<Desc/Clms Page number 1>
Verfahren zur Warmaushärtung von ausscheidungshärtbaren Metallegierungen
Die vorliegende Erfindung befasst sich mit der Warmaushärtung von solchen ausscheidungs- härtbaren Legierungen, welche nach der Ab- schreckung von der Temperatur der Lösungs- glühung bei Raumtemperatur spontan altern und bei welchen eine solche Kaltaushärtung bei den
Temperaturen der Warmaushärtung gar nicht oder nur unvollständig rückgebildet wird. Vor- zugsweise soll die Erfindung bei solchen Legie- rungen und Temperaturen angewendet werden, bei denen die Warmaushärtung und damit die Änderung des unterkühlten Mischkristalls als ein einstufiger Vorgang abläuft.
Die oben genannten Voraussetzungen treffen beispielsweise bei den Aluminiumlegierungen des Typus AI-Mg-Si zu. Diese Legierungen sind sowohl kalt- als auch warm aushärtbar. Es war lange Zeit unbekannt, ob diese Legierungen überhaupt eine Rückbildung der Kaltaushärtung bei höheren Temperaturen aufweisen. Erst in neuerer Zeit wurde gefunden, dass bei Temperaturen, die um mindestens 25-45 C höher als die höchsten üblicherweise benützten Warmaushärtungstemperaturen liegen, eine teilweise Rückbildung stattfindet. Die Warmaushärtung ist ein einstufiger Vorgang.
Die handelsüblichen Legierungen dieser Gattung enthalten als die wesentlichsten Legierungselemente Magnesium und Silizium in einer solchen Höhe, dass die Summe beider Elemente im allgemeinen zwischen 1 und 3 /o liegt.
Die vorliegende Erfindung geht davon aus, dass jede Veränderung im Aufbau des unterkühlten Mischkristalls (Ausscheidung oder Vorbereitung dazu undfoder einphasige Entmischung), welche bei anderen als den Warmaushärtetemperaturen stattfindet und nach deren Erreichen nicht mehr zurückgeht, für die Warmaushärtung schädlich ist, indem sie den von den Veränderungen betroffenen Teil des Mischkristalls daran hindert, warm auszuhärten. Bei allen Legierungen, bei welchen die Temperatur der Warmaushärtung noch nicht ausreicht, um eine einmal eingetretene Kaltaushärtung wieder rückgängig zu machen, d. h. den Zustand des unterkühlten Mischkristalls wieder herzustellen, muss ausser den-durch zu langsames Abschrecken verursachten-Ausscheidungen bei höherer
Temperatur auch jede einphasige Entmischung (Kaltaushärtung) bei tieferen Temperaturen ver- hindert werden.
Magnetische Messungen an kupferhaltigem
Aluminium haben bereits zu der Anschauung geführt, dass die Kaltaushärtung eine Art Sack- gasse darstelle und daher vor der Keimbildung als Vorstufe der heterogenen Ausscheidung die negative Diffusion der gelösten Fremdatome wieder aufgelöst werden müsse. Es ist jedoch daraus nicht der Schluss gezogen worden, dass deshalb bei denjenigen Legierungen, bei denen die Temperatur der Warmaushärtung nicht aus- reicht, diese negative Diffusion aufzulösen (rück- zubilden), vor Beendigung der Warmaushärtung jede Kaltaushärtung vermieden werden muss. Im allgemeinen wird jedenfalls die Auffassung ver- treten, dass die Kaltaushärtung eine Vorstufe der Warmaushärtung darstelle ; es gibt sogar Le- gierungen z.
B. der Gruppe AI-Zn-Mg-Cu, bei denen die Aushärtung bei Temperaturen ober- halb 100 C zu höheren Festigkeiten führt, wenn die Legierungen vorher bei Raumtemperatur kalt ausgehärtet werden.
Der vorliegenden Erfindung liegen Erkenntnisse über die Zerfallskinetik des unterkühlten Mischkristalls zugrunde, die zunächst dargestellt werden müssen.
Der Aluminiummischkristall (als Beispiel für einen Mischkristall) vermag im festen Zustand bei höheren Temperaturen dicht unterhalb des Schmelzpunkts des am niedersten schmelzenden Eutektikums eines oder mehrerer Legierungselemente mit dem Al erheblich höhere Gehalte an diesen Legierungselementen aufzunehmen (zu lösen), als etwa bei Raumtemperatur. Die durch eine Glühung bei diesen Temperaturen (Lösungsglühung) erzeugte feste Lösung (gesättigter Mischkristall) kann unter gewissen Umständen (genügend hohe Abkühlungsgeschwindigkeit) auf tiefere Temperaturen gebracht werden, ohne dass sich die Konstitution der festen Lösung sofort ändert (Unterkühlung).
Bei diesen tieferen Temperaturen ist die Löslichkeit kleiner, der Mischkristall ist also übersättigt und entspricht nicht dem Gleichgewichtszustand, der bei dieser Tem-
<Desc/Clms Page number 2>
peratur sich einstellen müsste. Wird die Unter- kühlungstemperatur konstant gehalten, dann strebt der instabile unterkühlte Mischkristall mit einem bestimmten. Zeitgesetz, das für die be- treffende Temperatur charakteristisch ist, einem bestimmten Gleichgewichtszustand zu, welcher wieder für die betreffende Temperatur charakte- ristisch ist. Dabei können unter Umständen zwei oder mehrere Vorgänge zeitlich neben- oder nacheinander bei derselben Temperatur ablaufen, ehe der Gleichgewichtszustand erreicht ist.
Ein stark schematisiertes Bild der Temperaturabhängigkeit der Zerfallskinetik des unterkühlten Mischkristalls würde etwa wie folgt aussehen :
Abgesehen von den jeweiligen Grenzgebieten sind im wesentlichen drei. grosse Temperaturgebiete zu unterscheiden : Bei Unterkühlung auf Temperaturen zwischen etwa 400 und 3000 C, wobei diese Zahlenangaben nur als rohe Anhaltswerte gelten sollen, erfolgt eine reine Ausscheidung der überschüssigen Phase. Gleichzeitig nimmt die Härte während der isothermen Änderung des unterkühlten Mischkristalls ab (isotherme Weichglühung).
Nach einem mehr oder weniger breiten Übergangsgebiet folgt bei Temperaturen zwischen etwa 220 und 1500 C das eigentliche Gebiet der Warmaushärtung, das dadurch charakterisiert wird, dass die Härte und andere Festigkeitswerte sehr stark ansteigen (und bei Überalterung unter Umständen auch wieder zurückgehen). Dann erfolgt bei den tieferen Temperaturen bis zur Raumtemperatur und darunter die eigentliche Kaltaushärtung. Bei einzelnen Legierungen, wie z. B. bei den Al-Cu-Mg- Legierungen dehnt sich ein Grenzgebiet, in dem sowohl eine Kalt- wie eine Warmaushärtung zeitlich nacheinander abläuft, nach oben bis etwa 200 , bei Al-Ag bis etwa 180 C aus.
Dieses Grenzgebiet, in dem die Aushärtung in zwei deutlich getrennten Phasen vor sich geht, hat wohl dazu beigetragen, die bisherige Auffassung eines mehrstufigen Charakters der Warmaushärtung zu stützen. Aber auch bei den angegebenen Legierungen existiert oberhalb der angegebenen Temperaturen ein Temperaturgebiet, in dem direkt aus dem Mischkristall die Warmaushärtung als einstufiger Vorgang abläuft.
Die für die Erfindung wichtigste Erkenntnis ist die, dass die Warmaushärtung eben der Vorgang ist, welcher bei isothermer Änderung des unterkühlten Mischkristalls bei Temperaturen der Warmaushärtung direkt abläuft. Dass er also zu seinem ungestörten Ablauf das Vorhandensein eines unveränderten unterkühlten Misch- kristalls voraussetzt. Dass anderseits ebenso die
Kaltaushärtung nur dann ungestört ablaufen kann, wenn bei Erreichen der Raumtemperatur noch der Mischkristall im unverändert unter- kühlten Zustand vorliegt.
Wenn die oben angegebene Auffassung über die Warmaushärtung richtig ist, müssen die Er- scheinungen der Warmaushärtung auch dann und unter Umständen, wie sich zeigen wird, sogar noch deutlicher, ablaufen, wenn auf das übliche Abkühlen bis auf Raumtemperatur vor dem Warmaushärten verzichtet wird. Dafür werden im folgenden eine Reihe von Beispielen gegeben und an Hand von Zeichnungsfiguren erläutert, von welchen zeigen :
Fig. 1 den Beginn und den Ablauf der Kalt- aushärtung bei der Raumtemperaturauslagerung einer Al-Mg-Si-Legierung 1 ;
Fig. 2 die gegenseitige Beeinflussung der Warmaushärtung und der Kaltaushärtung an einer Al-Mg-Si-Legierung nach DIN 1725 ; Zusammensetzung 0, 020/0 Cu, 0, 66% Mg, 0, 72% Mn, 1, 0*'/o Si, Rest Aluminium.
