PL185416B1 - Stop aluminiowy trójskładnikowy do wytwarzania elementów, zwłaszcza samochodowych - Google Patents

Abstract

1. Stop aluminiowy trójskladnikowy do wytwarzania elementów, zwlaszcza samo- chodowych sposobem ksztaltowania w sta- nie pólstalym zawierajacy miedz, krzem i aluminium, znamienny tym, ze zawiera wagowo od 5% do 7,2% krzemu, od 1% do 5% miedzi, max. 1% magnezu, max. 3% cynku, max. 1,5% zelaza, max. 0,05% strontu, max. 0,2% tytanu, max. 0,1% boru i reszta aluminium oraz nieuniknione zanie- czyszczenia, przy czym procentowa zawar- tosc krzemu wynosi max. 7,5% - %Cu/3, a stop w stanie pólstalym z udzialem frakcji cieklej wynoszacej od 35% do 55% jest pozbawiony niestopionych ponownie wie- loscianowych krysztalów krzemu. PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest stop aluminiowy trójskładnikowy do wytwarzania elementów, zwłaszcza samochodowych.

Kształtowanie w stanie półstałym opiera się na fakcie, że metal stopiony w pewnych szczególnych warunkach, gdy jest ponownie ogrzany do stanu półstałego, ma lepkość pozorną, która silnie zależy od szybkości ścinania i zachowuje się jak ciało stałe w czasie obróbki, a jak lepka ciecz, gdy jest wtryskiwany do formy. Taka właściwość zapewnia, w porównaniu z tradycyjnymi procesami kształtowania, lepszą jakość wyprodukowanych elementów pod względem metalurgicznym, wyższe szybkości produkcji, mniejsze zużycie narzędzi, form oraz energii.

Dla osiągnięcia tego celu w wyniku zastygania metalu w czasie kształtowania musi utworzyć się kuleczkowa, niedendrytyczna struktura, która może powstać albo drogą mieszania mechanicznego mieszaniny ciało stałe-ciecz, tak jak jest to opisane w opisie patentowym US 3948650, albo drogą mieszania elektromechanicznego, tak jak jest to opisane w opisach patentowych US 4434837, US 4457355, EP 0351327 iEP 0439981. Kęsy odlewane w taki sposób tnie się na odkuwki wstępne, które odpowiadają jakości metalu wymaganego przy produkcji kształtowanych elementów, przy czym takie odkuwki wstępne ogrzewa się ponownie do stanu półstałego, na ogół drogą ogrzewania indukcyjnego, i przenosi do urządzeń do kształtowania (prasa kuźnicza, urządzenie do wtryskiwania pod ciśnieniem). Taki proces opracowano na skalę przemysłową początkowo dla stopów aluminiowych przeznaczonych do produkcji części dla przemysłu samochodowego. W rzeczywistości prawie we wszystkich dostawach znajdowały się stopy typu Al-Si7Mg o zawartości 7% krzemu i mniej niż 1% magnezu, na przykład stopy Al-Si7Mg0,3 i Al-Si7Mg0,6 (A356 i 357 według nazewnictwa Alumine Association dla stopów odlewniczych). Takie stopy nadają się doskonale do obróbki plastycznej w stanie półstałym. W rzeczywistości, gdy ogrzewa się je ponownie w celu uzyskania udziału frakcji ciekłej rzędu 50%, co odpowiada optymalnym właściwościom Teologicznym metalu, fazę eutektyczną ponownie stapia się całkowicie, natomiast nie zaczyna się jeszcze topnienie pierwotnej fazy krzemowej.

Właściwości mechaniczne elementów wytworzonych z zastosowaniem tych stopów są dobre i jest możliwe regulowanie ich wytrzymałości i ewentualnie ciągliwości przez zastoso185 416 wanie różnych obróbek cieplnych. Jednakże maksymalna wytrzymałość na rozciąganie dla stopów tego typu z zawartością 0,6% magnezu jest ograniczona do około 350 Mpa w stanie T6.

Z francuskiego opisu patentowego nr 2266749, znany jest sposób kształtowania, na przykład przez odlewanie pod ciśnieniem, stopów aluminiowych w stanie półstałym, o zawartości frakcji ciekłej powyżej 35%. Przykłady wymieniają stopy AS9U3 o zawartości 9% krzemu i 3% miedzi oraz AU4SG o zawartości 4% miedzi, 0,75% krzemu i 0,5% magnezu.

