetalliske faser, slik at de stavlignende faser brytes opp og danner separate partikler som er disper-gert gjennom hele massen. Det ble funnet at når partikkel-størrelsen for de intermetalliske partikler hadde en diameter i området 0,1 - 2 um og utgjør 5,0 - 20 volumprosent av aluminiumslegeringen, vil den bearbeidede legering ut-vise 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%. Pro-duktets mekaniske egenskaper påvirkes uheldig som følge av tilstedeværelse av grove intermetalliske partikler av en størrelse som overstiger 3 um i diameter.

Den mest egnede metode for fremstilling av stavlignende, intermetalliske faser i en aluminiumsmasse er å støpe en temaer eutektisk legering, i hvilken er innarbeidet legerende elementer som danner intermetalliske faser med alu-miniumet når dette størkner, idet det anvendes støpebetingel-ser for å gi såkalt "koplet vekst". Dette fenomen er vel-kjent og er også forklart i en artikkel 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 ønskede struktur av nærliggende staver av den intermetalliske fase ved å støpe barrene ved en konvensjonell direkte avkjølt, kontinuerlig

fremgangsmåte.

Det ble funnet at med ternære, eutektlske legeringssystemer, for hvilke den beskrevne fremgangsmåte i første rekke er anvendbar, kunne den ønskede struktur av intermetalliske faser i form av nærliggende staver med passende størrelse erholdes hvis veksthastigheten (avsetningshastigheten av fast metall i en retning som er perpendikulær på størknings-fronten) oversteg 1 cm/min.. Det var også nødvendig å sikre at det eksisterte en egnet temperaturgradient i det flytende metall for i størst mulig utstrekning å unngå dannelse av grove, primære intermetalliske partikler i områdene foran størkningsfronten.

Fremgangsmåten i henhold til norsk patent nr. 143166 er funnet meget tilfredsstillende for fremstilling av alumi-niumlegeringsark som utviser en god kombinasjon av flytegrense og formbarhetsegenskaper.

Alurainium-siliciumlegeringer med et siliciuminnhold på

5 - 12% har vært kjent i mange år. I slike legeringer danner ikke silicium en intermetallisk fase når støpingen ut-føres ved en kontinuerlig, direkte avkjølt støpeprosess under de betingelser som anvendes ved fremstilling av barrer av vesentlig tykkelse, eksempelvis 10 - 30 cm; det er imidlertid funnet at siliciumfasen størkner i form av relativt grove bladlignende bånd med en tykkelse i området 2-5 um og med en vesentlig større bredde.

Al-Si aluminiumsark har blitt valset fra et slikt barre-materiale.

Det legerte ark erholdt i tilstanden etter valsing har tilfredsstillende styrke, men er for sprøtt til å tillate at det formes. Hvis det koldvalsede ark varmebehandles ved en temperatur over 2 50°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 aluminiumlegeringer utviser Al-Si legeringer flere fordeler. Silicium er et billig legeringselement, og legeringene er billige å fremstille og utviser god korrosjonsmotstand, men deres relativt lave mekaniske styrke er uheldig.

Det er en hensikt med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en forbedret metode for fremstilling av disse legeringer for å utnytte deres fordelaktige egenskaper, og det er en ytterligere hensikt ved oppfinnelsen å tilveiebringe en fremgangsmåte for fremstilling av disse legeringer til å gi ark som har aksepterbar formbarhet kombinert med bedre strekkegenskaper enn de som finnes i legeringer som underkastes valsing og varmebehandling, som ovenfor beskrevet. Det er nå funnet at det er mulig å oppnå Al-Si 4 - 15% le-geringsprodukter i form av et ark med forbedrede mekaniske egenskaper ved støping av legeringen ved fremgangsmåten som er særpreget ved det som er angitt i krav l's karakteriser-ende del, nemlig at legeringen støpes kontinuerlig i form av en tynn plate med en veksthastighet for størkningsfronten som overstiger 2 5 cm/min. for å bringe siliciumet til å størkne i form av langstrakte staver med en størrelse i området 0,05 - 0,5 pm, derpå underkastes den støpte plate en tykkelsesreduksjon på minst 60% hvorpå de langstrakte siliciumstaver brytes opp til finfordelte separate partikler, og hvor platen underkastes i det minste en avsluttende 10%'s tykkelsesreduksjon ved koldvalsing for dannelse av den endelige arkform, eventuelt underkastes platen en varmebehandling før koldvalsing og det koldvalsede ark underkastes en varmebehandling ved en temperatur i området 25.0 - 400°C.

