CS259475B1

CS259475B1 - A method of making aluminum extruded structural members

Info

Publication number: CS259475B1
Application number: CS864315A
Authority: CS
Inventors: Vladimir Komarek; Vojtech Nejedly; Karel Placek; Vladimir Sedlacek; Vladimir Suchanek
Original assignee: Vladimir Komarek; Vojtech Nejedly; Karel Placek; Vladimir Sedlacek; Vladimir Suchanek
Priority date: 1986-06-11
Filing date: 1986-06-11
Publication date: 1988-10-14
Also published as: CS431586A1

Abstract

Způsob výroby konstrukčních prvků průtlačně lisovaných ze slitiny hliníku s obsahem v hmotnostních % 3,8 až 4,5 mědi, 1,2 až 1,7 hořčíku, 0,5 až 1,1 manganu a zbytek hliník s maxim, obsahem příměsí 0,2 křemíku, 0,3 železa a 0,1 titanu. K výrobě je použito hliníku s nízkým obsahem železa do 0,15 a křemíku do 0,12 a legování manqanem se provede tak, aby poměr křemíku:železu:manganu byl jako 10:12 až 18:50 až 90. Pro výrobu konstrukčních prvků se použije poloplynule odlitých čepů s výsledným obsahem vodíku pod 0,15 ml/100 g, jemnou strukturou definovanou velikostí dendritických buněk v závislosti na průměru čepu 190, resp. 260 mm 30 fim, resp. 80 um a pórovitostí omezenou 5 póry na 'l cm^. Cepy po vysokoteplotním žíhání 470 až 480 °C se lisují za teplot 380 až 450 °C přímým a nepřímým způsobem se slisovaclm poměrem 10 až 120. Tepelné zpracováni pozůstává z rozpouštěoího žíhání při teplotách 485 až 495 °C po dobu 10 až 60 min. ochlazením vodou teploty do 35 °C. Následuje úprava tvaru napnutím trvalou deformací v rozmezí 1 až 2 %. Kontrukční prvky mají při cyklickém namáhání únavový život 2 až 3násobný oproti prvkům z běžného materiálu.Method of manufacturing structural elements extruded from an aluminum alloy with a content in mass % of 3.8 to 4.5 copper, 1.2 to 1.7 magnesium, 0.5 to 1.1 manganese and the rest aluminum with a maximum, impurity content of 0.2 silicon, 0.3 iron and 0.1 titanium. Aluminum with a low iron content of up to 0.15 and silicon up to 0.12 is used for production and manganese alloying is carried out so that the ratio of silicon:iron:manganese is as 10:12 to 18:50 to 90. For the production of structural elements, semi-continuously cast pins with a resulting hydrogen content below 0.15 ml/100 g, with a fine structure defined by the size of dendritic cells depending on the pin diameter of 190, respectively. 260 mm 30 fim, respectively. 80 um and porosity limited to 5 pores per '1 cm^. Flakes after high-temperature annealing 470 to 480 °C are pressed at temperatures of 380 to 450 °C in a direct and indirect manner with a compression ratio of 10 to 120. Heat treatment consists of solution annealing at temperatures of 485 to 495 °C for 10 to 60 min. cooling with water temperature to 35 °C. This is followed by shape adjustment by tensioning with permanent deformation in the range of 1 to 2%. Structural elements have a fatigue life 2 to 3 times higher than elements made of conventional material under cyclic stress.

Description

Vynález se týká způsobu výroby konstrukčních prvků průtlačně lisovaných ze slitiny hliníku s obsahem hmotnostních % 3,8 až 4,5 mědi, 1,2 až 1,7 hořčíku, 0,5 až 1,1 manganu a zbytek hliník s max. obsahem příměsi do 0,2 křemíku, do 0,3 železa a do 0,1 titanu, kterým se dosahuje zvýSení odolnosti proti vzniku a průběhu únavového poškození a tím výraznému zvýšení užitných vlastností.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a process for the production of extruded aluminum alloy components having a weight ratio of 3.8 to 4.5 copper, 1.2 to 1.7 magnesium, 0.5 to 1.1 manganese and the remainder aluminum having a maximum content up to 0.2 silicon, up to 0.3 iron and up to 0.1 titanium, which achieve an increase in resistance to the formation and course of fatigue damage and thus a significant increase in performance.

