NO173746B - Aluminiumlegering samt stoeping av legeringen ved hjelp aven tvillingstoeper - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører aluminiumlegeringer av den art som er angitt i krav l's ingress, som bibeholder høy styrke etter lang eksponering mot forhøyede temperaturer, samt støping av slike legeringer ved båndstøpeteknikker, eksempelvis tvillingvalsestøping, som angitt i kravene 4-7.

Det har vært en betydelig interesse i de senere år for termisk stabile aluminiumlegeringer, dvs. legeringer som ikke mykner etter lang eksponering mot forhøyete temperaturer til 350°C. For å tilfredsstille dette behov har et antall termisk stabile aluminiumlegeringer blitt utviklet. Generelt fremstilles termisk stabile aluminiumlegeringer ved tilsetningen av overgangselementer som har en lav diffu-sjonskoeffisient og lav faststoffoppløselighet i aluminium. På grunn av den lave oppløselighet så innbefatter legerings-utvikling en iboende vanskelighet. Legeringene må størkne fra en eksepsjonell høy smeltetemperatur og kjølehastigheten under størkningen må være tilstrekkelig høy til å undertrykke dannelsen av primære intermetalliske partikler. De primære intermetalliske partikler er ansvarlige for dårlige mekaniske egenskaper og et nedsatt innhold av oppløste bestanddeler i aluminiummatriksen.

Disse legeringer er blitt utviklet under anvendelse av hovedsakelig én av to fremstillingsruter: (i) en direkte barrestøpingsrute eller (ii) pulvermetallurgirute.

Ved den direkte barrestøperute blir den smeltede legering helt direkte i en form. På grunn av at legeringselementene anvendt for dette formål har en lav oppløselighet i aluminium og at kjølehastigheten er relativt lav, er legeringstilsetningene lave. Derfor, selv om en betydelig termisk stabilitet ble oppnådd, så er den erholdte styrke ved denne prosess relativt lav. Flytegrensen for disse legeringer er typisk mindre enn 1760 kp/cm<2>. En typisk legering av den ovenfor nevnte type er beskrevet i kanadisk patent nr. 876.652 og består hovedsakelig av 0,1 - 0,35 vekt% krom, 0,2 - 0,7 vekt% zirkonium, 0,3 - 1,5 vekt% mangan og balansen hovedsakelig aluminium.

Pulvermetallurgiruten innbefatter produksjonen av raskt størknete legeringspulvere eller flak, vakuumavgassing, konsolidering og ekstrudering. De høye kjølehastigheter (høyere enn 10000°C/s) ved pulveratomiseringsprosess, bråkjøling og smeltespinning gjør det mulig å utstrekke legeringsoppløselighetsgrensene langt forbi de grenser som diktert av likevektsfasediagrammet. En typisk legering av denne type kan inneholde 6-15 vekt% jern, 1-10 vekt% krom, 1-10 zirkonium, 1-10 vekt% cerium, 1,5 - 10 vekt% vanadin, 1-2 vekt% magnan og balansen hovedsakelig aluminium. Legeringer av denne generelle type er beskrevet i EPA publikasjon nr. 136.508. Styrken for disse legeringer er meget høye (flytegrense >4200 kp/cm<2>), imidlertid er prosessen meget komplisert og kostbar.

Aluminiumlegeringer inneholdende mangan, krom og zirkonium er beskrevet i UK-patent nr. 1.338.974. Imidlertid er disse legeringer "konstruert" slik at de har en relativt lav elektrisk ledningsevne, høy korrosjonsresistens og god smelteflytbarhet. De er ikke termisk stabile aluminiumlegeringer som er i stand til å la seg støpe ved båndstøpe-teknikker, slik som tvillingvalsestøping.

Det er en hensikt ved foreliggende oppfinnelse å fremstille aluminiumlegeringer som bibeholder høy styrke etter lang eksponering ved forhøyet temperatur og som kan støpes ved båndstøpeteknikker.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer en ny familie av termisk stabile aluminiumbaserte legeringer av middels og høy styrke, bestående av 0,4 - 1,2 vekt% krom, 0,3 - 0,8 vekt% zirkonium, 1,5 - 2,5 vekt% mangan, 0,01 - 2,0 vekt% magnesium, resten hovedsakelig aluminium, som angitt i krav l's karakteriserende del. Ytterligere trekk fremgår av kravene 2 og 3.

Fortrinnsvis inneholder legeringen noe magnesium, f.eks. minst 0,01 vekt%, og en foretrukken legering i henhold til oppfinnelsen består hovedsakelig av 0,5 - 1,2 vekt% krom, 0,4 - 0,8 vekt% zirkonium, 1,7 - 2,1 vekt% magnan, 0,5 - 1,0 vekt% magnesium og balansen i det vesentlige aluminium.

