DE2813986C2

DE2813986C2 -

Info

Publication number: DE2813986C2
Application number: DE2813986A
Authority: DE
Inventors: David Maurice Kingston Ontario Ca Moore; Larry Roy Yarker Ontario Ca Morris
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1977-03-31
Filing date: 1978-03-31
Publication date: 1988-07-28
Also published as: FR2385805B1; GB1580281A; US4126448A; ZA781747B; BR7801978A; DK140278A; AU3461078A; DE2813986A1; JPS5763657A; AU520678B2; SE7803652L; CA1110882A; IT7821861A0; JPS6221065B2; BE865549A; NO781110L; ES468342A1; FR2385805A1; ATA226378A; JPS53127315A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus einer Aluminium-Zink-Calcium-Legierung, wobei man ein Produkt mit superplastischen Eigenschaften und einer Zugdehnung von wenigstens 100% bei einer Verformungstemperatur im Bereich von 300 bis 600°C erhält.

Superplastische Legierungen können unter kleinen Kräften bei Temperaturen in einem durch die Legierungszusammensetzung bestimmten Bereich sehr stark verformt werden.

Man kann Bleche aus superplastischen Legierungen bei geeigneten Temperaturen zu komplexen Formen durch Blasverformung mit komprimierter Luft bei verhältnismäßig niedrigen Drücken in ähnlicher Weise wie bei Plastik oder Glas verformen.

Das beste Kriterium zur Kennzeichnung der Superplastizität ist eine Zugdehnung von wenigstens 100% und vorzugsweise wenigstens 200%. Es wird auch als wünschenswert erachtet, daß eine superplastische Legierung einen Indexwert m von wenigstens etwa 0,3 für den Empfindlichkeitsgrad der Verformungsgeschwindigkeit (strain rate sensitivity index value) aufweisen soll. Die Legierung soll diese Eigenschaften bei einer ausgewählten Verformungstemperatur im Bereich von 300 bis 600°C (im allgemeinen 400 bis 500°C) aufweisen, braucht diese Werte aber nicht innerhalb dieses ganzen Bereichs zu zeigen. Im allgemeinen kann gesagt werden, daß sowohl die Werte für die Zugdehnung als auch für den Empfindlichkeitsindex der Verformungsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur ansteigen.

Aus der FR-PS 12 20 029 sind Aluminiumlegierungen, die sowohl Zink als auch Calcium enthalten, bekannt. Es wird dort gelehrt, daß durch die Zugabe von bis zu 4% Calcium die Rekristallisationstemperatur einer Aluminiumlegierung im Vergleich zu der Rekristallisationstemperatur einer gleichen Legierung ohne diesen Zusatz verringert werden kann, wobei die Verringerung der Rekristallisationstemperatur nur erzielt wird, wenn das Metall einem Verformungsgrad oberhalb von 30% unterworfen wurde und bei einer Temperatur oberhalb von 150°C wärmebehandelt wurde.

Aus der DE-OS 24 23 597 ist ein Verfahren zur Herstellung von dispersionsverstärkten Aluminiumlegierungsprodukten beschrieben, wobei Aluminiumlegierungen mit einer eutektischen Zusammensetzung empfohlen werden. Diese Aluminiumlegierungen werden unter besonders ausgewählten Bedingungen, die das Wachstum der stäbchenähnlichen intermetallischen Phasen ermöglichen, vergossen. Keines der in der DE-OS 24 23 597 beschriebenen Al-Legierungsprodukte weist brauchbare superplastische Eigenschaften auf.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus einer Aluminiumlegierung aufzuzeigen, welches superplastische Eigenschaften, und zwar eine Zugdehnung von wenigstens 100% bei einer Verformungstemperatur im Bereich von 300 bis 600°C hat. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Bevorzugte obere Grenzen für die Legierungsbestandteile in der Legierung sind 7% Calcium, 10% Zink, 1,0% Silicium, 1% Mangan, 0,2% Kupfer, 0,2% Magnesium, 0,5% jeweils (1,0% gesamt) Eisen, Vanadium, Titan, Chrom, Zirkonium und Strontium, und 0,25% jeweils (1,0% gesamt) an anderen Elementen, einschließlich Verunreinigungen.

