NO312597B1 - En metode for tildannelse av formede produkter av en aluminiumslegering samt anvendelse av samme - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelsen dreier seg om en metode for å forarbeide bolt/ingot til ekstrudering (heretter omtalt som bolt)av en aluminiumlegering som inneholder legeringselementer som Mg og Si til ferdige eller halvfabrikkerte produkter som profiler eller arbeidsstykker. Metoden innebærer varmebehandling av en ingot eller en bolt før ekstruderingsprosessen startes, samt en etterfølgende varmebehandling og mekanisk behandling av det ekstruderte arbeidsstykket. Målet med varmebehandlingen før ekstruderingen er å øke ekstruderingshastigheten, mens den etterfølgende behandlingen av det ekstruderte arbeidsstykket som innebærer varmebehandling og nødvendige formingsprosesser gir et produkt som opprettholder gode mekaniske egenskaper. Produktet kan brukes som et strukturelement i biler.

US 3,113,052 fremlegger en varmebehandling av en legering som vil opprettholde en betydelig utfelling av Mg og Si til grove Mg2Si-partikler. Behandlingen innebærer en lav nedkjølingshastighet etter homogeniseringen sammen med isoterm behandling ved en temperatur på mellom 370 og 400 <e>C. Etter ekstruderingen blir legeringen varmebehandlet ved mellom 482 og 496 <9>C for å løse opp noe av utfellingene igjen. Gjenoppløsningen gjøres ved denne lave temperaturen for å unngå kornvekst under behandlingen. Det hevdes at den nevnte varmebehandlingsprosessen vil gi en uniform kornstruktur i profilen etter gjenoppløsningen og dermed jevnere mekaniske egenskaper langsmed profilen. Den fremlagte legeringen skal inneholde 0,43 - 1,40 % Mg og 0,24 - 0,80 % Si. I tillegg skal legeringen inneholde minst ett av de følgende grunnstoffene: B, Ti, Cr, Mn, Mo, W og Zr i mengder på 0,01 - 0,30 %, men ikke over 0,75 % totalt. Legeringen kan inneholde 0,05 - 0,50 % Cu. Homogeniseringstrinnet utføres ved 427 - 566 <e>C i 3 - 20 timer, etterfulgt av langsom avkjøling som vil redusere innholde av Mg og Si i fast løsning slik at de vil foreligge som grove Mg2Si-partikler i stedet. Støpeemnet blir så raskt varmet opp til 427 - 454 <e>C og ekstrudert. Det ekstruderte produktet blir så oppløsningsbehandlet ved 482 - 496 <9>C, bråkjølt i vann og deretter utherdet ved en temperatur på mellom 149 og 232 <Q>C i 1 - 24 timer. Hensikten med den ovennevnte varmebehandlingen blir sagt å være at man oppnår en uniform kornstruktur i profilen etter gjenoppløsningen.

Med den lave temperaturen som brukes under gjenoppløsningen (482-496 <S>C) vil man som angitt i patentet redusere sjansene for kornvekst under denne operasjonen til et minimum. Men med denne lave temperaturen blir ikke det fulle styrkepotensialet for legeringen utnyttet hvis legeringen er høylegert, som for en normal 6061-legering (0,6% Si, 0,9% Mg). Med en normal 6061-legering må temperaturen ved gjenoppløsningen være over 530 <9>C for å utnytte legeringens fulle styrkepotensial.

US 3,990,922 fremlegger en varmebehandling av en bolt, etter den normale homogeniseringsbehandlingen, ved en temperatur som ligger under solvustemperaturen for en aluminiumlegering, med det til hensikt å felle ut partikler for å redusere deformasjonsmotstanden. Effekten skyldes en reduksjon av Mg og Si i fast løsning på grunn av utfelling av grove Mg2Si-partikler. I prosessen blir bolten homogenisert ved 557-607 <9>C i 2 til 12 timer. Ytterligere varmebehandling av legeringen utføres ved en temperatur på 11 - 56 <e>C under solvustemperaturen til legeringen i 2 - 12 timer. Bolten blir så avkjølt med en hastighet på under 38 <Q>C i timen ned til 427 <9>C. Deretter blir den forvarmet til en temperatur på mellom 427 og 552 <9>C før ekstruderingen. Den ekstruderte profilen avkjøles og utherdes uten separat gjenoppløsning. Målet med denne metoden hevdes å være forbedring av bearbeidbarheten ved ekstrudering.

Det fremlagte eksempelet dreier seg om en legering 6061 av 1,0 % Mg og 0,7 % Si ekstrudert ved temperaturer på mellom 482 og 510 <9>C, noe som innebærer at mye av legeringsgrunnstoffene foreligger som ikke-herdende Mg2Si-partikler etter ekstruderingen. Fordi det ikke kjøres en separat gjenoppløsning i dette tilfellet blir ikke det fulle styrkepotensialet for legeringen utnyttet. Dette betyr at nesten de samme resultatene for ekstruderbarhet og styrke kan oppnås med en mer lavlegert sammensetning med bare en normal homogeniserings- og ekstruderingsprosess.