Den ovenfor nevnte legering utviser den spesielle fordel at den kan støpes i en kontinuerlig båndstøper, slik som en tvillingvalsetypestøper. I en tvillingvalsestøper størkner det smeltede metall i nippet mellom et par kraftig avkjølte stålvalser, som trekker det smeltede metall ut fra et isolert injektormunnstykke nær valsene, og hvor det støpte materiale har form av et bånd eller plate med en tykkelse i området opp til 25 mm og som støpes med en typisk støpe-hastighet på 60 - 200 cm/min.. Metallet er hovedsakelig fullt ut størknet når det passerer senterlinjen mellom støpevalsene. Det utsettes for kraftig kompresjon og en viss plastisk deformasjon når det passerer gapet mellom valsene, med den følge at overflatene er i utmerket varmevekslerkon-takt med støpevalsene, som intensivt avkjøles med vann.

Når de termisk stabile legeringer ifølge oppfinnelsen skal støpes med en liten tykkelse (mindre enn 15 mm) på en valsestøper, så er selve kjølehastigheten ikke noe problem. Kjølehastigheten på en valsestøper i dette området er 500-3000°C/s, og dette er tilstrekkelig høyt til å undertrykke kjernedannelse av intermetalliske artikler. Problemet oppstår hovedsakelig utfra det faktum at valsestøpere kan opereres kun ved hastigheter mellom to kritiske støpe-hastigheter, omtalt som "nedre kritiske hastighet" og "øvre kritiske hastighet". Den nedre kritiske hastighet er en hastighet under hvilken støping er umulig på grunn av at langsgående varmestrøm forårsaker at metallet fryser i støpenippet. Den øvre kritiske hastighet er den hastighet over hvilken varmeoverføringsmekanismen i valsenippet bryter ned, og følgelig vil ikke legeringssmelten fullt ut størkne.

I prinsipp vil både den nedre og øvre kritiske hastighet variere avhengig av smeltens temperatur, båndets tykkelse og legeringenssammensetning. Imidlertid er den nedre hastighet relativt ufølsom for en forandring i støpevariablene, og dens verdi for dagens legeringer er ca. 30 cm/min. Den øvre hastighet varierer meget følsomt, avhengig av verdiene for smeltetemperaturen, båndtykkelsen og legeringenssammensetning. Legeringenes smeltetemperatur som er nødvendig for å undertrykke primærdannelse er 820°C eller høyere og fortrinnsvis minst 850°C. Hvis denne høytemperatursmelte skal støpes i en typisk valsestøpetykkelse på 6 mm, så faller den øvre kritiske hastighet ned til 25 cm/min eller mindre, og legeringen kan ikke støpes. På grunn av de ovenfor nevnte krav har det ikke tidligere vært mulig på tilfredsstillende måte å fremstille termisk stabile aluminimlegeringer ved tvillingvalsestøpere.

For å erholde god termisk stabilitet i henhold til foreliggende oppfinnelse må legeringen støpes ved en temperatur høyere enn likevektslikvidustemperaturen. En støpetemperatur på minst 820"C er nødvendig, mens en temperatur på minst 850 °C er foretrukket. Støpehastigheten er fortrinnsvis minst 3 0 cm/min, og det støpte materiale har fortrinnsvis en tykkelse på ikke mere enn 4 mm.

Det er funnet at når den støpte legeringsstrimmel varmebehandles ved en temperatur i området 360-400°C i 2 - 60 timer og kaldvalses ved 50 - 75 % oppnås en god kombinasjon av mekaniske egenskaper.

Typiske egenskapsområder er:

Konvensjonell flytegrense: 2100 - 3850 kp/cm<2>

Endelig flytegrense: 2450 - 4200 kp/cm<2>

Forlengelse 2 - 10 %.

De ovenfor viste egenskaper har vist en retensjon på mer enn 80 % etter 2 timers eksponering ved forhøyede temperaturer på opp til 350°C.

Med legeringene i henhold til oppfinnelsen er det funnet at når det støpte materiale hadde tykkelser vesentlig større enn 4 mm, er det ikke mulig å produsere et støpt materiale som er fritt for primære intermetalliske partikler på grunn av at den øvre kritiske hastighet er for lav. Spesielt gode resultater erholdes med en tykkelse på ca. 3 mm og med en støpehastighet på minst 38 cm/min.

Det er naturligvis kjent at magnesium kan anvendes for å tilveiebringe styrkeforøkning i aluminiumlegeringer og er blitt anvendt ved tvillingvalsestøping. Imidlertid vil konvensjonelle magnesiuminneholdende legeringer lett mykne ved temperaturer over 200°C på grunn av den høye diffusering og er vanskelige å støpe på en tvillingvalsestøper. Det er overraskende blitt funnet at i henhold til foreliggende oppfinnelse, når magnesium anvendes i kombinasjon med krom, zirkonium og mangan, så kan det erholdes en kombinasjon av høy styrke og god termisk stabilitet selv om materialet fremstilles ved hjelp av en tvillingvalsestøper.

