DD299075A5

DD299075A5 - Aluminium-lithium, aluminium-magnesium und magnesium-lithium-legierungen mit hoher widerstandsfaehigkeit

Info

Publication number: DD299075A5
Application number: DD90339035A
Authority: DD
Inventors: Donals Webster
Original assignee: ��@��@��k��
Priority date: 1989-03-24
Filing date: 1990-03-23
Publication date: 1992-03-26
Also published as: CA2047197A1; HU903620D0; WO1990011382A1; EP0733717A1; HUT59182A; US5320803A; AU643204B2; AU5441890A; EP0464152A1; JPH04504592A; DE69028849D1; BR9007228A; KR920701497A; FI914454A0; US5085830A; ATE144001T1; EP0464152A4; DE69028849T2; IL93833A0; EP0464152B1

Abstract

Legierung eines Grundmetalles und eines primaeren Legierungselementes sowie Verfahren zur Herstellung. Die Zaehigkeit von * Al-Mg- und Mg-Li-Legierungen wird durch ein Schmelz- und Feinungsverfahren erhoeht, mit dem die Konzentration von Alkalimetallverunreinigungen auf unter etwa 1 ppm und vorzugsweise auf weniger als ca. 0,1 ppm gesenkt werden soll. Die Wasserstoff- und Chlorgasbestandteile werden ebenfalls wesentlich reduziert.{Aluminium-Lithium-Legierungen; Aluminium-Magnesium-Legierungen; Magnesium-Lithium-Legierungen; Alkalimetallfeinung; Festigkeit; Zaehigkeit; Verbundwerkstoffe; Flugzeugindustrie}

Description

Hierzu 10 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft die Verbesserung der physikalischen Eigenschaften von Metallerzeugnissen aus Al-Li-, Al-Mg- und Mg-Li-Legierungen und insbesondere Verfahren zur Erhöhung der Zähigkeit und der Verformbarkeit solcher Erzeugnisse ohne Festigkeitsverlust. Hochfeste Aluminiumlegierungen und-Verbundwerkstoffe werden in bestimmten Anwendungsfällen, besonders in der Flugzeugindustrie benötigt, wo Kombinationen von hoher Festigkeit, großer Steifigkeit und geringer Dichte von besonderer Bedeutung sind.

Bekannte technische Lösungen

Hohe Festigkeit wird bei Aluminiumlegierungen im allgemeinen durch Kombinationen von Kupfer, Zink und Magnesium erzielt. Eine hohe Steifigkeit wird im allgemeinen mit Verbundwerkstoffen mit Metallmatrix, wie zum Beispiel mit durch das Zusetzen von Siliziumkarbidteilchen oder Whiskerkristallen zu aus einer Aluminiummatrix gebildeten Verbundwerkstoffen, erreicht. Vor kurzem wurden Al-Li-Legierungen mit einom Li-Gehalt von 2,0 bis 2,8% entwickelt. Diese Legierungen besitzen eine niedrigere Dichte und einen höheren Elastizitätsmodul als konventionelle Legierungen, die kein Lithium enthalten. Die Herstellung und die Eigenschaften von Legierungen auf Aluminiumbasis, >J^:e Lithium enthalten, sind unifassend beschrieben worden, insbesondere in der GB-PS 787,665; in dor DE-OS 2,305,248; in der US-PS 3,343,948; und in der CS-PS 2,115,836. Leider sind hochfeste Aluminium-Lithium-LegierLngen gewöhnlich durch geringe Zähigkeit gekennzeichnet, wie durch Schlagversuche wie an Kerbschlagproben (z. B. Kerbschlagbiegeversuche nach Charpy, siehe Metals Handbook [Metallhandbuch] 9. Aufl., Bd. 1, Seiten 689-691) sowie durch Bruchzähigkeitsversuche an Probestücken mit Ermüdungsani issen bewiesen wurde, bei denen die Ermittlung von Faktoren der kritischen Spannungsintensität erfolgt. Es wurden zwei grundlegende Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit von Al-Li-Legierungen verwendet:

1. Gewöhnlich für andere Aluminium-Legierungen verwendete Verfahren, wie zum Beispiel Legieren (Cu, Zn, Mg), Strecken um 1 bis 5% vor dem Altern zur Verfeinerung der Ausscheidung, Steuerung der Rekristallisation und des Kornwachstums mit Zr (0,1 %) und Steuerung der Ausgangskorngröße durch Anwendung der Pulvermetallurgie.

2. Herstellung von Dispersoiden in größeren Mengen als für die Steuerung der Rekristallisation benötigt, dabei Verwendung von 0,5 bis 2% Mn, Zr, Fe, Ti und Co zur Vergleichmäßigung der Gleitliniendichteverteilung.

In den letzten 10 Jahren natten diese Verfahren einigen Erfolg, aber die Zähigkeit von Al-Li-Legierungen bleibt immer noch hinter der konventioneller Aluminiumlegierungen zurück.

