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Lithiumhaltige Aluminiumlegierung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft Legierungen auf Aluminiumgrundlage und hat hauptsächlich
eine wärmebehandlungsfähige Legierung, insbesondere eine alterungshärtbare Legierung
zum Gegenstand, mit der hohe Festigkeit und andere gute mechanische Eigenschaften
in Verbindung mit geringer Dichte zuverlässig erreicht werden können.
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Eine Aluminiumlegierung nach der Erfindung enthält in gegossener Form
0,2 bis 5% Lithium und nicht mehr als 0,00801o Natrium. Im allgemeinen muß indessen
das Natrium in noch niedrigeren Grenzen als angegeben gehalten werden. Im Falle
einer Legierung, die in vollwärmebehandeltem Gußzustand benutzt werden soll, sollte
der Natriumgehalt geringer als 0,00501o sein. Für eine feinkörnige Knetlegierung
kann ein Grenzwert von 0,007 % zulässig sein und für eine Legierung, die einer Warmaushärtungunterworfen
werden soll, nur ein Grenzwert von 0,008%. Im Fall einer binären Legierung sind
die Mindest- und Höchstgehalte von Lithium 0,5 bzw. 5 %, entsprechend den Grenzlöslichkeiten
von Lithium in Aluminium bei gewöhnlicher und bei eutektischer Temperatur. Bei Gegenwart
anderer Elemente in der Legierung, wodurch die Löslichkeit verringert ist, kann
die untere Grenze 0,201o sein. Gewöhnlich wird der Lithiumgehalt im Bereich von
1,0 bis 4,00/0 liegen.
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Mit Ausnahme gewisser verwickelter Legierungen, die sehr kleine Lithiumzusätze
und große Anteile anderer Elemente enthalten, sind lithiumhaltige Legierungen auf
Aluminiumgrundlage bisher noch nicht zu irgendeiner größeren praktischen Anwendung
gelangt. Leichte Aluminiumlegierungen mit Lithiumgehalt sind von verschiedenen Bearbeitern
experimentell erforscht worden, aber ohne irgendwelche eindrucksvolle Ergebnisse
hinsichtlich mechanischer Eigenschaften und im allgemeinen mit geringen Ergebnissen
hinsichtlich der Wirkung der Alterungshärtung oder anderer Wärmebehandlung. Die
Hinweise im Schrifttum auf den Zusatz von Lithium zu Aluminiumlegierungen sind daher
im allgemeinen entmutigend und würden anscheinend darauf hindeuten, daß solche Zusätze
zu keiner brauchbaren Verbesserung führen. Standardwerke des praktischen Schrifttums
folgern dementsprechend, daß durch Zusatz von Lithium nur eine unbeachtliche Verbesserung
erreichbar ist.
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Entgegen dem Gewicht dieser Folgerungen ist nunmehr gefunden worden,
daß Lithium eine wirksame Legierungskomponente zur Erhöhung der Festigkeit und Härte
für Aluminium ist und daß brauchbare Legierungen auf Aluminiumgrundlage, die wesentliche
Lithiumbeträge als wesentlichen Legierungszusatz enthalten, gewonnen werden können,
welche in bezug auf Festigkeit und Gewicht den besten laufend verfügbaren Aluminiumlegierungen
nahe kommen. Außerdem wurde gefunden, daß die Anwesenheit von selbst kleinen Natriumbeträgen
ernstliche Folgen für die Eigenschaften von Aluminium -Lithium-Legierungen hat.
Nur bei großer Sorgfalt in der Auswahl der Ausgangsmaterialien und in der Festlegung
der Bedingungen ihres Schmelzens und Gießens und der darauffolgenden Behandlung
können diese verderblichen Wirkungen vermieden werden.
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Die Gegenwart von Natrium kann in zweierlei Hinsicht schädlich sein:
An erster Stelle verhindert selbst ein kleiner Betrag die Ausbildung der richtigen
Festigkeits- und anderen Eigenschaften, wenn die Legierung in gegossenem oder geschmiedetem
Zustand, so wie sie ursprünglich bereitet wurde, d. h. ohne Wärmebehandlung, geprüft
wird. Als Beispiel können die bei in Kokillen unter übereinstimmenden Bedingungen
vergossenen Legierungen mit Zusätzen von 31/2% Lithium erreichten Dehnungseigenschaften
angeführt werden, wenn zwei verschiedene Lithiumsorten verwendet werden:
| Tafel I |
| Natrium- |
| gehalt festig Deh- |
| Verwendetes Lithium laut keit nung |
| Analyse |
| o/0 kg/mm2 01,0 |
| A. Ausgewählte Sorte mit |
| geringem Natrium- |
| gehalt (weniger als |
| 0,02%) ............. 0,004 26,8 0,5 |
| B. Gewöhnliche Sorte (Na- |
| triumgehalt annähernd |
| 0,35%) ............. 0,01 13,2 keine |
Man sieht, daß die Festigkeit der mit unreinem Lithium bereiteten Legierung B in
Vergleich mit Legierung A sehr niedrig ist.
