NO342356B1

NO342356B1 - I-linje fremgangsmåte for fremstilling av varmebehandlet og glødet aluminiumslegeringsbånd

Info

Publication number: NO342356B1
Application number: NO20063777A
Authority: NO
Inventors: Ali Unal; Gavin Frederich Wyatt-Mair; Jr David Allen Tomes; David Wayne Timmons
Original assignee: Arconic Inc
Priority date: 2004-02-19
Filing date: 2006-08-23
Publication date: 2018-05-14
Also published as: EP1733064B9; KR20120018229A; EP1733064A4; AU2010202489A1; RU2006133381A; US7182825B2; DE602005022171D1; KR101156956B1; KR20060125889A; JP2007523262A; PL1733064T3; AU2005214348A1; KR20090083439A; NO20063777L; ATE473306T1; AU2010202489B2; BRPI0507899A; CA2557417C; AU2005214348B8; EP2264198A1

Abstract

En fremgangsmåte for å fremstille aluminiumlegeringsbånd i en kontinuerlig i-linje prosess er tilveiebrakt. En kontinuerlig støpt aluminiumlegeringsremse bråkjøles valgfritt, het eller varmvalses, glødes eller varmebehandles i-linje, bråkjøles valgfritt, og fortrinnsvis oppkveilet, med ytterligere het, varm eller kaldvalsingstrinn som nødvendig for å oppnå den ønskede tykkelse. Prosessen kan bli brukt til å fremstille aluminiumlegeringsbånd i T- eller O-tilstand med de ønskede egenskaper, i en mye kortere prosesseringstid.

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en metode for å lage aluminiumlegeringsbånd i en kontinuerlig i-linjeprosess. Mer spesifikt brukes en kontinuerlig prosess for å lage T-eller O-herdet aluminiumlegeringsbånd med de ønskelige egenskaper, med minimalt antall trinn og kortest mulig prosesseringstid.

Konvensjonelle fremgangsmåter for fremstilling av aluminiumlegeringsbånd for kommersielle anvendelsesområder slik som karosseriplater, armeringer, drikkevarebeholdere og luftfartsanvendelser benytter satsvise prosesser som inkluderer en omfattende sekvens av adskilte trinn. Typisk støpes en stor støpeblokk i tykkelse opp til omtrent 762 mm og kjøles til romtemperatur, og lagres deretter for senere bruk. Når en støpeblokk behøves for videre prosessering, blir den først ”skalpert” for å fjerne overflatedefekter. Når overflatedefektene er blitt fjernet, forvarmes støpeblokken til en temperatur omtrent 560ºC for en periode på 20 til 30 timer, for å sikre at legeringens bestanddeler er riktig distribuert gjennom hele den metallurgiske strukturen. Den blir så kjølt til en lavere temperatur for varmvalsing, og valses i flere omganger for å redusere tykkelsen av støpeblokken til det nødvendige området for kaldvalsing. En mellomgløding eller selvgløding utføres typisk på rullen. Det resulterende ”hete” bånd blir så kaldvalset til det ønskelige mål og rullet opp. For ikke-varmebehandlede produkter glødes rullen videre i en satsvis prosess for å oppnå O-herding. For å fremstille varmebehandlede produkter, utsettes det opprullede båndet for en adskilt varmebehandlingsoperasjon, typisk i en kontinuerlig varmebehandlingslinje. Dette omfatter å rulle ut rullen, oppløsningsbehandling ved en høy temperatur, bråkjøling og opprulling av båndet. Den ovennevnte prosess for å klargjøre rullen for salg kan ta flere uker fra start til slutt, resulterende i store lagerbeholdninger av produkter under arbeid og sluttprodukt, i tillegg til tap av skrap i hvert enkelt trinn i prosessen.

På grunn av den lange prosesseringstiden for denne fremgangsmåten har mange forsøk blitt gjort for å forkorte den ved å fjerne visse trinn, samtidig som de ønskelige egenskaper ved det ferdige produkt opprettholdes.

For eksempel beskriver US-patent nr.5.655.593 en fremgangsmåte for å fremstille aluminiumlegeringsbånd, der en smal stripe støpes (i stedet for en tykk støpeblokk), og som valses hurtig og kjøles kontinuerlig over et tidsrom på mindre enn 30 sekunder til en temperatur lavere enn 176,67ºC. US-patent nr.5.772.802 beskriver en fremgangsmåte hvori den støpte aluminiumlegeringsremsen bråkjøles, valses, glødes ved temperaturer mellom 315,56ºC og 648,89ºC for mindre enn 120 sekunder, etterfulgt av bråkjøling, valsing og elding.

US-patent nr.5.356.495 beskriver en fremgangsmåte i hvilken den støpte stripen varmvalses, varmopprulles og holdes ved en varmvalset temperatur i 2-120 minutter, etterfulgt av utrulling, bråkjøling og kaldvalsing ved lavere enn 148,89ºC, etterfulgt av gjenopprulling av båndet. US-patent nr. beskriver en fremgangsmåte for fremstilling av aluminiumsplater som omfatter varmvalsing av et aluminiumlegeringsark, gløding og oppløsningsbehandling uten vesentlig mellomkjøling og bråkjøling.

Ingen av de ovennevnte fremgangsmåter beskriver eller foreslår sekvensen av trinn ved den foreliggende oppfinnelse. Det fortsetter å være behov for å tilveiebringe en kontinuerlig i-linjefremgangsmåte for å fremstille varmebehandlet (T-herdet) og glødet (O-herdet) bånd med de ønskede egenskaper på kortere tid, med mindre eller ingen lagerbeholdning og mindre tap av skrap.

