DE3879809T2

DE3879809T2 - Aluminiumlegierungen und verfahren zur herstellung.

Info

Publication number: DE3879809T2
Application number: DE8888307620T
Authority: DE
Inventors: Iljoon Jin; David James Lloyd
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 1987-08-18
Filing date: 1988-08-17
Publication date: 1993-07-22
Anticipated expiration: 2008-08-18
Also published as: NO173746C; ATE87670T1; AU2105988A; NO883675D0; EP0304284B1; BR8804158A; US4929421A; ZA886035B; CA1302740C; NO883675L; EP0304284A1; AU610631B2; NO173746B; DE3879809D1; JPS6473043A; ES2039628T3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Aluminiumlegierungen, welche hohe Festigkeit nach langem Aussetzen bei erhöhten Temperaturen behalten und auf das Gießen derartiger Legierungen mittels Streifengießtechniken, beispielsweise Doppelwalzengießen.
Es hat in den vergangenen Jahren ein beträchtliches Interesse an thermisch stabilen Aluminiumlegierungen, d. h. Legierungen, die nicht nach langem Aussetzen bei erhöhten Temperaturen bis zu 350ºC erweichen, bestanden. Um diesem Verlangen gerecht zu werden, ist eine Vielzahl thermisch stabiler Aluminiumlegierungen entwickelt worden. Im allgemeinen werden thermisch stabile Aluminiumlegierungen durch Hinzufügung von Übergangselementen, die einen niedrigen Diffusionskoeffizienten aufweisen und eine geringe Feststofflöslichkeit in Aluminium besitzen, hergestellt. Wegen der geringen Löslichkeit gibt es bei der Entwicklung der Legierung ein Problem. Die Legierungen müssen ausgehend von einer außergewöhnlich hohen Schmelztemperatur gehärtet werden, und die Abkühlgeschwindigkeit während der Verfestigung muß ausreichend hoch sein, um die Bildung primärer intermetallischer Teilchen zu unterdrücken. Die primären intermetallischen Teilchen sind für schlechte mechanische Eigenschaften und einen verminderten Gehalt von gelöstem Stoff in der Aluminiummatrix verantwortlich.
Diese Legierungen sind unter Verwendung von im wesentlichen einem der beiden Verfahrenswege entwickelt worden: (i) das direkte Blockgießen oder (ii) Pulvermetallurgie.
Bei dem direkten Blockgießen wird die Legierungsschmelze direkt in eine Form gegossen. Weil die für diesen Zweck verwendeten Legierungselemente eine niedrige Löslichkeit in Aluminium aufweisen, und die Kühlgeschwindigkeit relativ niedrig ist, sind die Legierungszugaben gering. Deshalb ist trotz Erzielung einer beträchtlichen Wärmebeständigkeit die mit diesem Verfahren erhaltene Festigkeit relativ gering. Die Dehnspannung dieser Legierungen beträgt üblicherweise weniger als 173 MPa (25 ksi). Eine typische Legierung der zuvor beschriebenen Art ist in Jagaciak, Canadian Patent Nr. 876,652, erteilt am 27.Juli 1971, beschrieben und besteht im wesentlichen aus 0,1 bis 0,35 Gew.-% Chrom, 0,2 bis 0,7 Gew.-% Zirkonium, 0,3 bis 1,5 Gew.-% Mangan und Rest Aluminium.
Das Pulvermetallurgieverfahren umfaßt die Herstellung von rasch verfestigten Legierungs-Pulvern oder -Flocken, Vakuumentgasung, Verfestigung und Extrusion. Die raschen Kühlgeschwindigkeiten (hoher als 10000ºC/s) bei dem Pulveratomisierungsverfahren, das Abschrecken und Schmelzspinnen ermöglichen es, die Löslichkeitsgrenzen der Legierung weit über die Grenzen, die durch das Gleichgewichtsphasendiagramm vorgegeben sind, auszudehnen. Eine typische Legierung dieser Art kann 6 bis 15 Gew.-% Eisen, 1 bis 10 Gew.-% Chrom, 1 bis 10 Gew.-% Zirkonium, 1 bis 10 Gew.-% Cer, 1,5 bis 10 Gew.-% Vanadium, 1 bis 2 Gew.-% Mangan und Rest im wesentlichen Aluminium enthalten. Legierungen dieser allgemeinen Art sind in der EP-A-Veröffentlichung Nr. 136,508, die am 10. April 1985 veröffentlicht worden ist, beschrieben. Die Festigkeit dieser Legierungen ist sehr hoch (Dehnspannung 415 MPa (60 ksi)), das Verfahren ist jedoch sehr kompliziert und teuer.