Herkömmliche Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit von Al-Li-Legierungen umfaßten nicht die Anwendung einer Vakuumschmelz- und -frischbehandlung. Für Alurniniumlegierungen ist das Schmelzen an der Luft typisch, obgleich das Vakuumschmelzen von einigen Herstellern von Aluminiumfeingußteilen von hoher Qualität angewandt wird, wie zum Beispiel Howmet Turbine Components Corporation, die Gußteile von A357 und A201 herstellen, um so die Bildung von Schlacke zu vermeiden. (Bouse, G. K. und Behrendt, M. R., „Advanced Casting Technolog Conference" (Konferenz zu weiterentwickelten Gußtechniken), herausgegeben von Easwaren, veröffentlicht durch ASM, 1987).

Die Firma Howmet stellte auch mittels Vakuumschmelzen experimentelle Feingußteile aus einer Al-Li-Cu-Mg-Legierung her (Tätigkeitsbericht der Al-Li Alloys Conference, die im März 1987 in Los Angeles stattfand, Seiten 453-465, veröffentlicht durch ASM International), um die Reaktionen zwischen Lithium und der Luft sowie die Wasserstoffaufnahme zu verringern, zu der es kommt, wenn Lithium mit der Luftfeuchtigkeit reagiert.

Handelsübliche Al-Li-Legierungen werden gewöhnlich in einer Argonatmosphäre geschmolzen, die diesen Zielen weniger effektiv gerecht wird als Vakuum, jedoch gegenüber dem Schmelzen an der Luft eine Verbesserung darstellt.

Obgleich Al-Li-Legierungen viele wünschenswerte Eigenschaften für Anwendungen als Gefügeteile besitzen, wie beispielsweise niedrige Dichte, höhere Steifigke-t und später erfolgende Ermüdungsanrisse im Vergleich zu konventionellen Aluminiumlegierungen, ist festzustellen, daß ihr Nachteil in ihrer geringeren Zähigkeit bei gleichwertigen Festigkeitswerten besteht.

Ziel der Erfindung

Es ist Ziel der Erfindung, das Verfahren zu vereinfachen und bei verbesserter Zähigkeit der Legierungen kostengünstiger zu arbeiten.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Legierungen aus der Gruppe Al/Li/Mg bereitzustellen, die unter Beibehaltung ihrer bisher vorteilhaften Eigenschaften eine verbesserte Zähigkeit aufweisen. Ferner soll ein Her:,^.. jngsverfahren für diese Legierungen entwickelt werden.

Erfindungsgemäß sind die Legierungen eines Grundmetalls und eines primären Legierungselementes dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall Aluminium oder Magnesium ist und das primäre Legierungselement im Falle des ürundmetalles Aluminium entweder Magnesium oder Lithium ist und im Falle des Grundmetalles Magnesium Lithium ist. Die Legierung enthält weniger als etwa 1 ppm einer Alkalimetallverunrenigung, die aus der Gruppe Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium ausgewählt sein kann. Die Legierung kann ferner gegebenenfalls weitere gasförmige oder teilchenförmige Zusätze sowie sekundäre Legierungselemente enthalten.

Es wurde gefunden, daß eine verbesserte Kombination von hoher Festigkeit, hoher Zähigkeit und guter Verformbarkeit als Aluminiumlegierung erzielt werden kann, die primäre, aus der aus Li und Mg bestehenden Gruppe ausgewählte Legierungselemente enthalten, indem die Legierungen in geschmolzenem ZustanJ unter Bedingungen verarbeitet werden, bei denen der Gehalt von Alkalimetall-Verunreinigungen (AMV), d.h. der Gehalt an Na, K, Cs und Rb gesenkt wird. Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß die geschmolzene Legierung Bedingungen ausgesetzt wird, die die Entfernung von Alkalimetall-Verunreinigungen bewirken, so zum Beispiel ein über einen ausreichenden Zeitraum verringerter Druck zur Senkung der Konzentration jeder Alkalimetall-Verunreinigung der Gruppe Na, K, Rb und Cs auf weniger als 1 ppm, vorzugsweise auf einen Wert unter ungefähr 0,1 ppm und am besten auf einen Wert unter 0,01 ppm.