Den foreliggende oppfinnelsen løser de ovennevnte behov ved å tilveiebringe en fremgangsmåte for å fremstille aluminiumlegeringsbånd i en kontinuerlig i-linjesekvens innbefattende (i) tilveiebringe en kontinuerlig støpt aluminiumlegeringsremse som råmateriale; (ii) bråkjøle råmaterialet til den foretrukne varmvalsingstemperaturen; (iii) het eller varmvalse det bråkjølte råmaterialet til den nødvendige tykkelse, (iv) gløde eller oppløsningsbehandle råmaterialet i-linje, avhengig av ønsket legering og herding; og (v) valgfritt, bråkjøle råmaterialet. Ytterligere trinn innbefatter fortrinnsvis spenningsutjevning og opprulling.

Denne fremgangsmåten tillater fjerning av mange trinn og mye prosesseringstid, og resulterer likevel i et aluminiumlegeringsbånd med alle de ønskede egenskaper. Både varmebehandlede og O-herdede produkter fremstilles i den samme produksjonslinjen der smeltet metall omdannes til ferdig rull i løpet av omtrent 30 sekunder. Det er derfor et formål ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en kontinuerlig i-linjefremgangsmåte for å fremstille aluminiumlegeringsbånd med egenskaper tilsvarende til eller bedre enn den fremstilt med konvensjonelle fremgangsmåter.

Et ytterligere formål ved den foreliggende oppfinnelse er å tilveiebringe en kontinuerlig i-linjefremgangsmåte for å fremstille aluminiumlegeringsbånd hurtigere med henblikk på å minimalisere svinn og prosesseringstid.

Det er videre et formål ved den foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe en kontinuerlig i-linjefremgangsmåte for å fremstille aluminiumlegeringsbånd i en mer effektiv og økonomisk prosess.

Disse og andre formål ved den foreliggende oppfinnelse vil fremtre fra de følgende figurer, detaljerte beskrivelse og vedlagte krav.

Oppfinnelsen er videre illustrert ved de følgende tegninger, der:

Fig. 1 er et flytdiagram for trinnene i metoden i en utførelsesform av den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 er et skjematisk riss over en utførelsesform av apparatet benyttet til å utføre metoden ved den foreliggende oppfinnelsen.

Fig. 3 er en ytterligere utførelsesform av apparatet brukt i utførelsen av metoden ved den foreliggende oppfinnelse. Denne linje er utstyrt med fire valseverk for å oppnå en tynnere endelig tykkelse.

Fig. 4a er en graf som viser den equi-biaksiale strekkytelsen av 6022-T43 bånd (0,889 mm tykkelse) fremstilt i-linje sammenlignet med bånd fremstilt fra DC støpeblokk og varmebehandlet i adskilt utstyr.

Fig. 4b er en graf som viser den equi-biaksiale strekkytelsen av 6022-T4 legering fremstilt i-linje sammenlignet med bånd laget fra DC støpeblokk og varmbehandlet i adskilt utstyr.

Fig. 5 er et bilde av prøve 804908 (legering 6022 i T43 herding) etter e-maling (”ecoating”).

Fig. 6a er et bilde som viser kornstørrelsen av legering 6022 valset i linje til 0,889 mm tykkelse uten forbråkjøling.

Fig. 6b er et bilde som viser kornstørrelsen av legering 6022 valset i linje til 0,889 mm tykkelse med kjøling.

Fig. 7a avbilder en som-støpt struktur i legering 6022 i tverrsnitt.

Fig. 7b -7g viser i tverrsnitt mikrobilder av som-støpt struktur i legering 6022.

Fig. 8 avbilder den som-støpt mikrostruktur av Al 3,5% Mg legering i tverrsnitt.

Den foreliggende oppfinnelsen løser de ovennevnte behov ved å tilveiebringe en fremgangsmåte for å fremstille aluminiumlegeringsbånd i en kontinuerlig i-linjesekvens innbefattende (i) tilveiebringe en kontinuerlig støpt aluminiumlegeringsremse som råmateriale; (ii) bråkjøle råmaterialet til den foretrukne varmvalsingstemperaturen; (iii) het eller varmvalse det bråkjølte råmaterialet til den nødvendige tykkelse, (iv) gløde eller oppløsningsbehandle råmaterialet i-linje, avhengig av ønsket legering og herding; og (v) valgfritt, bråkjøle råmaterialet, etter hvilken den fortrinnvis spenningsutjevnes og rulles opp. Denne fremgangsmåten resulterer i et aluminiumlegeringsbånd med de ønskede dimensjoner og egenskaper. I en foretrukket utførelsesform rulles aluminiumlegeringsbåndet opp for senere bruk. Denne sekvensen av trinn gjenspeiles i flytdiagrammet i fig.1, som viser et kontinuerlig støpt aluminiumlegeringsremseråmateriale 1 som valgfritt sendes gjennom klippe- og beskjæringsstasjonene 2, bråkjøles for temperaturjustering 4, varmvalset 6, og valgfritt beskjæres 8. Råmaterialet blir så enten glødet 16 etterfulgt av passende bråkjøling 18 og valgfri opprulling 20 for å fremstille O-herdede produkter 22, eller oppløsningsbehandlet 10, etterfulgt av passende bråkjøling 12 og valgfri opprulling 14 for å fremstille T-herdede produkter 24.

Temperaturen ved varmetrinnet og etterfølgende bråkjølingstrinn vil, som kan ses i fig.

1, variere avhengig av den ønskede herding.

Betegnelsen ”gløde” refererer heri til en opphetingsprosess som forårsaker rekrystallisering av metallet, fremstille ensartet formbarhet og medvirke i kontroll av aksedannelse. Typiske temperaturer brukt i gløding av aluminiumlegeringer er i området fra omtrent 315,56ºC til 482,22ºC.

