Verfahren zur Wärmebehandlung geschmiedeter oder stranggep.resster Aluminiumlegierungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung geschmiedeter oder stranggepresster Aluminiumlegierungen und bezweckt ein Verfahren zur wesentlichen Verbesserung der Korrosions- und Spannungskorrosionsbeständigkeit geschmiedeter oder stranggepresster Aluminiumlegierungen zu schaffen, die 4,0-8,0 Gew.-O/o Zink, 1,5-3,5 Gew.-O/o Magnesium, 0,05-0,7 Gew.- /e Kupfer, 0,05-1,0 Gew.-0/o Mangan und im übrigen ausser Aluminium normale Verunreinigungen und gewünschtenfalls zusätzliche Elemente enthalten, die in solchen Legierungen wahlweise enthalten sind, um das Korn zu verfeinern und anderen bekannten Zwecken zu dienen.
Die Legierung kann beispielsweise bis zu je 0,5 o/o Eisen und Silizium und bis zu 0,050/0 Chrom als Verunreinigungen und bis zu je 0,25 O/o Titan und Zirkon sowie bis zu 0,01 O/o Bor als Zusätze zur Kornverfeinerung enthalten. Sie kann auch höchstens 0,7 Gew.-O/o Silber enthalten.
Legierungen dieser Art sind als bearbeitete Konstruktionsmaterialien hoher Festigkeit zur Verwendung bei Temperaturen bis ungefähr 100 C bekannt und wurden allgemein in der Flugzeugindustrie verwendet.
(Eine Legierung auf Aluminiumbasis mit einer Zugfe stigkeit über 4600 kg/cm2 gilt als Aluminiumlegierung hoher Festigkeit.) Eine typische, allgemein übliche Wärmebehandlung für Legierungen dieser Art ist das Lösungsglühen während 4 Stunden bei 4600 C, Abschrecken in Wasser und Altern während 12 Stunden bei 135 C.
Obwohl befriedigende Gebrauchseigenschaften üblicherweise erzielt worden sind, haben Schmiedestücke aus Legierungen der genannten Art, die nach dem oben genannten, typischen, üblichen Verfahren wärmebehandelt wurden, gelegentlich Fehler. Die Ursache einiger dieser Fehler wurde Spannungskorrosionsrissen zugeschrieben, insbesondere wenn die Teile von der Temperatur des Lösungsglühens in Wasser mit einer Temperatur unter 1000 C abgeschreckt wurden.
Spannungskorrosionsrisse sind eine Art von Fehlern in einem Teil, die durch die kombinierte Wirkung einer Zugspannung und einer korrosiven Umgebung entstehen. Diese Erscheinung verursacht eine grössere Herabsetzung der Festigkeit als die Summe der einzeln wirkenden Spannung und korrosiven Umgebung. Die Umgebung kann schwach korrosiv sein, atmosphärische Bedingungen genügen unter bestimmten Umständen, und die gleichzeitig auftretende Spannung kann klein sein, trotzdem kann eine wesentliche Herabsetzung der Festigkeit auftreten. Versuche haben gezeigt, dass die short-transverse -Richtung in einem geschmiedeten oder stranggepressten Erzeugnis äusserst empfindlich auf Spannungskorrosionsrisse ist.
Der Begriff short-transverse wird zur Bezeichnung der Richtung gebraucht. in welcher die maximale Herabsetzung der Dicke stattgefunden hat, und welche rechtwinklig zur Hauptflussrichtung des Korns ist (d. i. die Richtung, in welcher das Werkstück am meisten durch Bearbeitung gestreckt wurde). Unter einem geschmiedeten Erzeugnis ist ein durch Hämmer, Gesenkschmieden oder Pressen hergestelltes Erzeugnis zu verstehen.