Mit Hilfe des Verfahrens wird ebenfalls vorteilhaft der Gasgehalt (Wasserstoff und Chlor) der Legierungen gesenkt, wodurch eine zusätzliche Qualkätssteigerung durch Herabsetzung der Bildung von Gußblasen an der Oberfläche und Verleihung besserer, weniger umweltbelastender Eigenschaften, wie beispielsweise Spannungskorrosionsfestigkeit, erwartet wird. Die Wasserstoffkonzentration wird vorzugsweise auf weniger als ca. 0,2 ppm und noch besser auf unter etwa 0,1 ppm gesenkt. Die Chlorkonzentration wird vorzugsweise auf unter etwa 1,0ppm und noch besser auf einen Wert unter ungefähr 0,5 ppm gesenkt. Die erfindungsgemäßen Legierungen können für die Herstellung hochfester Verbundwerkstoffe verwendet werden, indem ihnen Teilchen, wie beispielsweise Fasern oder Whiskerkristalle von Siliciumkarbid, Graphit, Kohlenstoff, Aluminiumoxid oder Borkarbid in feinster Verteilung zugesetzt werden. Der Begriff Metallerzeugnis auf Aluminiumbasis wird hier gelegentlich verwendet, wobei ollgemein sowohl die Legierungen als auch die Legierungsverbundwerkstoffe darunter zu verstehen sind. Di'i vorliegende Erfindung betrifft auch verbesserte Mg-Li-Legierungen, beispielsweise die Versuchslegierung LA141A, die Magnesium als Grundmetall, Lithium als primäre Legierungselement und weniger als etwa 1 ppm, vorzugsweise weniger als 0,1 ppm und am besten weniger als 0,01 ppm jeder Alkalimetall-Verunreinigung enthält, die aus der aus Nat-ium, Kalium, Rubidium und Cäsium bestehenden Gruppe ausgewählt wurde. Wie bei den vorstehend beschriebenen Al-Li- und Al-Mg-Legierungen liegt die Wasserstoffkonzentration vorzugsweise bei einem Wert unter etwa 0,2 ppm, noch besser unter Jwa 0,1 ppm, und die Chlorkonzentration beträgt vorzugsweise weniger als etwa 1,0 ppm und besser noch weniger als etwa 0,5 ppm. Typischerweise enthalten die Mg-Li-Legierungen ungefähr 13,0 bis 15,0 Prozent Lithium und etwa 1,0 bis 1,5% Aluminium, vorzugsweise ungefähr 14,0% Lithium und etwa 1,25% Aluminium. Die Mg-Li-Legierung dieser Erfindung kann mit Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens in Verbindung mit den Al-Li- und Al-Mg-Legierungen hergestellt werden. Vorteile der vorliegenden Erfindung bestehen darin, daß sie ein einfaches, vielseitiges und wenig kostenaufwendiges Verfahren zur Verbesserung der Zähigkeit von Al-Li-, Al-Mg- und Mg-Al-Legierungen darstellt, das sowohl bei Hüttenlegierungen als auch bei aus Altmetall hergestellten Legierungen mit Erfolg angewandt werden kann.

Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie die Bildung und die Beimengung verschiedener Metalloxide und anderer Verunreinigungen verhindert, die im allgemeinen beispielsweise mit Verfahren der Pulvermetallurgie verbunden sind, bei denen die Produktlegierung an der Luft oder in anderen Gasen erhitzt und/oder gespritzt wird. In den beigefügten Zeichnungen bedeuten

Fig. 1: Diagramm der 0,2%-Dehngrenze in Abhängigkeit von der Schlagenergie nach Charpy bei jedem Festigkeitswert einer großtechnisch hergestellten A12090-Legierung und einer im Vakuum gefrischten A12090-Legierung, die erfindungsgemäß hergestellt wurde. Eigenschaftsmessungen erfolgten im mittleren Drittel des Strangpreßteils und im äußeren Drittel jedes Strangpreßteils.

Fig. 2: Diagramm der 0,2%-Dehngrenze in Abhängigkeit von der Schlagenergie nach Charpy bei jedem Festigkeitswert der in Beispiel 2 beschriebenen Legierung 2, die mit dem erfindungsgemäßen Vakuum-Frischverfahren hergestellt wurde.

Fig. 3: Diagramm der 0,2%-Dehngrenze in Abhängigkeit von der Schlagenergie nach Charpy bei jedem Festigkeitswert der in Beispiel 3 beschriebenen Legierung 3, die mit dem erfindungsgemäßen Vakuum-Frischverfahren hergestellt wurde.

Fig.4: Diagramm der 0,2%-Dehngrenze in Abhängigkeit von der Schlagenergie nach Charpy bei jedem Festigkeitswert der in Beispiel 4 beschriebenen Legierung 4, die mit dem erfindungsgemäßen Vakuum-Frischverfahren hergestellt wurde.

Fig. 5; Diagramm der 0,2 %-Dehngrenze in Abhängigkeit von der Schlagenergio nach Charpv bei jedem Festigkeitswert von drei 3,3% Li und andere Legierungselemente enthaltenen Legierungen. Die in Beispiel 5 beschriebenen Legierungen 5 und 6 wurden mittels des erfindungsgemäßen Vakuum-Frischverfahrens hergestellt, während die Legierung 1614 mit einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt wurde, wie es in der US-PS 4,597,792 und in Met. Trans. A, Bd. 19 A, März 1986, Seiten 603-615, beschrieben ist.

Fig. 6: Diagramm der Konzentration von H, Cl, Rb und Cs im Verhältnis zur Frischzeit für die Legierungen 1 bis 6.

Fig. 7: Diagramm der Na-und K-Konzentration im Verhältnis zur Frischzeit für die Legierungen 1,3,4 und 5.

