CH642108A5

CH642108A5 - Verfahren zur herstellung von halbzeugen aus einer al-mn-legierung mit verbesserten festigkeitseigenschaften.

Info

Publication number: CH642108A5
Application number: CH1256378A
Authority: CH
Inventors: Heinz Juergen Althoff; Heinz Lommel
Original assignee: Metallgesellschaft Ag
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1978-12-08
Publication date: 1984-03-30
Also published as: GB2011946A; IT1101378B; JPS5492510A; DK552778A; US4235628A; NO149243C; AT363697B; NO149243B; FI783767A7; SE7812623L; ES475808A1; NO784106L; DE2754673B1; DE2754673C2; NL7811864A; FR2411244A1; SE430174B; CA1103132A; BE872610A; GB2011946B

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von löt- und emaillierbaren Halbzeugen mit verbesserten Festigkeitseigenschaften aus einer Al-Mn-Legierung. Als löt- und emaillierbar werden Halbzeuge bezeichnet, die - abgesehen von einer evtl. notwendigen Entfettung - keine aufwendige Vorbehandlung durch Chromatieren, Eloxieren, Plattieren, Galvanisieren oder dergleichen erfordern. Unter verbesserten Festigkeitseigenschaften wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine höhere Zugfestigkeit im rekristallisierten, d.h. thermodynamisch stabilen Zustand des Gefüges verstanden. Die Halbzeuge sollen in diesem, auch als «weich» bezeichneten Zustand eine Zugfestigkeit von mindestens 150N/mm2 aufweisen. Aus DIN 1725 in Verbindung mit DIN 1745, jeweils Teil 1 Ausgabe Dezember 1976, ist eine Al-Mn-Legie-rung (Werkstoffnummer 3.0515) bekannt, die im weichen Zustand eine Mindestzugfestigkeit von 90 N/mm2 aufweist. Höhere Zugfestigkeitswerte im weichen Zustand können bei Al-Mn-Legierungen durch Zusatz von Cu (DIN 1745, Werk-stoffnummer 3.0517) oder von Mg (Werkstoffnummer 3.0526) erreicht werden. Im ersten Fall wird nur eine bescheidene Verbesserung auf ein 100 N/mm2 erreicht, während im zweiten Fall die Mindestzugfestigkeit auf 155 N/mm2 steigt.