Wenn ein Bauteil entworfen wird, ist es daher wichtig, örtliche Spannungskonzentrationen kleinzuhalten, insbesondere wenn die Spannung hauptsächlich eine Zugspannung ist und in der short-transverse Richtung wirkt. Zusätzlich zu der durch die Bauart bestimmten betriebsmässigen Spannung und möglichen Spannungen, die beim Zusammenbau auftreten, können weitere Spannungen durch unterschiedliche Kontraktionen beim Abschrecken von der Temperatur des Lösungsglühens vorhanden sein. Bei bearbeiteten Erzeugnissen mit konstantem Querschnitt, beispielsweise bei stranggepressten Erzeugnissen, können die auf das Abschrecken zurückzuführenden Spannungen durch Strecken herabgesetzt werden. Das ist aber offensichtlich nicht möglich, wenn es sich um unregelmässig geformte Erzeugnisse, z. B. Schmiedestücke, handelt.
Die durch das Abschrecken entstandenen Spannungen können bei bearbeiteten Teilen der letzteren Art durch langsameres Abkühlen herabgesetzt werden, beispiels weise durch Abschrecken in heissem öl oder geschmolzenem Salz, wodurch die Festigkeit aber möglicherweise auf einen für bestimmte Zwecke nicht mehr annehmbaren Betrag herabgesetzt wird. Eine vor der Wärmebehandlung durchgeführte Rohbearbeitung zur Erzielung einer gleichförmigeren Dicke kann auch nützlich sein, jedoch sind die Grösse und Form der meisten Bauteile so, dass ein gewisses Mass restlicher Spannungen unvermeidbar ist.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass die Spannungskorrosionsbeständigkeft und die Korrosionsbeständigkeit geschmiedeter oder stranggepresster Teile aus Legierungen der genannten Art durch eine Hochtemperatur-Alterungs-Behandlung bedeutend verbessert werden können, welche als die zweite Stufe einer zweistufigen Behandlung nach normalem Lösungsglühen und Abschrecken angewandt wird und nur zu einer kleinen Herabsetzung der Zugfestigkeit im Vergleich zur durch Alterung bei 1350 C erzielten Zugfestigkeit führt.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren zur Wärmebehandlung geschmiedeter oder stranggepresster Aluminiumlegierungen der genannten Art folgt auf ein Lösungsglühen und Abschrecken eine zweistufige Alterung, dessen erste Stufe bei einer niedrigeren Temperatur als die zweite erfolgt, und dass die zweite Stufe bei mindestens 145 C und höchstens 1850 C während höchstens 30 Stunden (vorzugsweise während mindestens 2 Stunden und höchstens 24 Stunden) durchgeführt wird.
Die Aluminiumlegierungen, auf welche die neue Wärmebehandlung anwendbar ist, enthält Zink, Magnesium, Kupfer und Mangan, in den bereits genannten Mengen. Der Erfindung zugrunde liegende Versuche haben gezeigt, dass das beste Verhältnis zwischen den Verarbeitungseigenschaften und den mechanischen Eigenschaften erhalten wird, wenn die chemische Zusammensetzung aus den hauptsächlichsten Elementen der Legierung in folgenden Bereich liegt:
:
Zink 5,0 bis 6,5 Gew.- /o
Magnesium 2,0 bis 3,2 Gew.- /o
Kupfer 0,1 bis 0,7 Gew.- /o
Mangan 0,1 bis 0,7 Gew.- /o
Legierungskomponenten, welche die Empfindlichkeit beim Abschrecken von Aluminium-Zink-Magnesium-Kupfer-Legierungen hoher Festigkeit erheblich steigern, sollen nicht in wesentlichen Mengen enthalten sein, wenn die Legierung verhältnismässig langsam von der Temperatur des Lösungsglühens abgekühlt werden soll, wie beim Abschrecken in Wasser über 850 C, heissem öl oder geschmolzenem Salz. Unter diesen Umständen soll beispielsweise der Chromgehalt 0,05 Gew.- io nicht überschreiten.
Eine abschreckempfindliche Aluminiumlegierung ist eine solche, die zur Erzielung einer grossen Festigkeit sehr rasch von der Temperatur des Lösungsglühens abgekühlt werden muss, wobei Abkühlungsgeschwindigkeiten, wie sie mit kaltem oder warmem Wasser erzielt werden, nötig sind.