Beispiel l : Amerikanische Legierung 61 S (0, 250/o Cu ; 1, 170/o Mg ; 0, 70/o Si ; 0, 250/o Cr).
Blechabschnitte aus dieser Legierung wurden in einem geschmolzenen Salzbad von einer Temperatur von 178 C abgeschreckt, nachdem sie vorher bei 530 C lösungsgeglüht worden waren.
Nach drei Minuten wurde die erste Probe entnommen und in kaltem Wasser abgeschreckt, sie wies eine Härte von 59 Brinell auf. Eine zweite, nach fünf Minuten entnommene Probe hatte bereits 66, 5 BrinelI, eine dritte nach 7, 5 Minuten entnommene 74 ; eine vierte nach 15 Minuten 91 ; eine fünfte nach 30 Minuten 101 ; eine sechste nach 60 Minuten 105 ; eine siebente nach 120 Minuten bereits 107 ; eine achte nach 210 Minuten 107 und eine neunte nach 360 Minuten 108 Brinell.
Beispiel 2 : Deutsche Al-Mg-Si-Legierung nach DIN 1713. Proben aus einem Vorwalzblech dieser Legierung wurden 21/2 Stunden bei 560 bis 5700 C in einem Muffelofen lösungsgeglüht, dann wurde ein Teil der Proben in Wasser abgeschreckt, getrocknet und in Öl von 1500 C warmausgehärtet. Der zweite Teil der Proben wurde direkt in Öl von 150 C abgeschreckt und darin warmausgehärtet. Nach verschiedenen Zeiten wurden jeweils eine Probe der wasserabgeschreckten und wiedererwärmten und der direkt in d abgeschreckten Serie aus dem Öl entnommen und in Wasser abgekühlt. Die folgende Zahlentafel enthält die Härtewerte nach den verschiedenen Zeiten.
Warmaushärtungsdauer in Stunden
EMI2.1
<tb>
<tb> Wasserabgeschr. <SEP> 1 <SEP> 2 <SEP> 4 <SEP> 8 <SEP> 16 <SEP> 72 <SEP> Stunden
<tb> erwärmt <SEP> in <SEP> Öl <SEP> 102, <SEP> 5 <SEP> 109 <SEP> 111, <SEP> 5 <SEP> 116, <SEP> 5 <SEP> 120 <SEP> 120, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Abgeschreckt
<tb> Öl <SEP> 1500 <SEP> 104, <SEP> 5 <SEP> 108 <SEP> 113, <SEP> 5 <SEP> 117, <SEP> 5 <SEP> 119, <SEP> 5 <SEP> 120, <SEP> 5 <SEP>
<tb>
<Desc/Clms Page number 3>
Beispiel 3 : Dieses Beispiel betrifft eine Al-Cu-Mg-Legierung der folgenden Zusammensetzung : 4, 490/o Cu ; 1, 12"/o Mg ; 1, OO'/o Mn ; 0, 65% Si.
Diese Legierung gehört nicht zu den von der Erfindung betroffenen Legierungen, da sie erstens eine Rückbildung von Kaltaushärtungserscheinungen während der Warmaushärtung zeigt und zweitens bei isothermer Warmaushärtung, bei den überlicherweise für diese angewendeten Temperaturen ein zwei- stufiger Vorgang, nämlich zunächst eine Kaltund dann eine Warmaushärtung vor sich geht.
Die Proben wurden 1/2 Stunde bei 500-5050 C in Salzlösung geglüht und anschliessend in einem Salzbad der angegebenen Temperatur abgeschreckt. Die Probenentnahme erfolgte wie im Beispiel 1. a) Zweistufige Aushärtung : l. Kalt-und 2.
Warmaushärtung. Temperatur 1600
EMI3.1
<tb>
<tb> 3 <SEP> 5 <SEP> 10 <SEP> 32 <SEP> 96 <SEP> Stunden
<tb> Warmaushärtungszeit <SEP> : <SEP> 10 <SEP> 40 <SEP> 180 <SEP> 300 <SEP> min.
<tb>
Brinellhärte <SEP> 113 <SEP> 113, <SEP> 5 <SEP> 116 <SEP> 114 <SEP> 117 <SEP> 123 <SEP> 130
<tb> Streckgrenze <SEP> (0,2%) <SEP> Kg/mm2 <SEP> 31,1 <SEP> 30,2 <SEP> 31,3 <SEP> 32,6 <SEP> 39,7 <SEP> 44,0
<tb>
Der erste Anstieg ist bei 10 Minuten bereits abgeschlossen, wie die folgenden Werte zeigen : Aushärtungszeit : 5 20 sec. 1 5 10 min.
Brinellhärte : 96, 3 102 106 109, 6 113
Diese erste Aushärtung ist eine Aushärtung vom Typ der Kaltaushärtung, was insbesondere auch aus dem niederen Streckgrenzenverhältnis hervorgeht (31 : 46 = rund 66'lu gegenüber 44 : 53 = rund 83% bei der Warmaushärtung). b) Reine Warmaushärtung : Temperatur 2200
EMI3.2
<tb>
<tb> Warmaushärtungszeit <SEP> 5 <SEP> sec. <SEP> 20 <SEP> sec. <SEP> 1 <SEP> 5 <SEP> 15 <SEP> 25 <SEP> 30 <SEP> 45 <SEP> min.
<tb>
Härte <SEP> Brinell <SEP> 92, <SEP> 5 <SEP> 97, <SEP> 0 <SEP> 101, <SEP> 3 <SEP> 114. <SEP> 7 <SEP> 116) <SEP> 5 <SEP> 120 <SEP> 122 <SEP> 125, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Warmaushärtungszeit <SEP> 55 <SEP> 60 <SEP> 70 <SEP> 80 <SEP> min.
<tb>
Brinellhärte <SEP> 125, <SEP> 7 <SEP> 125, <SEP> 8 <SEP> 126 <SEP> 126
<tb>
Bei Aufzeichnung mit logarithmischem Zeit- massstab ähnelt der Härteanstieg einem Integral- zeichen ; er kann angenähert durch eine logarith- mische autokatalytische Kurve wiedergegeben werden.
Bei allen angegebenen Beispielen tritt nach dem Abschrecken in einem Abschreckmittel (Salz oder Öl von etwa der Warmaushärtetemperatur), welches mit Sicherheit jede Änderung bei Temperaturen unterhalb der Warmaushärtung unterbindet, alle Effekte einer Warmaushärtung ein.
Damit ist der Beweis erbracht, dass die Warmaushärtung direkt aus dem unterkühlten Mischkristall bei der betreffenden Temperatur gebildet wird, dass also keine Vorstufen notwendig sind.
Wenn also die Warmaushärtung ein Vorgang ist, der bei den Warmaushärtetemperaturen direkt aus dem unterkühlten Mischkristall abläuft, dann muss sich jede vor Beendigung der Warmaushärtung bei einer anderen Temperatur eingetretene Änderung im unterkühlten Mischkristall störend bemerkbar machen. Die Wirkung einer solchen nicht rückgängig gemachten Veränderung des unterkühlten Mischkristalls lässt sich auf Grund einfacher Überlegungen voraussagen. Nach Ergebnissen an anderen dem Gleichgewicht bei konstanter Temperatur zustrebenden Systemen ist anzunehmen, dass die Warmaushärtung dadurch verzögert wird.
Die
Festigkeitswerte werden kleiner sein, erstens, weil die Aushärtung langsamer verläuft und zweitens, weil jede andere Änderung des unter- kühlten Mischkristalls zu niedrigeren Festig- keitswerten führt. Die Ausscheidung bei höheren
Temperaturen führt zu sehr niedrigen Festig- keitseigenschaften, wie allein schon daraus her- vorgeht, dass bei diesen Temperaturen weichgeglüht wird. Aber auch eine Kaltaushärtung verursacht nur eine Festigkeitssteigerung, welche wesentlich niedriger als die mit Warmaushärtung erreichbaren Werte ist. Weiter ist vorauszusehen, dass die Korrosionsbeständigkeit ungünstig beeinfluss wird, wenn neben der reinen Warmaushärtungsphase eine zweite Phase vorliegt, deren elektrochemische Potentiale sich unterscheiden.
