SE415487B - Bearbetat och vermebehandlat foremal av aluminiumlegering och forfarande for framstellning av sadant - Google Patents

Description

7500936-4 vilkas mekaniska egenskaper (flytgräns, brottgräns, töjning, sprick- bildningsenergi) är i huvudsak lika i alla riktningar. Mer speciellt hänför sig uppfinningen till bearbetade produkter av aluminiumlege- ringar såsom de s.k. "A-ZG“- eller "A-ZGU"- eller “A-U"-serierna en- ligt fransk standard ASNOR A-02.001 och A-02.002 eller de enligt ."7000-“ och "2000-serierna" enligt American Society for Testing Ma- terials Standard. Ûppfinningenïfim även tillsyfteatt åstadkomma ett förfarande för för- bättring av den isotropa strukturen och sänkning av den kritiska kyl- ningshastigheten hos ett bearbetat föremål av aluminiumlegering, särskilt en legering tillhörande 2000- eller 7000-serien enligt Ame- rican Society for Testing Materials (ASTM) innehållande vanliga le- geringsbeständsdelar, såsom Cu, Mg, Si, Zn och en eller flera till- _ satser eller föroreningar som ger sekundära faser, såsom Mn, Cr, Zr, Fe.

Det var överraskande, att konstatera att det nya förfarandet förutom en förbättring av den isotropa strukturen hos de ifrågavarande lege- ringarna även medför en signifikant reduktion av den kritiska kyl- nings- eller härdningshastigheten. Det är känt, att den hastighet med vilken en legering svalnar under härdningen bestäms både av dimensio- nerna hos arbetsstycket och av typen och temperaturen hos härdnings- vätskan. Det är känt att kylningshastigheten måste vara tillräckligt hög för att förhindra återutfällning av de i legeringen ingående ele- menten.

En kritisk kylnings- eller härdningshastighet specifieras för varje typ av legering och uppgår exempelvis för legeringen AZSGU (ASNOR A-02.001) eller 7075 (enligt Aluminium Association) till approxima- tivt 40°C/sek. Med lägre kylningshastigheter försämras de mekaniska egenskaperna hos legeringen (Vickers-hårdhet, brottgräns) snabbt, medan vid högre kylningshastigheter de kvarblir huvudsakligen kon- stanta eller undergâr endast en mycket liten ökning.

Kombinering av dessa två effekter, nämligen eliminering av anisotro- pi och reduktion av den kritiska härdningshastigheten, medger ett mer rationellt utarbetande av arbetsstyckena, eftersom de kan motstå så- dana grader av mekanisk påfrestning, som i huvudsak är lika i alla 7500036-4 riktningar och därför att det är möjligt att hårda fasta arbetsstyc~ ken i mindre aggressiva media än kallt vatten (t.ex. kokande vatten eller till och med strömmande luft), varigenom risken för åldringa- orsakade sprickor och behovet att«spänningsminskande åldringsbehand- ling elimineras.

Produkten och förfarandet enligt uppfinningen har de»i krav l resp. krav 3 angivna kännetecknen.

Den nya värmebehandlingen enligt uppfinningen baseras på de överrask- ande resultaten av en djupanalys av det fenomen som är känt som "eu- tektisk smältning".

För närvarande utförs värmebehandling av aluminiumlegeringar vid en temperatur under en viss temperatur, känd som den "eutektiska smält- punkten", över vilken värmebehandlingen i de mest ogynnsamma fallen kan åstadkomma fullständig sönderdelning av komponenterna under kyl- ningen och i vilket fall som helst åstadkommer en avsevärd försämring av de mekaniska egenskaperna. Den s.k. "brända" strukturen karakteri- seras av närvaron av irreversibla p0rÖSê och vätskeformiga faser.

