PL187863B1

PL187863B1 - Sposób obróbki cieplnej stopu aluminiowego zawierającego magnez i krzem

Info

Publication number: PL187863B1
Application number: PL35004899A
Authority: PL
Inventors: Ulf Tundal; Reiso Oddvin
Original assignee: Norsk Hydro As
Priority date: 1999-02-12
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2004-10-29
Also published as: PL350048A1

Abstract

1. Sposób obróbki cieplnej stopu aluminiowego zawierającego magnez i krzem typu Al-Mg-Si, . poddawanego procesowi starzenia, przy czym starzenie odbywa się po ochłodzeniu wyciśniętego wypływowo wyrobu i przebiega dwuetapowo, przy czym w pierwszym etapie, w którym profil wytłoczony wypływowo podgrzewa się do temperatury w zakresie 100°C i 170°C (373°K i 443°K) oraz w drugim etapie, w którym profil wytłoczony wypływowo podgrzewa się do końcowej utrzymywanej temperatury w zakresie 160°C i 220°C (433°K i 493°K), znamienny tym, że w pierwszym etapie szybkość podgrzewania wynosi co najmniej 100°C (100°K) na godzinę a w drugim etapie szybkość podgrzewania wynosi pomiędzy 5°C i 50°C (5°K i 50°K), przy czym całkowity cykl starzenia stopu trwa od 3 do 24 godzin.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób obróbki cieplnej stopu aluminiowego zawierającego magnez i krzem.

Wynalazek dotyczy obrabialnego cieplnie stopu aluminiowego typu Al-Mg-Si, który po ukształtowaniu zostaje poddany procesowi starzenia obejmującego pierwszy etap, w którym profil wytłoczony wypływowo podgrzewa się i drugi etap, w którym profil wytłoczony wypływowo podgrzewa się do końcowej temperatury.

Podobna praktyka starzenia została opisana w dokumencie WO 95.06759. Według tej publikacji starzenie jest wykonywane w temperaturze pomiędzy 150°C i 200°C (423°K i 473°K) a szybkość grzania jest od 10°C do 100°C (od 10°K do 100°K) na godzinę, korzystnie od 10°C do 70°C (od 10°K do 70°K) na godzinę. Zaleca się, jako alternatywę równoważną do tego, w celu nie przekraczania ogólnej szybkości grzania wewnątrz wymaganego powyższego przedziału, dwustopniowy harmonogram grzania, w którym sugeruje się utrzymywaną temperaturę o wielkości mieszczącej się w zakresie od 80°C do 140°C (353°K-413°K).

Celem wynalazku jest dostarczenie stopu aluminiowego, który po starzeniu ma lepsze właściwości mechaniczne niż przy tradycyjnych procedurach starzenia i który wymaga krótszych ogólnych czasów starzenia niż przy praktyce starzenia opisanej w dokumencie WO 95.06759. Przy stosowaniu procedury dwuzakresowej szybkości starzenia, wytrzymałość zostaje zmaksymalizowana przy minimalnym ogólnym czasie starzenia.

187 863

Pozytywny wpływ na wytrzymałość mechaniczną procedury dwuzakresowej szybkości starzenia może być wyjaśniony przez fakt, że przedłużony czas przy niskiej temperaturze generalnie wzmaga proces formowania się wyższego zagęszczenia wytrąceń Mg-Si. Jeżeli cała operacja starzenia byłaby przeprowadzana przy takiej niskiej temperaturze, ogólny czas starzenia przekraczałby granice praktyczności a wydajność pieców do starzenia byłaby zbyt niska. Przy powolnym wzroście temperatury w czasie dochodzenia do finalnej temperatury starzenia, wysoka liczba wytrąceń połączonych w ziarna przy niskiej temperaturze, będzie ciągle wzrastać. Rezultatem będzie wysoka ilość wytrąceń i poziom wytrzymałości mechanicznej towarzyszący niskiej temperaturze starzenia ale też i znacznie krótszy ogólny czas starzenia.

