CH638834A5 - Verfahren zur aushaertung von aluminiumlegierungen. - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aushärtung einer Aluminiumlegierung mit einem Ausscheidungsbestandteil.
Die feine Korngrösse führt zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der meisten Metalle. Darüber hinaus kann die Formbarkeit verbessert werden, indem die Orangenschalenstruktur eliminiert wird. Bei einer Vielzahl von Legierungen kann man durch Ausbildung einer Feinkornstruktur Superplastizität herbeiführen. Legierungen, welche zu Spannungsrisskorrosion neigen, insbesondere verschiedene durch Ausscheidung härtbare Aluminiumlegierungen, zeigen eine verringerte Neigung zur Spannungsrisskorrosion, wenn eine Feinkornstruktur vorhanden ist. Eine Kornverfeinerung ist jedoch bei Aluminiumlegierungen schwer zu erreichen, und die meisten Versuche zur Erzielung einer feinen Korngrösse durch herkömmliche mechanische Verformung und durch Rekristallisation unter Erhitzung haben nur zu einem rekristallisierten Material geführt, welches die ursprüngliche grobe Korngrösse mit grossen pfannkuchenartigen Körnern aufweist. Kürzlich wurde in einem Artikel von Waldman, Sulinski und Marcus, «The Effect of In-got Processing Treatment on the Grain Size and Properties of Al Alloy 7075», Metallurgical Transactions, Band 5,
März 1974, Seiten 573-584 über einen begrenzten Erfolg mit der Aluminiumlegierung 7075 berichtet. Die Behandlung, über die in dem Artikel berichtet wird, erfordert eine Homogenisierung während längerer Zeit bei hoher Temperatur zum Zwecke der Ausscheidung von Chrom vor dem langsamen Abkühlen zum Zwecke der Ausscheidimg von Zn, Mg und Cu. Die 7075-Aluminiumlegierung wird sodann unter Erhitzen mechanisch bearbeitet und rekristallisiert, um die Korngrösse zu verfeinern. Dieses herkömmliche Verfahren ist äusserst zeitaufwendig und auf Legierungen beschränkt, welche spezifische Elemente, wie Chrom, enthalten. Darüber hinaus führt das herkömmliche Verfahren nicht zu einer genügend feinen Korngrösse.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfeinerung der Korngrösse von Aluminiumlegierungen zu schaffen, welche ausscheidbare härtende Bestandteile enthalten. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfeinerung der Korngrösse von durch Ausscheidung härtbaren Aluminiumlegierungen zu schaffen, welches weniger zeitaufwendig ist als herkömmliche Verfahren. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Verfeinerung der Korngrösse bei einer grossen Vielzahl verschiedener durch Ausscheidung härtbarer Aluminiumlegierungen zu schaffen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Festigkeit und die Ermüdungsbeständigkeit, von durch Ausscheidung härtbaren Aluminiumlegierungen zu verbessern, und zwar durch Anwendung eines Verfahrens zur Verfeinerung der Korngrösse. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, die Spannungsrisskorrosionsfestigkeit von durch Ausscheidung härtbaren Aluminiumlegierungen zu verbessern. Schliesslich ist es Aufgabe der Erfindung, die Formbarkeit von durch Aus-
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Scheidung härtbaren Aluminiumlegierungen durch Anwendung eines Verfahrens zur Verfeinerung der Korngrösse zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch ein Verfahren zur Aushärtung einer Aluminiumlegierung mit einem Ausscheidungsbestandteil gelöst, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass man eine Aluminiumlegierung mit ausgeschiedenen Bestandteilen auf eine Temperatur erhitzt, bei der mindestens ein Teil der ausgeschiedenen Bestandteile unter Bildung einer festen Lösung aufgelöst wird;
danach die Legierung auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der Bildung der festen Lösung abkühlt;
danach die Legierung zur Bildung von Ausscheidungen überaltert;
danach in der Legierung durch plastische Deformierung Spannungen ausbildet und schliesslich die Legierung durch Erhitzen über die minimale Rekristallisationstemperatur rekristallisiert, wobei die Ausscheidungen Keime für die Rekristallisation und das gesteuerte Wachstum einer Feinkornstraktur bilden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Mikrofotografie der Mikrostruktur einer erhältlichen 7075-Aluminiumlegierung typischer Korngrösse und
Fig. 2 eine Mikrofotografie der Mikrostruktur einer 7075-Aluminiumlegierung, welche nach dem erfindungsge-mässen Verfahren behandelt wurde.