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Eine zweite und weniger augenfällige Wirkung des anwesenden Natriums
besteht darin, daß dieses in Beträgen, welche die Eigenschaften der Legierung, so
wie sie gegossen oder geschmiedet wurde, nicht beeinflussen, das Verhalten der Legierung
gegenüber der Wärmebehandlung stören kann. Es kann die Legierung beim Abschrecken
zum Springen bringen oder unmittelbar Sprödigkeit hervorrufen. Als ein Beispiel
seien Ergebnisse angeführt, die mit zwei etwa 31/20/0 Lithium und 0,15% Titan als
Zusatz enthaltenden Legierungen erreicht wurden, wovon die eine aus sehr reinen
Materialien, die andere aus weniger reinen Materialien bereitet war.
| Tafel II |
| Mechanische Eigenschaften |
| Analyse nachdem Guß nach (a) behandlung (b) |
| Li Na Zug Dehnung Zug- Dehnung Zug- Dehnung |
| festigkeit festigkeit festigkeit |
| 0/u ( % kg/mm2 o/0 kg/mm' , °/o kg/mm2 0/0 |
| C. Legierung aus sehr reinen Ma- |
| terialien . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . 3,69 0,004
23,6 keine 28,5 0,5 - - |
| D. Legierung aus weniger reinen Gesprungen. |
| Zerfiel während |
| Materialien .................. 3,14 0,006 24,0 keine |
| der spanabheben- 17,6 keine |
| den Bearbeitung |
| in Stücke j |
| Wärmebehandlung: |
| (a) 24 Stunden bei 510° C, wasserabgeschreckt (kalt), 48 Stunden
bei 175° C. |
| (b) 24 Stunden bei 510° C, wasserabgeschreckt (heiß), 48 Stunden
bei 175° C. |
Man sieht, daß nur Legierung C mit ihrem geringeren Natriumgehalt der Kaltwasserabschreckung
widerstand und befriedigende Eigenschaften ergab, obwohl beide Legierungen bei der
Prüfung nach dem Guß ähnliche Festigkeitswerte zeigten. Die weniger reine LegierungD
zersprang, als sie nach Wärmebehandlung imLösungsbereich inkaltemWasserabgeschreckt
wurde. Obwohl sie nach dem weniger schärfen Abschrecken in heißem Wasser keine Sprünge
hatte, zeigte diese Legierung Zugfestigkeitseigenschaften, die unter denen der unbehandelten
Legierung lagen.
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Angesichts der verderblichen Wirkung von Natrium wurden daher langwierige
Forschungen nicht nur in bezug auf die Toleranzgrenzen, sondern auch in bezug auf
Maßnahmen zur Wahrung des geringstmöglichen Natriumgehaltes angestellt. Das Hauptproblem
liegt darin, daß die Rohmaterialien, Aluminium und Lithium, gewöhnlich selbst Natrium
in Beträgen enthalten, die in den Legierungen unzulässig sind, besonders dann, wenn
diese wärmebehandelt werden sollen. Die Toleranzgrenze hängt von der Korngröße der
Legierung und daher von der Verarbeitungsart und dem Gefüge ab. Die Grenze für Knetlegierungen,
die im allgemeinen feinkörnig sind, ist größer als für Gußlegierungen, die gewöhnlich
gröber sind. Die Toleranzgrenzen werden auch durch die Gegenwart anderer Elemente,
wie z. B. in ternären Legierungen oder noch verwickelteren Legierungen, beeinfiußt.
