NO333529B1 - Aluminiumlegering som inneholder aluminium og silisium - Google Patents

Abstract

Aluminiumlegering som inneholder 0,5 - 2,5 vektprosent av en legeringsblanding av magnesium og silisium, hvor molforholdet Mg/Si ligger mellom 0,70 og 1,25, en ekstra mengde Si omtrent lik 1/3 av mengden av Fe, Mn og Cr i legeringen, og resten aluminium, uunngåelige forurensninger og andre legeringsmidler, hvor legeringen etter avkjøling har vært utsatt for homogenisering, oppvarming før ekstrusjonen, ekstrusjon og en elding som finner sted ved temperaturer mellom 160 og 220°C. Eldingen etter avkjølingen av det ekstruderte produktet utføres som en eldingsoperasjon med to oppvarmingshastigheter med et første trinn hvor metallet oppvarmes med en hastighet over 30°C/time til en temperatur mellom 100 og 170°C, et andre trinn hvor metallet oppvarmes med en hastighet mellom 5 og 50°C/time til den endelige oppholdstemperaturen mellom 160 og 220°C, og at den totale eldingssyklusen utføres i løpet av et tidsrom på mellom 3 og 24 timer.

Description

Oppfinnelsen dreier seg om en prosess for behandling av en aluminiumslegering som består av - 0,5 - 2,5 vektprosent av en legeringsblanding av magnesium og silisium, hvor molforholdet Mg/Si ligger mellom 0,70 og 1,25, - en ekstra mengde Si lik 1/3 av mengden av Fe, Mn og Cr i legeringen i vektprosent,

- andre legeringsgrunnstoffer og uunngåelige forurensninger og

- resten aluminium,

og som etter avkjøling har vært utsatt for homogenisering, oppvarming før ekstrudering og en elding som finner sted etter ekstruderingen som en totrinns eldingsoperasjon til en endelig oppholdstemperatur på mellom 160-220 °C.

En prosess av denne typen er beskrevet i WO 95.06759. I henhold til denne publikasjonen utføres eldingen ved en temperatur mellom 150 og 200 °C, og oppvarmingshastigheten er mellom 10 og 100 °C i timen, fortrinnsvis 10 - 70 °C i timen. Det foreslås en alternativ totrinns oppvarmingsplan, hvor det foreslås en oppholdstemperatur i området 80 -140 °C for å oppnå en total oppvarmingshastighet som ligger innenfor det nevnte området.

Fra artikkelen "Traitments thermiques des alliages d'aluminium",Techniques de Tingenieur 1- 1986, R. Devaley, er det videre tidligere kjent å fremstille Al-Mg-Si-legringer med forbedrede egenskaper, men hvor varmebehandlingen skjer i kun ett trinn.

Det er kjent at høyere totalmengder av Mg og Si vil ha en positiv effekt på de mekaniske egenskapene til sluttproduktet, mens dette i sin tur har en negativ effekt på ekstruderbarheten av aluminiumlegeringen. Man har tidligere antatt at herdefasen i AI-Mg-Si-legeringene hadde en sammensetning i nærheten av Mg2Si. Men det var også kjent at et overskudd av Si ga bedre mekaniske egenskaper.

Senere eksperimenter har vist at utfellingssekvensen er nokså komplisert og at bortsett fra likevektsfasen har ikke de involverte fasene det støkiometriske forholdet Mg2Si. I en publikasjon av S.J. Andersen, et al., Acta mater, bind 46 nr. 9, s. 3283-3298 fra 1998 sies det at en av herdefasene i AI-Mg-Si-legeringer kan ha en sammensetning nær Mg5Si6.