Bei einer Cu-haltigen Aluminiumlegierung ist bekannt, die Korrosionsbeständigkeit aushärtbarer Teile dadurch zu verbessern, dass in Salzbädern von 200 bis 225 C abgeschreckt und bis zum Temperaturausgleich belassen wird und dann nach einer Zwischenabkühlung bei Temperaturen von 120 bis 180 C warm ausgehärtet wird. Diese Legierung unterscheidet sich von den hier behandelten Legierungen dadurch, dass sie eine starke Rückbildung aufweist und dass weiter in dem angegebenen Temperaturgebiet eine Warm- und eine Kaltaushärtung stattfin-
<Desc/Clms Page number 4>
den. Ausserdem ist bei Al-Cu-Mg-Legierungen der angegebenen Zusammensetzung bekannt, dass eine Raumtemperaturaushärtung nur sehr langsam anläuft.
Daraus ergibt sich die Hauptvorschrift der vorliegenden Erfindung : Um die Warmaushärtung wirklich ungestört ablaufen zu lassen, ist es notwendig, dass die Legierungen von der Temperatur der Lösungsglühung auf die Temperatur der Warmaushärtung mit so grosser Abschreckgeschwindigkeit gebracht werden, dass eine Ausscheidung oder eine Vorbereitung des unterkühlten Mischkristalles dazu bei Temperaturen, welche höher als die Wármaushärtungstempera- tur liegen, nicht eintritt, wobei bei der Abkühlung die Temperatur der Warmaushärtung nur so lange und so weit unterschritten wird, dass noch keine Kaltaushärtung anläuft, und bei der Warmaushärtungstemperatur mindestens so lange gehalten werden, bis eine Warmaushärtung eingetreten ist,
welche die Kaltaushärtung bei tieferen Temperaturen als der Temperatur der Warmaushärtung mindestens vorübergehend verhindert.
Grundsätzlich sind zwei Arten einer störenden Änderung des Mischkristalls zu unterscheiden, u. zw. kann die Unterscheidung am einfachsten durch die Angabe der Temperaturen erfolgen :
1. Änderungen bei Temperaturen oberhalb der Warmaushärtungstemperaturen.
2. Änderungen bei Temperaturen unterhalb der Warmaushärtungstemperaturen.
Die Veränderung bei den höheren Temperaturen besteht gefügemässig gesprochen in einer Ausscheidung der überschüssigen Phase. Sie kann praktisch dann eintreten, wenn die Abschreckgeschwindigkeit von der Lösungsglühung aus kleiner als die kritische Abschreckgeschwin- digkeit war. Dabei ist die kritische Abschreckgeschwindigkeit definiert als diejenige Geschwindigkeit der Abkühlung, bei der gerade noch keine Ausscheidungen oder Vorbereitungen dazu oder sonstige Änderungen bei Temperaturen eintreten, welche oberhalb der Aushärtetemperaturen liegen. Die kritische Geschwindigkeit ist offenbar eine Abhängige von der jeweiligen Legierung.
Sie ist bei den Leichtmetallen noch weitgehend unerforscht, es steht bisher mit Sicherheit lediglich fest, dass Mangan, wahrscheinlich infolge Bildung einer etwas anderen Modifikation der ausscheidenden Phase, die kritische Geschwindigkeit herabsetzt. Daraus folgt, dass der Mangangehalt bzw. soweit auf Mangan verzichtet wird, der Gehalt an denjenigen Elementen, welche Mn ersetzen sollen (z. B. Chrom), sowohl der Dicke des Stücks, wie auch der Abschreckfähigkeit des verwendeten Abschreckbades anzupassen ist.
Mit anderen Worten, der Gehalt an Mangan undloder anderen die Unter- kühlung fördernden Elementen muss der bei den gegebenen Verhältnissen herrschenden tatsäch- lichen Abschreckgeschwindigkeit (gegeben durch
Werkstückdicke und Abschreckfähigkeit des Ab- schreckmittels) so angepasst werden, dass die kri- tische Geschwindigkeit mindestens so gross wie diese wird. Daher muss man, um bei den prak- tisch manganfreien amerikanischen AI-Mg-Si-
Legierungen, welche an Stelle des fehlenden Mn nur etwa 0, 250/0 Chrom enthalten, bei derselben Wandstärke ein Abkühlungsmittel mit höherer Abschreckfähigkeit benützen, um diese Aus- scheidungen zu unterdrücken, als bei den Legierungen nach DIN 1725, welche bis zu 1, 5 /o Mn enthalten können.
Zusammenfassend kann für die Legierungen, die genügend hohen Legierungsgehalt an solchen Elementen haben, welche wie etwa Mangan die Unterkühlung fördern, bei denen also die kritische Abschreckgeschwindigkeit niedrig liegt, bezüglich der zu verwendenden Abschreckmittel gesagt werden : a) Geschmolzene Salze (Schmelzpunkt unter
1500 C) unterdrücken die Ausscheidung bei höheren Temperaturen. Bei dickeren Quer- schnitten ist es notwendig, das Salzbad zu bewegen (durch Rührer oder Pumpen) und/ oder Wasser zuzusetzen.
Die zweite Bedin- gung (keine Kaltaushärtung bei tieferen
Temperaturen) ist immer erfüllt, sofern die
Salztemperatur noch innerhalb der Warm- aushärtetemperatur liegt. b) Heisses Öl unterdrückt ebenfalls die Aus- scheidung bei höheren Temperaturen, womit die erste Bedingung (keine Ausscheidung bei höheren Temperaturen) erfüllt ist. Die zweite ist erfüllt, sofern die Öltemperatur innerhalb der Warmaushärtungstemperaturen liegt. c) Kaltes Wasser erfüllt die erste Bedingung, in der normalen Kombination mit Erwärmung im. Luftofen, jedoch die zweite nicht. Unter
Beachtung grösster Schnelligkeit, wie sie im allgemeinen nur im Laboratorium erreicht werden kann, wird die zweite Bedingung durch
Erwärmung im Salzbad der Warmaushärte- temperatur erfüllt.
Im folgenden soll auf die Verhältnisse bei Legierungen der Gruppe AI-Mg-Si hingewiesen werden, bei denen nur ein relativ niederer Gehalt an solchen zusätzlichen Elementen vorhanden ist, welche die Unterkühlung des Mischkristalls fördern, die also eine relativ hohe kritische Geschwindigkeit haben.
Beispiel4 : Amerikanische Legierung 61 S, Zusammensetzung wie in dem Beispiel 1. Lö- sungsglühungstemperatur 5400 C. Aushärtungstemperatur 179 C. Dauer 1 Stunde.
<Desc/Clms Page number 5>
Wasserabgeschreckt und im Luftofen erwärmt
Wasserabgeschreckt und im Salz erwärmt im ruhenden Salz ohne Wasserzusatz von 1790 abgeschreckt
Diese Legierung enthält kein Mangan, dafür etwa 0, 25% Chrom, das offenbar die Unterkühlbarkeit des Mischkristalls nicht genügend fördert. Die direkt in Salz der Aushärtetemperatur abgeschreckte Probe hat nur unwesentlich höhere Werte der Streckgrenze und Härte als die im Wasser abgeschreckte und im Luftofen erwärmte. Ohne die Werte für die wasserabgeschreckte und im Salz erwärmte Proben zu kennen, könnte der Schluss gezogen werden, dass der Kupferzusatz im Zusammenhang mit dem Chromgehalt die Kaltaushärtung soweit verzögere, dass auch die übliche Warmaushärtungsmethode beide Bedingungen der vorliegenden Erfindung erfülle.
Das ist jedoch nicht der Fall, wie die erwähnten Werte nach Wasserabschrekkung und Erwärmung im Salzbad zeigen. Es ist hier in Wirklichkeit so, dass die Abschreckfähigkeit des nicht bewegten wasserfreien Salzbades nicht mehr ausreichte, um Ausscheidungen bei höheren Temperaturen zu unterdrücken. Der Schaden durch die vorausgegangene Ausscheidung bei den höheren Temperaturen ist hier beinahe so hoch, wie der infolge des Cu-Gehaltes klein gehaltene Fehler durch die Unterschreitung der Warmaushärtetemperatur mit angelaufener Kaltaushärtung. Wenn wie beim Wasserabschrecken mit anschliessendem Erwärmen in Salz eine höhere Abschreckgeschwindigkeit erreicht wird, gleichzeitig aber durch die Salzerwärmung auch die beginnende Kaltaushärtung unterdrückt wird, werden höhere Werte der Streckgrenze erreicht.
Dieses Beispiel zeigt, dass es nicht nur darauf ankommt, die Kaltaushärtung zu vermeiden, dass vielmehr auch jede Ausscheidung bei den höheren Temperaturen durch entsprechende Wahl der Abschreckmittel bei gegebener Legierung oder durch entsprechende Wahl der Legierung bei gegebenen Abschreckmitteln unterdrückt werden muss.
Die zur Erfüllung der beiden Bedingungen möglichen Abschreckmittel oder Kombination von Mitteln sind natürlich nicht auf die bisher erwähnten Mittel beschränkt, vielmehr kann jedes bekannte Abschreckmittel oder-verfahren angewendet werden, sofern es nur die geforderten Bedingungen einhält.
