DE4113352C2

DE4113352C2 - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumblechen

Info

Publication number: DE4113352C2
Application number: DE4113352A
Authority: DE
Inventors: Werner Dipl Ing Dr Schelb; Manfred Dr Peters; Karl Dr Welpmann
Original assignee: Hoogovens Aluminium GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Novelis Koblenz GmbH; Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1991-04-24
Filing date: 1991-04-24
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2011-04-25
Also published as: FR2675816A1; US5292386A; DE4113352A1; FR2675816B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Blech aus Aluminiumlegierungen der im Oberbegriff des Patent anspruchs 1 genannten Gattung.

Bei Aluminium-Lithium-Legierungen, die vor allem für struktur kritische Bauteile der Luft- und Raumfahrt verwendet werden, ist es zur Erzielung ausreichender schadenstoleranter Eigenschaften und hinreichender Isotropie erwünscht, den Werkstoff vor dem Aus lagerungsprozeß zu rekristallisieren, sofern Bleche zwischen etwa 1 und 8 mm Blechdicke ausgewalzt werden. Leider ergeben sich dabei normalerweise gegenüber Aluminiumlegierungen des Typs 2024 T 351 (gemäß dem Internationalen Legierungsregister) anisotrope mechanische Eigenschaften. Bleche aus der letztgenannten Aluminiumlegierung zeigen bei Rißfort schrittstests Ermüdungsrisse, die makroskopisch senkrecht zur Richtung der angelegten Hauptnormalspannungen verlaufen, was bei der Konstruktion von beispielsweise Flugzeugteilen ausgenutzt wird.

Es hat sich jedoch gezeigt, daß ein solches erwünschtes Werk stoffverhalten nicht durch eine Kaltverformung mit anschließender Rekristallisation vor dem Warmauslagern bei Aluminium-Lithium- Legierungen erzielbar ist, auch dann nicht, wenn der Re kristallisationsprozeß dadurch begünstigt wird, daß in kon ventioneller Weise nach dem Warmwalzen und vor dem Kaltverformen eine thermische Behandlung stattfindet, durch welche das Material in einen überalterten Zustand gelangt. Bei Aluminium-Lithium- Legierungen konnten nach Warmverformen, Zwischenglühen, Kalt verformen und Rekristallisieren reproduzierbar keine solchen Eigenschaften erzielt werden, bei denen Ermüdungsrisse jeweils senkrecht zu den Hauptnormalspannungen verlaufen. Es hat sich vielmehr gezeigt, daß Ermüdungsrisse in unterschiedlicher Weise vom senkrecht zu den Hauptnormalspannungen liegenden Rißfort schrittspfad abweichen und dabei Abweichungen bis zu 70° vor kommen. Darüber hinaus wird bei Anwendung eines solchen thermo mechanischen Verfahrens der Nachteil schlechter Kaltwalzbarkeit, gekennzeichnet durch eine ausgeprägte Neigung zur Ausbildung von Kantenrissen, festgestellt. Hierdurch wird das Spektrum der anwendbaren Verfahrensparameter erheblich eingeschränkt.

Ferner ist es bekannt (DE-PS 34 11 760), eine für den Flugzeugbau geeignete Aluminium-Lithium-Legierung zur Kontrolle der Anisotropie mechanischer Eigenschaften, darunter der Dehnung, warm zu walzen, den Warmrohling lösungszuglühen, um Lithium in beste Lösung zu bringen, abzukühlen, zur Erzeugung eines grobkörnigen überalterten Gefüges auszulagern und schließlich zum Endprodukt, einem Blech oder Band einer Dicke bis zu 1 cm kaltzuwalzen. Dabei geht die Kühlung vom Lösungsglühen bevorzugt unmittelbar in die Auslagerung über und wird Gebläseluft zum Kühlen verwendet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Blechherstellungs verfahren mit einfachen Mitteln dahingehend zu verbessern, daß auch bei Aluminium-Lithium-Legierungen eine ausreichende Isotropie der hergestellten Bleche erreichbar ist, wonach Er müdungsrisse im wesentlichen senkrecht zu den angelegten Haupt normalspannungen verlaufen. Dabei ist auch eine gute Kalt walzbarkeit erwünscht.