US 4,659,396 dreier seg om utfelling av Mg og Si i grove Mg2Si-partikler som er ment å skulle starte kimdanning av korn ved hjelp av den påfølgende ekstruderingsprosessen. Dette vil gi en jevnere og mer finkornet struktur i den ekstruderte profilen. Ellers vil kornstrukturen bli ujevn med noen deler hvor det ikke har skjedd noen rekrystallisering og andre deler hvor det er forholdsvis store korn. Ved nærvær av korn av jevn størrelse langsmed den ekstruderte profilen kan man oppnå bedre mekaniske egenskaper, spesielt med hensyn til etterfølgende formingsoperasjoner. I tillegg til varmebehandlingen for å felle grove Mg2Si-partikler beskriver patentet et maksimalt innhold av dispersoidedannende grunnstoffer på 0,15 %, fortrinnsvis under 0,10 %.

Legeringen er en AI-Mg-Si-type med MgaSi-partikler for å starte kimdanning med en høy antallstetthet av korn, hvor materialet deformeres under omstendigheter som gir rekrystallisering under deformeringstrinnet eller etter deformeringstrinnet ved fravær av en separat varmebehandling for å oppnå rekrystallisering. Innholdet av legeringselementer som Mn, Cr og Zr bør være tilstrekkelig til at det vil skje en rekrystallisering. Homogeniseringen utføres ved 527-582 9C i 0,5 til 10 timer. Støpeemnet varmebehandles ytterligere ved temperaturer på mellom 315 og 427 <e>C i 5 - 24 timer. Avkjølingshastigheten mellom homogeniseringstrinnet og den ekstra varmebehandlingen bør være 8 - 40 <9>C pr. time. Støpeemnet forvarmes til 343 - 482 <9>C før ekstruderingen. Etter ekstruderingen blir profilen oppløsningsbehandlet ved en temperatur på mellom 524 og 563 <9>C. Hovedmålet med oppfinnelsen er å oppnå en finkornet rekrystallisert mikrostruktur i materialet.

I eksemplene som beskrives i US Patent no. 4,659,396 nevnes ikke den positive virkningen av PSN-behandlingen (partikkelstimulert kimdanning) på ekstruderbarheten, trolig fordi de hovedsakelig fokuserer på kornstrukturen i det ekstruderte produktet (denne PSN-behandlingen kan også kalles mykgløding fordi en slik gløding ville gjøre deformasjonsmotstanden til bolten mye lavere enn med en standard homogenisering). Fordi potensialet for ekstruderingshastighet ikke utnyttes vil prosessen som beskrives i dette patentet være dyrere enn en standardprosess på grunn av den tidkrevende PSN-behandlingen før ekstruderingen. Hvis den ekstruderte profilen kan formes også etter en standard homogenisering vil en slik PSN-behandling av boltene være unødvendig og vil bli unngått på grunn av de økte kostnadene.

Dessuten beskriver ingen av de nevnte patentene hvordan man skal utnytte den positive effekten på mekaniske egenskaper av en kort lagringstid mellom gjenoppløsningen og utherdingen.

Referansen "H. Bichsel und A. Ried, Wårmebehandlung, Fachberichte zum symposium der Deutsche Gesellschaft fur Metallkunde in Bad Neuheim, 1973, s. 173-192" fremlegger et eksperimentelt arbeid som viser virkningen av lagringstid ved romtemperatur mellom gjenoppløsning og utherding for 6xxx-legeringer. På figur 7 i dette arbeidet vises styrken av kunstig utherdete materialer som fås etter 24 timers lagringstid ved romtemperatur minus styrken etter ingen lagringstid for forskjellige 6xxx-legeringer. Denne figuren viser en negativ virkning av en lang lagringstid ved romtemperatur for 6xxx-legeringer med Mg- og Si-innhold på over omtrent 0,5 % hver. Denne artikkelen tar ikke i betraktning hvordan disse legeringene skal ekstruderes og oppnå rimelig god ekstruderingshastighet for høyt legerte sammensetninger.

I bilindustrien er det økende etterspørsel etter metoder for å redusere vekten av bilene og dermed redusere brennstofforbruket. Dette kan for eksempel gjøres ved å bruke aluminiumløsninger med tynnveggede ekstruderte profiler. Men reduksjon av veggtykkelsen til de ekstruderte profilene vil samtidig kreve at man bruker aluminiumlegeringer som gir høyere styrkeverdier. Problemet med dette er at både de tynnere veggene i profilene og bruk av legeringer som gir høyere styrkeverdier vil redusere ekstruderingshastigheten for profilen.

Den foreliggende oppfinnelsen beskriver en prosesslinje med mykgløding av boltene, forvarming av bolten, ekstrudering og avkjøling av profilen, strekking og eventuelt forming, gjenoppløsningsbehandling av profilen, bråkjøling av profilen, eventuell nødvendig forming av profilen og utherding av profilen så snart som mulig etter gjenoppløsningen. Den beskrevne prosesslinjen er forbedret med hensyn til kjente løsninger på den måten at basert på metallurgisk viten om 6xxx-typen av legeringer optimaliserer den ekstruderingshastigheten, øker formbarheten av de ekstruderte seksjonene og maksimaliserer de mekaniske egenskapene til sluttproduktet. Ved å utføre en utherding for eksempel innen 10 minutter etter en gjenoppløsning kan styrken av høylegerte 6xxx-legeringer økes med 20-50 MPa i forhold til en lagringstid på 4 timer eller lengre ved romtemperatur før utherding.

