Vormaterial aus einer superplastischen AlZnMg-Legierung

Beschreibung

[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Vormaterials aus einer superplastischen AlZnMg-Legierung und die Verwendung des superplastischen Vormaterials.

[0002] Superplastisch umformbare Werkstoffe, insbesondere auch Aluminiumlegierungen, sind seit langem bekannt. Wesentlichste Voraussetzung für eine superplastische Umformung ist die Feinkörnigkeit der umzuformenden Legierung. Bei Aluminiumblechen beispielsweise, welche superplastisch umgeformt werden sollen, liegt die Korngrösse in der Praxis bei höchstens 25 µm, bevorzugt unter 10 µm. Weiter sollen die Körner nahezu globulitisch vorliegen. Schliesslich darf sich während einer superplastischen Umformung, welche in der Regel bei etwa 500°C Metalltemperatur durchgeführt wird, auch keine wesentliche Vergröberung der regelmässig verteilten Körner oder Subkörner einstellen.

[0003] Die plastische Dehnung einer superplastischen Aluminiumlegierung liegt bei ihrer optimalen Umformtemperatur meist im Bereich von 400 bis 800%, also weit über den Werten üblicher Legierungen. Dies erlaubt bei wirtschaftlicher Fertigung aus einem Stück vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten in bezug auf Funktion und Design. Die vielfältigen Formen sind mit hoher Massgenauigkeit reproduzierbar, es tritt kein "Spring-back" ein. Besonders vorteilhaft wirken sich die einsetzbaren einfachen Werkzeuge aus, welche kostengünstig auch kleine und mittlere Fabrikationsserien erlauben und in kurzen Lieferzeiten herstellbar sind. Formänderungen können rasch zu tragbaren Kosten durchgeführt werden.

[0004] Es sind zahlreiche binäre und ternäre Aluminiumlegierungen mit superplastischen Eigenschaften beschrieben worden, beispielsweise in der EP,A1 0297035, in Scripta Metallurgica, Vol. 20, Seiten 1721 bis 1726, 1986, Materials Science Forum, Vol. 13/14 (1987), Seiten 421 bis 428 und Metallurgical Transactons A, Vol. 17A, Juni 1986, Seiten 1035 bis 1041.

[0005] Bei den für eine superplastische Umformung geeigneten Aluminiumlegierungen ist im allgemeinen eine aufwendige thermomechanische Vorbehandlung erforderlich. Insbesondere ist keine AlZnMg-Legierung bekannt, welche konventionell hergestellt wird und in warmgewalztem oder gepresstem Zustand superplastische Eigenschaften hat.

[0006] Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das zur Herstellung kompliziert geformter Teile mittels superplastischer Umformung auf einfache und wirtschaftliche Weise erlaubt. Weiter bezieht sich die Erfindung auf eine Anwendung des Verfahrens.

[0007] In bezug auf das Verfahren wird die Aufgabe erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass eine Legierung mit 6 bis 10% Zink, 2 bis 4% Magnesium, 0 bis 3% Kupfer, 0 bis 0,3% Eisen, 0 bis 0,3% Zirkon, 0 bis 0,3% Chrom, 0 bis 0,3% Mangan, 0 bis 0,2% Silizium und 0 bis 0,2% Titan, Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit, nach dem Stranggiessen durch Erwärmen und Halten homogenisiert und zu einem superplastischen Vormaterial grossen Querschnitts verformt wird. Spezielle Ausführungsformen und Weiterausbildungen der Erfindung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.

[0008] Unter einem Vormaterial grossen Querschnitts wird beispielsweise ein 1 bis 30 mm, insbesondere 4 bis 10 mm dickes Walzband, ein stranggepresstes Hohlprofil einer Wandstärke von 4 bis 10 mm und/oder ein stranggepresstes, rundes Voll- oder Rohrprofil eines Durchmessers von 10 bis 100 mm, insbesondere 30 bis 50 mm, verstanden. Diese superplastischen Vormaterialien lassen sich unmittelbar anschliessend an die Herstellung oder nach einer Lagerung, also zu einem beliebigen Zeitpunkt, zu einem Endprodukt weiter verarbeiten, sei es durch Walzen, Pressen, Tiefziehen, Schmieden oder ein weiteres an sich bekanntes Bearbeitungsverfahren.

[0009] Als AlZnMg-Legierung wird vorzugsweise eine Legierung mit 6,5 bis 7% Zink, 2,5 bis 3% Magnesium und 1,5 bis 3% Kupfer, Rest oben angegebene fakultative Elemente und Aluminium handelsüblicher Reinheit, eingesetzt. Hier und im übrigen beziehen sich die Prozentangaben stets auf Gewichtsprozente.

