!HU000004586T2! (19)
HU
(11) Lajstromszám:
E 004 586
(13)
T2
MAGYAR KÖZTÁRSASÁG Magyar Szabadalmi Hivatal
EURÓPAI SZABADALOM SZÖVEGÉNEK FORDÍTÁSA (21) Magyar ügyszám: E 03 738175 (22) A bejelentés napja: 2003. 03. 19. (96) Az európai bejelentés bejelentési száma: EP 20030738175 (97) Az európai bejelentés közzétételi adatai: EP 1488018 A2 2003. 10. 02. (97) Az európai szabadalom megadásának meghirdetési adatai: EP 1488018 B1 2008. 09. 24.
(51) Int. Cl.: C22C 21/06 (2006.01) (87) A nemzetközi közzétételi adatok: WO 03080884 PCT/FR 03/000870
(30) Elsõbbségi adatok: 0203593 2002. 03. 22.
(73) Jogosult: Alcan Rhenalu, 92400 Courbevoie (FR)
FR
(72) Feltalálók: DIF, Ronan, F-38590 St.Etienne de Saint Geoirs (FR); HENON, Christine, F-38640 Claix (FR); GUILLEMENET, Jérôme, F-63500 Issoire (FR); RIBES, Hervé, F-63500 Issoire (FR); PILLET, Georges, F-73160 Saint-Cassin (FR) (54)
(74) Képviselõ: Kmethy Boglárka, DANUBIA Szabadalmi és Jogí Iroda Kft., Budapest
Al-Mg ötvözet termékek hegesztett szerkezetekhez
(57) Kivonat
HU 004 586 T2
A találmány tárgya Al¹Zn-Mg¹Cu ötvözetbõl készült hegesztett termék, melynek összetétele (tömegszázalékban) Mg 4,85–5,35 Mn 0,20–0,50 Zn 0,20–0,45 Si<0,20 Fe<0,30 Cu<0,25 Cr<0,15 Ti<0,15 Zr<0,15 és a fennmaradó rész alumínium az elkerülhetetlen szennyezõivel. Elõnyösen a találmány szerinti termék
A(TL) szakadási nyúlása legalább 24% és Rm(TL)×A(TL) szorzata legalább 8500. Jó szemcseközi korrózióállósággal rendelkezik és használható hegesztett szerkezetek elõállításához, például tartályokhoz, gépkocsikarosszériákhoz és ipari jármûvekhez.
A leírás terjedelme 10 oldal Az európai szabadalom ellen, megadásának az Európai Szabadalmi Közlönyben való meghirdetésétõl számított kilenc hónapon belül, felszólalást lehet benyújtani az Európai Szabadalmi Hivatalnál. (Európai Szabadalmi Egyezmény 99. cikk (1)) A fordítást a szabadalmas az 1995. évi XXXIII. törvény 84/H. §-a szerint nyújtotta be. A fordítás tartalmi helyességét a Magyar Szabadalmi Hivatal nem vizsgálta.
1
HU 004 586 T2
A találmány technikai területe A találmány nagy mechanikai ellenállású Al¹Mg típusú ötvözetekre vonatkozik, és közelebbrõl hegesztett szerkezetekhez, mint például gépkocsi-karosszériák, ipari jármûvek és fix vagy mozgatható tartályok elõállítására szánt ötvözetekre. A technika állása Ahhoz, hogy növeljük a hegesztett szerkezetek mechanikai ellenállását, miközben csökkentjük a tömegüket, kedvezõ a jelenleg használt 5083, 5086, 5182, 5186 vagy 5383 ötvözetekhez képest javított mechanikai jellemzõkkel rendelkezni anélkül, hogy bármit is vesztenénk más használati tulajdonságoknál, mint például a hegeszthetõség, a korrózióállóság vagy alakíthatóság, különösen alacsony hidegmegmunkálási keménységi állapotokban, mint például az O¹állapotban vagy a H111-állapotban. Ezeknek az ötvözeteknek a jelzése követi a „The Aluminium Association” szabályait és a metallurgiai állapotok jelölését az EN 515 számú európai szabvány definiálja. Egy szerkezet méretezésekor a felhasználó választását meghatározó paraméterek alapvetõen a statikus mechanikai jellemzõk: az Rm szakítószilárdság, az Rp0,2 folyáshatár és az A szakadási nyúlás. Más, szóba jövõ paraméterek, amelyek a tervezett felhasználás konkrét szükségleteiktõl függenek, a hegesztett kötés mechanikai jellemzõi, a fémlemez és a hegesztett kötés korrózióállósága, a fémlemez és a hegesztett kötés kifáradási határa, a repedésterjedési ellenállás, a töréssel szembeni ellenállás, a hajlíthatóság, a hegeszthetõség, a visszamaradó feszültség kialakulására való hajlam meghatározott fémlemezek gyártási és felhasználási körülményei között, és az, hogy mennyire könnyû állandó minõségû fémlemezeket elõállítani a lehetõ legalacsonyabb termelési költséggel. A technika állása különbözõ utakat javasol az Al¹Mg típusú ötvözetek mechanikai jellemzõinek javítására. Az EP 769 564 A1 (Pechiney Rhenalu) számú európai szabadalmi bejelentésben egy alábbi összetételû (tömegszázalékban) ötvözetet ismertetnek: Mg 4,2–4,8 Mn<0,5 Zn<0,4 Fe<0,45 Si<0,30 ahol Mn+Zn<0,7 és Fe>0,5 Mn, amelyek bizonyos más elemeket is tartalmaznak, és amely ötvözetbõl lehetséges olyan fémlemezeket elõállítani, amelyeknek alacsony hidegmegmunkálási keménységi állapotban az Rm értékük >275 MPa, az A értékük >17,5% és az Rm×A szorzatuk >6500; egy jobban szabályozott összetétel lehetõvé teszi, hogy ezt az Rm×A szorzatot 7000 fölé, sõt 7500 fölé vigyék. Az ilyen típusú ötvözeteket 5186 jelzéssel használják hegesztett közúti tartálykocsik elõállításánál. Ezen az alkalmazási területen az Rm×A szorzatot olyan paraméterként használják, amellyel megbecsülik a szerkezetek viselkedését nagy rugalmas deformáció alatt, mint például meghibásodás esetén. A szakember tudja, hogyan lehet az ismert Al¹Mg típusú ötvözetekben az Rm és A közül az egyik paramétert növelni a másik rovására; az említett szabadalmi bejelentés kitanítást
5
10
15
20
25
30
35
40
2
