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Dokumentenidentifikation DE69616218T2 18.04.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0761837
Titel Verfahren zur Herstellung von ALuminiumlegierungen mit superplastischen Eigenschaften
Anmelder Kaiser Aluminium & Chemical Corp., Houston, Tex., US
Erfinder Brown, Kevin R., Pleasanton, California 94566-7769, US
Vertreter Sobisch & Callies, 37581 Bad Gandersheim
DE-Aktenzeichen 69616218
Vertragsstaaten BE, DE, ES, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.08.1996
EP-Aktenzeichen 963062989
EP-Offenlegungsdatum 12.03.1997
EP date of grant 24.10.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 18.04.2002
IPC-Hauptklasse C22F 1/04
IPC-Nebenklasse C22F 1/047   C22F 1/053   C22K 3/00   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf superplastische Aluminiumlegierungen. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Herstellung von wärmebehandlungsfähigen und nicht wärmebehandlungsfähigen Aluminiumlegierungen mit superplastischen Eigenschaften.

Bei den meisten Blechumformverfahren beträgt die Plastizität eines Metalles im Allgemeinen weniger als 50%. Dieser Plastizitätsverlust begrenzt die aus dem Metallblech herzustellenden Objekte und erhöht die Anzahl an Formgebungsschritten die benötigt werden, um komplizierte Gestaltungen vorzunehmen. "Superplastizität" ist ein Phänomen, bei welchem ein Werkstoff unter besonderen Formgebungsbedingungen bis zu einem Ausmaß von 50% bis 1000% oder mehr seiner anfänglichen Größe gedehnt werden kann, und zwar ohne dass es zu einem Bruch oder einer Einschnürung kommt. Die besonderen Formgebungsbedingungen erfordern im Allgemeinen hohe Temperaturen und niedrige Umformgeschwindigkeiten. Ein Blech, welches verbesserte superplastische Eigenschaften aufweist, ermöglicht hingegen niedrigere Temperaturen und höhere Umformgeschwindigkeiten.

Um Superplastizität zu erreichen ist es notwendig, jedoch nicht immer ausreichend, dass sehr feine Korngrößen von beispielsweise 0,1 um oder weniger bis ungefähr 15 um vorliegen. Je feiner die Korngröße um so besser fallen im Allgemeinen die superplastischen Eigenschaften aus.

Seit Jahrzehnten haben auf diesem Sachgebiet tätige Arbeiter superplastische Formgebungsverfahren gewöhnlich bei Titan- und Aluminiumlegierungen angewandt. Sie entwickelten eine Anzahl von Verfahren um handelsübliches, aus Aluminiumlegierungen bestehendes feinkörniges superplastisches Blech herzustellen, wobei diese Verfahren jedoch im Allgemeinen besondere und teure Verfahrensschritte erforderten wie z. B. ein Querwalzen, separate, auf ein Lösungsglühen sowie ein Abschrecken gerichtete Arbeitsschritte und/oder sehr hohe, schwer erreichbare Kaltumformgrade. Viele dieser Verfahren erfordern individuelle Behandlungen der Bleche und Platten, die im Rahmen kommerzieller Massenproduktionen nicht zur Verfügung stehen.

Beispielsweise sind in den US-Patenten 4 486 242, 4 486 244 und 4 528 042 von Ward et al. Verfahren zum Gebrauch superplastischer Aluminiumbleche beschrieben, gemäß welchen diese Bleche bestimmten thermomechanischen Verfahren unterzogen und anschließend rekristallisiert werden. Insbesondere beginnen die Verfahren von Ward et al. mit einem Lösungsglühen um die normalerweise lösbaren Phasen aufzulösen, wobei anschließend ein Warmwalzen bei einer Temperatur zwischen 600ºF und 700ºF (316ºC und 371ºC) stattfindet, wobei sich ein Kaltwalzen anschließt. In diesen Druckschriften wird davor gewarnt, dass ein Warmwalzen oberhalb von 700ºF (371ºC) zur Herstellung eines Blechproduktes mit einer Korngröße von mehr als 20 um führen kann, welches durch unbefriedigende superplastische Eigenschaften gekennzeichnet ist. Darüber hinaus sind die Verfahren von Ward et al. im Allgemeinen auf wärmebehandlungsfähige Legierungen beschränkt.

Ähnliches gilt für das US-Patent 4 618 382 von Miyagi et al., welches auf wärmebehandlungsfähige Legierungen beschränkt ist und einen thermischen Zwischenschritt erfordert, der auf ein Erwärmen der Legierung bis auf eine Temperatur oberhalb der Wärmebehandlungstemperatur gerichtet ist.