Aus der Fülle von Möglichkeiten seien nur genannt : Unterbrochenes Abschrecken in einem Abschreckmittel, dessen Temperatur tiefer als die Warmaushärtetemperaturen liegt (beispielsweise im Wasser verschiedener Temperatur mit frühzeitigem Wiederherausnehmen, ehe das Werkstück tiefere Temperaturen als die Warmaushärtetemperaturen ange-
EMI5.1
<tb>
<tb> Brinell <SEP> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit
<tb> 98 <SEP> 27, <SEP> 3 <SEP> 32, <SEP> 3 <SEP>
<tb> 103 <SEP> 30, <SEP> 1 <SEP> 33, <SEP> 2 <SEP>
<tb> 102 <SEP> 28, <SEP> 4 <SEP> 32, <SEP> 6 <SEP>
<tb>
nommen hat) ;
Verwendung fester, zum Beispiel metallischer Abschreckmittel in Form von Wal- zen oder Platten, deren Temperatur so einge- richtet ist, dass das abzuschreckende Gut vor wesentlicher Unterschreitung der Warmaushärte- temperatur entnommen wird ; unter Umständen
Verbindung dieser Abschreckung in festen Ab- schreckmitteln mit einer Verformung, um die niedrige Härte des abgeschreckten Zustandes ausnützen zu können ; Abschrecken mit gas- oder dampfförmigen Abschreckmitteln ; Abschrecken mit versprühten Flüssigkeiten usw.
Aus dem Vorhergehenden ergibt sich ganz all- gemein folgende Regel für die Art und Weise, wie von der Lösungsglühungstemperatur aus die Temperatur der Warmaushärtung bei den Le- gierungen erreicht werden soll, bei denen die Temperaturen der Warmaushärtung noch nicht genügen, um eine Kaltaushärtung zurückzubilden :
Die Abkühlung muss in oder mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Mittel oder einer Kombination von Mitteln erfolgen, deren Abschreckfähigkeit so hoch ist, dass auch im Kern des dicksten vorkommenden Querschnitts eine Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht wird, welche grösser als die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit ist ;
die Zeit, wie lange die einzelnen Mittel angewendet werden, ihre Reihenfolge und ihre Temperatur soll so eingerichtet werden, dass das Abschreckgut nicht so lange unterhalb der Warmaushärtungstemperaturen vor Beginn der Warmaushärtung bleibt, dass bereits eine merkliche Kaltaushärtung eintreten kann.
Bei tieferer Temperatur bestehen die Veränderungen im Mischkristall gefügemässig nach allgemeiner Auffassung in einer einphasigen Entmischung, der Kaltaushärtung. Die Gefahr solcher Veränderungen ist immer gegeben, wenn vor der Beendigung des Warmaushärtens bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird, ohne dass Massnahmen getroffen werden, um die Kaltaushärtung zu unterdrücken. Bei den Legierungen, auf welche sich die Erfindung bezieht, wird beim Wiedererwärmen auf die Warmaushärtungstemperatur eine vorher entstandene Kaltaushärtung nur unvollständig oder aber gar nicht zurückgebildet. Die Temperatur der Warmaushärtung darf bei diesen Legierungen vor Beendigung des Warmaushärtens nur so weit und nur so lange unterschritten werden, als dabei noch keine Kaltaushärtung eintritt, wenn die besten Werte der Warmaushärtung erreicht werden sollen.
Aus diesen Tatsachen ergeben sich eine Reihe von Vorschriften für die verschiedenen Phasen
<Desc/Clms Page number 6>
der Aushärtung, wie Abschrecken, Erreichen der Warmaushärtungstemperatur, Halten derselben, Unterbrechung der Warmaushärtung für eine bestimmte Zeit usw., die an Hand von Beispielen erläutert werden sollen.
Die für die Abkühlung von der Lösungsglühtemperatur gebrauchten Abschreckmittel müssen wegen der ersten Bedingung (keine Ausscheidung bei höheren Temperaturen) eine möglichst hohe Abschreckwirkung haben. Da Wasser mit oder ohne Zusätze bei Raumtemperatur ungefähr die grösste erreichbare Abschreckfähigkeit aufweist, könnte aus der ersten Bedingung abgeleitet werden, dass die übliche Abschreckung in kaltem Wasser für das Verfahren nach dieser Erfindung am besten geeignet sei. Die zweite Bedingung (keine Kaltaushärtung bei tieferen Temperaturen) ist aber dabei nicht erfüllt, da günstigstenfalls einige Minuten nach dem Abschrecken in einem Luftofen ausgehärtet wird, meist aber eine viel längere Pause zwischen Abschrecken und Wiedererwärmen eintritt.
Beispiel 5 : Al-Mg-Si-Legierung mit MnAnalyse : l, 18"/o Mg ; l, 2 /o Si ; 0, 60 < Vo Mn.
Je ein Teil wurde von der Lösungsglühtemperatur 5400 C in Wasser abgeschreckt und sofort ohne jede Pause in einem Luftofen (Trockenschrank) warmausgehärtet, der andere Teil in Salz bzw. Öl der Warmaushärtungstemperatur . abgeschreckt und ebenfalls im Luftofen ausgehärtet.
EMI6.1
<tb>
<tb> a) <SEP> Temperatur <SEP> 178-1800 <SEP> C.
<tb> aa) <SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 10 <SEP> Minuten
<tb> Brinellhärte <SEP> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Bruchdehnung
<tb> kg/mm <SEP> kg/mm <SEP> 1-50mm
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 80 <SEP> 19, <SEP> 3 <SEP> 31, <SEP> 7 <SEP> 20
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 109 <SEP> 31, <SEP> 6 <SEP> 36, <SEP> 9 <SEP> 12, <SEP> 5 <SEP>
<tb> ölabgeschreckt <SEP> 109 <SEP> 32, <SEP> 0 <SEP> 37, <SEP> 2- <SEP>
<tb> ab) <SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 25 <SEP> Minuten
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 99 <SEP> 25, <SEP> 6 <SEP> 34, <SEP> 8 <SEP> 19
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 117 <SEP> 35, <SEP> 0 <SEP> 38, <SEP> 9 <SEP> 13 <SEP>
<tb> öl <SEP> abgeschreckt <SEP> 117 <SEP> 35, <SEP> 2 <SEP> 39, <SEP> 1 <SEP> 9
<tb> b) <SEP> Aushärtungstemperatur <SEP> 163 <SEP> C <SEP>
<tb> ba)
<SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 40 <SEP> Minuten
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 90 <SEP> 24, <SEP> 2 <SEP> 35, <SEP> 2 <SEP> 19
<tb> öl <SEP> abgeschreckt <SEP> 117 <SEP> 35, <SEP> 5 <SEP> 40, <SEP> 6 <SEP> 11
<tb> bb) <SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 45 <SEP> Minuten
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 99 <SEP> 26, <SEP> 3 <SEP> 36, <SEP> 3 <SEP> 15
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 99 <SEP> 25, <SEP> 2 <SEP> 36, <SEP> 1 <SEP> 19
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 117 <SEP> 34, <SEP> 0 <SEP> 39, <SEP> 2 <SEP> 13, <SEP> 5 <SEP>
<tb> ölabgeschreckt <SEP> 120 <SEP> 35, <SEP> 9 <SEP> 40, <SEP> 5 <SEP> 14
<tb> c) <SEP> Aushärtungstemperatur <SEP> 158 <SEP> C <SEP>
<tb> ca) <SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 1 <SEP> Stunde
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 105 <SEP> 26, <SEP> 0 <SEP> 35, <SEP> 1 <SEP> 16, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 115 <SEP> 32, <SEP> 0 <SEP> 37,
<SEP> 0 <SEP> 13
<tb> cb) <SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 2. <SEP> Stunden <SEP>
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 105 <SEP> 30, <SEP> 5 <SEP> 33, <SEP> 5- <SEP>
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 115 <SEP> 34, <SEP> 0 <SEP> 38, <SEP> 0- <SEP>
<tb> cc) <SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 18 <SEP> Stunden
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 119 <SEP> 35, <SEP> 0 <SEP> 39, <SEP> 0 <SEP> 12
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 125 <SEP> 36, <SEP> 5 <SEP> 39, <SEP> 8 <SEP> 11
<tb> cd) <SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 48 <SEP> Stunden
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 121 <SEP> 34, <SEP> 0 <SEP> 37, <SEP> 4 <SEP> 6, <SEP> 5 <SEP>
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 123 <SEP> 36, <SEP> 3 <SEP> 39, <SEP> 3 <SEP> 11
<tb>
<Desc/Clms Page number 7>
EMI7.1
<tb>
<tb> d) <SEP> Warmaushärtungstemperatur <SEP> 148 <SEP> C
<tb> da)
<SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 54 <SEP> Minuten
<tb> Brinellhärte <SEP> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Bruchdehnung
<tb> kg/mm2 <SEP> kg/mm2 <SEP> 1-50 <SEP> mm <SEP>
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> 88 <SEP> 21, <SEP> 4 <SEP> 32, <SEP> 7 <SEP> - <SEP>
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 104 <SEP> 27, <SEP> 4 <SEP> 35, <SEP> 0 <SEP> 16
<tb> db) <SEP> Warmaushärtungsdauer <SEP> 3 <SEP> Stunden.