Till skillnad därifrån har det befunnits, att ett arbetsstycke av aluminiumlegering kan värmas utan nedbrytning till över stelningstem- peraturen Tl medan den är under smälttemperaturen T2 under förutsätt- ning att, när behandlingen utförs, arbetsstyckenn innehåller mindre än 0,5 ppm, företrädesvis mindre än 0,2 ppm och till och med 0,1 ppm vätgas som kan frigöras i gasform upp till temperaturen T2. Detta kan åstadkommas genom föregående avgasningsbehandlingar_i flytande fas el- ler i fast tillstånd eller med vilken som helst annan anordning, med vilken vätgas kan extraheras och förhindras att införas i metallen fö- re och under behandlingen eller med varje annan anordning som kan hålla den i metallen i stabil form.

Genom tillämpning av en behandling av detta slag är det möjligt att i huvudsak fullständigt eliminera "fibrerings"-fenomenet.

Genom lämpligt val av behandlingstemperaturerna Tt (Tl varje typ av legering och av arbetstiden vid den temperatur, är det möjligt att erhålla alla de mellanliggande tillstånden mellan en fibrös struktur och en omkristalliserad struktur med ekviaxiala korn. 75000364» e Denna behandling är speciellt effektiv för legeringar innehållande se- kundära faser baserade på sådana element som mangan och/eller krom och/eller zirkonium och/eller järn, vilka dessutom är kända för att ha en signifikant förhindrande effekt på omkristalliseringsfenomenen när de fälls i mycket fin form.

Den nya behandlingen vid vilken metallen delvis får gå tillbaka till flytande fas gör det möjligt att öka fällningarna av sekundära faser och gör det möjligt att få omkristallisation utan att på något sätt eliminera härdningseffekten, som är att hänföra till dispersionen av de sekundära faserna. Uppträdandet och dimensionerna av de sammanslut- na eller -smälta fällningarna är karakteristiskt för behandlingen, vil- ket kommer att visas med hjälp av mikrofotografier. Eftersom de samman- smälta fällningarna dessutom fungerar som utfällningskärnor för råfaser, såsom kMgZn2, under den härdningsorsakade kylningen, är det uppenbart att, eftersom antalet sammansmälta fällningar ökar och deras storlek minskar, härdningsbenägenheten hos legeringen förbättras och att den kritiska härdningshastigheten faller mycket snabbt under dess normala e nivåer såsom visas i exemplen 3 och 4.

Bland de höghållfasthetslegeringar, för vilka denna behandling är spe- ciellt effektiv, kan nämnas A-UMSG (#,H% Cu, 0,9% Si, 0,5% Mg, O,6H% Mn), 7075 (5,6% Zn, 2,5% Mg, l,5% Cu, 0,30% Cr, < 0,3% Mn) eller dess franska motsvarighet A-ZSGU, och för legeringar med ännu högre krav eåeem A-zßozuz eiier z-z9G3U (7ooi enligt A.A.).

Behandlingen enligt uppfinningen följs av en värmebehandling i lösning vid en temperatur under Tl för att resorbera heterogeniteter som kom- mer från tillståndet mellan temperaturerna Tl och T2.

Exemgel l , En 40 mm tjock platta av legeringen "7075" (ASTM Standard) med tidi- gare angiven kemisk sammansättning befanns ha följande egenskaper i tillståndet T6 (varmebenendiing 1 iaeeing 1 3 timmer vid e7o°c, härdning i kallt vatten och åldring i 2% timmar vid l20°C : Försöksriktning Flytgräns Brottgräns Töjning Klc (hb) (hb) % L (länge med) 52,M 59,1 14,4 127 %.üumt 5%? W SQ8 I 3ß 68 ' 'ífßüü-Üå-ß-ål- Samma platta som befanns ha en stelningstemperatur Tl av omkring 535°c hölls 1 l,$ h vid 54o°c (5°c övers ml) och sedan 1 3 h vid 47000 (6500 under Tl), varefter den härdades i kallt vatten _och slutligen åldtaaes 24 h vid l2o°c.