[0010] Die Legierung kann durch stufenweises Erwärmen und Halten homogenisiert werden. Nach dem Homogenisieren wird die Legierung zweckmässig abgekühlt.

[0011] Weiter hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Legierung vor dem Warmwalzen oder Pressen zu heterogenisieren, insbesondere bei etwa 400°C.

[0012] Die superplastische Verformung nach dem Warmwalzen oder Pressen kann auch ohne Lösungsglühung erfolgen.

[0013] Eine zu Warmwalzbarren vergossene AlZnMg-Legierung wird vorzugsweise in einer ersten Homogenisierungsstufe während 4 bis 12 Stunden auf 440 bis 480°C Metalltemperatur erwärmt und während wenigstens etwa 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. In einer zweiten Homogenisierungsstufe wird die Legierung während 1 bis 6 Stunden auf 475 bis 495°C erwärmt und bis etwa 6 Stunden auf dieser zweiten Temperatur gehalten.

[0014] Nach dem Abkühlen, nach kurzer oder längerer Zeit, kann die Legierung zum Warmwalzen während bis etwa 6 Stunden auf 350 bis 450°C erwärmt und dann warm abgewalzt werden. Das als Warmwalzband ausgebildete Vormaterial wird bei einer Temperatur bis etwa 400°C aufgehaspelt oder abgelängt.

[0015] Nach einer besonders günstigen Ausführungsform wird die Legierung am Ende der ersten Homogenisierungsstufe auf etwa 465 bis 475°C erwärmt, am Ende der zweiten Homogenisierungsstufe auf etwa 485 bis 495°C. Zum Warmwalzen wird die Legierung, unmittelbar darauf oder nach einem Lagern des Barrens, auf eine Temperatur von etwa 400 bis 420°C erwärmt. Das Warmwalzen erfolgt an eine Banddicke von wenigen Millimetern. Das als Vormaterial verwendbare Band weist superplastische Eigenschaften auf.

[0016] Nach einem weiteren bevorzugten Verfahren wird eine zu Pressbolzen vergossene AlZnMg-Legierung wie oben beschrieben in zwei Stufen homogenisiert. Nach dem Abkühlen, unmittelbar darauf oder nach einem Lagern des Bolzens, wird die Legierung auf eine Metalltemperatur von 200 bis 420°C erwärmt und stranggepresst. Als besonders geeignet für die AlZnMg-Legierungen haben sich Endtemperaturen der Homogenisierungsstufen von 465 bis 475°C und 485 bis 495°C erwiesen.

[0017] Die homogenisierte Aluminiumlegierung wird für das Pressen vorzugsweise auf 250 bis 390°C erwärmt. Das als Vormaterial verwendbare Profil weist superplastische Eigenschaften auf.

[0018] Das Herstellen von dicken Bändern und Strangpressprofilen in SPF-Qualität (SPF-Superplastic Forming) wird erfindungsgemäss unerwartet mit einem nicht rekristallisierten, gekneteten Gefüge erreicht. Mit diesem superplastischen Vormaterial grossen Querschnitts können beispielsweise

• Walzbänder aller Art,
• Hohlkörper durch Umformung von Hohlprofilen, insbesondere stranggepressten Rohren,
• innenversteifte, DB-ähnliche Produkte, oder
• Teile mit sehr unterschiedlichen, kontrolliert hergestellten Wandstärken

hergestellt werden. Die superplastische Verformung erfolgt bevorzugt ohne vorhergehende Lösungsglühung.

[0019] Die Fertigprodukte zeichnen sich neben der ausserordentlichen Formenvielfalt durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit, eine gute Schweissbarkeit, hohe mechanische Festigkeitswerte bei guter Duktilität und/oder einen hohen Spannungskorrosionswiderstand aus. Je nach spezifischer Anwendung können sich auch noch weitere Eigenschaften, wie z.B. geringe Dichte, Anodisierbarkeit, Lackierbarkeit, Hygiene, Masshaltigkeit, elektrische und thermische Leitfähigkeit und/oder Antistatik vorteilhaft auswirken.

[0020] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Beispiel 1

[0021] Eine Aluminiumlegierung mit 6,7% Zink, 2,8% Magnesium, 1,7% Kupfer, 0,13% Eisen, 0,12% Zirkon, 0,06% Silizium, 0,02% Mangan, 0,02% Chrom und 0,02% Titan wird mittels elektromagnetischer Stranggiesskokillen zu Walzbarren üblichen Formats vergossen. Die von der Gusshaut befreiten, abgelängten Formate werden während 11 Stunden auf eine erste Homogenisierungstemperatur von 465°C erwärmt und während 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. In einer zweiten Homogenisierungsstufe wird die Metalltemperatur während 5 Stunden auf 480°C erhöht und die Endtemperatur während 6 Stunden gehalten. Zum Warmwalzen wird ein homogenisierter Barren während 4 Stunden auf eine Metalltemperatur von 410°C angewärmt und mit dieser Eingangstemperatur warm an 4,5 mm abgewalzt. Das Walzband wird mit einer Temperatur von 395°C aufgehaspelt. Dieses superplastische Vormaterial weist eine plastische Dehnung von etwa 700% auf.