<tb>
Wasserabgeschreckt <SEP> 109 <SEP> 29, <SEP> 2 <SEP> 37, <SEP> 1 <SEP> -- <SEP>
<tb> Salzabgeschreckt <SEP> 120 <SEP> 32, <SEP> 9 <SEP> 38, <SEP> 8 <SEP> 13
<tb>
In diesem Beispiel zeigt es sich, dass der Mangangehalt der verwendeten Legierung in Zusammenhang mit den anderen Elementen ausreicht, um sowohl beim Wasserabschrecken wie auch bei dem Abschrecken in heissem Salz oder Öl jede Ausscheidung bei höheren Temperaturen zu unterdrücken. Die erste Bedingung ist damit erfüllt.
Der Vergleich der Härtewerte und der Werte für die Streckgrenze bei kurzen Aushärtezeiten ergibt jedoch, dass offenbar auch das unmittelbar auf das Wasserabschrecken folgende Erwärmen im Luftofen nicht ausreicht, wie es im Betrieb nicht durchgeführt werden kann, um die zweite Bedingung-keine Veränderung im Mischkristall bei tieferen Temperaturen-zu erfüllen. Die Hauptwirkung der damit verknüpften Veränderung liegt in einer Verzögerung des Warmaushärtungsbeginns ; das Gesamtmaximum der Aushärtung wird weniger stark
EMI7.2
Aushärtezeiten sehr grosse Unterschied in der Härte und der Streckgrenze sich bei längerem Aushärten allmählich ausgleicht und bei 18 Stunden und 158 C nur noch 1, 5 kg/mm2 in der Streckgrenze ausmacht.
Mit den beiden Bedingungen der Erfindung genügenden Abschrecken in Salzschmelzen oder Öl, die etwa die Tempe- ratur der Warmaushärtung haben, wird erreicht, dass die Aushärtung ungestört abläuft. Die Ergebnisse dabei zeigen, dass die bisherigen Aushärtezeiten, welche im allgemeinen mit rund 12 bis 20 Stunden bei 1600 C und 6 bis 10 Stunden bei 1800 C angegeben werden, bei ungestörtem Ablauf der Aushärtung durch Erfüllung der beiden Bedingungen der Erfindung zu lang sind.
Bei 180 C genügen Aushärtezeiten von unter einer halben Stunde, um volle Aushärtung zu erreichen.
Dieses Beispiel zeigt weiter, dass bei dem erfindungsgemässen Verfahren die sogenannte Überalterung, welche durch einen Rückgang der Festigkeitswerte gekennzeichnet ist, in 48 Stunden bei 1580 noch nicht eintritt, dass sie dagegen bei den wasserabgeschreckten Proben bereits merklich wird.
Weiter ergibt sich aus den Zahlenwerten dieses Beispiels, dass man sich bei 1600 C offenbar der Untergrenze der Warmaushärtung nähert Der Unterschied wird hier immer kleiner, der Einfluss einer vorausgegangenen Kaltaushärtung scheint zu verschwinden. Vergleicht man zum Beispiel den Unterschied zwischen den erfindungsgemäss erreichten und den durch Wasserabschreckung und Luftofenerwärmung erreichten Streckgrenzenwerten bei einem bestimmten Wert der erfindungsgemäss erreichten Streckgrenze, so ist die Differenz ein Mass für die Schädigungwirkung der Abkühlung unterhalb der Wärmeaushärtungstemperatur bei den verschiedenen Aushärtungstemperaturen. Der Wert von rund 32 kg/mm2 ist für diesen Vergleich geeignet.
Bei 10 Minuten und 180 C beträgt dabei die Schädigung rund 12, 5 kg/mm2 (das sind rund 65'lu der Streckgrenze des wasserabgeschreckten Zustandes) ; bei 1 Stunde und 1580 C ist die Schä-
EMI7.3
die Schädigung für einen Streckgrenzwert von 34 bis 35 kg/mm2 (erfindungsgemäss) durch die Wasserabschreckung feststellen. Es ergibt sich : bei 180 C (25 Minuten) eine Schädigung von rund 9, 5 kg/mm2 (gleich etwa 37"/o) ; bei 163 C (40-45 Minuten) rund 9 bis 10 kg/mm2 (gleich etwa 40%) ; bei 1580 C (2 Stunden) nur rund 3, 5 kg/mm2.
Aus diesem Grunde scheint es notwendig zu sein, die Abgrenzung des Gebietes reiner Warmaushärtung gegen die tieferen Gebiete dadurch vorzunehmen, dass man unter Warmaushärtung jenes Gebiet versteht, in dem eine nicht zurückgebildete Kaltaushärtung (entstanden bei tieferer Temperatur) sich schädlich auf die Warmaushärtung auswirkt.
Da an vielen verschiedenen Legierungen der Basis Al-Mg-Si (festgestellt worden war, dass bei kurzen Aushärtezeiten die Werte der wasserabgeschreckten und im Luftofen erwärmten Proben weit hinter denjenigen erfindungsgemässer zurückblieben, wurde das Problem der Härtemessung unmittelbar nach dem Abschrecken in Angriff genommen. Dazu wurde ein Härtemesser unmittelbar neben dem Abschreckbad aufgestellt, die Proben sofort entnommen, getrocknet und belastet. Die Ergebnisse zweier solcher Messreihen sind in der Fig. l enthalten ; sie zeigt Beginn und Ablauf der Kaltaushärtung bei der
<Desc/Clms Page number 8>
Raumtemperatur-Auslagerung einer Al-Mg-SiLegierung 1. Man erkennt, dass bereits nach zwei Minuten ein deutlicher Aushärtungseffekt festzustellen ist, ferner dass die Härte des abgeschreckten Zustandes zwischen 45 und 50 Brinell liegt.
Bereits nach 15 Minuten ist eine Aushärtung um 10 Brinell eingetreten, nach einer Stunde um rund insgesamt 13. Die Aushärtung gerade in den ersten Minuten ist sehr rasch, was mit dem logarithmischen Zeitgesetz der Aushärtung zusammenhängen dürfte. Bedenkt man noch weiter, dass, wie bereits bekannt, die Kaltaushärtung bei etwas höheren Temperaturen als 20 C erheblich schneller abläuft, dann wird verständlich, dass selbst bei sofortigem Wiedererwärmen, insbesondere, wenn dieses im Luftofen erfolgt, der Anlauf der Kaltaushärtung nicht unterdrückt werden kann.
Beim Beispiel 6 a gab es beim Einbringen der Probe in das heisse Ölbad eine kleine, etwa ein bis zwei Sekunden dauernde Verzögerung, wodurch dort die Streckgrenze verhältnismässig ungünstiger als im Beispiel 6 b liegt.
Die schädliche Wirkung einer Kaltaushärtung beschränkt sich nicht auf die bisher hauptsächlich aufgeführte Verzögerung der Aushärtung und die Verminderung besonders der Streckengrenzen- und Härtewerte. Zum Beispiel ist die Korrosionsbeständigkeit einer Legierung im rein warmausgehärteten Zustand höher als wenn noch ein selbst kleiner Teil Kaltaushärtung noch vorhanden ist. Das ist aus elektrochemischen Überlegungen leicht vorstellbar, weil damit in der Grundmasse nicht nur eine, sondern zwei zusätzliche Phasen (Kaltaushärtung und Warmaushärtung) vorhanden sind.
Die Korrosionsbeständigkeit ist also offenbar bei dem erfindungsgemässen Verfahren erheb- lich verbessert u. zw. ist die Verbesserung wie
Da anzunehmen war, dass die Kaltaushärtung nicht bereits während des Abschreckens beginnt, wurde die Wirkung einer Erwärmung in einem Salz- oder Ölbad der Warmaushärtetemperatur untersucht. Es zeigte sich, dass die Erwärmungsgeschwindigkeit im Salzbad ausreichte, um den Anlauf der Kaltaushärtung zu unterdrücken. Es war allerdings dazu notwendig, die Proben sofort aus dem Wasser zu entnehmen, beim Entnehmen sofort zu trocknen und bereits wenige Sekunden nach dem Eintauchen in Wasser in das Salzbad einzubringen. Die Erwärmungsgeschwindigkeit im heissen Öl reicht dagegen nicht ganz aus, um die beginnende Kaltaushärtung zu unterdrücken, wie das folgende Beispiel zeigt.