Betegnelsen ”oppløsningsbehandling” refererer heri til en metallurgisk prosess, der metallet holdes ved en høy temperatur, for slik å forårsake at annenfasepartiklene av legeringselementene oppløses inn i fast oppløsning. Temperaturer brukt i oppløsningsbehandling er generelt høyere enn den brukt i gløding, og kan gå opp til omtrent 571,11ºC. Denne tilstanden blir så opprettholdt ved bråkjøling av materialet med det formål å styrke det endelige produktet ved styrt utfelling (elding).

Betegnelsen ”råmateriale” refererer til aluminiumlegeringen i form av en remse.

Råmaterialet benyttet i utførelsen av den foreliggende oppfinnelsen kan fremstilles med en hvilken som helst kontinuerlig støpeteknikk velkjent for personer med kunnskap i faget. En foretrukket fremgangsmåte for å lage remsen beskrives i US 5.496.423 utstedt til Wyatt-Mair and Harrington. En annen foretrukket fremgangsmåte er som beskrevet i sampågående søknader serienr.10/078.638 (nå US-patent 6.672.368) og 10/377.376, der begge er tilskrevet oppfinneren av den foreliggende oppfinnelse. Den kontinuerlig støpte aluminiumlegeringsremsens tykkelse er helst i området fra omtrent 1,524 til 6,350 mm, fortrinnsvis omtrent 2,032 til 3,556 mm. Den største stripen vil typisk ha en bredde opp til omtrent 2.286 mm, avhengig av ønsket kontinuerlig prosessering og båndets endelige bruksområde.

Med henvisning til fig.2 er et foretrukket apparat brukt i utførelsen av en foretrukket utførelsesform av fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelsen er vist skjematisk. Smeltet metall som skal støpes holdes i smeltebeholdere 31, 33 og 35, sendes gjennom kanal 36 og klargjøres videre ved avgassing 37 og filtrering 39. Trakten 41 mater det smeltede metallet til den kontinuerlige støpemaskinen 45. Metallråmaterialet 46 som kommer ut fra støpemaskinen 45 drives gjennom valgfrie klipp 47 og beskjæring 49 stasjoner for kantbeskjæring og tverrgående avklipping, etter hvilke den sendes til en bråkjølingsstasjon 51 for justering av valsetemperatur. Klippestasjonen opereres når prosessen blir avbrutt, når prosessen kjører, er klippestasjonen åpen.

Etter bråkjøling 51, sendes råmaterialet 46 gjennom et valseverk 53, hvorfra det kommer ut med den nødvendige endelige tykkelsen. Råmaterialet 46 sendes gjennom et målingsinstrument som måler tykkelse 54, en formmåler 55, og valgfritt beskjærer 57, og blir deretter glødet eller oppløsningsbehandlet i varmebehandleren 59.

Etterfølgende gløding/oppløsningsbehandling i varmebehandleren 59 sendes råmaterialet 46 gjennom et profilmåleinstrument 61, og valgfritt bråkjøles ved bråkjølingsstasjonen 63. Ytterligere trinn innbefatter å sende råmaterialet 46 gjennom en spenningsutjevner for å utflate båndet ved stasjonen 65, og utsette den for overflateinspeksjon ved stasjonen 67. Det resulterende aluminiumlegeringsbåndet rulles deretter opp ved opprullingsstasjonen 69. Den totale lengden av prosesseringslinjen fra støper til oppruller er estimert til omtrent 76,2 m. Den totale prosesseringstid fra smeltet metall til rull er således 30 sekunder.

En hvilken som helst av et utvalg bråkjølingsinnretninger kan bli brukt i utførelsen av den foreliggende oppfinnelsen. Bråkjølingsstasjonen er typisk en innretning der en kjølevæske, enten i flytende eller gassform, sprayes på det varme råmaterialet for å hurtig redusere dens temperatur. Egnede kjølevæsker innbefatter vann, luft, flytende gasser slik som karbondioksid og tilsvarende. Det er foretrukket at bråkjølingen utføres raskt for å redusere det varme råmaterialets temperatur hurtig for å hindre vesentlig utfelling av legeringselementer fra den faste løsningen.

I alminnelighet reduserer bråkjølingen ved stasjon 51 råmaterialets temperatur etter hvert som det kommer ut fra den kontinuerlige støperen fra omtrent 537,78ºC til den ønskede het- eller varmvalsingstemperatur. I alminnelighet vil råmaterialet forlate bråkjølingen ved stasjon 51 med en temperatur i området fra omtrent 204,44ºC til 482,22ºC avhengig av ønsket legering og herding. Vannsprøyter eller en luftbråkjøler kan brukes for dette formål.

Het- eller varmvalsing 53 utføres typisk ved temperaturer innenfor området omtrent 204,44ºC til 548,89ºC, fortrinnsvis 371,11ºC til 537,78ºC. Omfanget av tykkelsesreduksjonen påvirkes av hetvalsingstrinnet ved den foreliggende oppfinnelse er tiltenkt å oppnå den krevde endelige tykkelse. Dette innebærer typisk en reduksjon med omtrent 55%, og den som-støpt rensetykkelsen justeres slik at denne reduksjonen oppnås.

Båndets temperatur ved utgangen av valsestasjonen er mellom omtrent 148,89ºC og 454,44ºC, fortrinnsvis 287,78ºC til 426,67ºC, siden båndet kjøles av valsene i løpet av valsing.

Fortrinnsvis vil råmaterialets tykkelse som det kommer ut fra valsestasjonen 53 være omtrent 0,508 til 3,81 mm, ytterligere fortrinnsvis omtrent 0,762 til 2,032 mm.