Konstrukční prvky pro letecké a jiné náročné konstrukce jsou vyráběny ze slitiny typu hliník-me3-hořčík, která vykazuje vlastnosti vhodné pro použití, tzn. relativně nízkou hmotnost a vysokou pevnost. Obdobné slitiny a z nich vyráběné konstrukční prvky jsou používány obecpě u nás i v zahraničí. Konstrukční prvky z nich vyrobené mají určitou životnost a je v zájmu bezpečnosti leteckého provozu ji maximálně zvyšovat.Structural elements for aerospace and other demanding structures are made of aluminum-me3-magnesium alloy, which exhibits properties suitable for use, ie. relatively low weight and high strength. Similar alloys and structural elements made from them are used in the Czech Republic and abroad. Structural components made of them have a certain lifetime and it is in the interest of air safety to maximize it.

Životnost konstrukčních prvků je omezena tím, že v průběhu provozu dochází k postupnému vzniku únavových trhlin a k jejich dalšímu šíření. (Výzkumem bylo', ověřeno, že trhliny vznikají především v částicích intermetalických fází větších rozměrů bohatých železem a křemíkem a na hranicích ₍těchto fází s hliníkovou matricí. Koheze těchto rozhraní je nepříznivě ovlivňována obsahem vodíku. Náchylnost ke vzniku a šíření únavových trhlin je dále ovlivňována základní strukturou slitiny, která je výslednicí parametrů průtlačného lisováni, tepelného zpracováni a závěrečné operace napínání.The service life of structural elements is limited by the fact that fatigue cracks gradually develop and spread during operation. (Research has shown that cracks occur primarily in particles of larger metal-silicon-rich intermetallic phases and at the boundaries ₍ these phases with an aluminum matrix. The cohesiveness of these interfaces is adversely affected by the hydrogen content). basic alloy structure, which is the resultant of extrusion, heat treatment and final stretching operations.

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob výroby konstrukčních prvků průtočně lisovaných ze slitiny hliníku s obsahem v hmotnostních % 3,8 až 4,5 mědi, 1,2 až 1,7 hořčíku, 0,5 až 1,1 manganu, zbytek hliník s max. obsahem příměsí 0,2 křemíku, 0,3 železa a 0,1 titanu podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že k přípravě slitiny se použije hliníku s obsahem do 0,12 křemíku a do 0,15 železa a obsah manganu se leguje tak, aby poměr křemíku: :železu:manganu je 10:12 až 18:50 až 90, čímž se dosahuje příznivé velikosti a rozložení částic intermetalických fází a současně se vhodně potlačuje schopnost matrice k rekrystalizaci.The above mentioned drawbacks are eliminated by the method of production of flow-molded components made of aluminum alloy with a content by weight of 3.8 to 4.5 copper, 1.2 to 1.7 magnesium, 0.5 to 1.1 manganese, the remainder aluminum with a maximum content 0.2 silicon, 0.3 iron and 0.1 titanium according to the invention, the principle of which is to use an aluminum containing up to 0.12 silicon and up to 0.15 iron to produce the alloy, and the manganese content is thus alloyed such that the silicon: iron: manganese ratio is 10:12 to 18:50 to 90, thereby achieving a favorable particle size and distribution of the intermetallic phases, while appropriately suppressing the ability of the matrix to recrystallize.

Další podmínkou je omezení obsahu vodíku rafinaci min. pod obsah 0,15 ml/100 g, čehož lze dosáhnout přípravou vsázkového materiálu, tavením v mírně oxidační atmosféře, aplikací krycích solí a hlavně odvodíkováním v tavící peci, následným ustátím a rafinaci v plynovém reaktoru nebo vakuovacím mixéru.Another condition is to limit the hydrogen content by refining min. below 0.15 ml / 100 g, which can be achieved by preparing a feed material, melting in a mildly oxidizing atmosphere, applying coating salts and, in particular, dewatering in a melting furnace, subsequent settling and refining in a gas reactor or vacuum mixer.

Z poloplynule odlitých čepů lze pro další výroby použít jen čepy s rovnoměrnou jemnou licí strukturou. Kritérium přípustnosti je velikost dendritických buněk, která pro průměr čepu 190 mm může být do 30 jum, pro průměr 260 mm do 80 yum a dále i pórovitost, která podle vizuálního hodnocení makrovýbrusu nemá přesáhnout počet 5 pórů na 1 cm². Póry mohou mít velikost 0,1 mm a jeden 0,2 mm.Only semi-continuously cast pins can be used for further production only with pins with uniform fine casting structure. The admissibility criterion is the size of the dendritic cells, which may be up to 30 µm for a 190 mm pin diameter, 260 mm to 80 yum diameter and a porosity that should not exceed 5 pores per cm ² according to the visual evaluation of the macro-cut. The pores may be 0.1 mm and one 0.2 mm in size.