Ein bevorzugter, vollständiger Wärmebehandlungszyklus nach der Erfindung ist der Folgende:
1. Die Teile werden durch Lösungsglühen während t/4-6 Stunden bei 420-5000 C können angewandt werden, führen aber zu einer unvollständigen Auflösung der härtenden Bestandteile, woraus eine niedrige Festigkeit resultiert. Höhere Temperaturen können zu einer geringen Erhöhung der Festigkeit führen, es tritt aber eine Uberhitzung mit nachfolgender Herabsetzung der Festigkeit auf, wenn eine Temperatur von ungefähr 5300 C überschritten wird. Die erforderlichen Zeiten nehmen direkt mit den Abmessungen des Querschnittes zu, und die Behandlung kann in Öfen mit erzwungener Luftzirkulation oder in Bädern aus geschmolzenem Salz erfolgen.
2. Die lösungsgeglühten Teile werden in heissem Wasser mit einer Temperatur von über 85" C und vorzugsweise in kochendem Wasser abgeschwenkt.
3. Die erste Stufe der Alterung wird bei einer Temperatur im Bereiche von 100-1400 C während 1-36 Stunden (normalerweise 6-24 Stunden) durchgeführt, wonach die geschmiedete oder stranggepresste Legierung in Luft auf Raumtemperatur zur Abkühlung gebracht werden kann, oder die Temperatur kann direkt entweder durch Erhöhung der Temperatur des Ofens oder dadurch, dass die Legierung in einen zweiten Ofen, der mit der gewünschten Alterungstemperatur der zweiten Stufe läuft, gebracht wird, erhöht werden.
4. Die zweite Stufe der Alterung wird im Temperaturbereich von 145-185 C während 2-24 Stunden durchgeführt. Die optimale Dauer ist eine umgekehrte Funktion der Temperatur.
Der Erfindung zugrunde liegende Versuche haben gezeigt, dass die Verbesserung der Spannungskorrosionsbeständigkeit durch Anwendung der zweiten Stufe der Alterung bei hoher Temperatur allein erzielt werden kann, dass die erste Stufe der Alterung jedoch für die Erzielung maximaler Zugfestigkeiten wesentlich ist.
Die folgenden Beispiele für geschmiedetes Material zeigen die erzielbare Verbesserung der Spannungskorrosionsfestigkeit. Die Prüfungen der Spannungskorrosion wurden an Proben ausgeführt, die einen (agressiven) Salzsprühnebel und/oder (weniger agressiven) korrosiven atmosphärischen Bedingungen unterworfen worden waren. Bei den Prüfungen unter atmosphärischen Bedingungen wurden die Proben durch Vierpunktbiegung beansprucht, so dass die Zugspannung an der oberen Fläche 90 /o derjenigen der shorttransverse -0,1 O/o-Prüfspannung für die betreffende Alterungsgruppe war. Dabei und im folgenden ist unter 0,1 O/o-Prüfspannung, die Spannung zu verstehen, welche für eine dauernde Dehnung um 0,1 O/o erforderlich ist.
Bei den Salzsprühnebeln-Prüfungen wurden die Proben durch direkten Zug mit verschiedenen Spannungen in einem Laboratorium beansprucht, in welchem die relative Luftfeuchtigkeit auf 80 0/0 und die Temperatur auf 21 C gehalten wurde. Dabei wurde jede Probe täglich zweimal mit einer wässrigen Lösung, die 3,0 Gew.-O/o Kochsalz enthielt, besprüht. Wiederholte Prüfungen wurden für jede Zusammensetzung und Bedingung der Wärmebehandlung durchgeführt, und für jede Gruppe wurde die durchschnittliche Zeit (Anzahl Tage), nach welcher Risse auftraten, in Tabellen eingetragen.
Beispiel 1
Ein Knüppel mit 40,6 cm Durchmesser, dessen chemische Zusammensetzung in Tabelle I für den Block 1 angegeben ist, wurde halbkontinuierlich gegos sen und geschält. Der bearbeitete Knüppel wurde zu einem Block von 122X61X108 cm in einer Art geschmiedet, welche zu einem starken Ausrichten der Körner in einer gegebenen Richtung führt, so dass ihm entnommene Proben sehr spannungskorrosionsempfindlich sind, wenn sie in der short-transverse -Richtung geprüft werden.