In dem US-Patent 5 181 969 von Komatsubara et al. ist ein Verfahren zur Erzielung superplastischer Eigenschaften bei einer nicht wärmebehandlungsfähigen Legierung beschrieben, die im Wesentlichen aus 2 Gew.-% bis 8 Gew.-% Magnesium, 0,3 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Mangan, 0,0001 Gew.-% bis 0,01 Gew.-% Beryllium, weniger als 0,2 Gew.-% Eisen und weniger als 0,1 Gew.-% Silizium an Verunreinigungen umfasst, wobei der Rest aus Aluminium besteht. In diesem Patent wird die Erreichung superplastischer Eigenschaften bei dieser nicht wärmebehandlungsfähigen Legierung beansprucht, indem diese erwärmt, warmgewalzt und anschließend nach Maßgabe eines Umformgrades von wenigstens 30% kaltgewalzt wird.

Es besteht auf diese Weise ein Bedürfnis nach einem Verfahren zur Herstellung sowohl von wärmebehandlungsfähigen und nicht wärmebehandlungsfähigen Legierungen, die superplastische Eigenschaften aufweisen, ohne dass teure thermische oder mechanische Verfahrensschritte erforderlich sind und welches unabhängig von der speziellen chemischen Zusammensetzung der besonderen Legierung ist. Demzufolge besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein solches Verfahren bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit superplastischen Eigenschaften. Sie besteht aus den folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellung einer Aluminiumlegierung; Erwärmung der Legierung; Warmwalzen der Legierung bei einer Anfangstemperatur; Abkühlung der Legierung während des Warmwalzens auf eine Austrittstemperatur von 650ºF bis 70ºF (343ºC bis 21ºC), so dass die Verzerrungsenergie in der Legierung beibehalten und der Verlust dieser Energie durch Rekristallisation und Erholung behindert wird und Kaltwalzen auf ein Maß, dass einem Prozentsatz der Kaltverformung entspricht, der in die Zone (A B C D) in Fig. 2 fällt, welche definiert ist durch die die Punkte (475ºF, 246ºC; 10%), (650ºF, 343ºC; 99%), (70ºF, 21ºC; 99%) und (70ºF, 21ºC; 10%) miteinander verbindenden Geraden in einer grafischen Darstellung des Verhältnisses zwischen der Warmwalzaustrittstemperatur und dem Prozentsatz der Kaltverformung, so dass eine nicht wärmebehandlungsfähige Aluminiumlegierung hergestellt wird, die superplastische Eigenschaften aufweist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können superplastische Eigenschaften bei wärmebehandlungsfähigen Legierungen gemäß den folgenden Schritten hergestellt werden: Bereitstellung einer wärmebehandlungsfähigen Aluminiumlegierung, Erwärmung der Legierung, anfängliches Warmwalzen, Halten bei einer Temperatur und während einer Zeitdauer, die ausreichend ist, um Ausscheidungen intermetallischer Bestandteile mit einem Durchmesser von 0,5 um bis 10 um zu bilden; Warmwalzen der Legierung bei einer Anfangstemperatur; Abkühlen der Legierung während des Warmwalzens auf eine Austrittstemperatur von 650ºF bis 70ºF (343ºC bis 21 ºC), so dass die in der Legierung enthaltene Verzerrungsenergie zurückgehalten wird und ein Verlust dieser Energie durch Rekristallisation und Erholung behindert wird; und Kaltwalzen auf ein Maß, welches dem Prozentsatz der Kaltverformung entspricht, die in die oben definierte Zone fällt.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung entsprechen die Punkte A und B der genannten Zone jeweils den Punkten (350ºF, 177ºC; 10%) und (600ºF, 316ºC; 99%).

Die Korngrößen, auf welche hier Bezug genommen wird, sind diejenigen, die in der größten Kornerstreckung gemessen werden, welche der Blechwalzrichtung entspricht. Nachdem diese Körner somit in der Walzrichtung gedehnt sind, fallen die mitgeteilten Größen größer aus als die durchschnittliche Korngröße oder als Größen, die in anderen Richtungen gemessen worden sind.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf die beiliegende detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und Beispiele beschrieben werden, und zwar unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine grafische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 2 eine grafische Abbildung, welche die Warmwalzaustritts- oder Abschlusstemperatur als Funktion des prozentuellen Anteils an notwendiger Kaltverformung zeigt, um entsprechend einem erfindungsgemäßen Verfahren superplastische Eigenschaften herzustellen;

Fig. 3 eine grafische Darstellung eines bevorzugten Verfahrens zur Herstellung superplastischer Eigenschaften bei wärmebehandlungsfähigen Legierungen entsprechend der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine grafische Darstellung, welche die erzielten Korngrößen bei einem aus der Legierung AA 7475 bestehenden Blech unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt und

Fig. 5 eine grafische Darstellung, welche die erzielten Korngrößen bei einem aus der Legierung AA 5083 bestehenden Blech unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren bereitgestellt, mittels welchem bei herkömmlichen Aluminiumlegierungen superplastische Eigenschaften bereitgestellt werden, und zwar mittels eines Verfahrens, bei welchem herkömmliche Verfahrensausrüstungen und Verfahrensschritte benutzt werden können, so dass dementsprechend das Blech zu beträchtlich geringeren Kosten hergestellt werden kann. Allgemein gesagt, kann es sich bei den Legierungen der vorliegenden Erfindung entweder um wärmebehandelte oder um nicht wärmebehandelte Aluminiumlegierungen handeln.