Beispiel 2

[0022] Eine Aluminiumlegierung mit 6,9% Zink, 2,7% Magnesium, 1,8% Kupfer, 0,02% Eisen, 0,14% Zirkon und 0,01% Silizium wird mittels konventioneller Stranggiesskokillen zu Pressbolzen vergossen, welche 220 mm Durchmesser haben.

[0023] Nach dem Entfernen der Gusshaut und dem Ablängen werden die Bolzen während 6 Stunden auf eine erste Homogenisierungstemperatur von 460°C gebracht. In einem zweiten Homogeniserungsschritt wird die Metalltemperatur während 3 Stunden auf 470°C erhöht. In einem 18 Stunden dauernden dritten Homogenisierungsschritt wird eine Endtemperatur von 480°C erreicht.

[0024] Die homogenisierten Bolzen werden innerhalb weniger Minuten induktiv auf eine Presstemperatur von 380°C angewärmt und mit einer Geschwindigkeit von 1,5 m/min zu Rundstangen eines Durchmessers von 40 mm verpresst.

[0025] Diese Rundstangen weisen superplastische Eigenschaften auf, haben eine plastische Dehnung von 600%.

[0026] Metallographische Untersuchungen beider Beispiele zeigen feinverteilte, globulitische Körner von weniger als 10 µm, welche regelmässig verteilt sind.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Vormaterials aus einer superplastischen AlZnMg-Legierung,

dadurch gekennzeichnet, dass

eine Legierung mit 6 bis 10% Zink, 2 bis 4% Magnesium, 0 bis 3% Kupfer, 0 bis 0,3% Eisen, 0 bis 0,3% Zirkon, 0 bis 0,3% Chrom, 0 bis 0,3% Mangan, 0 bis 0,2% Silizium und 0 bis 0,2% Titan, Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit, nach dem Stranggiessen durch Erwärmen und Halten homogenisiert und zu einem superplastischen Vormaterial grossen Querschnitts verformt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung mit 6,5 bis 7% Zink, 2,5 bis 3% Magnesium und 1,5 bis 3% Kupfer eingesetzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung durch stufenweises Erwärmen und Halten homogenisiert und nachher vorzugsweise abgekühl t wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung vor dem Warmwalzen oder Pressen heterogenisiert wird, vorzugsweise bei etwa 400°C.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mit einem Warmwalzgrad oder einem Verpressungsverhältnis von wenigstens 10:1 verformt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung zum Warmwalzen in einer ersten Homogenisierungsstufe während 4 bis 12 Stunden auf 440 bis 480°C Metalltemperatur erwärmt, während wenigstens etwa 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, in einer zweiten Homogenisierungsstufe während 1 bis 6 Stunden auf 475 bis 495°C erwärmt, auf dieser Temperatur gehalten, abgekühlt, zum Warmwalzen auf 350 bis 450°C angewärmt, gehalten und abgewalzt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung auf eine Endtemperatur der ersten Homogenisierungsstufe von 465 bis 475°C, der zweiten Homogenisierungsstufe von 475 bis 495°C und während etwa bis 6 Stunden auf eine Warmwalztemperatur von 400 bis 420°C erwärmt, und an eine Banddicke von 1 bis 30 mm, vorzugsweise 4 bis 10 mm, warm abgewalzt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aluminiumlegierung zum Pressen in einer ersten Homogenisierungsstufe während 4 bis 12 Stunden auf 440 bis 480°C Metalltemperatur erwärmt, während wenigstens etwa 3 Stunden auf dieser Temperatur gehalten, in einer zweiten Homogenisierungsstufe während 1 bis 6 Stunden auf 475 bis 495°C erwärmt, auf dieser Temperatur gehalten, abgekühlt, auf eine Presstemperatur von 200 bis 420°C erwärmt und stranggepresst wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung auf eine Endtemperatur der ersten Homogenisierungsstufe von 465 bis 475°C, der zweiten Homogenisierungsstufe von 475 bis 495°C und während etwa bis 6 Stunden auf eine Presstemperatur von 370 bis 390°C erwärmt, gehalten und stranggepresst wird.

10. Verwendung des Vormaterials, hergestellt nach dem Verfahren gemäss eines der Patentansprüche 1 bis 9, zur superplastischen Verformung ohne vorhergehende Lösungsglühung.