Beide festigkeitssteigernden Massnahmen sind jedoch in anderer Hinsicht nachteilig. Während der Zusatz von Cu in Mengen von 0,05 bis 0,20% bei nur geringer Verbesserung der Festigkeit bereits eine erhebliche Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit mit sich bringt, ist eine Al-Mn-Legie-5 rung mit 0,8 bis 1,3% Mg nicht mehr löt- oder emaillierbar. Die eingangs genannten Bedingungen sind auf diesem Wege also nicht gleichzeitig zu erfüllen. Bekannt sind auch löt- und emaillierbare Al-Mn-Legierungen mit verbesserten Festigkeitseigenschaften, deren Anwendungsbereich durch einen io Zusatz von Zirkonium und/oder Chrom erweitert worden ist. (Vergi. DE-PS 16 08 198, 16 08 766, DE-AS 25 29 064, DE-OS 25 55 095.) In diesen Fällen handelt es sich jedoch nur um die Erzeugung eines rekristallisationsträgen Gefüges, d.h. um eine Verschiebung des Festigkeitsabfalls zu höheren Tempeis raturen hin. In voraussetzungsgemäss «weichem» Zustand liegen die Mindestzugfestigkeiten dieser Legierungen wieder deutlich unter dem angestrebten Wert. Aus derartigen Legierungen hergestellte Teile können bei der Fertigung (Löt- und Emailliervorgänge) oder auch bei ihrem bestimmungsge-20 mässen Gebrauch höheren Temperaturen ausgesetzt werden als übliche Al-Mn-Legierungen, weil der Zr- und/oder Cr-Zusatz einen nennenswerten Abfall der durch Kaltumformung erzielten Gefügeverfestigung bei Temperatureinwir-kung verhindert. Die Rekristallisationshemmung bleibt 25 jedoch nur bis zu einer bestimmten Temperatur bzw. Einwirkungsdauer bestehen. Werden gewisse Grenzwerte während der Fertigung der Teile oder bei deren bestimmungsgemässen Gebrauch überschritten, so geht oft bei diesen Legierungen das Gefüge in den thermodynamisch stabilen, d.h. weichen 30 Zustand über, indem die Festigkeitswerte für viele Anwendungsfälle nicht mehr ausreichend sind. Eine Umkehr dieses Vorgangs ist in der überwiegenden Zahl der Fälle ausgeschlossen. Bei Gegenständen, die dauernd bei oder oberhalb der Rekristallisationstemperatur im Einsatz sind, versteht 35 sich das von selbst. Bei emaillierten oder gelöteten Gegenständen, die der kritischen Temperaturein Wirkung oft nur kurzfristig unterliegen, ist eine nachfolgende Kaltumformung zur Erzielung höherer Zugfestigkeits werte entweder gänzlich ausgeschlossen (Abplatzen des Emails) oder aber 40 wegen der komplizierten Form des Gegenstandes praktisch undurchführbar (z.B. gelöteter Autokühler). Es besteht somit die Aufgabe, Halbzeuge aus einer Al-Mn-Legierung zur Verfügung zu stellen, die sich durch Löt- und Emaillierbar-keit auszeichnen, die eine gute Korrosionsbeständigkeit auf-45 weisen und die bei vollständig rekristallisiertem Gefüge beispielsweise noch eine Zugfestigkeit von mindestens 150 N/mm2 haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch das im Patentanspruch 1 definierte Verfahren gelöst. Zweckmäs-50 sigerweise wird von einer Legierung ausgegangen, bei der die Verunreinigung durch Zink, Blei, Chrom, Nickel, Zinn, Cadmium und Wismut jeweils unter 0,01% liegt. Ferner ist es vorteilhaft, das Gewichtsverhältnis von Silizium zu Eisen im Bereich zwischen 1:1 bis 6:1, vornehmlich zwischen 2:1 bis 4:1 55 einzustellen. Ferner sollte die Summe Mangan und Silizium mindestens 2%, vorzugsweise 2,5 bis 3,5% betragen. Die Glühung des Stranggussblockes kann bei 500 bis 620°C oder auch 4 bis 20 Stunden lang bei 400 bis 500°C durchgeführt werden. Wird ausserdem gefordert, dass die Halbzeuge oder 60 die daraus hergestellten Gegenstände ein rekristallisationsträges Gefüge aufweisen, so wird zeckmässig die Glühung des Gussblocks 4 bis 20 Stunden lang bei 400 bis 500°C durchgeführt und im Anschluss an das Warm- und Kaltumformen durch die Rekristallisationsglühung an dem Halbzeug selbst 65 eine weitere Kaltformung vorgenommen, oder es können aus dem Halbzeug Gegenstände durch Kaltumformen gefertigt werden. Eine weitere Steigerung der Rekristallisationsträgheit kann in an sich bekannter Weise dadurch herbeigeführt

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werden, dass von einer Legierung ausgegangen wird, die ausserdem noch bis zu 0,5% Zirkonium enthält.

Die Verwendung der erfindungsgemäss hergestellten Halbzeuge ergibt sich aus der Erfüllung der eingangs genannten Bedingungen. Insbesondere also für solche Fälle, in denen nach abgeschlossener Rekristallisation eine Mindestzugfestigkeit von 150 N/mm2 gefordert wird. Sie sind ohne besondere Vorbehandlung wie beispielsweise Chromatieren, Eloxieren, Plattieren, Galvanisieren usw. ausgezeichnet lötbar und emaillierbar, es genügt das übliche Entfernen von Walzölen bzw. bei der Umformung verwendeter Fette oder Gleitmittel.

Konkret können die Halbzeuge eingesetzt werden zur Herstellung von gelöteten Wärmeaustauschern und sonstigen gelöteten Teilen, und zwar sowohl als Lamellenwerkstoff wie auch als Kernwerkstoff von lotplattierten Bändern und Blechen. Sie sind geeignet zur Herstellung von emaillierten Teilen, wie beispielsweise Küchengeschirr. Ferner können daraus Absorberplatinen für Solarkollektoren hergestellt werden, die im sogenannten Leerlauf einer erheblichen Temperaturbelastung unterliegen können. Als Anwendungsfall mit Dauertemperaturbelastung seien erwähnt, Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren, Rohrbündel-Wärmeaustauscher und Heat-Piper-Wärmeaustauscher. Schliesslich können aus den Halbzeugen auch Karosseriebleche gefertigt werden, bei denen wegen der Lackeinbrennung ebenfalls hohe Zugfestigkeitswerte im rekristallisierten Zustand vorhanden sein müssen. Schliesslich ist die Aluminiumlegierung auch ausgezeichnet brauchbar zur Herstellung von Kaltfliesspressteilen, da sie im rekristallisierten Zustand ein Verhältnis Zugfestigkeit zu Streckgrenze von 3:1 oder darüber aufweist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Versuchsergebisse unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Fig. 1 und 2 der Zeichnungen sind Diagramme von Zugfestigkeits- und Streckgrenzwerten aus den nachstehenden Beispielen.