Utfra H. Bischsel og A. Rieds arbeid kan man undres på hvorfor den positive virkningen av kort lagringstid på 6xxx-legeringer av høy styrke ikke har blitt utnyttet mer tidligere. Grunnen til derte er mest sannsynlig de ekstra kostnadene i forbindelse med å utføre gjenoppløsningsbehandlingen av profilene etter ekstruderingen, noe som er nødvendig for å kontrollere lagringstiden før utherdingen.

Det er bare US patent 3,990,922 som hentyder til den positive effekten av mykgløding på ekstruderingshastigheten, men i dette tilfellet er det ikke beskrevet noen separat gjenoppløsning. Prosessgangen som beskrives i denne referansen kan altså ikke dra nytte av den positive effekten av den korte lagringstiden mellom gjenoppløsning og utherding. De andre patentene som er beskrevet ovenfor beskriver ikke hvordan man skal utnytte fordelen med mykglødingsprosessen på ekstruderingshastigheten, og nevner ikke effekten av lagringstiden mellom gjenoppløsning og utherding.

Det er bare når disse to positive effektene kombineres på en oppfinnsom måte at man oppdager det virkelige økonomiske potensialet. Synergieffektene av den oppfinnsomme kombinasjonen av disse to prosessene er svært sterke. Med den foreliggende oppfinnelsen kombineres mykglødingprosessen som gir betydelig høyere ekstruderingshastigheter og som uansett krever gjenoppløsningsbehandling av de ekstruderte seksjonene, med en kort lagringstid mellom gjenoppløsning og utherding for å få ekstra styrke ut av materialet. Med denne kombinasjonen kan man tilfredsstille kravene til lavere vekt og høyere styrke for de ekstruderte profilene og likevel oppnå en forholdsvis høy produktivitet og dermed lav pris for produktene.

På grunn av mykglødingen vil mye av Mg- og Si-innholdet være ute av fast løsning og foreligge som store MgaSi-partikler etter ekstruderingen. Dermed må materialet oppløsningsbehandles for at man skal kunne utnytte styrkepotensialet i materialet. Både mykglødingen og gjenoppløsningen etterpå vil være prosesstrinn som øker kostnadene for å produsere ferdige deler av de ekstruderte profilene. De økte kostnadene for disse trinnene må man kompensere for på en eller annen måte. Eksemplene som er vist i den foreliggende oppfinnelsen viser at det er mulig å fordoble ekstruderingshastigheten ved hjelp av mykgløding. Dette vil mer enn kompensere for de ekstra kostnadene både ved mykglødingen og gjenoppløsningen.

Siden materialet i ekstrudert tilstand inneholder en mengde store Mg2Si-partikler er det bløtt og har god formbarhet. Derfor kan man med fordel utføre en slags preforming av arbeidsstykket eller profilen i denne tilstanden, før gjenoppløsningen.

En vanlig måte å produsere ferdige deler av ekstruderte seksjoner på i dag er å utføre ekstruderingsoperasjonen på normale homogeniserte støpeemner og sikre at det meste av Mg- og Si-innholdet foreligger i fast løsning etter ekstruderingen. De ekstruderte seksjonene vil så bli kappet i ønsket lengde og forming av profilene gjøres i ekstrudert tilstand. Et av problemene med dette er at den ekstruderte profilen utherder naturlig ved romtemperatur og flytespenningen for profilen høynes med lengre lagringstid ved romtemperatur. Siden ekstrudering av seksjonene normalt ikke foregår i linje med den påfølgende formeoperasjonen vil man få forskjellige lagringstider. For mer kompliserte produkter kan dette føre til problemer med å oppnå dimensjonstoleransene for de formede delene på grunn av forskjeller i uønsket formendring (springback) etter formingen. Med en separat gjenoppløsning i linje med den påfølgende formeoperasjonen i henhold til den foreliggende oppfinnelsen vil tiden mellom disse operasjonene være kort og konstant. Resultatet vil være mye mer konsistente mekaniske egenskaper i tillegg til at materialet blir smidigere før formeoperasjonen enn det blir etter lengre lagringstider ved romtemperatur. Dette vil være en ytterligere fordel med den foreslåtte prosesslinjen sammenliknet med en standardmetode for å produsere ferdige deler av ekstruderte profiler.

Dessuten vil det med gjenoppløsningen i linje med den påfølgende formeoperasjonen være mulig å gjøre utherdingsoperasjonen i linje og dermed utnytte den positive effekten av korte lagringstider ved romtemperatur på de mekaniske egenskapene for 6xxx-legeringer av høy styrke. Uten en separat gjenoppløsningsprosess vil det ikke være mulig å dra fordel av denne muligheten, og styrken av det ferdige produktet vil bli lavere.

Ved å utnytte og optimalisere alle prosesstrinnene sammen vil den foreliggende oppfinnelsen ha en fordel fremfor de tidligere løsningene i det at det ferdige produktet kan produseres med minimale utgifter, med bedre toleranser og med høyere og mer konsistente mekaniske egenskaper enn hva man oppnår med de prosessganger som er beskrevet i de tidligere kjente fremgangsmåtene som er diskutert ovenfor.

Disse og andre fordeler kan oppnås i henhold til den foreliggende oppfinnelse, slik den er definert i de vedføyde patentkrav 1-14.