Oppvarmingen utført ved varmebehandleren 59 er bestemt av legeringen og herdingen ønsket i det endelige produkt. I en foretrukket utførelsesform, for T-herdinger, vil råmaterialet oppløsningsbehandles i-linje ved temperaturer over omtrent 510ºC, fortrinnsvis omtrent 526,67ºC til 537,78ºC. Oppvarmingen utføres over en periode av omtrent 0,1 til 3 sekunder, fortrinnsvis omtrent 0,4 til 0,6 sekunder.

I en annen foretrukket utførelsesform, når O-herding er ønsket, vil råmaterialet bare behøve gløding som kan oppnås ved lavere temperaturer, typisk omtrent 371,11ºC til 510ºC, fortrinnsvis omtrent 426,67ºC til 482,22ºC avhengig av legeringen. Igjen utføres oppvarmingen over en periode av 0,1 til 3 sekunder, fortrinnsvis omtrent 0,4 til 0,6 sekunder.

Tilsvarende vil bråkjølingen ved stasjon 63 avhenge av herdingen ønsket i det endelige produkt. Eksempelvis vil råmaterialet som har blitt oppløsningsbehandlet, bli bråkjølt, fortrinnsvis luft- og vannbråkjølt, til omtrent 43,333ºC til 121,11ºC, fortrinnsvis til omtrent 71,111ºC til 82,222ºC og deretter rullet opp. Fortrinnsvis er bråkjøleren ved stasjon 63 en vannbråkjøler eller en luftbråkjøler eller en kombinert bråkjøler, der vann benyttes først for å bringe båndets temperatur til rett over Leidenfrost-temperaturen (omtrent 287,78ºC for mange aluminiumlegeringer) og fortsettes med en luftbråkjøler. Denne fremgangsmåten vil kombinere vannbråkjølingens fordel av hurtig nedkjøling med luftstrålenes lavspenningsbråkjøling som vil frembringe en høykvalitetsoverflate i produktet og vil minimalisere forvrengning. For varmebehandlede produkter foretrekkes en utgangstemperatur ved 93,333ºC eller lavere.

Produkter som har blitt glødet snarere enn varmebehandlet vil bli bråkjølt, fortrinnsvis luft- og vannbråkjølt, til omtrent 43,333ºC til 382,22ºC, fortrinnsvis til omtrent 360ºC til 371,11ºC for noen produkter og til lavere temperaturer omkring 93,333ºC for andre produkter som er utsatt for utfelling av intermetalliske forbindelser i løpet av kjøling, og deretter opprullet.

Selv om prosessen ved oppfinnelsen beskrevet hittil i en utførelsesform som har et enkelt trinn het- eller varmvalsing for å oppnå den foreskrevne endelige tykkelse, er andre utførelsesformer tiltenkt, og en hvilken som helst kombinasjon av varm- og kaldvalsing kan bli bruk for å oppnå tynnere tykkelser, for eksempel tykkelser omtrent 0,1778 mm til 1,905 mm. Valseverkanordningen for tynne tykkelser kunne innbefatte et hetvalsingstrinn, etterfulgt av het- og/eller kaldvalsingstrinn som nødvendig. I en slik anordning skal gløde- og oppløsningsvarmebehandlingsstasjonen plasseres etter at den endelige tykkelsen er oppnådd, etterfulgt av bråkjølerstasjonen. Ytterligere i-linje glødetrinn og bråkjølere kan plasseres mellom valsetrinn for mellomgløding og for å holde det oppløste i oppløsning, som nødvendig. Forbråkjøleren før hetvalsing må innbefattes i enhver slik anordning for justering av remsetemperaturen for å regulere kornstørrelse. Prebråkjølingstrinnet er en nødvendighet for legeringer utsatt for sprøhet ved høye temperaturer (”hot shortness”).

Fig. 3 viser skjematisk et apparat for en eller flere alternative utførelsesformer hvori ytterligere oppvarming og valsetrinn utføres. Metall oppvarmes i en smelteovn 80 og det smeltede metallet holdes i smeltebeholdere 81, 82. Det smeltede metallet sendes gjennom kanalen 84 og klargjøres videre ved avgassing 86 og filtrering 88. Trakten 90 mater det smeltede metallet til den kontinuerlige støperen 92, ikke-begrensende eksemplifisert ved en beltestøper. Metallråmaterialet 94 som kommer ut fra støperen 92 sendes gjennom valgfrie klipp 96 og beskjæringsstasjoner for kantbeskjæring og tverrgående avkutting, etter hvilke den sendes til en valgfri bråkjølingsstasjon 100 for justering av valsetemperaturen.

Etter bråkjøling 100 sendes råmaterialet 94 gjennom et hetvalsingsverk 102, fra hvilket det kommer ut med en mellomtykkelse. Råmaterialet 94 utsettes deretter for ytterligere hetvalsing 104 og kaldvalsing 106, 108 for å oppnå den ønskede endelige tykkelse.

Råmaterialet 94 blir deretter valgfritt beskåret 110 og deretter glødet eller oppløsningsbehandlet i varmebehandleren 112. Etterfølgende gløding/oppløsningsbehandling i varmebehandleren 112 sendes råmaterialet 94 valgfritt gjennom et profilmåleinstrument 113, og er valgfritt bråkjølt ved bråkjølingsstasjonen 114. Det resulterende bånd utsettes for røntgen 116, 118 og overflateinspeksjon 120 og deretter valgfritt opprullet.

