DE102008056819B3 - Aluminum alloy used as a material for heat transfer equipment contains alloying additions of silicon, iron, manganese, zinc, titanium and bismuth - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere zur Verarbeitung im Strangpressverfahren, und ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer solchen Aluminiumlegierung, wobei ein aus der Aluminiumlegierung hergestelltes Halbzeug durch Erhitzen homogenisiert wird, das homogenisierte Halbzeug auf Einsatztemperatur und durch Warmverarbeitung auf Produktform gebracht wird.The The invention relates to an aluminum alloy, in particular for processing in the extrusion process, and a process for producing a product from such an aluminum alloy, one of the aluminum alloy Homogenized semi-finished product is homogenized by heating, homogenized Semi-finished product at service temperature and by hot processing to product form is brought.
Auf Grund ihrer ungewöhnlich vielfältigen Eigenschaften, wie z. B. geringe Dichte, hohe Wärmeleitfähigkeit und geringer Verarbeitungsaufwand, sind Aluminiumlegierungen seit langem für vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Bereich unterschiedlicher Industriezweige bekannt. Wegen ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit werden Aluminiumlegierungen als Werkstoff für Wärmeübertrager, stranggepresste Kühlprofile und weitere Anwendungen, bei denen eine hohe Wärmeableitung notwendig ist, eingesetzt.On Reason of their unusual diverse Properties, such. B. low density, high thermal conductivity and low processing costs, For a long time, aluminum alloys have been available for a wide range of applications known in the field of different industries. Because of her high thermal conductivity aluminum alloys are used as material for heat exchangers, extruded cooling profiles and other applications where high heat dissipation is necessary used.
Die gute Korrosionsbeständigkeit von reinem Aluminium beruht auf der Eigenschaft des Werkstoffs mit Sauerstoff aus der Umgebung zu reagieren und eine sehr dünne, undurchdringliche Oxidschicht zu bilden (Passivierung). Durch diese intensive Passivierung sind bei reinem Aluminium nur wenige Korrosionsschutzmaßnahmen notwendig. Werden dem reinen Aluminium Legierungselemente hinzugefügt, die innerhalb der Löslichkeitsgrenzen in festem Zustand liegen, ändert sich das Korrosionspotential der entstehenden Legierung. Bei den meisten Legierungen ist die Bildung der schützenden Oxidschicht (Passivierung) stark gestört, wodurch die daraus gefertigten Bauteile anfälliger für Korrosion werden.The good corrosion resistance of pure aluminum is based on the property of the material Oxygen from the environment to react and a very thin, impenetrable Oxide layer to form (passivation). Through this intensive passivation are only a few corrosion protection measures for pure aluminum necessary. Are added to the pure aluminum alloying elements that within the solubility limits in a solid state, changes the corrosion potential of the resulting alloy. Both most alloys is the formation of the protective oxide layer (passivation) badly disturbed, whereby the components made of it become more susceptible to corrosion.
Die Korrosionsbeständigkeit und die Festigkeit einer Aluminiumlegierung werden in hohem Maß durch die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung, wie auch durch die weitere Behandlung der Aluminiumlegierung, beeinflusst. Bereits geringfügige Änderungen in der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung können unvorhergesehene Veränderungen in den korrosiven und mechanischen Materialeigenschaften der Aluminiumlegierung bedingen.The corrosion resistance and the strength of an aluminum alloy are greatly improved the composition of the aluminum alloy as well as the others Treatment of aluminum alloy, influenced. Already minor changes in the composition of aluminum alloy can be unforeseen changes in the corrosive and mechanical material properties of the aluminum alloy require.
In Abhängigkeit davon, ob die Festigkeitssteigerung einer Aluminiumlegierung lediglich durch die Legierungszusammensetzung und durch Kaltverfestigung (naturhart) oder durch eine Wärmebehandlung (aushärtbar) erzielt wird, wird zwischen naturharten und aushärtbaren Aluminiumlegierungen unterschieden.In dependence of whether the increase in strength of an aluminum alloy merely through the alloy composition and by cold working (naturally hard) or by a heat treatment (Curable) is achieved, is between natural and hardenable aluminum alloys distinguished.