Cepy vyhovující kvality se dále vysokoteplotně žíhají při teplotě 470 až 480 °C po dobu 4 až 8 hodin s následným ochlazením na vzduchu.Flaps of satisfactory quality are further high-temperature annealed at a temperature of 470 to 480 ° C for 4 to 8 hours followed by cooling in air.

Cepy ohřáté na teplotu 370 až 450 °C se lisuj jí při lisovacím poměru 10 až 120, s výhodou 15 až 80. Výhodnější je použití čepů menších rozměrů, u nichž je zajištěna menší velikost intermetalických částic.The studs heated to 370 to 450 ° C are compressed at a compression ratio of 10 to 120, preferably 15 to 80. It is preferable to use pins of smaller dimensions, which provide a smaller intermetallic particle size.

Výlisky se dále žíhají na rozpouštění tak, aby matrice plně nerekrystalizovala, přednostně při teplotě 485 až 495 °C po dobu 10 až 60 min. s následným rychlým ochlazením vodou max.Further, the compacts are annealed to dissolve so that the matrix does not fully recrystallize, preferably at a temperature of 485 to 495 ° C for 10 to 60 min. followed by rapid cooling with water max.

°C.Deň: 32 ° C.

Následně, nejpozději do 8 hod. s výhodou však do 4 až 5 h se provede úprava tvaru a mechanických vlastností plastickou deformací v rozmezí 1 až 2 %, s výhodou však do 1,5 %.Subsequently, at the latest within 8 hours, preferably within 4-5 hours, the shape and mechanical properties are adjusted by plastic deformation in the range of 1 to 2%, preferably up to 1.5%.

Při dodržení zásad uvedeného způsobu výroby se docílí podstatného zvýšení únavové odolnosti tím, že se prodlouží doba do vzniku únavové trhliny a zpomalí se rychlost jejího růstu. Únavový život se prodlužuje jak v oblasti horní větve, tak i spodní větve únavové křivky.By adhering to the principles of the aforementioned method of manufacture, a substantial increase in fatigue resistance is achieved by extending the time to fatigue crack formation and slowing the rate of growth thereof. Fatigue life extends both in the upper and lower fatigue curves.

Oproti běžné normální slitině je zvýšení únavového života 2 až 3násobné. Zvýšení únavového života konstrukčních prvků se pochopitelně přenáší i na konstrukce z nich sestavených, jejichž životnost se prodlužuje. Uvedený výrobní postup též zaručuje, že se plně využije tzv. lisovacího účinku ke zvýšení statické meze pevnosti a meze 0,2 a to i při vyšší metalurgické čistotě. Dosahuje se stejných hodnot jako u běžné slitiny, takže konstrukce vyrobené z těchto prvků mají stejnou statickou únosnost.Compared to normal normal alloy, fatigue life increase is 2 to 3 times. Increasing the fatigue life of structural elements is, of course, also transferred to structures made of them, whose service life is extended. This production process also guarantees that the so-called pressing effect is fully utilized to increase the static strength limit and the limit of 0.2 even at higher metallurgical purity. It achieves the same values as a conventional alloy, so that structures made of these elements have the same static load rating.

PříkladExample

Byla připravena tavba o chemickém složení v % hmotnostních 4,33 mědi, 1,55 hořčíku,A melting chemical composition in% by weight of 4.33 copper, 1.55 magnesium,

0,91 manganu, zbytek hliník s příměsemi 0,22 železa a 0,15 křemíku. Tavení se uskutečnilo v mazutové peci při kontrole spalovacího procesu; tavenina byla postupně rafinována hexachloretanem v tavící peci, ustátím v ustalovací peci a v konečné fázi v plynovém rafinačním reaktoru čistým dusíkem na konečný obsah vodíku 0,10 ml/100 g. Poloplynulým litím do krátké kokily byly odlity čepy o průměru 190 mm při teplotě taveniny 700 °C rychlostí 90 nan/mín.0.91 manganese, the rest aluminum with admixtures of 0.22 iron and 0.15 silicon. The melting was carried out in a black oil furnace during the control of the combustion process; The melt was sequentially refined with hexachloroethane in a melting furnace, set aside in a settling furnace, and finally in a gas refinery reactor with pure nitrogen to a final hydrogen content of 0.10 ml / 100 g. 700 ° C at 90 nan / min.