ad arról, hogy elõállíthatók e két paraméter jobb kompromisszumával rendelkezõ fémlemezek, ha a fémlemez egy nagyon jellegzetes mikroszerkezetet mutat. Az 5186 ötvözetbõl készült lemezekre nemcsak egy magasabb Rm×A szorzat jellemzõ, hanem egy magasabb A érték is, ami kedvez a lemezek hajtogatásának és megkönnyíti a felhasználásukat a gépgyártásban. Egy másik utat javasolnak a JP 62–207850 (Sky) számú szabadalmi bejelentésben, amelyben egy alábbi összetételû (tömegszázalékban) ötvözetet ismertetnek: Mg 2–6 Mn 0,05–1,0 Cr 0,03–0,3 Zr 0,03–0,3 V 0,03–0,3 amely továbbá tartalmazhat Cu¹t 0,05–2,0 és/vagy Zn¹t 0,1–2,0 tömegszázaléknyi mennyiségben, amely folyamatos öntéssel van feldolgozva, és amelyben az intermetallikus részecskék mérete 5 mm vagy annál kisebb. Ezek az ötvözetek alkalmasak autókarosszériához való lemezek gyártásához, mivel nagyon sajátságos termomechanikai kezelések sorozatán keresztül lehetséges belõlük olyan 1 mm vastag lemezeket készíteni, amelyekben nincsenek Lüders-vonalak. Egy másik utat az EP 0 892 858 B1 (Hoogovens Aluminium Walzprodukte GmbH) számú szabadalomban javasolnak, amelyben egy alábbi összetételû ötvözetet ismertetnek: Mg 5–6 Mn 0,6–1,2 Zn 0,4–1,5 Zr 0,05–0,25 amely bizonyos más elemeket is tartalmazhat, és amelybõl lehetséges nagyon kemény ötvözeteket gyártani, különösen 0,8% nagyságrendû cinktartalommal. Ezeknek a termékeknek a szakadási nyúlása nem haladja meg a 10% nagyságrendet H321-állapotban és a 20%¹ot O¹állapotban. Az EP 823 489 B1 (Pechiney Rhenalu) számú szabadalomban alábbi összetételû termékeket ismertetnek: 3,0<Mg<6,5 0,2<Mn<1,0 Fe<0,8 0,05<Si<0,6 Zn<1,3 amelyek bizonyos más elemeket is tartalmazhatnak, és amelyekre egy nagyon jellegzetes mikroszerkezet jellemzõ; ezeket a termékeket nem tartályok gyártásában való felhasználásra tervezték, hanem tengervízzel vagy tengeri közeggel érintkezésben alkalmazott hegesztett szerkezetekhez.
A megoldandó probléma A probléma, amelyre a találmány választ keres az, 45 hogy javítsuk az Al¹Mg ötvözetbõl készült termékek mechanikai jellemzõit, különösen figyelembe véve a hegesztett szerkezetek – így például veszélyes anyagok közúti vagy vasúti szállításához használt tartályok – megvalósítására történõ alkalmazásukat, miközben 50 megõrizzük az anyag többi jellemzõjét, legalább a meglévõ anyagokéval összehasonlítható mértékben. A találmány tárgya A találmány tárgya egy Al¹Mg ötvözetbõl készült 55 alakított termék, amelyre jellemzõ, hogy az alábbiakat tartalmazza (tömegszázalékban): Mg 4,85–5,35 Mn 0,20–0,50 Zn 0,20–0,45 Si<0,20 Fe<0,30 Cu<0,25 Cr<0,15 Ti<0,15 Zr<0,15 60 és a többi alumínium az elkerülhetetlen szennyezõivel. 2
1
HU 004 586 T2
A találmány tárgya továbbá egy közúti vagy vasúti tartály, amely legalább részben az alábbi összetételû (tömegszázalékban) lemezekbõl készül: Mg 4,90–5,35 Mn 0,20–0,50 Zn 0,25–0,45 Si 0,05–0,20 Fe 0,10–0,30 Cu<0,25 Cr<0,15 Ti<0,15 Zr<0,10 és a fennmaradó rész alumínium az elkerülhetetlen szennyezõivel, ahol a lemezek Rm(TL)×A(TL) szorzata legalább 8500 és elõnyösen legalább 9000. A találmány részletes ismertetése Az ötvözetek jelölése a „The Aluminium Association” szabályait követi. Hacsak másképp nem említjük, a kémiai összetételeket tömegszázalékban adjuk meg. A metallurgiai állapotokat az EN 515 számú európai szabványban definiálják. Hacsak másképp nem jelezzük, a statikus mechanikai jellemzõket, vagyis az Rm szakítószilárdságot, az Rp0,2 folyáshatárt és az A szakadási nyúlást az EN 10002–1 számú szabvány szerinti szakítóvizsgálattal határoztuk meg keresztirányból („traverse-long”, rövidítve: TL) kivett arányos próbatesteken (amelyeknek az eredeti jeltávolsága L0=5,65 ÖS0, ahol S0 jelentése az eredeti keresztmetszet). A bejelentõ meglepõ módon azt találta, hogy a megoldandó probléma megoldásához az Al¹Mg-Mn¹Zn összetétel egy nagyon szûk tartományát kell kiválasztani, amely egyértelmûen különbözik az 5186 ötvözet összetételétõl. Nevezetesen növelni kell a magnéziumtartalmat, hozzá kell adni kis mennyiségû cinket és csökkenteni kell a kis mennyiségû adalékelem, Fe¹, Si¹ és Mn¹tartalmat, miközben ezeket egy minimális szint fölött tartjuk. A magnézium valójában jól ismert arról, hogy javítja bizonyos típusú alumíniumötvözetek mechanikai jellemzõit (R0,2 és Rm); a bejelentõ megállapította, hogy egy legalább 4,85%¹os, elõnyösen 4,90% fölötti, és még elõnyösebben 4,95% fölötti vagy 5,00% fölötti magnéziumtartalom lehetõvé teszi a kívánt mechanikai jellemzõk szintjének elérését. Ugyanakkor 5,35% magnéziumtartalom fölött a korrózióállóság elkezd csökkenni; 5,30%¹os maximális érték elõnyös. Megfelelõ mennyiségû cink hozzáadása (minimum 0,20%, elõnyösen legalább 0,25% és még elõnyösebben legalább 0,30%) jótékony hatásúnak bizonyult a lemezek mechanikai jellemzõire és a folyáshatárra a hegesztett kötések szintjén. Ezenkívül javítja a korrózióállóságot. A találmány keretében elõnyösen nem haladjuk meg a 0,45%¹os cinktartalmat. A cinktartalom elõnyösen 0,25% és 0,40% közötti. A bejelentõ megállapította, hogy egy 0,20%¹os minimális mangántartalmat fenn kell tartani ahhoz, hogy szabályozzuk a szemcsés szerkezetet, de ennek 0,50% alatt és elõnyösen 0,40% alatt kell maradnia azért, hogy elkerüljük a durva szemcséjû intermetallikus fázisok képzõdését, és megkönnyítsük az átkristályosodást a végsõ állapotba. Az elõnyös tartomány a 0,25% és 0,35% közötti. A mangán elegendõ mennyiségben való jelenléte hozzájárul a mechanikai jellemzõk eléréséhez is.
