CH642683A5

CH642683A5 - Aluminiumlegierung zur herstellung von strangpressprodukten.

Info

Publication number: CH642683A5
Application number: CH545178A
Authority: CH
Inventors: Jean-Claude Jaquet; Heinrich Zoller; Manfred Heckler
Original assignee: Alusuisse
Priority date: 1978-05-19
Filing date: 1978-05-19
Publication date: 1984-04-30
Also published as: GB2021148A; FR2426091B1; GB2021148B; DE2829874A1; IT7922831A0; FR2426091A1; DE2829874C2; US4224065A; SE7904375L; CA1135537A; IT1114285B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Alumiminiumlegie-rung zur Herstellung von hochfesten, zähen und korrosionsbeständigen Strangpressprodukten.

Zu den hochfesten Aluminiumlegierungen für Strangpressprodukte gehören insbesondere die kupferhaltigen. Ihr Hauptanwendungsgebiet liegt vor allem im Bereich des Flugzeugbaus. Um die Aushärtbarkeit derartiger Legierungen zu verbessern, ist bereits seit einigen Jahrzehnten bekannt, dass bei AICu-Legierungen durch Magnesiumzusätze sowohl die Kalt- wie auch die Warmaushärtung beschleunigt wird.

Durch den Magnesiumzusatz wird ausserdem bei Kalt- wie bei Warmaushärtung das erreichbare Festigkeitsniveau wesentlich erhöht. Weiter werden bei der Warmaushärtung von Mg-haltigen AICu-Legierungen anstelle der 0"- und 0'-Phasen der binären Legierung thermisch stabilere, magne-siumhaltige Zwischenphasen S" und S' gebildet; daraus resultiert eine höhere Warmfestigkeit.

Warmausgehärtete, magnesiumhaltige AICu-Legierungen weisen jedoch eine sehr schlechte Zähigkeit sowie eine ausgeprägte Anfälligkeit gegen interkristalline Korrosion und Spannungsrisskorrosion auf. Als weitere Nachteile der AICuMg-Legierungen sind die sehr schlechte Umformbarkeit und insbesondere die schlechte Pressbarkeit zu nennen. Dadurch wird die Hertellung von komplizierten Strangpressprofilen verunmöglicht.

Es wurde nun versucht, Magnesium als Legierungselement durch Cadmium zu ersetzen. So sind z.B. aus der CH-PS 318 523 und der GB-PS 709 527 bereits AICuCd-Legierungen mit weiteren Zusätzen an Magnesium, Zinn, Mangan, Eisen, Silizium und mit weiteren Verunreinigungen und Zusätzen an Zirkon, Beryllium, Cer, Bor, Titan, Silber und Blei bekannt.

Aus der bereits erwähnten CH-PS 318 523 ist nun bekannt, dass Legierungen des Typs AICuCd gegenüber Legierungen des AICuMg-Typs einige Vorteile zeigen:

- Sie können z.B. durch Walzen, Ziehen, Schmieden warm bearbeitet werden, ohne dass sich Risse bilden.

5 - Die Verformung kann mit grösserer Geschwindigkeit durchgeführt werden.

- Die AICuCd-Legierungen zeigen im bearbeiteten Zustand weniger anisotrope Eigenschaften als Legierungen des AICuMg-Typs.

10 Aus den erwähnten Literaturstellen geht somit allgemein -wenn z.T. auch nur andeutungsweise - hervor, dass AICuCd-Legierungen sich aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften wie

- hohe Festigkeit

15 - gute Umformbarkeit

- gutes Korrosionsverhalten, insbesondere gegen Spannungsrisskorrosion und interkristalline Korrosion als Konstruktionslegierungen hervorragend eignen müssten. Trotz diesen Erkenntnissen konnten AICuCd-Legierungen bis 20 anhin nicht in die Praxis eingeführt werden, weil sie für die Lösung praxisbezogener Aufgabenstellungen nicht genügten. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass das Zusammenwirken der drei Eigenschaften Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit nicht oder nur ungenügend beachtet 25 wurde. Die beiden erwähnten Patentschriften lehren bezüglich der Legierungselemente eine derartige Vielfalt an Kombinationsmöglichkeiten in grossen Konzentrationsbereichen, dass sie dem Fachmann - bis auf die oben diskutierten, allgemein gehaltenen Hinweise - keine für die Praxis brauchbare 30 Lehre anbieten. Somit haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Aluminiumlegierung zur Herstellung von Strangpressprodukten zu schaffen, die bezüglich Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit selbst den höchsten an eine Konstruktionslegierung gestellten Anforderungen genügt. 35 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Legierung nebst Verunreinigungen als Legierungselemente.

