ПОТОЧНЫЙ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТЕРМООБРАБОТАННОГО И ОТОЖЖЕННОГО ЛИСТА АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА
LINE MANUFACTURING METHOD OF HEAT-TREATED AND ANNEALED SHEET OF ALUMINIUM ALLOY

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления листа алюминиевого сплава в непрерывном поточном процессе. Более конкретно, непрерывный процесс используют для изготовления имеющего желаемые свойства листа алюминиевого сплава в состоянии T или O с минимальным количеством стадий и наименьшим возможным временем обработки.
Уровень техники
В обычных способах изготовления листа алюминиевого сплава для использования в промышленных областях применения, таких как автомобильные панели, элементы жесткости, контейнеры для напитков и авиационно-космические применения, используются периодические процессы, которые включают в себя разнообразные последовательности отдельных стадий. Как правило, отливают большой слиток с толщиной вплоть до примерно 30 дюймов и охлаждают его до температуры окружающей среды, а затем хранят для дальнейшего использования. Когда слиток необходим для дальнейшей обработки, с него сначала удаляют поверхностный слой для удаления поверхностных дефектов. После того как поверхностные дефекты были удалены, слиток подогревают до температуры примерно 1040°F в течение периода времени от 20 до 30 часов для обеспечения того, что компоненты сплава надлежащим образом распределены по металлургической структуре. Затем его охлаждают до более низкой температуры для горячей прокатки. Применяют несколько проходов для уменьшения толщины слитка до диапазона, требуемого для холодной прокатки. Промежуточный отжиг или самоотжиг, как правило, осуществляют на рулоне. Затем полученную «горячую полосу» подвергают холодной прокатке до желаемой толщины и сворачивают в рулон. В случае не прошедших термообработку продуктов, рулон дополнительно отжигают на периодической стадии с получением O-состояния. Для производства термообработанных продуктов лист в рулоне подвергают отдельной операции термообработки, как правило, на линии непрерывной термообработки. Это подразумевает размотку рулона, термообработку на твердый раствор при высокой температуре, закалку и повторное свертывание в рулон. Указанный выше процесс от начала до конца может занимать несколько недель для подготовки рулона к продаже, что приводит в результате к большим текущим производственным запасам и запасам конечной продукции, в дополнение к потерям в отходы на каждой стадии этого процесса.
Из-за очень продолжительного времени обработки в этой технологической схеме до сих пор предпринимаются многочисленные попытки его сокращения посредством устранения определенных стадий при одновременном сохранении желаемых свойств конечной продукции.
Например, в патенте США №5655593 описывается способ изготовления листа алюминиевого сплава, согласно которому отливают тонкую полосу (вместо толстого слитка), которую быстро прокатывают и непрерывно охлаждают в течение периода времени менее 30 секунд до температуры менее 350°F. В патенте США №5772802 описывается способ, при котором отлитую полосу алюминиевого сплава закаливают, прокатывают, отжигают при температурах в пределах между 600° и 1200°F в течение менее чем 120 секунд, с последующими закалкой, прокаткой и старением.
Патент США №5356495 описывает способ, в котором отлитую полосу подвергают горячей прокатке, сворачивают в горячем состоянии в рулон и выдерживают при температуре горячей прокатки в течение 2-120 минут, с последующими разматыванием рулона, закалкой и холодной прокаткой при температуре менее чем 300°F, с последующим повторным свертыванием листа в рулон.
Ни один из указанных выше способов не раскрывает и не предполагает последовательности стадий по настоящему изобретению. По-прежнему существует необходимость в создании непрерывного поточного способа изготовления термообработанного (состояние T) и отожженного (состояние O) листа, имеющего желаемые свойства, за более короткий период времени, с меньшими затратами, или без них, и с меньшими потерями на лом.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение удовлетворяет указанную выше потребность посредством создания способа изготовления листа алюминиевого сплава в непрерывной поточной (in-line) последовательности, включающей в себя: (i) получение непрерывно-литой полосы алюминиевого сплава в качестве заготовки; (ii) необязательно, закалку заготовки до предпочтительной температуры горячей прокатки; (iii) горячую или теплую прокатку закаленной заготовки до требуемой толщины; (iv) отжиг или термообработку заготовки на твердый раствор в поточной линии в зависимости от сплава и желаемого состояния; и (v) необязательно, закалку заготовки. Предпочтительно, дополнительные стадии включают в себя правку растяжением и сворачивание в рулон.
Этот способ обеспечивает возможность устранения множества стадий и сильного сокращения времени обработки, но при этом по-прежнему приводит к получению листа алюминиевого сплава, имеющего все желаемые свойства. Как термообработанные изделия, так и изделия в состоянии O изготавливают на одной и той же производственной линии, что занимает примерно 30 секунд на преобразование расплавленного металла в готовый рулон. Следовательно, целью настоящего изобретения является создание непрерывного поточного способа изготовления листа алюминиевого сплава, имеющего свойства, сходные со свойствами, обеспечиваемыми обычными способами, или превосходящие их.
Дополнительной целью настоящего изобретения является создание непрерывного поточного способа более быстрого изготовления листа алюминиевого сплава таким образом, чтобы свести к минимуму отходы и время обработки.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание непрерывного поточного способа изготовления листа алюминиевого сплава в более эффективном и экономичном процессе.
