DE102008056819B3

DE102008056819B3 - Aluminiumlegierung und Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE102008056819B3
Application number: DE200810056819
Authority: DE
Inventors: Erich Hoch
Original assignee: Broekelmann Aluminium F W; Fw Brokelmann Aluminiumwerk & Co KG GmbH
Current assignee: Broekelmann Aluminium F W; Fw Brokelmann Aluminiumwerk & Co KG GmbH
Priority date: 2008-11-11
Filing date: 2008-11-11
Publication date: 2010-04-29
Anticipated expiration: 2028-11-12

Abstract

Beschrieben ist eine Aluminiumlegierung, insbesondere zur Verarbeitung im Strangpressverfahren. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Aluminiumlegierung anzugeben, die sich durch ein hohes Maß an antikorrosivem Verhalten auszeichnet und insbesondere zur Warmverarbeitung geeignet ist. Diese Aufgabe ist mit einer Aluminiumlegierung gelöst, die die folgende 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.

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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Die Erfindung betrifft daher ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Aluminiumlegierung, wobei die Aluminiumlegierung nach der genannten erfindungsgemäßen Zusammensetzung ausgestaltet ist.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.

Claims

Aluminiumlegierung, insbesondere zur Verarbeitung im Strangpressverfahren, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung in Masse-% von: 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.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Toleranzbereiche für die Anteile in Masse-% kleiner sind, nämlich betragen: 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.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelanteile der sonstigen Bestandteile weniger als 0,1 Masse-% oder weniger als 0,05 Masse-% oder weniger als 0,02 Masse-% ausmachen.
Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese auf einer Legierung nach der EN AW 3XXX basiert.
Verfahren zur Herstellung eines Produkts unter Verwendung einer Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein aus der Aluminiumlegierung hergestelltes Halbzeug durch Erhitzung homogenisiert wird – Homogenisierungsglühen –, das homogenisierte Halbzeug auf Einsatztemperatur und durch Warmbearbeitung auf Produktform gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug homogenisiert wird, indem es über einen Zeitraum von im wesentlichen 6 bis 9 Stunden im Temperaturbereich zwischen 570°C und 630°C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug homogenisiert wird, indem es über einen Zeitraum von im wesentlichen 6 bis 9 Stunden im Temperaturbereich zwischen 580°C und 620°C gehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug auf einer konstanten Temperatur in den angegebenen Temperaturbereichen gehalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Homogenisierung des Halbzeugs zu einer Korngröße von weniger als 150 μm führt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug zur Warmbearbeitung auf eine Einsatztemperatur im Bereich von im wesentlichen 450°C bis 540°C gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbzeug zur Warmbearbeitung auf eine Einsatztemperatur im Bereich von im wesentlichen 470°C bis etwa 520°C gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmbearbeitung des Halbzeugs durch Strangpressen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmbearbeitung des Halbzeugs durch Strangpressen bei einer Pressgeschwindigkeit im Bereich von im wesentlichen 10 m/min bis 20 m/min erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmbearbeitung des Halbzeugs durch Strangpressen bei einer Pressgeschwindigkeit im Bereich von im wesentlichen 12 m/min bis 14 m/min erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt nach der Warmbearbeitung schnell abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt nach der Warmbearbeitung mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –20°C/s abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt nach der Warmbearbeitung mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –40°C/s abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Produkt nach der Warmbearbeitung mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –50°C/s abgekühlt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung des Produkts auf eine Temperatur von im wesentlichen unter 100°C erfolgt.
Verwendung der Legierung nach den Ansprüchen 1 bis 4 als Material für Wärmeübertragungseinrichtungen.