Dla poprawy wytrzymałości mechanicznej stopów przeznaczonych do obróbki plastycznej w stanie półstałym albo w celu podwyższenia wytrzymałości wyprodukowanych elementów albo wreszcie dla ułatwienia obróbki maszynowej próbowano stosować stopy zawierające od 1 do 5% miedzi. W przypadku stopów zawierających na przykład 3% miedzi nie napotkano żadnych problemów w czasie odlewania kęsów, a wytrzymałość mechaniczna na poziomie kęsów poprawiła się efektywnie o więcej niż 25%. Jeżeli w celu zachowania udziału frakcji ciekłej bliskiego 50% temperatura ponownego ogrzewania do stanu półstałego jest regulowana przez obniżenie jej o kilka stopni C, to obróbka plastyczna tego stopu jest wtedy łatwa do przeprowadzenia. Z drugiej strony obserwuje się znaczne zmniejszenie, prawie o połowę, wydłużenia T6 poddanego obróbce w stosunku do wydłużenia zmierzonego w kęsie w tym samym stanie metalurgicznym, podczas gdy dla stopu bezmiedziowego wydłużenie poddanego obróbce kęsu i wydłużenie poddanego obróbce elementu są praktycznie identyczne.

Próbowano określić przyczynę tego niespodziewanego zachowania się. Analiza mikrostrukturalna odkuwek wstępnych ze stopu miedziowego ogrzanych ponownie do stanu półstałego, a następnie szybko chłodzonych w wodzie, ujawniła obecność zwiększających kruchość mas kryształów krzemu w postaci wielościanów. Te same masy były także widoczne na powierzchni przełomu elementów testowanych na wydłużenie, pobranych z elementów poddanych obróbce plastycznej z tych odkuwek wstępnych. Według jednej z hipotez taką mikrostrukturę można wyjaśnić tym, że faza eutektyczna nie jest ponownie całkowicie stopiona, tak jak to w przypadku bezmiedziowych stopów Al-Si7Mg, oraz że krzem eutektyku ulega koalescencji tworząc masy grubych kryształów. .

Celem uniknięcia tworzenia się takich mas kryształów krzemu, które mają szkodliwy wpływ na wydłużenie elementów, próbowano zwiększyć temperaturę ponownego ogrzewania, tak aby uzyskać całkowite ponowne stopienie się fazy eutektycznej. Dało to jednak w wyniku udział frakcji ciekłej rzędu 60% powodując zanik w czasie obróbki ponownie ogrzanych odkuwek wstępnych, co uniemożliwia dalszą obróbkę plastyczną w możliwych do przyjęcia warunkach przemysłowych.

Celem wynalazku jest opracowanie stopu aluminiowo-krzemowego, zawierającego więcej niż 5% krzemu i od 1 do 5%> miedzi, umożliwiającego obróbkę plastyczną, jak i uzyskanie elementów o wysokiej wytrzymałości mechanicznej i dobrym wydłużeniu.

Stop aluminiowy trójskładnikowy do wytwarzania elementów, zwłaszcza samochodowych sposobem kształtowania w stanie półstałym zawierający miedz, krzem i aluminium według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera wagowo od 5% do 7,2% krzemu, od 1% do 5% miedzi, max. 1% magnezu, max. 3% cynku, max. 1,5% żelaza, max. 0,05% strontu, max. 0,2% tytanu, max. 0,1% boru i reszta aluminium oraz nieuniknione zanieczyszczenia, przy czym procentowa zawartość krzemu jest max. 7,5% - %Cu/3, a stop w stanie półstałym z udziałem frakcji ciekłej wynoszącej od 35% do 55% pozbawiony niestopionych ponownie wielościanowych kryształów krzemu.

Tak więc jeśli zawartość miedzi wynosi 3% zawartości krzemu musi być mniejsza niż 7,5% - 3% Cu/3 = 7,5% - 1% = 6,5% i może wynosić na przykład 6%.

Stop zawiera od 5% do 7% krzemu i od 1% do 1,5% miedzi.

Stop zawiera od 5% do 6,3% krzemu i od 2,5% do 3,5% miedzi.

Stop zawiera od 5% do 6% krzemu i od 3,5% do 4,5% miedzi.

Na rysunku przedstawiono wykres, na którym na odciętej przedstawiono zawartości krzemu, a na jego rzędnej zawartości miedzi, linie są liniami równych frakcji eutektycznych i przedziału składu według wynalazku.