Die vorliegende Erfindung kann auf Metallwerkstoffe auf Aluminiumbasis, sowohl Legierungen als auch Verbundwerkstoffe, angewandt werden, die Lithium oder Magnesium als primäre Legierungselemente und Magnesium als Grundstoff der metallischen Werkstoffe, einschließlich Lithium, enthalten. So wie er hier verwendet wird, bedeutet der Begriff „primäres Legierungselement" Lithium oder Magnesium in Mengen von mindestens etwa 0,5%, vorzugsweise von mindestens 1,0 Masseteile in Prozent der Legierung. Diese Stoffe besitzen einen großen Zusammensetzungsbereich und können zusätzlich zu Lithium und Magnesium jedes beliobige oder alle der folgenden Elemente enthalten: Kupfer, Magnesium oder Zink als primäre Legierungselemente. Alle in dieser Schrift verwendeten Prozentangaben (%) bedeuten, sofern nicht anders angegeben, Masseteile in Prozent.

Beispiel für hochfeste Verbundwerkstoffe, auf die die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, erfassen einen großen Bereich von Erzeugnissen, in denen Al-Li- und Mg-Li-Grundmassen mit Teilchen (zum Beispiel Whiskerkristallen oder Fasern) verschiedener Materialien mit hoher Festigkeit oder hohem Elastizitätsmodul verstärkt sind. Zu Beispielen solcher Verstärkungsphasen gehören Borfasern, Borwhiskerkristalle und -teilchen, Siliciumkarbid-Whiskerkristalle und -teilchen, Kohlenstoff- und Graphitwhisker und -teilchen und Aluminiumoxid-Whisker und -teilchen.

Beispiele für Verbundwerkstoffe mit Metallgrundmasse, auf die die vorliegende Erfindung angewandt werden kann, umfassen ebenfalls Verbundwerkstoffe, die mittels Blockmetallurgieverfahren hergestellt wurden, bei denen Lithium und Magnesium wichtige, für jeden beliebigen oder alle der folgenden Zwecke hinzugesetzte Legierungselemente sind: geringere Dichte, höhere Steifigkeit oder verbesserte Schweißbarkeit cder bessere Bindung zwischen der Grundmasse und der keramischen Verstärkung. Dia Vorzüge, die Al-Li-, Al-Mg- und My-Li-Verbundwerkstoffe durch die vorliegende Erfindung erhalten, ähneln den Vorzügen, die den entsprechenden Legierungen selbst verliehen werden, insbesondere eine Kombination verbesserter Eigenschaften einschließlich höherer Zähigkeit und besserer Verformbarkeit. Moderne handelsübliche Ai-Li- und Al-Mg-Legierungen besitzen im allgemeinen einen Gesamtgehalt an (AMV) von weniger als ca. 10ppm, der als Verunreinigung in die für die Herstellung der Legierungen verwendeten Rohstoffe hineingebracht wird. Mg-Li-L egierungen besitzen ebenfalls einen hohen AMV-Gehalt, der den größeren, in ihnen verwendeten Lithium-Mengen entspricht.

Typischerweise wird ein großer Teil der AMV-Verschmutzung durch das Lithiummetall verursacht, das oft etwa 50 bis 100 ppm Natrium und Kalium enthält. Da Al-Li-Legierungen gewöhnlich etwa 2 bis 2,8% Li enthalten, liegt die vom Lithiummetall beigetragene Menge Natrium oder Kalium gewöhnlich im Bereich zwischen 1 und 2,8% ppm. Zusätzliche AMV können auch dadurch hineingebracht werden, daß die Al-U-Legierungen, aie bei den Schmelz- und Gießprozessen verwendeten feuerfesten Materialien chemisch angreifen. Aus diesem Grunde wäre ein AMV-Gesamtgehait von etwa 5ppm in handelsüblichen Al-Li-Gußblöcken und Walzwerkserzeugnissen i.xht ungewöhnlich. AMV liegen in Al-Li-Legierungen als Korngrenzenflüssigphat/en (Webster, D., met. Trans. A, Bd.18A, Dezember 1987, Seite 2181-2193) vor, die bei Raumtemperatur flüssig sind und als Flüssigkeiten bis mindestens zum ternären Eutektikum des Na-K-Cs-Systems bei 195⁰K (-78⁰C) existieren können. Diese Flüssigphasen fördern den Korngrenzenbruch und vormindern die Zähigkeit. Ein Schätzungswert des Zähigkeitsverlusts kann durch einen Test bei 195 ⁰K oder darunter ermittelt werden, da bei dieser Temperatur alle Flüssigphasen, die bei Raumtemperatur vorliegen, erstarrt sind. Bei Durchführung dieses Tests wurde festgestellt, daß sich die mit einer Kerbschlagprobe nach Charpy gemessene Zähigkeit um bis zu viermal erhöhte.