Эти и другие цели настоящего изобретения станут более понятными из следующих далее чертежей, подробного описания и прилагаемой формулы изобретения.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение дополнительно иллюстрируется с помощью следующих далее чертежей.
Фиг.1 представляет собой блок-схему стадий способа по настоящему изобретению в одном из вариантов его реализации.
Фиг.2 представляет собой схематическое изображение одного из вариантов реализации установки, используемой для осуществления способа по настоящему изобретению.
Фиг.3 представляет собой дополнительный вариант реализации установки, используемой при осуществлении способа по настоящему изобретению. Эта линия снабжена четырьмя прокатными станами для достижения меньшей конечной толщины.
Фиг.4a представляет собой график, демонстрирующий характеристики равномерного двухосного растяжения листа 6022-T43 (толщиной 0,035 дюйма), полученного в поточной линии, по сравнению с листом, полученным из заготовки бесслиткового литья (БСЛ-заготовки) (Direct Chill (DC) Casting) и термообработанным вне поточной линии (off-line).
Фиг.4b представляет собой график, демонстрирующий характеристики равномерного двухосного растяжения листа сплава 6022-T4, полученного в поточной линии, по сравнению с листом, полученным из БСЛ-заготовки и термообработанным вне поточной линии.
Фиг.5 представляет собой изображение образца 804908 (сплав 6022 в состоянии T43) после нанесения лакокрасочного покрытия с помощью электрического тока (технология «e-coating»).
Фиг.6a представляет собой изображение, демонстрирующее размер зерен сплава 6022, прокатанного в поточной линии до толщины 0,035 дюйма без предварительной закалки.
Фиг.6b представляет собой изображение, демонстрирующее размер зерен сплава 6022, прокатанного в поточной линии до толщины 0,035 дюйма с предварительной закалкой.
Фиг.7а изображает структуру непосредственно после литья (as cast) сплава 6022 в поперечном сечении.
Фиг.7b и 7с состоят из двух микрофотографий, демонстрирующих структуру соответственно поверхности и оболочки из сплава 6022 в состоянии непосредственно после литья в поперечном сечении.
Фиг.7d и 7е представляют собой микрофотографии структуры центральной зоны из сплава 6022 в состоянии непосредственно после литья в поперечном сечении.
2
Фиг.7f и 7g представляют собой микрофотографии, демонстрирующие случайные небольшие поры и входящие в состав фазы (в основном частицы AlFeSi и немного MgSi) в центральной зоне литой структуры сплава 6022 в поперечном сечении.
Фиг.8 изображает микроструктуру непосредственно после литья сплава Al+3,5% Mg в поперечном направлении.
Фиг.9 показывает результаты испытаний на равномерное двухосное растяжение сплавов АХ-07 при толщине 0,041 дюйма (1,4% Mg) и обычного сплава 5754 (3,5% Mg).
Подробное описание предпочтительных вариантов реализации
Настоящее изобретение предусматривает способ изготовления листа алюминиевого сплава в непрерывной поточной последовательности, включающий в себя: (i) получение непрерывно-литой тонкой полосы алюминиевого сплава в качестве заготовки; (ii) необязательно, закалку заготовки до предпочтительной температуры горячей или теплой прокатки; (iii) горячую или теплую прокатку закаленной заготовки до желаемой конечной толщины; (iv) отжиг или термообработку заготовки на твердый раствор в поточной линии в зависимости от сплава и желаемого состояния; и (v) необязательно, закалку заготовки, после чего ее предпочтительно подвергают правке растяжением и сворачиванию в рулон. Этот способ приводит к получению листа алюминиевого сплава, имеющего желаемые размеры и свойства. В предпочтительном варианте реализации лист алюминиевого сплава сворачивают в рулон для последующего использования. Эта последовательность стадий отражена на блок-схеме по фиг.1, которая показывает заготовку 1 в виде непрерывно-литой полосы из алюминиевого сплава, которая необязательно проходит через участки 2 резки и обрезки, затем ее необязательно закаливают для регулировки температуры (участок 4), подвергают горячей прокатке (участок 6) и необязательно обрезают (участок 8). Затем заготовку либо отжигают (участок 16), с последующими соответствующей закалкой (участок 18) и необязательным сворачиванием в рулон (участок 20), с получением продукции 22 в состоянии O, либо подвергают термообработке на твердый раствор (участок 10), с последующими соответствующей закалкой (участок 12) и необязательным сворачиванием в рулон (участок 14), с получением продукции 24 в состоянии T. Как можно увидеть на фиг.1, температура стадии нагрева и следующей за ней стадии закалки будет изменяться в зависимости от желаемого состояния.
Используемый здесь термин «отжиг» относится к процессу нагрева, который вызывает протекание рекристаллизации металла, давая однородную формуемость и помогая контролировать фестонообразования. Типичные температуры, используемые при отжиге алюминиевых сплавов, находятся в диапазоне от примерно 600° до 900°F.