1. Aus einer Schmelze mit der Analyse

1,49% Mangan 1,63% Silizium 0,53% Eisen 0,08% Kupfer 0,02% Titan

< 0,01% Magnesium

< 0,01 % Zink

<0,01% Blei

<0,01% Chrom

< 0,01 % Zirkonium Rest Aluminium wurde im Stranggiessverfahren ein Gussblock erzeugt und dieser 15 Stunden lang bei 550°C geglüht. Anschliessend wurde der Block mit einer Querschnittsverminderung von 95% bei 530°C warm- und danach mit einer Querschnittsverminderung von 70% kaltgewalzt.

Von dem erzeugten Band wurden Probestücke genommen und jeweils 2 Stunden lang bei 500 bzw. 600°C einer Rekristallisationsglühung unterworfen. An den Proben wurden folgende Festigkeitswerte gemessen.

Glühung bei

500°C

600°C

Zugfestigkeit

164 N/mm2

158 N/mm2

0,2-Grenze

53 N/mm2

50 N/mm2

Bruchdehnung Aio

25%

28%

In beiden Fällen wurde also die geforderte Mindestzugfestigkeit von 150 N/mm2 im rekristallisierten Zustand erreicht. Darüber hinaus wurden beachtliche Bruchdehnungswerte und ein Verhältnis Zugfestigkeit/Streckgrenze von über 3:1 erreicht, was insbesondere für die Verarbeitung des Materials durch Kaltfliesspressen von Bedeutung ist.

2. Aus einer Schmelze mit der Analyse

1,44% Mangan 1,49% Silizium 0,48% Eisen

< 0,2% sonstige Bestandteile Rest Aluminium wurde wie im Beispiel 1 ein Gussblock erzeugt und dieser ebenso warm- und kaltgewalzt. Die entommenen Proben wurden jeweils 2 Stunden lang bei verschiedenen Temperaturen rekristallisierend geglüht. Die anschliessend ermittelten Zugfestigkeits- und Streckgrenzwerte sind im Diagramm gemäss Fig. 1 dargestellt.

Man erkennt, das ausgehend von einer Zugfestigkeit von knapp 250 N/mm2 im kaltverfestigten Material bei Zimmertemperatur die Zugfestigkeitswerte bis zu einer Glühtemperatur von 300°C steil auf etwa 120 N/mm2 abfallen, um bei höheren Glühtemperaturen wieder aufwerte über 150 N/mm2 anzusteigen. Dieser Wert wird zwischen 450 und 500°C überschritten. Der Wiederanstieg der Zugfestigkeit im rekristallisierten Zustand bei Glühungen oberhalb 300°C ist völlig überraschend, weil - soweit ersichtlich - bei den bekannten Aluminiumlegierungen bisher nur stetig weiter abfallende Zugfestigkeitswerte bei zunehmender Rekristallisationstemperatur beobachtet wurden und weil, insbesondere die Streckgrenze, keinen entsprechenden Anstieg zeigt.

3. Es wurde ferner die rekristallisationshemmende Wirkung einer modifizierten Vorbehandlung des Gussblocks der Zusammensetzung nach Beispiel 2 sowie bei einem Gussblock folgender Zusammensetzung

1,45% Mangan 1,40% Silizium 0,57% Eisen 0,14% Zirkonium

< 0,2% sonstige Bestandteile Rest Aluminium untersucht. Es werden verglichen:

a) eine Probe, behandelt nach Beispiel 2 sowie zusätzlicher Kaltverformung um 17% nach dem Rekristallisationsglühen,

b) eine Probe nach Glühung des Gussblocks 12 Stunden lang bei 470°C, im übrigen behandelt wie Probe a),

c) eine Probe gemäss vorstehend genannter Zusammensetzung, also mit 0,14% Zirkonium, behandelt wie Probe b).

Alle drei Proben a) bis c) wurden nach der Kaltumformung um 17% verschiedenen Kurzzeitglühungen unterworfen, wodurch ein Herstellungsvorgang simuliert wird, wie er etwa beim Einbrennen des Emails auf Küchengeschirr vorkommt.