Bevorzugtes Verfahren für nicht wärmebehandlungsfähige Legierungen

Bei einem dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden nicht wärmebehandlungsfähige Legierungen verwendet wie z. B. diejenigen der Aluminiumlegierungsserien 3000 und 5000 der Aluminum Association ("AA"). Beispielsweise ist die nicht wärmebehandlungsfähige Legierung AA 5083 und es besteht diese Legierung im Wesentlichen aus 4 Gew.-% bis 4,9 Gew.-% Magnesium, 0,4 Gew.-% bis 1 Gew.-% Mangan, nicht mehr als 0,25 Gew.-% Chrom, nicht mehr als 0,4 Gew.-% Eisen und nicht mehr als 0,4 Gew.-% Silizium, wobei der Rest aus Aluminium besteht. Die Legierung wird erwärmt, warmgewalzt und anschließend kaltgewalzt, um eine Legierung zu erhalten, die superplastische Eigenschaften aufweist. Es ist festgestellt worden, dass es zwischen der Warmwalzaustrittstemperatur und dem prozentuellen Anteil an notwendiger Kaltverformung eine wichtige Beziehung gibt, um die gewünschten superplastischen Eigenschaften zu erzielen.

In Fig. 1 sind die allgemeinen Zeit-Temperatur-Zyklen gezeigt, die notwendig für die Durchführung der Erfindung sind. Die Verfahrensfolge umfasst ein Erwärmen, ein wahlweises Kühlen und Wiedererwärmen, ein Warmwalzen und ein Kaltwalzen. Wahlweise wird ein anschließendes Anlassen benutzt, um eine vollständige Rekristallisation des Bleches zu einer feinkörnigen Mikrostruktur zu erreichen. Die richtige Kombination dieser Schritte, insbesondere der Anteil an Kaltverformung in Abhängigkeit von der Warmwalzaustrittstemperatur führt zu einer feinkörnigen Mikrostruktur, die geeignet ist, ein superplastisches Verhalten bei hohen Temperaturen zu zeigen. Diese, in Fig. 1 gezeigten Verfahrensschritte werden im Folgenden detaillierter beschrieben werden.

Erwärmen

Zu Beginn wird ein Ausgangsmaterial in der Form eines diskreten Gussstückes oder eines kontinuierlichen Stranggusses aufgenommen und auf eine Temperatur von 750ºF bis 1100ºF (399ºC bis 593ºC) erwärmt, und zwar während einer Zeitspanne von ungefähr 1 Stunde bis 24 Stunden. Vorzugsweise werden die Temperaturbereiche und Zeitspannen benutzt, die üblicherweise bei der Herstellung herkömmlichen Bleches aus den jeweiligen nicht wärmebehandlungsfähigen Legierungen benutzt werden. Dieses Verfahren ist im Handel als "Homogenisieren" oder "Vorwärmen" bekannt. Beispielsweise wird im Falle einer AA 5038-Legierung der Strangguss bei Temperaturen von 850ºF bis 1050 ºF (454ºC bis 566ºC) während Zeitspannen von vier Stunden bis 24 Stunden behandelt.

Wahlweises Kühlen

Im Anschluss an das Erwärmen wird das Gussstück wahlweise bis zu der Walztemperatur gekühlt, welche zwischen ungefähr 700ºF und 950ºF (371ºC und 510ºC) liegt und zwar entweder in einem Ofen oder durch Abkühlung in ruhiger oder bewegter Luft. Alternativ wird das Gussstück bis auf Raumtemperatur abgekühlt und anschließend bis zu der Warmwalztemperatur wiedererwärmt. Im Allgemeinen wird das Gussstück mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen ungefähr 20ºF pro Stunde und 100ºF pro Stunde (11ºC pro Stunde und 56ºC pro Stunde) gekühlt.

Warmwalzen

Im Allgemeinen wird das Warmwalzen bei Anfangstemperaturen von 700ºF bis 1000ºF (371ºC bis 538ºC) durchgeführt. Das Walzen von härtbaren Legierungen wie z. B. 5083, bei denen während des Haltens bei diesen Temperaturen keine beträchtlichen Mengen an Ausscheidungen gebildet werden, wird nicht durch einen Überalterungsschritt unterbrochen, so wie dies bei wärmebehandlungsfähigen Legierungen bevorzugt wird, wie unten noch dargestellt werden wird.

Das Metall wird anschließend kontinuierlich bis auf das gewünschte Maß warmgewalzt, und zwar derart, dass das Metall rasch abgekühlt wird, insbesondere während der späteren Stufen des Warmwalzens und bevor das Metall aufgewickelt oder gestapelt wird. Bei diesem Teil des Verfahrens, welcher als ein bedeutender Teil angesehen wird, werden gleichzeitig die Ausscheidungen und/oder verminderte Temperaturen des Warmwalzens benutzt, um so viel wie möglich an Verzerrungsenergie in dem Metall zurückzuhalten und den Verlust dieser Energie infolge einer Rekristallisation und einer Erholung zu behindern. Dies ist besonders wichtig, sobald das Metall aufgewickelt wird, üblicherweise nach Maßgabe von Dicken zwischen 0,5 Zoll und 0,05 Zoll (12,7 mm und 1,27 mm), da große Rollen viel langsamer abkühlen als ein nicht aufgewickelter Streifen. Eine Abschlusstemperatur oder eine Aufwickeltemperatur von weniger als 500ºF (260ºC) und vorzugsweise von weniger als 450ºF (232ºC) werden allgemein gefordert.