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60 3
2
Az 5xxx ötvözetekben a réz ismerten rontja a korrózióállóságot. A bejelentõ azt találta, hogy elõnyös a réztartalmat 0,25% alatt tartani; és elõnyös egy 0,20% alatti, 0,15% alatti, sõt 0,10% alatti mennyiség. A vas és a szilícium az alumínium szokásos szennyezõi. A találmány keretében a vastartalom nem haladhatja meg a 0,30%¹ot és a szilíciumtartalom a 0,20%¹ot. Ugyanakkor, meglepõ módon a bejelentõ azt állapította meg, hogy bizonyos mennyiségû vas és szilícium jelenléte hozzájárul a találmány céljainak eléréséhez: egy legalább 0,05%¹os szilíciumtartalom kedvez egy finomkristályos, szemcsés mikroszerkezet kialakulásának. A vas esetén legalább 0,10%¹os mennyiséget részesítünk elõnyben. A találmány szerinti termék kis mennyiségû krómot, titánt és cirkóniumot tartalmazhat. Ezeknek az elemeknek a mennyisége egyenként nem haladhatja meg a 0,15%¹ot és még elõnyösebben a 0,10%¹ot, mivel ezeknek az elemeknek egy túl nagy mennyisége korlátozza az átkristályosodást, és az A érték csökkenéséhez vezet. A találmány szerinti termékeket mindig félfolyamatos öntéssel állítjuk elõ, amit a kívánt termék formájának megfelelõ átalakítási lépések követnek: extrudálás extrudált vagy húzott termékekhez (rudak, csövek, profilok, szálak); hengerlés hengerelt termékekhez (lemezek, szalagok, vastag lemezek). Hengerelt termékek esetén a félfolyamatos öntéssel elõállított hengerelt lemezeket melegen hengereljük, majd adott esetben hidegen. A szalagokat ezután simítjuk és lemezekre daraboljuk. Ebben a gyártási eljárásban körültekintõen kell beállítani a meleghengermû kimeneti hõmérsékletét és a csévélési hõmérsékletet, valamint a hidegalakítás mértékét, amelyek befolyásolják a termék mechanikai jellemzõit. Az elõnyös végsõ vastagság 3 és 12 mm közötti. A találmány egy elõnyös megvalósítási módjában közvetlenül a végsõ vastagságú lemezt kapjuk a meleghengerléssel. Ebben az esetben a meleghengermû kimeneti hõmérsékletét elõnyösen 260 °C és 330 °C között, és elõnyösen 290 °C és 330 °C között választjuk. 260 °C alatt a kapott mikroszerkezet nem felel meg jól a tervezett felhasználásnak, és 330 °C fölött néha szemcsenövekedés figyelhetõ meg, ami lerontja a keresett mechanikai jellemzõket. A találmánynak ez az adott megvalósítási módja, vagyis meleghengerléssel közvetlenül a végsõ vastagságú lemezek elõállítása, megkönnyíti a nagyon széles, például 3000 mm¹nél és elõnyösen 3300 mm¹nél, és még elõnyösebben 3500 mm¹nél szélesebb lemezek elõállítását. Egy elõnyös megvalósítási módban a találmány szerinti termékre egy legalább 24%¹os és elõnyösen legalább 27%¹os A szakadási nyúlás jellemzõ. Ez a jellemzõ megkönnyíti a termék feldolgozását. Például a hengerelt lemezeknek kitûnõ hajlíthatósági és formálhatósági tulajdonságokat biztosít. Egy másik elõnyös megvalósítási módban a három paraméter, az Rp0,2(TL)>Rm(TL) és az A(TL) optimalizálását kívánjuk elérni. A „TL” index azt jelenti, hogy ezeket a mechanikai jellemzõket a lemezekbõl keresztirányból
1
HU 004 586 T2
(a hengerlési irányra merõleges irányból) kivett szakítópróbatesteken mérjük. Ha a jelzett zónák belsejében a kémiai összetételt megfelelõ állítjuk be, akkor olyan terméket kapunk, amelynek az Rp0,2(TL) folyáshatára legalább 145 MPa, elõnyösen legalább 150 MPa és még elõnyösebben legalább 170 MPa, az Rm(TL) szakítószilárdsága legalább 290 MPa és elõnyösen legalább 300 MPa, és az A(TL) szakadási nyúlása legalább 24% és elõnyösen legalább 27%. Elõnyös választás lehet például Mn 0,20–0,40, Zn>25 és elõnyösen >0,30, a vastartalom legalább 0,10% és a szilíciumtartalom legalább 0,10%. Egy másik megvalósítási módban alapvetõen az Rp0,2(TL)×A(TL) szorzatot kívánjuk optimalizálni. Ha a jelzett zónák belsejében a kémiai összetételt megfelelõ módon állítjuk be, akkor olyan terméket kapunk, amelynek az Rm(TL)×A(TL) szorzata – ahol Rm(TL) MPa-ban és A(TL) százalékban van megadva, és amelyeket keresztirányból kivett próbatesteken mérünk – nagyobb, mint 8200, elõnyösen nagyobb, mint 8500 és még elõnyösebben nagyobb, mint 9000, miközben megtartunk egy elegendõ Rp0,2(TL) szintet. Ez a termék különösen lemezek formájában nagyon alkalmas tartályok, különösen veszélyes anyagok közúti vagy vasúti szállítására való tartályok gyártásához. A találmány szerinti termékek korrózióállósága legalább olyan jó, mint az ismert, hasonló Al¹Mg ötvözetekbõl készült termékeké, és mindez annak ellenére így van, hogy a magnéziumtartalom jelentõsen nagyobb. A találmány keretében ezt a korrózióállóságot elõnyösen vagy egy szemcseközi korróziós vizsgálat (Journal Officiel des Communautés Européennes, 19/11/1984, N°L300, 35–43) utáni szemcseközi korrózió miatti hibákat mutató fém tömegveszteségével és maximális mélységével jellemezzük, vagy egy feszültségkorróziós vizsgálattal az ASTM G 30, G39, G44 és G49 szabványok szerint végezve. A feszültségkorróziós vizsgálatot elõnyösen végrehajthatjuk