RS49557B - Postupak za obradu aluminijumske legure koja sadrži magnezijum i silicijum - Google Patents

Abstract

Postupak za obradu aluminijumske legure koja sadrži magnezijum i silicijum i to 0.5 – 2.5 % težinskih legirajuće mešavine magnezijuma i silicijuma, gde je molarni odnos Mg/Si između 0.70 i 1.25, dodatna količina Si jednaka približno 1/3 količine Fe, Mn i Cr prisutnih u leguri u % težinskih, a ostatak čine aluminijum, neizbežne nečistoće i drugi legirajući agenti: što se legura posle hlađenja podvrgava homogenizaciji, predgrevanju pre izvlačenja, izvlačenju i starenju, pre čemu se starenje odvija na temperaturama između 160 i 220°C, naznačen time, što starenje posle hlađenja izvučenog proizvoda obuhvata prvi korak u kome se izvučeni proizvod zagreva brzinom zagrevanja iznad 30°C/h do temperature između 100 i 170°C i drugi korak u kome se izvučeni proizvod zagreva brzinom zagrevanja između 5 i 50°C/h do krajnje temperature držanja i što je ukupan ciklus starenja izveden u vremenu između 3 i 24 sata. Prijava sadrži još 9 zavisnih patentnih zahteva.

Description

Pronalazak se odnosi na aluminijumsku leguru koja sadrži težinski 0.5 - 2.5 % legirajuće mešavine magnezijuma i silicijuma, molarnog odnosa Mg/Si izmedju 0.70 i 1.25, dodatna količina Si jednaka je približno 1/3 količine Fe, Mn i Cr prisutnih u leguri, a ostatak sadržaja je aluminijum, neizbežne nečistoće i drugi legirajući agenti, koja legura je posle hladjenja podvrgnuta homogenizaciji, predgrevanju pre izvlačenja, izvlačenju i starenju, gde se starenje odvija na krajnjim temperaturama izmedju 160 i 220°C.

Legura ovog tipa je opisana u WO 95.06759. Prema ovoj publikaciji starenje se izvodi na temperaturi izmedju 150 i 200°C, a brzina zagrevanja je izmedju 10 i 100°C/h a prvenstveno 10 - 70°C/h. Predlaže se alternativna dvostepena procedura zagrevanja, gde se predlaže temperatura koja se održava u rasponu od 80 do 140°C da bi se postigla ukupna brzina zagrevanja unutar gore naznačenog raspona.

Opšte je poznato da će veće ukupne količine Mg i Si imati pozitivan uticaj na mehanička svojstva finalnog proizvoda, dok ovo ima negativan uticaj na sposobnost izvlačenja aluminijumske legure. Ranije je bilo uočeno da je faza koja povećava tvrdoću Al-Mg-Si legure imala sastav blizak Mg2Si. Takodje je bilo poznato da višak Si daje bolja mehanička svojstva.

Kasniji eksperimenti su pokazali da je sekvenca precipitacije veoma kompleksna i da osim uravnotežavajuće faze, faze koje učestvuju nemaju stehiometrijski odnos Mg2Si. U publikaciji S.J. Andersena, et.al, Acta mater, Vol.46 No. 9 p.3283-3298 iz 1998. bilo je predloženo da jedna od faza za povećavanje tvrdoće kod Al-Mg-Si legura ima sastav blizak Mg5Si6.

Stoga je cilj pronalaska da stvori aluminijumsku leguru koja ima bolja mehanička svojstva i bolju sposobnost izvlačenja, koja legura ima minimalnu količinu legirajućih agenata i opšti sastav koji je što je više moguće blizak tradicionalnim aluminijumskim legurama. Ovaj i drugi ciljevi su postignuti tako što se starenje posle hladjenja izvučenog proizvoda izvodi kao dvobrzinska operacija starenja koja uključuje prvi korak u kome se izvučeni proizvod zagreva brzinom zagrevanja iznad 30°C/h do temperature izmedju 100 i 170°C, drugi korak u kome se izvučeni proizvod zagreva brzinom zagrevanja izmedju 5 i 50°C/h do krajnje temperature koja se održava izmedju 160 i 220°C a ceo ciklus starenja se izvodi u vremenu izmedju 3 i 24 sata. Optimalni odnos Mg/Si je onaj kod koga se sav raspoloživi Mg i Si transformiše u Mg5Si6faze. Ova kombinacija Mg i Si daje najveću mehaničku čvrstoću sa minimalnom upotrebom legirajućih elemenata Mg i Si. Ustanovljeno je da maksimalna brzina izvlačenja skoro ne zavisi od odnosa Mg/Si. Zato, sa optimalnim odnosom Mg/Si suma Mg i Si je svedena na minimum za odredjeni zahtev čvrstoće, i ova legura će takodje imati najbolju sposobnost izvlačenja. Koristeći sastav prema pronalasku kombinovan sa procedurom dvobrzinskog starenja prema pronalasku, postignuto jr da su čvrstoća i sposobnost izvlačenja maksimizirani sa minimalnim ukupnim vremenom starenja.