Kaltwalzen

Man lässt die warmgewalzte Rolle anschließend auf natürlichem Wege abkühlen und es wird diese anschließend bis auf ihr Fertigmaß kaltgewalzt. Im Allgemeinen kann das warmgewalzte Blech von 0% bis 99% kaltgewalzt werden, und zwar entweder als Rolle oder als einzelne Bleche oder Platten, jeweils auf das gewünschte Maß.

Überraschenderweise ist festgestellt worden, dass der Anteil an Kaltwalzen, der zur Bereitstellung superplastischer Eigenschaften in dem Fertigprodukt erforderlich ist, eine Funktion der Warmwalzaustritt- oder Wickeltemperatur sein kann oder zumindest von dieser stark abhängig sein kann. Es ist erkannt worden, das superplastische Eigenschaften lediglich durch Kaltwalzen bis auf ein Maß erreicht werden können, welches dem prozentuellen Anteil an Kaltverformung entspricht, der in die Zone fällt, die durch die die Punkte A, B, C und D verbindenden Geraden definiert ist, wie in Fig. 2 gezeigt (475ºF, 246ºC; 10%), (650ºF, 343ºC; 99%), (70ºF, 21ºC; 99%) und (70ºF, 21ºC; 10%). Zusätzlich ist festgestellt worden, dass optimale superplastische Eigenschaften erreicht werden, sobald der Gehalt an Kaltverformung in die Zone fällt, die durch die die Punkt A', B', C und D verbindenden Geraden fällt. Die Punkte A' und B' entsprechen jeweils den Punkten A, B außer dass die Temperaturwerte jeweils ungefähr 325ºF (163ºC) und 550ºF (288ºC) betragen. Bei den meisten herkömmlichen Warmwalzverfahren wird jedoch ein Anteil von 50% und mehr an Kaltwalzen gefordert, um eine vergütete Korngröße unter 10 um bis 15 um zu erzielen und gute superplastische Eigenschaften zu entwickeln.

Ein grundsätzlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Beziehung zwischen der Warmwalzaustrittstemperatur und dem Anteil an Kaltverformung entdeckt worden ist, wobei der Anteil an Kaltverformung, der notwendig für die Erzielung der gewünschten superplastischen Eigenschaften angesehen wird, im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren beträchtlich vermindert werden kann. Unerwarteterweise ist festgestellt worden, dass die Beziehung zwischen dem Anteil an notwendiger Kaltverformung und der Warmwalzaustrittstemperatur bei wärmebehandlungsfähigen und nicht wärmebehandlungsfähigen Legierungen ähnlich ist.

Abschließendes Anlassen

Sollte es erwünscht sein, ein vergütetes oder ein durch Ausscheidungshärtung behandeltes Produkt zu erhalten, und zwar nach Maßgabe einer "U" oder "T4" Härte ist es notwendig, die Rolle, das Blech oder die Platte erneut zu erwärmen. Nachdem die endgültige Korngröße und demzufolge die superplastischen Eigenschaften von der Erwärmungsgeschwindigkeit auf die Vergütungs- oder Ausscheidungstemperatur abhängen, ist es von Vorteil, die Erwärmung so rasch wie möglich durchzuführen. Bei der Anwendung der oben zitierten Lehre sind die in einem mit Zwangsführung versehenen Luftofen einer kontinuierlichen Vergütungslinie erzielbaren Erwärmungsgeschwindigkeiten angemessen. Eine schnellere Erwärmung hingegen, wie sie in einem Salzbad erreichbar ist, wird das Produkt weiter verbessern.

Ein Erfordernis zur Erzielung einer feinen Korngröße besteht darin, dass das Vergüten der Rolle an einem unaufgewickelten Streifen ausgeführt wird, so dass eine ausreichend schnelle Erwärmung bis zu der Vergütungstemperatur erreicht wird. Aufgrund der oben genannten, vorab durchzuführenden Verfahrensschritte ist eine Erwärmung des Bleches oder des unaufgewickelten Streifens über eine Zwangsführung von Luft ausreichend, um Korngrößen von weniger als 10 um bis 15 um herzustellen. Feinere Korngrößen von 8 um bis 10 um können entsprechend durch Benutzung eines Salzbades oder anderer, durch eine hohe Erwärmungsgeschwindigkeit gekennzeichneter Vergütungsverfahren erreicht werden.

