PL248063B1

PL248063B1 - Method of manufacturing profiles cast from Al-Cu-Mg alloy

Info

Publication number: PL248063B1
Application number: PL444487A
Authority: PL
Inventors: Wojciech Ściężor; Andrzej Mamala; Paweł Kwaśniewski; Grzegorz Kiesiewicz; Szymon Kordaszewski; Radosław Kowal; Krystian Franczek
Original assignee: Akademia Gorniczo Hutnicza Im Stanislawa Staszica W Krakowie
Priority date: 2023-04-19
Filing date: 2023-04-19
Publication date: 2025-10-13
Also published as: PL444487A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób wytwarzania profili odlewanych ze stopu Al-Cu-Mg o zawartości miedzi w ilości 3% - 4,5% wag., który charakteryzuje się tym, że złom aluminiowy, magnezowy i miedziany stanowią razem co najmniej 80% wag. całości wsadu, a zawartość magnezu w stopie wynosi od 3,1% do 6% wag., przy czym proces odlewania ciągłego prowadzi się przy posuwie odlewu wynoszącym 8 - 12 mm i przy 2 - 5 s czasu postoju, a wydatek cieczy chłodzącej w procesie odlewania ciągłego w systemie pierwotnym wynosi od 0,12 do 0,3 l/min, zaś w procesie utwardzania wydzieleniowego homogenizacja odlanego profilu odbywa się w temperaturze 480°C - 500°C w czasie od 6 do 24 godzin z chłodzeniem w wodzie, a starzenie jest starzeniem sztucznym i odbywa się w temperaturze 190°C - 215°C w czasie od 3 do 14 godzin z chłodzeniem na powietrzu.The subject of the application is a method for producing profiles cast from an Al-Cu-Mg alloy with a copper content of 3% - 4.5% by weight, which is characterized in that the aluminum, magnesium and copper scrap together constitute at least 80% by weight. of the total charge, and the magnesium content in the alloy is from 3.1% to 6% by weight, wherein the continuous casting process is carried out at a casting feed of 8 - 12 mm and with a 2 - 5 s standstill time, and the cooling liquid flow rate in the continuous casting process in the primary system is from 0.12 to 0.3 l/min, while in the precipitation hardening process, the homogenization of the cast profile takes place at a temperature of 480°C - 500°C for 6 to 24 hours with cooling in water, and the ageing is artificial ageing and takes place at a temperature of 190°C - 215°C for 3 to 14 hours with cooling in air.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania profili odlewanych ze stopu Al-Cu-Mg przeznaczony do stosowania w przemyśle metalurgicznym, głównie w odlewniach i walcowniach metali nieżelaznych. Profile wytworzone sposobem według wynalazku dzięki swoim wysokim własnościom mechanicznym i obniżonej masie będą miały zastosowanie zwłaszcza jako elementy konstrukcyjne, przemysłu motoryzacyjnego i transportowego.The invention is a method for producing profiles cast from an Al-Cu-Mg alloy, intended for use in the metallurgical industry, primarily in foundries and non-ferrous metal rolling mills. Due to their excellent mechanical properties and reduced weight, profiles produced using the method according to the invention will find applications particularly as structural components in the automotive and transportation industries.

Ze stanu techniki znane są różne sposoby wytarzania prętó w z wykorzystaniem odlewania grawitacyjnego stopów Al-Cu-Mg. Z kolei niekonwencjonalne procesy ich otrzymywania przewidują zastosowanie metod SPD czy technik przyrostowych. W praktyce przemysłowej obserwuje się wysoki odsetek wad materiałowych to jest mikropęknięcia, wciągi czy obwódki gruboziarniste powstałe w wyrobach w efekcie stosowania tradycyjnych technologii ich wytwarzania.The state of the art provides various methods for producing rods using gravity casting of Al-Cu-Mg alloys. Unconventional processes for their production involve the use of SPD methods or additive techniques. Industrial practice observes a high percentage of material defects, such as microcracks, dents, or coarse-grained rims, which are created in products as a result of traditional manufacturing technologies.

Konwencjonalna, najczęściej stosowana technologia wytwarzania profili z aluminium oraz jego stopów do dalszej przeróbki plastycznej lub obróbki mechanicznej obejmuje następującą ścieżkę technologiczną: odlewanie wielkogabarytowych wlewków i ich studzenie, proces długoczasowego wygrzewania wlewków tak zwanej homogenizacji oraz ich studzenie, ponowne nagrzewanie wlewków przed procesem wyciskania oraz następującego po nim procesu wyciskania prętów, wygrzewania ujednorodniającego i przesycania oraz obróbki cieplnej w postaci starzenia naturalnego lub sztucznego w celu uzyskania wymaganych, stabilnych własności materiału. Pomimo, iż technologia ta pozwala na uzyskanie profilu o określonej geometrii charakteryzującego się wysokim zespołem własności mechanicznych, drobną równoosiową strukturą oraz odpowiednią plastycznością technologiczną, jest równocześnie technologią niezwykle energochłonną oraz kosztowną. W przypadku odlewania wlewków o średnicach 200 mm - 300 mm bardzo często pojawia się zjawisko dużej segregacji dodatków stopowych na jego przekroju poprzecznym oraz pękania materiału w środkowej części wlewka, co jest skutkiem warunków krystalizacji występujących w tym procesie. Kolejny etap wytwarzania profili stanowiący proces wyciskania generuje duże koszty związane z wielokrotnym procesem nagrzewania wlewka, kosztem wytworzenia matryc oraz ich regeneracji. Dodatkowo w procesie wyciskania zawsze pojawia się tzw. piętka, która stanowi odpad technologiczny procesu.The conventional, most commonly used technology for producing profiles from aluminum and its alloys for further plastic or mechanical processing involves the following technological steps: casting and cooling of large-sized ingots, a long-term heating process known as homogenization and cooling of the ingots, reheating of the ingots before extrusion and subsequent bar extrusion, homogenization and solution heat treatment, and heat treatment in the form of natural or artificial aging to achieve the required, stable material properties. Although this technology allows for the production of a profile with a specific geometry characterized by a high set of mechanical properties, a fine equiaxed structure, and appropriate technological plasticity, it is also extremely energy-intensive and expensive. When casting ingots with diameters of 200 mm to 300 mm, significant segregation of alloying elements across the cross-section and material cracking in the central part of the ingot are common, resulting from the crystallization conditions occurring during the process. The next stage of profile production, the extrusion process, generates significant costs associated with repeated ingot heating, die fabrication, and die regeneration. Furthermore, the extrusion process always produces a "heel," which is a process waste.