Det er derfor et mål med oppfinnelsen å fremskaffe en prosess for å behandle en aluminiumslegering som fører til en legering med bedre mekaniske egenskaper og en bedre ekstruderbarhet og som har den minste mengden av legeringsmidler og en generell sammensetning som er så nær som mulig ved de tradisjonelle aluminiumlegeringene. Disse og andre mål oppnås ved at eldingen innbefatter et første trinn hvor det ekstruderte metallet oppvarmes med en temperaturøkning på over 100°C/time til mellom 100 og 170°C, et andre trinn hvor ekstruderingen oppvarmes med en temperaturøkning på mellom 5 og 50 °C/time til den endelige oppholdstemperaturen, og ved at den totale eldingssyklusen utføres i et tidsrom på mellom 3 og 24 timer.

Mg/Si-forholdet er optimalt når alt tilgjengelig Mg og Si er overført til Mg5Si6-faser. Denne kombinasjonen av Mg og Si gir den høyeste mekaniske styrken med det minste forbruket av legeringsgrunnstoffene Mg og Si. Det er funnet at den maksimale ekstruderingshastigheten er nesten uavhengig av Mg/Si-forholdet. Med det optimale Mg/Si-forholdet reduseres summen av Mg og Si derfor til et minimum for et bestemt styrkekrav, og denne legeringen vil dermed også gi den beste ekstruderbarheten. Hvis man bruker sammensetningen i henhold til oppfinnelsen kombinert med eldingsprosedyren med to oppvarmingshastigheter i henhold til oppfinnelsen er det brakt på det rene at styrken og ekstruderbarheten blir maksimal med en minimal total eldingstid.

I tillegg til Mg5Si6-fasen er det også en annen herdefase som inneholder mer Mg enn Mg5Si6-fasen. Men denne fasen er ikke så effektiv og bidrar ikke så mye til den mekaniske styrken som Mg5Si6-fasen. På den Si-rike siden av Mg5Si6-fasen er det sannsynligvis ikke noen herdefase, og det vil ikke være gunstig med et lavere Mg/Si-forhold enn 5/6.

Eldingsprosedyren med to oppvarmingshastigheter er gunstig for den mekaniske styrken fordi et lengre tidsrom ved lav temperatur generelt gir en høyere tetthet med utfellinger av Mg-Si. Hvis hele eldingsoperasjonen utføres ved en slik temperatur vil den totale eldingstiden være hinsides praktiske grenser og produksjonen i eldingsovnene vil bli for lav. Med en langsom økning av temperaturen opp til den endelige eldingstemperaturen vil det høye antallet utfellinger som nydannes ved den lave temperaturen fortsette å vokse. Resultatet vil være et høyt antall utfellinger og mekaniske styrkeverdier som er forbundet med lavtemperaturelding, men med en betydelig kortere total eldingstid.

En totrinns elding gir også forbedringer i den mekaniske styrken, men med en rask oppvarming fra den første oppholdstemperaturen til den andre oppholdstemperaturen er det en betydelig sjanse for at de minste utfellingene løses igjen, med et lavere antall herdende utfellinger og dermed en lavere mekanisk styrke som resultat. En annen fordel med eldingsprosedyren med to oppvarmingshastigheter i forhold til normal elding og også totrinns elding er at en lav oppvarmingshastighet vil sikre en bedre temperaturfordeling i metallet. Temperaturhistorien til det ekstruderte metallet vil være nesten uavhengig av metallmengden i ovnen, pakketettheten og veggtykkelsen til det ekstruderte metallet. Resultatet vil være at de mekaniske egenskapene varierer mindre enn med andre typer eldingsprosedyrer.

Sammenliknet med eldingsprosedyren som beskrives i WO 95.06759, hvor den lave oppvarmingshastigheten begynner fra romtemperatur, vil eldingsprosedyren med to oppvarmingshastigheter redusere den totale eldingstiden med en rask oppvarming fra romtemperatur til mellom 100 og 170 °C. Metallet vil bli nesten like sterkt når den langsomme oppvarmingen startes ved en midlere temperatur som hvis den langsomme oppvarmingen startes ved romtemperatur.

Avhengig av den ønskede styrkeklassen er det mulig å bruke forskjellige sammensetninger innenfor det generelle gyldighetsområdet for oppfinnelsen.

