DE2706610C2

DE2706610C2 - Verfahren zur Verbesserung der Verformbarkeit von Aluminium-Legierungen und dessen Anwendung

Info

Publication number: DE2706610C2
Application number: DE2706610A
Authority: DE
Inventors: Serge Grenoble Bercovici
Original assignee: Societe de Vente de lAluminium Pechiney SA
Current assignee: Rio Tinto France SAS
Priority date: 1976-02-19
Filing date: 1977-02-16
Publication date: 1982-12-23
Also published as: IT1113755B; GB1556887A; DE2706610A1; FR2341664A2; FR2341664B2; NO770484L; DD132674A6; AU2203477A; AU505468B2; NO145441C; SE7701653L; CH615950A5; JPS52100318A; NO145441B; ZA77999B; CA1082876A; BE851612R; ES455988A2; NL7701848A

Description

Das Hauptpatent DE-P 25 14 386 ist auf ein Verfahren zur Verbesserung der Verformbarkeit von Leichtmetall-Legierungen, insbesondere Aluminium-Legierungen, gerichtet, bei dem die Legierungen zur Bildung einer Fest/Flüssig-Mischphase mit <40%, vorzugsweise <35%, flüssiger Phase einige Minuten bis einige Stunden, vorzugsweise 5 bis 60 min, auf einer Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur gehalten werden, so daß das Gefüge des verzweigten Netzes der Dendriten der Primärphase sich verändert und allmählich kugelig wird. Eine derartige Legierung eignet sich besonders gut zum Fließpressen von Werkstücken wie Stäben, Rohren und Profilen.

Aufgabe der Erfindung ist e^;ne Verbesserung des Verfahrens nach dem Hauptpatent derart, daß die mechanischen Eigenschaften von ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen weiter verbessert werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Maßnahme gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz besonders für die in Anspruch 2 gekennzeichneten Legierun gen.

Das Härten an der Presse, bei dem die Profile beim Austritt aus der Presse entweder mit pulsierender Luft angeblasen oder mit Wasser oder Luft/Wasser angespritzt und dadurch abgekühlt werden, v/urde bisher in der Praxis bei ausscheidungshärtbaren Legierungen wegen geringer Wirksamkeit nicht durchgeführt. Um eine Verbesserung der Eigenschaften zu bewirken, müßten nämlich beim Härten an der Presse große Mengen an Legierungselementen in fester Lösung gehalten werden, die sich beim Auslagern ausscheiden können, was jedoch bei den üblichen Preßbedingungen, beispielsweise 42O^DC, nicht der Fall ist. Auch weiß der Fachmann, daß harte Legierungen - wie 2024 (A-U₄G), 2014 (A-U₄SG) (AlCuSiMn) und 7075 (A-Z5GU) — für optimale Eigenschaften erst lösungsgeglüht werden müßten.

Hingegen führt die Behandlung gemäß Hauptpatent zur Verringerung der kritischen Härte- oder Abschreckgeschwindigkeit der Legierung und bewirkt somit, daß eine relativ milde Abschreckung, beispielsweise mit pulsierender Luft, wirksam ist und die Profile nicht unerwünscht verformt werden.

Es ist keineswegs ausreichend, eine Legierung A —U4SG auf 572°C aufzuwärmen, um durch Härten an der Presse und anschließendes Warmauslagern ein analoges Ergebnis zu erreichen. Man würde ein Profil ohne irgendeinen Zusammenhalt (Kohäsion) erhalten, was charakteristisch ist für einen Metallwerkstoff, dessen mechanische Eigenschaften irreversibel zerstört sind. Es muß deshalb nach dem Verfahren des Hauptpater.ts das dendritische Gefüge in ein kugeliges umgewandelt werden und die Presse gekühlt werden.