Pored faze MgsSi6postoji još jedna faza koja povećava tvrdoću koja sadrži više Mg nego faza MgsSie. Medjutim, ova faza nije tako efikasna i ne doprinosi toliko mehaničkoj čvrstoći kao faza MgsSi6. Sa više Si kod faze MgsSi6to najverovatnije neće biti faza koja povećava tvrdoću, a niži odnosi Mg/Si od 5/6 neće biti delotvorni.

Pozitivan uticaj na mehaničku čvrstoću procedure dvobrzinskog starenja može se objasniti činjenicom da produženo vreme na niskoj temperaturi uopšte poboljšava formiranje precipitata Mg-Si veće gustine. Ako se cela operacija starenja izvede na takvoj temperaturi, ukupno vreme starenja biće izvan granica praktičnosti i učinak peći za starenje biće suviše nizak. Sporim povećanjem temperature do krajnje temperature starenja, veliki broj precipitata iniciranih na niskoj temperaturi će nastaviti da raste. Rezultat će biti veliki broj precipitata i vrednosti mehaničke čvrstoće kao one koje se dobijaju starenjem na niskoj temperaturi ali sa znatno kraćim ukupnim vremenom starenja.

Starenje u dva koraka takodje daje poboljšanja mehaničkoj čvrstoći, ali brzo zagrevanje od prve održavane temperature do druge održavane temperature daje znatne šanse za reverziju najmanjih precipitata, sa manjim brojem precipitata koji povećavaju tvrdoću i otud nižom mehaničkom čvrstoćom kao rezultatom. Još jedna dobrobit procedure dvobrzinskog starenja u poredjenju sa normalnim starenjem i takodje starenjem u dva koraka, je što će mala brzina zagrevanja obezbediti bolju distribuciju temperature u punjenju. Temperaturni režim izvučenih proizvoda u punjenju će biti skoro nezavisna od veličine punjenja, gustine pakovanja i debljina zidova izvučenih proizvoda. Rezultat će biti ujednačenija mehanička svojstva nego kod drugih tipova procedura starenja.

U poredjenju sa procedurom starenja opisanom u WO 95.06759 gde se sa malom brzinom zagrevanja kreće od sobne temperature, procedura dvobrzinskog starenja će skratiti ukupno vreme starenja primenom velike brzine zagrevanja od sobne temperature do temperature izmedju 100 i 170°C. Rezultujuća čvrstoća će biti skoro jednako dobra kada sporo zagrevanje počne od srednje temperature kao kada sporo zagrevanje počne od sobne temperature.

Zavisno od predvidjene klase čvrstoće razni sastavi su mogući unutar opšteg domena pronalaska.

Tako je moguće imati aluminijumsku leguru sa čvrstoćom na istezanje u klasi F19- F22, kada je količina legirajuće mešavine magnezijuma i silicijuma izmedju 0.60 i 1.10 % težinski. Za leguru sa čvrstoćom na istezanje u klasi F25 - F27, moguće je koristiti aluminijumsku leguru koja sadrži težinski'izmedju 0.80 i 1.40 legirajuće mešavine magnezijuma i silicijuma a za leguru sa čvrstoćom na istezanje u klasi F29 - F31, moguće je koristiti aluminijumsku leguru koja sadrži težinski izmedju 1.10 i 1.80 legirajuće mešavine magnezijuma i silicijuma.

Prvenstveno i prema pronalasku čvrstoća na istezanje u klasi F19 (185 - 220 MPa) se postiže legurom koja sadrži izmedju 0.60 i 0.80 % težinski legirajuće mešavine, čvrstoća na istezanje u klasi F22 (215 - 250 MPa) legurom koja sadrži izmedju 0.70 i 0.90 % težinski legirajuće mešavine, čvrstoća na istezanje u klasi F25 (245 - 270 MPa) legurom koja sadrži izmedju 0.85 i 1.15 % težinski legirajuće mešavine, čvrstoća na istezanje u klasi F27 (265 - 290 MPa) legurom koja sadrži izmedju 0.95 i 1.25 % težinski legirajuće mešavine, čvrstoća na istezanje u klasi F29 (285 - 310 MPa) legurom koja sadrži izmedju 1.10 i 1.40 % težinski legirajuće mešavine, i čvrstoća na istezanje u klasi F31 (305 - 330 MPa) legurom koja sadrži izmedju 1.20 i 1.55 % težinski legirajuće mešavine.