Den fine siliciumpartikkelstørrelsen gir en viss forbedring i flytegrensen for det erholdte koldvalsede ark, men denne forbedring er av liten praktisk betydning. Imidlertid, oppnås en meget markant forbedring i arkets flytegrense etter varmebehandling ved en temperatur i området 250 - 400°C, samtidig med at arkets formbarhet forbedres til et nivå slik at arket kan anvendes for dyptrekning eller operasjoner som innebærer alvorlige strekkpåkjenninger. Egnetheten for dette formål indikeres ved en bruddforlengelse større enn 15%, fortrinnsvis ca. 20%.

Det er antatt at den vesentlige gunstige effekt av de fine siliciumpartikler med hensyn til å bibringe denne kombinasjon av tilstrekkelig formbarhet og forbedret flytegrense 1 den partielt varmebhandlede tilstand er at de bibeholder en fin, jevn korn- eller sub-korn-størrelse under den avsluttende varmebehandling. For å oppnå optimale resultater er partikkelstørrelsen av viktighet, og fordelingen av partiklene i legeringen bør være så jevn som mulig. Hvis partiklene er grove eller ujevnt fordelt, vil kornene bli for store. På den annen side, hvis partiklene er for små

(mindre enn 0,05 um), vil de ikke bevirke en fastlåsing av kornene. Korngrensene vil overgå'partikkelstørrelsen, og materialet vil ha god formbarhet, men med en lav flytegrense.

Tilstedeværelsen av 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 nedsatt formbarhet, og dannelse av slike partikler bør unngås i størst mulig grad. Fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse anvendes fortrinnsvis på Al-Si legeringer inneholdende 5 - 12% Si, men mange av fordelene ved oppfinnelsen oppnås med hypereutektiske legeringer som inneholder opp til 15% Si. Under 5% Si er volumandelen av de dispergerte partikler for liten til å utvikle de ønskede styrkeegenskaper kombinert med god formbarhet.

Utviklingen av den ønskede struktur i det støpte materialet kan kun erholdes ved en kontinuerlig støping av legeringen under betingelser som fører til en veksthastighet på minst 25 cm/min., og mer foretrukket 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 pm. Det er følgelig antatt at veksthastigheten under støpingen ikke bør overstige 250 cm/min.. Det er i alle tilfelle meget vanskelig å oppnå så høy veksthastighet under noen kommersielt anvendbar, kontinuerlig støpeopera-sjon. Støpematerialet støpes normalt som en kontinuerlig plate med en tykkelse på ca. 6 mm. Den maksimale platetyk-kelse 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 volumfraksjonen 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 tilstede i en mak-simal mengde på 1% (maksimalt 0,5 % av hvert element). Det er imidlertid foretrukket at totalmengden av andre elementer bør holdes under 0,15 %. Når Fe kun er tilstede som vanlige urenheter i aluminium av kommersiell renhet, bør totalmengdene av urenhetene, innbefattende Fe, fortrinnsvis holdes under 0,5 %, idet alle legerende elementer bortsett fra Cu, Mg og Mn betraktes som urenheter.

En ikke-kontinuerlig støpemetode, såsom støping i en perma-nent form, gir ikke den ønskede struktur, heller ikke kan den erholdes ved fremgangsmåter som krever omdannelse av flytende metall til enkelte smådråper, såsom ved den så-kalte "splat" støping.

For å oppnå maksimale egenskaper må den anvendte støpeme-tode resultere i den angitte høye veksthastighet i det vesentlige gjennom hele tykkelsen av det støpte materialet. Ved fremgangsmåter for støping av en tynn aluminiumplate under anvendelse av vannstøping (D.C.) eller et metall-kjølesystem, vil forplantningshastigheten av størkningsfran-ten (veksthastigehten) være tilnærmet støpehastigheten. For en tykk barre eller støpeform med lav varmeoverførings-hastighet, vil veksthastigheten være meget mindre enn støpehastigheten. Veksthastigheten er en viktig parame-ter, da økende veksthastighet øker antallet av Si-staver (med tilsvarende nedsatt diameter).

