DE2754673A1

DE2754673A1 - Verfahren zur herstellung von halbzeugen aus einer al-mn-legierung mit verbesserten festigkeitseigenschaften

Info

Publication number: DE2754673A1
Application number: DE19772754673
Authority: DE
Inventors: Heinz Dipl Chem Dr Lommel
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1977-12-08
Filing date: 1977-12-08
Publication date: 1979-06-13
Also published as: GB2011946B; CA1103132A; CH642108A5; DK552778A; NL7811864A; AT363697B; FI783767A; DE2754673B1; GB2011946A; DE2754673C2; NO149243C; NO149243B; SE430174B; ATA837278A; NO784106L; IT7830585A0; US4235628A; IT1101378B; BE872610A; JPS5492510A

Description

METALLGESELLSCHAFT AG FfE., 2.12.1977

Reuterweg 14 KLK/CKU

6000 Frankfurt/Main 1
Proν.Nr. 8175 Alu

Verfahren zur Herstellung von Halbzeugen aus einer Al-Mn-Legierung mit verbesserten Festigkeitseigenschaiten

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lot- und emaillierbaren Halbzeugen mit verbesserten Festigkeitseigenschaften aus einer Al-Mri-Legier-un^.

Als lot- und emaillierbar v/erden Halbzeuge bezeichnet, die - abgesehen von.einer evtl. notwendigen Entfettung - keine aufwendige Vorbehandlung durch Chromatic--"en, Eloxieren, Plattieren, Galvanisieren oder dergleichen erfordern. Unter verbesserten Festigkeitseigenschaft or. v;i:M im Rahmen der Anmeldung insbesondere eine höhere Zugfestigkeit im rekristallisierten, d.h. thermodynamisch stabilen Zustand des Gefüges verstanden. Die Halbzeuge sollen in diesen, auch als "weich" bezeichneten Zustand eine Zugfestigkeit von mindestens 150 N/mm aufweisen. '

Aus DIN 1725 in Verbindung mit DIN 17^5, jeweils Teil 1 Ausgabe Dezember 1976, ist eine Al-Mn-Legierung (V/erkstoffnummer 3.Ο515) bekannt, die im weichen Zustand eine Mindestzug-

festigkeit von 90 N/mm auf v/eist. Höhere Zugfestigkeitswerte

-A-

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im weichen Zustand können bei Al-iln-Le/_^:;ierungen durch Zusatz von Cu (DIN 1745, Werkstoffnunmer 3.0517) oder von Mg (Werkstoffnummer 3.0526) erreicht werden. Im ersten Fall wird nur eine bescheidene Verbesserung auf ein 100 N/mm erreicht, während im zv/eicen Fall die Mindestzugfestigkeit auf 155 N/mm steigt.

Beide festigkeitssteigernde Maßnahmen sind jedoch in anderer Hinsicht nachteilig. Während der Zusatz von Cu in Mengen von 0,05 bis 0,20 ^c/t bei nur geringer Verbesserung der Festigkeit bereits eine erhebliche Beeinträchtigung der Korrosionsbeständigkeit mit sich bringt, ist eine Al-Mn-Legierung mit 0,8 bis 1,3 % --g nicht mehr lot- oder emaillierbar. Die eingangs genannten Bedingungen sind auf diesem Wege also nicht gleichzeitig zu erfüllen.

Bekannt sind auch lot- und emaiiiierbare Ai-Mn-Legierungen mit verbesserten-Festigkeitseigenschaften, deren Anwendungsbereich durch einen Zusatz von Zirkonium und/oder Chrom erweitert worden ist. (vergl. DE-PS 16 OS 198, 16 08 766, DE-AS 25 29 064, DE-OS 25 55 095) In diesen Fällen handelt es sich jedoch nur um die Erzeugung eines rekristallisationsträgen Gefüges, d.h. um eine Verschiebung des Festigkeitsabfalls zu höheren Temperaturen hin. In voraussetzungsgemäß ■ "weichem" Zustand, liegen die Mindestzugfestigkeiten dieser Legierungen wieder deutlich unter dem angestrebten Wert.