Die Benutzung einer Luftheizung erlaubt die Verwendung herkömmlicher, zur Wärmebehandlung von Aluminiumblech bestimmter Einrichtungen und ermöglicht die Herstellung von breiten, kontinuierlich vergüteten oder wärmebehandelten Rollen. Das Anlassen kann ebenso während der Erwärmung auf die erhöhte Formgebungstemperatur in einem, zur superplastischen Formgebung benutzten Ofen durchgeführt werden. In diesem Fall, bei einer "F" Härte kann das noch nicht vergütete Produkt durch den Hersteller bereitgestellt werden, wobei die Korngröße und der Grad an Superplastizität von der Erwärmungsgeschwindigkeit in dem Formgebungsofen abhängig sind. Im Allgemeinen wird die sich ergebende Korngröße derjenigen eines gemäß solcher Verfahren hergestellten Produktes überlegen sein, die dem Stand der Technik zuzuordnen sind und bei denen ähnliche Grade an Kaltverformung benutzt worden sind.

Bevorzugtes Verfahren für wärmebehandlungsfähige Legierungen

Gemäß einer alternativen Ausführungsform der Erfindung können superplastische Eigenschaften bei wärmebehandlungsfähigen Legierungen wie den Legierungsserien AA 2000 und 7000 eingestellt werden. Dieses Ausführungsbeispiel wird dargestellt, wobei eine AA 7475-Legierung benutzt wird, die im Wesentlichen aus 5,2 Gew.-% bis 6,2 Gew.-% Zink, 1,9 Gew.-% bis 2,6 Gew.-% Magnesium, 1,2 Gew.-% bis 1,9 Gew.-% Kupfer und 0,18 Gew.-% bis 0,28 Gew.-% Chrom besteht. Eine bevorzugte AA 200-Zusammensetzung ist in Anspruch 11 dargestellt.

Die bevorzugte Verfahrensfolge für wärmebehandlungsfähige Legierungen umfasst ein Erwärmen, ein anfängliches Warmwalzen, ein Überaltern, ein sekundäres Warmwalzen, ein Kaltwalzen und ein wahlweises Anlassen. Wie bei den nicht wärmebehandlungsfähigen Legierungen wird die wärmebehandlungsfähige Legierung zunächst erwärmt und anschließend warmgewalzt. Aber anschließend folgt eine Haltezeitspanne, an die sich ein zweiter Warmwalzschritt anschließt, und zwar vor einem Kaltwalzen. Diese Verfahrensschritte sind in Fig. 3 dargestellt und werden im Folgenden detaillierter beschrieben werden.

Anfängliches Warmwalzen

Nach dem Erwärmen wird das Gussstück direkt auf die Walztemperatur oder auf die Raumtemperatur abgekühlt und anschließend erneut bis zu der Walztemperatur erwärmt, falls dies gewünscht wird. Vorzugsweise wird eine Walztemperatur genommen, die üblicherweise für zu walzende Legierungen benutzt wird und diese liegt gewöhnlicherweise in dem Bereich von 700ºF bis 1000ºF (371ºC bis 538ºC). Die Legierung wird gewöhnlicherweise bis zu einer gewöhnlichen Dicke gewalzt, üblicherweise in dem Bereich von 2 Zoll bis 9 Zoll (51 mm bis 229 mm).

Überalterung

Im Fall von wärmebehandlungsfähigen Legierungen wird das Warmwalzen auf dieser Stufe unterbrochen und der metallische Rohling wird entweder auf Raumtemperatur gekühlt und anschließend wiedererwärmt oder direkt in einen Ofen unter Temperaturen zwischen 600ºF bis 850ºF (316ºC bis 454ºC) eingesetzt, und zwar während einer Zeitspanne von 1 Stunde bis 24 Stunden oder bei einer Temperatur von 650ºF bis 850ºF (343ºC bis 454ºC) während einer Zeitspanne von wenigstens zwei Stunden. Bei den Legierungen AA 7475, 7075, 2024 und 2124 hängt die Zeitspanne, während welcher das Metall gehalten wird, von der speziellen wärmebehandlungsfähigen, zu walzenden Legierung ab. Das Ziel besteht jedoch darin, eine Ausscheidung intermetallischer Bestandteile zu bewirken, die eine Dispersion von Partikeln mit einer Korngröße von 0,5 um bis 10 um bewirken. Diese Ausfällprodukte wirken als Rekristallisationskeime für neue Körner in späteren Stadien des Verfahrens und verbessern die Ausbildung feiner Körner.

Um beispielsweise superplastische Eigenschaften bei einer Legierung AA 7475 einzustellen wird eine Temperatur von ungefähr 750ºF (399ºC) angewandt, und zwar während einer Zeitspanne von ungefähr 1 Stunde bis 14 Stunden, üblicherweise ungefähr während 8 Stunden. Dieser Verfahrensschritt erlaubt die Ausbildung von Ausfällprodukten aus intermetallischen Bestandteilen, die in dem Aluminium bei höheren Temperaturen lösbar sind, um Körner zu bilden und diese auf Größen von 0,5 um wachsen zu lassen. Diese Ausfällprodukte unterstützen die Ausbildung einer feinen Korngröße indem sie während der statischen Rekristallisation, die während der Schlussphase der Vergütung des kaltgewalzten Bleches auftritt, als Keime wirken.

