NO142632B - Fremgangsmaate for samtidig fremstilling av fin rekrystallisert kornstruktur i aluminiumlegeringer og forming av disse ved superplastisk deformasjon - Google Patents

Description

Nærværende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte for samtidig fremstilling av en fin rekrystallisert kornstruktur i aluminiumlegeringer og forming av gjenstander fra disse legeringer ved superplastisk deformasjon.

Det er kjent at det innenfor visse temperaturgrenser og deforma-sjonsgrad-grenser kan fremstilles visse legeringer, som derved erholder en fin kornstruktur, og som deretter kan bli gjenstand for superplastisk deformasjon. Under forutsetning av at den fremstilte struktur er tilstrekkelig fin vil disse legeringer oppvise unormal høy plastisitet ved relativt lave belastninger, og da sammenlignet med samme legeringer som ikke har de ekstremt fine kornstørrelser. Det er også kjent å anvende fenomenet med superplastisk deformasjon for å muliggjøre den relativt billige produksjonen av gjenstander av metall-emner som er fremstilt slik at de har ekstremt fine kornstørrelser.

Det er et formål med nærværende oppfinnelse å fremskaffe en metode for å forme metall-gjenstander av metall-emner som ikke har blitt fremstilt med henblikk på fin kornstørrelse.

Ifølge nærværende oppfinnelse er det fremskaffet en fremgangsmåte for samtidig fremstilling av en fin rekrystallisert kornstruktur i en metall-legering, som har en sammensetning som er egnet for superplastisk def ormas jon, men som har en kornstruktur som utelukker en slik deformasjon, og for forming av en gjenstand fra en slik legering ved superplastisk deformasjon. Den nevnte fremgangsmåten er karakterisert ved oppvarming av et legeringsemne til en formings-temperatur, anvendelse av en kraft på metallemnet ved nevnte temperatur for å deformere emnet ikke-superplastisk og bevirke deformasjons-rekrystallisasjon og fortsatt anvendelse av den pålagte kraft slik at man får en gradvis utvikling av fin rekrystallisert kornstruktur. Det således delvis formede emnet blir deretter deformert superplastisk for forminq av gjenstanden.

Når det gjelder legerinaer med hovedsaklig aluminium, se søkerens norske patent nr. 138.096, så har det blitt antatt at basis-legeringen i støpt tilstand med deretter følgende mekanisk bearbeidelse behøver ytterligere varmebehandling for dannelse av en tilstrekkelig fin kornstruktur for oppnåelse av superplasti-sitet. Man har nå imidlertid funnet at metallemner, som er valset fra egnede aluminiumlegeringer, kan formes til gjenstander uten at det ..kreves et emne-kondis jonerings-trinn.

Alle prosentuelle angivelser er i nærværende beskrivelse i vekt - prosent.

Ifølge oppfinnelsen er det således fremskaffet en fremgangsmåte for samtidig fremstilling av en fin rekrystallisert kornstruktur i en aluminiumlegering samt forming av en gjenstand fra den nevnte legering ved superplastisk deformasjon. Fremgangsmåten er karakterisert ved at legeringsemnet bringes til en formingstemperatur, at emnet pålegges en kraft ved nevnte temperatur for å deformere emnet ikke-superplastisk samt for å bevirke dynamisk deformasjons-rekrystallisasjon, at den pålagte kraft får fortsette å virke slik at det gradvis utvikles en fin rekrystallisa-sjonskornstruktur, og at det delvis formede emnet blir superplastisk deformert for dannelse av gjenstanden, og at den nevnte legering hovedsaklig utgjøres av aluminium av en i alt vesentlig av en enkelt fase bestående fast løsning, som omfatter ett eller flere elementer utvalgt blant Cu, Zn, Mg, Mn, Si, Li og Fe for

å fremhjelpe rekrystallisasjon samt i det minste ett av elementene Zr, Nb, Ta og Ni i en mengde på minst 0,25%, hvorav stort

sett alt forekommer i fast løsning for å hindre kornforgrovning, og hvorved den totale mengden av de sistnevnte elementer ikke overstiger 1,0%. Formingstemperaturen ligger fortrinnsvis i området 380°C til 580°C.