For kommersiell støping kan kravet til høy veksthastighet lettest erholdes ved anvendelse av dobbeltvalsestøpeanord-ninger, såsom den kontinuerlige platestøper fremstilt av Hunter Engineering Company, Riverside, California, USA, hvor det smeltede metall størkner i et nipp mellom et par kraf-tige avkjølte valser som trekker det smeltede metall opp-over og ut av et isolert injektormunnstykke som er anord-net nær valsene. Typisk for støpeutstyr av denne type er

at det støpte materialet erholdes i form av en plate med en tykkelse i området 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 størknet når det passerer senterlin-jen for støpevalsene, og det utsettes for kraftig sammen-pressing når metallet føres gjennom gapet mellom valsene, med den følge at metallets overflate er i utmerket varme-vekslekontakt med støpevalsene.

Det er funnet at ved anvendelse av dette utstyr kan Al-Si legeringer med et siliciuminnhold i området 5 - 12% støpes i form av en tynn plate, i hvilket i det vesentlige alt av siliciumet finnes i form av fine staver. Med et siliciuminnhold i området 12 - 15% kan det også være et innhold av primære siliciumpartikler. Denne tynne, støpte plate underkastes koldvalsing for å gi minst en 60%'s reduksjon av tykkelsen, og fortrinnsvis anvendes en ytterligere større reduksjon av tykkelsen. Dette fører til oppbryting av siliciumstavene til å gi fine siliciumpartikler som er meget jevnt fordelt gjennom hele materialet.

Sammenlignet med et Al-Si legeringsark av samme sammensetning, men fremstilt ved varmvalsing av barrer av konvensjonell størrelse, eksempelvis med en tykkelse på 15 cm og fremstilt ved en konvensjonell direkte avkjølt kontinuerlig støpemetode ved en støpehastighet på 15 cm/min. ( og en tilsvarende veksthastighet i størrelsesorden 6-8 cm/min.), utviser et Al-Si legeringsark fremstilt ved fremgangsmåten i henhold til foreliggende oppfinnelse vesentlige forøkede mekaniske egenskaper. En ønskelig kombinasjon av flytegrense og formbarhet erholdes når det koldbearbeidede ark underkastes en varmebehandling, såsom oppvarming til 300°C

i to timer. Det er antatt at den vesentlige gunstige effekt av siliciumpartiklene, i det størrelsesområdet som erholdes ved nedbryting av siliciumstavene, er at de bibeholder eller stabiliserer en fin, jevn kornstørrelse eller sub-kornstørrelse.

Ved utførelse av fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen er det foretrukket at siliciuminnholdet i legeringen bør være noe under den eutektiske sammensetning, i den hensikt å utvide størkingsområdet. 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 andeler, eksempelvis opp til 2% av Cu og/eller Mg (en total mengde som ikke overstiger 3%). Det er vanligvis foretrukket å tilsette (hvis det gjøres) 0,2 - 1% Cu eller Mg. I tillegg til å forbedre de mekaniske egenskaper av

det legerte ark, vil også anisotropien mellom arkets lengderetning og tverretning nedsettes. Fordelene ved foreliggende fremgangsmåte nedsettes på ingen måte ved å innarbeide små mengder Fe og/eller Mn, som ovenfor påpekt. Disse elementer vil størkne som en ternær intermetallisk fase med Al og Si. Imidlertid bør mengden av ytterligere tilsatte legerende elementer ikke heves til et slikt nivå at volumandelen av presipitert Si og ternære intermetalliske over-flater overstiger 20%, da dette fører til nedsatt seighet og bearbeidbarhet.

I det følgende eksempel sammenlignes strukturene for en Al-legering inneholdende 9,5 % Si erholdt ved konvensjonell vannstøping av en barre og en tynn plate vannstøpt med høy veksthastighet overstigende 40 cm/min..

Det følgende eksempel sammenligner styrke- og forlengelses-egenskapene for et koldvalset ark fremstilt fra en tovalse-støpeplate og en tynn vannstøpt plate med de høye veksthastigheter ifølge eksempel 1, sammenlignet med koldvalset ark fremstilt fra en D.C. barre støpt ved konvensjonelle veksthastigheter i størrelsesorden 6-8 cm/min..