Im Gegensatz hierzu werden nicht wärmebehandelte Legierungen diesem Erwärmungsschritt nicht unterzogen und es wird das Warmwalzen fortgeführt. Bei diesen Legierungen ist es notwendig, sich auf andere Ausfällprodukte zu verlassen, die während der Erstarrung des Gusses während des Gießverfahrens gebildet worden sind oder bei höheren Temperaturen während des Homogenisierens, um die Korngröße zu kontrollieren.

Zweites Warmwalzen

Bei wärmebehandlungsfähigen Legierungen schließt sich an das Überaltern eine zweite Stufe eines Warmwalzens an. Bei dieser Stufe wird ein Walzen unter Verwendung herkömmlicher intermittierend oder kontinuierlich arbeitender Walzanlagen bevorzugt - es können jedoch auch sonstige Walzverfahren benutzt werden. Das Metall wird rasch abgekühlt während es die Walzanlage durchläuft und es verlässt die Walzanlage bei einer Temperatur, die wie in Fig. 2 dargelegt, ausgewählt ist. Dies ist ein bedeutender Teil der Erfindung. Die gewünschte Austrittstemperatur kann durch eine vernünftige Auswahl der Walzgeschwindigkeit, der Eintrittstemperatur, der Fließgeschwindigkeit eines Walzenschmier- oder -kühlmittels und durch Anpassung der Walzstiche bei jedem Durchgang durch die Walzen erreicht werden. Diese Kontrollverfahren sind dem Fachmann auf dem Gebiet des Warmwalzens allgemein bekannt.

Falls die Austrittstemperatur unterhalb der Linie A-B in Fig. 2 gehalten wird, werden Korngrößen von weniger als 15 um erreicht und es sind gute superplastische Eigenschaften für einen besonderen Grad eines anschließenden Kaltwalzens möglich. Die in dem Beispiel gemäß Fig. 2 gezeigte Linie A-B zeigt die Kühlbedingungen an, die bei einer großen Aluminiumblechrolle beobachtet worden sind, und zwar nach einem Kühlen ausgehend von der Austrittstemperatur bzw. der Wickeltemperatur bis auf Raumtemperatur. Die exakte Lage dieser Linie hängt zu einem gewissen Grad von der aktuellen Abkühlgeschwindigkeit ab und fällt natürlich unterschiedlich aus für Bleche oder Platten, die individuell gewalzt worden sind und nicht aufgewickelt oder gestapelt sind. Sie wird in diesem Fall gleichermaßen von der Produktdicke abhängig sein. Die Linie kann ebenfalls für niedrigere gewünschte Korngrößen gezeichnet werden und bessere superplastische Eigenschaften und in diesem Fall auf einem Niveau unterhalb der Linie A-B oder Linie A'-B' verlaufen.

Im Gegensatz hierzu wird die zweite Walzstufe bei nicht wärmebehandelten Legierungen mit der anfänglichen Stufe für ein einzelnes Warmwalzen zusammengefasst oder es kann sich ein Kühlen und erneutes Erwärmen an die Walztemperatur der zweiten Stufe anschließen.

Kaltwalzen

Im Anschluss an das Kühlen des warmgewalzten Materials kann das Blech kalt- oder warmgewalzt werden, und zwar nach Maßgabe eines Grades von 0 % bis 99%, und zwar entweder als Rolle oder als einzelne Bleche oder Platten auf das gewünschte Maß. Optimale superplastische Eigenschaften werden erreicht, sobald der Walzgrad der in Fig. 2 gezeigten Abhängigkeit von der Austrittstemperatur folgt.

Bei den nicht wärmebehandlungsfähigen Legierungen ist unerwarteterweise entdeckt worden, dass der Anteil eines Kaltwalzens, welcher erforderlich ist um in dem Endprodukt superplastische Eigenschaften einzustellen, eine Funktion der Warmwalzaustritts- oder Wickeltemperatur sein kann oder zumindest in einer starken Abhängigkeit von dieser steht. Es ist erkannt worden, dass superplastische Eigenschaften nur durch Kaltwalzen auf ein Maß erreicht werden können, welches einem prozentuellen Anteil eines Kaltverformens entspricht, welches in die Zone fällt, die durch die die Punkte A B C D verbindenden Geraden umgrenzt ist, wie in Fig. 2 gezeigt. Zusätzlich ist festgestellt worden, dass optimale superplastische Eigenschaften erreicht werden können, sobald der Anteil an Kaltverformung in eine Zone fällt, die durch die die Punkte A', B', C und D verbindenden Geraden definiert ist. Wie bei den nicht wärmebehandlungsfähigen Legierungen wird wiederum bei den meisten herkömmlichen Warmwalzverfahren jedoch ein Kaltwalzen von ungefähr 50% oder mehr gefordert, um eine vergütete Korngröße unterhalb von 10 um bis 15 um zu erreichen und um gute superplastische Eigenschaften zu entwickeln. Ein grundsätzlicher Vorteil des Verfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass die Beziehung zwischen der Warmwalzaustrittstemperatur und dem Anteil an Kaltverformung festgestellt worden ist, wobei der Anteil an Kaltverformung der notwendig ist, um die gewünschten superplastischen Eigenschaften zu erreichen im Vergleich mit herkömmlichen Verfahren beträchtlich vermindert werden kann.