Также используемый здесь термин «термообработка на твердый раствор» относится к металлургическому процессу, при котором металл выдерживают при высокой температуре с тем, чтобы вызвать растворение частиц вторичных фаз легирующих элементов в твердом растворе. Температуры, используемые при термообработке на твердый раствор, как правило, являются более высокими, чем те, которые используются при отжиге, и находятся в диапазоне вплоть до примерно 1060°F. Это состояние затем сохраняют посредством закалки металла с целью упрочнения конечной продукции посредством контролируемого выделения вторичных фаз (старения).
Используемый здесь термин «заготовка» относится к алюминиевому сплаву в форме полосы. Заготовка, используемая при осуществлении настоящего изобретения на практике, может быть получена посредством любого числа технологий непрерывного литья, хорошо известных специалистам в данной области техники. Предпочтительный способ получения полосы описан в патенте США №5496423, выданном Wyatt-Mair и Harrington. Другим предпочтительным способом является тот, который описан в совместно поданных заявках с порядковыми №№10/078638 (теперь патент США №6672368) и 10/377376, права на которые принадлежат правопреемнику настоящего изобретения. Непрерывно-литая полоса алюминиевого сплава по толщине предпочтительно находится в пределах от примерно 0,06 до 0,25 дюйма, более предпочтительно - примерно от 0,08 до 0,14 дюйма по толщине. Как правило, отлитая полоса будет иметь ширину вплоть до примерно 90 дюймов в зависимости от желаемой непрерывной обработки и конечного применения (назначения) листа.
Обращаясь теперь к фиг.2, там схематически показана предпочтительная установка, используемая при осуществлении предпочтительного варианта реализации способа по настоящему изобретению. Разливаемый расплавленный металл удерживают в емкостях 31, 33 и 35 для расплава, пропускают через желоб 36 и далее подготавливают посредством дегазации 37 и фильтрования 39. Разливочное устройство 41 подает расплавленный металл в машину 45 непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Металлическую заготовку 46, которая выходит из этой машины 45, перемещают через необязательные участки 47 и 49 резки и обрезки для обрезки краев и поперечной резки, после чего ее направляют на участок 51 закалки для установления температуры прокатки. Участок резки (ножницы) приводят в действие, когда процесс прерывают; когда он идет, ножницы открыты.
После необязательной закалки 51 заготовку 46 пропускают через прокатный стан 53, из которого она выходит с требуемой конечной толщиной. Заготовку 46 пропускают через толщиномер 54, профилометр 55 и необязательно обрезают по краям на участке 57, а затем отжигают или подвергают термообработке на твердый раствор в нагревателе 59.
После отжига/термообработки на твердый раствор в нагревателе 59 заготовку 46 пропускают через профильный калибр (шаблон) 61 и необязательно закаливают на участке 63 закалки. Дополнительные стадии включают в себя пропускание заготовки 46 через правильно-растяжную машину для выравнивания листа на участке 65, и затем ее подвергают контролю качества поверхности на участке 67. Затем полученный в результате лист алюминиевого сплава сворачивают в рулон на участке 69 сворачивания в рулон. Общая длина технологической линии от МНЛЗ до моталки оценивается в примерно 250 футов. Общее время обработки от расплавленного металла до рулона составляет, следовательно, примерно 30 секунд.
При осуществлении настоящего изобретения на практике может быть использовано любое из множества различных закалочных устройств. Как правило, участок закалки представляет собой такой участок, на котором охлаждающую текучую среду, либо в жидкой, либо в газообразной форме, распыляют на горячую заготовку для быстрого понижения ее температуры. Пригодные охлаждающие текучие среды включают в себя воду, воздух, сжиженные газы, такие как двуокись углерода, и тому подобное. Предпочтительным является, чтобы закалка осуществлялась быстро для быстрого уменьшения температуры горячей заготовки с тем, чтобы предотвратить существенное выделение легирующих элементов из твердого раствора.
Как правило, закалка на участке 51 понижает температуру заготовки по мере ее выхода из машины непрерывного литья заготовок от температуры в примерно 1000°F до желаемой температуры горячей или теплой прокатки. Как правило, заготовка будет покидать закалку на участке 51 с температурой, находящейся в пределах от примерно 400° до 900°F, в зависимости от сплава и желаемого состояния. Для этой цели могут быть использованы распыление воды или воздушная закалка.
Горячую или теплую прокатку на участке 53, как правило, осуществляют при температурах в пределах диапазона примерно от 400° до 1020°F, более предпочтительно - от 700° до 1000°F. Степень обжатия по толщине под влиянием стадии горячей прокатки по настоящему изобретению предназначается для достижения требуемой конечной толщины. Она, как правило, подразумевает обжатие в примерно 55%, и толщину полосы непосредственно после литья устанавливают так, чтобы достичь этого обжатия. Температура листа на выходе из участка прокатки находится в пределах между примерно 300° и 850°F, более предпочтительно - от 550° до 800°F, поскольку лист охлаждается валками во время прокатки.
Предпочтительно, толщина заготовки при ее выходе из участка 53 прокатки будет составлять примерно от 0,02 до 0,15 дюйма, более предпочтительно - примерно от 0,03 до 0,08 дюйма.
Нагрев, осуществляемый в нагревателе 59, определяется сплавом и состоянием, желаемым для конечного изделия (продукции). В одном из предпочтительных вариантов реализации для достижения состояний T заготовка будет подвергаться термообработке на твердый раствор в поточной линии при температурах выше примерно 950°F, предпочтительно - примерно 980°-1000°F. Нагрев осуществляют в течение периода времени примерно от 0,1 до 3 секунд, более предпочтительно - примерно от 0,4 до 0,6 секунды.