Die Erfindung ist im Anspruch 1 gekennzeichnet und in Unteran sprüchen sind bevorzugte Ausbildungen der Erfindung dargestellt.

Besonders bevorzugt werden Aluminiumlegierungen des Typs AlLi 8090 in der folgenden Zusammensetzung:

Lithium:
2,2-2,7% (in Gew.-%)
Kupfer:	1,0-1,6%
Magnesium:	0,6-1,3%
Zirkonium:	0,04-0,16%
Eisen:	0,3%
Silizium:	0,2%
Chrom:	0,1%
Mangan:	0,1%
Titan:	0,1%
Zink:	0,25%
Sonstige einzeln:	0,05%
Sonstige gesamt:	0,15%
Rest Aluminium

Das Lösungsglühen findet im Temperaturbereich zwischen 500°C und 550°C und bevorzugt für eine Zeitdauer von t=10 min bis 2 h statt. Das Abschrecken wird mit Abschreckgeschwindigkeiten von 300°C/min durchgeführt.

Das Zwischenglühen des verformten Halbzeugs erfolgt gemäß der Erfindung im Temperaturbereich zwischen 250 und 475°C und zwar für einen Zeitraum zwischen 1-85 Stunden, während das Verformen (i) nach dem Lösungsglühen und Abschrecken) des rekristallisierten Halbzeugs insbesondere als Kaltverformen mit einem Verformungsgrad von nur bis zu 8%, insbe sondere bis 5% und bevorzugt nur bis zu 3,5% vorgenommen wird. Dabei empfiehlt sich vor allem Recken und/oder Streckziehen, d. h. kein Walzen.

Der erste Teil des Verformens vor dem Zwischenglühen wird zweck mäßigerweise mit einem geringen Verformungsgrad zwischen 5% und 20% durchgeführt, während der zweite Verformungsschritt, nämlich Kaltverformungsschritt nach dem Zwischenglühen, mit einem hohen Kaltverformungsgrad zwischen 40% und 90% erfolgt.

Die thermische Zwischenbehandlung (Zwischenglühen) wird zweck mäßigerweise so durchgeführt, daß das verformte Material zuerst auf einer Zwischenglühtemperatur gehalten wird, welche einer der beiden folgenden Formeln entspricht:

T(78-KW₂) · 6 + 360 (1)

(KW₂-78) · 7 + 300 T ( 78-KW₂) · 2,35 + 340 (2)

Dabei wird die Temperatur in Grad Celsius gemessen und der Kaltverformungsgrad (KW₂) (nach dem Zwischenglühen) in Prozent (bezogen auf die Ausgangsdicke des Materials).

Das Material wird für einen Zeitraum zwischen 1 und 85 Stunden auf etwa dieser Haltetemperatur gehalten. Dann wird das Material bevorzugt abgekühlt mit einer Abkühlgeschwindigkeit von nicht mehr als 40 grd/h bis in den Temperaturbereich von 325 bis 275°C.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung wird das Material bei der Zwischenglühung, nachdem es auf Zwischenglühtemperatur gehalten wurde, mit einer Abschreckgeschwindigkeit V<300 grad/ min abgekühlt und danach kaltverformt. In diesem Fall sollte zwischen der Haltezeit t bei Haltetemperatur und der Soll-Halte temperatur T zweckmäßigerweise die Beziehung

t8 · e^{15 000(1/T-1/670)} (3)

eingehalten werden; t ist die Haltezeit in Stunden und T die Haltetemperatur in K.

Besonders bevorzugte endgültige Blechstärken liegen zwischen 1 und 7 mm.

Die im Anspruch 1 genannten Verfahrensschritte g, h und i, d. h. das Lösungsglühen, das Abschrecken des lösungsgeglühten Halbzeugs und das Verformen des abgeschreckten Halbzeugs können auch wiederholt werden.

Es wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäß hergestellten Bleche einer Blechstärke zwischen 4 und 7 mm unter Verwendung der Legierung AlLi 8090 bei CT-Proben Ermüdungsrisse - und zwar im gesamten Bereich des Ermüdungsrißfortschritts - makroskopisch senkrecht zu den angelegten Hauptnormalspannungen aufweisen. Das Material ist daher ausgesprochen isotrop. Darüber hinaus zeichnet sich das Verfahren durch ein ausgezeichnetes Kaltwalzverhalten des Halbzeugs beim zweiten Verformungsschritt, d. h., dem Verformen f) nach dem Zwischenglühen, gemessen an der Tendenz zur Kantenriß bildung, aus.