På grunn av aluminiumets høye stablefeil-energi er det tidligere blitt antatt at det ikke ville være mulig å oppnå dynamisk rekrystallisasjon {d.v.s. rekrystallisasjon samtidig med varmdeformasjon) i aluminium og dets legeringer. Ifølge nærværende oppfinnelse har man funnet at tilsetninger av elementer, såsom kopper eller sink eller sink og magnesium, muliggjør dynamisk re-krystallisas jon. Dessuten ved å støpe legeringen på en slik måte at støpeblokken er overmettet med ikke mindre enn 0,25% Zr (eller Nb, Ni eller Ta), hvorav hovedsaklig alt foreligger i fast løs-ning, er det mulig under etterfølgende arbeidsgang å fremstille en dispersjon av meget fine partikler av ZrAl^/ som begrenser veksten av nylig dannede korn. Når en sterkt kald-bearbeidet plate av en Al-10%Zn-0,5%Zr-legering oppvarmes til den superplastiske deformasjonstemperatur, og denne temperatur holdes uten at deformasjon inntreffer, så vil legeringen eventuelt rekrystalli-sere til en grov, ikke-jevn kornstørrelse. Hvis imidlertid en identisk legeringsplate oppvarmes til samme temperatur og ut-settes for en mekanisk kraft for å deformere platen ikke-superplastisk, så vil det gradvis utvikles en fin rekrystallisert kornstruktur over det første 200*-deformasjonsområdet, slik at således superplastisk deformasjon finner sted. Ved industriell fremstilling av for eksempel de legeringer som er beskrevet i bl.a. søkerens tidligere norske patent nr. 138.096 vil halvfabri-katet vanligvis være en valset plate, hvir struktur utgjøres av en sterkt kaldbearbeidet grunnmasse som inneholder en dispersjon av meget fine partikler av ZrAl^» som stammer fra støpeemnets overmetning på zirkonium under den etterfølgende arbeidsgang. Visse andre utfellinger kan også forekomme. Man har oppdaget at når stykket/platen oppvarmes til den superplastiske formingstemperaturen vil en viss avfastning og rekrystallisasjon inntreffe, men det er bare ved anvendelse av en mekanisk deformasjon at dynamisk rekrytsallisasjon til en fin kornstørrelse finner sted. Dette sistnevnte gjør at superplastisk deformasjon inntreffer.

Ifølge søkerens norske patent nr. 138.096 har man oppfunnet og beskrevet spesielt egnede legeringer, som i grove trekk kan defineres som: 1. En superplastisk, deformerbar aluminium-basert legering, karakterisert ved at den består av en legering på aluminiumbasis, som er utvalgt fra ikke-varmebehandlingsbare legeringer på aluminiumbasis, hvilke inneholder ett eller flere av elementene Cu, Mg, Zn, Si, Li og Mn i kjente kombinasjoner og mengder, samt i det minste ett av elementene Zr, Nb, Ta og Ni i en total mengde på minst 0,30%, hvorav hovedsaklig alt forekommer i fast løsninq, hvorved den nevnte totale mengde ikke overstiger 0,80%, og hvorved resten utgjøres av forurensningselementer og tilfeldige elementer, som vanligvis inngår i de nevnte legeringer på aluminiumbasis. 2. En superplastisk, deformerbar legering på aluminiumbasis ,-karakterisert ved at den består av et ikke-varmbearbeidbar ut-gangsmateriale utvalgt fra gruppen bestående av: 1. Aluminium av normal kommersiell renhet; 2. Aluminium og 0,75 til 2,5% mangan;

3. Aluminium og 0,25 til 0,75% mangan; og

4. Aluminium og 1 til 4% magnesium; sammen med dynamisk rekrystallisasjons-modifiserende tilsetninger for disse materialer for å oppnå fin struktur og henholdsvis bestående av: 1. o,4% til 2% jern og 0,4% til 2,0% silicium; 2. 0,4% til 1,0% jern;

3. ingen

4. 0,25% til 0,75% mangan;

og i det minste ett av elementene Zr, Nb, Ta og Ni i en mengde på minst 0,33, hvorav hovedsaklig alt forekommer i fast løsning, og hvorved den totale mengden av nevnte elementer ikke overstiger 1%, og hvorved resten utgjøres av forurensningselementer og andre kjente tilfeldige elementer.

Nærværende oppfinnere har også funnet det mulig å oppnå gode resultater med legeringer som inneholder bare 0,25% Zr, forut-satt at hovedsaklig all zirkonium foreligger i fast løsning i støpeblokken, og som kan sikres ved å kjøle det flytende metallet hurtig fra legeringstemperaturen til frysepunktet, for derved å avstedkomme hurtig størkning.