Sa dodatkom Cu, koji po pravilu povećava mehaničku čvrstoću za 10 MPa po 0.10 % težinski Cu, ukupna količina Mg i Si može se smanjiti a da se još uvek zadovolji viša klasa čvrstoće nego sto bi samo dodaci Mg i Si dali.

Iz gore objašnjenih razloga bolje je da molarni odnos Mg/Si bude izmedju 0.75 i 1.25 a još bolje izmedju 0.8 i 1.0.

U prvenstvenom rešenju pronalaska krajnja temperatura starenja je bar 165°C a najviše 205°C. Kada se koriste ove preporučene temperature ustanovljeno je da se mehanička čvrstoća maksimizira dok ukupno vreme starenja ostaje unutar razumnih granica.

Da bi se smanjilo ukupno vreme starenja kod operacije dvobrzinskog starenja bolje je izvesti prvi korak starenja najvećom mogućom brzinom zagrevanja, koja po pravilu zavisi od raspoložive opreme. Zato, u prvom koraku zagrevanja treba koristiti brzinu od bar 100°C/h.

Kod drugog koraka zagrevanja brzina zagrevanja mora biti optimizirana obzirom na ukupnu vremensku efikasnost i krajnji kvalitet legure. Zbog toga brzina drugog zagrevanja treba da bude bar 7°C/h a najviše 30°C/h. Kod brzina zagrevanja manjih od 7°C/h ukupno vreme starenja će biti dugo sa niskim učinkom peći za starenje kao rezultatom, a kod brzina zagrevanja većih od 30°C/h mehanička svojstva biće lošija od idealnih.

Prvenstveno, prvi korak zagrevanja će se završiti na 130 - 160°C i na ovim temperaturama ima dovoljno precipitacije faze MgsSig da se postigne visoka mehanička čvrstoća legure. Niža temperatura u prvom koraku će dovesti ddo povećanog ukupnog vremena starenja. Ukupno vreme starenja treba da bude najviše 12 sati.

Da bi imali izvučeni proizvod sa skoro svim Mg i Si u čvrstom rastvoru pre operacije starenja, važno je kontrolisati parametre za vreme izvlačenja i hladjenja posle izvlačenja. Sa pravim parametrima ovo se može postići normalnim predzagrevanjem. Medjutim, koristeći takozvani proces pregrevanja opisan u EP 0302623, koji je operacija predzagrevanja gde se legura zagreva do temperature izmedju 510 i 560°C za vreme operacije predzagrevanja pre izvlačenja, nakon čega se obavi hladjenje do normalne temperature izvlačenja. Ovo će obezbediti da sav Mg i Si dodati leguri budu rastvoreni. Odgovarajućim hladjenjem izvučenog proizvoda Mg i Si ostaju rastvoreni i na raspolaganju za formiranje precipitata za povećavanje tvrdoće za vreme operacije starenja.

Za leguru niskog sastava rastvaranje Mg i Si se može postići za vreme operacije izvlačenja bez pregrevanja ako su parametri izvlačenja korektni. Medjutim, legure višeg sastava uslovi normalnog predzagrevanja nisu uvek dovoljni da sav Mg i Si predje u čvrst rastvor. U takvim slučajevima pregrevanje će proces izvlačenja učiniti robustnijim i uvek će obezbediti da sav Mg i Si bude u čvrstom rastvoru kada profil izadje iz prese.

Druge karakteristike i prednosti biće jasnije iz slededćeg opisa nekoliko testova izvršenih na legurama prema pronalasku.

Primer 1

Osam različitih legura sa sastavima datim u tabeli 1 izliveno je u šipke <J>95 mm u standardnim uslovima livenja za legure 6060. Šipke su homogenizirane brzinom zagrevanja približbo 250°C/h, period održavanja temperature je bio 2 sata i 15 minuta na 575°C, a brzina hladjenja posle homogenizacije bila je približno 350°C/h. Šipke su na kraju isečene na 200 mm dugačke komade.

Proba izvlačenja je izvedena na 800 tonskoj presi opremljenoj sudom od <|>100 mm i indukcionom peći za zagrevanje komada pre izvlačenja.

