NO174165B - Fremgangsm}te ved kornforfining av aluminium samt kornforfiningslegering for utf!relse av fremgangsm}ten - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til kornforfining av aluminium og aluminiumlegeringer samt en kornforfiner for utførelse av fremgangsmåten.

Kornstrukturen i et metall eller en legering bestemmer mange viktige egenskaper i produktet. Kornforfining av aluminium og aluminiumbaserte legeringer er et eksempel på hvordan en struktur bestående av små, ekviaksede korn gir mange fordeler relativt en grovkornet struktur. De viktigste er:

forbedret støpbarhet pga. mer effektiv mating

økt motstand mot varmsprekker

forbedrede mekaniske egenskaper

forbedret maskinerbarhet

forbedret overflatekvalitet

Kornstørrelsen varierer bl.a. med kjemisk sammensetning av legeringen og med støpemetoden. Sistnevnte bestemmer flere viktige faktorer, bl.a. avkjølingshastighet, støpetemperatur, temperaturgradient og blandingsforhold i smeiten både før og under størkning.

Det er ikke alltid mulig å kontrollere/optimalisere disse faktorene og man har derfor

funnet det nødvendig å tilsette kornforfinere til smeiten forut støpingen. Slike tilsatser "katalyserer" kimdanningen av aluminiumkrystaller. Kommersielle kornforfinere inneholder, foruten aluminium, titan og/eller bor. Ved å manipulere med sammensetningen av forlegeringen kan man oppnå sterke endringer i dens evne til å kornforfine.

Kornforfiningskonseptet kan deles inn i to fenomen; kimdanning og vekst av krystaller

til en begrenset størrelse. Forlegeringene inneholder, avhengig av sammensetningen, aluminium med titan og/eller litt bor i fast løsning, samt partikler av typen TiAl3

og/eller T1B2/AIB2. Det er ålment akseptert at kornforfining skyldes heterogen kimdanning av aluminiumkrystaller på partikler som er tilført fra forlegeringen. Det strides imidlertid om de aktive partiklene er TiAl3 eller T1B2.

Den ovennevnte fremgangsmåte for kornforfining fører bl.a. med seg problemer med inkubasjonstid og "fading". Førstnevnte betyr at smeiten må holdes en viss tid etter tilsats av komforfiner før optimal effekt oppnås, mens sistnevnte betyr at effekten avtar med holdetiden for lange holdetider. Det er antatt at fadingeffekten for en stor del skyldes at partikler settler i smeiten. Et betydelig problem ved kornforfining av aluminiumlegeringer som skal anvendes til valseprodukter er agglomerering av T1B2-

partikler, såkalt "clustering", som kan medføre hull i folien. I tillegg har man observert inhomogene kornstrukturer, både med hensyn til kornstørrelse og kornstrukturen.

Ved den foreliggende oppfinnelse har man nå kommet fram til en fremgangsmåte for kornforfining hvorved det oppnås aluminium og aluminiumlegeringer med en meget liten kornstørrelse og hvor problemet med "fading" er sterkt redusert.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører således en fremgangsmåte for kornforfining av aluminium og aluminiumlegeringer hvilken fremgangsmåte er kjennetegnet ved at en silisiumborlegering inneholdende fra 0,01 til 4,0 vekt % bor, eventuelt opp til 1 vekt %

jern og eventuelt opp til 2 vekt % aluminium tilsettes til en smelte av aluminium eller aluminiumlegering i en slik mengde at den resulterende smelte minst inneholder 50 ppm bor.

I henhold til en foretrukket utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte tilsettes

det en silisiumborlegering inneholdende 0,02 til 1 vekt % bor til smeiten av aluminium eller aluminiumlegering.

Fortrinnsvis tilsettes silisiumborlegeringen i en slik mengde at aluminium eller aluminiumlegeringen inneholder minst 100 ppm bor.

Foreliggende oppfinnelse vedrører videre en komforfiner for aluminium og aluminiumlegeringer hvilken komforfiner er kjennetegnet ved at den utgjøres av en silisiumborlegering inneholdende mellom 0,01 og 4 vekt % bor, eventuelt opp til 1 vekt % jern og eventuelt opp til 2 vekt % aluminium.

Ifølge en foretrukket utførelsesform inneholder silisiumborlegeringen mellom 0,02 og

1,0 vekt % bor.