Besonders bevorzugt ist die Verwendung einer Legierung, die 2 bis 7% Calcium und 1,5 bis 10% Zink enthält. Dabei wird vorzugsweise in einem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Legierung mit einem Gehalt an Calcium und Zink innerhalb eines Vierecks mit den Eckpunkten 2,0% Ca, 8,0% Zn; 6,0% Ca, 8,0% Zn; 3,0% Ca, 3,0% Zn; und 7,0% Ca, 3,0% Zn verwendet.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird aus den Legierungskomponenten kontinuierlich bei einer Verfestigungsgeschwindigkeit von wenigstens 1 cm/min an der Verfestigungsfront ein Barren gegossen, der in einer Aluminium-Matrix mindestens 10 Vol.-% feine eutektische Ca-Zn-Al-intermetallische Stäbchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,05 bis 1,5 µm enthält, die sich aus der Schmelze während des Gießverfahrens gebildet haben.

Der Querschnitt des Barrens wird dann unter Aufbrechen der Stäbchen zu Teilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von weniger als 2 µm um wenigstens 60% verkleinert. Diese Verarbeitungsstufe (Walzen oder Extrudieren) ist vorzugsweise eine Kaltverarbeitung. Man erhält dabei ein Produkt mit superplastischen Eigenschaften mit einer Zugdehnung von wenigstens 100% bei einer Verformungstemperatur im Bereich von 300 bis 600°C.

Die Zeichnung ist eine graphische Darstellung, in welcher breite und bevorzugte Al-Ca-Zn-Zusammensetzungsbereiche gezeigt werden, und in welcher die Beziehung dieser Bereiche zur eutektischen Rinne des ternären Al-Ca-Zn-Systems gezeigt wird.

Die wesentlichsten Merkmale der Zusammensetzung können anhand der Zeichnung erläutert werden. Es wurde festgestellt, daß bei dem ternären System Al-Ca-Zn, d. h. dem Legierungssystem, das sich aus einem Hauptanteil Aluminium mit Calcium und Zink als Hauptlegierungselemente zusammensetzt, eine eutektische Rinne vorliegt, die in der Zeichnung durch die Linie 10 dargestellt wird. Al-Ca-Zn-Legierungen mit einer Zusammensetzung in der Nähe dieser eutektischen Rinne können vergossen werden unter Ausbildung einer zellularen eutektischen Struktur, die, in einer Aluminiummatrix, einen merklichen Volumenanteil (10 bis 30 Vol.-%, gewöhnlich 18 bis 23 Vol.-%) an feinen eutektischen Stäbchen aus einer oder mehreren Ca-Zn-Al-intermetallischen Verbindungen enthält, die sich aus der Schmelze beim Vergießen gebildet haben. Diese Stäbchen können zu Teilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser (der später beschrieben wird) im Bereich von 0,05 bis weniger als 2 µm zerkleinert werden. Man nimmt an, daß diese intermetallische Phase (CaZn)Al₂ ist, zum Unterschied von der spröden CaAl₄-Phase, die man in binären Al-Ca-Legierungen findet.

Im breitesten Sinne können superplastische knetverformte Produkte aus Legierungen hergestellt werden, welche die Anteile an Ca und Zn innerhalb der Grenzen, die durch das durch unterbrochene Linien gekennzeichnete Rechteck 12 angegeben werden, d. h. 2 bis 8% Ca und 1,5 bis 15% Zn enthalten, hergestellt werden. Obwohl die besten superplastischen Eigenschaften bei Legierungsprodukten entwickelt werden, welche eine Zusammensetzung nahe der eutektischen Rinne aufweist, können etwas abnehmende, aber immer noch brauchbare superplastische Eigenschaften auch erzielt werden mit Zusammensetzungen, die links oder rechts der Rinne innerhalb der breiten Grenzen des Rechtecks 12 liegen.

Der Grad der möglichen Superplastizität nimmt allmählich mit abnehmendem Ca-Gehalt ab, bis bei weniger als 2% Ca der Volumenanteil der Al-Ca-Zn-intermetallischen Teilchen zu klein wird, um eine brauchbare Superplastizität zu bewirken. Ein Ansteigen im Ca-Gehalt auf der rechten Seite der eutektischen Rinne ergibt eine unerwünschte Bildung von gröberen primären intermetallischen Kristallen. Gröbere primäre Kristalle können etwas unterdrückt werden, indem man die Gießtemperatur erhöht, aber diese Möglichkeit wird bei Zusammensetzungen, die mehr als 8% Ca enthalten, sehr erschwert. Wie durch das durch eine gestrichelte Linie angezeigte Rechteck 14 gezeigt wird, liegt eine bevorzugte obere Grenze für den Ca-Gehalt bei 7%.