Bei Durchführung des erfmdungsgemässen Verfahrens wird die Legierung zunächst in herkömmlicher Weise zur Ausbildung einer festen Lösung behandelt. Dies geschieht in genau der gleichen Weise wie bei der herkömmlichen Ausscheidungsaushärtung. Dabei erhält das Material einen grobkörnigen Zustand. Anstelle der üblichen Aus-scheidungs-Härtungs-Behandlung (Alterungsbehandlung bei niedriger Temperatur zur Erzeugung fein verteilter Ausscheidungen mit einem Abstand von 100 bis 500 Â zur Steigerung der Festigkeit der Legierung) wird das Material nunmehr erfindungsgemäss einer Hochtemperatur-Aus-scheidungs-Behandlung unterworfen. Diese Behandlung wird als Überalterung bezeichnet. Sie führt zu einer etwas gröberen Verteilung der Ausscheidungen mit einem Abstand von etwa 5000 bis 10 000 Â. Nunmehr wird das Material mechanisch bearbeitet (geknetet) und dabei plastisch deformiert, und zwar in einem ausreichenden Ausmass zur Herbeiführung von Gitterspannungen, welche für die Rekristallisation erforderlich sind. Es ist erwünscht, das Material in solchem Masse zu bearbeiten, dass die Dicke um mehr als 40% verringert wird.
Dies ist jedoch nicht immer möglich, z.B. im Falle des Schmiedens bestimmter Bauteile. In diesen Fällen wird eine Verringerung von mindestens 15% dazu beitragen, die Korngrösse herabzusetzen, obgleich in diesem Falle die optimale Verformungsbearbeitung nicht erzielt wird. Schliesslich wird das unter Verformung bearbeitete Material über die Rekristallisationstemperatur erhitzt, um eine Rekristallisation zu induzieren. Nunmehr kommt es auf den während der vorhergehenden Überalterungsbehandlung ausgebildeten Ausscheidungen zu einer Keimbildung für neue Kristalle. Es hat ferner den Anschein, dass diese Ausscheidungen sich im Sinne einer Verzögerung eines weiteren Kristallwachstums auswirken.
Fig. 2 zeigt eine Feinkornstraktur (Kristalle mit einer Grösse von etwa 10 um), welche mit den oben beschriebenen Behandlungsstufen erzielt wird. Demgegenüber zeigt Fig. 1 die Kornstruktur einer in herkömmlicher Weise behandelten
Aluminiumlegierung mit einer Kristallgrösse von mehr als 100 um. Die gebildete Feinkornstruktur ist stabil und kann nachfolgend in üblicher Weise einer Wärmebehandlung unterworfen werden.
s Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass vor der Stufe der mechanischen Bearbeitung und der Stufe der Rekristallisation eine zweckentsprechende Ausscheidungsverteilung erhalten wird. Wenn die Ausscheidungen genügend grobkörnig sind und einen Abstand von etwa io 5000 bis 10 000 Â haben, so wirken sie als Keime für neue Kristalle, und sie führen somit zu einer feinen stabilen Kristallstruktur. Eine derartige Verteilung von Ausscheidungen kann' bei jeder durch Ausscheidung härtbaren Aluminiumlegierung herbeigeführt werden. Daher eignet sich das erfin-i5 dungsgemässe Verfahren zur Anwendung bei allen Aluminiumlegierungen, welche durch Ausscheidung härtbar sind.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.