Die vorliegende Erfindung nutzt die Tatsache, daß alle AMV einen höheren Dampfdruck und niedrigere Siedepunkte als Aluminium, Lithium, Magnesium oder die herkömmlichen Legierung? 3lemente, wie zum Beispiel Cu, Zn, Zr, Cr, Mn und Si, besitzen. Das bedeutet, daß die AMV vorzugsweise aus Legierungen ontfernt werden, di«3 diese oder ähnliche Elemente enthalten, wenn die Legierungen über eine ausreichende Zeit unter verringertem Druck im geschmolzenen Zustand gehalten werden. Die ersten Verunreinigungen, die verdampfen, werden RB und Cs sein, dann folgt K, und Na wird zuletzt entfernt. Die Geschwindigkeit der Entfernung der AMV aus dem Bad geschmolzenen Aluminiums und Lithiums hängt von verschiedenen Faktoren ab, zu denen der Druck in der Kammer, der Ausgangsgehalt an Verunreinigungen, das Verhältnis Oberf'äche zu Volumen des geschmolzenen Aluminiums und der Vormischgrad, der durch das Hochfrequenzheizsystem im geschmolzenen Metall hervorgerufen wird, gehören.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann eine Erhöhung der AMV-Verdampfungsgeschwindigkeit durch Läuterung der Schmelze mit einem Inertgas, wie beispielsweise Argon, erzielt werden, das in den Boden des Schmelztiegels durch ein Feuerfestmetall (Ti, Mo, Ta) oder eine Keramiklanze eingeleitet wird. Die ^:rhöhung der Entfernungsgeschwindigkeit durch die Lanze hängt von deren Konstruktion ab, und es kann angenommen werden, daß sie größer ist, wenn die Blasengröße verringert und die Gassi, ömungsgeschwindigkeit erhöht wird. Die theoretische Kinetik des vorstehend beschriebenen Feinungsvorgangs kann für eine gegebene Schmelz- und Feinungssituation unter Anwendung der Grundsätze der physikalischen Chemie, wie zum Beispiel der im Metals Handbook Bd. 15, Casting (Gießen), veröffentlicht 1988 durch ASM International, zusammengefaßten Grundsätze, berechnet werden.

Der Feinungsprozeß wird vorzugsweise in einem Vakuuminduktionsschmelzofen durchgeführt, damit die höchste Reinheit der Schmelze erzielt wird. Um dieses Verfahren in die Herstellungspraxis handelsüblicher Al-Li-, Al-Mg- und Mg-Li-Legierungen einzubinden, kann der Feinungsvorgang in jeglichem Behälter stattfinden, der zwischen dem AusgangsschmelzofenAtiegel und dem Gießaggregat installiert ist und in dem geschmolzene Legierungen über eine ausreichende Zeit unter verringertem Druck bei der erforderlichen Temperatur gehalten werden können, um die AMV auf einen Wert zu senken, bei dem ihr Einfluß auf die mechanischen Eigenschaften, insbesonr re auf die Zähigkeit, wesentlich verringert wird.

Das Verfahren der vorliegenden Erfindung kann bei jeder beliebigen erhöhten Temperatur durchgeführt werden, die ausreicht, das Aluminium Grundmetall und alle Legierungselemente zu schmelzen. Diese Temperatur sollte jedoch nicht den Weit

überschreiton, bei dem erwünschte Legierungselemente verkocht werden. Nützliche Feinungstemperaturen liegen im Bereich von ungefähr 5O⁰C bis 200⁰C, vorzugsweise bei etwa 100⁰C über dem Schmelzpunkt der gefeinten Legierung. Die optimale Feinungstemperatur ändert sich mit dem Druck (Vakuum), der Größe der Schmelze und anderen Verfahrensvariablen.

Der im Verfahren zur Senkung der AMV-Konzentration auf etwa 1 ppm oder einen darunterliegenden Wert verwendete Verarbeitungsdruck (Vakuum), d.h. der Feinungsdruck, hängt ebenfalls von Verfahrensvariablen einschließlich der Größe der Schmelze und des Ofens, des Rührens usw. ab. Ein günstiger Feinungsdruck für die in den Beispielen verwendete Ausrüstung lag unter einem Wert von ungefähr 29,26Pa (220μηι Hg).

Die im Verfahren zur Senkung der AMV-Konzentration auf etwa 1 ppm oder einen darunterliegenden Wert verwendeten Verarbeitungszeiten, d. h. die Zeitdauer, über die die Schmelze auf Feinungstemperaturen gehalten wird, hängen von einer Vielzahl von Faktoren ab, zu denen die Größe des Ofens und der Schmelze, die Schmelztemperatur, das Rühren u.dgl. mehr gehören. Es sollte beachtet werden, daß ein Bewegen mit einem Inertgas, wie es in dieser Schrift offenbart wird, eine bedeutende Reduzierung der Verarbeitungszeiten bewirkt.

Vorteilhafte Verarboitungszeiten für die in den hier angeführten Beispielen verwendete Ausrüstung lagen zwischen ungefähr und 100 Minuten.

Die Temperatrr-, Zeit- und Druckvariablen für einen gegebenen Prozeß sind in gewissem Maße voneinander abhängig. So können beispielsweise niedrigere Druckwerte oder längere Verarbeitungszeiten niedrigere Temperaturen ermöglichen. Die Optimalwerte für Zeit, Temperatur und Druck für einen gegebenen Prozeß können empirisch ermittelt werden.