Die weitere Verbesserung ergibt sich aus den sehr eingehenden Untersuchungen der metallurgischen Mechanismen, die während des erfindungsgemäßen Verfahrens ablaufen. Hierzu sei auf die beigefügte Zeichnung verwiesen. Diese zeigt — aus Gründen der Vereinfachung — das Aluniiniumeck eines binären Diagramms, jedoch lassen sich die Schlußfolgerungen auch auf komplexer aufgebaute bzw. zusammengesetzte Legierungen anwenden. Man nimmt an, daß die intermetallische Verbindung, die das Ausscheidungshärten bewirkt, mit dem Aluminium ein Eutektikum E bildet. Erwärmt man eine Legierung der Zusammensetzung A, so beginnt sie bei der Temperatur 71 im Punkt S' zu schmelzen. Wird in Übereinstimmung mit dem Hauptpatent dann die Legierung auf die Temperatur T> 71 gebracht und bei dieser Temperatur gehalten, so nimmt mit der Zeit die flüssige Phase die homogene

)0 Zusammensetzung L und die feste Phase (Kugeln) die homogene Zusammensetzung S an. Das Diagramm zeigt, daß die feste kugelige Phase ärmer an Legierungselementen ist als der mittleren Zusammensetzung der Legierung entsprechend.

J5 Es wurde festgestellt, daß man durch Erhöhen des Gehaltes der Legierung an härtendem Element — Zusammensetzung A' so daß die kugelige feste Phase sich der Zusammensetzung 5" der Legierung A nähert

- und durch Halten bei der Temperatur 71 über der Temperatur 71 über der Solidustemperatur der Legierung A'und anschließendes Abschrecken in der Presse durch einfaches Warm- oder Kaltauslagern gleichartige oder sogar bessere Eigenschaften erzielen kann wie bei der Legierung A, die in üblicher Weise siranggepreßt und dann der vollständigen üblichen Wärmebehandlung

- Lösungsglühen, Abschrecken und Warm- oder Kaltauslagern - unterworfen worden ist.

Selbstverständlich wird die Zusammensetzung A', d. h. die genaue Lage von M' auf der Horizontalen der Temperatur 71, definiert durch den Anteil an flüssiger Phase, der angestrebt wird und der beispielsweise von der Preßkraft und dem Preßverhältnis abhängt. Das Gewichtsverhältnis flüssige Phase zu feste Phase ist M'S'/M'L'.

Nach der Erfindung wird die übliche Wärmebehandlung von Profilen, d. h. Lösungsglühen bei relativ hoher Temperatur (beispielsweise 495°C), Abschrecken und Warm- oder Kaltauslagern, durch das einfache Abschrecken der Profile am Austritt der Strangpresse und

no Warm- oder Kaltauslagern ersetzt, wobei jedoch die Zusammensetzung der Ausgangslegierung leicht verändert wird.

Hierzu wird zunächst der angestrebte Gehalt an flüssiger Phase, unter Berücksichtigung des Preßdrucks,

b5 der Profil-Dimension und der Preßgeschwindigkeit, bestimmt. Dann wird eine mittlere Legierungszusamtnensetzung berechnet derart, daß die feste Phase die Gleichgewichtszusamniensetzung der Ausgangslegie-

rung aufweist. Selbstverständlich muß der Gehalt an härtenden Elementen höher sein, weil die feste Phase einen geringeren Gehalt als die mit ihr im Gleichgewicht stehende flüssige Phase hat. Gegossene Blöcke dieser Legierung werden dann bis auf üe angestrebte Menge an flüssiger Phase erhitzt und anschließend in üblicher Weise stranggepreßt, an der Presse abgeschreckt und ausgelagert.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreicht man zumindest die gleichen guten Eigenschaften ohne die u; Nachteile des üblichen Verfahrens, da keine platzraubenden Ofen für das Lösungsglühen langer Profile benötigt werden und es zu keinen Deformationen beim Abschrecken kommt, die durch Richten beseitigt werden müßten.