В другом предпочтительном варианте реализации, когда желаемым является состояние O, заготовка будет требовать только отжига, который может быть достигнут при более низких температурах, как правило, составляющих примерно от 700° до 950°F, более предпочтительно - примерно 800°-900°F, в зависимости от сплава. Опять же, нагрев осуществляют в течение периода времени примерно от 0,1 до 3 секунд, более предпочтительно - примерно от 0,4 до 0,6 секунды.
Подобным же образом, закалка на участке 63 будет зависеть от состояния, желаемого для конечного изделия. Например, заготовка, которая прошла термообработку на твердый раствор, будет закаливаться, предпочтительно - закаливаться воздухом и водой, до температуры примерно от 110° до 250°F, предпочтительно - до температуры примерно до 160°-180°F, а затем сворачиваться в рулон. Предпочтительно, закалка на участке 63 представляет собой закалку водой или закалку воздухом (воздушную закалку), или комбинированную закалку, при которой сначала применяют воду, чтобы довести температуру листа до температуры чуть выше температуры Лейденфроста (примерно 550°F для многих алюминиевых сплавов), и продолжают посредством воздушной закалки. Этот способ будет объединять преимущество быстрого охлаждения путем закалки водой с закалкой при низких напряжениях воздушными струями, которые обеспечат высокое качество поверхности в изделии и сведут к минимуму волнистость. Для термообработанных изделий предпочтительной является температура на выходе 200°F или ниже.
Изделия, которые были подвергнуты отжигу, а не термообработке, будут закаливаться, предпочтительно - закаливаться воздухом и водой, до примерно 110°-720°F, предпочтительно - до примерно 680°-700°F для некоторых изделий, и до более низких температур вблизи 200°F - для других изделий, которые подвержены выделению интерметаллических соединений во время охлаждения, а затем сворачиваться в рулон.
Хотя способ по настоящему изобретению, описываемый до сих пор как один из вариантов реализации, имеет одну единственную стадию горячей или теплой прокатки для достижения требуемой конечной толщины, предусматриваются и другие варианты реализации, и может использоваться любое сочетание горячей и холодной прокатки для достижения меньших толщин, например толщин в примерно 0,007-0,075 дюйма. Система прокатных станов для этих толщин могла бы включать в себя стадию горячей прокатки с последующими стадиями горячей и/или холодной прокатки, по потребности. В такой системе участок отжига и термообработки на твердый раствор должен располагаться после того, как достигнута конечная толщина, после чего следует участок закалки. Дополнительные стадии отжига и закалки в поточной линии могут располагаться между стадиями прокатки для промежуточного отжига и для удерживания растворенных элементов в твердом растворе, по необходимости. В любые такие системы должна быть включена предварительная закалка перед горячей прокаткой для регулировки температуры полосы с целью управления размером зерен. Стадия предварительной закалки является необходимой для сплавов, подвергающихся укорачиванию в горячем состоянии.
Фиг.3 схематически показывает установку для одного из многочисленных альтернативных вариантов реализации, в котором осуществляют дополнительные стадии нагрева и прокатки. Металл нагревают в печи 80, и расплавленный металл удерживают в емкостях 81, 82 для расплава. Расплавленный металл пропускают через желоб 84 и далее подготавливают посредством дегазации 86 и фильтрования 88. Разливочное устройство 90 подает расплавленный металл в машину 92 непрерывного литья заготовок, иллюстрируемую в качестве примера как ленточная машина непрерывного литья, хотя и не ограничивающуюся этим примером. Металлическую заготовку 94, которая выходит из машины 92, перемещают через необязательные участки 96 и 98 резки и обрезки соответственно для обрезки краев и поперечной резки, после чего ее направляют на участок 100 необязательной закалки для регулировки температуры прокатки.
После закалки 100 заготовку 94 пропускают через стан 102 горячей прокатки, из которого она выходит с промежуточной толщиной. Затем заготовку 94 подвергают дополнительной горячей прокатке в стане 104 и холодной прокатке в станах 106, 108 до достижения желаемой конечной толщины.
Затем заготовку 94 необязательно обрезают на участке 110, а затем отжигают или подвергают термообработке на твердый раствор в нагревателе 112. После отжига/термообработки на твердый раствор в нагревателе 112 заготовка 94 необязательно проходит через профильный калибр 113, и ее необязательно закаливают на участке 114 закалки. Полученный в результате лист подвергают рентгеновскому контролю на участках 116, 118 и контролю качества поверхности на участке 120, а затем необязательно сворачивают в рулон.
Подходящие алюминиевые сплавы в случае термообрабатываемых сплавов включают, но не ограничиваются ими, сплавы серий 2XXX, 6XXX и 7XXX. Подходящие нетермообрабатываемые сплавы включают, но не ограничиваются ими, сплавы серий 1XXX, 3XXX и 5XXX. Настоящее изобретение является также применимым к новым и нетрадиционным сплавам и имеет широкий диапазон рабочих режимов как по отношению к отливке, прокатке, так и обработке в поточной линии.