Den befanns då ha följande egenskaper: Försöksriktning Flytgräns Brottgräns Töjning Kle _ (ht) (nt) % Längs med 52,0 57,3 16,0 108 På djupet 52,4 57,u 17,0 88 I båda fallen uttrycks det kritiska värdet på "belastningsintensiteten" faktorn. Klc (hållfasthet) i hektobar - m-m. I detta fall fås nästan perfekt isotropi hos de mekaniska egenskaperna medan hållfasthetsaniso- tropin reduceras i mycket stor utsträckning. Styrkan i sidled och på djupet ökas med omkring 30 %.

Exemgel 2 En 50 mm tjock platta av A-URSG med följande kemiska sammansättning: k,3s ct, 0,85 % s1, 0,45 % Mg, 0,58 % Mn, 0,18 % Fe (för denna kom- position är temperaturen Tl ungefär 525°C), befanns efter varmvals- ning och behandling på vanligt sätt i tillståndet T6 (värmebehandling 1 lösning 1 8 n vid 5o5°c, näran1ng 1 kallt vatten, åldt1ng 1 8 h vid l75°C), ha följande egenskaper: Försöksriktning Flytgräns Brottgräns Töjning (nt) (nb) % L (längs med vals- ningsriktning) 46,0 51,1 12,0 B (på bredden) 43,5 49,0 9,0 D (på djupet) hl,8 47,5 1 5,2 Samma platta värmebehandlades sedan i enlighet med uppfinningen såsom följer: 4 tlmmars uppställning vid 535°c (avs. lo°c över T1) 8 timmars värmebehandling i lösning vid 50500 (dvs. 200 under TJ) härdning i kallt vatten 0 _ 8 tlmmars åldring vid l75°c.

Därefter hade plattan följande mekaniska egenskaperzl pvsoaozs-ut 0 6 Försöksriktning Flytgräns Brottgräns Töjning p ' (ht) (hu) :få Li (längs med) #5,9 50,2 9,3 B (på bredden) #6,0 50,5 7,5 D (på djupet) #6; 51,0 6,0 Både flytgränsen och brottgränsen är i huvudsak lika i de tre riktning- arna och dessas egenskaper på djupet ökar till den högsta nivå som fun- nits i normalt behandlade plattor.

Mikrografisk undersökning av arbetsstycken som defibrerats i enlighet med uppfinningen avslöjar en karakteristisk omkristalliserad struktur 'med fina ekviaxiala korn och ett stort antal fällningar av andra faser större än. 0,5 um i storlek, medan de fibrösa arbetsstycken som be- handlats på konventionellt sätt, visar en.mycket finare dispersion av dessa faser, varvid medelstorleken är mellan 0,05 och 1 um. (Det bör observeras att termen "medelstorlek" hos dessa tidigare kända fäll- ningar motsvarar medelstorleken hos de största partiklarna, som utgör 70 - 80 % av volymen av de sekundära faserna).

Fig. la, 2a, 3a motsvarar sampel som behandlats med fluoborreaktant före undersökning med optiskt mikroskop.

Fig. lb och 3b motsvarar sampel som behandlats med Kellers reaktant före undersökning med optiskt mikroskop.

Fig. lo och 30 motsvarar undersökning med transmissionselektron- mikroskop. ' 'Respektive skalor anges utmed varje figur.

Mikrofotografierna la, lb, lc visar utseendet av strukturen hos ett arbetsstycke av legeringen 7075 behandlad på ett känt sätt i 3 h vid h70°C emedan mikrofotografierna 2 och 3 visar utseendet av strukturen hos samma arbetsstycke behandlad i enlighet med uppfinningen (Tt'7 Tl).

För denna legering är Tl = 53500.

Det framgår av fotografiet la att strukturen är fibrös och att de sekundära faserna (dvs. Cr och Fe),- som utfallit mycket fint inuti 75ßGCë36~fr kornen, är osynliga under optiskt mikroskop (lb) och endast kan ses under ett elektronmikroskop (le).