Passende aluminiumlegeringer for varmebehandlede legeringer innbefatter, men er ikke begrenset til, dem fra 2XXX, 6XXX og 7XXX seriene. Passende ikke-varmebehandlede legeringer innbefatter, men er ikke begrenset til, dem fra 1XXX, 3XXX og 5XXX seriene. Den foreliggende oppfinnelsen er anvendelig også for nye og ikke-konvensjonelle legeringer ettersom den har et bredt operasjonsvindu både med hensyn til støping, valsing og i-linjeprosessering.

EKSEMPLER

De følgende eksemplene er tiltenkt å illustrere oppfinnelsen og skal ikke oppfattes som begrensende for oppfinnelsen på noen måte.

Eksempel 1: I-linjefremstilling av en varmebehandlbar legering

En varmebehandlbar aluminiumlegering ble prosessert i-linje ved hjelp av fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelsen. Sammensetningen av støpen var utvalgt fra et utvalg av 6022 legering som brukes til karosseriplater. Analysen av smelten var som følger:

Element Vektprosent

Si 0,8

Fe 0,1

Cu 0,1

Mn 0,1

Mg 0,7

Aluminiumlegeringen var støpt til 2,159 mm tykkelse ved en hastighet på 76,2 m i minuttet og var prosessert i-linje ved hjelp av hetvalsing i ett trinn til en endelig tykkelse på 0,889 mm, etterfulgt av oppvarming til 526,67ºC i 1 sekund for oppløsningsbehandling hvoretter den ble bråkjølt til 71,111ºC ved hjelp av vanndusjer og ble rullet opp. Prøver ble deretter fjernet fra de ytterste lagene av rullen for vurdering. Et sett med prøver fikk anledning til å stabilisere ved romtemperatur over 4-10 dager for å oppnå T4-herding. Et andre sett ble utsatt for en spesiell foreldingsbehandling ved 82,222ºC over 8 timer før den ble stabilisert. Denne spesielle herdingen kalles T43. Prøvenes ytelse ble vurdert ved hjelp av flere tester som innbefatter reaksjon på hemming, uniaksial spenning, equi-biaksial strekking (hydraulisk utbuling) og elding i en billakkerherdecyklus. De oppnådde resultater ble sammenlignet med resultater oppnådd av bånd fra av samme legering fremstilt ved den konvensjonelle støpeblokkfremgangsmåten. Deformerte prøver fra den hydrauliske utbulingstesten ble også utsatt for en simulert billakkeringscyklus for å sjekke overflatekvalitet og reaksjon på lakkering. På alle måter yter båndet fremstilt i-linje ved den foreliggende fremgangsmåte vel så godt som eller bedre enn det fra støpeblokkfremgangsmåten.

Tabell 1: Strekkegenskaper ved 6022-T43 bånd fremstilt i-linje ved den foreliggende fremgangsmåten. Målinger ble gjort etter ni dager med naturlig elding for ASTM prøveeksemplarene. Støpeblokk: 031009

Bemerkninger: 1. T43 herding ble oppnådd ved å holde prøvene ved 82,222ºC over 8 timer i en adskilt ovn etter fremstilling. Tiden mellom fremstilling og tidspunktet ble puttet inn i ovnen var mindre enn 10 minutter.

Resultatene fra strekktestingen er vist i tabell 1 for T43 tilstandsbånd i sammenligning med resultater typisk for bånd laget fra støpeblokk. Det bemerkes at på alle måter overgår båndets egenskaper, der båndet er fremstilt med den foreliggende fremgangsmåten, kunden krav og meget sammenlignbare med for konvensjonelle bånd i samme tilstand. Med hensyn til egenskapenes isotropi, eksempelvis målt ved anisotropi koeffisientene, oppnår båndet ved den foreliggende fremgangsmåten 0,897 sammenlignet med 0,668 for støpeblokken. I disse testene ble det også funnet en overveiende høyere deformasjonsherdingskoeffisient 0,27 (sammenlignet med 0,23 for støpeblokk). Begge disse funnene er viktige fordi de antyder at båndet ved den foreliggende metode er mer isotropt og bedre i stand til å motstå tynning under formingsoperasjoner.

Tilsvarende observasjoner gjelder også for båndprøvene i T4 tilstand.

Flate ”hemmings”-forsøk ble utført etter 28 dagers elding ved romtemperatur. I disse testene ble det anvendt en prestrekk på 11% sammenlignet med 7% krevd i kundespesifikasjoner. Selv under disse mer strenge betingelser oppnådde alle prøver en godtagbar klassifisering av to eller en, tabell 2. I tilsvarende testing viser bånd laget fra støpeblokk et gjennomsnitt på 2-3 i den langsgående ”hems” og 2 i den tverrgående ”hems”. Dette antyder at bånd fremstilt i-linje har overlegen ”hemmabilitet”. Noen prøver ble oppløsningsbehandlet adskilt fra linjen i et saltbad etter fremstilling. Disse prøvene viste også utmerket ”hemming”-ytelse som vist i tabell 2.

Tabell 2: Flat ”hem”-klassifisering (ved 11% prestrekk) etter 28 dager naturlig elding for legering 6022 ved 0,889 mm tykkelse (støp nummer: 030820)

Anmerkninger:

1. T43 tilstand ble oppnådd ved å holde prøvene ved 82,2ºC i 8 timer i en separat ovn etter fremstilling. Tiden mellom fremstilling og tidspunktet prøvene ble puttet inn i ovnen var mindre enn 10 minutter.