Beispiel 1
20 Aluminium-Legierung 7075
Bei der Legierung 7075 handelt es sich um eine Aus-scheidungshärtungs-Legierung auf Aluminiumbasis, welche nominell 5,5% Zn, 2,5% Mg, 1,5% Cu und 0,3% Cr enthält. Zur Herstellung der festen Lösung wird diese auf 460 bis 25 498 °C während 3 h erhitzt und dann mit Wasser abschreckt, um die ausscheidbaren Komponenten in Lösung zu halten. Es folgt eine normale Ausscheidungs-Härtungs-Behandlung einer 7075-Legierung bei 115 bis 126 °C während 23 bis 28 h. Dabei erhält man feine Ausscheidungen mit einem Abstand 30 von nur 100 bis 500 Â. Diese herkömmliche Ausscheidungs-Aushärtung führt zu einer guten Festigkeit der Legierung. Sie führt jedoch nicht zu einer feinen Kristallgrösse. Aus diesem Grunde folgt man nicht der herkömmlichen Behand-lungsweise, sondern man unterwirft die der Lösungsbehand-35 lung unterzogene Legierung bei 371 bis*426 °C (vorzugsweise 398 °C) während etwa 8 h einer Überalterung. Dies führt zu einer etwas groben Verteilung der Ausscheidungsteilchen mit einem Abstand von etwa 5000 bis 10 000 Â.
Danach wird die überalterte Legierung durch mechani-40 sehe Bearbeitung plastisch deformiert, um das Gitter unter ausreichende Spannungen zu setzen, damit eine Rekristallisation der Struktur stattfinden kann. Bei einer 7075-Legierung ist eine 40 bis 80%ige Verringerung der Dicke beim Heisswalzen bei 200 bis 260 °C befriedigend. Schliesslich 45 wird das mechanisch bearbeitete Material während 1 bis 4 h auf 460 bis 482 °C erhitzt, um die Feinkornstraktur gemäss Fig. 2 durch Rekristallisation zu bilden. Das Ergebnis dieser Behandlung ist eine stabile Feinkristallstruktur, welche nachfolgend in üblicher Weise einer Hitzebehandlung unter-50 zogen werden kann.
Beispiel 2 Aluminium-Legierung 2219 Bei der Legierung 2219 handelt es sich um eine durch Ausscheidungen härtbare Aluminiumlegierung mit einem 55 Mengengehalt von 6,3% Cu, 0,3% Mn, 0,06% Ti und 0,10% V. Sie wird während mindestens 20 min bei 530 bis 540 °C einer Lösungshitzebehandlung unterzogen und dann mit Wasser abgeschreckt. Danach wird die Legierung bei einer Temperatur zwischen 196 und 530 °C, je nach der Dauer 60 der Alterang, einer Überalterang unterzogen. Bei den meisten Anwendungen ist eine Überalterung während 8 h bei 400 bis 450 °C ausreichend. Die überalterte Legierung wird sodann bis zu mindestens 40% plastisch deformiert, und zwar bei einer Temperatur, welche geringer ist als die Tem-65 peratur, bei der die Überalterung stattgefunden hat. Die plastische Deformierung geschieht durch Warmwalzen oder Schmieden. Sodann erfolgt eine Rekristallisierung, indem man die Legierung bei einer Temperatur hält, welche über
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der minimalen Rekristallisationstemperatur liegt, aber unterhalb der Schmelztemperatur, z. B. bei 500 °C. Die gebildete feinkristalline Struktur kann nach herkömmlichen Verfahren einer Lösungsbehandlung und Alterungs-Härtung unterzogen werden.