Die Anwendung von Aluminiumlegierungen für Wärmeübertrager ist zunehmend interessant, vor allem in jenen Bereichen, in denen es nicht nur auf eine gute thermische Leitfähigkeit des verwendeten Materials ankommt, sondern häufig eine ausgezeichnete Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit und Beständigkeit bei höheren Einsatztemperaturen ausschlaggebend für die Wahl des Materials ist. Dies ist auch überall dort der Fall, wo eine Legierung mit aggressiven, korrosiven Medien, Säuren, Laugen oder anderen schädlichen Einflüssen in Kontakt kommen kann. Die Vermeidung von galvanischer Korrosion erfordert vor allem bei Aluminiumlegierungen eine sorgfältige Auswahl der Legierungszusammensetzung.The Application of aluminum alloys for heat exchangers is increasingly interesting especially in those areas where it's not just good thermal conductivity the material used, but often has excellent corrosion resistance, Strength and durability at higher Operating temperatures is crucial for the choice of material. This is everywhere the case where an alloy with aggressive, corrosive media, acids, Alkalis or other harmful influences can come into contact. The prevention of galvanic corrosion requires a careful selection, especially with aluminum alloys the alloy composition.
Im Rahmen der praktischen Verwendung einer Aluminiumlegierung ist neben den Materialeigenschaften auch die Verarbeitbarkeit der Aluminiumlegierung von erheblicher Bedeutung. So sind einerseits beispielsweise Aluminiumknetlegierungen bekannt, die gut zur Warm- und Kaltumformung verwendbar sind und andererseits Aluminiumgußlegierungen, die zur Verwendung mit Gießverfahren geeignet sind, jedoch nur unter erhöhtem Aufwand einer Umformung unterworfen werden können.in the Framework of practical use of an aluminum alloy is beside the material properties and the processability of the aluminum alloy of considerable importance. Thus, on the one hand, for example, aluminum wrought alloys known, which are well used for hot and cold forming and on the other hand cast aluminum alloys, for use with casting methods are suitable, but only at increased expense of forming can be subjected.
Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, eine Aluminiumlegierung anzugeben, die zur Warmverarbeitung geeignet ist und die sich insbesondere durch ein außerordentlich hohes Maß an antikorrosivem Verhalten auszeichnet.The The present invention has for its object to provide an aluminum alloy, which is suitable for hot processing and in particular by an extraordinary high level characterized by anti-corrosive behavior.
Die
Lösung
der vorgenannten Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen bei
der in Rede stehenden Aluminiumlegierung dadurch, dass die Aluminiumlegierung
die folgenden Legierungselemente in der nachfolgend angegebenen
Zusammensetzung in Masse-% aufweist:
Si 0,03–0,10,
Fe
0,03–0,10,
Cu < 0,02,
Mn 0,70–1,00,
Mg < 0,02,
Cr < 0,01,
Zn 0,13–0,22,
Ti
0,12–0,20,
Bi
0,01–0,07,
Ni < 0,02,
sonstige
Bestandteile (gesamt) < 0,2
und
Al Rest.The solution of the above object is achieved according to the invention initially and essentially in the subject aluminum alloy in that the aluminum alloy has the following alloy elements in the following composition in mass%:
Si 0.03-0.10,
Fe 0.03-0.10,
Cu <0.02,
Mn 0.70-1.00,
Mg <0.02,
Cr <0.01,
Zn 0.13-0.22,
Ti 0.12-0.20,
Bi 0.01-0.07,
Ni <0.02,
other components (total) <0,2 and
Al rest.
Diese Aluminiumlegierung eignet sich in besonderer Weise für eine Warmverarbeitung und ist so abgestimmt, dass sie sich durch ein außerordentlich hohes Maß an antikorrosivem Verhalten auszeichnet und insbesondere sehr gute Eigenschaften hinsichtlich einer Verarbeitung in einem Strangpressprozess hat.These Aluminum alloy is particularly suitable for hot processing and is tuned to stand out by an extraordinarily high Measure characterized by anti-corrosive behavior and, in particular, very good Has properties regarding processing in an extrusion process.
Zur
Gewährleistung
einer noch größeren Prozesssicherheit
in Bezug auf die Erreichung antikorrosiver Eigenschaften, dürfen die
Legierungselemente in einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung
nur in einem geringeren Toleranzbereich variieren, wodurch die Anforderungen
bei der Herstellung der Aluminiumlegierung ansteigen. Eine solche
Aluminiumlegierung enthält
die bereits genannten Legierungselemente, die in den folgenden Toleranzbereichen
in Masse-% liegen:
Si 0,05–0,08,
Fe
0,05–0,08,
Cu < 0,01,
Mn 0,8–0,9,
Mg < 0,01,
Cr < 0,005,
Zn
0,15–0,20,
Ti
0,14–0,18,
Bi
0,03–0,05,
Ni < 0,01,
sonstige
Bestanteile (gesamt) < 0,1
und
Al Rest.To ensure even greater process reliability with regard to the achievement of anticorrosive properties, the alloying elements in a further preferred embodiment of the aluminum alloy according to the invention may only be used in vary within a narrow tolerance range, thereby increasing the requirements for the production of the aluminum alloy. Such an aluminum alloy contains the already mentioned alloying elements which are in the following tolerance ranges in mass%:
Si 0.05-0.08,
Fe 0.05-0.08,
Cu <0.01,
Mn 0.8-0.9,
Mg <0.01,
Cr <0.005,
Zn 0.15-0.20,
Ti 0.14-0.18,
Bi 0.03-0.05,
Ni <0.01,
other shares (total) <0.1 and
Al rest.
Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Aluminiumlegierung hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Legierungszusammensetzung auf Basis einer EN AW 3XXX ausgebildet ist, insbesondere wenn die Einzelanteile der sonstigen Bestandteile weniger als 0,1 Masse-% ausmachen. Durch diese Randbedingungen kann sichergestellt werden, dass die – unvermeidlichen – Verunreinigungen der Legierung in einen Bereich kommen, in dem diese nicht in der Lage sind, die Materialeigenschaften der Aluminiumlegierung zu beeinflussen. Zudem hat es sich zusätzlich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die einzelnen Teile der sonstigen Bestandteile sogar weniger als 0,05 Masse-%, sehr bevorzugt sogar weniger als 0,02 Masse-% ausmachen.at a further embodiment of the invention the aluminum alloy has proven to be advantageous when the alloy composition is formed on the basis of EN AW 3XXX especially if the individual components of the other components less than 0.1% by mass. By these boundary conditions can ensure that the - unavoidable - impurities come within a range in which they are not in the Able to influence the material properties of the aluminum alloy. In addition, it has in addition proved to be advantageous if the individual parts of the other Ingredients even less than 0.05% by mass, very preferably even less than 0.02% by weight.
Die Materialeigenschaften einer Aluminiumlegierung hängen, wie bereits ausgeführt, einerseits von der Zusammensetzung der Legierung ab, andererseits erfolgt eine wesentliche Einflussnahme auf die Materialeigenschaften durch die Be- und Verarbeitung des aus der Aluminiumlegierung bestehenden Halbzeugs, insbesondere durch eine thermische Behandlung.The Material properties of an aluminum alloy hang, as already stated, on the one hand of the composition of the alloy, on the other hand takes place significant influence on the material properties by the Working and processing of the existing aluminum alloy Semi-finished, in particular by a thermal treatment.
Die Erfindung betrifft daher ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Aluminiumlegierung, wobei die Aluminiumlegierung nach der genannten erfindungsgemäßen Zusammensetzung ausgestaltet ist.The The invention therefore further relates to a process for the preparation of a Aluminum alloy products, the aluminum alloy designed according to the said composition according to the invention is.
Die Aluminiumlegierung liegt in einer ersten bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens als Halbzeug, beispielsweise in Form eines Rundbarrens, vor, wo bei jedoch auch andere Geometrien denkbar sind. Auf die Materialeigenschaften und das Gefüge des vorliegenden Halbzeugs kann nun über eine Homogenisierung Einfluss genommen werden, indem es über einen Zeitraum von im wesentlichen 6 bis 9 Stunden im Temperaturbereich zwischen 570°C und 630°C gehalten wird, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 580°C und 620°C, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn die Temperatur während der Homogenisierung konstant auf einen Wert innerhalb der angegebenen Temperaturbereiche eingestellt wird.The Aluminum alloy is in a first preferred embodiment of the process as a semi-finished product, for example in the form of a round bar, where, however, other geometries are conceivable. On the material properties and the structure of the present semifinished product can now over Homogenization can be influenced by using a Period of essentially 6 to 9 hours in the temperature range between 570 ° C and 630 ° C is maintained, in particular in the temperature range between 580 ° C and 620 ° C, wherein it is particularly preferred if the temperature during homogenization constant to a value within the specified temperature ranges is set.
Die Homogenisierung der beispielsweise als Rundbarren vorliegenden erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung wird vorzugsweise so durchgeführt, dass das Gefüge anschließend eine Korngröße von weniger als 150 μm aufweist oder nach ASTM E 112 zu einer Korngröße von G = 5 oder höher führt. Die bevorzugte Homogenisierung soll gewährleisten, dass das Gefüge über den gesamten Querschnitt gleichmäßig feinkörnig, globulitisch und feinzellig ist, da unter anderem das Phänomen der Korngrenzenkorrosion im Allgemeinen durch eine grobe Gefügestruktur begünstigt wird.The Homogenization of the present invention as a round bar aluminum alloy according to the invention is preferably carried out so that the structure subsequently a grain size of less than 150 μm or according to ASTM E 112 leads to a particle size of G = 5 or higher. The preferred Homogenization should ensure that the structure over the entire cross-section uniformly fine-grained, globulitic and fine-celled, among other things, the phenomenon of grain boundary corrosion is generally favored by a coarse microstructure.