Примеры
Следующие далее примеры предназначены для иллюстрации настоящего изобретения и не должны рассматриваться как ограничивающие настоящее изобретение каким-либо образом.
Пример 1. Поточное изготовление термообрабатываемого сплава. Термообрабатываемый алюминиевый сплав обрабатывали в поточной линии посредством способа по настоящему изобретению. Состав отливки выбирали из диапазона составов сплава 6022, который используют для автомобильных панелей. Анализ расплава дает следующее.
Элемент
Процент массовый
Si
0,8
Fe
0,1
Cu
0,1
Mn
0,1
Mg
0,7
Сплав отливали до толщины 0,085 дюйма при скорости 250 футов в минуту и обрабатывали в поточной линии посредством горячей прокатки в одну стадию до конечной толщины в 0,035 дюйма, с последующим нагревом до температуры 980°F на 1 секунду для термообработки на твердый раствор, после чего его закаливали до 160°F посредством распыления воды и сворачивали в рулон. Затем брали образцы из самых верхних витков рулона для изучения. Одному набору образцов давали возможность стабилизоваться при комнатной температуре в течение 4-10 дней для достижения состояния T4. Второй набор подвергали специальной обработке предварительного старения при 180°F в течение 8 часов до тех пор, пока он не стабилизируется. Это специальное состояние называют T43. Рабочие характеристики образцов оценивали с помощью нескольких испытаний, которые включают в себя отклик на загиб кромки, одноосное растяжение, равномерное двухосное растяжение (гидравлическое выпучивание) и старение в цикле горячей сушки лакокрасочного покрытия автомобилей. Полученные результаты сравнивали с результатами, которые получали на листе из такого же сплава, полученном с помощью обычного слиткового способа. Деформированные образцы из испытания на гидравлическое выпучивание также подвергали модельному циклу покраски автомобилей для проверки на качество поверхности и упрочняющего отклика на покраску. Во всех отношениях изготовленный в поточной линии предложенным способом лист работал также или лучше, чем тот, который был изготовлен слитковым способом.
Таблица 1Свойства на растяжение листа 6022-T43, полученного в поточной линии предложенным способом. Измерения осуществляли после девяти дней естественного старения на образцах согласно ASTM. Номер отливки: 031009
Закалка перед прокаткой
TFX, °F
Поточная закалка, °F
Номер образца
TYS, килофунтов/кв. дюйм
UTS, килофунтов/кв. дюйм
Относительное удлинение, %
Величина r
r бар
равномерное
полное
T43 (продольное направление)
нет
980
114
805656
18,6
36,6
25,5
30,4
1,079
нет
1000
114
805658
19,3
37,2
23,6
26,7
1,144
Лист из обычного слитка - T43
типичное
17,8
34,5
21,5
24,5
0,826
Т43 (45°)
нет
980
114
805656
18,5
36,4
24,2
28,0
0,760
нет
1000
114
805658
19,6
37,6
25,4
29,7
0,725
Лист из обычного слитка - T43
типичное
17,0
33,4
24,5
26,9
0,602
Т43 (поперечное направление)
нет
980
114
805656
18,4
36,2
22,1
24,5
0,988
0,897
нет
1000
114
805658
19,0
36,37
23,6
26,3
0,889
0,896
Лист из обычного слитка - T43
типичное
16,6
32,5
22,8
26,4
0,642
0,668
Требования потребителей (минимальные)
14,0
19,0
21,0
0,500
Примечания:
1. Состояния T43 достигали посредством выдерживания образцов при 180°F в течение 8 часов в отдельной печи после изготовления. Время между изготовлением и поступлением образцов в печь составляло менее 10 минут.
2. TFX - температура на выходе из печи (furnace exit temperature)
3. TYS - предел текучести при растяжении (tensile yield strength)
4. UTS - предел прочности при растяжении (ultimate tensile strength)
5. 1 килофунт/кв.дюйм (ksi)=6,894757 МПа
Результаты испытаний на растяжение показаны в таблице 1 для листа в состоянии T43 в сравнении с результатами, типичными для листа, полученного из слитка. Отмечено, что во всех отношениях свойства листа, полученного предложенным способом, превосходили требования потребителей и выглядели очень хорошо по сравнению с результатами для обычного листа в таком же состоянии. В отношении изотропии свойств, измеряемой посредством величины r, например, лист, полученный предложенным способом, достигал 0,897 по сравнению с 0,668 для листа из слитка. В этих испытаниях был также выявлен в целом более высокий коэффициент деформационного упрочнения в 0,27 (по сравнению с 0,23 для листа из слитка). Оба этих выявленных факта являются важными, поскольку они говорят о том, что лист, полученный предложенным способом, является более изотропным и способен лучше противостоять утончению во время операций формования. Сходные наблюдения были применимы также к образцам листов в состоянии T4.
Испытания на плоский загиб кромки были выполнены после 28 дней старения при комнатной температуре. В этих испытаниях применяли предварительное растяжение в 11% по сравнению с величиной 7%, требуемой в спецификациях потребителей. Даже при этих более жестких условиях все образцы получали приемлемую оценку 2 или 1, таблица 2. В сходном испытании полученный из слитка лист показывает в среднем оценку 2-3 для продольных загибов и 2 для поперечных загибов. Это говорит о том, что лист, полученный в поточной линии, имеет превосходные свойства при образовании загибов. Некоторые образцы были подвергнуты термообработке на твердый раствор вне поточной линии в солевой ванне после изготовления. При испытании эти образцы также демонстрировали превосходные характеристики загиба кромки, как видно в таблице 2.