Znany jest z opisu patentu europejskiego EP1945825B1 sposób wytwarzania wyrobu ze stopu aluminium o wysokiej wytrzymałości i wysokiej odporności na pękanie oraz wysokiej odporności na korozję międzykrystaliczną. Prezentowane w zgłoszeniu stopy przeznaczone są m.in. do lotniczych zastosowań. Zastosowane dodatki stopowe w postaci Cu, Mg i Ag w ilości odpowiednio Cu od 4,1 do 5,5%, Mg od 0,3 do 1,6% Mn od 0,14 do 0,8%, Ag <0,7% oraz Ti, Zr, Fe, Si pozwalają uzyskać stop odznaczający się również wysoką odpornością na korozję złuszczającą i odporność na pękanie korozyjne naprężeniowe. Proces otrzymywania przewiduje następujące etapy: odlewanie wlewka, homogenizacja, obróbka na gorąco, walcowanie, wytłaczanie i obróbka na zimno.European patent EP1945825B1 describes a method for manufacturing an aluminum alloy product with high strength, high fracture toughness, and high resistance to intergranular corrosion. The alloys presented in the application are intended for, among other things, aerospace applications. The alloying additions, Cu, Mg, and Ag, in amounts ranging from 4.1 to 5.5% Cu, 0.3 to 1.6% Mg, 0.14 to 0.8% Mn, and <0.7% Ag, as well as Ti, Zr, Fe, and Si, allow for the production of an alloy characterized by high resistance to exfoliation corrosion and stress corrosion cracking. The production process involves the following steps: ingot casting, homogenization, hot working, rolling, extrusion, and cold working.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US7494552B2 sposób wytwarzania stopu aluminium-miedź o wysokiej ciągliwości i podwyższonej wytrzymałości. Produkt walcowany otrzymany niniejszym sposobem posiada następujący skład chemiczny Cu 4,5-5,5% wag., Mg 0,5-1,6% wag., Mn <0,8% wag., Zr < 0,18% wag., Cr i Fe korzystnie <0,1% wag. Odporność cieplna półproduktów ze stopu Al-Cu-Mg-Si daje wyrób w stanie T3 a zwłaszcza w stanie T39 lub T351,22 o finalnej grubości od 25 do 50 mm z przeznaczeniem na kadłub samolotu lub arkusz członu dolnego skrzydła samolotu. Sposób obejmuje odlewanie wlewka, homogenizację i wstępne ogrzewanie wlewka po odlewaniu, odkształcanie na gorąco wlewka i walcowanie na zimno, hartowanie uzyskanego wyrobu poddanego obróbce cieplnej, rozciąganie schłodzonego wyrobu, a następnie naturalne starzenie walcowanego i poddanego obróbce cieplnej wyrobu.A method for producing an aluminum-copper alloy with high ductility and increased strength is known from U.S. patent description US7494552B2. The rolled product obtained by this method has the following chemical composition: Cu 4.5-5.5 wt.%, Mg 0.5-1.6 wt.%, Mn <0.8 wt.%, Zr <0.18 wt.%, Cr and Fe preferably <0.1 wt.%. The heat resistance of semi-finished products from the Al-Cu-Mg-Si alloy produces a product in the T3 temper, and especially in the T39 or T351.22 temper, with a final thickness of 25 to 50 mm intended for an aircraft fuselage or a sheet of the lower wing member of an aircraft. The method comprises casting an ingot, homogenizing and preheating the ingot after casting, hot deforming the ingot and cold rolling it, hardening the resulting heat-treated product, stretching the cooled product, and then naturally aging the rolled and heat-treated product.

Znany jest z europejskiego zgłoszenia patentowego EP3638820A1 sposób wytwarzania aluminiowego stopu łożyskowego nadającego się do odkształceń plastycznych zawierający od 0,05 do 7% wagowych miedzi oraz do 3% wagowych rozdrabniacza ziarna Al-Ti-B. W sposobie jako proces odlewania zastosowano proces ciągłego odlewania. Zastosowana szybkość chłodzenia w procesie odlewania wynosiła od 5 do 300 K/sek, a stop poddano co najmniej jednej obróbce cieplnej w temperaturach od 200°C do 400°C w trakcie kolejnych procesów formowania. Obróbka cieplna wyrobu odbywała się w procesie walcowania.European patent application EP3638820A1 discloses a method for manufacturing a plastically deformable aluminum bearing alloy containing 0.05 to 7% by weight of copper and up to 3% by weight of an Al-Ti-B grain refiner. The method employed a continuous casting process. The cooling rate used in the casting process ranged from 5 to 300 K/sec, and the alloy was subjected to at least one heat treatment at temperatures ranging from 200°C to 400°C during subsequent forming processes. Heat treatment of the product was performed by rolling.

Znany jest z opisu patentu europejskiego EP3080318B1 sposób wytwarzania wyrobów ze stopów aluminiowo-miedziowo-litowych o ulepszonych właściwościach zmęczeniowych. Stop według wyna lazku jest odlewany metodą pionowego odlewania półciągłego i zawiera miedź w ilości 3,0-3,9% wagowych, lit w ilości 0,71,3% wagowych, magnez w ilości 0,1-1,0% wagowych oraz co najmniej jeden pierwiastek z grupy: cyrkon, mangan, tytan. Sposób obejmuje homogenizowanie przed lub po przeróbce wyrobu w postaci płyty w celu uzyskania wymaganego kształtu, odkształcanie na gorąco i na zimno wspomnianego wyrobu, a po homogenizowaniu wyrobu poddanie go przeróbce plastycznej i hartowaniu.European patent EP3080318B1 describes a method for manufacturing products from aluminum-copper-lithium alloys with improved fatigue properties. The alloy according to the invention is cast by vertical semi-continuous casting and contains copper in an amount of 3.0-3.9% by weight, lithium in an amount of 0.7-1.3% by weight, magnesium in an amount of 0.1-1.0% by weight, and at least one element from the group: zirconium, manganese, and titanium. The method involves homogenizing the plate-shaped product before or after processing to obtain the required shape, hot and cold deforming the product, and after homogenizing the product, subjecting it to plastic working and hardening.