Aus derartigen Legierungen hergestellte Teile können bei der Fertigung (Lot- und Emailliervorgänge) oder auch bei ihrem bestimmungsgemäßen Gebrauch höheren Temperaturen ausgesetzt werden als übliche Al-Mn-Legierungen, weil der Zr- und/oder Cr-Zusatz einen nennenswerten Abfall der durch Kaltumformung

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erzielten Gefügeverfestigung bei Temperatureinwirkung verhindert. Die Rekristallisationshenimung bleibt jedoch nur bis zu einer bestimmten Temperatur bzw. Einwirkungsdauer bestehen. V/erden gewisse Grenzwerte während der Fertigung der Teile oder bei deren bestimmungsgemäßen Gebrauch überschritten, so geht oft bei diesen Legierungen das Gefüge in den thermodynamisch stabilen, d.h. weichen Zustand über, indem die Festigkeitswerte für viele Anwendungsfälle nicht mehr ausreichend sind.

Eine Umkehr dieses Vorgangs ist in der überwiegenden Zahl der Fälle ausgeschlossen. Bei Gegenständen, die dauernd bei oder oberhalb der Rekristallisations'cemperatur im Einsatz sind, versteht sich das von selbst. Bai emaillierten oder gelöteten Gegenständen, die der kritischen Temperatureinwirkung oft nur kurzfristig unterliegen, ist eine nachfolgende Kaltumformung zur Erzielung höherer Zugfestigkeitswerte entweder gänzlich ausgeschlossen (Abplatzen des Emails) oder aber wegen der komplizierten Form des Gegenstandes praktisch undurchführbar (z.B. gelöteter Autokühler).

Es besteht somit die Aufgabe, Halbzeuge aus einer Al-Mn-Legierung zur Verfugung zu stellen, die sich durch Lot- und Emaillierbarkeit auszeichnen, die eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen und die bei vollständig rekristallisierten Gefüge noch eine Zugfestigkeit von mindestens 150 N/mm² haben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei der Herstellung von Halbzeugen von einer Schmelze ausgegangen wird, die

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0,8 bis 2 % Mangan

0,6 bis 3 % Silizium

0,2 bis 1 % Eisen

0 b bis 0,2 % Kupfer

0 bis 0,2 % Magnesium

Rest Aluminium

einschließlich insgesamt höchstens 0,2 % nicht vermeidbare, herstellungsbedingte Verunreinigungen

enthält, daß aus dieser Schmelze ein Stranggußblock erzeugt, der Block bei 400 bis 52O⁰C 2 bis 20 Stunden geglüht und anschließend warm und kalt bis an Endabmeasung des Kalbzeugs umgeformt und daß schließlich das Halbzeug bei mehr als 450 C einer Rekristallisationsglühung unterworfen wird.

Zweckmäßigerweise. wird von einer Legierung ausgegangen, bei der die Verunreinigung durch Zink, Blei, Chrom, Nickel, Zinn, Cadmium und Wismut jeweils unter 0,01 % liegt. Ferner ist es vorteilhaft, das Verhältnis von Silizium zu Eisen im Bereich zwischen 1 : 1 bis 6:1, vornehmlich zwischen 2 : 1 bis 4 : 1 einzustellen. Ferner sollte die Summe Mangan und Silizium mindestens 2 %, vorzugsweise 2,5 bis 3,5 % betragen.

Die Glühung des Stranggußblockes kann bei 500 bis 620⁰C oder auch 4 bis 20 Stunden bei 400 bis 500⁰C durchgeführt werden.

Wird außerdem gefordert, daß die Halbzeuge oder die daraus hergestellten Gegenstände ein rekristallisationsträges Gefüge aufweisen, so v/ird die Glühung des Gußblocks 4 bis 20 Stunden bei 400 bis 500⁰C durchgeführt und im Anschluß an das Warm- und Kaltumformen durch die Rekristallisationsglühung an dem Halbzeug selbst eine weitere Kaltumformung vorgenommen oder es werden aus dem Kalbzeug Gegenstände durch Kaltumformen gefertigt. Eine weitere Steigerung der Re-

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kristallisationsträgheit kann in an sich bekannter Weise dadurch herbeigeführt v/erden, daß von einer Legierung ausgegangen wird, die außerdem noch bis zu 0,5 % Zirkonium enthält.