Den foreliggende oppfinnelsen beskrives videre nedenfor med eksempler, figurer og tabeller hvor: Fig. 1 viser en skjematisk gjengivelse av prosesstrinnene i en realisering av

oppfinnelsen,

Fig. 2 viser en skjematisk temperatur-/tidskurve for homogeniseringen og

mykglødingprosessen,

Fig. 3 viser en skjematisk temperatur-/tidskurve for forvarmingen av bolten,

ekstruderingen og avkjølingen av den ekstruderte profilen,

Fig. 4 viser en skjematisk temperatur-/tidskurve for gjenoppløsningsbehandlingen og bråkjølingen av den ekstruderte profilen eller arbeidsstykket samt for formeoperasjonen og den avsluttende utherdingen,

Fig. 5 viser et bilde av mikrostrukturen i en mykglødet bolt av legering 6061,

Fig. 6 viser et bilde av mikrostrukturen i en mykglødet bolt av legering 6082,

Fig. 7 viser virkningen av lagringstiden mellom gjenoppløsning og utherding på

styrken av en 6082-legering,

Tabell 1 viser sammensetningen av en 6061-legering,

Tabell 2 viser resultater fra ekstruderte prøver med en 6061 -legering,

Tabell 3 viser varmebehandling av og mekaniske egenskaper for en 6061 -legering,

Tabell 4 viser sammensetningen av 6082-legeringen som brukes i eksempel 2,

Tabell 5 viser resultater fra ekstruderte prøver med 6082-legeringen i eksempel 2,

Tabell 6 viser varmebehandling av og mekaniske egenskaper for 6082-legeringen i

eksempel 2,

Tabell 7 viser sammensetningen av 6082-legeringen som brukes i eksempel 3.

På figur 1 blir bolten homogenisert i prosesstrinn 1 som for 6xxx-legeringer vanligvis utføres ved en temperatur på mellom 520 og 600 <2>C i 1-12 timer, se også fig. 2. Hensikten med denne behandlingen er å jevne ut fordelingen av legeringselementer som Mg og Si. I tillegg modifiserer homogeniseringen av 6xxx-legeringer de Fe-holdige partiklene både i fasong og sammensetning. For 6060/6063-typen av legeringer er det viktig å få de Fe-holdige partiklene som dannes under støping av bolten overført til alfa-typen som ser ut til å gi bedre overflatekvalitet for de ekstruderte profilene. Men hvis boltene mykglødes kan det være et alternativ å kutte ut den normale homogeniseringen.

I trinn 2 blir bolten utsatt for en mykgløding som har til hensikt å fjerne så mye Mg og Si som mulig fra fast løsning og binde grunnstoffene i form av forholdsvis grove Mg2Si-partikler. Dette gjøres for å redusere deformasjonsmotstanden så mye som mulig under den påfølgende ekstruderingsoperasjonen. For at man skal oppnå dette må Mg2Si-partiklene være store nok til å være forholdsvis stabile under forvarmingsoperasjonen før ekstruderingen. Den beste måten å oppnå en slik partikkelstruktur på vil være å kjøle ned bolten forholdsvis sakte (5-50 <e>C i timen) fra homogeniseringstemperaturen til en temperatur på mellom 300 og 450 <S>C, hvor det utføres en isoterm varmebehandling. Varigheten av denne isoterme varmebehandlingen vil normalt variere mellom 2 og 24 timer, se fig. 2. Avkjølingshastigheten fra denne temperaturen for den isoterme behandlingen ned til romtemperatur anses ikke for å være viktig, men den bør fortrinnsvis være under 200 <9>C i timen. Alle temperatur/tid-kombinasjoner som fører til den ønskede mikrostrukturen med forholdsvis grove Mg2Si-partikler i bolten vil gi omtrent det samme resultatet i den påfølgende ekstruderingsoperasjonen. Dette kan være en prosessgang som ikke inneholder en homogenisering før mykglødingen. For å redusere utgiftene bør mykglødingen gjøres optimal med hensyn til tiden.