Eine Anzahl Rohlinge mit den Abmessungen 25,4X25,4X108mm wurden von der short-transverse -Richtung des Blockes an von dessen Kanten entfernten Stellen herausgeschnitten, um tatsächlich die short-transverse -Richtung, in der die Körner ausgerichtet sind, zu erhalten, und diese Rch- linge wurden während 4 Stunden bei 4600 C lösungsgeglüht und dann in kochendem Wasser abgeschreckt.
Wahllos nach dem Abschrecken ausgewählte Rohlinge wurden nach Tabelle II gealtert. Die Durchschnittswerte von drei bei Raumtemperatur ausgeführten Zerreissproben sind in Tabelle II zusammen mit den Ergebnissen der Spannungskorrosionsprüfung angegeben.
Beispiel 2
Ein zweiter Block, dessen chemische Zusammensetzung in Tabelle I angegeben ist, wurde ebenso wie der erste, jedoch mit den endgültigen Abmessungen 122 X 38 x 18 cm hergestellt. Probestücke von der shorttransverse -Richtung mit einer kleinsten Abmessung von 25,4 mm wurden wie oben wärmebehandelt, und die Ergebnisse der Zugversuche und der Prüfung der Spannungskorrosion sind in Tabelle II angegeben.
Beispiel 3-8
Eine Anzahl Blöcke von 18x8,9x71 cm wurden aus halbkontinuierlich gegossenen Knüppeln von 219 mm Durchmesser auf im wesentlichen dieselbe Art zu den breiten Blöcken geschmiedet, nachdem die Knüppel auf 188 mm geschält worden waren. Die verschiedenen chemischen Zusammensetzungen der Blöcke sind in Tabelle I angegeben, und die Ergebnisse der Zugversuche und der Prüfung auf Spannungskorrosion, die mit Proben von der short-transverse -Richtung in allen Blöcken erhalten wurden, sind zusammen mit den Einzelheiten der Wärmebehandlung in Tabelle III angegeben.
Aus den Tabellen II und III ist ersichtlich, dass die beschriebene doppelte Alterung bei höherer Temperatur die Spannungskorrosion (gemessen durch die zum Auftreten von Rissen erforderliche Anzahl Tage des spannungskorrosiven Einflusses) im Vergleich zur normalen Alterung bei 135 C während 12 Stunden praktisch mindestens um den Faktor 3 erhöht. Die entsprechenden Herabsetzungen der (oben definierten) 1,0 %-Prüfspannungen und der endgültigen Festigkeitswerte überschreiten selten 10 % und sind in der Regel wesentlich kleiner.
Tabelle I
Chemische Zusammensetzung geschmiedeter Blücke Block Nr. Abmessungen cm %Cu. %Mg. %Mn. %Zn. %Fe. %Si. %T1. %Zr. %Cr. %Ag.
1 61x10,8x122 0,45 2,71 0,56 5,57 0,21 0,12 0,05 - -
2 38x18x122 0,40 2,67 0,50 5,63 0,31 0,18 0,05 - -
3 18x8,9x71 0,47 2,79 0,53 5,48 0,20 0,05 0,07 - -
4 18x8,9x71 0,46 2,80 0,52 5,68 0,15 0,07 0,06 - - 0,09
5 18x8,9x71 0,46 2,83 0,52 5,52 0,16 0,06 0,07 - - 0,55
6 18x8,9x71 0,47 2,75 0,54 5,56 0,17 0,06 0,05 0,12 -
7 18x8,9x71 0,44 2,78 0,40 5,55 0,14 0,05 0,06 - 0,05
8 18x8,9x71 0,46 2,70 0,41 5,64 0,18 0,05 0,05 - 0,05 0,11 restliche %: Al und Verunreinigungen Tabelle II Ergebnisse der Zug- und Spannungskorrosions-Prüfung wärmebehandelter short Transverse - Proben mit 25,4 mum kleinster Querschnittsabmessung Block Wärmebehandlung *) nach + stündägem Festigkeits-Eigenschaften Mittlere Spannungskorrosionsbeständigkeit Nr.