Legierungen mit einem Gehalt von weniger als 1,5% Zn können superplastisch sein, sind jedoch sehr brüchig und neigen sehr zur Rißbildung beim Biegen und/oder Kaltwalzen; Legierungen, die mehr als 15% Zn enthalten, können gleichfalls superplastisch sein, aber sie haben eine sehr schlechte Korrosionsbeständigkeit. Die Veränderung der Superplastizität (ausgedrückt in % Zugdehnung bei der Verformungstemperatur) mit dem Zinkgehalt ist derart, daß man die besten superplastischen Eigenschaften bei Zusammensetzungen erhält, die weniger als etwa 8,5% oder mehr als etwa 12,5% Zn enthalten, und aufgrund der verminderten Korrosionsbeständigkeit von Legierungen mit höherem Zinkanteil bewirkt ein Zinkgehalt im unteren Teil des breiten Bereiches eine vorteilhafte Kombination von Superplastizität und Korrosionsbeständigkeit. Das Rechteck 14 zeigt weiterhin an, daß 10% eine bevorzugte obere Grenze für den Zink-Gehalt darstellt.

Der am meisten bevorzugte Bereich für die Ca- und Zn-Anteile, bei dem man die beste Kombination von superplastischem Verhalten, Korrosionsbeständigkeit und Rißfestigkeit bei Kaltverarbeitung oder beim Biegen erhält, wird durch die von ABCD umrissene Fläche in der Zeichnung angegeben, die Legierungen umfaßt mit Anteilen von Ca und Zn innerhalb der Koordinaten 2,0% Ca, 8,0% Zn; 6,0% Ca, 8,0% Zn; 3,0% Ca, 3,0% Zn und 7,0% Ca, 3,0% Zn. Bei einem spezifischen Zinkgehalt im Bereich von 1,5 bis 15% Zink und insbesondere im Bereich von 3 bis 8% Zink liegt der Calciumgehalt vorzugsweise innerhalb 0,5% des Calciumwertes bei der eutektischen Rinne.

Wie dargelegt, sind Al-Ca-Zn-Legierungen mit einer Zusammensetzung innerhalb der vorher angegebenen breiten oder bevorzugten Grenzen zur Entwicklung einer Struktur von feinen eutektischen Ca-Zn-Al-intermetallischen Stäbchen in der vergossenen Struktur in der Lage, die beim Verarbeiten zu Teilchen aufbrechen, welche dem Legierungsprodukt Superplastizität verleihen. Das erfindungsgemäße Verfahren schließt die Stufen des Vergießens der Al-Ca-Zn-Legierung in solcher Weise ein, daß die erforderliche Gußstruktur erzielt wird, und die anschließende Verarbeitung der vergossenen Masse zum Zerkleinern der Stäbchen zu den gewünschten Teilchen nach Verfahrensweise, wie sie allgemein in der DE-OS 24 23 597 beschrieben werden.

Wie dort dargelegt wird, besteht das einfachste Verfahren zur Herstellung von stäbchenartigen intermetallischen Phasen in einer Aluminiummasse darin, daß man eine eutektische oder fast eutektische Legierung vergießt, welche legierende Elemente enthält, die bei der Verfestigung intermetallische Phasen mit Aluminium bilden und wobei die Bedingungen für das Vergießen so ausgewählt sind, daß man eine feine verbundene Wachstumstruktur erhält. Dieses Phänomen ist bekannt und wird in dem Aufsatz von J. D. Livingston in "Material Science Engineering", Band 7, 1971, Seiten 61-70, erläutert.

Wird die eutektische Al-Ca-Zn-Zusammensetzung zu Barren nach einem halbkontinuierlichen Stranggußverfahren oder mittels anderer kontinuierlicher oder halbkontinuierlicher Gießverfahren mit einer hohen Verfestigungsgeschwindigkeit vergossen, so wird eine stäbchenähnliche eutektische Struktur gebildet. Für den Zweck der vorliegenden Erfindung wird es bevorzugt, daß sich die stäbchenähnliche Phase nicht zu der Achse der vergossenen Massen orientiert. Infolgedessen können Barren nach dem üblichen halbkontinuierlichen Strangguß verfahren unter solchen Bedingungen vergossen werden, bei denen sichergestellt ist, daß sich dabei eine intermetallische Phase in Form von feinen Stäbchen in der Matrix aus dem duktileren Aluminium bildet. Sehr befriedigende superplastische Produkte kann man unter der Voraussetzung erhalten, daß die vergossene Masse in solcher Weise hergestellt wird, daß die intermetallische Phase in Form von feinen, dicht aneinanderliegenden Stäbchen gebildet wird, die bei der nachfolgenden Verarbeitung unter Ausbildung einer gleichförmigen Dispersion von feinen intermetallischen Teilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 2 µm gebrochen werden können. Diese Teilchen neigen dazu, während der superplastischen Verformung etwas gröber zu werden, d. h. bis zu einer durchschnittlichen Teilchengröße von 3 µm oder darüber.