Die folgenden Beispiele sind zum Zwecke der Erläuterung angeführt und sollen die Erfindung in keinerlei Weise festlegen noch sie eingrenzen.

Beispiel 1

Eine A12090-Legierung, die mittels großtechnischem Standardverfahren hergestellt wurde, wurde mit Vakuuminduktion geschmolzen und unter verringertem Druck von etwa 29,26Pa auf eine Temperatur von ca. 768⁰C gebracht. Ein Titanrohr, in das in einem Bereich von 10,16cm (4inch) vom Boden aus kleine Löcher gebohrt worden waren, wurde in den unteren Teil des Metallschmelzbades eingeführt, und Argon wurde fünf Minuten lang durch das Rohr geleitet. Das Gas wurde gut unter der Oberfläche dar Schmelze freigesetzt und stieg in Blasen an die Oberfläche. Dann erhielt die Schmelze eine weitere Feinung über fünfzig Minuten. Dabei wurde lediglich der verringerte Druck der Vakuumkammer zur Senkung der AMV-Konzentration verwendet. Die Schmelze wurde korngefeint und unter Verwendung von Standardverfahren gegossen.

Stränge mit einem Durchmesser von 12,70cm wurden zu oinem FLachstab von 4,5cm x 1,5cm(1,77 x 0,612") extrudiert. Die Zusammensetzung der Originalschmelze und des im Vakuum umgeschmolzenen Materials werden in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1

Chemische Analysen des Materials vor und nach dem Vakuumfeinen

Element	A1 2090	A1 2090	Analyse-	= Teile pro Million	Analyse
		vakuumgefeint	verfahren		einheiten
Li	1,98	1,96	ICP	= Glimmentladungsmassenspektrometrio	Ma.-%
Cu	2,3	2,4	ICP	= Sekundärionen-Massenspektroskopie	Ma.-%
Zr	0,13	0,13	ICP	= Eml.isionespekt'ometrie	Ma.-%
Na	3,2	nicht	ES	= Wisserstoff-Analvse durch die	PPM
		ermittelt
Na	3,1	0,480	GDMS		PPM
Na	Φ	0,480»	SIMS		PPM
K	0,600	0,050	GDMS		PPM
K	φ	0,008	GDMS		PPM
Cs	< 0,008	< 0,008	GDMS	ι LECOCorporatio.i. 3000 Lakeview Ave. St. JoseDr	PPM
Cs	Φ	0,015	SIMS	PPM
Rb	0,042	<0,0'.3	GDMS	PPM
Rb	Φ	0,0005	SIMS	PPM
C	3,5	0,500	GDMS	PPM
H (Volumen) 1,0	0,140	LECO	PPM
* SIMS-Analysen wurden unter Verwendung der GDMS- und ES-Etgebnisss standardisiert
PPM :
GDMS
SIMS
FS
LECO	i.Mi.49085USA-Schme

einem Stickstoffgesstrom und Ermittlung des Wassersoffgehalts durch Änderung der thermischen Leitfähigkeit Φ = nicht ermi(telt

Es ist ersichtlich, daß die Konzentrationen wünschenswerter Legierungselemente, d. h. Li, Cu und Zr, während des Vakuumschmelz- und Feinungsprozesses im wesentlichen unvr., ändert blieben, die unerwünschten Verunreinigungen (Na, K, Rb, H und C) beträchtlich verringert wurden. Da Cs bereit? unter der Nachweisgrenze der GDMS lag, bevor der Feinungsprozeß begann, konnte bei diesem Element keine Veränderung festgestellt werden.

Die Schlagzähigkeitswerte nach Charpy von Probestücken, die aus s^rarujgepreßtem Flachslab aus der vakuumgefeinten Legierung A12090 hergestellt wurden, sowie von aus einer handelsüblichen Legierung A12090 hergestellten Probestücken werden in Abb. 1 als Funktion der 0,2%-Dehngrenze verglichen. Dia Festigkeit-Zähigkeit-Kombinationon für die vakuumgefeints Legierung übertreffen die der handelsüblichen Legierung bei allen Festigkeitswerten sowie ebenfalls die Eigenschaftskombinationen der gewöhnlich besseren konventionellen Legierungen A17075 und A12024 (nicht dargestellt).

Beispiel 2

Eine Legierung, die 1,8% Li, 1,14% Cu, 0,76% Mg und 0,08% Zr enthielt, wurde einer Vakuumfeinungsbehandlung unterzogen, die der im Beispiel 1 mit der Ausnahme ähnelte, daß keine Argonlanze verwendet wurde. Dann wurde sie gegossen und zu Flachstab extrudiert, und die Wärmebehandlung erfolgte auf dieselbe Art und Weise wie in Beispiel 1 beschrieben. Die Zähigkeitseigenschaften (Ab$i2) liegen wiederum beträchtlich über denen handelsüblicher Al-Li-Legierungen bei allen Festigkeitswerten. In vielen Fällen liegt die Zähigkeit über 135,4Nm* und ist höher als die Zähigkeit der meisten Stähle.