Die Ergebnisse sind im Diagramm gemäss Fig. 2 dargestellt. Ausgehend von Streckgrenzwerten (0,2-Grenze) um 184 N/mm2 für alle drei Proben, fällt die Probe a) nach den im Diagramm angegebenen Kurzzeitglühungen (entsprechend dem Emaileinbrennen) auf Streckgrenzwerte zwischen 80 und 63 N/mm2 ab.

Demgegenüber weist die Probe b) nach dem ersten Glühversuch noch einen Streckgrenzwert von 127 N/mm2, nach dem zweiten von 81 N/mm2 und nach dem dritten von 77 N/mm2auf.

Die Probe c) verhält sich unter diesen Versuchsbedin5

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gungen noch günstiger, was jedoch wegen der bekannten rekristallisationshemmenden Wirkung des Zirkoniums weniger überraschend ist. Bedeutsamer ist die Erkenntnis, dass unter den genannten Bedingungen auch ohne Zirkoniumzusatz eine beachtliche Rekristallisationshemmung erreicht werden kann, die im ersten und dritten Glühversuch nur unwesentlich niedriger ist als die mit Zirkoniumzusatz erreichte.

Es wird vermutet, dass bei einer weiteren Verfeinerung der Vorbehandlung der beschriebenen Legierung über den ganzen Bereich der möglichen Kurzzeiterwärmungen (z.B. Emaileinbrennen oder Löten), ähnlich gute Werte der Rekristallisationshemmung erreicht werden können, wie sie bisher nur mit Zusatz von Zirkonium oder anderen Elementen möglich waren. Damit können die nachteiligen Wirkungen dieser Zusatzelemente bezüglich Emaillierung und Korrosion vermieden werden.

5 Nach dem erfindungsgemässen Verfahren wird ein Aluminiumwerkstoff zur Verfügung gestellt, der nicht nur ausgezeichnete Zugfestigkeitswerte im rekristallisierten Zustand aufweist, sondern darüber hinaus auch die Möglichkeit bietet, ohne den Zusatz anderweitig schädlicher Elemente bei io entsprechender Vorbehandlung ein gegenüber der Rekristallisation verhältnismässig träges Gefüge einzustellen. Durch diese Eigenschaften werden der Legierung weite Anwendungsbereiche eröffnet.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

642108 PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von löt- und emaillierbaren Halbzeugen aus einer Al-Mn-Legierung mit verbesserten Festigkeitseigenschaften, dadurch gekennzeichnet, dass man aus einer Schmelze, die neben Aluminium 0,8-2% Mangan, 0,6-3% Silizium und 0,2-1% Eisen, und insgesamt höchstens 0,2% Verunreinigungen enthält, einen Stranggussblock erzeugt, diesen Block bei 400-620°C 2-20 Stunden lang glüht, anschliessend warm und kalt bis an Endabmessungen des Halbzeugs umformt und schliesslich das Halbzeug bei mehr als 450°C einer Rekristallisationsglühung unterwirft.

2. Verfahren anch Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze ausserdem bis zu 0,2% Kupfer und/oder bis zu 0,2% Magnesium enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze Verunreinigungen aus der Gruppe Zink, Blei, Chrom, Nickel, Zinn, Cadmium und Wismut enthält, deren Mengenanteil jeweils unter 0,01% liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schmelze das Gewichtsverhältnis von Silizium zu Eisen 1:1 bis 6:1, vorzugsweise 2:1 bis 4:1, beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schmelze die Summe der Mengenanteile von Mangan und Silizium mindestens 2%, vorzugsweise 2,5 bis 3,5%, beträgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Stranggussblock bei 500-620°C glüht.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man den Stranggussblock 4-20 Stunden lang bei 400 bis 500°C glüht.

8. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 zur Erzeugung von Halbzeugen oder Gegenständen mit einem rekristallisationsträgen Gefüge, dadurch gekennzeichnet, dass man den Stranggussblock 4-20 Stunden lang bei 400-500°C glüht, und dass man nach dem Warm- und Kaltumformen im Anschluss an die Rekristallisationsglühung eine weitere Kaltumformung des Halbzeugs vornimmt oder aus dem Halbzeug Gegenstände durch Kaltumformen fertigt.

9. Anwendung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze ausserdem noch bis zu 0,5% Zirkonium enthält.