2. Krav for ”hemming”: En klassifisering av 2 eller mindre ved 7% forstrekk.

I equi-biaksial strekking ved hjelp av hydraulisk utbuling var ytelsen for båndet laget ilinje sammenlignbar med dem for bånd laget fra støpeblokk, som sett i spenningstøyningskurvene i fig.4a og 4b. Denne observasjon gjelder for både T4 tilstand og T43 tilstand. Ytelsen i denne testen var spesielt viktig fordi det er velkjent at kontinuerlig støpte materialer typisk ikke yter bra i denne testen på grunn av tilstedeværelsen av senterlinjesegrering av grove intermetalliske partikler.

Reaksjon på lakkere-bakecyklus ble evaluert ved å holde prøvene i en ovn ved 170ºC for en periode av 20 minutter (Nissan cyklus). Prøvenes konvensjonelle flytegrense økte med opp til 90 MPa ved denne behandlingen, tabell 3. I alle tilfeller ble det foreskrevne minimum 157 MPa lett møtt for T43 tilstanden. Den samlede reaksjon for denne tilstanden var sammenlignbar med snittytelsen for bånd fremstilt fra DC støpeblokk. Som forventet var T4 tilstandsprøvene noe utilfredsstillende i dette henseendet.

Tabell 3: Lakkere-herdereaksjon for legering C710 fremstilt i Reno ved valsetykkelse 0,889 mm. Støp nummer: 030820. Nissan/Toyota lakkereherdecyklus: 2% strekk, 170ºC/20 minutter. Foreskrevet konvensjonell flytegrense: min.190 MPa.

PB = lakkerer-herd (LH)

Anmerkninger:

1. Prøvene ble holdt ved 82,2ºC i 8 timer for T43 tilstand (bråkjølingseldet)

2. Prøvene 804912 og 804914: Laboratorieoppløsningsbehandlet ble utført i et saltbad under de indikerte forhold etterfulgt av vannbråkjøling.

De hydrauliske utbulingsprøvene ble inspisert med hensyn til overflatekvalitet og ble funnet å ikke vise noen uønskede trekk slik som appelsinhud, blærer etc. Utvalgte utbulingsprøver ble utsatt for en simulert billakkeringscyklus. Fig.5 viser utmerket lakkert overflatekvalitet uten penselstriper, blærer eller lineære trekk.

Bånd ved endelig tykkelse ble undersøkt med hensyn til kornstørrelse, og ble funnet å ha en gjennomsnittlig kornstørrelse på 27 µm i langsgående retning og 36 µm i tykkelsesretningen, fig. 6a. Dette er vesentlig mindre enn de typiske 50-55 µm for bånd laget av støpeblokk. Siden en fin kornstørrelse overveiende er anerkjent å være fordelaktig, er det sannsynlig at en god del av gode/overlegne egenskapene ved båndet fremstilt ved den foreliggende metode skyldes dette forhold. Det ble funnet at enda finere kornstørrelse kunne oppnås i den foreliggende fremgangsmåten ved å hurtig kjøle remsen til omtrent 371ºC før den valses. Denne virkningen illustreres i fig.6a og 6b, der de to prøvene vises side ved side. Kornstørrelsen i den kjølte prøven (Fig.6b) var 20 µm i langsgående og 27 µm i tverrgående retning, som er respektive 7 og 9 µm finere enn dem observert i båndet som ikke ble avkjølt før bråkjølingen (Fig.6a).

Prøver fra som-støpt remsen ble bråkjølt og undersøkt metallurgisk for videre å forstå fordelene ved tynnremsestøping. Prøvene viste den trelagsstrukturen karakteristisk for Alcoa remsestøpeprosessen. Remsens overflater var rene (ingen utseigring, blærer eller andre overflatefeil) med en fin mikrostruktur. I motsetning til materialet kontinuerlig støpt ved hjelp av Hazelett-beltestøpere eller valsestøpere, viser remsen ved den foreliggende fremgangsmåten ingen senterlinjesegregasjon av grove intermetalliske forbindelser. Tvert imot, den siste væsken som størknet hadde dannet fine annen fasepartikler mellom kornene i en sentersone som dekket omtrent 25% av utsnittet. Dette fraværet av en tydelig senterlinjesegregasjon i den foreliggende fremgangsmåten forårsaket de observerte gode mekaniske egenskaper, spesielt i den equi-biaksiale strekktesten. Mesteparten av de observerte annen fasepartiklene var AlFeSi fase med en gjennomsnittsstørrelse < 1 µm. Noen Mg2Si partikler ble sett i prøvens sentersone, men ingen ble funnet i de ytre ”skall”. Dette antyder at den hurtige størkningen i støperen var i stand til å holde de oppløste elementene i løsning i strukturens ytre soner. Dette forhold, kombinert med remsens helhetlige fine mikrostruktur (se tabell 4), muliggjorde den fullstendige oppløsningen av alle oppløste elementer ved vesentlig lavere oppløsningsbehandlingstemperaturer, 510-527ºC, enn 571ºC som ville vært nødvendig for bånd fremstilt fra DC støpeblokk.

Tabell 4: Egenskaper ved partikkelbestanddeler og porer funnet i som-støpt prøver av legering C710 (støp nummer: 030820)

Porer Bestanddeler

Posisjon i remsen Gj.diameter Areal Gj.diameter Areal µm % µm %

Senter, tverrgående 0,37 0,37 0,50 0,143 Senter, langsgående 0,38 0,34 0,31 0,077

Gjennomsnitt 0,38 0,36 0,41 0,11 Skall, tverrgående 0,35 0,21 0,32 0,23 Skall, langsgående 0,33 0,25 0,28 0,19

Gjennomsnitt 0,34 0,23 0,30 0,21

Anmerkninger:

1. Bestanddelene var fortrinnsvis AlFeSi fase. Små mengder av Mg2Si ble også sett i sentersonen.

2. Hvert resultat er et gjennomsnitt av 20 forskjellige bilder.

Eksempel 2: I-linjefremstilling av en ikke-varmebehandlbar legering

En ikke-varmebehandlbar aluminiumlegering ble prosessert ved fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelsen. Sammensetningen av støpen ble valgt fra et utvalg av 5754 legeringen som anvendes til innvendige karosseriplater og armeringer. Analysen av smelten var som følger:

Element Vektprosent

Si 0,2

Fe 0,2

Cu 0,1

Mn 0,2

Mg 3,5

Legeringen ble støpt til en remse med tykkelse på 2,159 mm ved en hastighet på 76,2 m pr. minutt. Remsen ble først avkjølt til omtrent 371ºC ved hjelp av vanndusjer plassert forut for valseverket, hvoretter den umiddelbart ble prosessert i-linje til en endelig tykkelse på 1,016 mm ved hjelp av varmvalsing i ett trinn, etterfulgt av oppvarming til 482ºC i 1 sekund for rekrystalliseringsgløding hvoretter den ble bråkjølt til 87,8ºC ved hjelp av vanndusjer og ble oppkveilet. Prøvenes ytelse ble undersøkt ved hjelp av uniaksial strekkprøving og begrenset kuppelhøyde (”limiting dome height” (LDH)).

Resultatene fra strekkprøvingen er vist i tabell 5. Prøvens konvensjonelle flytgrense (TYS) og forlengelse i langsgående retning var respektive 105 MPa og 25,7%, godt over minimumskravene for legering 5754 ved henholdsvis 83 MPa og 17%. Strekkfastheten (UTS) var 242 MPa, midt i det spesifiserte området mellom 200-267 MPa. I den begrensede kuppelhøydetesten ble det målt en verdi på 24,2 mm som møtte minimumskravet på 23,4 mm. Disse verdiene sammenholdt godt med typiske egenskaper rapportert for bånd fremstilt med DC støpeblokk. Bånd ved den foreliggende oppfinnelsen hadde en høyere forlengelse, høyere strekkfasthet (UTS) og høyere deformasjonsherdingskoeffisient n. Det var forventet en høyere anistropiverdi r, men det ble ikke bekreftet i testingen av denne prøven. r-verdien var 0,864 sammenlignet med 0,92 for DC båndet.

Bånd ved endelig tykkelse ble undersøkt med hensyn til kornstørrelse og ble funnet å ha en gjennomsnittlig kornstørrelse 11-14 µm (ASTM 9,5). Dette er vesentlig finere enn de typiske 16 µm for bånd laget fra støpeblokk. Siden en fin kornstørrelse er anerkjent å være overveiende fordelaktig, er det sannsynlig at en del av de gode/overlegne egenskapene ved båndet fremstilt ved den foreliggende fremgangsmåten skyldtes dette forhold.

Som-støpt remseprøver ble bråkjølt og undersøkt metallografisk. Til tross for forskjellene i kjemisk sammensetning viste som-støpt prøvene den samme trelagsstrukturen som ble beskrevet ovenfor for legering 6022, fig.8. Dette bekrefter at den tresjiktfine mikrostrukturen som muliggjør i-linjeprosessering av remsen beskrevet i denne oppfinnelsen, er et særtrekk ved Alcoa remsestøpeprosessen.

Variasjoner over fremstillingsrekkefølgen ble også undersøkt. I en test ble 1,2446 mm tykt bånd fremstilt i-linje uten i-linjeglødingen, tabell 5. Prøven ble deretter hurtigglødet adskilt fra linjen i et saltbad ved 524ºC i 15 sekunder etterfulgt av vannbråkjøling. Den prøven viste tilsvarende egenskaper og en høy r verdi sammenlignet med dem beskrevet ovenfor for bånd fremstilt i-linjegløding. Dette samsvaret bekreftet at i-linjefremstilling er i stand til å utvikle de fullstendige egenskaper ved legeringen i O-tilstand. I et annet forsøk ble remsen varmvalset i-linje til 1,2446 mm tykkelse og ble bråkjølt til 71,1ºC med ingen i-linjegløding. Den ble deretter kaldvalset til 0,889 mm tykkelse og ble hurtigglødet ved 510ºC i 15 sekunder, tabell 5. Det båndet utviklet også gode mekaniske egenskaper. Disse observasjonene antydet at varm- og kaldvalsing kunne kombineres med en i-linjeavsluttende gløding for å fremstille O-tilstandsbånd i et bredt tykkelsesområde ved den foreliggende oppfinnelse.

Anmerkninger:

1. AA registrerte krav for 5754. Konvensjonell flytgrense (TYS) = 82,7 MPa min. (L). Strekkfasthet (UTS) = 200-269 MPa (L). Forlengelse 17% min. (L). LDH = 23,4 mm min.

2. Prøvene 805314 og 805035 ble glødet adskilt fra linjen i et saltbad ved 510ºC og 524ºC i 15 sekunder hvoretter de ble bråkjølt i vann.