Im Gegensatz zu diesen Teilchen, die sich beim Zerkleinern der stäbchenähnlichen Al-Ca-Zn-eutektischen Phase bilden, liegen die gröberen primären intermetallischen Teilchen im allgemeinen in Form von facettierten Polyedern vor und entstehen durch Bildung von Kristallisationskernen vor der Verfestigungsfront während des Gießens und haben eine Größe von mehr als etwa 3 µm und typischerweise von mehr als 10 µm. Im Sinne der vorliegenden Erfindung wird eine vergossene Legierung als im wesentlichen frei von solchen groben primären Teilchen angesehen, wenn deren Gesamtvolumen nicht mehr als 2% ausmacht.

Der durchschnittliche Teilchendurchmesser, der beim Zerkleinern der Stäbchen gebildeten Teilchen wird bestimmt, indem man anhand einer Mikrophotographie des Querschnitts die Zahl der in einer Flächeneinheit vorliegenden Teilchen zählt und dabei die groben primären intermetallischen Teilchen und die feinen Teilchen, die aus der festen Lösung ausfallen, vernachlässigt. Solche groben und feinen Teilchen sind für einen erfahrenen Metallurgen leicht erkennbar. Der durchschnittliche Teilchendurchmesser wird durch die folgende Formel angegeben:

worin bedeuten:

d = Teilchendurchmesser Np = Zahl der Teilchen pro Flächeneinheit (bei einer Mikrophotographie gemessen) V = Volumenanteil der intermetallischen Phase (gemessen durch Punktanalyse eines metallographischen Schnitts durch visuelle Beobachtung durch ein Mikroskopokular, ausgestattet mit einem feinmaschigen, quadratischen Gitter)

Die obige Formel, die beschrieben wird von H. Modin und S. Modin in "Metallurgical Microscopy", trans. G. G. Kinnane (London: Butterworths, 1973), Seite 164, drückt die Größe der Teilchen in Form des Durchmessers einer Kugel von gleichem Volumen aus. Der Durchmesser eines länglichen Teilchens, wie er durch Segmentieren eines zylindrischen Stäbchens gebildet wird, ist in dieser Weise ausgedrückt, im allgemeinen größer als der Durchmesser des Stäbchens, aus dem es gebildet wurde. Da es nicht erforderlich ist, daß die verbundene Phase (intermetallische Stäbchen) in einer einzigen Richtung ausgerichtet sind, ist es nicht nötig, die Bildung eines eutektischen zellularen Wachstums (verursacht durch die Abtrennung der Verunreinigungen) zu unterdrücken, und deshalb kann reines metallisches Handelsaluminium für die Herstellung der Gußlegierung verwendet werden. Diese zellulare oder "Kolonie"- Art der Verfestigung bildet unorientierte intermetallische Stäbchen. Bei der Herstellung der Gußlegierung sollte das Metall unter solchen Bedingungen vergossen werden, daß im wesentlichen keine Kristallisationskernbildung der intermetallischen Phase in dem geschmolzenen Metall vor der Front zwischen dem flüssigen Metall und dem festen Metall eintritt, d. h. so, daß die Gußlegierung im wesentlichen frei von groben primären Teilchen ist. Die Verfestigungsgeschwindigkeit (Geschwindigkeit der Ablagerung von festem Metall in einer Richtung, die im wesentlichen senkrecht zur Verfestigungsfront verläuft) soll wenigstens 1 cm/Min. betragen, um das Wachstum der stäbchenähnlichen intermetallischen Phase zu erzielen. Infolgedessen können Barren mit den gewünschten Eigenschaften hergestellt werden nach dem üblichen kontinuierlichen Stranggußverfahren ("D.C.-Verfahren"), bei dem ein Kühlmittel direkt auf die Oberfläche des Barrens einwirkt, wenn dieser in der offenen Form aufsteigt oder nach dem Doppelwalzen-Gießverfahren, wie dem "Hunter-Engineering"-Verfahren, bei dem das geschmolzene Metall aus einer Düse abgezogen wird und auf einem Paar stark gekühlter Walzen sich verfestigt. Unbefriedigende Strukturen werden durch Sandgießen oder Kokillenguß und andere Verfahren, bei denen eine ungleichmäßige Mikrostruktur gebildet wird, erzielt. Das D.C.-Gießverfahren, insbesondere wenn man eine oben erhitzte Form in Verbindung mit einem Glastuchverteiler verwendet, hält verhältnismäßig stabile Bedingungen in der Nähe der Verfestigungsfront aufrecht und weist doch eine kräftige Kühlung des verfestigten Metalls durch die Anwendung des Kühlmittels auf die Oberfläche des Barrens, der aus der Form kommt, auf. Dadurch wird die gewünschte hohe Verfestigungsgeschwindigkeit, die für das gleichzeitige Wachsen der metallischen Matrix und der intermetallischen Phase benötigt wird, erzielt unter Ausbildung eines steilen Temperaturgradienten in unmittelbarer Nachbarschaft der Verfestigungsfront, um das Wachstum von groben primären intermetallischen Teilchen zu vermeiden.