Beispiel 3 Aluminium-Legierung 2014
Die Legierung 2014 ist eine durch Ausscheidungen härtbare Aluminiumlegierung mit einem Nenngehalt von 4,4% Cu, 0,8% Si, 0,8% Mn und 0,4% Mg. Sie wird während mindestens 20 min einer Lösungshitzebehandlung bei 496 bis 507 °C unterzogen und bei maximal 100 °C mit Wasser abgeschreckt. Sodann wird die Legierung bei einer beliebigen Temperatur zwischen 182 und 496 °C (vorzugsweise 315 bis 426 °C) überaltert. Die niedrigeren Temperaturen erfordern wesentlich längere Zeiten. Die überalterte Legierung wird sodann bis zu einer Verringerung der Dicke um mindestens 40% mechanisch bearbeitet, und zwar bei einer Temperatur, welche gleich ist oder geringer als die Temperatur, bei der die Überalterung stattgefunden hat. Sodann wird die Legierung rekristallisiert, indem man sie bei einer Temperatur über der minimalen Rekristallisationstemperatur hält, welche nicht über der maximalen Lösungstemperatur von z. B. 426 °C liegen soll. Wenn das Material von dieser Temperatur ausgehend mit Wasser abgeschreckt wird, so erhält man eine Feinkornstruktur, welche einer Fällungsaushärtung bei der normalen Alterungshärtungstemperatur unterzogen werden kann.
Beispiel 4 AluminiumLegierung 6061
Die Legierung 6061 ist eine durch Ausfällungen aushärtbare Aluminiumlegierung, welche nominell 1,0% Mg, 0,6% Si, 0,25% Cu und 0,25% Cr enthält. Sie wird bei 520 bis 540 °C einer Lösungshitzebehandlung unterzogen und nachfolgend mit Wasser abgeschreckt. Danach erfolgt eine Überalterung durch Erhitzen auf eine Temperatur von 315 bis 455 °C, z.B. auf343 °C während 8 h. Die überalterte Legierung wird sodann mechanisch bei einer Temperatur von z.B. 343 °C oder darunter in einem genügenden Ausmass bearbeitet, damit die für die Rekristallisation erforderlichen Gitterspannungen zustande kommen. Das deformierte Material wird sodann oberhalb der minimalen Rekristallisationstemperatur, jedoch unterhalb der Schmelztemperatur, z.B. bei 482 °C, rekristallisiert. Das gebildete Material hat eine stabile Feinkornstruktur und kann nachfolgend in üblicher Weise einer Hitzebehandlung unterzogen werden.
Aus obigen Beispielen kann ein Durchschnittsfachmann leicht die jeweils richtige Wärmebehandlung und plastische Deformierung für jede durch Ausfällung aushärtbare Aluminiumlegierung entwickeln, und zwar auf Grundlage der herkömmlichen Lösungsbehandlung und Ausfallungs-Aushär-tungs-Behandlung. Die Tabelle 1 unten aus «Metals Hand-bood», Band 2, 8. Auflage, S. 272, American Society for Metals, zeigt Standardbehandlungen für eine Vielzahl von Aluminiumlegierungen ausser den Legierungen 7049 und 7050, für welch letztere geschätzte Werte angegeben werden.
Der Ausdruck «Ausfällungs-Aushärtung» bezieht sich auf Ausfällungen, welche sich bei bestimmten Temperaturen und Zeitdauern entwickeln und den Legierungen optimale Festigkeitseigenschaften verleihen, wie in Tabelle 1 angegeben. Der Ausdruck «Überalterung» bezieht sich auf Ausfallungen, welche während längeren Zeiten und/oder bei höheren Temperaturen entwickelt wurden, als für die Ausfäl-lungs-Aushärtung üblich. Die Beziehung zwischen der Zeit und der Temperatur für die Alterungs-Härtung von Alumi-nium-Legierungen ist wohlbekannt. Zum Beispiel erfordern niedrige Alterungstemperaturen längere Zeiten zur Erzielung
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äquivalenter Alterungsgrade, wie bei hohen Alterungstemperaturen und kurzen Haltezeiten. In gleicher Weise ist die Haltezeit bei der Lösungsbehandlung eine Funktion der Haltetemperatur, jedoch innerhalb eines engeren Tempera-s turbereichs.