Beispiel 6 : Legierung wie in Beispiel 5.
Losungsglühtemperatur 5400 C.
EMI8.1
<tb>
<tb> a) <SEP> Aushärtungstemperatur <SEP> 160 <SEP> C/l/2 <SEP> Stunden. <SEP> Brinell <SEP> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> und <SEP> in <SEP> Öl <SEP> erwärmt <SEP> 99/113 <SEP> 32, <SEP> 7 <SEP> 39, <SEP> 4 <SEP>
<tb> in <SEP> öl <SEP> von <SEP> 160 <SEP> C <SEP> abgeschreckt <SEP> 119 <SEP> 35, <SEP> 0 <SEP> 39, <SEP> 6 <SEP>
<tb>
b) Aushärtungstemperatur 1600 C/45 Minuten.
Jedoch Streckgrenze aus Diagramm bestimmt, statt wie bei allen anderen Beispielen aus
Feindehnungsmessungen.
EMI8.2
<tb>
<tb>
Brinell <SEP> Streckgrenze <SEP> Zugfestigkeit
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> und <SEP> im <SEP> Luftofen
<tb> erwärmt <SEP> 99 <SEP> 28,3 <SEP> 36,6
<tb> Wasserabgeschreckt <SEP> und <SEP> in <SEP> Ul <SEP> erwärmt <SEP> 111 <SEP> 33, <SEP> 6 <SEP> 39, <SEP> 4 <SEP>
<tb> in <SEP> Öl <SEP> von <SEP> 1600 <SEP> C <SEP> abgeschreckt <SEP> 117 <SEP> 34, <SEP> 9 <SEP> 39, <SEP> 4 <SEP>
<tb>
Beispiel 7 :
AI-Mg-Si-Legierung nach DIN 1713. Verglichen wurde das bei einer Korrosionsbeanspruchung geeignet geformter Proben in n/2 NaCl-Lösung, verstärkt durch /z"/o conc. HCl, freiwerdende Gasvolumen, einmal bei Proben, welche nach den Vorschriften der Erfindung, nämlich durch Abschrecken in öl von 150 C und sofortigem Altern bei dieser Temperatur hergestellt, zum anderen bei Proben, welche in der üblichen Weise in Wasser ab- geschreckt, jedoch zur Beschleunigung der Erwärmung in öl von 150 C erwärmt wurden. Die Zeiten waren 4,8, 16 und 72 Stunden. Die Härtewerte sind im Beispiel 2 wiedergegeben.
Die folgende Zusammenstellung enthält die Volumeneinheiten Gas für die beiden Herstellungsarten, welche in drei Stunden Korrosionsbeanspruchung abgegeben werden.
EMI8.3
<tb>
<tb>
Aushärtungsdauer <SEP> bei <SEP> 1500 <SEP> c <SEP> : <SEP> 4 <SEP> 8 <SEP> 16 <SEP> 72 <SEP> Stunden
<tb> Wasserabgeschreckt, <SEP> in <SEP> öl <SEP> erwärmt <SEP> 25, <SEP> 5 <SEP> 21 <SEP> 17 <SEP> 14
<tb> In <SEP> öl <SEP> von <SEP> 1500 <SEP> C <SEP> abgeschreckt <SEP> 13, <SEP> 5 <SEP> 13 <SEP> 12 <SEP> 12
<tb>
bei den Festigkeitswerten bei den kurzen Aus-
EMI8.4
<Desc/Clms Page number 9>
Verlauf der folgenden Warmaushärtung auswirkt.
Die bisherigen Betrachtungen galten der Phase der Warmbehandlung zwischen dem Lösungsglühen und dem Beginn der Warmaushärtung.
Die bisherigen Beispiele zeigten, welche Massnahmen ergriffen werden müssen, um beim Beginn der Kaltaushärtung sicherzustellen, dass der unterkühlte Mischkristall noch unverändert vorliegt. Es ist nun darzulegen, welche Schlüsse sich für den weiteren Verlauf der Warmaushärtung aus den zwei Grundbedingungen der Erfindung ergeben.
Bisher wurde vorausgesetzt, dass die Warmaushärtung, sobald sie einmal begonnen worden sei, ohne weitere Unterbrechung und bei derselben Temperatur bis zu der gewünschten Aushärtungshöhe fortgesetzt wird. In der Praxis tritt nun in manchen Fällen das Bedürfnis auf, eine mehr oder weniger lange Lagerzeit bei Raumtemperatur nach dem Lösungsglühen einzuschalten. Auf Grund der in Fig. 1 gezeigten Verhältnisse bei Raumtemperaturlagerung ist während einer solchen Pause mit einer mehr oder weniger vollständigen Kaltaushärtung zu rechnen, solange keine Massnahmen getroffen werden, die Kaltaushärtung zu unterbinden. Nach einer solchen Pause wird bei den bisherigen Verfahren der volle Wert der Warmaushärtung nicht mehr erreicht, sondern die mit der Kaltaushärtung bereits erreichten Werte werden nur mehr unwesentlich überschritten.
Die sich aus den zwei Grundbedingungen eigebende Forderung, dass vor Beendigung der Warmaushärtung keine bleibende Veränderung des unterkühlten Mischkristalls bei einer anderen Temperatur stattfinden darf, kann jedoch auch im Falle einer gewünschten Unterbrechung der Warmaushärtung erfüllt werden. Die Grundlage für die dabei zu ergreifenden Massnahmen liegt in der Erkenntnis über die gegenseitige Beeinflussung der Kalt- und der Warmaushärtung. Eine Veränderung im unterkühlten Mischkristall bei Temperaturen im Gebiet der reinen Warmaushärtung verhindert das Anlaufen der Kaltaushärtung bei nachfolgender Abkühlung auf RT. Eine Hauptwirkung kann analog zu den Verhältnissen bei einer Vorveränderung vor der Warmaushärtung in einer Verzögerung der Kaltaushärtung erwartet werden.
Es zeigte sich, dass diese Verhinderung und Verzögerung der Kaltaushärtung durch überraschend niedrige Warmaushärtungsbeträge möglich ist. Es war zunächst zu erwarten, dass die Warmaushärtung bis zu einer über die mit der Kaltaushärtung erreichbare Härte hinausgehende Härtesteigerung getrieben werden müsse, um die beabsichtigte Wirkung zu erzielen, da ja der Gesamtbetrag der Härtesteigerung durch Warmaushärtung viel grösser als der durch eine Kaltaushärtung ist.
Fig. 2 der Zeichnung zeigt die gegenseitige Beeinflussung der Warmaushärtung und der
EMI9.1
1725 ; (Zusammensetzung : 0, 02% Cu,0, 66'lu Mg, 0, 72"/o Mn, 1, 0"/o Si, Rest Alumi- nium). Blechabschnitte aus dieser Legierung wur- den 1, 25 Stunden bei 540 C lösungsgeglüht, ein Teil davon dann in kaltem Wasser abge- schreckt (bezeichnet mit wasserabgeschreckt"), andere Teile wurden in Öl von 1500 C abge- schreckt und darin einige Minuten gehalten, in kaltem Wasser abgeschreckt, d. h. also die
Warmaushärtung in verschiedenen Anfangssta- dien unterbrochen, und dann bei Raumtemperatur die Härteänderungen beobachtet.
Die Härtekurve der Raumtemperaturaushär- tung nach Wasserabschrecken beginnt wahr- scheinlich bei etwas zu hohen Härtewerten, weil keine Härtemessungen sofort nach dem Ab- schrecken gemacht wurden. Es zeigt sich, dass nach einer Stunde 58 kg/mm2, nach 151/2 Stun- den 70, nach 41 Stunden 74 und nach 84 Stun- den 78 kg/mm2 Brinell erreicht sind.
Die nur eine Minute bei 150 C warmausgehärtete Probe hatte eine Ausgangshärte von nur 43 Brinell, also erheblich weniger als eine in Wasser abgeschreckte. Die Härte stieg während
1 Stunde bis auf 53 an. Nach einer reinen Warmaushärtung von 10 Minuten Dauer, erzielt durch Abschrecken in Öl von 1500 C und 10minütigem Halten auf dieser Temperatur wurde nach dem Abschrecken in Wasser eine Härte von 58 kg/mm ? gemessen. Diese Härte steigt nun nicht etwa bei Raumtemperatur an, sie geht eher in den ersten Stunden um etwa 1 bis 2 kg/mm2 zurück. Bis zu etwa 9 Stunden Lagerung bei Raumtemperatur werden immer Härtewerte zwischen 56 und 58 kg/mm2 gemessen.
In derselben Zeit ist die Härte der wasserabgeschreckten Probe über den Wert von 58 kg/mm2, den sie nach einer Stunde erreicht hat, weiter hinausgegangen und hat etwa 68 kg/mm2 erreicht. Die Warmaushärtung von 10 Minuten Dauer liefert also ein Material, das bereits nach einer Stunde Dauer weicher ist als entsprechendes wasserabgeschrecktes Material.