Таблица 2
Оценки плоского загиба (при предварительном растяжении 11%) после 28 дней естественного старения для сплава 6022 при толщине 0,035 дюйма (номер отливки: 030820)
Закалка перед прокаткой
Поточный отжиг, °F
Поточная закалка, °F
Толщина, дюймы
Номер образца
Оценка загибов
Примечания
С710-Т43 состояние
L
T
нет
950
160
0,035
804908
2
2
Изготовлен в поточной линии
нет
950
160
0,035
804909
2
2
Изготовлен в поточной линии
есть
нет
104
0,035
804912
1
2
Термообработка вне поточной линии: 1040°F/1 мин
есть
920
140
0,035
804914
2
2
Термообработка вне поточной линии: 1010°F/1 мин
Лист из обычного слитка - состояние T43
"2-3"
2
Примечания:
1. Состояния T43 достигали посредством выдерживания образцов при 180°F в течение 8 часов в отдельной печи после изготовления. Время между изготовлением и поступлением образцов в печь составляло менее 10 минут.
2. Требования к загибу кромки: оценка 2 или менее при предварительном растяжении 7%.
3. L - продольное направление, Т - поперечное направление.
При равномерном двухосном растяжении посредством гидравлического выпучивания характеристики листа, полученного в поточной линии, были сравнимы с характеристиками листа, полученного из слитка, как видно по кривым напряжение-деформация на фиг.4a и 4b. Это наблюдение было применимо как в состоянии T4, так и в состоянии T43. Характеристики в этом испытании были особенно важными, поскольку известно, что непрерывно-литые материалы обычно не работают как следует при этом испытании из-за наличия осевой (относительно центральной оси) сегрегации крупных интерметаллических частиц.
Упрочняющий отклик на цикл горячей сушки лакокрасочного покрытия оценивали посредством выдерживания образцов в печи при 338°F с продолжительностью 20 минут (цикл Nissan). При этой обработке предел текучести образцов при растяжении (TYS) увеличивался на величину вплоть до 13 килофунтов/кв. дюйм, таблица 3. Во всех случаях требуемый минимум в 27,5 килофунта/кв. дюйм был легко достигнут в состоянии T43. Общий отклик в таком состоянии был сравним со средними рабочими характеристиками листа, полученного из БСЛ-заготовки. Как ожидается, образцы в состоянии T4 были до некоторой степени неудовлетворительными в этом отношении.
Образцы, деформированные гидравлическим выпучиванием, контролировали на качество поверхности, и при этом было обнаружено, что они не демонстрируют никаких нежелательных особенностей, таких как «апельсиновая корка», газовые пузыри и тому подобное. Выбранные образцы после выпучивания подвергали модельному циклу окраски автомобиля. Фиг.5 показывает превосходное качество окрашенной поверхности без следов (линий) красящей кисти, пузырей или линейных особенностей поверхности.
Лист с конечной толщиной изучали на размер зерен, и при этом было обнаружено, что он имеет средний размер зерен 27 мкм в продольном направлении и 36 мкм в направлении по толщине, фиг.6а. Это существенно меньше, чем размер 50-55 мкм, типичный для листа, полученного из слитка. Поскольку мелкий размер зерен считается в целом преимущественным, вполне вероятно, что часть хороших/превосходных свойств листа, полученного предложенным способом, связано именно с этим фактором. Было обнаружено, что в предложенном способе может быть получен даже еще меньший размер зерен посредством быстрого охлаждения полосы до примерно 700°F перед тем, как ее прокатывают. Этот эффект иллюстрируется на фиг.6а и 6b, где показаны рядом два образца. Размер зерен охлажденного образца (фиг.6b) составил 20 мкм в продольном направлении и 27 мкм в поперечном направлении, и эти значения являются соответственно на 7 и 9 мкм меньше, чем те, что наблюдались в листе, который не подвергали охлаждению предварительной закалкой (фиг.6а).
2
Образцы полосы непосредственно после литья закаливали и исследовали металлографическим методом для дальнейшего понимания преимуществ литья тонкой полосы. Образцы демонстрировали трехслойную структуру, характерную для способа полосового литья фирмы Alcoa, фиг.7а. Поверхности полосы были чистыми (никакой ликвации, газовых пузырей или других поверхностных дефектов) с мелкодисперсной микроструктурой, фиг.7b и 7с. В отличие от материала, непрерывно отливаемого посредством ленточных машин непрерывного литья Hazelett или валковых машин непрерывного литья, полученная предложенным способом полоса не демонстрировала никакой осевой сегрегации крупных частиц интерметаллических соединений. В противоположность этому, затвердевающая последней жидкость образовывала мелкодисперсные частицы вторичных фаз между зернами в центральной зоне, которая покрывала примерно 25% сечения, фиг.7d и 7е. Такое отсутствие заметной осевой сегрегации в предложенном способе обеспечивало наблюдаемые хорошие механические свойства, в особенности, при испытаниях на равномерное двухосное растяжение. Большинство наблюдаемых частиц вторичных фаз представляли собой фазу AlFeSi со средним размером <1 мкм, фиг.7f и 7g. В центральной зоне образца были видны некоторые частицы MgSi, но их не было замечено в наружных «оболочках», фиг.7b и 7с. Это говорит о том, что быстрое затвердевание в МНЛЗ способно удерживать растворимые элементы в растворе в наружных зонах структуры. Этот фактор, в сочетании с мелкодисперсной общей микроструктурой полосы (см. таблицу 4), делал возможным полное растворение всех растворимых элементов при существенно более низких температурах термообработки на твердый раствор в 950°-980°F, чем температура в 1060°F, которая понадобилась бы для листа, полученного из БСЛ-заготовки.