Kalup korišćen za eksperiment sposobnosti izvlačenja proizveo je cilindrični štap prečnika 7 mm sa dva rebra širine 0.5 mm i visine 1 mm, dijametralno postavljena.

Da bi se dobile dobre mere mehaničkih svojstava profila posebna proba je izvršena sa kalupom koji je dao šipku 2<*>25 mm<2>. Šipke su bile predzagrejane do približno 500°C pre izvlačenja. Posle izvlačenja profili su ohladjeni u mirnom vazduhu za vreme od približno 2 min do temperature ispod 250°C. Posle izvlačenja profili su bili razvučeni 0.5 %. Vreme skladištenja na sobnoj temperaturi je bilo kontrolisano pre starenja. Mehanička svojstva su dobijena pomoću testa na zatezanje.

Potpuni rezultati testa sposobnosti izvlačenja za ove legure pokazani su u tabelama 2 i 3.

Za legure 1-4, koje imaju približno istu sumu Mg i Si ali različit odnos Mg/Si, najveća brzina izvlačenja bez cepanja je približno ista kod uporednih temeratura šipki.

Za legure 5 -8, koje imaju približno istu sumu Mg i Si ali različit odnos Mg/Si, najveća brzina izvlačenja bez cepanja je približno ista kod uporednih temeratura šipki. Medjutim, uporedjujući legure 1 - 4 koje imaju nižu sumu Mg i Si sa legurama 5-8, najveća brzina izvlačenja je veća za legure 1 - 4.

Mehanička svojstva različitih legura koje su starile različitim ciklusima starenja pokazana su u tabelama 4 - 11.

Kao objašnjenje ovih tabela poziva se na sliku 1 na kojoj su različiti ciklusi starenja pokazani grafički i identifikovani slovom. Na slici 1 ukupno vreme starenja je na x-osi a temperatura je na y-osi.

Naslovi kolona imaju sledeće značenje:

Ukupno vreme = ukupno vreme starenja za ciklus starenja

Rm = krajnji napon istezanja

Rp02 = napon pri lomu

AB = izduženje do loma

Au = proporcionalno izduženje

Svi ovi podaci su dobijeni standardnim testiranjem na istezanje i pokazani brojevi su srednje vrednosti dva paralelna uzorka izvučenih profila.

Sledeći komentari bazirani su na ovim rezultatima.

Krajnji napon iztezanja (KNI) legure br. 1 je malo ispod 180 MPa posle starenja A-ciklusom i 6 sati ukupnog vremena. Sa ciklusom dvobrzinskog starenja KNI vrednosti su više, ali još uvek ne iznad 190 MPa posle B-ciklusa u trajanju od 5 sati, a 195 MPa posle 7 sati C-ciklusa. D-ciklusom KNI vrednosti dostižu 210 MPa ali ne pre ukupnog vremena starenja od 13 sati.

Krajnji napon iztezanja (KNI) legure br. 2 je malo iznad 180 MPa posle starenja A-ciklusom i 6 sati ukupnog vremena. KNI vrednost je 195 MPa posle B-ciklusa u trajanju od 5 sati, a 205 MPa posle C-ciklusa u trajanju od 7 sati. D-ciklusom KNI vrednost dostiže približno 210 MPa posle 9 sati a 215 MPa posle 12 sati.

Legura br. 3 'koja je najbliža liniji MgsSi6na strani viška Mg, pokazuje najviša mehanička svojstva od legura 1 - 4. Posle A-ciklusa KNI je 190 MPa posle ukupnog vremena od 6 sati. Sa B-ciklusom i posle 5 sati KNI je blizu 205 MPa, a malo iznad 210 MPa posle 7 sati C-ciklusa. Sa D-ciklusom starenja od 9 sati KNI je blizu 220 MPa.

Legura br. 4 pokazuje niža mehanička svojstva od legura 2 i 3. Posle A-ciklusa sa 6 sati ukupnog vremena KNI nije više od 175 MPa. Sa D-ciklusom starenja od 10 sati KNI je blizu 210 MPa.

Ovi rezultati jasno pokazuju da je optimalni sastav za postizanje najboljih mehaničkih svojstava sa najnižom sumom Mg i Si blizu linije MgsSiena strani viška Mg.

Još jedan važan aspekt sa odnosom Mg/Si je da nizak odnos izgleda da daje kraće vreme starenja da bi se postigla maksimalna mehanička svojstva.

Legure 5 - 8 imaju konstantnu sumu Mg i Si koja je viša nego kod legura 1 - 4. Uporedjene prema liniji MgsSig, sve legure 5 6 8 su locirane na strani viška Mg.