Ein leichtes Ansteigen der Härte nach etwa 15Va Stunden zeigt an, dass nunmehr die bisher vollständig verhinderte Kaltaushärtung langsam anzulaufen beginnt.
Eine der weiteren Proben wurde nach Abschrecken in Öl von 1500 C 20 Minuten bei dieser Temperatur warmausgehärtet. Nach dem anschliessenden Abschrecken in Wasser wies sie eine Härte von etwa 70 kg/mm2 auf0 Diese Härte ging in ähnlicher Weise wie bei der 10-MinutenProbe eher etwas zurück. Selbst bei 84 Stunden ist sie immer noch 69 kg/mm2, während zu dieser Zeit die wasserabgeschreckte Probe bereits 77, 5 kg/mm2 Härte erreicht hat.
<Desc/Clms Page number 10>
Bei dieser Versuchsreihe wurden immer nach bestimmten Zeiten sowohl die wasserabgeschreckten als auch die bereits kurze Zeit warmausgehärteten Proben dann 15 Stunden bei 152 C ausgelagert. Bei dieser langen Aushärtezeit ist eine gewisse Ausgleichung der Einflüsse der Kaltaushärtung zu erwarten, weil die Wirkung der Verzögerung ziemlich ausgeglichen ist.
Die Schädigung durch die Raumtemperaturlagerung ist bei der wasserabgeschreckten Probe nach einer Stunde 19 kg/rnm2, nach 151/2 Stunden 25, 5 und bei 84 Stunden 26, 5 kg/rnm2 Brinell. b) Zugfestigkeit und Streckgrenze.
Die Streckgrenze im wasserabgeschreckten und unmittelbar im Luftofen warmausgehärteten Zustand betrug nach 15 Stunden bei 1520 c : 31, 0 kg/mm2. Die Zugfestigkeit 36, 2 kg/mm2.
Nach 84 Stunden Raumtemperatur 15 Stunden bei 1520 C ausgehärtet war die Streckgrenze
EMI10.1
20 Minuten warmausgehärtete Probe, die ebenfalls 84 Stunden bei Raumtemperatur ausgelagert wurde, wobei sie eine um etwa 7 kg/mm2 niedrigere Härte als die wasserabgeschreckte (und kaltausgehärtete) Probe vor dem Warmaushärten aufwies, hatte nach dem Warmaushärten (15 Stunden bei 152 C) eine Streckgrenze von 31, 0 kg/mm2 und eine Zugfestigkeit von 38, 6 kg/mm .
Die vorweggenommene Warmaushärtung hat genügt um die Kaltaushärtung während der Ruhepause vollständig zu verhindern, wie die besonders empfindliche Streckgrenze deutlich zeigt.
Um die Bedingungen für den ungestörten Verlauf der Warmaushärtung auch für den Fall zu erfüllen, dass vor dem Ende der Warmaushärtung eine Lagerung bei Raumtemperatur erfolgen soll, genügt es, vor dem Abkühlen auf Raumtemperatur solange warmauszuhärten (wobei die Bedingungen der Erfindung eingehalten werden müssen), bis damit eine Härtesteigerung erreicht wird, welche ungefähr derjenigen entspricht, welche nach Wasserabschreckung und Raumtemperaturlagerung in der Länge der beabsichtigten Zwischenlagerung bei Raumtemperatur erreicht werden würde.
Um ein Beispiel zu geben : Ein bestimmter Fertigungsgang, der erst nach dem Lösungsglühen, aber vor dem Ende der Warmaushärtung vorgenommen werden soll, beansprucht einen Zeitraum von etwa Wie die folgende Zahlentafel zeigt, ist die Schädigung der Warmaushärteefekte durch die bei den wasserabgeschreckten Proben eingetretene Kaltaushärtung trotzdem sehr gross. a) Brinellhärte. Nach 15 Stunden bei 1520 C anschliessend an eine Raumtemperaturlagerung von
EMI10.2
<tb>
<tb> Behandlung <SEP> 0 <SEP> 1 <SEP> l51/2 <SEP> 41 <SEP> 84 <SEP> Std. <SEP> Dauer <SEP>
<tb> 540 C/Wasser <SEP> 2005 <SEP> 114,5 <SEP> 95,5 <SEP> 89 <SEP> n. <SEP> b. <SEP> 88
<tb> 540"G/01150 /1 <SEP> min <SEP> n. <SEP> b. <SEP> 100 <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b.
<tb>
5400 <SEP> C <SEP> I <SEP> öl <SEP> 1500 <SEP> 110 <SEP> min <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> 110 <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b.
<tb>
5400 <SEP> C <SEP> 1 <SEP> Öl <SEP> 1500115 <SEP> min <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> 116 <SEP> n. <SEP> b.
<tb>
540"C/Öl <SEP> 150"/20 <SEP> min <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> n. <SEP> b. <SEP> 117
<tb>
24 Stunden einschliesslich Warte-und Transportzeiten. Gesucht wird die Zeit der ersten Warm- aushärtung, Man geht so vor : An Hand von Proben, welche von der Lösungsglühtemperatur aus in Wasser abgeschreckt und bei Raumtemperatur 24 Stunden liegen bleiben, stellt man die Härte H24h fest. Sie sei beispielsweise 70 Brinell. Nun schreckt man Proben (bei Legierungen mit genügendem Mn-Gehalt) in Salz oder Öl oder auf ähnliche Weise auf die gewünschte Warmaushärtetemperatur ab und hält sie auf dieser einige Minuten und stellt nach dem Abschrecken fest, bei welcher Haltezeit 70 Brinell erreicht werden. Diese Zeit ist die maximal notwendige, um in der beabsichtigten Pause die Kaltaushärtung zu unterdrücken.
Die folgenden zwei Beispiele zeigen die Wirkung einer solchen präventiven Warmaushärtung auf die Festigkeitswerte einer Warmaushärtung mit relativ kurzen Aushärtezeiten.
Beispiel 8 : Al-Mg-Si-Legierung nach DIN
EMI10.3
tur 5500 C, Dauer : 1 Stunde. Die Legierung sollte 21 Tage bei Raumtemperatur gelagert werden, ehe sie warmausgehärtet wird. Für die Warmaushärtung war vorgesehen : eine Temperatur von 1800 C und eine Zeit von 2 Stunden.
Es wird erzielt ohne Pause :
EMI10.4
<tb>
<tb> Streck- <SEP> Zugfestiggrenze <SEP> keit
<tb> kg/mm2 <SEP> kg/mm2 <SEP>
<tb> a) <SEP> durch <SEP> Wasserabschrekkung <SEP> und <SEP> Luftofenerwärmung <SEP> 31, <SEP> 0 <SEP> 36, <SEP> 5 <SEP>
<tb> b) <SEP> durch <SEP> Abschrecker. <SEP> in <SEP> Öl
<tb> 1800 <SEP> C <SEP> 34, <SEP> 2 <SEP> 35, <SEP> 9 <SEP>
<tb> Der <SEP> wasserabgeschreckte
<tb> Blechabschnitt <SEP> aus <SEP> dieser <SEP> Legierung, <SEP> welcher <SEP> 21 <SEP> Tage
<tb> bei <SEP> Raumtemperatur <SEP> kaltaushärtete, <SEP> erreichte <SEP> in <SEP> diesem <SEP> Zustand <SEP> :
<SEP> 25, <SEP> 4 <SEP> 31, <SEP> 7 <SEP>
<tb>
<Desc/Clms Page number 11>
EMI11.1
<tb>
<tb> Streck-Zugfestiggrenze <SEP> eit
<tb> kg/mm2 <SEP> kg/mm2
<tb> Nach <SEP> anschliessendem <SEP> Warmaushärten <SEP> (zwei <SEP> Stunden
<tb> 1800 <SEP> C) <SEP> stieg <SEP> die <SEP> Festigkeit
<tb> nur <SEP> auf <SEP> 26, <SEP> 1 <SEP> 32, <SEP> 9 <SEP>
<tb> Ein <SEP> Blechabschnitt, <SEP> der <SEP> in
<tb> öl <SEP> von <SEP> 1800 <SEP> C <SEP> abgeschreckt
<tb> wurde, <SEP> und <SEP> darin <SEP> 10 <SEP> Minuten <SEP> verblieb, <SEP> hatte <SEP> nach
<tb> 21 <SEP> Tagen <SEP> Raumtemperaturlagerung <SEP> : <SEP> 21, <SEP> 6 <SEP> 28, <SEP> 6 <SEP>
<tb> Nach <SEP> anschliessendem <SEP> Warmaushärten <SEP> (zwei <SEP> Stunden
<tb> 1800 <SEP> C) <SEP> 33, <SEP> 6 <SEP> 34, <SEP> 6 <SEP>
<tb>
EMI11.2
nisse der vorliegenden Erfindung :
Erstens die Tatsache, dass die sofortige Warmaushärtung im Luftofen noch nicht ausreicht, um die Kaltaushärtung restlos auszuschliessen ; die in Öl abgeschreckten Teile zeigen eine um 3, 2 kg/mm2 höhere Streckgrenze ; zweitens zeigt dieses Beispiel die Unterdrückung der Kaltaushärtung während einer Zwischenlagerung bei Temperaturen, welche tiefer als die Warmaushärtetemperaturen liegen. Die Unterdrückung erfolgt durch eine präventive kurzzeitige Warmaushärtung, durch welche eine solche Veränderung des unterkühlten Mischkristalls eingeleitet wird, dass innerhalb der folgenden Raumtemperaturlagerung noch keine Kaltaushärtung anläuft.