Die Kombination eines erhöhten Gehaltes an härtenden Elementen und Abschrecken an der Presse führt nicht zu dem gleichen Ergebnis, weil das \bschrecken mit Wasser — wie weiter oben angegeben — bei nicht gemäß dem Hauptpatent wrrmebehandelten Legierungen unwirksam ist.

Selbstverständlich braucht - wie im Haptpatent angegeben — das Strangpressen nicht unmittelbar nach der Wärmebehandlung zwischen Solidus- und Liquidustemperatur vorgenommen zu werden, sondern man kann zunächst auf eine Temperatur unter der Solidustemperatur, sogar auf Raumtemperatur, abkühlen und dann vor dem Strangpressen einfach aufwärmen, ohne daß dazu noch einmal eine Temperatur zwischen Solidus- und Liquidustemperatur eingehalten werden muß.

Die Erfindung wird anhand, der folgenden Beispiele näher erläutert.

Beispiel 1

Ein Knüppel mit Durchmesser Legierung A — LUSG

Fe

Si

Cu

Mn

Mg

Rest

100 mm aus der

0,42% 0,91% 4,24% 0,82% 0,51% Aluminium

wurde auf 605°C erwärmt und 15 min bei dieser Temperatur gehalten. Im Gleichgewichtszustand machte der Gehalt an flüssiger Phase bei dieser Temperatur etwa 13% aus.

Ein Teil dieses Knüppels wurde in den auf 420 bis 450°C vorerwärmten Aufnahmebehälter einer Strangpresse-Preßkraft 800 t — gegeben und unmittelbar zu einem Profil mit rechteckigem Querschnitt 40 mm χ 3 mm gepreßt. Die Kühlung des Mundstückes mit Wasser wurde so geregelt, daß das Profil mit einer Temperatur von etwa 450⁰C austrat. Unmittelbar beim Austritt aus der Presse wurde das Profil mit kalter Luft angeblasen und damit abgeschreckt. Die mechanischen Eigenschaften des Strangpreßkörpers (Rohling) (a), warmausgeiagert 8 h/175°C (b) und 2 h/505°C iösungsgeglüht (homogenisiert), in Wasser abgeschreckt und 8 h/l 75°C warmausgelagert (Zustand T_b) (c) wurden bestimmt und dis Ergebnisse in der folgenden Tabelle zusammengefaßt; zum Vergleich wurden Proben aus einem nicht mit Luft abgeschreckten, jedoch gemäß Hauptpatent behandelten Knüppel, herangezogen.

Tabelle I

	gemäß Hauptpatent	oB	D	erfindungsgemäß	oB	387	D
	0 0.2	N/mm!	%	σ 0,2	N/mm² N/mm²	428	%
	N/mm'	349	23,5	216	494	24,8
a)	248	377	12,9	370		12,4
b)	333	476	14,4	447	11,6
0	430

Der Vergleich zeigt die bemerkenswerte Verbesserung der Eigenschaften durch die erfindungsgemäße Maßnahme nach einem einfachen Auslagern bei 175°C.

Beispiel 2

Ausgehend von einer Legierung A — LUG mit einem mittleren Kupfergehalt von 4,25% und einem mittleren Magnesiumgehalt von 0,65% wurde die durchschnittliche Zusammensetzung bestimmt, die eine Legierung aufweisen müßte, deren feste Phase bei etwa 3% flüssiger Phase eine mittlere Zusammensetzung gleich der Ausgangs-Legierung hat.

Zur Durchführung dieser Bestimmung können die Gleichgewichtsdiagramme verwendet werden; da aber die ternären Diagramme weniger gut bekannt sind als die binären Diagramme, müssen deren Informationen durch Bestimmung des partiellen Schmelzens mit gestaffelten Anteilen sowie Analyse der festen Phase mit einer Mikrosonde ergänzt werden.

Fs wurde festgestellt, daß eine Legierung ähnlich A-U₄G mit 5,10% Cu und 0,80% Mg bei 555⁰C etwa 3% flüssige Phase aufweist und die feste Phase etwa die Zusammensetzung der Legierung A - U₄G hat.