Znany jest z japońskiego opisu zgłoszeniowego wynalazku JPH07252574A sposób wytwarzania stopu Al-Cu-Mg o doskonałej ciągliwości. Sposób według wynalazku prowadzi się przy zachowaniu temperatury równej lub wyższej niż temperatura walcowania na gorąco. Odlany w procesie odlewania ciągłego wyrób doprowadza się do temperatury walcowania na gorąco i walcuje. Stop uzyskany sposobem według wynalazku zawiera miedź w ilości 2 to 7% wagowych i magnez w ilości 0,2 to 2,5% wagowych.Japanese patent application JPH07252574A describes a method for producing an Al-Cu-Mg alloy with excellent ductility. The method according to the invention is carried out at a temperature equal to or higher than the hot rolling temperature. The product cast in the continuous casting process is brought to the hot rolling temperature and rolled. The alloy obtained by the method according to the invention contains copper in an amount of 2 to 7% by weight and magnesium in an amount of 0.2 to 2.5% by weight.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US6569542B2 sposób wytwarzania elementu konstrukcyjnego skrzydła samolotu wytwarzanego z produktu walcowanego, wyciskanego lub kutego ze stopu Cu-Al z dodatkiem Mg, Mn, Si, Fe, Zn, Cr. Proces wytwarzania przewiduje ciągłe odlewanie wlewków, homogenizacja, przeróbkę plastyczną na drodze kucia, przesycanie, hartowanie i starzenie, co pozwala na wzrost finalnej wytrzymałości wyrobu. Stop Al-Cu-Mg posiada następujący skład chemiczny: Cu od 4,6 do 5,3% wag., Mg od 0,1 do 0,5%wag., Mn od 0,15 do 0,45% wag., Zr poniżej 0,20% wag. resztę stanowią aluminium, pierwiastki śladowe i zanieczyszczenia.US patent US6569542B2 describes a method for manufacturing an aircraft wing structural element from a rolled, extruded, or forged Cu-Al alloy with the addition of Mg, Mn, Si, Fe, Zn, and Cr. The manufacturing process involves continuous casting of ingots, homogenization, plastic working by forging, solution heat treatment, hardening, and aging, which increases the final strength of the product. The Al-Cu-Mg alloy has the following chemical composition: Cu from 4.6 to 5.3 wt.%, Mg from 0.1 to 0.5 wt.%, Mn from 0.15 to 0.45 wt.%, Zr below 0.20 wt.%, the remainder being aluminum, trace elements, and impurities.

Celem wynalazku było opracowanie efektywnego produkcyjnie przy jednocześnie zmniejszonych nakładach finansowych sposobu wytwarzania profili odlewanych ze stopu Al-Cu-Mg o podwyższonej podatności do obróbki skrawaniemThe aim of the invention was to develop a production-efficient method for producing profiles cast from an Al-Cu-Mg alloy with increased machinability, while reducing financial outlays.

Istota sposobu wytwarzania profili odlewanych ze stopu Al-Cu-Mg o zawartości miedzi w ilości 3-4,5% wag., w którym do znajdującego się w piecu odlewniczym ujednorodnionego chemicznie wsadu dodaje się modyfikator struktury w postaci zaprawy aluminiowo tytanowo-borowej, a zmodyfikowany wsad pozostawia się w piecu odlewniczym do ujednorodnienia jego składu chemicznego, przy czym wsad w piecu odlewniczym w postaci ciekłego metalu posiada temperaturę 780°C - 840°C, natomiast odlewanie ciekłego metalu prowadzone jest w sposób ciągły, a odlane profile poddaje się procesowi utwardzania wydzieleniowego i przeróbki plastycznej, polega na tym, że złom aluminiowy, magnezowy i miedziany stanowią razem co najmniej 80% wag. całości wsadu, a zawartość magnezu w stopie wynosi od 3,1 do 6% wag., z kolei ujednorodnienie składu chemicznego wsadu w piecu odlewniczym po dodaniu modyfikatora struktury trwa od 5 do 10 minut przy czym zawartość tytanu w modyfikatorze struktury wsadu wynosi 600-1000 ppm. objętości wsadu, natomiast proces odlewania ciągłego prowadzi się przy posuwie odlewu wynoszącym 8-12 mm i przy 2-5 s czasu postoju, a wydatek cieczy chłodzącej w procesie odlewania ciągłego w systemie pierwotnym wynosi od 0,12 do 0,3 l/min, zaś w procesie utwardzania wydzieleniowego homogenizacja odlanego profilu odbywa się w temperaturze 480-500°C w czasie od 6 do 24 godzin z chłodzeniem w wodzie, a starzenie jest starzeniem sztucznym i odbywa się w temperaturze 190-215°C w czasie od 3-14 godzin z chłodzeniem na powietrzu.The essence of the method for producing profiles cast from an Al-Cu-Mg alloy with a copper content of 3-4.5% by weight, in which a structure modifier in the form of an aluminum-titanium-boron mortar is added to the chemically homogenized charge in the foundry furnace, and the modified charge is left in the foundry furnace until its chemical composition is homogenized, wherein the charge in the foundry furnace in the form of liquid metal has a temperature of 780°C - 840°C, while the casting of liquid metal is carried out continuously, and the cast profiles are subjected to the process of precipitation hardening and plastic working, consists in the fact that aluminum, magnesium and copper scrap together constitute at least 80% by weight. of the entire charge, and the magnesium content in the alloy is from 3.1 to 6% by weight, while the homogenization of the chemical composition of the charge in the foundry furnace after adding the structure modifier takes from 5 to 10 minutes, and the titanium content in the charge structure modifier is 600-1000 ppm. The continuous casting process is carried out at a casting feed rate of 8-12 mm and a standstill time of 2-5 s, and the cooling liquid flow rate in the continuous casting process in the primary system is from 0.12 to 0.3 l/min, while in the precipitation hardening process, the homogenization of the cast profile takes place at a temperature of 480-500°C for 6 to 24 hours with cooling in water, and the ageing is artificial ageing and takes place at a temperature of 190-215°C for 3-14 hours with cooling in air.