Anhand folgender Beispiele wird dies noch näher beschrieben; die Legierungen hatten folgende Zusammensetzung:

Lithium:
2,32% (Gew.-%)
Kupfer:	1,02%
Magnesium:	0,77%
Zirkonium:	0,07%
Eisen:	0,06%
Silizium:	0,036%

Rest Aluminium neben üblichen Verunreinigungen.

Beispiel 1

Im folgenden Beispiel soll die ausgezeichnete Kaltwalzbarkeit bei Anwendung des erfindungsgemäßen thermomechanischen Verfahrens im Vergleich zur konventionellen thermomechanischen Behandlung demonstriert werden.

Ein Barren der Legierung 8090 wurde bei 530°C homogenisiert und an Luft abgekühlt. Dieser Barren wurde anschließend bei 530°C warmgewalzt zu einer Platte von 2 cm Dicke. Anschließend wurde die Platte an Luft abgekühlt und danach in Tochterplatten aufgeteilt. Diese Tochterplatten wurden den in Tabelle 1 aufgelisteten thermomechanischen Behandlungen unterworfen, bei denen HR den bereits erwähnten Warmwalzschritt darstellt, während CR den letzten Kaltwalzschritt bedeutet, wonach die kaltgewalzten Platten bei 530°C lösungsgeglüht, mit Wasser abgeschreckt und 2% gereckt und bei 150°C für 24 Stunden warm ausgelagert wurden.

Tabelle 1 zeigt Beispiele für durchgeführte thermomechanische Behandlungen.

Tabelle 2 zeigt für diese Behandlungen die beim Kaltwalzprozeß nach dem Zwischenglühen gemessene Tiefe der auftretenden Kanten risse in Abhängigkeit vom angewendeten Kaltwalzgrad.

Tabelle 1

Durchgeführte thermomechanische Behandlungen

Tabelle 2

Kantenrißtiefe beim Kaltwalzen (f) in Abhängigkeit vom Kaltwalzgrad für die thermomechanischen Behandlungen der Tabelle 1

Beispiel 2

Hier liegen Ergebnisse von Ermüdungsrißfortschrittsmessungen für Proben vor, die nach dem erfindungsgemäßen thermomechanischen Verfahren hergestellt wurden, im Vergleich zu konventionell her gestellten Proben (Tabelle 3).

Die Ermüdungsrißfortschrittstests erfolgten hierbei an sogenannten CT-Proben in der für Ermüdungsrißabweichungen besonders kritischen Fortschrittsrichtung T-L. Der untersuchte Bereich der Schwankung der Spannungsintensität betrug

Als Kriterium zur Beschreibung von Abweichungen der Ermüdungsrisse von der gewünschten Richtung senkrecht zur angelegten Haupt normalspannung wurde im Falle einer Abweichung der Winkel der Rißfront in bezug auf die Senkrechte zur Hauptnormalspannung gewählt, gemessen in Grad.

Tabelle 3

Beispiele für thermomechanische Behandlungen und Ergebnisse der Ermüdungsrißfortschrittstests.

Beispiel 3

Im dritten Beispiel sind einige technologische Eigenschaften von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Blechen verglichen mit solchen von nach konventionellen thermomechanischen Verfahren hergestellten Blechen sowie mit Blechen aus konven tionellen Legierungen.

Tabelle 4 gibt Beispiele für die statischen mechanischen Eigen schaften. Tabelle 5 vergleicht typische Rißfortschrittsge schwindigkeiten bei Belastung in T-L.

In Bildern 1 bis 4 schließlich sind Werkstofftexturen für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bleche der Legierung 8090 verglichen mit solchen für nach konventionellem thermo mechanischen Weg hergestellte anhand ihrer <111<-Polfiguren. Während der konventionelle thermomechanische Weg zu re kristallisierten Blechen führt, deren Werkstofftexturen in bekannter Weise hauptsächlich die typischen Lagen W (Würfel), Ms (Messing), Goss und R enthalten, enthält die Rekristallisations textur der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Bleche im Blechinnern hauptsächlich die A-Lage sowie im Blech äußeren die W-BN-Lage (Würfel-Blechnormalen-Lage), neben einem hohen Untergrund.