Altså er det mulig å lage en aluminiumlegering med en strekkfasthet i klassen F19-F22, hvor mengden av legeringsblandingen av magnesium og silisium er mellom 0,60 og 1,10 vektprosent. Som en legering med strekkfasthet i klassen F25-F27 er det mulig å bruke en aluminiumlegering som inneholder mellom 0,80 og 1,40 vektprosent av en legeringsblanding av magnesium og silisium, og som en legering med en strekkfasthet i klassen F29-F31 er det mulig å bruke en aluminiumlegering som inneholder mellom 1,10 og 1,80 vektprosent av legeringsblandingen av magnesium og silisium.

Fortrinnsvis og i henhold til oppfinnelsen oppnås en strekkfasthet i klasse F19 (185-220 MPa) med en legering som inneholder mellom 0,60 og 0,80 vektprosent av legeringsblandingen, en strekkfasthet i klasse F22 (215-250 MPa) med en legering som inneholder mellom 0,70 og 0,90 vektprosent av legeringsblandingen, en strekkfasthet i klasse F25 (245-270 MPa) med en legering som inneholder mellom 0,85 og 1,15 vektprosent av legeringsblandingen, en strekkfasthet i klasse F27 (265-290 MPa) med en legering som inneholder mellom 0,95 og 1,25 vektprosent av legeringsblandingen, en strekkfasthet i klasse F29 (285-310 MPa) med en legering som inneholder mellom 1,10 og 1,40 vektprosent av legeringsblandingen, og en strekkfasthet i klasse F31 (305-330 MPa) med en legering som inneholder mellom 1,20 og 1,55 vektprosent av legeringsblandingen.

Som en tilnærming kan man si at tilsetninger av Cu øker den mekaniske styrken med 10 MPa pr. 0,10 vektprosent Cu, og med slike tilsetninger kan den totale mengden Mg og Si reduseres og likevel svare til en styrkeklasse som er høyere enn hva Mg-og Si-tilsetningene ville gi alene.

Av den ovennevnte årsaken foretrekkes det at molforholdet Mg/Si ligger mellom 0,75 og 1,25, og fortrinnsvis mellom 0,80 og 1,0.

I en foretrukket realisering av oppfinnelsen er den endelige eldingstemperaturen minst 165 °C, og fortrinnsvis er eldingstemperaturen høyst 205 °C. Det er funnet at når man bruker disse foretrukne temperaturene er mekaniske styrken er maksimal, mens den totale eldingstiden holdes innen rimelige grenser.

For å redusere den totale eldingstiden under eldingsoperasjonen med to oppvarmingshastigheter vil man fortrinnsvis utføre det første oppvarmingstrinnet med den høyeste tilgjengelige oppvarmingshastigheten. Denne er som regel avhengig av det tilgjengelige utstyret. Derfor foretrekkes en temperaturøkning på minst 100 °C/time i det første oppvarmingstrinnet.

I det andre oppvarmingstrinnet må oppvarmingshastigheten optimaliseres i samsvar med den totale effektiviteten i tid og den endelige kvaliteten av legeringen. Derfor økes temperaturen i det andre oppvarmingstrinnet med minst 7 °C/time og høyst 30 °C/time. Ved lavere temperaturøkning enn 7 °C/time vil den totale eldingstiden bli lang med en lav produksjon i eldingsovnene som resultat, og ved høyere temperaturøkning enn 30 °C/time vil de mekaniske egenskapene bli dårligere enn det ideelle.

Fortrinnsvis vil det første oppvarmingstrinnet avsluttes ved 130-160 °C, og ved denne temperaturen vil det være tilstrekkelig utfelling av Mg5Si6-fase til at man kan oppnå en høy mekanisk styrke for legeringen. En lavere sluttemperatur for det første trinnet vil generelt føre til en lengre total eldingstid. Fortrinnsvis er den totale eldingstiden høyst 12 timer.