Vid en kort uppehållstid över temperaturen T1 (1 h vid 540°C, följd av '3 h vid H70°C, framgår att defibreringen är partiell (2a): omkristallisationen försiggår i de zoner där fällningen av de lsekundära faserna Cr och Fe har sammansmält till en dispersion av kulor som sedan ses under ett optiskt mikroskop.

Vid längre uppehållstider vid temperaturen Tt (4 h vid 5HO°C, följt av 3 h vid %70°C), är defibreringen fullständig (3a); i det- ta fall är också de sekundära faserna klart synliga under ett optiskt mikroskop (3b).

Sålunda är defibreringsnivân beroende av uppehållstiden över temperatu- ren Tl' såsom den definíerats ovan och på intervallet mellan behand- lingstemperaturen Tt och T1. Den erhållna strukturen är karakteris- tisk för behandlingen.

Den är mycket skild från den hos en fibrös metall, men också från den som kan observeras i en metall som omkristalliserats efter en härdnings- behandling i fast form. I detta senare fall är fällningen av sekundära faser mycket fin och homogen inuti kornen.

Den minskning i den kritiska härdningshastigheten som erhålls med be- handlingen enligt uppfinningen visas med följande figurer och exempel.

Figurerna 4 och 5 visar hur Vickershårdheten hos legeringen 7075 (HV 10 i kg/mmg) utvecklas som en funktion av härdningshastigheten i OC/sek.) i fallet med 7075-legeringen, behandlad på känt sätt (kur- van A) och i enlighet med uppfinningen (kurvan B). Den kritiska härdningshastigheten, som är i storleksordningen 40°C/s i det första fallet reduceras till omkring 1o°c/S 1 det andra fallet.

I fallet med figur l utfördes åldring i en tid av 2% timmar vid l20°C (behandling T6) och i fallet med figur 2 i en tid av 6 timmar vid 1o5°c och sedan 1 en tia av 24 tinnar vid 158°c (behandling T 73).

Det framgår också att ökningen i hårdhet i 7075 som resultat av be- 75009364» handlingen T 73 är klart större (approximativt 20 kg/mm2) än den som åstadkoms med behandlingen T6 för samma härdningshastighet.

Figurerna 6 och 7 visar hur Vickershårdheten hos legeringen 7050 (AZ6GU) innehållande 0,10 % Zr) utvecklas såsom funktion av härd- ningshastigheten (i OC/sek.) å ena sidan som resultat av en konven- tionell behandling (kurvan A) och å andra sidan som resultat av en be- handling i enlighet med uppfinningen (kurvan B). I fallet med figur 3 utfördes åldringen i en tid av 2% h vid 12000 (behandling T6 medan i fallet med figur M åldringen utfördes först i 2% h vid 12000 och seden 1 24 n vid- 163°c (behandling T 73).

Också i detta fall är den förbättring som erhålls med behandlingen en- - ligt föreliggande uppfinning mycket signifikant. Så t.ex. möjliggörs att fasta smidesstycken av legeringen 7050 kan kylas naturligt i stillastående luft (motsvarande en kylningshastighet i storleksordningen I 0,5°C/s) utan någon signifikant förstöring av de mekaniska egenskaper- na i förhållande till ett smidesstycke, som härdats i vatten, medan man samtidigt undviker alla de olägenheter som kommer av härdning i vat- tenv (härdningsinducerade sprickor, nödvändigheten av spänningsminskan- de åldring).