Kornforfinerne i henhold til den foreliggende oppfinnelse kan inneholde opp til 1 vekt % jern og opp til 2 % aluminium uten at dette i vesentlig grad nedsetter effekten av kornforfineren. Jerninnholdet holdes fortrinnsvis under 0,5 vekt % og helst under 0,2 vekt %. Aluminiuminnholdet holdes fortrinnsvis under 1 vekt % og helst under 0,5 vekt %.

Det har overraskende vist seg at fremgangsmåten og kornforfineren i henhold til foreliggende oppfinnelse gir meget små korn ved et meget lavt borinnhold i aluminium eller aluminiumlegeringer, samtidig som den kjente "fading"-effekten ikke opptrer ved den foreliggende oppfinnelse.

Det antas at den overraskende gode virkning av kornforfineren i henhold til foreliggende oppfinnelse skyldes at selve kornforfiningsmekanismen ved den foreliggende fremgangsmåte er forskjellig fra den mekanisme som opptrer ved bruk av kornforfinere bestående av aluminium med titan og/eller bor. Mens kornforfiningseffekten av disse kjente kornforfinere som nevnt antas å skyldes at partikler av typen T1AI3 og/eller T1B2/AIB2 er tilstede i kornforfineren som tilsettes til aluminiumsmelten, og at disse danner kim i smeiten, er det ved kornforfineren og fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse funnet at ved tilsats av silisiumborlegering, vil boratomer frigjøres i aluminiumsmelten. Først ved kjøling av aluminiumsmelten dannes det AIB2 partikler in situ i smeiten. AIB2 partiklene har en lavere densitet enn TiB2 og T1AI3 partikler og har derfor en mindre tendens til settling i aluminiumsmelten. Dette kan forklare at den velkjente fadingeffekten ikke opptrer ved fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse selv ved lange holdetider etter tilsats av komforfiner.

Ved fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse er det oppnådd ekstremt små ekviaksiale kom. Således er det for en AlSi-legering inneholdende 9,6 vekt % Si oppnådd komstørrelser på 200 - 300 |im ved et borinnhold på 160 ppm. Ved kornforfining av den samme legering med en konvensjonell aluminiumbasert komforfiner inneholdende 6 vekt % Ti, ble det sammenligningsvis oppnådd komstørrelser på ca 1800 [ Lm ved et Ti-innhold på 0,10 vekt % og ca 1300 \ im ved et Ti-innhold på 0,20 vekt %.

Da kornforfineren i henhold til den foreliggende oppfinnelse inneholder silisium som dominerende bestanddel kan fremgangsmåten i henhold til den foreliggende oppfinnelse ikke kunne anvendes for aluminiumlegeringer hvor siiisiuminnholdet skal være meget lavt. I praksis kan således ikke kornforfineren i henhold til oppfinnelsen anvendes for aluminium eller aluminiumlegeringer som etter kornforfining skal inneholde mindre enn 0,1 vekt % Si.

EKSEMPEL 1

Smelter av 3 kg høyrent aluminium ble plassert i en salamanderdigel og smeltet i en motstandsovn. Ovnstemperaturen ble holdt konstant på 800°C. Smeltene ble deretter tilsatt silisiumborlegering inneholdende ca 1 vekt % bor i fast løsning i en slik mengde at slutdegeringen inneholdt ca 9,6 vekt % Si og et borinnhold på henholdsvis 110 ppm, 160 ppm, 550 ppm og 680 ppm.

For sammenligningsformål ble det fremstilt en smelte av 3 kg SP-Al som ble opplegert med rensilisium uten borinnhold til ca. 9,6 vekt % Si.

Prøver av smeltene ble støpt med en avkjølingshastighet på l°C/s og kimdanningstemperaturen og tilveksttemperaturen for aluminiumkrystallene ble bestemt fra avkjølingskurvene.

Kornstørrelsen for størknede prøver av smeltene ble målt etter interceptmetoden (D(TA)). Kornstørrelsen ble i tillegg bestemt i henhold til Aluminium Association: "Standard Test Procedure for Aluminium Alloy Grain Refiners" (D(AA)). Ifølge denne standard er avkjølingshastigheten ca 5°C/s.

Resultatene er vist på figur 1 og 2 hvor figur 1 viser avkjølingskurven for prøven inneholdende 160 ppm bor og for prøven som ikke inneholdt bor og hvor figur 2 viser kimdanningstemperaturen Tn, tilveksttemperatur Tg og kornstørrelse som funksjon av borinnholdet i aluminiumlegeringen.