For å få et ekstrudert produkt med nesten all Mg og Si i fast løsning før eldingsoperasjonen er det viktig å kontrollere parameterne under ekstruderingen og avkjølingen etter ekstruderingen. Med de rette parameterne kan dette oppnås ved normal forvarming. Med ved å bruke en såkalt forglødingsprosess som beskrives i EP 0302623, som er en forvarmingsoperasjon hvor legeringen oppvarmes til en temperatur mellom 510 og 560 °C før ekstruderingen, og barrene deretter avkjøles til normal ekstruderingstemperatur, vil dette sikre at all Mg og Si som tilsettes til legeringen blir løst. Ved passende avkjøling av det ekstruderte produktet holdes all Mg og Si i løsning og er tilgjengelig for å danne herdeutfellinger under eldingsoperasjonen.

For legeringssammensetninger med lavt innhold av Mg og Si kan disse løses under ekstruderingsoperasjonen uten forgløding hvis ekstruderingsparameterne er korrekte. Men med høyere innhold av disse bestanddelene er ikke normale forvarmingsforhold alltid tilstrekkelige til å få all Mg og Si i fast løsning. I slike tilfeller vil forgløding gjøre ekstruderingsprosessen mer robust og alltid sikre at all Mg og Si er i fast løsning når profilen kommer ut av pressen.

Andre karaktertrekk og fordeler vil være åpenbare utfra den følgende beskrivelsen av et antall tester som er gjort med legeringer i henhold til oppfinnelsen.

Eksempel 1

Åtte forskjellige legeringer med sammensetning oppgitt i tabell 1 ble støpt som barrer med diameter 95 mm under standardforhold for støping av 6060-legeringer. Barrene ble homogenisert med en temperaturøkning på omtrent 250°C/time, holdt ved 575 °C i 2 timer og 15 minutter, og avkjølt etter homogeniseringen med omtrent 350 °C/time. Til slutt ble stykkene kuttet til 200 mm lange barrer.

Ekstruderingstesten ble utført i en 800 tonns presse utstyrt med en beholder med diameter 100 mm, og med en induksjonsovn til å varme opp barrene før ekstruderingen.

Pressformen som ble brukt til ekstruderbarhetseksperimentene ga sylindriske stenger med diameter 7 mm og med to 0,5 mm brede og 1 mm høye ribber på 180<0>avstand fra hverandre.

For å få gode målinger av de mekaniske egenskapene til profilene ble det kjørt en separat test med en pressform som laget stenger på 2 x 25 mm<2>. Barrene ble forvarmet til omtrent 500 °C før ekstruderingen. Etter ekstruderingen ble profilene avkjølt i stillestående luft, noe som ga en kjøletid på omtrent 2 minutter ned til under 250 °C. Etter ekstruderingen var profilene strukket 0,5 %. Lagringstiden ved romtemperatur ble kontrollert før eldingen. De mekaniske egenskapene ble målt ved hjelp av strekkprøver.

De komplette resultatene fra ekstruderbarhetstestene for disse legeringene er fremstilt i tabell 2 og 3.

For legeringene 1 til 4, som har omtrent samme sum av Mg og Si, men forskjellig Mg/Si-forhold, er den høyeste ekstruderingshastigheten som oppnås uten at stykkene rives opp omtrent den samme ved liknende barretemperaturer. For legeringene 5 til 8, som har omtrent samme sum av Mg og Si, men forskjellig Mg/Si-forhold, er den høyeste ekstruderingshastigheten som oppnås uten at stykkene rives opp omtrent den samme ved liknende barretemperaturer. Men hvis man sammenlikner legering 1 til 4, som har en lavere sum av Mg og Si, med legering 5 til 8, ser man at den maksimale ekstruderingshastigheten generelt er høyere for legering 1 til 4.

De mekaniske egenskapene for de forskjellige legeringene når de anløpes med forskjellige eldingssykluser er vist i tabell 4-11.

Som hjelp til å forstå disse tabellene henviser vi til fig. 1, hvor forskjellige eldingssykluser er fremstilt grafisk og identifisert med en bokstav. X-aksen på fig. 1 representerer den totale eldingstiden og y-aksen temperaturen som brukes.