Таблица 4
Характеристики входящих в состав частиц и пор, обнаруженных в образцах сплава С710 непосредственно после литья (номер отливки: 030820)
Место в полосе
Поры
Частицы
Средний диаметр, мкм
Площадь, %
Средний диаметр, мкм
Площадь, %
Центр, поперечное направление
0,37
0,37
0,50
0,143
Центр, продольное направление
0,38
0,34
0,31
0,077
В среднем
0,38
0,36
0,41
0,11
Оболочка, поперечное направление
0,35
0,21
0,32
0,23
Оболочка, продольное направление
0,33
0,25
0,28
0,19
В среднем
0,34
0,23
0,30
0,21
Примечания:1. Входящие в состав частицы представляли собой в основном фазу AlFeSi. В центральной зоне также было видно небольшое количество Mg<sub>2</sub>Si.
2. Каждый результат представляет собой среднее значение по 20 различным кадрам.
Пример 2: Поточное изготовление нетермообрабатываемого сплава. Нетермообрабатываемый алюминиевый сплав обрабатывали способом по настоящему изобретению. Состав отливки выбирали в диапазоне составов сплава 5754, который используют во внутренних панелях автомобиля и элементах жесткости. Анализ расплава дал следующее.
Элемент
Процент массовый
Si
0,2
Fe
0,2
Cu
0,1
Mn
0,2
Mg
3,5.
Сплав отливали в полосу толщиной 0,085 дюйма при скорости 250 футов в минуту. Полосу сначала охлаждали до примерно 700°F посредством распылителей воды, расположенных перед прокатным станом, после чего ее сразу же обрабатывали в поточной линии посредством горячей прокатки в одну стадию до конечной толщины 0,040 дюйма, с последующими нагревом до температуры 900°F на 1 секунду для рекристаллизационного отжига, после чего ее закаливали до 190°F посредством распылителей воды и сворачивали в рулон. Рабочие характеристики образцов оценивали посредством испытаний на одноосное растяжение и на предельную высоту купола (limiting dome height, LDH).
Результаты испытаний на растяжение показаны в таблице 5. Предел текучести при растяжении (TYS) и относительное удлинение образца в продольном направлении составили 15,2 килофунта/кв. дюйм и 25,7% соответственно, что гораздо выше минимума в 12 килофунтов/кв. дюйм и 17%, требуемого для сплава 5754. Значение предела прочности при растяжении (UTS) составило 35,1 килофунта/кв. дюйм, т.е. в середине предписанного диапазона 29-39 килофунтов/кв. дюйм. При испытании на предельную высоту купола в результате измерения было получено значение в 0,952 дюйма, что соответствовало требуемому минимуму в 0,92 дюйма. Эти значения выглядели хорошо по сравнению с типичными свойствами, о которых сообщается для листа, полученного из БСЛ-заготовки. Лист по настоящему изобретению имел более высокое относительное удлинение, более высокий предел прочности UTS и более высокий коэффициент упрочнения при деформации n. Ожидалась более высокая величина r анизотропии, однако она не была выявлена при испытании этого образца. Величина r составила 0,864 по сравнению с 0,92 для БСЛ-листа.
Лист с конечной толщиной исследовали на размер зерен, и было обнаружено, что он имеет средний размер зерен 11-14 мкм (ASTM 9,5). Это существенно меньше, чем размер 16 мкм, типичный для листа, полученного из слитка. Поскольку малый размер зерен считается в целом преимущественным, вполне вероятно, что часть хороших/превосходных свойств листа, полученного предложенным способом, обусловлена этим фактором.
Образцы полосы непосредственно после литья закаливали и исследовали металлографическим методом. Несмотря на различия в химическом составе, образцы непосредственно после литья демонстрировали такую же трехслойную структуру, как и та, которая описана выше для сплава 6022, фиг.8. Это подтверждает, что трехслойная мелкодисперсная микроструктура, которая делает возможной поточную обработку полосы, описанную в настоящем изобретении, является характерной для способа полосового литья фирмы Alcoa.