az ASTM G 129 szabványra hivatkozva, mivel a bejelentõ korábban már megállapította, hogy jó korreláció van ezek között a szabványok és az ASTM G 129 szabvány között [lásd R. Dif és munkatársai, Proceedings of the 6th International Conference on Aluminium Alloys, Toyohashi, Japán, 1615–1620. old. (1998), valamint R. Dif és munkatársai, Proceedings of the Eurocorr Conference, Trondheil, Norvégia, 259–264. old. (1997)]. A választott szemcseközi korróziós vizsgálatról azt tartják, hogy jól reprezentálja a tengeri atmoszférának való természetes kitettséget [R. Dif és munkatársai, Proceedings of the EUROCORR Conference, Aix-laChapelle, Németország (1999)]. A korróziós viselkedést meghatározzuk kezdeti állapotban is, de mesterséges öregítõ kezelések után is, amelyeknek a körülményei változhatnak. Szokásosan egy 7 napos, 100 °C¹on végzett kezelést használnak az 5xxx sorozat ötvözeteinél azért, hogy reprodukálják a környezeti hõmérsékleten mintegy 20 évig tartó természetes öregedést [E. H. Dix és munkatársai, Proceedings of the 4th annual Conference of NACE, San Francisco, USA (1958)].
2
Nagyon különleges felhasználási esetekben a szerkezeteket viszonylag magas (60 °C feletti) hõmérsékletnek lehetnek kitéve. A szakember tudja, hogy ilyen körülmények között bizonyos 5xxx sorozatbeli ötvözetek5 nél bizonyos kitettségi idõ után bizonyos korrózióérzékenység alakulhat ki. Azért, hogy ezt az úgynevezett érzékenyítési jelenséget tanulmányozzuk, a 7 napos és 100 °C¹osnál mélyrehatóbb termikus kezelések végrehajtására van szükség. Szokásosan az ekvivalens idõ 10 elméletet használjuk azért, hogy korlátozzuk a végrehajtandó kezelések számát és idõtartamát. Közelebbrõl, egy t1 idõtartamú T1 hõmérsékletû kezelés ekvivalens egy t2 idõtartamú T2 hõmérsékleten végzett kezeléssel az alábbi egyenlet szerint [R. Dif és munkatársai, Pro15 ceedings of the 6th international Conference on Aluminium Alloys, Toyohashi, Japán, 1489–1494 old. (1998)]: æ Q ö æ Q ö ÷÷ ÷÷ = t2. expçç t1. expçç R . T è R. T2 ø è 1ø
20 ahol a hõmérsékleteket Kelvinben adjuk meg. Q jelentése a magnézium diffúziójának termikus aktiválási energiája (J/mol). R az ideális gázállandó. A 25
30
35
40
45
50
55
60 4
Q arány értéke a szakirodalom szerint R
10 000 K–13 500 K nagyságrendben van. A találmány egy konkrét megvalósítási módjában a találmány szerinti termékek a szemcseközi vizsgálat során olyan szemcseközi korrózióállóságot mutatnak, amelyre egy 20 mg/cm2-nél kisebb tömegveszteség jellemzõ 7 napos, 100 °C¹os öregítés után, és 130 mmnél kisebb és elõnyösen 70 mm-nél kisebb maximális berágódási mélység jellemzõ. Elõnyösen a termékek egy 20 napos, 100 °C¹os öregítés után is 50 mg/cm2-nél kisebb, és elõnyösen 30 mg/cm2-nél kisebb tömegveszteséget, és 250 mm-nél kisebb és elõnyösen 100 mm-nél kisebb maximális berágódási mélységet mutatnak. A találmány keretében a legelõnyösebb termékek egy 20 napos, 120 °C¹os öregítés után 95 mg/cm2-nél kisebb és elõnyösen 80 mg/cm2nél kisebb és még elõnyösebben 60 mg/cm2-nél kisebb tömegveszteséget, és 450 mm-nél kisebb és elõnyösen 400 mm-nél kisebb maximális berágódási mélységet mutatnak úgy értve, hogy ez a jellemzõ a fentiekben említett jellemzõk legalább egyikéhez, vagyis a 20 napos, 100 °C¹os vagy a 20 napos, 120 °C¹os öregítés utáni jellemzõkhöz adódik hozzá. Ezek a termékek, ha ezenkívül még kitûnõ mechanikai jellemzõket is mutatnak (például Rm×A szorzatuk legalább 8500 vagy akár 9000), különösen alkalmasak hegesztett szerkezetek, így például közúti vagy vasúti tartálykocsik gyártására, ahogyan azt az alábbiakban ismertetjük. Ami a feszültségkorróziós vizsgálatot illeti, a bejelentõ elõnyben részesíti a lassú (kis alakváltozási sebességgel végzett) szakítóvizsgálati módszert („Slow Strain Rate Testing”), amelyet például az ASTM G129 szabványban ismertetnek. Ez a vizsgálat gyorsabb és megkülönböztetõbbnek bizonyult, mint a szokásos eljárások, amelyek abból állnak, hogy feszültségkorrózió esetén meghatározzák az el nem szaka-
1
HU 004 586 T2
dás feszültségküszöbét, feltéve, hogy a kísérleti körülmények jól szabályozottak. A lassú szakítóvizsgálat elve abból áll, hogy összehasonlítjuk a szakítási jellemzõket inert közegben (laboratóriumi levegõ) és agresszív közegben. A statikus mechanikai tulajdonságok romlása korrozív közegben megfelel a feszültségkorrózióra való érzékenységnek. A szakítóvizsgálat legérzékenyebb jellemzõi az A szakadási nyúlás és az Rm maximális feszültség (keresztmetszet-csökkenéssel). Bejelentõ megállapította, hogy a szakadási nyúlás egyértelmûen megkülönböztetõbb paraméter, mint a maximális feszültség. Meg kell bizonyosodnunk arról, hogy a statikus mechanikai jellemzõk csökkenése hatékonyan megfelel a feszültségkorróziónak, amit a mechanikai igénybevétel és a környezet egyidejû szinergikus hatásaként definiálnak. A bejelentõ tehát végrehajtott szakítóvizsgálatokat inert közegben (laboratóriumi levegõ), a próbatest elõzetes expozíciója után feszültség nélkül, korrozív közegben, ugyanannyi idõtartamig, amíg a szakítóvizsgálatot végrehajtották ebben a közegben. Ha a kapott szakítási jellemzõk nem különböznek azoktól, amelyeket az inert közegben kapunk, akkor a feszültségkorrózióra („corrosion sous contrainte”, CSC) való érzékenységet egy I „CSC-érzékenységi” index segítségével definiálhatjuk az alábbi definíció szerint:
5
10
15
20
25
A%inert közeg–A%agresszív közeg I= –––––––––––––––––––––––––––––– ×100 A%inert közeg A lassú szakítóvizsgálat kritikus szempontjai a szakítópróbatest megválasztása, a deformáció sebessége és a korrozív oldat. A bejelentõ egy olyan (keresztirányból kivett) próbatestet használt, amely ívelt alakú és görbületi sugara 100 mm, ami lehetõvé teszi a deformáció lokalizálását és a vizsgálatot még alaposabbá teszi. Az igénybevétel sebességét illetõen egy túl gyors sebesség nem teszi lehetõvé, hogy kialakuljanak a feszültségkorrózió jelenségei, vagy túl lassú sebesség elfedi a feszültségkorróziót. A bejelentõ egy 5.10–5 s–1 alakváltozási sebességet használt (ez megfelelt a keresztrúd 4,5.10–2 mm/perces elmozdulási sebességének), ami lehetõvé teszi a feszültségkorrózió hatásainak maximalizálását [R. Dif és munkatársai, Proceedings of the 6th International Conference on Aluminium Alloys, Toyohashi, Japán, 1615–1620. old. (1998)]. Ami a használandó agresszív közeget illeti, ugyanez a típusú probléma merül fel, amennyiben egy túl agresszív közeg elfojtja a feszültség alatti korróziót, de egy túlságosan kevéssé agresszív közeg nem teszi lehetõvé a korrózió jelenségének megnyilvánulását. A találmány keretében sikeresen alkalmaztunk egy 3% NaCl+0,3% H2O2-oldatot. A találmány szerinti termékeket elõnyösen használhatjuk hegesztett szerkezetekhez közúti vagy vasúti tartályok elõállításához, vagy ipari jármûvek elõállításához. Használhatjuk ezeket gépkocsi-karosszériák gyártásához is, különösen erõsítõelemekként. A termékek jó formázhatósággal rendelkeznek. Egy elõnyös megvalósítási módban a találmány szerinti termékeket hengerelt lemezek formájában
30
35
2
használjuk alacsony hidegmegmunkálási keménységû metallurgiai állapotban, mint például O¹állapotban vagy H111-állapotban, és 3 mm és 12 mm közötti, és elõnyösen 4,5 mm és 10 mm közötti vastagsággal, közúti vagy vasúti tartályok elõállítására, ahol a lemezekre egy 8200-nál nagyobb, elõnyösen 8500-nál nagyobb, és még elõnyösebben 9000-nél nagyobb Rm(TL)×A(TL) szorzat, és jó korrózióállóság jellemzõ. Ennél a felhasználásnál elõnyös módon a tömegveszteség egy szemcseközi korróziós vizsgálatban 30 mg/cm2-nél kisebb 20 napos, 100 °C¹os öregítés után, és lassú szakítóvizsgálatban a CSC index 50%-nál kisebb egy 20 napos, 100 °C¹on végzett öregítés után. A találmány szerinti termékek hegeszthetõk minden olyan hegesztési eljárással, amely használható az Al¹Mg típusú ötvözeteknél, mint amilyen például a MIG vagy TIG hegesztés, a súrlódásos hegesztés, a lézeres hegesztés, az elektronsugaras hegesztés. A bejelentõ közelebbrõl azt találta, hogy a találmány szerinti termékek MIG hegesztése olyan hegesztett kötésekhez vezet, amelyekre legalább olyan nagy szakítószilárdság jellemzõ, mint az ismert, így például 5186 ötvözeteknél. Ezeket a hegesztési vizsgálatokat keresztirányban hajtottuk végre H111-állapotú lemezeken, amelyeket tompán hegesztettünk össze egy V¹varrattal egyenletes áramú félautomata MIG hegesztéssel 5183 ötvözetbõl készült hegesztõhuzallal. A mechanikai vizsgálatokat hosszanti (a hegesztési varratra merõleges) irányból kivett szakítópróbatesteken hajtottuk végre szimmetrikus varrattal és nem szimmetrikus varrattal, vagy a keresztirányban. A hosszanti irányból kivett próbatestnél egy legalább 275 MPa¹os Rm értéket találunk, ami hangsúlyozza az anyag kitûnõ alkalmasságát hegesztett szerkezetekben történõ felhasználásra. A találmány jobban érthetõvé válik az alábbi példák segítségével, amelyek mindazonáltal korlátozó értelmûek. Példák
40
45
50
55
60 5
1. példa Félfolyamatos öntéssel hengerelt lemezeket állítottunk elõ különbözõ ötvözetekbõl. Az összetételüket az 1. táblázatban adjuk meg. Az elemek kémiai elemzését szikraspektroszkópiával végeztük el egy, a csapolócsatornából kivett folyékony fémbõl kiindulva kapott spektrometriás mintán. A hengerelt lemezeket melegítettük, majd melegen hengereltük. Például a H1 példának megfelelõ lemezt három szakaszban melegítettük: 10 órán át 490 °C¹on, 10 órán át 510 °C¹on, 3 óra 45 percig 490 °C¹on, majd melegen hengereltük 490 °C¹os bemeneti hõmérséklettel és 310 °C¹os csévélési hõmérséklettel. A H2, I1, I2, I3 és I4 példáknak megfelelõ lemezeknél a melegítést két szakaszban végeztük (21 órán át 510 °C¹on+2 órán át 490 °C¹on), a hengerlés bemeneti hõmérséklete rendre 477 °C, 480 °C, 479 °C, 474 °C és 478 °C volt, míg a csévélési hõmérséklet rendre 290 °C, 300 °C, 270 °C, 310 °C, illetve 300 °C volt. A csévélés után mindegyik lemezt kisimítottuk és feldaraboltuk.