Wird die Gußlegierung durch Verarbeiten verformt, so neigen die intermetallischen Stäbchen dazu, gleichmäßig längs ihrer Länge zu brechen, wodurch man etwas längliche Teilchen mit verhältnismäßig gleichmäßiger Größe erhält. Diese Teilchen neigen dazu, sich gleichmäßig innerhalb der duktilen Metallmatrix während der anschließenden Verformung des Barrens zu verteilen. Das Verhältnis der Länge zum Durchmesser bei der Mehrheit der durch das Aufsplittern der intermetallischen Stäbchen gebildeten Teilchen fällt in den Bereich von 1 : 1 bis 5 : 1. Dagegen ist die Durchschnittslänge der stäbchenähnlichen intermetallischen Phase in der Gußlegierung im allgemeinen größer als das Hundertfache ihres Durchmessers.

Nach der Bildung einer Gußlegierung mit der gewünschten Struktur kann das Aufbrechen der spröden intermetallischen Phase in die dispersen Teilchen einer Größe von weniger als 2 µm Durchschnittsdurchmesser (nach der vorher angegebenen Formel berechnet) erzielt werden entweder durch Warm- oder Kaltverarbeitung der vergossenen Legierung in vielfältiger Weise. Eine Reduktion von wenigstens 60% ist erforderlich, um die durch Aufspalten der intermetallischen Stäbchen gebildeten Teilchen ausreichend zu dispergieren. Bei der Herstellung von Walzblechen für eine anschließende superplastische Verformung ist es bevorzugt, den größeren Teil der Verformung der Anfangsbarren durch Warmwalzen zu erzielen, aber es ist auch bevorzugt, daran anschließend eine Kaltwalzverarbeitung vorzunehmen. Man kann ganz allgemein sagen, daß die Verarbeitungsstufe vorzugsweise eine Kaltverarbeitung zum Schluß einschließt, bei der die Kalt-Reduktion gleich oder wenigstens etwa 60% beträgt. Der Ausdruck "Kaltverarbeitung" soll bedeuten, daß die Legierung bei einer Temperatur unterhalb etwa 250°C verarbeitet wurde.

Ein Vorwärmen vor der Warmverarbeitung soll auf einem Minimum gehalten werden. Warmwalztemperaturen von 400 bis 500°C haben sich als ausreichend erwiesen; bei Anwendung von niedrigeren Warmwalztemperaturen (innerhalb dieses Bereiches) vermindert sich die Neigung der Teilchen zum Vergröbern. Anschließende Kaltverarbeitung kann ohne Zwischenglühen vorgenommen werden, und es ist keine Behandlung nach dem Kaltwalzen erforderlich, da das gewalzte Blech das erforderliche superplastische Gefüge aufweist.