Eine Schmelze der erfindungsgemäßen Zusammensetzung kann natürlich auch durch Stranggießen zu einem Gußband mit einer Dicke von 5 bis 60 mm verarbeitet werden. Zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften, muß dieses Gußband dann einer entsprechenden Behandlung unterworfen werden, wie es vorstehend für einen Gußblock beschrieben worden ist. Wird das Gußband unmittelbar aus der Gießhitze warmgewalzt, so kann u.U. die erwähnte Hochtemperaturglühung entfallen. Wichtig jedoch ist, daß nach dem Warn- und Kaltwalzen eine Rekristallisationsglühung bei über 450⁰C vorgenommen wird.

Erfordert das Gußband keine Bearbeitung durch Warmwalzen, so kann u.U. ohne, zusätzliche Glühbehandlung oder nach einer 2 bis 20-stündigen Glühung bei 500 bis 620⁰C zur Erzielung eines feinen Endgefüges nach Wiederabkühiung kaltgewalzt und am Band oder Blech die Rekristallisationsglühung vorgenommen werden.

Auch die Erzeugung eines rekristallisationsträgen Gefüges ist bei entsprechender Behandlung von Gußbändern möglich.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Halbzeuge ergibt sich aus der Erfüllung der eingangs genannten Bedingungen. Ingsbesondere also für solche Fälle, in denen nach abgeschlossener Rekristallisation eine Mindestzugfestigkeit von 150 N/mm gefordert wird. Sie sind ohne besondere Vorbehandlung wie beispielsweise Chromatieren, Eloxieren, Plattieren,

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Galvanisieren usv/. ausgezeichnet lötbar und emaillierbar, es genügt das übliche Entfernen von l.'alzölen bzw. bei der Umformung verwendeter Fette oder Gleitmittel.

Konkret können die Halbzeuge eingesetzt werden zur Herstellung von gelöteten Wameaustar^chern und sonstigen gelöteten Teilen, und zwar sowohl als Larnellenv/erkstoff wie auch als Kernwerkstoff von lotplattierten Bändern und Blechen. Sie sind geeignet zur Herstellung von emaillierten Teilen wie beispielsweise Küchengeßchirr. Ferner können daraus Absorberplatinen für Solarkollcktoren hergestellt werden, die im sogenannten Leerlauf einer erheblichen Temperaturbelastung unterliegen können. Als Anwendungsfall mit Dauertemperaturbelastung seier? er-v/ahr-t, .Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren, Rohrbündel-Viämeaustauscher und Heat-Piper-Wärmeaustauscher. Schließlich keimen aus den Halbzeugen auch Karosseriebleche gefertigt werden, bei denen wegen der Lackeinbrennung ebenfalls hohe Zugfestigkeitswerte im rekristallisierten Zustand vorhanden sein müssen.

Schließlich ist die Aluminiumlegierung auch ausgezeichnet brauchbar zur Herstellung von Kaltfließpreßteilen, da sie im rekristallisierten Zustand ein Verhältnis Zugfestigkeit zu Streckgrenze von etwa 3 : Λ oder darüber aufweist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand der folgenden Versuchsergebnis se? näher erläutert:

1. Aus einer Schmelze mit der Analyse

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1,49 % Mangan

1,63 ,% Silizium

0,53 % Eisen

0,08 % Kupfer

0,02 % Titan

"*=0,01 % Magnesium

-<0,01 % Zink

-«0,01 % Blei

-<0,01 % Chrom

1,01 % Zirkonium
Rest Aluminium

wurde im Stranggießverfahren ein Gußblock erzeugt und dieser 15 Stunden bei 550°C geglüht. Anschließend vurd der Block mit einer Querschnittsverminderung von 95 % bei 530°C warm- und danach mit einer Quercchnittsvermi derung von 70 % kaltgewalzt.