1
HU 004 586 T2
2
1. táblázat Ötvözet
Mg
Zn
Mn
Si
Fe
Cu
Zr
Ti
Cr
A
4,28
0,06
0,31
0,11
0,26
0,04
<0,01
0,02
0,08
B
4,45
0,12
0,43
0,14
0,28
0,06
<0,01
0,02
0,09
C
4,68
0,02
0,26
0,09
0,25
0,06
<0,01
0,03
0,01
D
4,54
0,03
0,27
0,10
0,23
0,04
<0,01
0,01
0,01
E
4,42
0,07
0,28
0,13
0,25
0,07
<0,01
0,02
0,03
F
4,31
0,04
0,32
0,13
0,27
0,05
<0,01
0,02
0,07
G
5,05
0,38
0,29
0,12
0,22
<0,01
<0,01
0,02
0,01
H1, H2
5,19
0,38
0,31
0,08
0,15
0,01
<0,01
0,02
0,01
I1–I4
5,30
0,26
0,33
0,10
0,16
0,05
<0,02
0,02
0,02
Az A, B, C, D, E és F ötvözetek a technika állása szerinti ötvözetek. A G, H és I ötvözetek a találmány szerinti ötvözetek.
Az ezekbõl az ötvözetekbõl kiindulva elõállított lemezek tulajdonságait a 2. táblázatban jelezzük. A lemezek ugyanazt a hivatkozási betût viselik, mint az az 20 ötvözet, amelybõl ezeket elõállítottuk.
2. táblázat A lemezek tulajdonságai Rm(TL)×A(TL)
Lemez
Állapot
Vastagság (mm)
Rm(TL) (MPa)
Rp0,2(TL) (MPa)
A
H111
6,5
278
170
23
6394
B
H111
5,1
300
177
23
6900
C
O
5,4
290
149
26,5
7685
D
H111
6,2
274
138
28
7672
E
O
4,9
287
147
27
7749
A(TL) (%)
F
H111
5,3
294
170
23,5
6909
G
H111
4,7
300
180
27,7
8310
H1
H111
5,0
308
154
28,5
8778
H2
H111
5,0
309
176
29
8961
I1
H111
6,1
301
148
28,1
8458
I2
H111
8,1
321
182
26,8
9602
I3
H111
6,1
300
149
29,6
8880
I4
H111
5,1
310
164
28,3
8773
2. példa Két, a H1 példának megfelelõ, 5,0 mm vastagságú H111-állapotú lemezt tompavarrattal hegesztettünk össze keresztirányban egy 45°¹os V¹varrattal egyenletes áramú félautomata MIG hegesztéssel. Egy 5183 ötvözetbõl (Mg 4,81%, Mn 0,651%, Ti 0,120%, Si 0,035%, Fe 0,130%, Zn 0,001%, Cu 0,001%, Cr 0,075%) készült 1,2 mm vastagságú hegesztõhuzalt használtunk, amelyet a Soudure Autogéne Francaise cégtõl szereztünk be. A próbatestet a hosszanti („L”) irányból vettük ki a hegesztett kötésen keresztül úgy, hogy a kötés középen legyen. Szimmetrikus varrattal 285 MPa¹os Rm értéket találtunk, és nem szimmetrikus varrattal 311 MPa¹os értéket.