I de vedlagte tegninger viser:

Fig. 1 grafisk fremstilling av de mekaniske egenskaper mot varmebehandlingstemperaturen for én legering ifølge oppfinnelsen,

fig. 2 viser grafisk mekaniske egenskaper mot varmebehandlingstemperaturen for en andre legering ifølge oppfinnelsen, fig. 3 viser grafisk mekaniske egenskaper mot varmebehandlingstemperaturen for en tredje legering ifølge oppfinnelsen,

fig. 4 viser mekaniske egenskaper mot varmebehandlingstemperaturen for en fjerde legering ifølge oppfinnelsen, og fig. 5 viser flytegrenser mot varmebehandlingstempeaturer for en kjent legering og en legering ifølge oppfinnelsen.

De etterfølgende eksempler belyser oppfinnelsen nærmere.

EKSEMPEL 1

To legeringer med sammensetninger vist i den etterfølgende tabell 1 ble undersøkt.

De ovenfor viste legeringer ble smeltet i en gassfyrt grafittdigel. Det smeltede metall ble flukset med 90 % Al + 10 % Cl2 gassblanding og støpt på en 305 mm diameter tvil-lingvalsestøper. Støpetemperaturen var 860"C og båndtykkelsen var 3,2 mm. Båndet ble varmebehandlet ved 375°C i 48 timer og deretter kaldvalset til 0,8 mm (75 % tykkelses-reduksjon). Prøver av de valsete bånd ble varmebehandlet ved forskjellige temperaturer i 2 timer og deres mekaniske egenskaper ble bestemt. En grafisk fremstilling av strekkfastheten, konvensjonell flytegrense og forlengelse mot varmebehandlingstemperatur er vist i figurene 1 og 2 for henholdsvis legeringene 1 og 2. Disse viser at strekkfastheten var høyere enn 3850 kp/cm<2>, konvensjonell flytegrense høyere enn 3500 kp/cm<2> og forlengelsen større enn 2%. Legeringen ble ikke vesentlig mykere ved temperaturer opp til 350°C.

EKSEMPEL 2

To ytterligere legeringer med sammensetningen vist i den etterfølgende tabell 2 ble undersøkt:

De ovenfor viste legeringer ble støpt på samme måte som legeringene ifølge eksempel 1 og resultatene er vist i figurene 3 og 4 for henholdsvis legeringene 3 og 4. Disse viser at strekkfastheten var høyere enn 2800 kp/cm<2>, den konvensjonelle flytegrense høyere enn 2450 kp/cm<2>, og at forlengelsen var større en 5%. Legeringene ble ikke vesentlig mykere ved temperaturer opp til 400"C.

En sammenligning mellom legeringsmykningskurver (flytegrenser) for en legering ifølge foreliggende oppfinnelse og en kjent Al-3,0 % Mg legering er vist i figur 5. Denne viser klart at foreliggende legering utviser god termisk stabilitet, mens Al-Mg legeringen mykner fullstendig ved temperaturer over 300°C.

Claims (7)

1. Aluminiumbasert legering med følgende egenskaper: Konvensjonell flytegrense: 2100 - 3850 kp/cm<2>, Strekkfasthet: 2450 - 4200 kp/cm<2>, Forlengelse 2 - 10%,karakterisert ved at den i det vesentlige består av 0,4 - 1,2 vekt% krom, 0,3 - 0,8 vekt% zirkonium, 1,5 - 2,5 vekt% mangan, 0,01 - 2,0 vekt% magnesium, balansen hovedsakelig aluminium.

2. Legering ifølge krav 1, karakterisert ved at den i hovedsak består av 0,5 - 1,2 vekt% krom, 0,4 - 0,8 vekt% zirkonium, 1,7 - 2,1 vekt% mangan, 0,5 - 1,0 vekt% magnesium og balansen hovedsakelig aluminium.

3. Legering ifølge kravene 1 eller 2, karakterisert ved at den foreligger i form av et støpt bånd, fortrinnsvis med en tykkelse ikke over 4 mm, og som eventuelt er varmebehandlet ved en temperatur i området 360-400°C og kaldvalset til 50-75%.

4. Fremgangsmåte ved støping av en termisk stabil aluminiumlegering ved hjelp av en tvillingstøper i hvilken smeltet metall størkner i nippet mellom et par avkjølte valser som trekker smeltet metall ut av et munnstykke tilstøtende valsene, karakterisert ved at det anvendes en legering hovedsakelig bestående av 0,4 - 1,2 vekt% krom, 0,3 - 0,8 vekt% zirkonium, 1,5 - 2,5 vekt% mangan, 0,01 - 2,0 vekt% magnesium, balansen hovedsakelig aluminium.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at det anvendes en legering hovedsakelig bestående av følgende:

0,5 - 1,2 vekt% krom, 0,4 - 0,8 vekt% zirkonium, 1,7 - 2,1 vekt% mangan, 0,5 - 1,0 vekt% magnesium og balansen hovedsakelig aluminium.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 4 eller 5, karakterisert ved at båndet støpes i en tykkelse som ikke er mer enn 4 mm, idet det smeltede metall har en temperatur overstigende 820°C, og støpehastigheten er støre enn 30 cm/min.

7. Fremgangsmåte ifølge kravene 4-6, karakterisert ved at det støpte bånd varmebehandles ved en temperatur i området 3 60-400°C i 2-60 timer og deretter kaldvalses til 50 - 75%.