Istotną zaletą niniejszego wynalazku jest uproszczenie technologii i wyeliminowanie z procesu wytwarzania etapów takich jak odlewanie półciągłe wielkogabarytowych wlewków, wyciskanie a także wszystkich operacji im towarzyszących, co pozwoliło na istotne obniżenie energochłonności oraz materiałochłonności procesu, a także skrócenie cyklu produkcyjnego ograniczając finalnie koszty potencjalnej wielkoseryjnej produkcji.A significant advantage of this invention is the simplification of the technology and the elimination of stages from the production process such as semi-continuous casting of large-size ingots, extrusion and all accompanying operations, which allowed for a significant reduction in the energy and material consumption of the process, as well as shortening the production cycle, ultimately limiting the costs of potential large-scale production.

Profil według wynalazku dzięki odpowiednio dobranym parametrom procesowym i właściwej proporcji Cu oraz Mg w stopie, w którym zawartość miedzi jest w ilości 3-4,5% wag. a magnezu w stopie jest 3,1-6% wag., przy czym aż co najmniej 80% składników pochodzi z surowców wtórnych spowodowało, że wytworzony wyrób charakteryzuje się wysokim zespołem własności wytrzymałościowych będących superpozycją umocnienia wydzieleniowego jak i roztworowego.The profile according to the invention, thanks to appropriately selected process parameters and the correct proportion of Cu and Mg in the alloy, in which the copper content is 3-4.5% by weight and the magnesium content in the alloy is 3.1-6% by weight, with at least 80% of the components coming from recycled raw materials, resulted in the manufactured product being characterized by a high set of strength properties being a superposition of precipitation and solution strengthening.

Cechą charakterystyczną wyrobów uzyskanych sposobem według wynalazku jest wysoki zespół własności mechanicznych oraz technologicznych wytworzonych profili, korzystna drobnoziarnista struktura oraz równomierny rozkład dodatków stopowych zarówno na przekroju poprzecznym, jak i na długości otrzymywanego wyrobu uzyskanego poprzez odpowiednio dobrany skład chemiczny oraz dzięki precyzyjnemu doborowi sterowalnych warunków opracowywanej technologii.A characteristic feature of the products obtained by the method according to the invention is a high set of mechanical and technological properties of the produced profiles, a favorable fine-grained structure and a uniform distribution of alloying elements both on the cross-section and along the length of the obtained product obtained through a properly selected chemical composition and thanks to the precise selection of controllable conditions of the developed technology.

Przykład 1Example 1

Materiały składające się w 80% z miedzianego, aluminiowego i magnezowego złomu oraz 20% czystych składników poddane zostały syntezie metalurgicznej z wykorzystaniem pieca indukcyjnego o mocy 150 kW. Zebrane materiały poddane zostały procesowi topienia w temperaturze 840°C i w osło nie gazu obojętnego w tyglu grafitowym wykonanym z grafitu izostatycznie prasowanego. Materiał wsadowy przewidywał następujące ilości składników: 180 kg złomu aluminium, 5,9 kg złomu magnezu, 8,8 kg złomu miedzianego oraz 48,675 kg czystych składników w postaci aluminium, miedzi i magnezu. Po procesie topienia i mieszania zadanej ilości materiału pozostawiono ciekłą kąpiel na okres 20 min w celu ujednorodnienia składu chemicznego. Dodatkowo po tym czasie, do stopionych składników wprowadzono modyfikator struktury w postaci zaprawy AlTi5B1 tak, aby zawartość tytanu w objętości ciekłego metalu wyniosła 1000 ppm. Wsad z modyfikatorem struktury był pozostawiony w tyglu grafitowym przez 5 minut w celu ujednorodnienia jego składu chemicznego oraz skutecznego rozdrobnienia struktury.Materials consisting of 80% copper, aluminum, and magnesium scrap and 20% pure components were metallurgically synthesized using a 150 kW induction furnace. The collected materials were melted at 840°C in an inert gas atmosphere in a graphite crucible made of isostatically pressed graphite. The input material consisted of the following quantities: 180 kg of aluminum scrap, 5.9 kg of magnesium scrap, 8.8 kg of copper scrap, and 48.675 kg of pure aluminum, copper, and magnesium components. After melting and mixing the specified amounts of material, the liquid bath was left for 20 minutes to homogenize the chemical composition. Additionally, after this time, a structure modifier in the form of AlTi5B1 master alloy was added to the molten components to achieve a titanium content of 1000 ppm in the liquid metal. The batch with the structure modifier was left in the graphite crucible for 5 minutes in order to homogenize its chemical composition and effectively fragment the structure.