Eksempel 3: I-linjefremstilling av en ikke-varmebehandlbar ultrahøy Mg legering En Al-10% Mg legering ble fremstilt ved fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelsen. Sammensetningen av smelten var som følger:

Element Vektprosent

Si 0,2

Fe 0,2

Cu 0,2

Mn 0,3

Mg 9,5

Legeringen ble støpt til en stripetykkelse 2,108 mm ved en hastighet på 70,1 m pr. minutt. Remsen ble først avkjølt til omtrent 343ºC ved hjelp av vanndusjer plassert forut for valseverket. Den ble deretter umiddelbart varmvalset i-linje i ett trinn til en endelig tykkelse 0,889 mm etterfulgt av en gløding ved 460ºC i 1 sekund for rekrystallisering og sprøytebråkjøling til 87,8ºC. Båndet ble deretter oppkveilet. båndets ytelse i O-tilstand ble vurdert ved hjelp av uniaksiale strekkprøvinger på ASTM-4 d prøver tatt fra de ytterste viklene på kveilen. I den langsgående retningen viste prøvene konvensjonell flytegrense og strekkfasthetsverdier på respektive 224 og 405 MPa. Disse veldig høye fasthetsnivåene, høyere enn omtrent 30% i forhold til rapporterte verdier for tilsvarende legeringer, ble fulgt av høy forlengelse: 32,5% total forlengelse og 26,6% uniform forlengelse. Prøvene viste veldig fine kornstrukturer ved ~ 10 µm størrelse.

Eksempel 4: I-linjefremstilling av en resirkulerbar karosseriplatelegering

En Al-1,4% Mg legering ble fremstilt ved fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelsen. Sammensetningen av smelten var som følger:

Element Vektprosent

Si 0,2

Fe 0,2

Cu 0,2

Mn 0,2

Mg 1,4

Legeringen ble støpt til en remsetykkelse 2,184 mm ved en hastighet på 73,2 m pr. minutt. Den ble valset til 1,016 mm tykkelse i ett trinn, hurtigglødet ved 510ºC, hvoretter den ble vannbråkjølt og oppkveilet. Bråkjølingen av det oppkveilede båndet ble gjort på to forskjellige måter for å oppnå O-tilstand og T-tilstand ved hjelp av forskjellige innstillinger av etterbråkjølingen 63. For T-tilstand ble stripen forbråkjølt ved bråkjøler 53 til omtrent 371ºC før varmvalsing til tykkelse og ble etterbråkjølt til 76,7ºC. I et annet tilfelle ble båndet etterbråkjølt til omtrent 371ºC og ble oppkveilet varmt for å danne O-tilstand. O-tilstandskveilen ble utført både ved varmvalsing og ved hetvalsing.

Båndets ytelse ble vurdert ved hjelp av uniaksiale strekkprøvninger på ASTM-4 d prøver og ved hjelp av hydraulisk utbulingstest. I T-tilstand viste båndet konvensjonell flytegrense, strekkfasthet og forlengelsesverdier godt over kravene for legering 5754 i O-tilstand og like gode som dem tilgjengelige for bånd laget ved den konvensjonelle støpeblokkfremgangsmåten. I den hydrauliske utbulingstesten var ytelsen av T-tilstand AX-07 også veldig lik den for legering 5754. Dette antyder at AX-07 i T-tilstand fremstilt ved fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelse kan brukes til å erstatte 5754 bånd i innvendige karosserideler og armeringer for bilanvendelser. En slik erstatning vil ha fordelen å gjøre disse delene resirkulerbare over i 6xxx serielegeringer, i kraft av det lavere Mg innholdet, brukt i ytre karosserideler uten behov for rensing.

Prøver ble også undersøkt i O-tilstand fremstilt ved den foreliggende fremgangsmåten. I den tilstanden var fasthetsnivåene lavere, omtrent 60,7 MPa konvensjonell flytegrense og 159 MPa strekkfasthet. Ytelsen i den hydrauliske utbulingstesten ble bedre tilsvarende ytelsen av konvensjonell 5754. Denne tilstanden tilbyr således et materiale som vil formes lettere ved lavere trykk.

Ettersom enkelte utførelsesformer av oppfinnelsen er blitt beskrevet ovenfor med formål å tydeliggjøre, vil det bli åpenbart for de med kunnskap i faget at en mengde endringer ved detaljene ved den foreliggende oppfinnelse kan gjøres uten å forlate oppfinnelsen som definert i de vedlagte krav.

Claims

Patentkrav

1.

Fremgangsmåte for fremstilling av O-tilstand aluminiumlegeringsbånd i en kontinuerlig i-linjesekvens, k a r a k t e r i s e r t v e d å:

(i) tilveiebringe en kontinuerlig støpt eller smal støpt aluminiumlegeringsremse som råmateriale;

(ii) bråkjøle råmaterialet med en bråkjølingsinnretning til en temperatur for innmating i et het- eller varmvalseverk;

(iii) het- eller varmvalseråmateriale; og

(iv) gløde råmaterialet i-linje for å fremstille O-tilstand aluminiumlegeringen.

2.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d å videre innbefatte spenningsutjevning og oppkveiling av aluminiumlegeringsbåndet uten å behøve kaldvalsing forut for utjevningen og oppkveilingen av aluminiumlegeringsbåndet.

3.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at het- eller varmvalsingstrinnet (iii) utføres ved en temperatur fra omtrent 204ºC til 549ºC.

4.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at råmaterialets temperatur idet det forlater valsingen i trinn (iii) er omtrent 149ºC til 454ºC.

5.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at råmaterialet forlater bråkjølingsinnretningen ved en temperatur omtrent 204ºC til 482ºC.

6.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at råmaterialet i trinn (iv) glødes i-linje ved en temperatur fra omtrent 371ºC til 510ºC.

7.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at glødingen utføres over en periode fra omtrent 0,1 til 10 sekunder.

8.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d videre å innbefatte bråkjøling av råmaterialet etter trinn (iv) til en temperatur fra omtrent 43ºC til 382ºC.

9.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at bråkjølingen av råmaterialet i trinn (ii) er til en temperatur lavere enn 399ºC.

10.

Fremgangsmåte som angitt i krav 1, k a r a k t e r i s e r t v e d at den kontinuerlig støpte aluminiumlegeringsremsen har en tykkelse fra omtrent 1,524 mm til 6,35 mm.