Es ist ferner bekannt, dass die Rekristallisationstemperatur in Beziehung steht zum Ausmass der plastischen Spannungen (der mechanischen Bearbeitung oder Kaltbearbeitung), welche in das Gitter eingeführt werden. Bei stark io bearbeiteten Ahiminiumlegierungen liegt die minimale Rekristallisationstemperatur über 315 °C. In ähnlicher Weise variiert das Mass der mechanischen Bearbeitung, welche bei einer Legierung erforderlich ist, um die Rekristallisation herbeizuführen, je nach den übrigen Faktoren, z. B. der Rekri-15 stallisationstemperatur und der Zeitdauer, während der die Legierung bei der Rekristallisationstemperatur gehalten wird. Bei den meisten praktischen Anwendungen sollte das Ausmass der mechanischen Bearbeitung, gemessen anhand der Verringerung der Dicke, über 15% liegen.
20
Tabelle I
Standard-Hitzebehandlungs-Bereiche fur Aluminiumknetlegierungen
25 Legierung
Lösung
Fällungs-Härtungs-Behandlung
Temperatur
Zeit (h)
Temperatur
CQ
(°C)
2014...
496 bis 507
9 bis 19
154 bis 176
30 2018,..
2020...
504 bis 515
5 bis 11
165 bis 237
510 bis 521
17 bis 19
154 bis 165
2024...
487 bis 498
17 bis 18
187 bis 193
2218...
504 bis 515
5 bis 11
165 bis 237
2219...
520 bis 540
9 bis 19
171 bis 196
3,2618... 4032...
521 bis 532
19 bis 21
196 bis 201
504 bis 521
9 bis 11
165 bis 176
6053...
515 bis 530
7 bis 19
154 bis 182
6061...
521 bis 537
7 bis 19
154 bis 182
6062...
521 bis 537
7 bis 19
154 bis 182
„ 6063... 6066...
521 bis 537
7 bis 19
154 bis 182
521 bis 537
7 bis 19
154 bis 182
6151...
515 bis 526
9 bis 19
154 bis 176
7049...
460 bis 498
23 bis 28
115 bis 126
7050...
460 bis 498
23 bis 28
115 bis 126
«7075... 7076...
460 bis 498
23 bis 28
115 bis 126
460 bis 471
13 bis 15
132 bis 137
7079...
437 bis 471
5 Tage + 48-50 h
Zimmertemp. 110 bis 121
oder
6-10 Tage
87 bis 93
50 7178...
+ 23-28 h
115 bis 126
460 bis 471
23 bis 28
115 bis 126
Das Material, welches zuvor vom Hersteller einer Lösungsbehandlung unterzogen wurde, kann direkt überaltert 55 werden, ohne dass man die Lösungsbehandlung wiederholt. Auch Material, welches zunächst einer Lösungsbehandlung unterzogen wurde und dann einer Fällungs-Härtungs-Be-handlung unterworfen wurde, kann direkt überaltert werden, ohne dass man eine zusätzliche Lösungsbehandlung 60 durchführt, um die fein verteilten Ausfällungen wieder aufzulösen. Die vorstehenden Versuche zeigen, dass eine Lösungsbehandlung, gefolgt von einer raschen Abschreckung auf etwa Zimmertemperatur, zu geeigneten Bedingungen für die Durchführung der Überalterung der Legierung führt. 65 Eine weniger rasche Abkühlung oder eine Abkühlung direkt auf die Überalterungstemperatur ist jedoch bei einigen Anwendungen ebenfalls befriedigend.