Minskningen i den.kritiska härdningshastigheten har flera signifikanta 'fördelar, särskilt: l ~ den möjliggör att tjockleken av de härdade komponenterna kan ökas utan att det uppkommer några inre ändringar i de mekaniska egenskaperna. 2 - den möjliggör att mindre aggressiva härdningsmedia än vatten kan användas, t.ex, kokande vatten och att resterande härdningsindu- cerade spänningar kan reduceras, varigenom behovet av spännings- lösande förfaranden i fallet med valsade produkter elimineras. ÉëÉEEÉl_1 _ _ Teststycken av legeringen *7075 behandlades på känt sätt (3 h vid h7o°c härdning 1 vatten 'åldring T ) och 1 enl: het med upnfinningen 7 Z 1 6 § _ (M h vid 54o°c seen seden 3 n vid 47o°c naraning 1 vatten åldring 7 7 T6 som ovan) undersöktes med avseende på deras Viekershårdhet vid vat- tentempereturer av 2o°c een 1oo°c. 9 7SC0036-e De erhållna resultaten var som följer: Haraning 1 vatten vickersnåranee (kg/mmïfi konventionell benand- fvid 2o°c 185 iing och åldring T6 {vid 1oo°c 123 minskning i hårdhet 62 behandling 1 enlig- gvia 2o°c 190 het med uppfinningen ívid lOO°C lße och åldring T6 minskning i hårdhet 6 Det framgår att härdning i kokande vatten minskar Vickershårdheten med omkring 30 % i fallet med konventionell behandling men knappast mer än 3 % i fallet med behandling enligt uppfinningen.

Exempel 4 Man bestämde de mekaniska egenskaperna i djupriktningen hos sampel av en 50 mm tjock platta av legeringen 7075 behandlad på känt sätt (upplösningsbehandling i 2 h vid h70°C, härdning i kallt vatten vid °C i ett fall, härdning i kokande vatten i ett annat fall, 2 % kallbearbetning genom dragning och åldring i 2% h vid l20°C i ett àll (s.k. T 651-tillstånd) och i 8 h vid lO5°C och sedan i 2% h vid l58°C i ett andra fall (T 7351-tillstånd)och i enlighet med upp- finningen (upplösningsbehandling i 4 h vid 5#O°C och sedan i 2 h d vid 470°C (smälttemperaturen hos de eutektiska strukturerna har be~ funnits vara lika med 478°C och jämnviktsstelningstemperaturen lika med 532°C) härdning i kallt vatten vid 2000 i ett fall, härdning i kokande vatten i ett andra fall, 2 % kallbearbetning genom dragninfi och åldring i 2% h vid l20°C i ett fall (T 651-tillstånd) och i 8 n vid 1o5°c och sedan 1 zu tim. vid 165°c 1 ett andra fail (T 7351-tillstånd).

Följande egenskaper mättes i djupriktningen: 7509-036-'4 lo Härdning i vettenl' r óšl-tlll- l' 73514111- vid stånd É stånd Brottgräns 54,8 48,2 nb °C Flytgräns H?,5 HO,l nb Ä Konventionell Töjning 4 % 5 % É behandling , . e § Brettgräne h7,l uo,4 nb loo°c Flytgräns 38,5 30,5 nb _ röjning i 5,2 3,5 % § 1 Brettgräne 56,7 50,9 nb § 2o°c . Flytgräne 48,4 42,h nu § Behandling l ' röjning 8,7 6,2 % E enlighet med __ É uppfinningen O _ Brottgrans 55,5 #8,3 nb 2 100 C Flytgrens 47,6 41,5 nb _ É Töjning 6,5 6,1 % Det framgår att härdning med kokande vatten vid konventionell behandling reducerar de mekaniska egenskaperna med lO - 20 % men knappast med mer än 22 % vid behandling enligt föreliggande uppfinning. 3 - Som framgår av figurerna M - 7 åtföljs minskningen i den krl~ tiska härdningshastigheten också av en mycket mindre minskning i hårdhet (och korrelerat därmed andra mekaniska egenskaper) när "nämnda hastighet är lägre än den kritiska hastigheten. I extrem- fallet kan härdningen utföras i luft (hastigheten ungefär l°C/s i luftström och omkring 0,5°C/s i stillastående luft) utan nå- gon nämnvärd försämring av de mekaniska egenskaperna.