Aluminiumlegierungenm, die Mangan, Chrom und Zirkonium enthalten, sind in der U.K.-Patentschrift 1,338,974, die am 28. November 1973 veröffentlicht worden ist, beschrieben. Jedoch sind diese Legierungen dafür vorgesehen, daß sie eine relativ geringe elektrische Leitfähigkeit, hohe Korrosionsbeständigkeit und gutes Schmelzfließvermögen besitzen. Es sind keine thermisch stabilen Aluminiumlegierungen, die sich dazu eignen, mittels Streifengießtechniken, wie beispielsweise Doppelwalzgießen, gegossen zu werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Aluminiumlegierungen zur Verfügung zu stellen, die hohe Festigkeit nach langem Aussetzen bei erhöhter Temperatur behalten, und die sich dazu eignen, mittels Streifgießverfahren gegossen zu werden.
Die vorliegende Erfindung liefert eine neue Gruppe von thermisch stabilen Aluminiumlegierungen mit mittlerer und hoher Festigkeit, die aus den folgenden Bestandteilen bestehen: 0,4 bis 1,2 Gew.-% Chrom; 0,3 bis 0,8 Gew.-% Zirkonium; 1,5 bis 2,5 Gew.-% Mangan; 0 bis 2,0 Gew.-% Magnesium; Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Vorzugsweise enthält die Legierung etwas Magnesium, beispielsweise mindestens 0,01 Gew.-%, und eine bevorzugte erfindungsgemäße Legierung besteht aus 0,5 bis 1,2 Gew.-% Chrom, 0,4 bis 0,8 Gew.-% Zirkonium, 1,7 bis 2,1 Gew.-% Mangan, 0,5 bis 1,0 Gew.-% Magnesium und Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Die zuvor beschriebene Legierung hat den besonderen Vorteil, daß sie sich dazu eignet, in einer kontinuierlichen Streifengießvorrichtung, wie beispielsweise einer Doppelwalzengießvorrichtung, gegossen zu werden. Bei einer Doppelwalzengießvorrichtung wird das geschmolzene Metall in dem Walzenspalt eines Paares stark abgekühlter Stahlwalzen verfestigt, welche das geschmolzene Metall aus einer isolierten Spritzdüse in enger Nachbarschaft zu den Walzen ziehen, wobei das Gießmaterial in der Form eines Streifens oder einer Platte beispielsweise mit einer Dicke von bis zu 25 mm vorliegt und üblicherweise mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 200 cm/min gegossen wird. Das Metall ist im wesentlichen vollständig verfestigt, wenn es die Zentrumslinie der Walzen der Gießvorrichtung passiert. Es wird starker Kompression und etwas plastischer Verformung beim Passieren des Spaltes zwischen den Walzen ausgesetzt, mit der Konsequenz, daß seine Oberflächen sich in ausgezeichnetem Wärmeaustauschkontakt mit den Laufrollen, die intensiv wassergekühlt werden, befindet.
Wenn die erfindungsgemäßen thermisch stabilen Legierungen in einer geringen Dicke (geringer als 15 mm) auf einer Walzengießvorrichtung gegossen werden, ist die Kühlgeschwindigkeit selbst kein Problem. Die Kühlgeschwindigkeit auf einer Walzengießvorrichtung liegt im Bereich von 500 bis 3000ºC/s, und diese ist für die Unterdrückung der Keimbildung intermetallischer Teilchen ausreichend hoch. Ein Problem ergibt sich hauptsachlich aus der Tatsache, daß die Walzen der Gießvorrichtung nur bei Geschwindigkeiten zwischen zwei kritischen Gießgeschwindigkeiten, die als "untere kritische Geschwindigkeit" und "obere kritische Geschwindigkeit" bezeichnet werden, betrieben werden können. Die untere kritische Geschwindigkeit ist eine Geschwindigkeit, unterhalb derer Gießen unmöglich ist, weil der longitudinale Wärmefluß Metallerstarrung in der Gießdüse bewirkt. Die obere kritische Geschwindigkeit ist eine Geschwindigkeit, oberhalb derer der Wärmetransfermechanismus in dem Walzenangriff zusammenbricht, und sich somit die Legierungsschmelze nicht vollständig verfestigt. Im Prinzip variieren sowohl die untere wie auch obere kritische Geschwindigkeit in Abhängigkeit von der Schmelztemperatur, der Streifenfoliendicke und der