Dwustopniowe starzenie będzie dawało także udoskonalenia w zakresie wytrzymałości mechanicznej, ale przy szybkim grzaniu, od pierwszej utrzymywanej temperatury do drugiej utrzymywanej temperatury, wystąpi istotna możliwość cofania się najmniejszych wytrąceń przy niższej ilości powstających wytrąceń utwardzających, co w rezultacie da niższą wytrzymałość mechaniczną. Inna korzyść procedury dwuzakresowej szybkości starzenia, w porównaniu z normalnym starzeniem i także z dwustopniowym starzeniem, jest taka, że powolne grzanie zapewni lepszy rozkład temperatury w grzanym ładunku. Rozkład temperatury w całym ładunku wyciśniętych wypływowo profilów będzie prawie niezależny od rozmiaru ładunku, gęstości upakowania i grubości ścianek wyciśniętych wypływowo profilów. Rezultatem będzie lepsza powtarzalność właściwości mechanicznych niż przy innych rodzajach procedur starzenia.

Sposób obróbki cieplnej stopu aluminiowego zawierającego magnez i krzem typu Al-Mg-Si, poddawanego procesowi starzenia, przy czym starzenie odbywa się po ochłodzeniu wyciśniętego wypływowo wyrobu i przebiega dwuetapowo, przy czym w pierwszym etapie, w którym profil wytłoczony wypływowo podgrzewa się do temperatury w zakresie 100°C i 170°C (373°K i 443°K) oraz w drugim etapie, w którym profil wytłoczony wypływowo podgrzewa się do końcowej utrzymywanej temperatury w zakresie 160°C i 220°C (433°K i 493°K), według wynalazku charakteryzuje się tym, że w pierwszym etapie szybkość podgrzewania wynosi co najmniej 100°C (100°K) na godzinę a w drugim etapie szybkość podgrzewania wynosi pomiędzy 5°C i 50°C (5°K i 50°K), przy czym całkowity cykl starzenia stopu trwa od 3 do 24 godzin.

Po pierwszym etapie starzenia stop przetrzymuje się od 1 godziny do 3 godzin, w temperaturze pomiędzy 130°C i 160°C (403°K i 433°K).

Końcowa temperatura starzenia wynosi przynajmniej 165°C (438°K), korzystnie końcowa temperatura starzenia wynosi co najwyżej 205°C (478°K).

W drugim etapie grzania szybkość grzania wynosi przynajmniej 7°C (7°K) na godzinę, korzystnie szybkość grzania wynosi co najwyżej 30°C (30°K) na godzinę.

Temperatura końcowa pierwszego etapu grzania jest w zakresie 130°C i 160°C (403°K i 433°K).

Ogólny czas starzenia stopu według wynalazku wynosi przynajmniej 5 godzin a korzystnie ogólny czas starzenia wynosi co najwyżej 12 godzin.

W porównaniu do procedury starzenia opisywanej w dokumencie WO 95.06759, gdzie powolne grzanie zaczyna się od temperatury pokojowej, procedura dwuzakresowej szybkości starzenia obniża ogólną ilość czasu przez zastosowanie szybkiego grzania od temperatury pokojowej do temperatur w zakresie pomiędzy 100°C i 170°C (373°K i 443°K). Wynikająca z tego wytrzymałość będzie prawie równie dobra, przy powolnym grzaniu poczynając od temperatury pośredniej, jak ta wytrzymałość, która jest osiągana przy powolnym grzaniu począwszy od temperatury pokojowej.

Wynalazek również odnosi się do stopu Al-Mg-Si, w którym po pierwszym etapie starzenia jest stosowane przetrzymywanie, przez czas od 1 godziny do 3 godzin w temperaturze pomiędzy 130°C i 160°C (403°K i 433°K).

W zalecanym przykładzie według wynalazku, końcowa temperatura starzenia wynosi przynajmniej 165°C a jeszcze korzystniej jest, gdy temperatura starzenia wynosi co najwyżej 205°C. Kiedy stosuje się te zalecane temperatury stwierdza się, że wytrzymałość mechaniczna

187 863 jest zmaksymalizowana podczas gdy całkowity czas starzenia utrzymuje się w rozsądnych granicach.

W celu obniżenia ogólnego czasu starzenia w operacji o dwuzakresowej szybkości starzenia zaleca się przeprowadzanie pierwszego etapu podgrzewania przy najwyższej z możliwych dostępnych szybkości grzania, chociaż z reguły jest to zależne od możliwości wyposażenia będącego do dyspozycji. Zatem zaleca się stosowanie w pierwszym etapie podgrzewania, szybkości grzania przynajmniej na poziomie 100°C (100°K) na godzinę.