Ugyanezt a vizsgálatot elvégeztük két, a H2 lemeznek megfelelõ lemezen. A szimmetrikusan simított hegesztési varrattal 290 MPa¹os Rm értéket találtunk. A nem szimmetrikus varrattal 318 MPa¹os értéket talál50 tunk. Összehasonlításképpen hasonló vastagságú, technika állása szerinti lemezeken levõ szimmetrikus varrattal 283 MPa¹t kapunk [lásd L. Cottignies és munkatársai, „AA 5186:a new aluminium alloy for welded constructions”, Journal of Light Metal Welding and 55 Construction (1999)]. Ugyanezt a vizsgálatot végrehajtottuk az I2 és I4 lemezeknek megfelelõ két lemezen is; ehhez a vizsgálathoz a próbatesteket a keresztirányból vettük ki a hegesztett kötésen keresztül. Az alábbi eredményeket ta60 láltuk: 6
1
HU 004 586 T2
2
Lemez
Terhelés iránya
Hegesztés iránya
Varrat szimmetrikus vagy nem
Rp0,2 (MPa)
Rm (MPa)
A (%)
I4
TL
L
szimmetrikus
153
291
13,0
I2
TL
L
szimmetrikus
156
293
16,8
I4
TL
L
nem szimmetrikus
155
312
18,4
I2
TL
L
nem szimmetrikus
163
323
21,3
3. példa Az 1. példában ismertetett módon elõállított lemezeken LDH (Limit Dome Height) vizsgálatokat hajtottunk végre. Az LDH vizsgálat egy mélyhúzási vizsgálat körben leszorított lemezen [R. Thompson, „The LDH test to evaluate sheet metal formability-Final report of the LDH committee of the North American Deep Drawing Research Group”, SAE Conference, Detroit, SAE Paper N°93–0815 (1993)]. A 490 mm×490 mm méretû mélyhúzó lemezt egytengelyû, kétirányú terhelésnek vetjük alá. A tüske (átmérõje 250 mm) és a lemez közötti kenést egy mûanyag filmmel és zsírral biztosítjuk. Az LDH értéke a tüske elmozdulása szakadáskor, vagyis a mélyhúzás határának mélysége.
10
A H1 lemezre 101 mm¹es értéket kapunk és a H2 lemezre 94,1 mm¹es értéket. Összehasonlításképpen egy hasonló vastagságú, technika állása szerinti ötvözettel kapott LDH érték 94,3 mm volt [lásd L. Cottignies és munkatársai, „AA 5186:a new aluminium al15 loy for welded constructions”, Journal of Light Metal Welding and Construction (1999)]. 4. példa Egy technika állása szerinti lemezen és a H1 példá20 nak megfelelõ lemezen lassú szakítóvizsgálatokat végeztünk el „A találmány részletes ismertetése” fejezetben ismertetett módszerrel és paraméterekkel. A két ötvözetre kapott nyúlási értékeket és a különbözõ öregítési körülményeket a 3. táblázatban adjuk meg.
3. táblázat A lassú szakítóvizsgálat eredményei Ötvözet
Öregítés
A% Levegõ
A% NaCl+H2O2
A% elõzetes expozíció
Technika állása
nem volt
22,8
22,8
nem vizsgáltuk
0%
7 nap 100 °C
24,2
24,0
nem vizsgáltuk
1%
20 nap 100 °C
25,0
10,5
24,4
58%
20 nap 120 °C
24,6
5,4
24,4
78%
Találmány (H1 példa)
I% CSC index
nem volt
28,9
29,8
nem vizsgáltuk
0%
7 nap 100 °C
30,4
30,5
nem vizsgáltuk
0%
20 nap 100 °C
30,7
21,3
30,8
31%
20 nap 120 °C
30,3
7,7
30,6
75%
Megállapítjuk, hogy a találmány szerinti ötvözet jobb feszültségkorrózió-állóságot mutat öregítés után, különösen a köztes öregítési szintek esetén, annak ellenére, hogy nagyobb benne a magnéziumtartalom. Szemcseközi korrózió vizsgálatokat hajtottuk végre a találmány szerinti H1, H2, I1 és I4 lemezeken, valamint egy technika állása szerinti 5186 ötvözetbõl ké-
szült lemezen a Journal Officiel de Communautés Eu45 ropéennes; 19/11/84, N° L300, 35–43. oldal javaslatai szerint a B oldat (NaCl 30 g/l+HCl 5 g/l) alkalmazásával 30 mm×30 mm×5 mm méretû próbatesteken. Az ezekben a vizsgálatokban kapott eredményeket a 4. táblázatban közöljük, hivatkozva a technika állása sze50 rinti eredményekre.
4. táblázat Tömegvesztés (mg/cm2)
Lemez Nem öregített
5186 H1
20 3,5
A sérülés maximális mélysége (mm)
7 nap 20 nap 20 nap 40 nap 100 °C¹on 100 °C¹on 120 °C¹on 120 °C¹on
47
77
19
17,5
Nem öregített
7 nap 20 nap 20 nap 40 nap 100 °C¹on 100 °C¹on 120 °C¹on 120 °C¹on
101,5
122,5
100
220
400
550
650
66
94
40
50
90
280
420
7
1
HU 004 586 T2
2
4. táblázat (folytatás) Tömegvesztés (mg/cm2)
Lemez Nem öregített
A sérülés maximális mélysége (mm)
7 nap 20 nap 20 nap 40 nap 100 °C¹on 100 °C¹on 120 °C¹on 120 °C¹on
H2
3,5
6
I4
9,5
18,5
I2
7,5
9,5
75,5
Nem öregített
7 nap 20 nap 20 nap 40 nap 100 °C¹on 100 °C¹on 120 °C¹on 120 °C¹on
12
54
30
130
110
350
35,5
93,5
60
120
250
450
11
31
50
50
50
150
A találmány szerinti ötvözet hasonló, sõt jobb szemcseközi korrózióállóságot mutat, mint a technika állása szerinti. 5. példa Félfolyamatos öntéssel az alábbi összetételû hengerelt lemezt állítottuk elõ: Mg 5,0%, Zn 0,30%, Mn 0,35%, Si 0,01%, Fe 0,15%, Cu 0,03%, Zr 0,02%, Cr 0,03%, Ni<0,01%, Ti 0,02%. 19 órán át 505 °C¹on végzett homogenizálás után a lemezt melegen hengereltük 7 mm vastagság eléréséig. Egy enyhe simítás után a lemezeken lágyítottuk 8 órán át 378 °C¹ra történõ hõmérséklet-növekedéssel, majd 30 percig 378 °C és 390 °C közötti hõmérsékleten tartottuk. Az így kapott lemezekre az alábbi közepes mechanikai jellemzõket kaptuk (keresztirányban): Rm=297 MPa, Rp0,2=139 MPa, A=28,9%.