Legierungszusammensetzung. Jedoch ist die untere Geschwindigkeit relativ unempfindlich gegenüber einer Anderung der Gießvariablen, und ihr Wert beträgt für die vorliegenden Legierungen etwa 30 cm/min. Die obere Geschwindigkeit variiert sehr empfindlich in Abhängigkeit von den Werten der Schmelztemperatur, der Streifenfoliendicke und der Legierungszusammenstzung. Die für die Unterdrückung der Primärbildung erforderliche Schmelztemperatur der Legierungen beträgt 820ºC oder mehr und vorzugsweise mindestens 850ºC. Wenn diese Hochtemperaturschmelze in eine typische Walzengießfoliendicke von 6 mm zu gießen ist, sinkt die obere kritische Geschwindigkeit auf 25 cm/min oder weniger, und die Legierung kann nicht gegossen werden. Wegen der zuvor beschriebenen Erfordernisse ist es bis jetzt nicht möglich gewesen, zufriedenstellend thermisch stabile Aluminiumlegierungen mittels Doppelwalzengießvorrichtungen herzustellen.
Die Legierung muß für die Erzeugung guter Wärmestabilität gemäß der vorliegenden Erfindung bei einer höheren Temperatur als der Gleichgewichtsliquidustemperatur gegossen werden. Eine Gießtemperatur von mindestens 820ºC ist erforderlich, wobei eine Temperatur von mindestens 850ºC bevorzugt ist. Die Gießgeschwindigkeit beträgt vorzugsweise mindestens 30 cm/min, und das Gießmaterial hat vorzugsweise eine Dicke von nicht mehr als 4 mm.
Es ist festgestellt worden, daß bei 2- bis 60-stündiger Wärmebehandlung des gegossenen Legierungsstreifens im Bereich von 360 bis 400ºC und 50 bis 75 %iger Kaltwalzung eine gute Kombination von mechanischen Eigenschaften erhalten wird.
Die typischen Eigenschaftsbereiche sind:
Dehnspannung: 210 - 380 MPa (30 - 55 ksi)
Maximale Dehnspannung: 240 - 415 MPa (35 - 60 ksi)
Elongation: 2 - 10 %.
Die zuvor beschriebenen Eigenschaften zeigen eine mehr als 80 %ige Beibehaltung nach 2-stündigem Aussetzen bei erhöhten Temperaturen bis zu 350ºC.
Es ist bei den erfindungsgemäßen Legierungen festgestellt worden, daß, wenn das Gießmaterial Dicken aufwies, die im wesentlichen größer als 4 mm waren, es nicht möglich ist, eine Vergießmasse herzustellen, die frei von primären intermetallischen Teilchen ist, weil die obere kritische Geschwindigkeit zu gering ist. Es werden besonders gute Ergebnisse bei einer Dicke von etwa 3 mm und einer Gießgeschwindigkeit von mindestens 38 cm/min erhalten.
Es ist natürlich bekannt, daß Magnesium verwendet werden kann, um Verstärkung in Aluminiumlegierungen zu erzeugen, und es ist beim Doppelwalzgießen verwendet werden. Jedoch erweichen die konventionellen magnesiumhaltigen Legierungen wegen Diffusität bei Temperaturen oberhalb von 200ºC sehr leicht und sind schwierig auf einer Doppelwalzengießvorrichtung zu gießen. Bei der vorliegenden Erfindung ist überraschenderweise festgestellt worden, daß bei Verwendung von Magnesium in Kombination mit Chrom, Zirkonium und Mangan eine Kombination hoher Festigkeit und guter Wärmestabilität selbst bei mit einer Doppelwalzengießvorrichtung hergestelltem Material erhalten werden kann.
In den beigefügten Zeichnungen bedeuten:
Fig. 1 ist ein Plot der mechanischen Eigenschaften gegen die Glühtemperatur einer erfindungsgemäßen Legierung,
Fig. 2 ist ein Plot der mechanischen Eigenschaften gegen die Glühtemperatur einer zweiten erfindungsgemäßen Legierung,
Fig. 3 ist ein Plot der mechanischen Eigenschaften gegen die Glühtemperatur einer dritten erfindungsgemäßen Legierung,
Fig. 4 ist ein Plot der mechanischen Eigenschaften gegen die Glühtemperatur einer vierten erfindungsgemäßen Legierung, und
Fig. 5 stellt Plots der Dehnspannungen gegen Glühtemperaturen einer Legierung gemäß dem Stand der Technik und einer Legierung gemäß der Erfindung dar.
Die nachfolgenden Beispiele dienen einem umfassenderen Verständnis der Erfindung.