Legura br. 5 koja je najdalje od linije MgsSie pokazuje najniža mehanička svojstva od četiri različite legure 5 - 8. Sa A-ciklusom legura br. 5 ima KNI vrednost od približno 210 MPa posle ukupnog vremena od 6 sati. Legura br. 8 ima KNI vrednost 220 MPa posle istog ciklusa. Sa C-ciklusom i 7 sati ukupnog vremena KNI vrednosti za legure 5 i 8 su 220 odnosno 240 MPa. Sa D-ciklusom i 9 sati KNI vrednosti su približno 225 i 245 MPa.

Ovo opet pokazuje da se najviša mehanička svojstva postižu sa legurama najbližim liniji MgsSie. Što se tiče legura 1 - 4, korist od cilusa dvobrzinskog starenja izgleda da je najveća za legure najbliže liniji MgsSi6.

Vremena starenja do maksimalne čvrstoće izgleda da su kraća za legure 5 - 8 nego za legure 1 - 4. Ovo je očekivano jer se vreme starenja skraćuje sa povećanjem sadržaja legure. Takodje, za legure 5 - 8 izgleda da su vremena starenja nešto kraća za leguru 8 nego za leguru 5.

Vrednosti ukupnog izduženja izgleda da su skoro nezavisne od ciklusa starenja. Kod najveće čvrstoće vrednosti ukupnog izduženja, AB, su oko 12%, čak iako su vrednosti čvrstoće više za cikluse dvobrzinskog starenja.

Primer 2

Primer 2 pokazuje krajnju čvrstoću na istezanje profila od pregrejanih sipki od legure 6061. Direktno grejane šipke su zagrejane do temperature pokazane u tabeli i izvučene brzinom izvlačenja od maksimalne brzine pre razaranja površine profila. Pregrejane šipke su predgrevane u peći na gas do temperature iznad solvus temperature za tu leguru a onda hladjene do normalne temperature za izvlačenje pokazane u tabeli 12. Posle izvlačenja profili su hladjeni u vodi i podvrgnuti starenju standardnim ciklusom starenja do najviše čvrstoće. Korišćenjem procesa pregrevanja mehanička svojstva će biti generalno viša i konzistentnija nego bez pregrevanja. Takodje, sa pregrevanjem mehanička svojstva praktično ne zavise od temperature šipke pre izvlačenja. Ovo čini proces izvlačenja robustnijim pri obezbedjivanju visokih i konzistentnih mehaničkih osobina, i omogućava operacije na nižim sastavima legure sa nižim sigurnosnim marginama prema zahtevanim mehaničkim svojstvima.

Claims (10)

1. Postupak za obradu aluminijumske legure koja sadrži magnezijum i silicijum, i to 0.5 - 2.5 % težinskih legirajuće mešavine magnezijuma i silicijuma. gde je molarni odnos Mg/Si između 0.70 i 1.25, dodatna količina Si jednaka približno 1/3 količine Fe, Mn i Cr prisutnih u leguri u % težinskih, a ostatak čine aluminijum, neizbežne nečistoće i drugi legirajući agenti; što se legura posle hlađenja podvrgava homogenizaciji, predgrevanju pre izvlačenja, izvlačenju i starenju, pri čemu se starenje odvija na temperaturama između 160 i 220°C, naznačen time, što starenje posle hlađenja izvučenog proizvoda obuhvata prvi korak u kome se izvučeni proizvod zagreva brzinom zagrevanja iznad 30°C/h do temperature između 100 i 170°C i drugi korak u kome se izvučeni proizvod zagreva brzinom zagrevanja između 5 i 50°C/h do krajnje temperature držanja i što je ukupan ciklus starenja izveden u vremenu između 3 i 24 sata.

2. Postupak prema zahtevu 1. naznačen time, što je molarni odnos Mg/Si najmanje 0.75.

3. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je molarni odnos Mg/Si najviše 1.25.

4. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je krajnja temperatura starenja najmanje 165°C.

5. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je krajnja temperatura starenja najviše 205°C.

6. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je u drugom koraku zagrevanja brzina zagrevanja najmanje 7°C/h.

7. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je u drugom koraku zagrevanja brzina zagrevanja najviše 30°C/h.

8. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je na kraju prvog koraka zagrevanja temperatura između 130°C i 160°C.

9. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je ukupno vreme starenja najviše 12 sati.

10. Postupak prema bilo kom od prethodnih zahteva, naznačen time, što je za vreme predzagrevanja pre izvlačenja legura zagrejana do temperature između 510 i 560°C, posle čega je legura ohlađena do normalne temperature izvlačenja.