Den optimale kjemiske sammensetningen for en bolt som utsettes for mykglødingen vil være avhengig av hvilke egenskaper sluttproduktet skal ha. Men hvis målet er både å maksimalisere ekstruderbarheten og de mekaniske egenskapene vil den optimale sammensetningen ha følgende egenskaper: • Mg/Si-forholdet bør fortrinnsvis være høyt nok til å unngå at det opptrer Si-partikler i materialet sammen med Mg2Si-partikler. Hvis begge disse partikkeltypene er til stede samtidig vil partiklene smelte når man oppnår den ternære eutektiske temperaturen for systemet Al + Mg2Si + Si -> smelte i profilen under ekstruderingen. Når dette skjer vil profilen bli opprevet. Denne ternære eutektiske temperaturen er omtrent 555 <e>C, det vil si betydelig lavere enn den binære eutektiske temperaturen 595 <Q>C for systemet Al + Mg2Si -> smelte. Derfor vil ekstruderingshastigheten før en får rivninger i profilen være høyere uten Si-partikler i materialet før ekstruderingen. • Boltene bør fortrinnsvis ikke inneholde for store mengder av dispersoidedannende grunnstoffer fordi dette vil øke deformasjonsmotstanden under ekstruderingen og dermed fjerne noe av effekten av mykglødingen. Dessuten, hvis mengden av dispersoide grunnstoffer er på grensen til å hindre rekrystallisering kan resultatet bli en uønsket mikrostruktur med grove korn. • Mykglødingprosessen vil virke best for høylegerte sammensetninger. Dette skyldes at ekstruderingshastigheten for normalt bearbeidede bolter blir lavere ettersom Mg- og Si-innholdet øker, mens for mykglødede støpeemner vil ekstruderingshastigheten være nesten uavhengig av Mg- og Si-innholdet, ettersom denne behandlingen gir de samme mengdene av Mg og Si i fast løsning. For lavlegerte sammensetninger, slik som 6060-legeringene, kan ekstruderingshastighetene være lavere for mykglødede støpeemner enn for normalt behandlede støpeemner fordi de sistnevnte vil ha så små mengder av Mg2Si-partikler at den kritiske temperaturen for oppriving vil være høyere enn for de mykglødede støpeemnene. Altså vil opprivingen for normale 6060-støpeemner begrenses av legeringens solidustemperatur, som er høyere enn for en mykglødet legering som vil ha det binære eutektikumet som kritisk temperatur. Siden 6060-legeringene inneholder så lite legeringsgrunnstoffer vil det ikke være mye deformasjonsmotstand å vinne på å felle ut Mg2Si-partiklene. En annen grunn til at den optimaliserte prosessen som beskrives her vil virke best for høylegerte sammensetninger er at den gunstige virkningen av en kort lagringstid ved romtemperatur på de mekaniske egenskapene er høyest for et høyt innhold av legeringsgrunnstoffer. For en legering med 0,5 vektprosent Si og 0,5 vektprosent Mg blir de mekaniske egenskapene nesten ikke påvirket av lagring ved romtemperatur mellom gjenoppløsning og utherding. For mer lavlegerte sammensetninger er virkningen av kort lagringstid negativ og den blir mindre gunstig jo mer innholdet av legeringsgrunnstoffer synker.

I trinn 3 oppvarmes støpeemnet til en forhåndsinnstilt temperatur og føres inn i en ekstruderingspresse, se også fig. 3. Det viktigste å ta i betraktning under forvarmingen er å unngå at noen vesentlig andel av Mg2Si-partiklene som har dannet seg under mykglødingen går i oppløsning igjen. Både temperaturen og hvor lenge materialet utsettes for denne temperaturen er viktige parametre. Ved temperaturer over omtrent 400 <S>C bør tiden være så kort som mulig, og derfor ser det ut til at induksjonsoppvarming av støpeemnene er den beste løsningen. Men en gassovn med rask oppvarming fra omtrent 350 <e>C i de siste sonene vil også fungere godt i de fleste tilfellene. Siden bolten er forholdsvis bløt og det ikke kreves at Mg2Si-partiklene skal løses opp under ekstruderingsprosessen vil temperaturen i bolten før ekstruderingen være betydelig lavere enn hva som brukes i en normal prosess i dag.

Trinn 4 i prosesslinjen er ekstruderingsprosessen som innbefatter avkjøling og strekking etter ekstruderingen. Siden det meste av Mg- og Si-innholdet er felt ut som grove Mg2Si-partikler vil deformasjonsmotstanden og dermed varmedannelsen være mye mindre enn for støpeemner som homogeniseres på normal måte. Nærværet av slike grove MggSi-partikler i materialet som skal ekstruderes har i tester vist seg å gi en økning i ekstruderingshastigheten med så mye som 100% sammenliknet med ekstrudering av den samme legeringen uten at man har latt det felles ut slike partikler med en mykgløding. Med den beskrevne prosesslinjen er kravene til avkjøling etter ekstruderingen ikke særlig strenge og det eneste som betyr noe er å ha profilene kalde nok til at de kan strekkes. Etter ekstruderingen kan profilen eller arbeidsstykket med fordel gjennomgå et preformingstrinn mens deformasjonsmotstanden er lav på grunn av de grove Mg2Si-partiklene i materialet.

I trinn 5 blir arbeidsstykker av den ekstruderte profilen oppløsningsbehandlet for å løse opp Mg2Si-partiklene som dannes i mykglødingen, se også fig. 4. For å løse opp alle Mg2Si-partiklene og utnytte hele potensialet for utherdingsherding må temperaturen ved gjenoppløsningen ligge over solvustemperaturen for legeringen. For en normal 6061-legering med omtrent 0,9 vektprosent Mg og 0,6 vektprosent Si er denne temperaturen mellom 530 og 540 <Q>C. For å redusere den tiden som trengs for oppløsning av Mg2Si-partiklene vil en temperatur for gjenoppløsning på 10-20 <S>C over denne temperaturen trolig være det beste praktiske valget. På den annen side kan man få alvorlig kornvekst i de ekstruderte profilene hvis temperaturen ved gjenoppløsningen er for høy og dermed svekke egenskapene til det ferdige produktet. Etter gjenoppløsningen må arbeidsstykkene av de ekstruderte seksjonene avkjøles så raskt som mulig til romtemperatur for å opprettholde et høyt herdepotensiale for utherdingen. Man bør dra nytte av de siste nyvinningene innen bråkjøling av profiler for å hindre at arbeidsstykkene får for mange geometriske forvridninger.