Beispiel 1

Zwei Legierungen mit den in der nachfolgenden Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen wurden getestet. Tabelle 1 Legierungszusammensetzungen (Gew.-%) Legierung Nr.
Die zuvor beschriebenen Legierungen wurden in einem gasgeheizten Graphittiegel geschmolzen. Das geschmolzene Metall wurde mit einer Mischung aus 90 % Ar + 10 % Cl&sub2;-Gas gefluxt und auf eine Doppelwalzengießvorrichtung mit 305 mm Durchmesser gegossen. Die Gießtemperatur betrug 860ºC und die Streifendicke 3,2 mm. Der Streifen wurde 48 h bei 375ºC geglüht und auf 0,8 mm (75 %ige Reduzierung) anschließend kaltgewalzt. Die gewalzten Streifenproben wurden 2 h bei verschiedenen Temperaturen geglüht, und es wurden ihre mechanischen Eigenschaften gemessen. In den Fig. 1 und 2 ist ein Plot der maximalen Zugfestigkeit (UTS), Dehn-Spannung (YS) und Elongation gegen die Glühtemperatur für die Legierung mit der Nr. 1 bzw. mit der Nr. 2 dargestellt. Diese Plots zeigen, daß die maximale Zugfestigkeit größer als 380 MPa (55 ksi) ist, daß die Dehnspannung größer als 345 MPa (50 ksi) ist, und daß die Elongation größer als 2 % ist. Die Legierung erweichte nicht signifikant bei Temperaturen bis zu 350ºC.