Kupfer 4,0 bis 5,0%, vorzugsweise 4,4 bis 4,7%

Cadmium 0,1 bis 0,2%, vorzugsweise 0,13 bis 0,17% 40 Mangan 0,2 bis 1,0%, vorzugsweise 0,4 bis 0,7% und mindestens eines der Elemente Zirkon 0,1 bis 0,4%, vorzugsweise 0,17 bis 0,22% Vanadium 0,1 bis 0,2%, vorzugsweise 0,13 bis 0,17%

enthält.

45 Die aufgabegemäss angestrebte, optimale Kombination der drei Eigenschaften Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit wird mit der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung vollumfänglich erreicht.

Überraschenderweise hat sich nun ergeben, dass die erfin-50 dungsgemässe Legierung noch weitere, äusserst günstige Eigenschaften aufweist, beispielsweise:

- Die Legierung lässt sich durch Strangpressen gut auch zu komplizierten Profilen verpressen.

- Die Legierung lässt sich pressschweissen, d.h. sie ist 55 auch zur Herstellung von Rohren geeignet.

- Die Legierung zeigt eine ausserordentlich gute Warmfestigkeit.

- Die Legierung kann von der Strangpresstemperatur mittels Wasser abgeschreckt und zu einem späteren Zeitpunkt,

60 z.B. nach einer spanabhebenden Bearbeitung, ausgehärtet werden.

Von den bekannten AlCu- bzw. AICuMg-Legierungen weisen die hochwarmfesten Werkstoffe entweder eine niedrige Festigkeit bei Raumtemperatur - z.B. AA 2219-T6 - oder 63 eine geringe Zähigkeit - z.B. AA2618-T6 - auf. Die erfin-dungsgemässe Legierung weist demgegenüber sowohl eine hohe Festigkeit bei Raumtemperatur wie auch eine hohe Warmfestigkeit und eine gute Zähigkeit auf. Das Anwen

3

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dungsgebiet der erfindungsgemässen Legierung liegt vor allem im Bereich hochbeanspruchter Konstruktionsteile, wie sie z.B. im Flugzeugbau auftreten.

Die Auswertung zahlreicher Versuche an Konstruktionsteilen aus Aluminiumlegierungen mit Kupfer als Hauptlegierungsbestandteil hat zur Erkenntnis geführt, dass durch die Einführung eines werkstoffabhängigen Konstruktionsfaktors Sk nach der Gleichung

Sk = (Rp0,2)a-RFE

wo Rpo,2 die 0,2%-Dehngrenze, A ein konstruktionsbezogener Gewichtungsfaktor, dessen Wert bevorzugt zwischen 2 und 2,5 liegt, und RFE die Rissfortschrittsenergie ein Werkstoff in bezug auf seine Verwendbarkeit für hochbeanspruchte Konstruktionsteile charakterisiert werden kann. Dieser empirisch ermittelte Konstruktionsfaktor Sk zeigt bei der erfindungsgemässen Legierung eine extreme Abhängigkeit vom Kupfergehalt und wird ebenfalls durch den Gehalt an Cadmium beein-flusst. Das Maximum der Funktion Sk in Abhängigkeit vom Kupfergehalt, welches die optimale Kombination von Festigkeit und Zähigkeit darstellt, liegt bei einem Kupfergehalt von weniger als 4%.Aus ökologischen Gründen ist ein Kupfergehalt von weniger als 4% nicht sinnvoll, da die zur Auslagerung benötigte Zeitdauer zu gross wird. Andererseits fällt Sk oberhalb eines Kupfergehaltes von etwa 4,7% stark ab. Der praktisch brauchbare Bereich des Kupfergehaltes liegt somit zwischen 4 und 5%.

Steigende Cadmimgehalte erhöhen ebenfalls das Festigkeitsniveau der Legierung ohne eine Zähigkeitsverminderung zu bewirken; die obere Grenze des Cadmiumgehaltes von 0,2% ist durch die bei hohen Cadmiumgehalten auftretende Warmrissneigung sowie die stark abnehmende Korrosionsbeständigkeit gegeben.

Zur Erlangung hoher Zähigkeitswerte hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Gehalte der Verunreinigungen Eisen und Silizium auf maximal je 0,5%, vorzugsweise auf maximal je 0,17% je beschränken.