Ein weiterer für die praktische Anwendung wichtiger Punkt ist die niedrigere Streckgrenze
In diese Zahlentafel ist die Proportionalitätsgrenze bestimmt als ss 0, 01 aus Feindehnungsmessungen mitaufgenommen.
Wie in Beispiel 4 aufgeführt, beträgt die Streckgrenze bei Wasserabschreckung und Luftofenaushärtung 27,3 kg/mm2 und die Zugfestigkeit 32, 3 ; diese Werte werden mit Hilfe der Präventivwarmaushärtung von 5 Minuten 780 C gut erreicht und mit der von 71/2 Minuten übertroffen.
Das nun folgende Beispiel soll die Verhältnisse zeigen, wenn erstens die Lagerdauer noch weiter ausgedehnt wird, nämlich auf über ein Jahr (435 Tage) und zweitens eine andere Temperatur für die Endwarmaushärtung als für die Präventivaushärtung benützt wird.
Beispiel 10 : AI-Mg-Si-Legierung nach DIN 1725 ; Zusammensetzung wie in dem Beispiel 8. Lösungsglühtemperatur: 550 C Temperatur der der präventiv warm-ausgehärteten Teile am Ende der Raumtemperaturlagerung. Die Verformbarkeit ist also grösser als bei den kaltausgehärteten Teilen.
Beispiel 9 : Amerikanische Legierung 615.
Zusammensetzung wie in Beispiel l. Lösungsglühtemperatur 540 C. Aushärtetemperatur 1780 C. Aushärtedauer 1 Stunde. Die Pause sollte 31 Tage dauern. In dieser Zeit ist die Kaltaushärtung nach Wasserabschreckung nahezu vollständig abgelaufen. Die Härte in diesem Zustand (5400 C/200 C/31 Tage 20 C) beträgt
EMI11.3
5 BrinelI.71/2 Minuten Dauer bei 179 C untersucht. Die Anfangshärten waren : bei 3 Minuten 59 ; bei 5 Minuten : 72 und bei 71/2 : 74 Brinell. Die Härte der 3-Minuten-Probe stieg auf 72, wie auch zu erwarten war, da die Anfangshärte viel tiefer als die Härte lag, welche nach Wasserabschrecken am Ende der Raumtemperaturlagerung erreicht wird (73, 5). Die Härte der 5-Minuten-Probe war unwesentlich auf 73, 5 angestiegen, diejenige der 71/2-Minuten-Probe dagegen noch unverändert.
Bei der folgenden Endwarmaushärtung wurde die Zeit der Präventivwarmaushärtung von der Stunde abgezogen, die 3-Minuten-Probe also 57, die 5-Minuten-Probe entsprechend 55 und die 71/2-Minuten-Probe 521/2 Minuten bei 1780 C ausgehärtet. Die Erwärmung aller Proben erfolgte im Salz.
EMI11.4
<tb>
<tb>
Prop. <SEP> Gr. <SEP> Streckgr. <SEP> Zugfestigkei1 <SEP>
<tb> Wasserabgeschreckt, <SEP> 31 <SEP> Tage <SEP> 200 <SEP> C/1 <SEP> h <SEP> 178 <SEP> C <SEP> 18, <SEP> 5 <SEP> 18, <SEP> 1 <SEP> 29, <SEP> 3 <SEP>
<tb> Salz <SEP> 178 <SEP> C <SEP> 3 <SEP> min/200 <SEP> C <SEP> 31 <SEP> Tage/57 <SEP> min <SEP> 178 <SEP> C <SEP> 15, <SEP> 4 <SEP> 24, <SEP> 0 <SEP> 32, <SEP> 1 <SEP>
<tb> Salz <SEP> 1780 <SEP> C <SEP> 5 <SEP> min/200 <SEP> C <SEP> 31 <SEP> Tage/55 <SEP> min <SEP> 178 <SEP> C <SEP> 23, <SEP> 2 <SEP> 27, <SEP> 9 <SEP> 32, <SEP> 8 <SEP>
<tb> Salz <SEP> 1780 <SEP> C <SEP> 71/2 <SEP> min/200 <SEP> C <SEP> 31 <SEP> Tage/521/2 <SEP> min <SEP>
<tb> 1780 <SEP> C <SEP> 24, <SEP> 8 <SEP> 29, <SEP> 4 <SEP> 33, <SEP> 0 <SEP>
<tb>
Präventivwarmaushärtung : 1800 Ci Dauer 15 Minuten.
Temperatur der Endwarmaushärtung nach 435 Tagen bei Raumtemperatur : 1500 Ci Dauer : 15 Stunden.
Die Anfangshärte der präventivwarmausgehärteten Proben betrug 79 Brinell ; da die Zeit der Präventivwarmaushärtung offenbar etwas zu kurz war, um die gesamte Kaltaushärtung zu unterdrücken, erfolgte innerhalb der 435 Tage eine Härtesteigerung bis auf 88 Brinell. Trotzdem sind die erreichten Werte noch relativ hoch :Streckgrenze:30,0kg/mm2;Zugfestigkeit:
36, 4 kgfmm2. Als Vergleich mag dienen, dass eine erheblich zu kurz präventiv warmausgehärtete Probe, die nur 5 Minuten 180 C behandelt worden war, und deren Brinellhärte während der Lagerzeit von 58 auf 70 Brinell gestie-
EMI11.5
<Desc/Clms Page number 12>
6 kg/mm2Dieses Beispiel zeigt, dass die Temperatur der Präventiv- und der Endwarmaushärtung nicht unbedingt miteinander übereinzustimmen braucht, ferner, dass auch eine noch nicht ganz genügende Präventivaushärtung bereits erhebliche Vorteile zu bieten vermag.
Die Präventivwarmaushärtung kann nur bei solchen Legierungen und Temperaturen angewendet werden, bei denen die Warmaushärtung in einem einstufigen Vorgang unmittelbar aus dem unterkühlten Mischkristall abläuft. Beispielsweise ist es nicht möglich, sie bei den AlCu-oder AI-Cu-Mg-Legierungen und ähnlichen Legierungen anzuwenden, bei welchen die üblichen Warmaushärtetemperaturen noch im Grenzgebiet mit aufeinanderfolgender Kalt- und Warmaushärtung liegen. Hier würde eine kurzzeitige Alterung bei Warmaushärtetemperaturen nur eine Kaltaushärtung verursachen, welche natürlich nicht in der Lage ist, die Aushärtung bei Raumtemperatur in dem hier gewünschten Sinne zu beeinflussen.
Der Einfluss einer Auslagerung bei Raumtemperatur ist im übrigen trotz der bekannten Rückbildungserscheinung auch bei den AI-Cu-Mg-Legierungen nachzuweisen, die Rückbildung ist an und für sich nicht vollständig.
PATENTANSPRÜCHE : 1. Verfahren zur Warmaushärtung von ausscheidungshärtbaren Metallegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen vom Typus Al-MgSi, welche nach der Abschreckung von der Temperatur der Lösungsglühung bei Raumtemperatur spontan altern und bei welchen eine solche Kaltaushärtung bei den Temperaturen der Warmaushärtung gar nicht oder nur unvollständig rückgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierungen von der Temperatur der Lösungsglühung auf die Temperatur der Warmaushärtung mit so grosser Abschreckgeschwindigkeit gebracht werden, dass eine Ausscheidung oder eine Vorbereitung des unterkühlten Mischkristalles dazu bei Temperaturen, welche höher als die Warmaushärtungstemperatur liegen, nicht eintritt, wobei bei der Abkühlung die Temperatur der Warmaushärtung nur so lange und so weit unterschritten wird,
dass noch keine Kaltaushärtung anläuft, und bei der Warmaushärtungstemperatur mindestens so lange gehalten werden, bis eine Warmaushärtung eingetreten ist, welche die Kaltaushärtung bei tieferen Temperaturen als der Temperatur der Warmaushärtung mindestens vorübergehend verhindert.