Proces odlewania ciągłego prętów o kompozycji chemicznej AlCu4,5Mg3 z wykorzystaniem krystalizatora grafitowego odbywał się w warunkach chłodzenia pierwotnego krystalizatora o wydajności 0,3 l/min. Proces odlewania obejmował następujące parametry: 8 mm posuwu przy czasie postoju 2 s. Otrzymane pręty o średnicy 14 mm. Ze stopu uzyskanego w ramach syntezy metalurgicznej pobrano próbki do badań własności mechanicznych, elektrycznych oraz fizycznych. W oparciu o przeprowadzone badanie określono wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużenie całkowite stopu AlCu4,5Mg3, gdzie wytrzymałość na rozciąganie osiągnęła wartość Rm = 278 MPa, a wydłużenie A50 = 3,6%. Na otrzymanych prętach przeprowadzono również badanie gęstości równej 2,67g/cm³, co świadczyło o braku porowatości otrzymanego materiału. Twardość w skali Brinell’a odlewów mieściła się w zakresie 93 HB. Wyznaczone na drodze eksperymentalnej parametry procesu odlewania przyczyniły się do uzyskania niskiej chropowatości powierzchni Ra= 4 μm, co świadczy o wysokiej jakości odlewu porównywalnego do wyrobów przerabianych plastycznie. W przypadku stopu AlCu4,5Mg3 zastosowanie zaprawy AlTi5B1 pozwoliło uzyskanie wyroby o wielkości ziarna do 150 μm. Odlany półwyrób ze stopu AlCu3,1Mg6 w procesie utwardzania wydzieleniowego poddano homogenizacji w warunkach 480°C w czasie 24 h i starzeniu w warunkach temperaturowo-czasowych: 190°C przez 14 h.The continuous casting process of rods with a chemical composition of AlCu4.5Mg3 using a graphite crystallizer took place under cooling conditions of a primary crystallizer with a capacity of 0.3 l/min. The casting process involved the following parameters: 8 mm feed and a dwell time of 2 s. The resulting rods had a diameter of 14 mm. Samples were taken from the alloy obtained through metallurgical synthesis for testing of mechanical, electrical, and physical properties. Based on the conducted testing, the tensile strength and total elongation of the AlCu4.5Mg3 alloy were determined, where the tensile strength reached Rm = 278 MPa and elongation A50 = 3.6%. The resulting rods were also tested for density of 2.67 g/ ^cm3 , which indicated the absence of porosity in the resulting material. The Brinell hardness of the castings was in the range of 93 HB. The experimentally determined casting process parameters contributed to achieving a low surface roughness of Ra=4 μm, demonstrating the high quality of the casting, comparable to wrought products. In the case of the AlCu4.5Mg3 alloy, the use of the AlTi5B1 master alloy allowed for obtaining products with a grain size of up to 150 μm. The cast semi-finished product from the AlCu3.1Mg6 alloy was subjected to homogenization at 480°C for 24 h and aging at a temperature-time combination of 190°C for 14 h.

Tak uzyskany wyrób poddano badaniom w tym procesowi toczenia, frezowania, wiercenia oraz testom skrawalności. Proces toczenia odbywał się z wykorzystaniem dwóch narzędzi, tj. z prostą krawędzią natarcia oraz z rowkiem do łamania wiórów na powierzchni natarcia, dwa zakresy prędkości obrotowych 250 i 560 obr/min., dwie prędkości posuwu 0,113 i 0,266 mm/obr. oraz trzy głębokości skrawania 0,5; 1,0 i 2,0 mm. Z kolei proces skrawania odbywał się z zastosowaniem chłodziwa Emulkol eko. Badania frezowania stopu AlCu4,5Mg3 przewidywało użycie dwóch głowic skrawających wyposażonych w płytki skrawające o średnicy 80 i 40 mm, ponadto zastosowano dwa zakresy prędkości obrotowych 380 i 850 obr/min., dwie prędkości posuwu 132 i 420 mm/min. oraz trzy głębokości skrawania 0,5; 1,0 i 2,0 mm. Proces wiercenia przewidywał wykorzystanie dwóch średnic wiertnicy odpowiednio 8 i 4 mm, ponadto zastosowano trzy zakresy prędkości obrotowych 2500, 850 i 250 obr/min. Badania przeprowadzono dla stopu AlCu4,5Mg3 oraz dla stopów EN AW -1050, EN AW-6060, EN AW-2017A stanowiących materiały odniesienia przy analizie porównawczej otrzymanych wiór. Dla stopu AlCu4,5Mg3 widoczne są wyraźne tendencje do spadku wielkości wiórów wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wrzeciona oraz zwiększenie prędkości posuwu. Dla badanego materiału optymalne wydaje się zastosowanie głowic o mniejszej średnicy, co pozwala na uzyskanie wiórów krótszych niż 2 mm. Analiza procesu wiercenia wykazuje wyraźną przewagę stopu AlCu4,5Mg3 nad pozostałymi badanymi stopami, wiór towarzyszący wierceniu ma luźną strukturę i niewielkie rozmiary materiał nie wykazuje tendencji do nalepiania się na narzędzie niezależnie od prędkości obróbki czy średnicy wiertła.The resulting product was subjected to turning, milling, drilling, and machinability tests. The turning process was performed using two tools: one with a straight rake edge and one with a chip-breaking groove on the rake face, two rotational speed ranges of 250 and 560 rpm, two feed rates of 0.113 and 0.266 mm/rev, and three cutting depths of 0.5; 1.0; and 2.0 mm. The cutting process was performed using Emulkol eko coolant. The milling tests on the AlCu4.5Mg3 alloy involved the use of two cutting heads equipped with 80 and 40 mm diameter cutting inserts. Furthermore, two rotational speed ranges of 380 and 850 rpm, two feed rates of 132 and 420 mm/min, and three cutting depths of 0.5; 1.0 and 2.0 mm. The drilling process involved the use of two drilling rig diameters, 8 and 4 mm, respectively, and three rotational speed ranges of 2500, 850, and 250 rpm. The tests were conducted for the AlCu4.5Mg3 alloy and the EN AW-1050, EN AW-6060, and EN AW-2017A alloys, which served as reference materials for comparative analysis of the obtained chips. For the AlCu4.5Mg3 alloy, there was a clear tendency for chip size to decrease with increasing spindle speed and feed rate. For the tested material, the use of smaller diameter heads seemed optimal, allowing for chips shorter than 2 mm. The analysis of the drilling process shows a clear advantage of the AlCu4.5Mg3 alloy over the other tested alloys, the chip accompanying the drilling has a loose structure and is small in size, the material does not tend to stick to the tool regardless of the machining speed or drill diameter.