Ellers har de forskjellige kolonnene følgende betydning:

Totaltid = total eldingstid for eldingssyklusen.

Rm = bruddfasthet.

Rpo2= sviktpunkt.

AB = bruddforlengelse.

Au = uniform forlengelse.

Alle disse dataene er målt ved standard strekkfester, og de viste tallene er gjennomsnitt for to parallelle prøver av den ekstruderte profilen.

Basert på disse resultatene kan det anføres følgende kommentarer:

Bruddfastheten (BF) for legering nr. 1 er litt lavere enn 180 MPa etter elding med A-syklusen og 6 timers totaltid. Med eldingssyklusene med to oppvarmingshastigheter blir BF-verdiene høyere, men likevel ikke mer enn 190 MPa etter en 5 timers B-syklus, og 195 MPa etter en 7 timers C-syklus. Med D-syklusen kommer BF-verdiene opp i 210 MPa, men ikke før den totale eldingstiden er 13 timer.

Bruddfastheten (BF) for legering nr. 2 er litt over 180 MPa etter A-syklusen og 6 timers totaltid. BF-verdiene er 195 MPa etter en 5 timers B-syklus, og 205 MPa etter en 7 timers C-syklus. Med D-syklusen kommer BF-verdiene opp i omtrent 210 MPa etter 9 timer og de kommer opp i 215 MPa etter 12 timer.

Legering nr. 3, som ligger nærmest Mg5Si6-linjen på den Mg-rike siden, viser de beste mekaniske egenskapene av legeringene 1 til 4. Etter A-syklsen er BF 190 MPa etter 6 timers totaltid. Med en 5 timers B-syklus er BF nær 205 MPa, og den er litt over 210 MPa etter en 7 timers C-syklus. Med 9 timers D-syklus er BF tett opptil 220 MPa.

Legering nr. 4 har dårligere mekaniske egenskaper enn legering 2 og 3. Etter A-syklus med 6 timers totaltid er BF ikke mer enn 175 MPa. Med 10 timers D-syklus er BF tett opptil 210 MPa.

Disse resultatene viser tydelig at den optimale sammensetningen for å oppnå de beste mekaniske egenskapene med lavest mulig sum av Mg og Si ligger like inntil Mg5Si6-linjen på den Mg-rike siden.

Et annet viktig aspekt ved Mg/Si-forholdet er at et lavt forholdstall ser ut til å føre til at den maksimale styrken oppnås med kortere eldingstiden

Legering 5 til 8 har en konstant sum av Mg og Si som er høyere enn for legering 1 til 4. Sammenliknet med Mg5Si6-linjen befinner legering 5 til 8 seg alle på den magnesiumrike siden.

Legering nr. 5, som ligger lengst fra Mg5Si6-linjen, viser de dårligste mekaniske egenskapene av de fire forskjellige legeringene 5 til 8. Med A-syklus har legering nr.

5 en BF-verdi på omtrent 210 MPa etter 6 timers totaltid. Legering nr. 8 har en BF- verdi på 220 MPa etter den samme syklusen. Med C-syklus og 7 timers totaltid er BF-verdiene for legering 5 og 8 henholdsvis 220 og 240 MPa. Med 9 timers D-syklus er BF-verdiene omtrent 225 og 245 MPa.

Dette viser igjen at de beste mekaniske egenskapene oppnås med legeringer nærmest Mg5Si6-linjen. Som for legering 1-4 later det til at fordelene med eldingssyklusene med to oppvarmingshastigheter er størst for legeringer nærmest Mg5Si6-linjen.

Eldingstidene inntil maksimal styrke ser ut til å være kortere for legering 5 til 8 enn for legering 1 til 4. Dette er som ventet fordi eldingstidene reduseres med høyere legeringsinnhold. For legering 5 til 8 later det også til at eldingstidene er litt kortere for legering 8 enn for legering 5.