Von dem erzeugten Band wurden Probestücke genommen und jeweils 2 Stunden bei 500 bzw. 600⁰C einer Rekristallisationsglühung unterworfen. An den Proben wurden folgende Festigkeitswerte gemessen

Glühung bei	500^c	>C	600	⁰C
Zugfestigkeit	164	N/mm²	158	p K/mm
0,2-Grenze	53	N/am²	50	N/mm²
Bruchdehnung A^_n	25	%	28	%

In beiden Fällen wurde also die geforderte Mindestzugfestigkeit von 150 N/mm im rekristallisierten Zustand erreicht. Darüber hinaus wurden beachtliche Bruchdehnungswerte und ein Verhältnis Zugfestigkeit/Streckgrenze von über 3: 1 erreicht, was insbesondere für die Verarbeitung des Materials durch Kaltfließpressen von Bedeutung ist.

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- ίο -

2. Aus einer Schmelze mit der Analyse

1,44 % Mangan
1,49 % Silizium
0,48 % Eisen

^0,2 % sonstige Bestandteile Rest Aluminium

wurde wie im Beispiel 1 ein Gußolock erzeugt und dieser ebenso warm- und kaltgewalzt. Die entnommenen Proben wurden jeweils 2 Stunden bei verschiedenen Temperaturen rekristallisierend geglüht. Die anschließend ermittelten Zugfestigkeits- und Streckgrenzwerte sind im Diagramm I dargestellt.

Man erkennt, daß ausgehend von einer Zugfestigkeit von p

knapp 250 N/mm im kaltverfestigten Material bei Raumtemperatur die Zugfestigkeitsv/erta bis zu einer Glühtemperatur von 30O⁰C steil auf etwa 120 N/mm abfallen, um bei höheren Glühtemperaturen v/ieder auf Vierte über 150 N/mm anzusteigen. Dieser Wert wird zwischen 450 und 500⁰C überschritten. Der VJiederanstieg der Zugfestigkeit im rekristallisieren Zustand bei Glühungen oberhalb 300⁰C ist völlig überraschend, weil - soweit ersichtlich bei den bekannten Aluminiumlegierungen bisher nur stetig weiter abfallende Zugfestigkeitswerten bei zunehmender Rekristallisationstemperatur beobachtet wurden und weil, insbesondere die Streckgrenze, keinen entsprechenden Anstieg zeigt.

3. Es wurde ferner die rekristallisationshemmende Wirkung einer modifizierten Vorbehandlung des Gußblocks der Zusammensetzung nach Beispiel 2 sowie bei einem Gußblock folgender Zusammensetzung

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	/H	6 Mangan
1,45 9	6 Silizium
1,40 9	ί Eisen
0,57 9	6 Zirkonium
0,14 9	6 sonstige Bestandteile
0,2 9

Rest Aluminium
untersucht. Es werden verglichen:

a) eine Probe, behandelt nach Beispiel 2 sowie zusätzlicher Kaltverformung um 17 % nach dem Rekri stalli sationsglühen,

b) eine Probe nach Glühung des Gußblocks 12 Stunden bei 470⁰C, im übrigen behandelt vie Proba a),

c) eine Probe gemäß vorstehend genannter Zusammensetzung, also mit 0,14 % Zirkonium, behandelt wie Probe b).

Alle drei Proben a) bis c) wurden nach der Kaltumformung um 17 % verschiedenen Kurzzeitglühungen unterworfen, wodurch ein Herstellungsvorgang simuliert wird, wie er etwa beim Einbrennen des Emails auf Küchengeschirr vorkommt.

Die Ergebnisse sind in Diagramm II dargestellt. Ausgehend

von Streckgrenzwerten (0,2-Grenze) um 185 N/mm für alle drei Proben, fällt die Probe a) nach den im Diagramm angegebenen Kurzzeitglühungen (entsprechend dem Emaileinbrennen) auf Streckgrenzwerte zwischen 80 und 63 N/mm² ab.

Demgegenüber weist die Probe b) nach dem ersten Glühver-

such noch einen Streckgrenzwert von 127 N/mm , nach dem

ρ ρ

zweiten von 81 N/mm und nach dein dritten von 77 N/mm auf.