Es wurde ein Knüppel mit Durchmesser 100 mm und der Zusammensetzung

50 Fe

Si

Cu

Mg

Mn

Ti

Zr

0,42%

0,38%

5,20%

0,90%

0.60%

0,025%

0,14%

gegossen. Die erhaltenen Anteile an Legierungselementen liegen etwas über den angestrebten.

Dieser Knüppel wurde in vier Proben — 300 mm geteilt und diese vier Proben jeweils einer anderen Wärmebehandlung unterworfen.

P-obc 1 - Winkel-Profil 25 χ 25x3 mm - wurde gemäß dem Stand der Technik bei 420°C stranggepreßt und am Ausgang der Presse in ruhender Luft abgekühlt und anschließend kalt ausgelagert.

Probe 2 wurde entsprechend HaiiDtpatenl 30 min hei

555°C gehalten und dann stranggepreßt, am Austritt aus der Presse in ruhender Luft abgekühlt und dann kalt ausgelagert.

Probe 3 wurde erfindungsgemäß zunächst 30 min bei 555°C gehalten, dann bei dieser Temperatur stranggepreßt, mit pulsierender Luft mit einer Abschreckgeschwindigkeit von 600 bis 800 K/min abgeschreckt und schließlich 16 Tage kalt ausgelagert.

Probe 4 wurde wie Probe 3 behandelt und nach dem Wasserguß-Verfahren stranggepreßt und 16 Tage kalt ausgelagert.

Die mechanischen Eigenschaften der Proben und die Mittelwerte für Profile aus Legierung A - U4C üblicher Zusammensetzung nach Lösungsglühen, Abschrecken und Kaltauslagern sind in der folgenden Tabelle angegeben.

Tabelle	II	Fließpressen Temperatur ⁰C	Preß geschwin digkeit m/min	Abschrecken an der Presse Temperatur Abschrecken am Mund stück ⁰C	ruhende Luft	Nachbehandlung	π 0.2 N/mm²	nB N/mm!	D %
Probe	420	4,5	-	ruhende Luft	kalt auslagern 16 Tage	286	399	11,6
1	554	4	450	pulsierende Luft 600-800 K/min	kalt auslagern 16 Tage	261	405	24,4
2	557	4,5	440	H₂O	kalt auslagern 16 Tage	391	458	18,2
3	560	4,5	—	ruhende Luft	kalt auslagern 16 Tage	308	437	25,7
4	420				Lösungsglühen, Abschrecken H₂O, kalt auslagern	320	430	18
A-U₄G

Die 1 abeiie fi zeigt klar die Bedeutung der 3, bessere. Ergebnisse erzielen als bei einer Legierung

Kombination der Modifizierung der Legierungs-Zusammensetzung, Erhitzen auf eine Temperatur über der Solidustemperatur und Abschrecken an der Presse mit Luft oder Wasser. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich ebenso gute, wenn nicht sogar A-U₄G. die in bekannter Weise stranggepreßt, lösungsgeglüht, abgeschreckt und ausgelagert worden ist. Es wird somit crl'indungsgemäß die Verlahrensstufe des Lösungsglühens eingespart.

Hierzu 1 Blait Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Verbesserung der Verformbarkeit von Aluminiumlegierungen, bei dem die Legierung zur Bildung einer Fest/FIüssig-Mischphase mit <40°/o, vorzugsweise <35%, flüssiger Phase einige Minuten bis einige Stunden, vorzugsweise 5 bis 60 min, auf einer Temperatur zwischen der Solidus- und der Liquidustemperatur gehalten wird, gemäß DE-P 25 14 386, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus einer Strangpresse austretendes Profil aus einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung unmittelbar abgeschreckt und warm- oder kalt-ausgeiagert wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Aluminium/Kupfer/Magnesium-Legierung mit 5,1% Kupfer und 0,8% Magnesium und Rest Aluminium.