W drugim etapie podgrzewania szybkość grzania musi być zoptymalizowana ze względu na ogólną skuteczność starzenia w czasie i na końcową jakość stopu. Z tego powodu druga szybkość, grzania wynosi korzystnie przynajmniej 7°C (7°K) na godzinę ale co najwyżej 30°C (30°K) na godzinę. Przy niższych szybkościach grzania niż 7°C (7°K) na godzinę ogólny czas starzenia będzie wydłużony, co w rezultacie daje niską wydajność pieców do starzenia a przy wyższych szybkościach grzania niż 30°C (30°K) na godzinę właściwości mechaniczne będą odbiegać w dół od ideału.

Korzystnie pierwszy etap podgrzewania dochodzi i kończy się przy temperaturach od 130°C do 160°C (od 403°K do 433°K) i przy tych temperaturach zachodzi wytrącanie się fazy Mg5Si6 wystarczające do uzyskiwania wysokiej mechanicznej wytrzymałości stopu. Niższa temperatura końcowa pierwszego etapu doprowadzi generalnie do podniesienia ogólnej długości czasu starzenia, nie dając żadnych znaczących dodatkowych przyrostów wytrzymałości. Korzystnie jest, gdy ogólny czas starzenia wynosi co najwyżej 12 godzin.

Przykład 1.

Trzy różne stopy o składzie podanym w tabeli 1 odlewano jako kęsy o średnicy 095 mm w standardowych warunkach odlewania dla stopów AA6060. Kęsy homogenizowano z szybkością grzania w przybliżeniu 250°C (250°K) na godzinę, okres utrzymywania temperatury był 2 godziny i 15 minut przy temperaturze 575°C (848°K), a szybkość studzenia po homogenizowaniu wynosiła w przybliżeniu 350°C (350°K) na godzinę. Dłużyce były pocięte ostatecznie na kęsy o długości 200 mm.

Stop AA6060 ma następujący skład wagowy:

Si	0,3-0,6%
Fe	0,1-0,3%
Cu	0,1%
Mn	0,1%
Mg	0,35-0,6%
Cr	0,05%
Zn	0,15%
Ti	0,10%

Tabela 1.

Stop	Si	Mg	Fe
1	0,37	0,36	0,19
2	0,41	0,47	0,19
3	0,51	0,36	0,19

Próba wyciskania była przeprowadzana na prasie o nacisku 800 ton wyposażonej w zasobnik o średnicy 0100 mm i w piec indukcyjny do grzania kęsów przed wyciskaniem.

W celu uzyskiwania dobrych pomiarów właściwości mechanicznych profilów, była przeprowadzana próba z tłocznikiem, który dawał 2 pręty o przekroju poprzecznym 25 mm².

187 863

Kęsy były podgrzewane wstępnie przed wyciskaniem, w przybliżeniu do 500°C (773°K). Po wyciśnięciu profile były ochładzane w spokojnym powietrzu dającym czas schładzania do temperatury poniżej 250°C (523°K), w przybliżeniu 2 min. Po wyciśnięciu profile były poddawane rozciąganiu o 0,5% długości. Przed starzeniem był kontrolowany czas składowania, do 4 godzin w temperaturze pokojowej. Dane o właściwościach mechanicznych były uzyskiwane przy pomocy próby na rozciąganie.

Właściwości mechaniczne różnych stopów, poddawanych starzeniu w różnych cyklach starzenia, są przedstawione w tabelach od 2 do 4.

Przy objaśnianiu tych tabel odnieść się należy do fig. 1, na której różne cykle starzenia są przedstawione graficznie na wykresach oznaczonych literami. Na fig. 1, na osi x wykresu są pokazane ogólne czasy starzenia, a na osi y są przedstawione stosowane wielkości temperatur. Poza tym różne kolumny tabeli zawierają następujące dane:

Ogólny czas - ogólny czas starzenia dla danego cyklu;

Rm - wytrzymałość na rozci^^iie;

Rp02 - umowna granica plastyczności;

AB - wydłużenie przy pęknięciu;

Au - wydłużenie równomierne.