Wyrób uzyskany sposobem według wynalazku będzie materiałem wsadowym do procesów kucia matrycowego oraz obróbki mechanicznej, a po ich zakończeniu gotowym wyrobem przeznaczonym do stosowania w przemyśle motoryzacyjnym, transportowym lub do zastosowań konstrukcyjnych.The product obtained by the method according to the invention will be a feedstock for die forging and mechanical processing, and after their completion, a finished product intended for use in the automotive, transport or construction industries.

Przykład 2Example 2

Materiały składające się w 100% z miedzianego, aluminiowego i magnezowego złomu poddane zostały syntezie metalurgicznej z wykorzystaniem pieca indukcyjnego o mocy 15 kW. Zebrane materiały poddane zostały procesowi topienia w temperaturze 780°C i w osłonie gazu obojętnego w tyglu grafitowym wykonanym z grafitu izostatycznie prasowanego. Materiał wsadowy przewidywał następujące ilości składników: 4 kg złomu aluminium, 264 g złomu magnezu, 130 g złomu miedzianego. Po procesie topienia i mieszania zadanej ilości materiału pozostawiono ciekłą kąpiel na okres 23 min w celu ujednorodnienia składu chemicznego. Dodatkowo po tym czasie, do stopionych składników wprowadzono modyfikator struktury w postaci zaprawy AlTi5B1 tak, aby zawartość tytanu w objętości ciekłego metalu wyniosła 600 ppm. Wsad z modyfikatorem struktury był pozostawiony w tyglu grafitowym przez 5 minut w celu ujednorodnienia jego składu chemicznego oraz skutecznego rozdrobnienia struktury.Materials consisting of 100% copper, aluminum, and magnesium scrap were metallurgically synthesized using a 15 kW induction furnace. The collected materials were melted at 780°C in an inert gas atmosphere in a graphite crucible made of isostatically pressed graphite. The input material consisted of the following quantities: 4 kg of aluminum scrap, 264 g of magnesium scrap, and 130 g of copper scrap. After melting and mixing the specified amount of material, the liquid bath was left for 23 minutes to homogenize the chemical composition. Additionally, after this time, a structure modifier in the form of AlTi5B1 master alloy was added to the melted components to achieve a titanium content of 600 ppm in the liquid metal. The batch with the structure modifier was left in the graphite crucible for 5 minutes in order to homogenize its chemical composition and effectively fragment the structure.

Proces odlewania ciągłego prętów o kompozycji chemicznej AlCu3,1Mg6 z wykorzystaniem krystalizatora grafitowego odbywał się w warunkach chłodzenia pierwotnego krystalizatora o wydajności 0,12 l/min Proces odlewania obejmował następujące parametry: 12 mm posuwu przy czasie postoju 5 s. Otrzymane pręty o średnicy 14 mm. Ze stopu uzyskanego w ramach syntezy metalurgicznej pobrano próbki do badań własności mechanicznych, elektrycznych oraz fizycznych. W oparciu o przeprowadzone badanie określono wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużenie całkowite stopu AlCu3,1Mg6, gdzie wytrzymałość na rozciąganie osiągnęła wartość Rm = 268 MPa, a wydłużenie A50 = 7,3%. Na otrzymanych prętach przeprowadzono również badanie gęstości równej 2,79 g/cm³, co świadczyło o braku porowatości otrzymanego materiału. Twardość w skali Brinell’a odlewów wyniosła 83 HB. Wyznaczone na drodze eksperymentalnej parametry procesu odlewania przyczyniły się do uzyskania niskiej chropowatości powierzchni Ra = 5 μm, co świadczy o wysokiej jakości odlewu porównywalnego do wyrobów przerabianych plastycznie. W przypadku stopu AlCu3,1Mg6 zastosowanie zaprawy AlTi5B1 pozwoliło uzyskanie wyroby o wielkości ziarna w granicach 50 μm. Odlany półwyrób ze stopu AlCu3,1Mg6 w procesie utwardzania wydzieleniowego poddano homogenizacji w warunkach 500°C w czasie 6 h i starzeniu w warunkach temperaturowo-czasowych: 215°C przez 2,5 h.The continuous casting process of rods with a chemical composition of AlCu3.1Mg6 using a graphite crystallizer took place under cooling conditions of the primary crystallizer with a capacity of 0.12 l/min. The casting process included the following parameters: 12 mm feed and a dwell time of 5 s. The resulting rods had a diameter of 14 mm. Samples were taken from the alloy obtained through metallurgical synthesis for testing of mechanical, electrical, and physical properties. Based on the conducted testing, the tensile strength and total elongation of the AlCu3.1Mg6 alloy were determined, where the tensile strength reached Rm = 268 MPa, and elongation A50 = 7.3%. The resulting rods were also tested for density of 2.79 g/ ^cm3 , which indicated the absence of porosity in the resulting material. The Brinell hardness of the castings was 83 HB. The experimentally determined casting process parameters contributed to achieving a low surface roughness of Ra = 5 μm, demonstrating the high quality of the casting, comparable to wrought products. In the case of the AlCu3.1Mg6 alloy, the use of the AlTi5B1 master alloy allowed for a product with a grain size of around 50 μm. The cast semi-finished product from the AlCu3.1Mg6 alloy was subjected to precipitation hardening at 500°C for 6 h and then aged at 215°C for 2.5 h.