Были также исследованы различия в технологическом маршруте изготовления. В одном из испытаний лист толщиной 0,049 дюйма изготовили в поточной линии без поточного отжига, таблица 5. Затем этот образец подвергли мгновенному отжигу (с очень быстрым нагревом) вне поточной линии в солевой ванне при 975°F в течение 15 секунд, с последующей закалкой водой. Этот образец продемонстрировал сходные свойства и высокую величину r, сравнимую с теми, которые описаны выше для листа, изготовленного с поточным отжигом. Эта эквивалентность подтвердила, что изготовление в поточной линии способно развивать полностью все свойства сплава в О-состоянии. В другом испытании полосу подвергли горячей прокатке в поточной линии до толщины 0,049 дюйма и закалили до 160°F без поточного отжига. Затем ее подвергли холодной прокатке до толщины 0,035 дюйма и мгновенному отжигу при 950°F в течение 15 секунд, таблица 5. Этот лист также развил хорошие механические свойства. Эти наблюдения говорят о том, что горячая и холодная прокатки могут объединяться с поточным конечным отжигом для получения листа в широком диапазоне толщины продукции в O-состоянии посредством настоящего изобретения.
Пример 3. Поточное изготовление нетермообрабатываемого сплава со сверхвысоким содержанием Mg. Сплав Al - 10% Mg обрабатывали способом по настоящему изобретению. Состав расплава был следующим.
Элемент
Процент массовый
Si
0,2
Fe
0,2
Cu
0,2
Mn
0,3
Mg
9,5
Сплав отливали в полосу толщиной 0,083 дюйма при скорости 230 футов в минуту. Полосу сначала охлаждали до примерно 650°F посредством распылителей воды, расположенных перед прокатным станом. Сразу после этого ее подвергали горячей прокатке в поточной линии в одну стадию до конечной толщины 0,035 дюйма, с последующими отжигом при 860°F в течение 1 секунды для рекристаллизации и закалкой распылением до 190°F. Затем лист сматывали в рулон. Характеристики листа в O-состоянии оценивали посредством испытаний на одноосное растяжение на образцах ASTM - 4d, взятых из последних витков рулона. В продольном направлении образцы продемонстрировали значения TYS и UTS соответственно 32,4 и 58,7 килофунта/кв. дюйм. Эти очень высокие уровни прочности, примерно на 30% более высокие, чем те, о которых сообщалось для подобных сплавов, сопровождались высоким относительным удлинением: полное относительное удлинение 32,5% и равномерное удлинение 26,6%. Образцы продемонстрировали очень мелкозернистую структуру с размером зерен ~10 мкм.
Пример 4. Поточное изготовление пригодного для повторного использования автомобильного листового сплава. Сплав Al - 1,4% Mg обрабатывали способом по настоящему изобретению. Состав расплава был следующим.
Элемент
Процент массовый
Si
0,2
Fe
0,2
Cu
0,2
Mn
0,2
Mg
1,4
Сплав отливали в полосу толщиной 0,086 дюйма при скорости 240 футов в минуту. Ее прокатывали до толщины 0,04 дюйма в одну стадию, подвергали мгновенному отжигу при 950°F, после чего ее закаливали водой и сворачивали в рулон. Закалку прокатанного листа проводили двумя различными путями для достижения состояния О и состояния Т при различных настройках последующей закалки на участке 63. Для достижения состояния Т полосу предварительно закаливали посредством закалки на участке 53 до примерно 700°F перед теплой прокаткой до толщины калибра и подвергали последующей закалке до 170°F (образец №: 804995 в таблице 6). Во втором случае лист подвергали последующей закалке до температуры около 700°F и теплым сворачивали в рулон с получением состояния О. Рулон в O-состоянии был получен как посредством теплой прокатки (образец: 804997), так и посредством горячей прокатки (образец: 804999).
Рабочие характеристики листа оценивали посредством испытаний на одноосное растяжение на образцах ASTM - 4d и посредством испытаний гидравлическим выпучиванием. В состоянии Т лист продемонстрировал значения предела текучести при растяжении, предела прочности при растяжении и относительного удлинения, гораздо более высокие, чем требования к сплаву 5754 в O-состоянии, и настолько же хорошие, как и те, которые достижимы в листе, полученном посредством обычного слиткового способа, таблица 6. При испытании на гидравлическое выпучивание характеристики сплава АХ-07 в состоянии Т также были очень близки к характеристикам сплава 5754, фиг.9. Это говорит о том, что сплав АХ-07 в состоянии Т, полученный посредством способа по настоящему изобретению, может использоваться для замены листа сплава 5754 во внутренних деталях кузова и элементах жесткости при применении в автомобильной промышленности. Такая замена имела бы преимущество, заключающееся в придании этим деталям, благодаря более низкому содержанию Mg, пригодности для повторного использования (вторичной переработки) в сплавы серии 6ХХХ, используемые в деталях наружной обшивки автомобилей, без необходимости в разделении.
Образцы также были испытаны в состоянии О, полученном с помощью предложенного способа. В таком состоянии уровни прочности были более низкими, примерно 8,8 килофунта/кв. дюйм для предела текучести и 23 килофунта/кв. дюйм - для предела прочности при растяжении. Характеристики при испытании на гидравлическое выпучивание улучшились, если сравнивать с характеристиками обычного сплава 5754, как можно увидеть на фиг.9. Это состояние, таким образом, дает материал, который может формоваться более легко при меньших нагрузках на пресс.
В то время как выше для целей иллюстрации были описаны конкретные варианты реализации настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет очевидно, что могут быть проделаны многочисленные вариации в подробностях настоящего изобретения без отклонения от самого этого изобретения, как оно охарактеризовано в прилагаемой формуле изобретения.