Wszystkie te dane są wartościami średnimi, uzyskanymi z równolegle przeprowadzonych badań, dwóch próbek wyciśniętego wypływowo profilu.

Tabela 2.

Stop 1; 0,36 Mg+0,37 Si
Ogólny czas (h)	Rm	Rp02	AB	Au
1	2	3	4	5
A	3	150,1	105,7	13,4	7,5
A	4	164,4	126,1	13,6	6,6
A	5	174,5	139,2	12,9	6,1
A	6	183,1	154,4	12,4	4,9
A	7	185,4	157,8	12,0	5,4
B	3,5	175,0	135,0	12,3	6,3
B	4	181,7	146,6	12,1	6,0
B	4,5	190,7	158,9	11,7	5,5
B	5	195,5	169,9	12,5	5,2
B	6	202,0	175,7	12,3	5,4
C	4	161,3	114,1	14,0	7,2
C	5	185,7	145,9	12,1	6,1
C	6	197,4	167,6	11,6	5,9
C	7	203,9	176,0	12,6	6,0
C	8	205,3	178,9	12,0	5,5
D	7	195,1	151,2	12,6	6,6
D	8,5	208,9	180,4	12,5	5,9
D	10	210,4	181,1	12,8	6,3

187 863 _tcd. tabeli 1

1	2	3	4	5
D	11,5	215,2	187,4	13,7	6,1
D	13	219,4	189,3	12,4	5,8
E	8	195,6	158,0	12,9	6,7
E	10	205,9	176,2	13,1	6,0
E	12	214,8	185,3	12,1	5,8
E	14	216,9	192,5	12,3	5,4
E	16	221,5	196,9	12,1	5,4

Tabela 3.

Stop 2; 0,47Mg+0,41Si
Ogólny czas (h)	Rm	Rp02	AB	Au
A	3	189,1	144,5	13,7	7,5
A	4	205,6	170,5	13,2	6,6
A	5	212,0	182,4	13,0	5,8
A	6	216,0	187,0	12,3	5,6
A	7	216,4	188,8	11,9	5,5
B	3,5	208,2	172,3	12,8	6,7
B	4	213,0	175,5	12,1	6,3
B	4,5	219,6	190,5	12,0	6,0
B	5	225,5	199,4	11,9	5,6
B	6	225,8	202,2	11,9	5,8
C	4	195,3	148,7	14,1	8,1
C	5	214,1	178,6	13,8	6,8
C	6	227,3	198,7	13,2	6,3
C	7	229,4	203,7	12,3	6,6
C	8	228,2	200,7	12,1	6,1
D	7	222,9	185,0	12,6	7,8
D	8,5	230,7	194,0	13,0	6,8
D	10	236,6	205,7	13,0	6,6
D	11,5	236,7	208,0	12,4	6,6
D	13	239,6	207,1	11,5	5,7
E	8	229,4	196,8	12,7	6,4
E	10	233,5	199,5	13,0	7,1
E	12	237,0	206,9	12,3	6,7
E	14	236,0	206,5	12,0	6,2
E	16	240,3	214,4	12,4	6,8

187 863

Tabela 4.

Stop 3; 0,36 Mg+0,51 Si
Ogólny czas (h)	Rm	Rp02	AB	Au
A	3	200,1	161,8	13,0	7,0
A	4	212,5	178,5	12,6	6,2
A	5	221,9	195,6	12,6	5,7
A	6	222,5	195,7	12,0	6,0
A	7	224,6	196,0	12,4	5,9
B	3,5	222,2	186,9	12,6	6,6
B	4	224,5	188,8	12,1	6,1
B	4,5	230,9	203,4	12,2	6,6
B	5	231,1	211,7	11,9	6,6
B	6	232,3	208,8	11,4	5,6
C	4	215,3	168,5	14,5	8,3
C	5	228,9	194,9	13,6	7,5
C	6	234,1	206,4	12,6	7,1
C	7	239,4	213,3	11,9	6,4
C	8	239,1	212,5	11,9	5,9
D	7	236,7	195,9	13,1	7,9
D	8,5	244,4	209,6	12,2	7,0
D	10	247,1	220,4	11,8	6,7
D	11,5	246,8	217,8	12,1	7,2
D	13	249,4	223,7	11,4	6,6
E	8	243,0	207,7	12,8	7,6
E	10	244,8	215,3	12,4	7,4
E	12	247,6	219,6	12,0	6,9
E	14	249,3	222,5	12,5	7,1
E	16	250,1	220,8	11,5	7,0

W oparciu o te wyniki nasuwają się następujące uwagi.