15
20
25
30 SZABADALMI IGÉNYPONTOK 1. Al¹Mg ötvözetbõl készült alakított termék, azzal jellemezve, hogy az alábbiakat tartalmazza (tömegszázalékban) Mg 4,85–5,35 Mn 0,20–0,50 Zn 0,20–0,45 Si<0,20 Fe<0,30 Cu<0,25 Cr<0,15 Ti<0,15 Zr<0,15 és a fennmaradó rész alumínium az elkerülhetetlen szennyezõivel. 2. Az 1. igénypont szerinti termék, azzal jellemezve, hogy Mg 4,90–5,30%. 3. Az 1. vagy 2. igénypont egyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy Mn 0,20–0,40% és elõnyösen 0,25–0,35%. 4. Az 1–3. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy Zn 0,25–0,40%. 5. Az 1–4. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy Cu<0,20, elõnyösen < 0,15 és még elõnyösebben <0,10. 6. Az 1–5. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy legalább 0,10% vasat tartalmaz. 7. Az 1–6. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy legalább 0,05% szilíciumot tartalmaz. 8. Az 1–7. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy legalább 4,95% magnéziumot tartalmaz.
35
40
45
50
55
60 8
450
9. Az 1–8. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy legalább 5,0% magnéziumot tartalmaz. 10. Az 1–9. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy az A(TL) szakadási nyúlása legalább 24% és elõnyösen legalább 27%. 11. Az 1–10. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy az Rp0,2(TL) folyáshatára legalább 145 MPa, az R m(TL) szakítószilárdsága legalább 290 MPa és az A(TL) szakadási nyúlása legalább 24%. 12. A 11. igénypont szerinti termék, azzal jellemezve, hogy az Rp0,2(TL) folyáshatára legalább 150 MPa, és elõnyösen legalább 170 MPa. 13. A 11. vagy 12. igénypont egyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy az A(TL) szakadási nyúlása legalább 27%. 14. A 10–13. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy az Rm(TL) szakítószilárdsága legalább 300 MPa. 15. Az 1–14. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy Rm(TL)×A(TL) szorzat, ahol Rm(TL) MPa-ban és az A(TL) százalékban van megadva, 8200-nál nagyobb, elõnyösen 8500-nál nagyobb és még elõnyösebben 9000-nél nagyobb. 16. Az 1–15. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy egy 7 napos, 100 °C¹on végzett öregítés után végzett szemcseközi korróziós vizsgálat után a tömegvesztesége 20 mg/cm2-nél kisebb. 17. Az 1–15. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy egy 20 napos, 100 °C¹on végzett öregítés után végzett szemcseközi korróziós vizsgálat után a tömegveszteség 50 mg/cm2-nél kisebb, és elõnyösen 30 mg/cm2-nél kisebb. 18. Az 1–15. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy egy 20 napos, 120 °C¹on végzett öregítés után végzett szemcseközi korróziós vizsgálat után a tömegveszteség 95 mg/cm2-nél kisebb, és elõnyösen 80 mg/cm2-nél kisebb, és még elõnyösebben 60 mg/cm2-nél kisebb. 19. Az 1–18. igénypontok bármelyike szerinti termék, azzal jellemezve, hogy az egy hengerelt lemez. 20. A 19. igénypont szerinti lemez, azzal jellemezve, hogy vastagsága 3 mm és 12 mm közötti. 21. A 20. igénypont szerinti lemez, azzal jellemezve, hogy vastagsága 4,5 mm és 10 mm közötti. 22. A 19–21. igénypontok egyike szerinti lemez, azzal jellemezve, hogy egy félfolyamatos öntéssel kapott bugából kiindulva meleghengerléssel készült.
1
HU 004 586 T2
23. A 22. igénypont szerinti lemez, azzal jellemezve, hogy a meleghengermû kimeneti hõmérséklete 260 °C és 330 °C közötti, és elõnyösen 290 °C és 330 °C közötti. 24. Az 1–23. igénypontok bármelyike szerinti lemez alkalmazása hegesztett szerkezetekhez. 25. Az 1–23. igénypontok bármelyike szerinti lemez alkalmazása közúti vagy vasúti tartályok elõállítására. 26. Az 1–23. igénypontok bármelyike szerinti lemez alkalmazása ipari jármûvek elõállítására. 27. Az 1–23. igénypontok bármelyike szerinti lemez alkalmazása gépkocsi-karosszériák elõállítására. 28. Közúti vagy vasúti tartály, amely legalább részben az alábbi összetételû (tömegszázalékban) lemezekbõl készült Mg 4,95–5,35 Mn 0,20–0,50 Zn 0,25–0,45 Si 0,05–0,20 Fe 0,10–0,30 Cu<0,25 Cr<0,15 Ti<0,15 Zr<0,10 a fennmaradó rész alumínium az elkerülhetetlen szennyezõivel, ahol a lemezek Rm(TL)×A(TL) szorzata legalább 8500, és elõnyösen legalább 9000.
2
29. A 28. igénypont szerinti tartály, azzal jellemezve, hogy a lemezek korrózióállóságára egy 20 napos, 100 °C¹on végzett öregítés után végrehajtott szemcseközi korróziós vizsgálat során 50 mg/cm2-nél kisebb, 5 és elõnyösen 30 mg/cm2-nél kisebb tömegveszteség jellemzõ. 30. A 28. és 29. igénypont egyike szerinti tartály, azzal jellemezve, hogy a lemezek feszültségkorrózióállóságára egy 20 napos, 100 °C¹os öregítés után 10 50%-nál kisebb CSC index jellemzõ. 31. Hegesztett szerkezet, amely legalább részben az 1–23. igénypontok bármelyike szerinti lemezbõl készült. 32. A 31. igénypont szerinti hegesztett szerkezet, 15 azzal jellemezve, hogy egy tompahegesztéssel keresztirányban, egy 45°¹os V varrattal, 5183 ötvözetbõl készült hegesztõhuzallal végzett MIG-hegesztéssel kapott hegesztett kötés Rm értéke legalább 275 MPa, a hegesztett kötésen keresztül hosszanti irányból kivett 20 és oly módon elhelyezett próbatesten mérve, hogy a hegesztett kötés a próbatest hosszának közepére kerüljön, a hegesztési varrat szimmetrikus levágása után.
9
Kiadja a Magyar Szabadalmi Hivatal, Budapest Felelõs vezetõ: Törõcsik Zsuzsanna Windor Bt., Budapest