Festigkeit und Zähigkeit - letztere ausgedrückt durch die Rissfortschrittsenergie - zeigen im weiteren eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Auslagerungstemperatur und -dauer. Es besteht somit die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Auslagerungstemperatur bzw. -dauer die Kombination von Festigkeit und Zähigkeit - ausgedrückt als Konstruktionsfaktor Sk gemäss vorstehender Gleichung - innerhalb bestimmter Grenzen zu ändern. Hierzu gehörten auch die thermomecha-nischen Behandlungen.

In erster Näherung üben Mangan, Zirkon und Vanadium keinen Einfluss auf die Festigkeit aus.

Mangan, Zirkon und Vanadium erhöhen jedoch die Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit der erfindungsgemässen Legierung beträchtlich. Dies ist auf die thermisch stabilen Aluminide der Elemente Mn, Zr und V zurückzuführen. Der Teilchendurchmesser dieses Aluminide liegt zwischen 0,1 und 1 um. Sie erhöhen zugleich drastisch die Zähigkeit, indem sie einerseits die Gleitung innerhalb der Körner besser verteilen und andererseits das Kornwachstum hemmen.

Die erfindungsgmässe Legierung zeigt, wie alle Legierungen auf AICu-Basis, eine gewisse Anfälligkeit gegen Loch-frasskorrosion. Die Beständigkeit gegen Spannungsrisskorrosion hängt in ausserordentlichem Masse von der durchgeführten Wärmebehandlung, d.h. vom Aushärtungszustand ab. So wurde gefunden, dass die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit auch im luftabgekühlten Zustand, d.h. nach langsamer Abkühlung von der Lösungsglühtemperatur nach einer Auslagerung während 2 bis 30 Stunden, vorzugsweise 15 bis 26 Stunden bei 170 bis 195°C, ausserordentlich befriedigend ist.

Bekanntlich ist die Pressbarkeit von AICu-Legierungen,

insbesondere des AICuMg-Typs, wesentlich schlechter als diejenige von gutumformbaren Legierungen, wie beispielsweise des Typs AlZnMg. Für den Fachmann völlig unterwartet wurde nun gefunden, dass bei Legierungen mit der erfin-dungsgemäss geforderten Zusammensetzung das Umformverhalten durch Strangpressen sowohl bezüglich Umformbarkeit wie auch bezüglich Umformwiderstand demjenigen von AlZnMg-Legierungen vergleichbar ist. Dies eröffnet den erfindungsgemässen Legierungen ein weites Anwendungsfeld im Gebiet hochbeanspruchter Konstruktionsteile. Als weiterer Vorteil gegenüber den bekannten AlCu-Werkstoffen ist die Möglichkeit der Pressschweissung zu nennen, die - in Kombination mit dem guten Umformverhalten - die Herstellung komplizierter Hohlprofile durch Strangpressen ermöglicht.

Die Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemässen Legierungwird nachfolgend anhand von 4 Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurden vier Legierungsreihen A, B, C, D mit variablem Kupfergehalt zwischen 2,0 und 5,5% hergestellt, wobei die Konzentrationen der Elemente Cadmium, Mangan und Zirkon in jeder Legierungsreihe konstant gehalten wurden. Die vier Legierungsreihen sind in Tabelle I zusammengestellt.

Tabelle I

Cu

Cd

Mn

Zr

A

2,0-5,5%

0,05%

0,50%

0,20%

B

2,0-5,5%

0,10%

0,50%

0,20%

C

2,0-5,5%

0,15%

0,50%

0,20%

D

2,0-5,5%

0,15%

0,10%

Die Legierungen wurden bei 530° C wähend 6 Stunden lösungsgeglüht, in Wasser bei Raumtemperatur abgeschreckt und anschliessend bei 190°C bis zur Höchsthärte ausgelagert.

Figur 1 zeigt die Abhängigkeit des Konstruktionsfaktors

Sk = Rp o,2" RFE

vom Kupfergehalt CCu für die bei 190°C bis zur Höchsthärte ausgelagerten Legierungen der vier Legierungsreihen.

Aus Figur 1 geht hervor, dass bei konstantem Kupfergehalt eine Erhöhung der Konzentration der Elemente Cadmium, Mangan und Zirkon den Faktor Sk vergrössert. Ebenso wird deutlich, dass der höchstzulässige Kupfergehalt für eine günstige Kombination von Festigkeit und Zähigkeit bei 5% liegt.

Beispiel 2

Aus einer erfindungsgemässen Legierung sowie einer Legierung des Typs AA 2017 - die Zusammensetzungen der beiden Legierungen gehen aus Tabelle II hervor - wurden Bolzen von 216 mm Durchmesser und 410 mm Länge gegossen und versucht, diese zu einem Profil mit dem Querschnitt 200 mm x 4 mm zu verpressen.