Beispiel 2

Zwei zusätzliche Legierungen mit den in der nachfolgenden Tabelle 2 dargestellten Zusammensetzungen wurden untersucht. Tabelle 2 Legierungszusammensetzungen (Gew. -%) Legierung Nr.
Die zuvor beschriebenen Legierungen wurden auf die gleiche Weise wie die Legierungen des Beispiels 1 gegossen, und die Ergebnisse sind in den Fig. 3 und 4 für die Legierung mit der Nummer 3 bzw. mit der Nummer 4 dargestellt. Diese zeigen, daß die maximale Zugfestigkeit größer als 275 MPa (40 ksi) ist, daß die Dehnspannung größer als 240 MPa (35 ksi) ist, und daß die Elongation größer als 5 % ist. Die Legierung erweichte nicht signifikant bei Temperaturen bis zu 400ºC.
In Fig. 5 ist ein Vergleich zwischen den Legierungserweichungskurven (Dehnspannungen) einer erfindungsgemäßen Legierung und einer Al-3,0 % Mg-Legierung gemäß dem Stand der Technik dargestellt. Dieses zeigt deutlich, daß die erfindungsgemäße Legierung gute Wärmestabilität besitzt, wohingegen die Al-Mg-Legierung bei Temperaturen oberhalb 300ºC vollständig erweicht.

Claims

1. Legierung auf Aluminiumbasis, bestehend aus den nachfolgenden Bestandteilen: 0,4 bis 1,2 Gew.-% Chrom; 0,3 bis 0,8 Gew.-% Zirkonium; 1,5 bis 2,5 Gew.-% Mangan; 0 bis 2,0 Gew.-% Magnesium; Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, welche mindestens 0,01 Gew.-% Magnesium enthält.

3. Legierung nach Anspruch 2, bestehend aus den folgenden Bestandteilen: 0,5 bis 1,2 Gew.-% Chrom; 0,4 bis 0,8 Gew.-.% Zirkonium; 1,7 bis 2,1 Gew.-% Mangan; 0,5 bis 1,0 Gew.-% Magnesium und Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

4. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3 in Form eines gegossenen Streifens.

5. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3 in Form eines gegossenen Streifens mit einer nicht größeren Dicke als 4 mm.

6. Legierung nach Anspruch 1, 2 oder 3 in Form eines Streifens mit einer nicht größeren Dicke als 4 mm, welcher bei einer Temperatur im Bereich von 360 - 400ºC wärmebehandelt und bis zu 50 - 75 %iger Dickereduzierung kaltgewalzt worden ist.

7. Legierung nach Ansprüchen 1 bis 6, welche thermisch bis zu 350ºC stabil ist.

8. Legierung nach Ansprüchen 1 bis 7 mit den nachfolgenden Eigenschaften:

Dehnspannung: 210 - 380 MPa (30 - 55 ksi)

Maximale Dehnspannung: 240 - 415 MPa (35 - 60 ksi)

Elongation: 2 - 10 %.

9. Verfahren zum Gießen einer thermisch stabilen Aluminiumlegierung mit Hilfe einer Doppelwalzengießvorrichtung, wobei das geschmolzene Metall in dem Spalt eines Paares Kühlwalzen, welche das geschmolzene Metall aus einer an die Walzen angrenzenden Düse ziehen, verfestigt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung die gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 beanspruchte Legierung ist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Legierung mindestens 0,01 Gew.-% Magnesium enthält.

11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Legierung aus den nachfolgenden Bestandteilen besteht: 0,5 bis 1,2 Gew.-% Chrom; 0,4 bis 0,8 Gew.-% Zirkonium; 1,7 bis 2,1 Gew.-% Mangan; 0,5 bis 1,0 Gew.-% Magnesium und Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

12. Verfahren nach Ansprüchen 9 bis 11, wobei der gegossene Streifen mit einer nicht größeren Dicke als 4 mm gebildet wird.

13. Verfahren nach Ansprüchen 9 bis 12, wobei das gescbmolzene Metall eine Temperatur von mindestens 820ºC aufweist.

14. Verfahren nach Ansprüchen 9 bis 13, wobei das Gießen mit einer Geschwindigkeit von mindestens 30 cm/min durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Ansprüchen 9 bis 14, wobei der gegossene Streifen bei einer Temperatur im Bereich von 360 bis 400ºC etwa 2 bis 60 h wärmebehandelt und auf eine 50 bis 75 %ige Reduzierung der Dicke kaltgewalzt wird.