Eine zweite bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass das bereits homogenisierte Halbzeug zur Warmbearbeitung auf eine Einsatztemperatur im Bereich von im wesentlichen 450°C bis 540°C gebracht wird, wobei eine weiter bevorzugte Ausgestaltung der Einsatztemperatur im Bereich von im wesentlichen 470°C bis etwa 520°C liegt. In diesen Temperaturbereichen kann die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung werkzeugschonend und mit geringem technischen Aufwand verarbeitet werden, ohne dass das durch die Homogenisierung errreichte Materialgefüge oder die Materialeigenschaften beeinflusst werden. Abhängig von der vorliegenden Geometrie des Halbzeuges kann ein Temperaturgradient von 20°C, insbesondere bei häufig verwendeten Geometrien, sehr bevorzugt Rundbarren, Bolzen und Quaderblöcke, ein Temperaturgradient von 30°C, aber auch von bis zu 50°C, über die Erstreckung des Halbzeugs hinweg vorliegen.A second preferred embodiment of the invention provides that the already homogenized semi-finished products for hot working to an operating temperature is brought in the range of substantially 450 ° C to 540 ° C, wherein a further preferred embodiment of the operating temperature in the area of substantially 470 ° C up to about 520 ° C lies. In these temperature ranges, the aluminum alloy according to the invention tool-friendly and processed with little technical effort without the material structure obtained by the homogenisation the material properties are influenced. Depending on The present geometry of the semifinished product can be a temperature gradient of 20 ° C, especially with frequent used geometries, very preferably round bars, bolts and cuboid blocks, a Temperature gradient of 30 ° C, but also up to 50 ° C, over the Extension of the semifinished product present.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet die Weiterverarbeitung des Halbzeugs durch Strangpressen, wobei sich Pressgeschwindigkeiten von im wesentlichen 10 m/min bis 20 m/min als zweckmäßig herausgestellt haben. Die von der Matrize zu leistende Umformarbeit ist abhän gig von der Profilgeometrie und hat somit einen unmittelbaren Einfluss auf die Pressgeschwindigkeit. Als außergewöhnlich vorteilhaft für die Herstellung eines Großteils der verwendeten Barren hat sich eine Geschwindigkeit im Bereich von im wesentlichen 12 m/min bis 14 m/min herausgestellt, wobei das Halbzeug sowohl als Voll- als auch als Hohlprofil vorliegen kann.A Another preferred embodiment of the method includes further processing of the semifinished product by extrusion, wherein pressing speeds from essentially 10 m / min to 20 m / min proved to be expedient to have. The forming work to be performed by the die is dependent on the profile geometry and thus has an immediate impact on the pressing speed. As exceptionally advantageous for the production of a most of The ingot used has a speed in the range from essentially 12 m / min to 14 m / min, wherein the semifinished product can be present both as a solid and as a hollow profile.
Von erheblicher Bedeutung für die resultierenden Materialeigenschaften des Produkts ist neben der Legierungszusammensetzung vor allem die auf die Warmumformung folgende Abkühlung des Produkts. Es hat sich herausgestellt, dass eine besonders rasche Abkühlung des Produkts nach der Warmbearbeitung für positive Materialeigenschaften förderlich ist, insbesondere wenn die Abkühlung mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –20°C/s, bevorzugt mit einem höheren Temperaturgradienten von wenigstens –40°C/s, ganz bevorzugt mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –50°C/s wird. Besonders positive Materialeigenschaften lassen sich mit dieser Abkühlung nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens besonders effektiv anwenden, wenn die Abkühlung mit einem der zuvor genannten Temperaturgradienten auf eine Temperatur des Halbzeugs von im wesentlichen unter 100°C erfolgt.Of considerable importance for the resulting material properties of the product, apart from the alloy composition, is in particular the cooling of the product following the hot forming. It turned out that a be especially rapid cooling of the product after hot working for positive material properties is conducive, especially when the cooling with a temperature gradient of at least -20 ° C / s, preferably with a higher temperature gradient of at least -40 ° C / s, most preferably with a temperature gradient of at least -50 ° C / s. Particularly positive material properties can be used particularly effectively with this cooling according to a further embodiment of the method if the cooling takes place with one of the abovementioned temperature gradients to a temperature of the semifinished product of substantially below 100 ° C.