Den tynne plate ble vannstøpt ved en fremgangsmåte tilsvarende standard D.C. støping, bortsett fra at det ble støpt en meget tynn barre. Formen var en vannavkjølt kobber-form, 19 mm lang, og det ble påført vannfilm med høy hastighet (150 cm/s) på den utgående barre. Barrestøpehastig-heten var av størrelsesorden 75 - 120 cm/min.. Denne høye støpehastighet kombinert med det store varmetapet fra den tynne platen ga meget høye veksthastigheter i den sentrale del av barren.

Bemerk: (1) Strekkfasthet og flytegrense er middeltall for bestemmelser utført i arkets lengderetning og tverretning for standard prøvestykker, inn-spenningslengden var 5 cm. (2) 6 mm tykk plate ble varmebehandlet i en time ved den angitte temperatur før 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..som deretter ble 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 progressdv økning i flytegrensen når Si innholdet øket i området 6% Si til 11,5 % Si.

Den støpte platen inneholdende en stavlignende siliciumfase kan opprulles og transporteres før valsing og etterfølgende varmebehandling på et annet sted.

Eksempel 4

En aluminiumlegering med sammensetning 9,4 % Si, 0,17 % Fe, 0,03 % Ti og Al ad 100% (urenheter utgjorde hver mindre enn 0,01 %), ble støpt i en "Hunter Engineering Twin Roll Caster" med en hastighet på 70 cm/min., en tykkelse på 7,4 mm og med en bredde på 84 cm. Den smeltede legering ble tilført maskinens innløpskasse ved en temperatur på 610°C. Den støpte plate ble underkastet en varmebehandling eller homo-geniseringsbehandling ved en temperatur i området 250 - 400°C i minst 30 min., før den ble koldvalset, for å utskille silicium fra den faste oppløsning. Varmebehandlingen av platen nedsetter tendensen til sprekking, som ellers kan finne sted under koldvalseoperasjonen. I virkeligheten er det meget vanskelig å koldvalse platen uten at den først er underkastet en slik varmebehandling.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av en aluminium-siliciumlegering i form av et ark, hvor legeringen har den følgende sammensetning: Si 4 - 15 vekt-% Cu 0 - 2 vekt-% Mg 0 - 2 vekt-% Zn 0 - 2 vekt-% Fe O - 2 vekt-% Mn 0 - 2 vekt-% Fe + Mn ikke overstigende 3 vekt-% Andre bestanddeler hver opp til 0,5 vekt-% og maksimum 1 vekt-% Al ad 100 vekt-% og mere foretrukket har den følgende sammensetning: Si 7 - 10 vekt-% Cu 0 - 1,0 vekt-% Mg 0 - 1,0 vekt-% Mn 0 - 1,0 vekt-% Andre bestanddeler hver opp til 0,3 vekt-% og maksimum 1 vekt-% Al ad 100 vekt-% og mest foretrukket har den følgende sammenstning: Si 7 - 10 vekt-% Cu 0,2 - 1 vekt-% Andre bestanddeler maksimum 0,5 vekt-% Al ad 100 vekt-% karakterisert ved at legeringen støpes kontinuerlig i form av en tynn plate med en veksthastighet for størkningsfronten som overstiger 25 cm/min. for å bringe siliciumet til å størkne i form av langstrakte staver med en størrelse i området 0,05 - 0,5 pm, derpå underkastes den støpte plate en tykkelsesreduksjon på minst 60% hvorpå de langstrakte siliciumstaver brytes opp til finfordelte separate partikler, og hvor platen underkastes i det minste en avsluttende 10%'s tykkelsesreduksjon ved koldvalsing for dannelse av den endelige arkform, eventuelt underkastes platen en varmebehandling før koldvalsing og det koldvalsede ark underkastes en varmebehandling ved en temperatur i området 250 - 400°C.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at legeringen støpes med en veksthastighet på 40 - 85 cm/min. for størkningsfronten.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at det koldvalsede ark varmebehandles ved en temperatur i området 300 - 350°C.

4. Fremgangsmåte ifølge kravene 1-3, karakterisert ved at før koldvalsing underkastes platen en varmebehandling ved 250 - 400°C.