In der Zeichnung zeigen
Fig. 1, 2 (111)-Polfiguren von nach konventionellem Verfahren hergestellten Blechen aus AlLi 8090:
Blechinnenbereich Fig. 1, Blechaußenbereich Fig. 2
Fig. 3, 4 (111)-Polfiguren von nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Blechen aus AlLi 8090:
Blechinnenbereich Fig. 3, Blechaußenbereich Fig. 4

Tabelle 4

Typische mechanische Eigenschaften

Tabelle 5

Typische Werte der Rißfortschrittsgeschwindigkeit im Ermüdungs rißfortschrittstest gemessen in 0,0001 mm/Zyklus für nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Bleche im Vergleich zu nach dem konventionellen thermomechanischen Verfahren herge stellten 8090-Blechen sowie zu den konventionellen Legierungen 2024T351 sowie 7075T7351

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Blechen aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen einer Blechdicke zwischen 0,5 und 10 mm durch

a) Verformen eines Barrens der Aluminiumlegierung zu einer Platine, einem Band oder dergleichen Halbzeug;
e) Zwischenglühen des verformten Halbzeugs;
f) Kaltverformen des zwischengeglühten Halbzeugs mit einem Kaltverformungsgrad zwischen 40% und 90%;
g) Lösungsglühen des kaltverformten Halbzeugs mit der Maßgabe, daß eine Rekristallisation stattfindet; und
h) Abschrecken des lösungsgeglühten Halbzeugs;
i) Verformen des abgeschreckten Halbzeugs mit einem Ver formungsgrad von bis zu 8%;
j) Auslagern der Bleche,

gekennzeichnet durch die Verwendung von Aluminium- Lithium-Legierungen mit der Maßgabe, daß folgende Verfahrens schritte zwischen a) und e) eingefügt werden:

b) Lösungsglühen des Halbzeugs;
c) Abschrecken des lösungsgeglühten Halbzeugs;
d) Verformen des abgeschreckten Halbzeugs mit einem Ver formungsgrad zwischen 2 und 60%;

und daß e₁) das Zwischenglühen des verformten Halbzeugs im Temperaturbereich zwischen 250 und 475°C für einen Zeit raum zwischen 1 und 85 Stunden durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß a₁) das Verformen des Barrens durch Warmwalzen vorgenommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß i₂) das Verformen des rekristallisierten Halbzeugs als Kaltverformen durch Recken und/oder Streckziehen vorge nommen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemäß Internationalem Legierungsregister genormte Aluminium-Lithium-Legierung des Typs AlLi 8090 verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Verformungsschritte gemäß d₁) und f₁) durch Kalt walzen vorgenommen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß d₂) das Verformen des abgeschreckten Halbzeugs mit einem Verformungsgrad zwischen 5 und 20% vorgenommen wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß e₂) beim Zwischenglühen oberhalb von 300°C nach Erreichen der Sollhaltezeit von mindestens 60 min mit einer Abkühlgeschwindigkeit von nicht mehr als 40 grd/h bis in den Temperaturbereich zwischen 325 und 275°C abgekühlt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß e₃) und f₂) beim Zwischenglühen in Abhängigkeit vom Kaltverformungsgrad (KW₂ in % nach dem Zwischenglühen) bei dem nach dem Zwischen glühen folgenden Kaltverformen die Halte-Temperatur (T in °C) nach einer der beiden folgenden Formeln ((1) und (2)) gewählt wird: T (78 - KW₂) · 6 + 360 (1)(KW₂ - 78) · 7 + 300 T (78 - KW₂) · 2,35 + 340 (2)

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß e₄) beim Zwischenglühen folgende Bedingung (3) für die Haltezeit (t in h) in Abhängigkeit von der Haltetemperatur (T in K) gewählt und das Halbzeug nach Erreichen der Halte zeit (t) mit einer Abschreckgeschwindigkeit von ν<300 grad/min abgeschreckt wird: t 8 · e^{15 000(1/T - 1/670)} (3)