Tabelle II

Cu

Cd

Mg

Mn

Zr erfindungsge-

4,50%

0,15%

0,50%

0,20%

mässe Legierung

AA2017

4,10%

0,50%

Die Bolzentemperatur betrug für beide Legierungen 410°C.

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

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4

Während sich die erfindungsgemässe Legierung ohne weiteres bei einem Pressdruck von 225 bar verpressen liess - die Austrittsgeschwindigkeit des Profils betrug 5 m/min - konnte die Legierung vom Typ AA 2017 trotz Erhöhung des Pressdruckes auf 270 bar nicht verpresst werden.

Beispiel 3

Es wurde die Warmfestigkeit und das Kriechverhalten einer erfindungsgemässen Legierung mit der in Tabelle II angegebenen Zusammensetzung im Wärmebehandlungszustand T6 bestimmt.

Hierzu wurde auf bekannte Weise die 0,2%-Dehngrenze Rp°o,2h nach 1000 h Lagerung bei Prüftemperatur sowie die Zeitbruchfestigkeit R™011 nach 1000 h Belastung bei Prüftemperatur bestimmt.

Zum Vergleich wurden entsprechende Literaturwerte für die Legierungen AA 7075 -T6 und AA2618 -T6 herangezogen.

Die Werte sind in den Tabellen III und IV zusammengestellt.

Tabelle IV

Rm 00 h (N/mm2)

150 °C 200 °C 250 °C

AA2618-T6

250

140

80

AA7075-T6

170

60

40

erfindungsgemässe

250

150

100

Legierung - T6

Beispiel 4

Von einer erfindungsgemässen Legierung mit der in Tabelle II angegebenen Zusammensetzung wurden mit den aus Tabelle V ersichtlichen Warmauslagerungen drei Varian-15 ten des Wärmebehandlungszustandes T6 erzeugt.

Tabelle V Warmauslagerung a 175°C/8 h b 190°C/8 h c 160°C/48 h

Tabelle III

Rp°o,2 " (N/mm2)

150 °C 200 °C 250 °C

AA2618-T6

320

220

180

AA7075-T6

270

150

80

erfindungsgemässe

340

200.

160

Legierung - T6

25 Mit diesen Varianten wurde auf bekannte Weise eine Spannungsrisskorrosions-Prüfung mit Schlaufenproben durchgeführt. Die Prüfspannung betrugt jeweils 0,75-Rpo,2-

In Figur 2 ist die Lebensdauer t in Tagen in Abhängigkeit der angelegten Spannung 0,75 • Rp 0,2 dargestellt. Die Punkte 30 stellen Mittelwerte aus je 10 Proben dar; ein Pfeil bedeutet kein Bruch nach der maximalen Prüfdauer von 90 Tagen.

Zum Vergleich ist der aus Literaturwerten zusammengestellte Streubereich für die Legierungen AA 7075 - T6 und AA 2014 - T6 ebenfalls dargestellt (Prüfspannung R). 35 Die gegenüber den Legierungen vom Typ AA 7075 und AA 2014 viel grössere Beständigkeit der erfindungsgemässen Legierung gegen Spannungsrisskorrosion geht aus Figur 2

deutlich hervor.

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Aluminiumlegierung zur Herstellung von hochfesten, zähen und korrosionsbeständigen Strangpressprodukten, dadurch gekennzeichnet, dass sie 4,0 bis 5,0% Kupfer, 0,1 bis 0,2% Cadmium, 0,2 bis 1,0% Mangan und mindestens eines der folgenden beiden Elemente 0,1 bis 0,4% Zirkon, 0,1 bis 0,2% Vanadium und als Rest Aluminium und Verunreinigungen enthält.

2.Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 4,4 bis 4,7% Kupfer enthält.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,13 bis 0,17% Cadmium enthält.

4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,4 bis 0,7% Mangan enthält.

5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,17 bis 0,22% Zirkon enthält.

6. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,13 bis 0,17% Vanadium enthält.

7. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie maximal je 0,5%, vorzugsweise maximal je 0,17% Eisen und Silizium enthält.

8. Verfahren zur Herstellung von hochfesten, zähen und korrosionsbeständigen Strangpressprodukten aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach langsamer Abkühlung von der Lösungsglühtemperatur während 2 bis 30 h bei 170 bis 195°C ausgelagert wird.

9..Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auslagerungsdauer 15 bis 26 h beträgt.