Teststycken av legeringen 7075 behandlade på känt sätt och i enlighet med uppfinningen och i båda fallen härdade i stillastående luft och se- dan åldrade i 2% h vid 12000 undersöktes med avseende på deras meka- niska egenskaper i djupriktningen. Följande resultat erhölls: Brottgräns (hb) Flytgräns (hb) Töjging _ - /fl konventionell behandling i ' 34,2 ¿l 21,2 7,2 Behandling 1 enlighet med g 43,5 e 43,0 e e2,u uppfinningen. (4 h vid * 7 L seo°c>1

Claims (7)

1. u 75ÛÛ0364+ Éatentkrav l. Bearbetat föremål av aluminiumlegering, särskilt en legering tillhörande 2000- eller 7000-serien enligt American Society for Testing Materials Standard (ASTM),innehållande vanliga legerings- beståndsdelar, såsom Cu, Mg, Si, Zn och en eller fler tillsatser eller föroreningar som ger sekundära faser, såsom Mn, Cr, Zr, Fe k ä n n e t e c k n a t därav att strukturen innefattar åtminstone områden med ekviaxiala korn med isotrop struktur, ev. tillsammans med områden med fibrösa korn, varvid produkten vid närvaro av fibrösa korn uppvisar förbättrade mekaniska egenskaper i riktning vinkelrätt mot den huvudsakliga deformationsriktningen, samt vid frånvaro av fibrösa korn uppvisar i huvudsak identiska mekaniska egenskaper i alla riktningar, och varvid föremålet uppvisar låg kritisk kylningshastighet, samt en väsentlig andel av de normala Utskiljningarna av de sekundära faserna inom områdena med ekviaxiala korn är koalescerade till en storlek överstigande 0,5 m, och föremålet uppvisar en halt av väte som kan frigöras i gasform upp till smälttemperaturen av mindre än 0,5 ppm.

2. Bearbetat föremål enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t därav att halten av väte som kan frigöras upp till smälttemperaturen är mindre än 0,2 ppm och företrädesvis mindre än 0,1 ppm.

3. Förfarande för förbättring av den isotropa strukturen och sänkning av den kritiska kylningshastigheten hos ett bearbetat föremål av aluminiumlegering, särskilt en legering tillhörande 2000- eller 7000-serien enligt American Society for Testing Materials (ASTM) innehållande vanliga legeringsbeståndsdelar, såsom Cu, Mg, Si, Zn och en eller fler tillsatser eller föroreningar som ger sekundära faser, såsom Mn, Cr, Zr, Fe k ä n n e t e c k n a t därav att man sänker legeringens vätehalt,som kan avges vid temperaturer upp till smälttemperaturen, till under 0,5 ppm samt håller föremålet vid en temperatur Tt över stelningstemperaturen Tl men under smälttemperaturen T2 under 30 minuter till 12 timmar med bibehållande av vätehalten under 0,5 ppm, varefter man håller föremålet vid en temperatur under stelningstemperaturen Tl så att heterogeniteter som bildats under den föregående värmebehandlingen mellan temperaturerna Tl och T2 resorberas, samt därefter hastigt kyler föremålet. g vsoooze-4 12 _.

4. Förförande enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a t därav att man håller vätehalten under 0,2 ppm och företrädesvis under 11 0,1 ppm.

5. Förfarande enligt krav 3 eller 4, k ä n n e t e c k n a t därav att man genomför den hastiga kylningen av föremålet efter värmebehandlingen i luft eller hett vatten.

6. Förfarande enligt något av kraven 3-5, k ä n n e t e c k - n a t därav att man efter kylningen underkastar föremålet kall- bearbetning. K 7.

7. Förfarande enligt något av kraven 3-6, k ä n n e t e c k - n a t därav att man efter kylningen underkastar föremålet åldring. ANFTORDA PUBLIKATIONER; us 2 249 349 Andra publikationer: L F Mondolfo: "Metullogruphy of Aluminium Alloys“ New York, 1943, p; 305.