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Die Probe c) verhält sich unter diesen Versuchsbedingungen noch günstiger, was jedoch wegen der bekannten rekristallisationshernmenden V/irkung des Zirkoniums weniger überraschend ist. Bedeutsamer ist die Erkenntnis, daß unter den genannten Bedingungen auch ohne Zirkoniumzusatz eine beachtliche Rekri stalli sationshemnung erreicht v/erden kann, die im ersten und dritten Glühversuch nur unwesentlich niedriger ist als die mit Zirkoniunzusatz erreichte.

Es wird vermutet, daß bei einer weiteren Verfeinerung der Vorbehandlung der erfindungsgenäßsn Legierung über den ganzen Bereich der möglichen Kurzzeitervärmungen (z.B. Emaileinbrennen oder Löten), ähnlich gute Vierte der Rekristallisationshemmung erreicht werden können, wie sie bisher nur mit Zusatz von Zirkonium cdi.r anderen Elementen möglich waren..Damit können die nachteiligen Wirkungen dieser Zusatzelemente bezüglich Emaillierung und Korrosion vermieden werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Aluminiumwerkstoff zur Verfügung gestellt, der nicht nur ausgezeichnete Zugfestigkeitswerte im rekristallisierten Zustand aufweist, sondern darüber hinaus auch die Möglichkeit bietet, ohne den Zusatz anderweitig schädlicher Elemente bei entsprechender Vorbehandlung ein gegenüber der Rekristallisation verhältnismäßig träges Gefüge einzustellen. Durch diese Eigenschaften werden der Legierung weite Anwendungsbereiche eröffnet.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung von lot- und emailIierbaren Halbzeugen aus einer Α1-Ι·ϊη-Legierung yit verbesserten Festigkeitseigenschaften, dadurch /rekennz ei chnet, daß ausgehend von einer Schmelze itilz

0,8 bis 2 ^c/o Mangan

0,6 bis 3 % Silizium

0,2 bis 1 # Eisen

O bis 0,2 50 Kupfer

O bis 0,2 Jo Kagnesiu.il

Rest Aluminium,

einschließlich insgesamt höchstens 0,2 Jo

nicht vermeidbare, herstöliunnsb'jdirigte

Verunreinigungen

in an sich bekannter YJeisa ein Straiiggußblock erzeugt, dieser Block bei 400 bis 620⁰G 2 bis 20 Stunden geglüht und anschließend v/arm und kalt bis ar. End a one ε sung des Halbzeugs umgeformt und daß schließlich dac Haltzeug bei mehr als 450⁰C einer Rekristallisationsglühung unterworfen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ρ:;-kennzeichnet, daß von einer Legierung ausgegangen wird, in der die Verunreinigung durch Zink, Blei, Chrom, Xickel, Zinn, Cadmium und Wismut jeweils unter 0,01 % liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Legierung ausgegangen wird, in der das Verhältnis von Silizium zu Eisen zwischen 1 : 1 bis 6:1, vorzugsweise zv/ischen 2 : 1 bis 4 : 1 liegt.

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4._ Verfahren nach einen der Ansprüche- 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Log!erung ausgegangen wird, in der die Si^rxie d^r GsJialcs an lVkmgan und Silizium mindestens 2 %, vorzugsweise 2,5 bis 3,5 ?o beträgt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ff;ekennζeichnet, daß die Glühung des Straiiggußblockes bei 500 bis 620⁰C erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die GK'ihur.j ä.03' S'üranj^uSblockes 4 bis 20 Stunden bei 400 bis 500⁰C erfolgt.

7. Verfahren zur Erzeugung von Halbzeugen oder Gegenständen mit einem rekristallisation?ti-agcn Gefüge nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühung des Stranggußblockes 4 bis 20 Stunden bei 400 bis 500⁰C erfolgt und daß nach dem Warm- und Kaltumformen im Anschluß an die Rckristallisationsglühung an dem Halbzeug selbst eine v/eitere Kaltumformung vorgenommen v:ird oder daß aus dem Halbzeug Gegenstände durch Kaltumformen gefertigt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß von einer Legierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis ausgegangen wird, die außerdem noch bis zu 0,5 % Zir konium enthält. '

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