Tak uzyskany wyrób poddano badaniom w tym procesowi toczenia, frezowania, wiercenia oraz testy skrawalności. Proces toczenia odbywał się z wy korzy staniem dwóch narzędzi, tj. z prostą krawędzią natarcia oraz z rowkiem do łamania wiórów na powierzchni natarcia, dwa zakresy prędkości obrotowych 250 i 560 obr/min., dwie prędkości posuwu 0,113 i 0,266 mm/obr. oraz trzy głębokości skrawania 0,5; 1,0 i 2,0 mm bez dodatku czystych składników. Z kolei proces skrawania odbywał się z zastosowaniem chłodziwa Emulkol eko. Badania frezowania stopu AlCu3,1Mg6 przewidywało użycie dwóch głowic skrawających wyposażonych w płytki skrawające o średnicy 80 i 40 mm, ponadto zastosowano dwa zakresy prędkości obrotowych 380 i 850 obr/min., dwie prędkości posuwu 132 i 420 mm/min. oraz trzy głębokości skrawania 0,5; 1,0 i 2,0 mm. Proces wiercenia przewidywał wykorzystanie dwóch średnic wiertnicy odpowiednio 8 i 4 mm, ponadto zastosowano trzy zakresy prędkości obrotowych 2500, 850 i 250 obr/min. Badania przeprowadzono dla stopu AlCu3,1Mg6, AlCu4,5Mg3 oraz dla stopów EN AW-1050, EN AW-6060, EN AW-2017A stanowiących materiały odniesienia przy analizie porównawczej otrzymanych wiór. Podobnie jak w przypadku stopu AlCu4,5Mg3 obserwuje się spadek wielkości wiórów wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wrzeciona i zwiększeniem prędkości posuwu. Wiór towarzyszący wierceniu ma luźną strukturę i równie niewielkie rozmiary, a co najważniejsze i powtarzalne przy tych stopach - materiał nie wykazuje tendencji do nalepiania się na narzędzie niezależnie od prędkości obróbki czy średnicy wiertła.The resulting product was subjected to testing, including turning, milling, drilling, and machinability tests. The turning process was performed using two tools: one with a straight rake edge and one with a chip-breaking groove on the rake face. Two rotational speed ranges were used: 250 and 560 rpm, two feed rates: 0.113 and 0.266 mm/rev, and three cutting depths: 0.5, 1.0, and 2.0 mm, without the addition of pure components. The cutting process was performed using Emulkol eko coolant. The milling tests on the AlCu3.1Mg6 alloy involved the use of two cutting heads equipped with cutting inserts with diameters of 80 and 40 mm. Furthermore, two rotational speed ranges were used: 380 and 850 rpm, and two feed rates: 132 and 420 mm/min. and three cutting depths: 0.5, 1.0, and 2.0 mm. The drilling process involved the use of two drill diameters, 8 and 4 mm, respectively, and three rotational speed ranges: 2500, 850, and 250 rpm. The tests were conducted for the AlCu3.1Mg6 and AlCu4.5Mg3 alloys, as well as the EN AW-1050, EN AW-6060, and EN AW-2017A alloys, which served as reference materials for comparative analysis of the obtained chips. As with the AlCu4.5Mg3 alloy, a decrease in chip size is observed with increasing spindle speed and feed rate. The chip accompanying drilling has a loose structure and equally small size, and most importantly, and repeatable with these alloys, the material does not tend to stick to the tool regardless of the machining speed or drill diameter.

Przykład 3Example 3

Materiały składające się w 88,5% z miedzianego, aluminiowego i magnezowego złomu oraz 11,5% czystych składników poddane zostały syntezie metalurgicznej z wykorzystaniem pieca indukcyjnego o mocy 150 kW. Zebrane materiały poddane zostały procesowi topienia w temperaturze 800°C i w osłonie gazu obojętnego w tyglu grafitowym wykonanym z grafitu izostatycznie prasowanego. Materiał wsadowy przewidywał następujące ilości składników: 82 kg złomu aluminium, 3,5 kg złomu magnezu, 3 kg złomu miedzianego oraz ok 11,5 kg czystych składników w postaci aluminium, miedzi i magnezu. Po procesie topienia i mieszania zadanej ilości materiału pozostawiono ciekłą kąpiel na okres 25 min w celu ujednorodnienia składu chemicznego. Dodatkowo po tym czasie, do stopionych składników wprowadzono modyfikator struktury w postaci zaprawy AlTi5B1 tak, aby zawartość tytanu w objętości ciekłego metalu wyniosła 1000 ppm. Wsad z modyfikatorem struktury był pozostawiony w tyglu grafitowym przez 5 minut w celu ujednorodnienia jego składu chemicznego oraz skutecznego rozdrobnienia struktury.The materials, consisting of 88.5% copper, aluminum, and magnesium scrap and 11.5% pure components, were metallurgically synthesized using a 150 kW induction furnace. The collected materials were melted at 800°C in an inert gas atmosphere in a graphite crucible made of isostatically pressed graphite. The input material consisted of the following quantities: 82 kg of aluminum scrap, 3.5 kg of magnesium scrap, 3 kg of copper scrap, and approximately 11.5 kg of pure aluminum, copper, and magnesium components. After melting and mixing the specified amounts of material, the liquid bath was left for 25 minutes to homogenize the chemical composition. Additionally, after this time, a structure modifier in the form of AlTi5B1 master alloy was added to the molten components to achieve a titanium content of 1000 ppm in the liquid metal. The batch with the structure modifier was left in the graphite crucible for 5 minutes in order to homogenize its chemical composition and effectively fragment the structure.