Abschließendes Vergüten

Wie bei den nicht wärmebehandelten Legierungen kann ein Anlassschritt wahlweise benutzt werden, um eine "O" oder "T" Härte bei wärmebehandlungsfähigen Legierungen zu erreichen. Ein Kühlen, ausgehend von der Anlasstemperatur kann rasch erfolgen, beispielsweise über eine Abschreckung mittels Wasser, um ein ausscheidungsgehärtetes, durch eine "T" Härte gekennzeichnetes Produkt bei Legierungen 7·75 oder 2·24 zu erreichen oder es kann die Kühlung langsam erfolgen, um ein durch eine "O" Härte gekennzeichnetes Produkt zu erreichen

Beispiel 1

Um das Wesen der vorliegenden Erfindung bei der Herstellung superplastischer Eigenschaften bei wärmebehandlungsfähigen Legierungen zu demonstrieren wurden drei Gussstücke aus einer AA 7475 Legierung benutzt, die eine Dicke von ungefähr 16 Zoll (0,4 m) aufwiesen, die während einer Zeitspanne von 24 Stunden bei 965ºF (518ºC) homogenisiert wurden und anschließend bis auf Raumtemperatur abgekühlt wurden. Sie wurden anschließend zwecks Entfernung unerwünschter Oberflächenstrukturen bearbeitet (Gusshaut) und erneut zum Walzen bei 800ºF (427ºC) erwärmt. Anschließend wurden sie mittels eines Reversierwalzwerks warmgewalzt, und zwar in dem Temperaturbereich von 800ºF bis 700ºF (427ºC bis 371ºC) zu einem Rohling mit einer Dicke von 6 Zoll (152 mm). Anschließend fand bei diesem Maß auf natürlichem Wege eine Abkühlung bis auf Raumtemperatur ab, und zwar unter Zugrundelegung einer Abkühlgeschwindigkeit von ungefähr 100ºF pro Stunde (56ºC pro Stunde). Anschließend wurde der Rohling auf 760ºF (404ºC) erwärmt und bei dieser Temperatur während 8 Stunden gehalten, danach zu dem Warmwalzwerk zurücktransportiert, wobei er in einem Reversierwalzwerk gewalzt wurde und in einem fünf Walzgerüste aufweisenden kontinuierlichen Walzwerk bis auf ein Maß von 0,25 Zoll (6,35 mm) gewalzt und anschließend aufgewickelt wurde. Indem die Abkühlung während der Folge der Walzschritte unter Benutzung von Techniken, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Walztechnik bekannt sind, eingestellt wurde, beispielsweise durch den Volumenstrom an Schmiermitteln, die Walzgeschwindigkeit usw. war es möglich, die Warmwalzaustrittstemperatur zu regeln, welche in diesem Fall ebenfalls der Aufwickeltemperatur entsprach, so dass jeder aufgewickelte und gewalzte Rohling bei unterschiedlichen Temperaturen, insbesondere 580ºF (304ºC), 500ºF (260ºC) und 420ºF (216ºC) aufgewickelt wurde.

Nach erfolgtem Abkühlen der Rollen in Luft bis auf Raumtemperatur bei einer Abkühlgeschwindigkeit von 10ºF pro Stunde bis 30ºF pro Stunde (5,6ºC pro Stunde bis 17ºC pro Stunde) wurden Abschnitte in den gleichen Walzrichtungen kalt bis auf unterschiedliche Maße gewalzt. Die kaltgewalzten Bleche wurden anschließend in einem Salzbad oder in bewegter Luft während 10 Minuten rasch aufgeheizt, um eine Rekristallisation zu bewirken und um wie in Fig. 4 gezeigt, feine Korngrößen zu erreichen. Die Bleche wurden anschließend ausgehend von der Vergütungstemperatur mit Wasser abgeschreckt.

Beispiel 2

Um die Anwendung der vorliegenden Erfindung zur Herstellung superplastischer Eigenschaften bei nicht wärmebehandlungsfähigen Legierungen zu demonstrieren, wurden zwei bearbeitete, aus der Legierung AA 5083 bestehende Gussstücke mit einer Dicke von ungefähr 16 Zoll (0,4 m) während 20 Stunden homogenisiert und zwar bei Temperaturen von 925ºF bis 975ºF (496ºC bis 524ºC), anschließend zu einem Streifen warmgewalzt, und zwar unter Zugrundelegung einer kontinuierlich abnehmenden Temperatur nach Maßgabe eines Temperaturbereichs von 640ºF (338ºC) und 500ºF (260ºC), wobei die gleichen Techniken zur Regelung der Temperatur wie unter Beispiel 1 benutzt worden sind.