Den endelige formings- og bearbeidingsoperasjonen kan utføres i trinn 6. Etter bråkjøling fra temperaturen ved gjenoppløsningen inneholder aluminiumgitteret et høyt antall vakanser. Disse vakansene vil ha en tendens til å migrere mot ujevnheter i aluminiumgitteret, og konsentrasjonen av vakanser vil synke med tiden ved romtemperatur. Hvis materialet er deformert, for eksempel ved bøying, vil det dannes mange dislokasjoner i aluminiumgitteret. Disse dislokasjonene vil forplante seg gjennom materialet og kan dermed fjerne noen av vakansene. Siden disse vakansene spiller en viktig rolle under kimdanningen for de herdende utfellingene kan noe av herdepotensialet gå tapt hvis en del av vakansene fjernes. I tilfellet effekten ikke så stor, kan formeoperasjonen utføres med en gang. I andre tilfeller kan profilene eller arbeidsstykkene utsettes for en kort gløding ved en temperatur på mellom 90 og 120 <Q>C i 1-120 minutter, fortrinnsvis i et oljebad før formeoperasjonen. Hensikten med denne korte glødingen før formingen er altså å danne en høy tetthet av kim for herdende Mg2Si-partikler som er stabile nok til å overleve formeoperasjonen uten å gå i fast løsning igjen.

De mekaniske egenskapene både direkte etter bråkjølingen og etter en kortvarig utherding før formeoperasjonen vil være konsistente. Konsistente mekaniske egenskaper i de ekstruderte arbeidsstykkene før bearbeidingen i formetrinnet/- trinnene vil bidra til mindre geometrisk avvik i dimensjoner for det ferdige produktet. I formetrinnet/-trinnene kan arbeidsstykkene for eksempel bøyes, smis eller hydroformes.

Den formede profilen eller arbeidsstykket behandles til slutt i en utherdingsoperasjon, trinn 7, for å forbedre de mekaniske egenskapene til produktet. I dette trinnet blir profilen varmebehandlet ved en temperatur på mellom 140 og 230 <9>C i et tidsrom som kan variere fra 1 til 24 timer avhengig av den temperaturen man har valgt å bruke til utherdingen. Som nevnt har data i litteraturen og tester vist at høylegerte 6xxx-legeringer kan få betydelig høyere mekanisk styrke etter utherding hvis den utføres like etter gjenoppløsningen (en økning på 5 -15 %).

Når en utfellingsherdende legering som AlMgSi bråkjøles til romtemperatur vil det foregå reaksjoner ved denne temperaturen og atomene av Mg og Si i fast løsning vil ha en tilbøyelighet til å klumpe seg i det som i litteraturen gjerne kalles GP-soner. Antall GP-soner vil øke og størrelsen av GP-sonene vil øke i samsvar med hvor lenge legeringen befinner seg på romtemperatur. Når et materiale med GP-soner som er dannet ved romtemperatur utsettes for utherding ved en høyere temperatur vil antallstettheten av herdende Mg-Si-utfellinger avhenge av flere faktorer. Hvis det skjer en reverseringsreaksjon (oppløsning) før den endelige utfellingen av herdefasene vil dette føre til en lavere antallstetthet av herdende Mg-Si-partikler og dermed lavere styrke. For korte lagringstider ved romtemperatur vil det ikke være noen eller bare svært små GP-soner, og det vil trolig ikke skje noen reverseringsreaksjon før utfellingen av de herdende Mg-Si-utfellingene. I tillegg vil en høy konsentrasjon av vakanser som stammer fra bråkjølingen etter gjenoppløsningen støtte opp under kimdannelsesreaksjonene og trolig gi en høyere tetthet av herdende Mg-Si-utfellinger enn uten dette overskuddet av vakanser. Ettersom tiden går blir GP-sonene større og det vil trolig opptre reverseringsreaksjoner før dannelsen av de herdende Mg-Si-utfellingene. Dessuten vil konsentrasjonen av vakanser være lavere, noe som fører til en lavere tetthet av herdende Mg-Si-utfellinger og dermed lavere styrke. Dette kan være forklaringen på hvorfor 6xxx-legeringer med høy styrke oppfører seg på denne måten.

I det følgende vises testresultater for forskjellige legeringer som er behandlet i henhold til den foreliggende oppfinnelsen. Hver legering er identifisert med det vanlig brukte legeringsnavnet og innholdet av legeringsgrunnstoffer.

Eksempel 1

I dette eksempelet ble en 6061-legering med sammensetning som oppgitt i tabell 1 ble støpt til bolter med diameter 95 mm.

Tabell 1, sammensetning av 6061-legeringen i vektprosent.

Mykglødingen av legeringen ble gjort som følger:

Oppvarming til 575 <S>C innen 3 timer, 3 timer ved 575 <9>C, avkjøling med 25 <Q>C i timen ned til 400 <9>C, 8 timers holdetid på 400°C og deretter avkjøling i stillestående luft.

Figur 5 viser et bilde av mikrostrukturen etter denne herdingen. Som man kan se har materialet mange Mg2Si-partikler med diameter i området 3-10 u.m. De lysere grå partiklene er primære partikler fra støpingen.

De normalt behandlede støpeemnene ble homogenisert ved 575 <e>C i 3 timer og så avkjølt med en hastighet på omtrent 350 <e>C i timen til 200 aC, og med en hastighet på 150 <e>C i timen fra 200 <e>C til romtemperatur.

Ekstruderingstestene ble gjort med en 800-tonns presse utstyrt med en induksjonsovn for å varme opp støpeemnene. Hastigheten av oppvarmingen til den endelige forvarmingstemperaturen var omtrent 80 <e>C i minuttet.