Av figur 1 fremgår det at starten av størkningsforløpet endrer seg betydelig ved tilsats av kornforfineren i henhold til foreliggende oppfinnelse. Al-Si legeringen uten bor oppviser en underkjøling før rekalescens opp til tilveksttemperaturen, mens avkjølingskurven for legeringen tilsatt kornforfineren i henhold til foreliggende oppfinnelse går ut i et konstant temperaturplatå nokså umiddelbart etter kimdanning.

Av figur 2 fremgår det at for de prøvene som inneholder bor synes kimdanningstemperaturen og tilveksttemperaturen å være uavhengige av borkonsentrasjonen over et vist minimum. Figur 2 viser også at kornstørrelsen som oppnås ved tilsats av kornforfineren er meget små og i størrelsesordenen 300}im. Kornstørrelsen er videre uavhengig av borinnholdet så lenge borinnholdet holdes over en viss minimumsverdi. Endelig viser figur 2 at avkjølingshastigheten ikke påvirker kornstørrelsen i vesentlig grad for aluminiumlegeringer som er blitt tilsatt kornforfineren i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

Prøver av de overfornevnte smelter ble utstøpt etter holdetider på henholdsvis 1 time, 2 timer, 2,5 timer 3,4 timer 4 timer og 6,5 timer etter tilsats av komforfiner for å undersøke fadingeffekten. Det ble funnet at kimdannings- og tilveksttemperaturen var konstant med holdetiden. Dette viser at fadingseffekten ikke opptrer ved bruk av kornforfineren i henhold til den foreliggende oppfinnelse.

EKSEMPEL 2

To smelter av 3 kg høyrent aluminium ble fremstilt på samme måte som angitt i eksempel 1. Smeiten ble tilsatt en silisiumborlegering inneholdende ca 1 vekt % bor i en slik mengde at sluttlegeringen inneholdt 1,1 vekt % Si og 100 ppm bor. Prøvene ble holdt ved 800°C i henholdsvis 0,5 og 1 time hvoretter de ble støpt med en avkjølingshastighet på l°C/s. Avkjølingskurvene for de to legeringene viste at underkjølingen for utfelling av aluminiumkrystaller var ca 0,5°C hvilket er vesentlig bedre enn det som forventes for samme legering uten bortilsats. Dette viser at kornforfineren i henhold til den foreliggende oppfinnelse også virker i legeringer med et relativt lavt silisiuminnhold. Kornstørrelsen for de størknede prøver ble målt ved interceptmetoden. Gjennomsnittlig kornstørrelse ble målt til ca 900p.m, hvilket er betydelig mindre enn det som forventes i en ikke-kornforfinet Al-1,1 Si legering. Mikrostrukturundersøkelser av de to prøvene viste at flere aluminiumkrystaller inneholdt primære A1B2 partikler i sentrum.

Claims (7)

1. Fremgangsmåte for kornforfining av aluminium og aluminiumlegeringer, karakterisert ved at en silisiumborlegering inneholdende fra 0,01 til 4,0 vekt % bor, eventuelt opp til 1 vekt % jern og eventuelt opp ul 2 vekt % aluminium tilsettes til en smelte av aluminium eller aluminiumlegering i en slik mengde at den resulterende smelte minst inneholder 50 ppm bor.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det tilsettes en silisiumborlegering inneholdende 0,02 til 1 vekt % bor til smeiten av aluminium eller aluminiumlegering.

3. Fremgangsmåte i henhold til krav 1 eller 2, karakterisert ved at silisiumborlegeringen tilsettes i en slik mengde at aluminium eller aluminiumlegeringen inneholder minst 100 ppm bor.

4. Komforfiner for aluminium og aluminiumlegeringer, karakterisert ved at den utgjøres av en silisiumborlegering inneholdende mellom 0,01 og 4 vekt % bor, eventuelt opp til 1 vekt % jem og eventuelt opp til 2 vekt % aluminium.

5. Komforfiner ifølge krav 4, karakterisert ved at silisiumborlegeringen inneholder mellom 0,02 og 1,0 vekt % bor.

6. Komforfiner i henhold til krav 4, karakterisert ved at silisiumborlegeringen inneholder mindre enn 0,50 vekt % jem, fortrinnsvis mindre enn 0,20 vekt % jem.

7. Komforfiner i henhold til krav 6, karakterisert ved at silisiumborlegeringen inneholder mindre enn 1 vekt % aluminium, fortrinnsvis mindre enn 0,5 vekt % aluminium.