Wytrzymałość na rozciąganie (UTS) stopu numer 1, po starzeniu w cyklu starzenia A i w ciągu ogólnego czasu 6 godzin, jest nieznacznie powyżej 180 MPa. Wartości UTS wynoszą 195 MPa po 5 godzinnym cyklu B, i 204 MPa po 7 godzinnym cyklu C. Przy starzeniu w cyklu D, wartości UTS osiągają w przybliżeniu 210 MPa po 10 godzinach i 219 MPa po 13 godzinach.

Wytrzymałość na rozciąganie (UTS) stopu numer 2, po cyklu starzenia A i po ogólnym czasie starzenia 6 godzin, wynosi w przybliżeniu 216 MPa. Po cyklu B i 5 godzinnym ogólnym czasie starzenia, wartość UTS wynosi 225 MPa. Przy starzeniu w cyklu D, wartość UTS wzrasta do 236 MPa po 10 godzinach ogólnego czasu starzenia.

187 863

Stop numer 3 ma wartość UTS wynoszącą 222 MPa po cyklu starzenia A i po ogólnym czasie starzenia 6 godzin. Po cyklu B i ogólnym czasie starzenia 5 godzin wartość UTS wynosi 231 MPa. Po cyklu C i ogólnym czasie starzenia 7 godzin wartość UTS wynosi 240 MPa. Przy starzeniu w cyklu D, wartość UTS wynosi 245 MPa po 9 godzinach. Przy starzeniu w cyklu E mogą być uzyskiwane wartości UTS do 250 MPa.

Ogólne wartości wydłużenia wydają się być prawie niezależne od cyklu starzenia. Przy szczytowych wartościach wytrzymałości, wartości wydłużenia AB wynoszą zawsze około 12%, chociażby nawet pomimo tego, że wartości wytrzymałości są wyższe dla cyklów dwuzakresowej szybkości starzenia.

OPTYMALIZOWANE CYKLE STARZENIA STOPU DLA RÓŻNYCH CZASÓW CAŁKOWITYCH

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób obróbki cieplnej stopu aluminiowego zawierającego magnez i krzem typu Al-Mg-Si, poddawanego procesowi starzenia, przy czym starzenie odbywa się po ochłodzeniu wyciśniętego wypływowo wyrobu i przebiega dwuetapowo, przy czym w pierwszym etapie, w którym profil wytłoczony wypływowo podgrzewa się do temperatury w zakresie 100°C i 170°C (373°K i 443°K) oraz w drugim etapie, w którym profil wytłoczony wypływowo podgrzewa się do końcowej utrzymywanej temperatury w zakresie 160°C i220°C (433°K i 493°K), znamienny tym, że w pierwszym etapie szybkość podgrzewania wynosi co najmniej 100°C (100°K) na godzinę a w drugim etapie szybkość podgrzewania wynosi pomiędzy 5°C i 50°C (5°K i 50°K), przy czym całkowity cykl starzenia stopu trwa od 3 do 24 godzin.
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że po pierwszym etapie starzenia stop przetrzymuje się od 1 godziny do 3 godzin, w temperaturze pomiędzy 130°C i 160°C (403°K i 433°K).
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że końcowa temperatura starzenia wynosi przynajmniej 165°C (438°K).
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że końcowa temperatura starzenia wynosi co najwyżej 205°C (478°K).
5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim etapie grzania szybkość grzania wynosi przynajmniej 7°C (7°K) na godzinę.
6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w drugim etapie grzania szybkość grzania wynosi co najwyżej 30°C (30°K) na godzinę.
7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że temperatura końcowa pierwszego etapu grzania jest w zakresie 130°C i 160°C (403°K i 433°K).
8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ogólny czas starzenia wynosi przynajmniej 5 godzin.
9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ogólny czas starzenia wynosi co najwyżej 12 godzin.