Beispiel 3

Eine Legierung, die 2,02% Li, 1,78% Mg und 0,08% Zr enthielt, wurde einer Vakuumfeinungsbehandlung unterzogen, die der in Beispiel 2 beschriebenen ähnelt. Dann wurde sie extrudiert und wärmebehandelt, und ihre Festigkeit und Zähigkeit wurden bewertet und sind in Abb.3 dargestellt. Diese Probe war so zäh, daß sie auf der 173 Nm-Versuchsmaschine nach Charpy nicht zerbrochen werden konnte, auf der das Zerbrechen von Probestücken aus fast allen Stahllegierungen möglich ist.

Beispiel 4

Eine Legierung, dia 2,5% Li, 0,88% Mg, 0,33% Cu und 0,18% Cr enthielt, w jrde einer Vakuumfeinungsbehandlung unterzogen, die dor in Beispiel 2 angegebenen ähnelte. Dann wurde sie extrudiert und wärmebehandelt, und ihre Festigkeit und Zähigkeit wurden wie in vorausgegangenen Beispielen angegeben und in Abb.4 dargestellt bewertet. Erneut wurden Kombinationen von Festigkeit und Zähigkeit erzielt, die weit besser als die konventioneller Legierungen sind.

Beispiel 5

Zwei Legierungen (Legierungen 5 und 6), die eine größere als die normale I.i-Menge (3,3Ma.-%) enthielten, um eine sehr niedrige Dichte (2,159 g/cm³) zu erzielen, wurden einer Vakuumfeinungsbehandlung unterzogen, die der in Beispiel 2 beschriebenan ähnelt. Die Legierungen wurden dann gegossen, extrudiert und wärmebehandelt wie in den vorangegangenen Beispielen. Die Kombinationen von Festigkeit und Zähigkeit wurden beweiset, sie sind in Abb. 5 dargestellt.

υ ' ι i-Wert mindert die Zähigkeit im Vergleich zu den Legierungen in cen Beispielen 1 bis 4, aber die Eigenschaften sind im allgemeine, mit denen handelsüblicher Al-Li-Legierungen vergleichbar und sind besser als die Eigenschaften der viel kostenaufwendigeren, mittels Verfahren der Pulvermetallurgie hergestellten Legierungen (US-Patent 4,597,792, erteilt 1986 i-.n Webster, D.) mit demselben Lithiumgehalt wie in Abb. 5 angegeben. Die Zusammensetzungen der vakuumgefeinten Legierungen, die in diesem Beispiel beschrieben werden, sind folgende:

Legierung 5. 3,3% Li, 1,1 % Mg, 0,08% Zr

Legierung 6.-—3,3% Li, 0,56% Mg, 0,23% Cu, 0,19% Cr

Beispiel 6

Die vorstehend beschriebenen Legierungen 1 bis 6 wurden nach Feinungsstufen von unterschiedlicher Dauer hinsichtlich der AMV-Konzentration analysiert. Die Ergebnisse dieser Analysen sind in Tabelle Il (nachfolgend) zusammengefaßt und in den Abb. 6 und 7 veranschaulicht. Es ist zu beachten, daß die vorstehend beschriebene Inertgaslanze nur zum Feinen der Legierung 1, Beispiel 1, verwendet wurde, die die niedrigsten Endkonzentrationen von Kund Na besaß.

Tabelle I

Die chemische Zusammensetzung als Funktion der Feinungszeit

Legierung	Na	K	600	Verunreinigungskonzentration	(PPB)	Cs	H	Cl	Feinungszeit
	3100	50		8	1000	3 500	(Minuten)
	480		Rb	8	140	500
1. Beginn*			42		1350
Ende		1000	13		120		55
2. Beginn	2 000	325		5	1420
Ende	545	1200		6	70	1044	68
3. Beginn	2 200	206	60	6	1700
Ende	602	1650	8	6	300	1540	104
4. Beginn	2 650	341	72	8	2300
Ende	645		8	6	540	755	53
5. Beginn			100		3500
Ende		9		420		48
6. Beginn
Ende				46

Auf der Grundlage der vorstehenden Werte wird eingeschätzt, daß eine Mindestfeinungszeit von etwa 100 Minuten erforderlich ist, um die AMV auf ihre Gleichgewichtswerte zu senken (niedrigster Wert, der erzielt werden kann). Obwohl diese Einschätzung nur auf die verwendete Schmelze zutrifft, d.h. etwa 50 kg ineinom Schmelztiegel mit einem Durchmesser von 25,4cm und einer Tiefe von 35,6cm, veranschaulicht sie, wie die Effektivität der Erfindung beurteilt werden kann.

• Die Werte zu Beginn beruhen auf Angaben, die bei Webster, D., Met. Trans. A, Bd. 18 A, Doz. 1987, S. 2181-2183 veröffentlicht wurden.

lOOfoot.pound.