Proces odlewania ciągłego prętów o kompozycji chemicznej AlCu3,9Mg5 z wykorzystaniem krystalizatora grafitowego odbywał się w warunkach chłodzenia pierwotnego krystalizatora o wydajności 0,22 l/min. Proces odlewania obejmował następujące parametry: 10 mm posuwu przy czasie postoju 4 s. Otrzymane pręty o średnicy 14 mm. Ze stopu uzyskanego w ramach syntezy metalurgicznej pobrano próbki do badań własności mechanicznych, elektrycznych oraz fizycznych. W oparciu o przeprowadzone badanie określono wytrzymałość na rozciąganie oraz wydłużenie całkowite stopu AlCu3,9Mg5, gdzie wytrzymałość na rozciąganie osiągnęła wartość Rm = 270 MPa, a wydłużenie A50 = 5,2%. Na otrzymanych prętach przeprowadzono również badanie gęstości równej 2,7 g/cm³, co świadczyło o braku porowatości otrzymanego materiału. Twardość w skali Brinell’a odlewów była równa 89 HB. Wyznaczone na drodze eksperymentalnej parametry procesu odlewania przyczyniły się do uzy skania niskiej chropowatości powierzchni Ra = 3 μm, co świadczy o wysokiej jakości odlewu porównywalnego do wyrobów przerabianych plastycznie. W przypadku stopu AlCu3,1Mg6 zastosowanie zaprawy AlTi5B1 pozwoliło uzyskanie wyroby o wielkości ziarna do 70 μm. Półwyrób ze stopu AlCu3,9Mg5 poddano homogenizacji w warunkach 500°C w czasie 7 h i starzeniu w warunkach temperaturowoczasowych: 200°C przez 6 h.The continuous casting process of rods with a chemical composition of AlCu3.9Mg5 using a graphite crystallizer took place under cooling conditions of a primary crystallizer with a capacity of 0.22 l/min. The casting process involved the following parameters: 10 mm feed and a dwell time of 4 s. The resulting rods had a diameter of 14 mm. Samples were taken from the alloy obtained through metallurgical synthesis for testing of mechanical, electrical, and physical properties. Based on the conducted testing, the tensile strength and total elongation of the AlCu3.9Mg5 alloy were determined, where the tensile strength reached Rm = 270 MPa, and elongation A50 = 5.2%. The resulting rods were also tested for density of 2.7 g/ ^cm3 , which indicated the absence of porosity in the resulting material. The Brinell hardness of the castings was 89 HB. The experimentally determined casting process parameters contributed to achieving a low surface roughness of Ra = 3 μm, demonstrating the high quality of the casting, comparable to wrought products. In the case of the AlCu3.1Mg6 alloy, the use of the AlTi5B1 master alloy allowed for obtaining products with a grain size of up to 70 μm. The AlCu3.9Mg5 alloy semi-finished product was homogenized at 500°C for 7 h and aged at 200°C for 6 h.

Tak uzyskany wyrób poddano badaniom w tym procesowi toczenia, frezowania, wiercenia oraz testom skrawalności. Proces toczenia odbywał się z wykorzystaniem dwóch narzędzi, tj. z prostą krawędzią natarcia oraz z rowkiem do łamania wiórów na powierzchni natarcia, przy prędkości obrotowej 560 obr/min. i dwóch prędkościach posuwu 0,113 i 0,266 mm/obr. oraz trzech głębokościach skrawania 0,5; 1,0 i 2,0 mm. Z kolei proces skrawania odbywał się z zastosowaniem chłodziwa Emulkol eko. Badania frezowania stopu AlCu3,9Mg5 przewidywało użycie dwóch głowic skrawających wyposażonych w płytki skrawające o średnicy 80 i 40 mm, ponadto zastosowano dwa zakresy prędkości obrotowych 380 i 850 obr/min., dwie prędkości posuwu 132 i 420 mm/min. oraz trzy głębokości skrawania 0,5; 1,0 i 2,0 mm. Proces wiercenia przewidywał wykorzystanie dwóch średnic wiertnicy odpowiednio 8 i 4 mm, ponadto zastosowano trzy zakresy prędkości obrotowych 2500, 850 i 250 obr/min. Badania przeprowadzono dla stopu AlCu3,9Mg5 oraz dla stopów EN AW-1050, EN AW-6060, EN AW-2017A stanowiących materiały odniesienia przy analizie porównawczej otrzymanych wiór. Obserwuje się spadek wielkości wiórów wraz ze wzrostem prędkości obrotowej wrzeciona i zwiększeniem prędkości posuwu. Wiór towarzyszący wierceniu ma luźną strukturę i równie niewielkie rozmiary, a co najważniejsze i powtarzalne przy tych stopach - materiał nie wykazuje tendencji do nalepiania się na narzędzie niezależnie od prędkości obróbki czy średnicy wiertła.The resulting product was subjected to turning, milling, drilling, and machinability testing. The turning process was performed using two tools: one with a straight rake edge and one with a chip-breaking groove on the rake face, at a rotational speed of 560 rpm, two feed rates of 0.113 and 0.266 mm/rev, and three cutting depths of 0.5; 1.0; and 2.0 mm. The cutting process was performed using Emulkol eko coolant. The milling tests on the AlCu3.9Mg5 alloy involved the use of two cutting heads equipped with 80 and 40 mm diameter cutting inserts. Furthermore, two rotational speed ranges of 380 and 850 rpm, two feed rates of 132 and 420 mm/min, and three cutting depths of 0.5; 1.0 and 2.0 mm. The drilling process involved the use of two drilling rig diameters, 8 and 4 mm, respectively, and three rotational speed ranges of 2500, 850, and 250 rpm. The tests were conducted for the AlCu3.9Mg5 alloy and the EN AW-1050, EN AW-6060, and EN AW-2017A alloys, which served as reference materials for comparative analysis of the obtained chips. A decrease in chip size was observed with increasing spindle speed and feed rate. The chip accompanying the drilling process has a loose structure and equally small size, and most importantly, and repeatable with these alloys, the material does not tend to stick to the tool regardless of the machining speed or drill diameter.

Claims

1. A method for producing profiles cast from an Al-Cu-Mg alloy with a copper content of 3-4.5% by weight, in which a structure modifier in the form of an aluminum-titanium-boron mortar is added to the charge in the foundry furnace, and the modified charge is left in the foundry furnace until its chemical composition is homogenized, wherein the charge in the foundry furnace in the form of liquid metal has a temperature of 780°C - 840°C, while the casting of liquid metal is carried out continuously, and the cast profiles are subjected to a precipitation hardening and plastic working process, characterized in that aluminum, magnesium and copper scrap together constitute at least 80% by weight. of the entire charge, and the magnesium content in the alloy is from 3.1 to 6% by weight, while the homogenization of the chemical composition of the charge in the foundry furnace after adding the structure modifier takes from 5 to 10 minutes, and the titanium content in the charge structure modifier is 600-1000 ppm. The continuous casting process is carried out at a casting feed rate of 8-12 mm and a standstill time of 2-5 s, and the cooling liquid flow rate in the continuous casting process in the primary system is from 0.12 to 0.3 l/min, while in the precipitation hardening process, the homogenization of the cast profile takes place at a temperature of 480-500°C for 6 to 24 hours with cooling in water, and the ageing is artificial ageing and takes place at a temperature of 190-215°C for 3-14 hours with cooling in air.