For aluminium-kopper-zirkonium-legeringer og aluminium-kopper-magnesium-zirkonium-legeringer er det foretrukne temperatur-området 430°C - 500°C. For legeringer av aluminium med sink, magnesium og zirkonium bør formingstemperaturen ligge i området 470°C - 580°C, mens for legeringer av aluminium, sink, magnesium, kopper og zirkonium er det foretrukne formingstemperatur-området 430°C - 500°C. Elementene Nb, Ta eller Ni kan tilsettes isteden-for Zr i de ovenfor angitte legeringer.

Når formingshastigheten er for hurtig inntreffer ikke-dynamisk rekrystallisasjon, og emnet vil svikte etter relativt lav grad av deformasjon. Når en Al-10%Zr.-0,5%Zr-legering ble deformert ved en def ormas jonsgrad på 3,4 x 10 ^ sek. ved 580°C erholdt man en forlengelse på bare 160%, og strukturen var til stor del ikke-rekrystallisert. Den samme legering, som ble rekrystallisert samtidig med deformasjonen, resulterte i en forlengelse på 690% ved 580°C når den ble deformert ved en deformasjons-hastighet på 4,2 x 10 -3 sek.-1

Alternativt er ved lave deformasjonshastigheter større deformasjon mulig uten at emnet svikter, men formingsmetoden kan da være for langsom for kommersiell bruk. Fortrinnsvis er deforma--2 -1

sjonshastigheten ikke større enn 5 x 10 sek. og fordelaktig ikke større enn 5 x 10 sek. 1. Den følgende tabell illustrerer innvirkningen av deformasjonshastigheten på duktiliteten til en Al-6%Cu-0,5%Zr-legering. Duktilitets-resultatene skriver seg

fra uniaksiale strekkprøver utført med en konstant kryss-hode-hastighet ("cross head velocity") ved en temperatur på 4 50°C.

Når deformasjonshastigheten forblir konstant men- formingstemperaturen øker, vil forlengelsen i en strekkprøve (som er ekvivalent med formings-kapasiteten ved en tilvirkningsprosess av gjenstanden) øke til en maksimum-verdi, hvoretter forlengelsen vil . avta fra den nevnte verdi. Ved de lavere temperaturer finner fullstendig dynamisk rekrystallisasjon ikke sted, mens prøve-stykket ved optimal temperatur gjennomgår rekrystallisasjon til fin kornstørrelse. Ved temperaturer over den optimale temperatur avtar forlengelsen igjen på grunn av at det inntreffer en for-grovning av kornene ved den høere temperaturen: Denne effekt illustreres når det gjelder Al-6%Cu-0,5%Zr-leqerinqen i nedenstå-ende tabell.

Økning av deformasjonshastigheten vil øke den spenning eller på-kjenning som er nødvendig for å forårsake deformasjon, slik at det vil være nødvendig med større trykk for å forme en gjen-

stand hurtigere . Alternativt kan deformasjons-temperaturen økes i den hensikt å redusere formings-tiden eller -trykket' S; i?;ved forming av grunne gjenstander, men duktiliteten kan i «§;ette til-felle reduseres. Således kan grunne gjenstander f ormes!! av "'a'!'-6%Cu-0,5%Zr-legeringen ved ca. 500 C, mens dypere gjenstander, kan formes ved lavere temperaturer ved ca. 450 C - 480;-;C. Form-ingstrykk for 1,5 mm tykke plater vil vanligvis ligge under 4,2 kg/cm 2, selv om trykket for å reprodusere enkelttrekk på rimelig tid kan økes opp til 8,4 kg/cm 2 . Nedenstående t■•■ab<ell >illustrerer økningen av flytespenningen som ledsager økningen av deformasjonshastigheten for Al-6%Cu-0,5%Zr-legeringen ved temperaturer på 460°C og 500°C.

Den opprinnelige kornstørrelsen i utgangsprøven kan være så grov som 300 yum selv om denne størrelse varierer i henhold til prøvens produksjonsmessige forhistorie. Under deformasjon blir denne kornstruktur omdannet ved dynamisk rekrystallisasjon, og kornstørrelsen vil vanligvis være mindre enn ca. 15 ^um når rekrystallisasjonen er fullført. I Al-6%Cu-0,5%Zr-legeringen kan den krystalliserte kornstørrelsen være mindre enn 5 ^um.

Nærværende oppfinnelse kan anvendes for å forme en gjenstand

ved å la emnet flyte inn i en konkav form under anvendelse av trykk, eller på lignende måte fremstille en gjenstand ved anvendelse av trykk for å presse emnet over en konveks form.