Průměrná velikost dendritických buněk byla 27,7 mikrometrů a porezita menší než 4 póry 2 na 1 cm , což bylo kontrolováno dle etanolu. Vysokoteplotní žíhání se uskutečnilo ve vzdušné peci při teplotě 480 °C podobu 6 h na teplotě.The average dendritic cell size was 27.7 microns and the porosity was less than 4 pores 2 per cm, which was checked by ethanol. High temperature annealing was carried out in an air furnace at 480 ° C for 6 hours at temperature.

Po apretaci čepů byly vylisovány kruhové tyče o průměru 38 mm se slisovacím poměrem 40 s indukčním ohřevem před lisováním na teploty 410 až 425 °C. Po rozpouštěcim žíhání při teplotě 490 °C s prodlevou na teplotě 30 minut se tyče ochladily ve vodě cca 30 °C teplé a byly napnuty do 8 h o cca 2 %.After finishing the pins, round bars with a diameter of 38 mm were pressed with a compression ratio of 40 with induction heating before pressing to temperatures of 410 to 425 ° C. After solution annealing at 490 ° C with a 30 minute residence time, the bars were cooled in water of about 30 ° C warm and were stretched by about 2% in 8 hours.

po vystárnutí se dosáhlo následujících vlastností:after aging, the following properties were achieved:

mez pevnosti R_m 585 až 593 MPa mez kluzu RpO,2 492 až 499 MPa tažnost 12,3 až 13,0 %yield strength R _m 585 to 593 MPa yield strength RpO, 2 492 to 499 MPa elongation 12,3 to 13,0%

Únavová spolehlivost se zkoušela míjivým zatížením na kruhových tyčích s válcovým příčným otvorem se součinitelem vrubu 2,36. Při maximálním napětí 170 MPa byl střední 5 5 únavový život dosud užívaného materiálu 2,2 . 10 cyklů a nového 8 . 10 cyklů, při napětí 4 5Fatigue reliability was tested by passing loads on round bars with cylindrical transverse bore with a notch factor of 2.36. At a maximum stress of 170 MPa, the average fatigue life of the material used so far was 2.2. 10 cycles and new 8. 10 cycles, at voltage 4 5

200 MPa měl dosud užívaný materiál život 8 . 10 cyklů a nový materiál 2,5 . 10 cyklů, což znamená prodloužení únavového života více než trojnásobné. Dále byla odolnost proti únavovému porušení zkoušena na prizmatických plochých tyčích s centrálním otvorem se součinitelem vrubu kg = 2,6.200 MPa had the material used so far 8. 10 cycles and new material 2.5. 10 cycles, which means fatigue life prolongation more than threefold. Furthermore, fatigue failure resistance was tested on prismatic flat bars with a central hole with a notch factor of kg = 2.6.

Tyče byly vyrobeny z 5 taveb v uvedeném rozmezí chemického složeni. Prokázalo se, že lze počítat se zvýšením únavové životnosti cca 2,8krát oproti stávající slitině.The bars were made of 5 melts within the stated chemical composition range. It has been shown that an increase in fatigue life of approximately 2.8 times compared to the existing alloy can be expected.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

Method for producing extruded aluminum alloy components with a weight content of 3.8 to 4.5 copper, 1.2 to 1.7 magnesium, 0.5 to 1.1 manganese, and the remainder aluminum with a maximum content of 0, 2 silicon, 0.3 iron and 0.1 titanium, characterized in that aluminum with a silicon content of up to 0.12% and an iron content of up to 0.15% is used to prepare the alloy, the manganese content being alloyed so that the silicon: iron ratio The manganese was in the ratio of 10:12 to 18:50 to 90, after which the round pins are cast in a semi-continuous manner, of which only melting pins with a final hydrogen content of up to 0.15 ml / 100 g are used for further production. the pin structure, in which the dendritic cells have a maximum dimension for the pin diameter of 190, respectively. 260 mm 30 resp.

80 µm and the number of pores does not exceed 5 per 1 cm, one of which can be 0.2 mm and the other 0.1 mm and the pins thus selected are subjected to high temperature annealing for 4 to 8 hours at a temperature of 470 to 480 ° C, and they are subsequently extruded with a compression ratio of 10 to 120 at temperatures of 420 to 450 ° C in direct and 380 to 420 ° C in an indirect process, the molding is subjected to solution annealing at 485 to 495 ° C for 10 to 60 min. at a temperature followed by rapid cooling into water at a temperature of up to 35 ° C and at the latest within 8 hours, they are stretched for shape adjustment with permanent deformation of 1 to 2%