Lösungsglühen bei 460 C und Abschrecken Spannung %Dehnung in Tagen bis zum Auftreten des ersten Risses in kochendem Wasser für 0,1% Zug- bei @=4 @F Salzsprübnebel bei atmospbärische Korrosion bleibende festigkent l = Länge 3300 kg/cmê 2950 kg/cmê bei 90% der Spannung für
Dehnung kg/cmê F = Querschnitt 0,1% bleibende Dehnung kg/cmê 1 12 Stdn. 135 C 454 523 43/4 5 8 22 2 12 Stdn. 135 C 443 510 22/4 - 14 49 1 12 Stdn. 135 C + 16 Stdn. 150 C 444 510 42/2 26 30 108 1 12 Stdn. 135 C + 16 Stdn. 150 C" 428 512 52/3 - 187 69 1 12 Stdn. 135 C + 24 Stdn. 150 C 435 513 51/2 - 43 216 1 12 Stdn. 135 C + 6 Stdn. 165 C 428 502 6 28 37 105 1 12 Stdn. 135 C + 21/2 Stdn. 175 C 427 499 52/4 43 56 108 1 12 Stdn. 135 C + 21/2 Stdn. 175 C 417 496 61/4 - 204 139 1 12 Stdn. 135 C + 4 Stdn. 175 C 406 488 62/3 - - 214 1 6 Stdn. 110 C + 16 Stdn. 150 C 446 515 41/4 26 26 1 6 Stdn. 110 C + 6 Stdn.
165 C 439 512 6 16 42 1 6 Stdn. 110 C + 21/2 Stdn. 175 C 428 502 51/4 25 39 1 24 Stdn. 110 C + 16 Stdn. 150 C 439 523 6 26 27 1 24 Stdn. 110 C + 6 Stdn. 165 C 425 509 61/4 26 14 1 24 Stdn. 110 C + 21/2 Stdn. 175 C 422 499 61/4 19 23 *) mit Ansnabme der mit *bezeichneten Behandlung wurden die Probestücke zwischen den beiden Stufen der zweistufigen Behandlung auf Raumtemperatur abgekühlt.
Tablle III
Ergebnisse der Zug und Spannungskorrosions-Prüfung wärmebehandelter short Transverse - Proben mit 25,4 mm kleinster Querschnittsabmessung Block Wärmebehandlung*) nach 4-stündigem Festigkeits-Eigenschaften Mittlere Spannungskorrosionsbeständigkeit No. Lösungsglühen bei 460 C und Abschrecken Spannung Zug- % Dehnung in Tagen bis zum Auftreten des ersten Risses in kochendem Wasser für 0,1 % festigkeit bei l = 4 VF Salzsprühnebel bei atmosphärische Korrosion bleibende kg/cmê l = Länge 2950 kg/cmê 2280 kg/cmê bei 90% Spannung für
Dehnung kg/cmê F= Querschnitt 0,1 % bleibende Dehnung
3 12 Stdn. 135 C 446 528 5 20 22 45
12 Stdn. 135 C + 16 Stdn. 150 C 430 512 5 80 - 200D
4 12 Stdn. 135 C 408 495 6 18 -
12 Stdn. 135 C + 16 Stdn. 150 C 406 493 6 100D -
5 12 Stdn. 135 C 387 487 6 21 28
12 Stdn. 135 C + 16 Stdn. 150 C 391 482 6 102D -
6 12 Stdn.
135 C 461 536 4 17 - 53
12 Stdn. 135 C + 16 Stdn. 150 C 433 496 4 162D - 200D
7 12 Stdn. 135 C 422 498 4 31 -
12 Stdn. 135 C + 16 Stdn. 150 C 411 501 5 100D -
8 12 Stdn. 135 C 392 479 5 34 -
12 Stdn. 135 C + 16 Stdn. 150 C 384 477 6 100D - *) Verg1. Fussnote zu Tabelle II