Typische Bedingungen für die superplastische Verformung aus einem erfindungsgemäß hergestellten Blech-Legierungsprodukt sind die folgenden: Blech-Dicke 1 mm, Temperatur 450°C, Druck 0,525 N/mm², Zeit 2 Minuten. Die zu verformenden Bleche werden im allgemeinen vorerhitzt (beispielsweise auf 450°C), um eine gleichmäßige Temperaturverteilung zu erzielen, jedoch kann man erfolgreich auch kalte Bleche verformen, die in der Verformungsvorrichtung dann erhitzt werden.

Die erfindungsgemäß hergestellten Legierungsprodukte, beispielsweise Bleche, können superplastisch durch Blasverformen verformt werden unter Verwendung von Ausrüstungen und Verfahren, wie sie bekannt und für die Verformung von anderen superplastischen Legierungen verwendet werden, und zwar bei geeigneten Temperaturen innerhalb des vorerwähnten Verformungsbereiches. Die mechanischen Eigenschaften der so gebildeten Gegenstände bei Raumtemperatur variieren in einem gewissen Grade in Abhängigkeit von der Zeit und der Temperatur des Verformungsvorganges (Erhöhung der Verformungszeit und -temperatur erniedrigt die Streckgrenze und die Zugfestigkeit und erhöht die Dehnung), jedoch sind typische Eigenschaften die folgenden:
0,2% Dehngrenze: 148 bis 190 N/mm², Zugfestigkeit 176 bis 197 N/mm²; Dehnung (5 cm) 13 bis 19%. Diese Eigenschaften ermöglichen eine übliche Kaltverformung nach der superplastischen Verformung.

Die Kriechfestigkeit der erfindungsgemäß hergestellten Legierungsprodukte ist ähnlich der anderer Aluminiumlegierungen, d. h. sehr viel besser als bei Legierungen auf Zinkbasis. Darüber hinaus weisen die Produkte eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, wie durch neutrale Salzsprühtests und Lochfraßtests festgestellt wurde.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Beispielen beschrieben.

Beispiel 1

Eine Legierung aus 5,0% Ca, 4,8% Zn wurde aus superreinem Al und Ca und Zn handelsüblicher Reinheit hergestellt und zu Barren von 95 mm×229 mm nach dem D.C.-Verfahren gegossen unter Verwendung eines Glastuchsiebes in der Form. Die Gießgeschwindigkeit betrug 102 mm/Min. und die Gießtemperatur 700°C. Von der Oberfläche des Barrens wurden 6 mm auf jeder Seite abgefräst und der Barren wurde dann zu einer Dicke von 6 mm bei 490°C warm gewalzt und anschließend bis zu einer Dicke von 1 mm bzw. 0,6 mm kalt verwalzt. Das erhaltene Blech war superplastisch im Temperaturbereich von 450°C bis 500°C, was durch die folgenden Messungen festgestellt wurde:

(1) Empfindlichkeitsindex "m" der Verformungsgeschwindigkeit: Es wurden sowohl bei 450°C als auch bei 500°C Werte von 0,3 in einem Heiß-Zugfestigkeitstest eines Probestückes einer Länge von 51 mm bei einer Ausgangsdehnungsgeschwindigkeit von 2×10^-3 sec^-1 gemessen.
(2) Zugdehnung: Es wurden Werte von 232% und 267% bei 450°C bzw. 500°C gemessen unter Verwendung von Prüfblechen von 50 mm Länge bei einer Dehnungsgeschwindigkeit von 3×10^-2 sec^-1.
(3) Formen, wie halbkugelförmige Kuppeln, wurden durch Verformung mit komprimierter Luft (Niedrigdruck) bei 450°C geformt, z. B. wurde ein Blech von 0,6 mm Dicke bei einem Druck von 0,14 N/mm² bei 450°C in einer Zeit von 50 Sekunden zu einer Kuppel verformt.

Beispiel 2

Eine Legierung aus 4,94% Ca, 5,25% Zn wurde aus Aluminium handelsüblicher Reinheit, enthaltend 0,16% Fe und 0,07% Si und handelsreinem Calcium und Zink hergestellt. Die Legierung wurde zu Barren von 127 mm×508 mm×1016 mm nach dem D.C.-Verfahren vergossen unter Anwendung der gleichen Gießbedingungen wie in Beispiel 1. Die Oberflächen des Barrens wurden auf jeder Seite um 9 mm abgefräst, und die Barren wurden bis zu einer Dicke von 6 mm warmgewalzt und dann bis zu einer Dicke im Bereich von 1,5 mm bis 0,38 mm kalt verwalzt. Die Bleche zeigten superplastisches Verhalten. Der Index m der Empfindlichkeit der Verformungsgeschwindigkeit wurde mittels eines Blasverformungsverfahrens bestimmt, wie es beschrieben wird von Belk in "Ing. J. Mech. Sci.", Band 17, Seite 505 (1975). Die Werte für m lagen im Bereich von 0,26 und 0,37 in einem Prüftemperaturbereich von 375°C bis 525°C.