I tabell 2 er ekstruderingshastighetene listet opp for liknende bolttemperaturer for både normalt behandlede og mykglødede støpeemner.

Tabell 2. Resultater fra ekstruderingsforsøkmed en 6061-legering og rund stang med diameter 9 mm.

Som man kan se av tabellen kan profilene fra de mykglødede boltene kjøres omtrent dobbelt så raskt som de normalt behandlede støpeemnene før de rives opp. Dette skyldes først og fremst den lavere deformasjonsmotstanden for disse boltene, som det lavere gjennombruddstrykket også antyder.

Med en gitt 6061-legering som har høyere Mg- og Si-innhold vil forskjellen i ekstruderingshastighet trolig være enda større, fordi normalt behandlede støpeemner ekstruderer saktere med økende Mg- og Si-innhold. Dessuten vil man få en ytterligere reduksjon av Mg og Si i fast løsning hvis man bruker en lavere temperatur enn 400 <9>C til den isoterme behandlingen. Dette vil redusere deformasjonsmotstanden og øke effekten av mykglødingen slik at ekstruderbarheten av de mykglødede støpeemnene blir enda bedre.

De mekaniske egenskapene til ekstruderte 1,9 x 25 mm2 profiler er vist i tabell 3. Etter ekstruderingen ble profilene kuttet i biter som egnet seg for strekkprøver og varmebehandlet som vist i tabell 2 nedenfor. En av profilene ble laget av mykglødede bolter, mens den andre ble laget av en normalt homogenisert bolt. I sistnevnte tilfelle ble bolten overopphetet, d.v.s. oppvarmet til 550 <S>C for å løse opp alle Mg2Si-partikler, og så bråkjølt til 500 <9>C like før ekstruderingen. Med denne behandlingen utnyttes det fulle styrkepotensialet til legeringen.

Tabell 3. Varmebehandling og mekaniske egenskaper for 6061-legeringen.

Tabellen viser at bruddgrensen er høynet med 18 MPa på grunn av reduksjonen av lagringstiden fra 4 timer til 2 minutter mellom gjenoppløsning og utherding, og flytespenningen er høynet med 16 MPa. Med et større innhold av

legeringsgrunnstoffer i 6061-legeringen ventes forskjellen i mekaniske egenskaper å være større til fordel for den korte lagringstiden. Som man kan se av tabellen er det ikke noen vesentlig forskjell mellom det normalt behandlede og det mykglødede støpeemnet i situasjonen hvor det mykglødede støpeemnet er lagret så mye som 4 timer ved romtemperatur. Dette viser at forbedringene i flytespeenning og strekkgrense henger direkte sammen med lagringstiden før utherding.

Eksempel 2

I dette eksemplet ble en 6082-legering med sammensetning som oppført i tabell 4 støpt til bolter med diameter 95 mm.

Tabell 4. Sammensetning i vektprosent av legeringen som er brukt i eksempel 2.

Mykglødingen av legeringen ble gjort som følger:

Oppvarming til 525 <e>C innen 3 timer, 4 timer ved 525 <S>C, avkjøling med 25 <e>C i timen til 400 <e>C, 8 timer holdetid ved 400 <e>C og deretter avkjøling i stillestående luft. Figur 6 viser et bilde av mikrostrukturen etter denne glødingen av 6082-legeringen. Som for 6061-legeringen har materialet mange Mg2Si-partikler med diameter i området 3-10 u.m. De lysere grå partiklene er primære partikler fra støpingen.

De normalt behandlede støpeemnene ble homogenisert ved 525 <e>C i 4 timer og så avkjølt med omtrent 350 <e>C i timen til 200 <9>C og med 150 <S>C i timen fra 200 <9>C til romtemperatur.

Ekstruderingstestene ble gjort på en 800-tonns presse utstyrt med induksjonsovn for å varme opp støpeemnene. Hastigheten av oppvarmingen til den endelige forvarmingstemperaturen var omtrent 80 <9>C i minuttet.

I tabell 5 er ekstruderingshastighetene for liknende støpeemnetemperaturer oppført både for normalt behandlede og mykglødede støpeemner av 6082.

Tabell 5. Resultater fra ekstruderingsforsøk med en 6082-legering og rund stang med diameter 9 mm.

Som man kan se av tabellen går profilene fra de mykglødede boltene omtrent 50 % raskere enn de normalt behandlede boltene. I dette tilfellet med 6082-legeringen er forskjellen mellom de mykglødede boltene og de normalt behandlede boltene mindre enn for 6061-legeringen. Årsaken til dette er det høye antallet dispersoidpartikler i akkurat denne 6082-legeringen som innvirker på deformasjonsmotstanden og dermed på gjennombruddstrykket. Både Mn- og Cr-innholdet og en forholdsvis lav homogeniseringstemperatur bidrar til dette høye antallet av dispersoidpartikler. Derfor vil ikke en reduksjon av mengdene av Mg og Si i fast løsning forholdsmessig redusere deformasjonsmotstanden i samme grad som for 6061-legeringen.

De mekaniske egenskapene til ekstruderte profiler på 1,9 x 25 mm2 er vist i tabell 3. Etter ekstruderingen ble profilene kuttet i biter som egnet seg for strekkprøver og varmebehandlet som vist i tabell 6 nedenfor.

Tabell 6. Varmebehandling og mekaniske egenskaper for 6082-legeringen.