Stopy według niniejszego wynalazku mają skład taki jak stopy odlewnicze AISiCu. Zawartość krzemu nie schodzi poniżej 5% ponieważ przy tej zawartości stop staje się trudny do

185 416 odlewania. Dodanie tylko miedzi zaczyna mieć znaczący wpływ na wytrzymałość mechaniczną i obrabialność skrawaniem przy zawartości około 1%, a zawartość około 5% miedzi ma nadzwyczaj niekorzystny wpływ na wydłużenie. Magnez przy zawartości niższej niż 1% zwiększa reakcję na obróbkę cieplną na skutek tworzenia się łairtUijć^t^j/cch cząstek MgjSi , lczz powyżej zawartości 1% ma on także niekorzystny wpływ na wydłużenie.

W takim przedziale możliwe jest określenie trzech szczególnych składów, takich jak:

1) Si: 5% - 7% Cu: 1% - 1,5%

2) Si: 5% - 6,3% Cu: 2,5% - 3,5%

3) Si: 5% - 6% Cu: 3,5% - 4,5%

Stosunkowo wysokie zawartości cynku i żelaza można zaobserwować w przypadku, gdy proces rozpoczyna się z wtórnym metalem pochodzącym z recyklingu. Takie zawartości są oczywiście o wiele niższe, gdy obróbce poddaje się metal pierwotny.

Możliwe jest także dodawanie, jak to jest w przypadku stopów odlewniczych AlSi, środka do modyfikowania krzemu eutektyku, takiego jak sód, stront lub antymon, który zapobiega tworzeniu się nadmiernie grubych ziaren krzemu. Sód i stront mogą być obecne samodzielnie lub razem, lecz antymon jest zawsze sam. Zawartość strontu wynosi na przykład od 0,005% do 0,05%. Podobnie dodanie do 0,2% tytanu i ewentualnie do 0,1% boru powoduje rozdrobnienie ziarna i lepszą żaroodporność wyrobu.

W przypadku stopów miedziowych dla zachowania takich samych właściwości reologicznych w czasie kształtowania tiksotropowego, jak dla stopów o identycznym składzie lecz bez miedzi, uzyskując także całkowite ponowne stopienie krzemu eutektycznego w odkuwce wstępnej ogrzanej ponownie do stanu półstałego i gwarantując dobre wydłużenie w wykończonym elemencie, wynalazcy zaproponowali zmodyfikowanie zawartości krzemu w zależności od zawartości miedzi. Ustalono, że jest możliwe osiągniecie zachowania się stopu Al-SiCu w czasie kształtowania tiksotropowego, identycznego z zachowaniem się stopu Al-Si7, jeżeli zawartości Si i Cu tego stopu odpowiadają zależności:

(1) %Si = 17% - %Cu/3

Linia, która reprezentuje te zależność na figurze, jest linią składów, które odpowiadają 50% udziałowi frakcji eutektycznej. Zatem stop Al-Si6Cu3Mg0,6 lub stop Al-Si6,5Cul,5Mg0,6 wykazują zachowanie się w czasie kształtowania tiksotropowego identyczne z zachowaniem się stopu Al-Si7Mg0,6, co oznacza, że jest możliwe, po ponownym ogrzaniu, uzyskanie udziału frakcji ciekłej bliskiego 50% z całkowitym stopieniem eutektyku, a zatem braku wielościanowych kryształów krzemu.

Dla obydwu wymienionych składów ustalono, że utrata metalu wynosiła 8 ± 2%, identycznie z utratą stopu Al-Si7Mg0,6. Lepkość pozorną odkuwek wstępnych, ogrzanych ponownie do temperatury od 2 do 5°C powyżej punktu eutektycznego, mierzono za pomocą testu penetracji, który polegał na mierzeniu umownej granicy plastyczności F ogrzanej ponownie odkuwki wstępnej, ściśniętej za pomocą narzędzia przy stałej szybkości pod koniec suwu o z góry określonej długości. Stosunek tej siły F do stałego progu siły Fs ustalono dla wartości konwencjonalnej utraty metalu przez wypacanie 8%, przy czym utrata metalu jest dla danego metalu wskaźnikiem udziału frakcji ciekłej.

Dla obydwu wymienionych składów ustalono stosunek F/Fs rzędu 0,45, co jest podobne do stosunku zmierzonego w odkuwce wstępnej stopu Ał-Si7Mg0,6.