De totale forlengelsestidene ser ut til å være nesten uavhengige av eldingssyklusen. Ved maksimal styrke er de totale forlengelsesverdiene, AB, rundt 12%, selv om styrkeverdiene er høyere for eldingssyklusene med to oppvarmingshastigheter.

Eksempel 2

Eksempel 2 viser bruddfastheten for profiler fra direkteoppvarmede og forglødede barrer av en 6061-legering. De direkte oppvarmede barrene ble oppvarmet til temperaturen som er oppgitt i tabellen og ekstrudert med en ekstruderingshastighet som lå under den høyeste hastigheten som kan brukes uten at profiloverflaten skades. De forglødede barrene ble først oppvarmet i en gassdrevet ovn til en temperatur over solvustemperaturen for legeringen og så avkjølt til en normal ekstruderingstemperatur som vist på tabell 12. Etter ekstruderingen ble profilene avkjølt med vann og anløpt med en standard eldingssyklus til maksimal styrke. Hvis man bruker forglødingsprosedyren blir de mekaniske egenskapene generelt bedre og også mer stabile enn uten forgløding. Ved forgløding er dessuten de mekaniske egenskapene praktiske talt uavhengige av barretemperaturen før ekstruderingen. Dette gjør ekstruderingsprosessens evne til å fremskaffe gode og stabile mekaniske egenskaper mindre følsom, slik at man kan bruke lavere legeringsinnhold med lavere sikkerhetsmargin ned til de mekaniske egenskapene det er behov for.

Claims (10)

1. Prosess for å behandle en aluminiumlegering som består av - 0,5 - 2,5 vektprosent av en legeringsblanding av magnesium og silisium, hvor molforholdet Mg/Si ligger mellom 0,70 og 1,25, - en ekstra silisiummengde som er lik 1/3 av mengden av Fe, Mn og Cr i legeringen i vektprosent, - andre legeringsgrunnstoffer og uunngåelige forurensninger og - forøvrig aluminium, og som etter avkjøling har blitt utsatt for homogenisering, oppvarming før ekstrudering og elding, som finner sted etter ekstruderingen som en eldingsoperasjon i to trinn til en endelig oppholdstemperatur mellom 160 °C og 220 °C, karakterisert vedat eldingen innbefatter et første trinn hvor legeringen oppvarmes med en hastighet på over 100°C/time til en temperatur mellom 100-170 °C, et andre trinn hvor legeringen oppvarmes med en hastighet på mellom 5 og 50 °C/time til den endelige oppholdstemperaturen, og ved at den totale eldingssyklusen utføres i et tidsrom på mellom 3 og 24 timer.

2. Prosess i henhold til krav 1, karakterisert vedat molforholdet Mg/Si er minst 0,70.

3. Prosessi henhold til krav 1, karakterisert vedat molforholdet Mg/Si er høyst 1,25.

4. Prosess i henhold til et av de foregående kravene 1 - 3,karakterisert vedat den endelige eldingstemperaturen er minst 165 °C.

5. Prosess i henhold til et av de foregående kravene 1 - 4,karakterisert vedat den endelige eldingstemperaturen er høyst 205 °C.

6. Prosess i henhold til et av de foregående kravene 1 - 5,karakterisert vedat temperaturen i det andre oppvarmingstrinnet økes med minst 7 °C/time.

7. Prosess i henhold til et av de foregående kravene 1-6,karakterisert vedat temperaturen i det andre oppvarmingstrinnet økes med høyst 30 °C/time.

8. Prosess i henhold til et av de foregående kravene 1-7,karakterisert vedat temperaturen ved slutten av det første oppvarmingstrinnet er mellom 130 og 160 °C.

9. Prosess i henhold til et av de foregående kravene 1-8 karakterisert vedat den totale eldingstiden er høyst 12 timer.

10. Prosess i henhold til et av de foregående kravene 1-9,karakterisert vedat legeringen har blitt oppvarmet til mellom 510 og 550 °C under oppvarmingen før ekstruderingen, og deretter har blitt avkjølt til normal ekstruderingstemperatur.