Tabellen viser at bruddgrensen er høynet med 43 MPa på grunn av reduksjonen av lagringstiden fra 4 timer til 2 minutter mellom gjenoppløsning og utherding, og flytespenningen er høynet med 39 MPa.

Eksempel 3

I dette eksempelet ble en 6082-legering med sammensetning som oppgitt i tabell 7 støpt til bolter med diameter 203 mm.

Tabell 7. Sammensetning i vektprosent av 6082-legeringen som er brukt i eksempel 3.

I dette tilfellet ble boltene homogenisert ved 580 <Q>C i 3 timer og så avkjølt med en hastighet på omtrent 350 <e>C i timen til romtemperatur. Boltene ble deretter ekstrudert til en hul profil i en industriell presse. Endelig ble det gjort strekkprøver med den ekstruderte profilen. Prøvene ble oppløsningsbehandlet ved 540 <e>C i 30 minutter og deretter bråkjølt i vann. Etter den ønskede lagringstiden ble prøvene lagt i en utherdingsovn forhåndsinnstilt på 160 <e>C. Utherdingssyklusen var 8 timer ved 160 <e>C. Hvert punkt på figur 5 representerer gjennomsnittet av 3 strekkprøver.

Som man kan se av tabell 7 er den mekaniske styrken betydelig høyere for korte lagringstider ved romtemperatur (10 minutter og 1 time) enn etter lagringstider på 4 timer eller lengre. Lagringstiden på 10 minutter gir også en betydelig høyere styrke enn lagringstiden på 1 time ved romtemperatur før utherding. Altså indikerer kurvene at lagringstiden bør være så kort som mulig for å oppnå maksimal styrke. Det er også helt åpenbart utfra figur 7 at det er svært liten forskjell mellom en lagringstid på 4 timer og lengre lagringstider ved romtemperatur før utherding.

Disse testresultatene tyder på at man kan få en økning i ekstruderingshastighet sammenliknet med vanlig brukte metoder og dermed også en økning i mekanisk styrke i sluttproduktet sammenliknet med kjente metoder.

Claims (14)

1. En metode for å bearbeide bolter eller støpeemner av en aluminiumlegering som inneholder legeringselementer som Mg og Si til ferdige eller halvfabrikkerte produkter som profiler eller arbeidsstykker, som innbefatter en mykglødingsoperasjon etterfulgt av forvarming, ekstrudering av bolten for å danne en profil eller et emne som skal formes videre i en prosess, hvor profilen eller emnet gjennomgår en gjenoppløsningsbehandling, idet legeringen er av en 6xxx type, karakterisert ved at profilen eller arbeidsstykket utsettes for et avsluttende kunstig utherdingstrinn hvor tiden som går mellom gjenoppløsningen og det avsluttende utherdingstrinnet er mindre enn fire timer slik at det oppnås et bidrag i profilens eller arbeidsstykkets styrke.

2. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at tiden som går mellom gjenoppløsningen og det avsluttende utherdingstrinnet fortrinnsvis er mindre enn 15 minutter, idet utherdingen foretas ved temperaturer mellom 140 og 230 <9>C i 1-24 timer.

3. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at profilen eller arbeidsstykket preformes med et prosesstrinn etter ekstruderingstrinnet og før gjenoppløsningstrinnet.

4. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at profilen eller arbeidsstykket formes med et avsluttende prosesstrinn etter gjenoppløsningstrinnet og foran utherdingstrinnet.

5. En metode i henhold til krav 4, karakterisert ved at profilen eller arbeidsstykket utsettes for et bråkjølingstrinn etter gjenoppløsningstrinnet.

6. En metode i henhold til krav 4, karakterisert ved at det utføres en kort utherdingsoperasjon like etter gjenoppløsningstrinnet og før det avsluttende formingstrinnet.

7. En metode i henhold til krav 6, karakterisert ved at den korte utherdingsoperasjonen før bearbeidingstrinnet utføres ved en temperatur på mellom 90 og 230 <9>C i et tidsrom av 1-120 minutter.

8. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at mykglødingsprosessen utføres på en måte som stimulerer til at det dannes en mikrostruktur i legeringen med store mengder forholdsvis store Mg2Si-partikler som er forholdsvis stabile under den påfølgende ekstruderingen.

9. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at ekstruderingen utføres ved en forholdsvis lav temperatur, fortrinnsvis mellom 350 og 450 <e>C.

10. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at gjenoppløsningen bør utføres ved en temperatur over eller iallfall nesten over solvustemperaturen for legeringen.

11. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at legeringen er legert slik at den inneholder 0,5-2,0 (vekt)% Mg og 0,5-2,0 % Si, 0-1,0 % Fe, 0-1,0 % Cu, 0-3,0 % Zn og 0-0,2 % andre grunnstoffer som ikke er nevnt nedenfor.

12. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at legeringen er legert slik at den inneholder mengder av dispersoiddannende grunnstoffer i intervallene 0-1,5 (vekt)% Mn, 0-1,0 % Cr og 0-0,3 % Zr.

13. En metode i henhold til krav 1, karakterisert ved at legeringen er legert slik at den inneholder mengder av grunnstoffer for forbedring av bearbeidbarheten som f.eks. Sn og/eller Pb og/eller Bi i intervallet 0-1,5 vektprosent.

14. Anvendelse av en profil eller et arbeidsstykke produsert etter metoden i henhold til krav 1-13 som strukturelement i biler.