Nach Austritt aus dem Walzwerk wurden die Streifen sofort aufgewickelt und unter natürlichen Bedingungen bis auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Rolle wurde anschließend nach Maßgabe unterschiedlicher Grade kaltgewalzt, und zwar bis zu 84% wie in Fig. 5 gezeigt. Diese Abschnitte wurden anschließend rasch erwärmt, und zwar über eine Vergütungsbehandlung in einem Salzbad oder durch zirkulierende Luft um sie zu rekristallisieren, wobei anschließend die Korngröße, wie in Fig. 5 gezeigt, gemessen wurde. Superplastische Dehnungen unter Verwendung von Dehnmessstreifen zur Messung von Längs- und Querdehnungen bei einer Dehnungsgeschwindigkeit von 2·10&sup4; und bei einer Temperatur von 1022ºF (550ºC) wurden bestimmt.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit superplastischen Eigenschaften, das folgende Schritte aufweist:

(a) Eine Aluminiumlegierung wird bereitgestellt;

(b) die Legierung wird erwärmt;

(c) die Legierung wird bei einer Anfangstemperatur warmgewalzt;

(d) während des Warmwalzens wird die Legierung auf eine Austrittstemperatur von 650ºF bis 70ºF (343ºC bis 21ºC) gekühlt, so dass Formänderungsarbeit in der Legierung beibehalten und der Verlust dieser Formänderungsarbeit durch Rekristallisation und Erholung behindert wird; und

(e) Kaltwalzen auf ein Maß, das einem Prozentsatz der Kaltverformung entspricht, der in die Zone (A B C D in Fig. 2) fällt, welche definiert ist durch die die Punkte (475ºF, 246ºC; 10%), (650ºF, 343ºC; 99%), (70ºF, 21ºC; 99%) und (70ºF, 21ºC; 10%) miteinander verbindenden Geraden in einer grafischen Darstellung des Verhältnisses zwischen der Warmwalzaustrittstemperatur und dem Prozentsatz der Kaltverformung, wodurch eine Aluminiumlegierung hergestellt wird, die dazu fähig ist, superplastische Eigenschaften zu besitzen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem im Schritt (e) die Legierung auf ein Maß kaltgewalzt wird, das einem Prozentsatz der Kaltverformung entspricht, der in die Zone fällt, welche definiert ist durch die die Punkte (350ºF; 177ºC; 10%), (600ºF, 316ºC; 99%), (70ºF, 21ºC; 99%) und (70ºF, 21ºC; 10%) miteinander verbindenden Geraden in einer grafischen Darstellung des Verhältnisses zwischen der Warmwalzaustrittstemperatur und dem Prozentsatz der Kaltverformung.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Erwärmung in Schritt (b) das Homogenisieren der Legierung bei einer Temperatur von 750 bis 1100ºF (399 bis 593ºC) während 1 bis 24 Stunden umfasst.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Legierung im Schritt (c) bei einer Anfangstemperatur von 700 bis 1000ºF (371 bis 538ºC) warmgewalzt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem außerdem die kaltgewalzte Legierung angelassen wird, wodurch eine Aluminiumlegierung mit superplastischen Eigenschaften hergestellt wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Aluminiumlegierung aus den Legierungsgruppen AA 3000 und AA 5000 ausgewählt wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei dem die Legierung im Wesentlichen besteht aus 4,0 bis 4,9 Gew.-% Magnesium; 0,4 bis 1,0 Gew.-% Mangan; nicht mehr als 0,25 Gew.-% Chrom; nicht mehr als 0,4 Gew.-% Eisen; nicht mehr als 0,4 Gew.-% Silizium; Rest Aluminium.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das außerdem zwischen den Schritten (b) und (c) folgende Schritte aufweist:

(i) Die Legierung wird anfänglich warmgewalzt; und

(ii) auf einer Temperatur während einer Zeitdauer gehalten, die ausreichen, um Präzipitate intermetallischer Bestandteile mit einem Durchmesser von 0,5 bis 10 um zu schaffen;

wobei die Legierung wärmebehandelbar ist.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die wärmebehandelbare Aluminiumlegierung aus den Legierungsgruppen AA 2000 und AA 7000 ausgewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die wärmebehandelbare Legierung im Wesentlichen besteht aus 5,2 bis 6,2 Gew.-% Zink, 1,9 bis 2,6 Gew.-% Magnesium, 1,2 bis 1,9 Gew.-% Kupfer und 0,18 bis 0,28 Gew.-% Chrom.

11. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die wärmebehandelbare Aluminiumlegierung im Wesentlichen besteht aus nicht mehr als 6 Gew.-% Kupfer, nicht mehr als 2 Gew.-% Magnesium, Rest im Wesentlichen Aluminium und Verunreinigungen.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11, bei dem die ursprünglich warmgewalzte Legierung während wenigstens 2 Stunden auf einer Temperatur von 650 bis 850ºF (343 bis 454ºC) gehalten wird.







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