Nach der superplastischen Verformung bei 450°C wiesen die Legierungen bei Raumtemperatur die folgenden mechanischen Eigenschaften auf:

0,2% Streckgrenze162 N/mm² Zugfestigkeit183 N/mm² Dehnung19%

Beispiel 3

Legierungen mit einem Gehalt von annähernd 5,0% Ca, 5,0% Zn und verschiedenen dritten Elementen als Additive (Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit) wurden zu 89 mm×229 mm Barren nach dem D.C.-Verfahren vergossen und wie im Beispiel 1 beschrieben, zu Blechen verarbeitet. Die Zusammensetzungen und die Werte für den Prozentsatz der Dehnung und m bei 450°C dieser Legierungen wird in Tabelle I gezeigt.

Tabelle I

Superplastische Parameter, Prozentsatz Dehnung und m bei 450°C für die Legierungen des Beispiels 3

Beispiel 4

Eine Legierung aus 5,0% Ca und 5,0% Zn (Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit) wurde zu zylindrischen Extrusionsbarren mit einem Durchmesser von 178 mm nach dem D.C.-Verfahren unter Anwendung ähnlicher Gießbedingungen wie in Beispiel 1 vergossen. Der Barren wurde auf annähernd 500°C vorerhitzt und zu einem Rohr mit einem äußeren Durchmesser von 33 mm und einem inneren Durchmesser von 25 mm extrudiert. Dieses Rohr wurde dann kalt gezogen zu einem Rohr mit einem äußeren Durchmesser von 25 mm und einem inneren Durchmesser von 21 mm. Dieses kalt gezogene Rohr zeigte superplastisches Verhalten bei 450°C, wie aus seiner Fähigkeit hervorgeht, in einer Form mittels komprimierter Luft bei einem Druck von nur 0,56 N/mm² innerhalb von 15 Min. expandiert zu werden.

Beispiel 5

Eine Legierung aus 4,0% Ca und 4,0% Zn (Rest Aluminium handelsüblicher Reinheit) wurde zu einem 89 mm×229 mm Barren vergossen und in der im Beispiel 1 beschriebenen Weise zu einem Blech verwalzt. Die Prüfung der Zugfestigkeit wurde bei 450°C unter Verwendung eines Prüfstückes von 25,4 mm Länge durchgeführt. Bei einer Dehnungsgeschwindigkeit von 1,67×10^-3 sec^-1 wurde eine Dehnung von 226% aufgezeichnet, wodurch ersichtlich wird, daß die Legierung vollständig superplastisch ist.

Beispiel 6

Eine Legierung aus 4,94% Ca, 5,25% Zn wurde aus Aluminium handelsüblicher Reinheit, enthaltend 0,16% Fe und 0,07% Si und aus Calcium und Zink handelsüblicher Reinheit hergestellt. Die Legierung wurde unter Anwendung ähnlicher Gießbedingungen, wie im Beispiel 1 beschrieben, zu Barren einer Dimension von 127 mm×508 mm×1016 mm nach dem D.C.-Verfahren vergossen. Von jeder Seite des Barrens wurde 9 mm von der Oberfläche abgefräst und der Barren wurde zu einer Dicke von 6 mm warmgewalzt. Aus dieser Platte herausgeschnittene Prüfkörper, die bei 450°C mit einer Dehnungsgeschwindigkeit von 3×10^-2 sec^-1 geprüft wurden, zeigten eine Dehnung von 408% ohne Bruch, wodurch die superplastische Art des warmgewalzten Produktes bestätigt wurde.

Beispiel 7

Aus Proben der 6 mm dicken warmgewalzten Platte, die in Beispiel 6 beschrieben wird, wurden Butzen mit einem Durchmesser von 31,8 mm ausgestanzt. Diese wurden bei Raumtemperatur zu zylindrischen Bechern mit einem Durchmesser von 31,8 mm und einer Länge von annähernd 100 mm fließgepreßt. Die Becher waren superplastisch, was aus der Tatsache hervorgeht, daß sie zu komplexen Formen bei 450°C unter Verwendung von komprimierter Luft bei einem Druck von 0,42 N/mm² expandiert werden konnten.