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1 Blatt Zeichnungen

Claims (10)

  1. 638 834
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    PATENTANSPRÜCHE
    1. Verfahren zur Aushärtung einer Aluminiumlegierung mit einem Ausscheidungsbestandteil, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Aluminiumlegierung mit ausgeschiedenen Bestandteilen auf eine Temperatur erhitzt, bei der mindestens ein Teil der ausgeschiedenen Bestandteile unter Bildung einer festen Lösung aufgelöst wird;
    danach die Legierung auf eine Temperatur unterhalb der Temperatur der Bildung der festen Lösung abkühlt;
    danach die Legierung zur Bildung von Ausscheidungen überaltert;
    danach in der Legierung durch plastische Deformierung Spannungen ausgebildet und schliesslich die Legierung durch Erhitzen über die minimale Rekristallisationstemperatur rekristallisiert, wobei die Ausscheidungen Keime für die Rekristallisation und das gesteuerte Wachstum einer Feinkornstruktur bilden.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man die Legierung zur Überalterung auf eine Überalterungstemperatur oberhalb der Ausscheidungs-Aushär-tungs-Temperatur der Legierung, aber unterhalb der Temperatur der Bildung der festen Lösung erhitzt und danach bei einer Temperatur, welche bei oder unterhalb der Überalterungstemperatur liegt, zur Ausbildung von ausreichenden Gitterspannungen für die Rekristallisation plastisch deformiert.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine zusätzliche Stufe der Ausscheidungs-Aushärtungs-Be-handlung der Legierung nach Durchführung der Abkühlungsstufe und vor der Stufe der Erhitzung der Legierung zum Zwecke der Überalterung.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man die Legiei ung rasch auf Zimmertemperatur abschreckt.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass man die Legierung mit Wasser auf eine Temperatur von maximal 100 °C abschreckt.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man die Legierung in der Abkühlungsstufe direkt auf die Überalterungstemperatur abkühlt.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Legierung zur Auflösung der ausgeschiedenen Bestandteile auf eine Temperatur im Bereich von 437 bis 540 °C erhitzt und danach auf eine Temperatur unterhalb 100 °C abkühlt und danach zur Überalterung auf eine Temperatur im Bereich von 126 bis 530 °C erhitzt und danach in einem Masse plastisch deformiert, welches einer Verringerung der Dicke um mindestens 15% entspricht, und danach schliesslich auf eine Temperatur im Bereich von 315 bis 540 °C erhitzt.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine der Aluminiumlegierungen Nrn. 2014,2018,2020,2024 und 4032 einsetzt und eine Auflösungstemperatur im Bereich von 487 bis 515 °C; eine Überalterungstemperatur im Bereich von 165 bis 487 °C; ein Aus-mass der plastischen Deformierung, welches einer Verringerung der Dicke von mindestens 40% entspricht, sowie eine Temperatur der letzten Temperaturbehandlung im Bereich von 315 bis 521 °C wählt.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Aluminiumlegierung
    Nrn. 2219, 6053,6061,6062, 6063, 6066 und 6151 einsetzt und eine Auflösungstemperatur im Bereich von 515 bis 640 °C; eine Überalterungstemperatur im Bereich von 176 bis 515 °C; ein Ausmass der plastischen Deformierung entsprechend einer Dickenverringerung von mindestens 40% und eine Temperatur der letzten Wärmebehandlung im Bereich von 315 bis 540 °C wählt.
  10. 10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass man eine Aluminiumlegierung Nrn. 7049, 7050,7075, 7076,7079 und 7178 einsetzt und eine Auflösungstemperatur im Bereich von 437 bis 498 °C; eine Alterungstemperatur im Bereich von 137 bis 437 °C; ein Ausmass der plastischen Deformierung entsprechend einer Verringerung der Dicke von mindestens 40% und eine Temperatur der letzten Erhitzungsstufe im Bereich von 315 bis 498 °C wählt.
CH443978A 1977-04-25 1978-04-25 Verfahren zur aushaertung von aluminiumlegierungen. CH638834A5 (de)

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