Ponieważ udział frakcji ciekłej daje się regulować z dokładnością ± 5%, biorąc pod uwagę normalne przedziały zawartości krzemu dozwolone przez normy i specyfikacje dla przedmiotowych stopów, to można ocenić, że na figurze skład stopu musi być taki, aby zawartości Si i Cu były zgodne z zależnością:

(2) 6,5% - %Cu/3 < 5Si < 7,5% - Cu/3 co odpowiada faktowi, że udział frakcji ciekłej uzyskanej z całkowitym stopieniem eutektyku wynosi od 45% do 55%, albo że udział frakcji eutektycznej stopu wynosi od 45% do 55%.

Co więcej, ustalono, że dla stopów zawierających miedź, osiągnięcie dobrego zachowania się w czasie kształtowania tiksotropowego jest możliwe drogą ponownego ogrzewania odkuwek wstępnych tak długo, aż udział frakcji ciekłej wyniesie mniej niż 50%. Zatem dla stopu zawierającego 5% Si i 3% Cu możliwe jest zejście do 40% udziału frakcji ciekłej, a dla

185 416 stopu zawierającego 5% Si i 1,5% Cu do poziomu 35%. Z drugiej strony przy testowaniu stopu z zawartością 4% krzemu i 3% miedzi ustalono, że z powodu jego szerokiego przedziału krzepnięcia (625-560°C) odlewanie kęsów tiksotropowych było trudne do przeprowadzenia dając w wyniku defekty odlewów, takie jak dyslokacje i pustki. Co więcej jest niezadowalające jego zachowanie się w czasie kształtowania tiksotropowego. Tak długo, jak zaczyna się wypełnianie wnęki formy, utrata ciepła na skutek wymiany ze ścianką formy powoduje częściowe ponowne zestalanie się i wzrost lepkości pozornej, co powoduje defekty w elemencie wytwarzanym techniką wstrzykiwania, takie jak zakucie, jamy skurczowe lub wgłębienia.

Zatem, w odniesieniu do figury przedstawiającej zawartości krzemu i miedzi, na której pojawiają się linie równego udziału eutektyku, należy mieć na uwadze, że przedział, który odpowiada składom według wynalazku, obejmuje nie tylko pas zawarty pomiędzy liniami przedstawiającymi frakcje eutektyczne 55% i 45%, to jest obrzeże otaczające linię oznaczającą 50%, lecz także obszar pomiędzy 45% i 35%, który, biorąc pod uwagę dolną granicę zawartości Cu 1%, odpowiada pozornie przyległemu trójkątowi.

Przykład I.

Stop aluminiowy trójskładnikowy Al-Si6Cu3Mg0,6 zawiera, w procentach wagowych,

Si - 6%

Cu - 3%

Mg - 0,6%

Reszta Al oraz nieuniknione zanieczyszczenia.

Przykład II.

Stop aluminiowy trójskładnikowy Al-Si6,5Cul,5Mg0,6 zawiera, w procentach wagowych,

Si - 6,5%

Cu - 1,5%

Mg - 0,6%

Reszta Al.

Stopy o składach opisanych powyżej podczas kształtowania w stanie półstałym zachowują się tak samo jak zwykle stosowany stop Al-Si7Mg0,6, to znaczy mają taką samą lepkość po ogrzaniu.

185 416

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (4)

Zastrzeżenia patentowe

1. Stop aluminiowy trójskładnikowy do wytwarzania elementów, zwłaszcza samochodowych sposobem kształtowania w stanie półstałym zawierający miedź, krzem i aluminium, znamienny tym, że zawiera wagowo od 5% do 7,2% krzemu, od 1% do 5% miedzi, max. 1% magnezu, max. 3% cynku, max. 1,5% żelaza, max. 0,05% strontu, max. 0,2% tytanu, max. 0,1% boru i reszta aluminium oraz nieuniknione zanieczyszczenia, przy czym procentowa zawartość krzemu wynosi max. 7,5% - %Cu/3, a stop w stanie półstałym z udziałem frakcji ciekłej wynoszącej od 35% do 55% jest pozbawiony niestopionych ponownie wielościanowych kryształów krzemu.

2. Stop według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 5% do 7% krzemu i od 1% do 1,5% miedzi.

3. Stop według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 5% do 6,3% krzemu i od 2,5% do 3,5% miedzi.

4. Stop według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 5% do 6% krzemu i od 3,5% do 4,5% miedzi.