Claims

1. Legierung eines Grundmetalles un<1 eines primären Legierungselementes, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) das Grundmetall Aluminium oder Magnesium ist und das primäre Legierungselement im Falle des Grundmetalles Aluminium aus der aus Magnesium und Lithium bestehenden Gruppe ausgewählt ist und im Falle des Grundmetalles Magnesium das primäre Legierungselament Lithium ist; und

(b) die Legierung weniger als etwa 1 ppm einer Alkalimetallverunreinigung enthält, die aus der aus Natrium, Kalium, Rubitium und Cäsium bestehenden Gruppe ausgewählt ist; und

(c) die Legierung gegebenenfalls weitere gasförmige oder teilchenförmige Zusätze enthält.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 0,1 ppm Alkalimetallverunreinigungsn jeder aus der Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium umfassenden Gruppe enthält.

3. Legierung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gas enthält, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus weniger als etwa 0,2 ppm Wasserstoff und weniger als etwa 1,0 ppm Chlor besteht.

4. Legierung nach.Ansp -h 1 oder2, dadurch gekennzeichnet,daß sie ein Gas enthält, das aus der Gruppe ausgewählt wui ue, die aus weniger als etwa 0,1 ppm Wasserstoff und weniger als etwa 0,5 ppm Chlor besteht.

5. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein sekundäres Legierungselement enthält, das aus der aus Kupfer, Chrom, Zirkonium, Mangan, Zink und Silizium bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,5 und 4,5% liegt.

7. Legierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnesiumkonzentration im Bereich zwischen etwa 0,5 und 6% liegt.

8. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie feinstverteilte Partikel enthält, so daß ein Verbundwerkstoff gebildet wird.

9. Legierung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Partikel aus einem Material bestehen, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus Siliziumkarbid, Graphit, Kohlenstoff, Aluminiunioxid oder Borkarbid besteht.

10. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumkonzentration etwa 1,5 bis 2,6% beträgt, die Magnesiumkonzentration bei etwa 1,5 bis 2,5% liegt und sie weiterhin etwa 0,05 bis 0,15% Zirkonium enthält.

11. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumkonzentration etwa 1,8 bis 2,5% beträgt, die Magnesiumkonzentration bei etwa 0,5 bis 1,5% liegt und sie weiterhin etwa 0,15 bis 0,5% Kupfer und etwa 0,1 bis 0,3% Chrom enthält.

12. Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumkonzentration etwa 2,8 bis 3,8% beträgt, die Magnesiumkonzentration bei etwa 0,5 bis 1,5% liegt und sie weiterhin etwa 0,05 bis 0,15% Zirkonium enthält.

13. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumkonzentration im Bereich zwischen etwa 2,8 und 3,8% und die MagnesiumkonzGntration zwischen etwa 0,3 und 1,3% liegen und sie weiterhin 0,15 bis 0,5% Kupfer und 0,05 bis 0,5% Chrom enthält.

14. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie Aluminiumgmndmetall, Lithium als primäres Legierungselement und weniger als etwa 1,0ppm jeder aus der aus Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium bestehenden Gruppe ausgewählten Alkalimetallverunreinigung enthält.

15. Legierung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als etwa 0,1 ppm jeder Alkalimetallverunreinigung enthält, die aus der aus Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium bestehenden Gruppe ausgewählt wurde.

16. Legierung nach Anspruch 14 und 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gas enthält, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus weniger als etwa 0,2 ppm Wasserstoff und weniger als etwa 1,0 ppm Chlor besteht.

17. Legierung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gas enthält, das aus der Gruppe ausgewählt wurde, die aus weniger als etwa 0,1 ppm Wasserstoff und weniger als etwa 0,5 ppm Chlor besteht.

18. Legierung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet daß die Lithiumkonzentration etwa 13,0 bis 15,0% beträgt und sie weiterhin 0 bis etwa 57o Aluminium enthält.

19. Legierung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Lithiumkonzentration etwa 13,0 bis 15,0% und die Aluminiumkonzentration etwa 1,25% betragen.

20. Verfahren zur Herstellung einer hochfesten Legierung eines Grundmetalles und eines primären Legierungselementes, gekennzeichnet durch Erhitzen einer Schmelze, bestehend aus dem Grundmetall Aluminium oder Magnesium und einem primären Legierungselement, das für das Grundmetall Aluminium aus der aus Magnesium und Lixhium bestehenden Gruppe ausgewählt ist und für das Grundmetall Magnesium Lithium ist, sowie eine aus der Natrium, Kalium, Rubidium und Cäsium umfassenden Gruppe ausgewählte Alkalimetallverunreinigung enthält, auf eine Temperatur von über ca. 100°C über dem Schmelzpunkt der Legierung, die eine ausreichende Zeit lang in einem Vakuum gefeint wird, damit jede Alkalimetallverunreinigung auf eine Konzentration gesenkt wird, die unter etwa 1,0 ppm liegt.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Grundmetall Magnesium ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß das Vakuum unter 29,26Pa (220μιτι Hg) liegt und die Temperatur etwa 50 bis 200⁰C über dem Schmelzpunkt der zu feinenden Legierung liegt.