Beispiel 8

Die in Tabelle II aufgeführten Legierungen wurden zu 89 mm ×229 mm Barren nach dem D.C.-Verfahren vergossen. Diese wurden zunächst auf 6 mm Dicke warmgewalzt und dann auf 1 mm gewalzt. Die Zugfestigkeitsprüfung wurde bei 450°C mit einer Dehnungsgeschwindigkeit von 5×10^-3 sec^-1 durchgeführt und dabei wurden die Dehnungen, wie sie in Tabelle II angezeigt werden, gemessen.

Tabelle II

Diese Ergebnisse zeigen, daß 1% Ca nicht ausreicht, um superplastische Eigenschaften zu verleihen, und daß die Zugabe von 3,5% und 5,0% Ca in Verbindung mit 5% Zn ausreicht für superplastisches Verhalten, wobei die letztere Zusammensetzung überlegen ist, und in der Zusammensetzung näher der eutektischen Rinne 10 der Zeichnung entspricht.

Beispiel 9

Legierungen der nachfolgend angegebenen Zusammensetzung (Rest Al handelsüblicher Reinheit) wurden wie in Beispiel 1 vergossen und zu 1-mm-Blechen gewalzt. Das Blech wurde bei Raumtemperatur einem Biegetest und bei 450°C einer Zugfestigkeitsprüfung unterworfen. Bei dem Biegetest wurde der kleinste Radius eines Dorns, über welchen die Proben noch ohne Rißbildung gebogen werden konnten, gemessen und in der nachfolgenden Tabelle aufgezeichnet. Dabei zeigte sich, daß höhere Zinkanteile mit niedrigen minimalen Biegeradien zusammengehen, d. h. weniger brüchig sind. Die Zugfestigkeitsprüfung bei hoher Temperatur ergab Dehnungswerte, aus denen ersichtlich ist, daß die Legierungen superplastisch sind.

Tabelle

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus einer Aluminium-Zink-Calcium-Legierung, mit 2 bis 8% Calcium, 1,5 bis 15% Zink; nicht mehr als jeweils 2% Magnesium, Silizium, Mangan und Kupfer; nicht mehr als jeweils 1,0% und nicht mehr als insgesamt 2% an anderen Elementen; und Aluminium als Rest, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise

(a) aus den Legierungskomponenten kontinuierlich bei einer Verfestigungsgeschwindigkeit von wenigstens 1 cm/min an der Verfestigungsfront ein Barren gegossen wird, der in einer Aluminium-Matrix mindestens 10 Vol.-% feine eutektische Ca-Zn-Al-intermetallische Stäbchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von 0,05 bis 1,5 µm enthält, die sich aus der Schmelze während des Gießverfahrens gebildet haben, und
(b) der Querschnitt des Barrens unter Aufbrechen der Stäbchen zu Teilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von weniger als 2 µm um wenigstens 60% verkleinert wird, so daß das Produkt superplastische Eigenschaften mit einer Zugdehnung von wenigstens 100% bei einer Verformungstemperatur im Bereich von 300 bis 600°C hat.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung, die 2 bis 7% Calcium und 1,5 bis 10% Zink enthält, verwendet wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einem rechtwinkligen Koordinatensystem eine Legierung mit einem Gehalt an Calcium und Zink innerhalb eines Vierecks mit den Eckpunkten 2,0% Calcium, 8,0% Zink; 6,0% Calcium, 8,0% Zink; 3,0% Calcium, 3,0% Zink; und 7,0% Calcium, 3,0% Zink verwendet wird.

4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung verwendet wird, die zusätzlich 0 bis 0,2% Magnesium,
0 bis 0,2% Kupfer,
0 bis 1,0% Silizium,
0 bis 1,0% Mangansowie jeweils 0 bis 0,5% und 0 bis 1% insgesamt Eisen, Titan, Vanadium, Chrom, Zirkonium und Strontium und andere Elemente jeweils bis 0,25%, insgesamt 0 bis 1%, enthält.

5. Verwendung eines Produktes, hergestellt gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 zur Herstellung von geformten Blechprodukten, mit der Maßgabe, daß das Produkt auf Verformungstemperaturen im Bereich von 300 bis 600°C erhitzt und unter Fluiddruck gegen die Oberfläche einer Form gepreßt wird.