Die aus der erfindungsgemäßen Zusammensetzung der Aluminiumlegierung und der Weiterverarbeitung durch das vorgenannte Verfahren resultierenden hervorragenden Eigenschaften der Aluminiumlegierung hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit – die durch entsprechende Korrosionstests nachgewiesen werden kann –, Festigkeit und Duktilität. Besonders geeignet ist dieses Verfahren für die Herstellung von Strangpressprofilen im Bereich der Wärmeübertragertechnik.The from the composition according to the invention aluminum alloy and further processing by the aforesaid Process resulting excellent properties of aluminum alloy in terms of corrosion resistance - the through appropriate corrosion tests can be demonstrated -, strength and ductility. This method is particularly suitable for the production of extruded profiles in the field of heat transfer technology.
Die
folgenden Ausführungen
stellen eine bevorzugte Variante einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung
und eine bevorzugte Ausgestaltung eines Verfahrens zur Verarbeitung
des Aluminiumhalbzeugs zu einem Produkt dar. Verwendet wird eine Aluminiumlegierung
mit der folgenden Legierungszusammensetzung in Masse-%:
Si
0,05,
Fe 0,06,
Cu < 0,01,
Mn
0,80,
Mg < 0,01,
Cr
0,001,
Zn 0,15,
Ti 0,15,
Bi 0,04,
Ni < 0,002,
sonstige
Bestandteile (gesamt) 0,10 und
Al Rest.The following statements represent a preferred variant of an aluminum alloy according to the invention and a preferred embodiment of a method for processing the aluminum semi-finished product into a product. An aluminum alloy having the following alloy composition in mass% is used:
Si 0.05,
Fe 0.06,
Cu <0.01,
Mn 0.80,
Mg <0.01,
Cr 0.001,
Zn 0.15,
Ti 0.15,
Bi 0.04,
Ni <0.002,
other components (total) 0,10 and
Al rest.
Aus der zuvor genannten Aluminiumlegierung wird ein Halbzeug in Form eines Rundbarrens mit einem Durchmesser von 200 mm angefertigt. Dieser Rundbarren wird 8 Stunden bei 610°C homogenisiert, woraus ein gleichmäßig feinkörniges Gefüge resultiert, das globulitisch und feinzellig über den gesamten Querschnitt verteilt ist; die erzielte Korngröße im Gefüge ist deutlich geringer als 150 μm.Out The aforementioned aluminum alloy is a semi-finished in shape a round bar with a diameter of 200 mm. This round bar is homogenized for 8 hours at 610 ° C, resulting in a uniformly fine-grained microstructure results, the globulitic and fine-celled about the entire cross-section is distributed; The achieved grain size in the microstructure is clear less than 150 μm.
Der Strangpressprozess erfordert es, dass aufgrund des großen Durchmessers des warm zu verarbeitenden Rundbarrens, dieser auf eine gesteigerte Temperatur von im wesentlichen 500°C gebracht wird, wobei durch die Profilgeometrie bedingt ist, dass ein Temperaturgradient von im wesentlichen 30°C über die Erstreckung des Halbzeugs vorliegen kann. Die Verarbeitung des Rundbarrens im Strangpressprozess erfolgt bei einer Profilpressgeschwindigkeit von im wesentlichen 12 m/min.Of the Extrusion process requires that due to the large diameter of the hot bar to be processed, this on an increased Temperature is brought by substantially 500 ° C, wherein the profile geometry is conditional that a temperature gradient of essentially 30 ° C over the Extension of the semifinished product may be present. The processing of the round bar in the extrusion process takes place at a profile pressing speed of substantially 12 m / min.
Die Abkühlung des nunmehr als Profil vorliegenden Produkts wird schnellstmöglich von etwa 530°C auf eine Temperatur unterhalb von 100°C, im vorliegenden Fall innerhalb von weniger als 10 s, abgekühlt. Die schroffe Profilabkühlung mittels einer speziellen Kühleinrichtung führt zu durchweg posi tiven Materialeigenschaften, insbesondere im Bereich der Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit.The Cooling of the now available as a profile product is as soon as possible about 530 ° C to a temperature below 100 ° C, in this case within less than 10 seconds, cooled. The rugged profile cooling by means of a special cooling device leads to consistently positive material properties, in particular in the field of corrosion resistance and strength.
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