Ifølge et eksempel ble det fremstilt en skål-lignende gjenstand med en diameter på 14 cm og en dybde på 6,3 cm av en Al-6%Cu-0,5%Zr-plate med en utgangstykkelse på 0,98 mm. Gjenstanden hadde en endelig tykkelse på ca. 0,33 mm, og ble formet fra et rundt emne med 25,4 cm diameter ved innblåsing i en konveks form ved 2 -3 -] et trykk på 1,4 kg/cm . Utgangshastigheten var ca. 2 x 10 sek. med en utgangs-kornstørrelse i emnet på 350 ^um og en endelig kornstørrelse i gjenstanden på ca. 3 ^um.

Den totale formingstiden var på ca. 4 minutter. Det er åpenbart at formingstiden vil variere betydelig avhengig av legerings-platens tykkelse og sammensetning samt av størrelsen og formen til gjenstanden som skal fremstilles. Formingstiden kan f.eks. være fra 30 sekunder opp til 10 minutter.

Med aluminiumlegeringer som inneholder mindre enn 0,30% Zr er det ønskelig at det flytende metallet ved den opprinnelige støpe-operasjonen kjøles hurtig fra den anvendte legeringstemperatur ned til størkningpunktet for legeringen for å oppnå hurtig størkning. Med f.eks. en aluminiumlegering inneholdende 0,26% Zr, 0,03% Fe, 0,01% Si og 6,0% Cu og en total oppholdstid i det flytende metallbadet under støpeoperasjonen på ca. 0,7 minutter erholdes en legering som gir en superplastisk forlengelse på 930%. Denne oppholdstid på mindre enn 1 minutt skal sammenlignes med en oppholdstid på ca. 2 minutter for de tidligere diskuterte legeringer.

Selv om legeringer med aluminium som hovedbestanddel er diskutert ovenfor, så antas det at supperplastiske egenskaper kan oppvises av legeringer som er basert på kopper, nikkel, sink og magnesium, og som inneholder i stort sett lignende legeringsbestanddeler, hvorved de nevnte bestanddeler velges slik at det inntreffer dynamisk deformasjons-rekrystallisasjon når legeringen blir ut-satt for varmdeformasjon ved deformasjonshastigheter som egner seg for superplastisk formingsoperasjoner.

Mens nærværende beskrivelse hovedsaklig har vedrørt formingen

av gjenstander fra et halvferdig plateprodukt, så vil oppfinnelsen også kunne anvendes for fremstilling av en gjenstand ved en langsom smieprosess, hvorved man utgår fra en valset eller eks-trudert stang eller til og med støpt metall.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte for samtidig 1) fremstilling av en fin re-krytsallisert kornstruktur i en aluminium-legering, som inneholder minst ett av elementene Zr, Nb, Ta og Ni i en mengde på minst 0,25% og høyst 1 vekt% on; hvor Zr innholdet fortrinnsvis er minst 0,30%, og hvorved hovedsaklig nevnte element(er) forekommer i fast løsning for å hindre kornforgrovning, hvilken aluminium-legering forøvrig har en sammensetning egnet for superplastisk deformasjon, men som har en kornstruktur som utelukker en slik deformasjon, og 2) forming av en gjenstand fra nevnte legering ved superplastisk deformasjon, karakterisert ved at man oppvarmer et legeringsemne til en formingstemperatur innen området 380°C til 580°C, pålegger emnet en kraft ved denne temperatur for å deformere emnet ikke-superplastisk og for å bevirke dynamisk deformasjons-rekrystallisasjon, lar den pålagte kraft fortsette å virke hvorved en fin rekrystallisert kornstruktur gradvis utvikles, og det delvis formede emne deformeres superplastisk for forming av gjenstanden.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at formingstemperaturen for legeringsemner, som foruten aluminium inneholder kobber og eventuelt både sink og magnesium eller bare magnesium alene samt ett av elementene Zr, Nb, Ta eller Ni, holdes innen området 430°C til 500°C.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at formingstemperaturen for legeringsemner, som foruten aluminium inneholder sink og magnesium samt ett av elementene Zr, Nb, Ta eller Ni, holdes innen området 472°C til 580°C.

4. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at initial-deformasjonshastigheten ved -2 -1 -4 -1 deformasjon er mellom 5 x 10 sek. og 5 x 10 sek. , for- -2 -1 trinnsvis ikke større enn 5 x 10 sek.

5. Fremgangsmåte ifølge ett av kravene 1-4, karakterisert ved at emnet pålegges et trykk i området 1,4 2 til 8,4 kg/cm .