Die Grenze in einer in der Kokille vergossenen aushärtbären Legierung mit einem
Zusatz von 31/:0/0 Lithium ist 0,005 1/o Natrium, wobei ein Natriumgehalt von annähernd
0,003 % empfohlen wird. Das gewöhnlich verfügbare Aluminium hat indessen einen Natriumgehalt
in der Größenordnung von 0,003 bis 0,005 % und kann von sich aus genügend Natrium
mitbringen, um die Legierung für manche Zwecke ungeeignet zu machen. Lithium gewöhnlicher
Sorte enthält ungefähr 0,35% Natrium und kann gleicherweise ungeeignet sein, während
Lithium mit etwa einem Natriumgehalt von weniger als 0,02% im allgemeinen mit guten
Ergebnissen verwendet werden kann. Sind die Ausgangsmetalle in hinreichendem Reinheitszustand
erhältlich, so können Legierungen durch einfaches Zusammenschmelzen des Aluminiums
und Lithiums und der sonstigen Legierungsmetalle bereitet werden. Ist dies nicht
der Fall, so muß zu Zuschlägen gegriffen werden. Zuschläge oder Flußmittel können
angewendet werden, um eines oder mehrere der Metalle gesondert, d. h. vor dem Legieren,
zu raffinieren oder um die Legierung selbst zu läutern. Zum Beispiel kann das Aluminium,
wenn es, allein betrachtet, hinsichtlich seines Natriumgehaltes nicht befriedigt,
zuerst in Berührung mit einem zur Beseitigung des Natriums fähigen Salz, z. B. entwässertem
Magnesiumchlorid geschmolzen und dann nach Trennung von dem Salz mit dem Lithium
1egiert
werden, wobei der abschließende Schmelzvorgang nach Wunsch
auch ohne Zuschlag ausgeführt werden kann. Wenn Lithium allein unbefriedigend ist,
wird es entsprechend behandelt, d. h. mit einem Zuschlag aufgeschmolzen, der Lithium
nicht reduziert. Sind beide Ausgangsmetalle unbefriedigend, können sie unter einem
zur Natriumbeseitigung geeigneten Zuschlag unmittelbar zusammengeschmolzen werden;
in diesem Fall erfüllt der Zuschlag eine nützliche Nebenfunktion, indem er die Schmelze
bedeckt und die Oxydation des hochreaktionsfähigen Lithiums einschränkt. Für diesen
Vorgang muß der Zuschlag sorgfältig im Hinblick auf die hohe Reaktionsfähigkeit
des Lithiums ausgewählt werden. Halogenide können einzeln oder in Kombination verwendet
werden; um aber eine Entfernung von Lithium aus der Schmelze und eine Verunreinigung
des Metalls zu vermeiden, ist es notwendig, daß durch Lithium reduzierbare Halogenide,
wie NaCI oder MgCl" nur einen kleinen Anteil des Zuschlaggemisches bilden oder noch
besser ganz ausgeschlossen werden. Gute Ergebnisse wurden durch Verwendung von raffiniertem
Lithiumchlorid als Schmelzzuschlag und, wo ein niedrigerer Schmelzpunkt gewünscht
wurde, einer Mischung -z. B. einer eutektischen Mischung - von Lithiumchlorid und
Lithiumfluorid erreicht.
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Beispiele der Verwendung von Zuschlägen der beschriebenen Art sind
in folgendem gegeben.
| Tafel 111 |
| Zugfestigkeitseigenschaften von auf verschiedene Weise bereiteten
Gußlegierungen |
| mit Zusätzen von ungefähr 3,2 % Li und 0,15 % Ti |
| Analyse Nach Guß behandlung |
| Legierungsverfahren Zu - Zug- Li Na festigkeit
Dehnung Festigkeit Dehnung |
| o/a o % o kg/mm2 I Dehnung kg/mm2 I °/o |
| 99,99%iges Aluminium und sehr reines Schwach und |
| E 3,1.8 0,005 Lithium mit Al-Ti-Vorlegierungen ohne
Zu- 26,8 keine spröde, brach bei |
| schlag zusammengeschmolzen Spanbearbeitung |
| 99,99%iges Aluminium in Berührung mit |
| M9Clz geschmolzen und gegossen. Alu- |
| F 3,22 0,004 minium mit sehr reinem Lithium und AI-Ti- 27,3
l 34,8 2 |
| Vorlegierung ohne Zuschlag wieder ge- |
| schmolzen |
| I |
| 99,99%iges Aluminium mit sehr reinem |
| G 3,1.7 0,003 Lithium und AI-Ti-Vorlegierung unter Ver-
26,7 keine 30,0 1 |
| wendung von Li Cl-Zuschlag zusammen- |
| geschmolzen |
| Wärmebehandlung: |
| 24 Stunden bei 510° C, wasserabgeschreckt (kalt), 48 Stunden
bei 175° C. |
Man sieht, daß die durch Zusammenschmelzen der Metalle ohne Raffina-tion bereitete
Legierung E nicht genügend rein war, um bei Wärmebehandlung gute Eigenschaften zu
zeigen. Die unter günstigeren Bedingungen bereiteten Legierungen F und G zeigten
brauchbares Verhalten gegenüber Wärmebehandlung.
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Angesichts der Leichtigkeit, mit der Lithium durch die Verwendung
ungeeigneter Zuschlägie verlorengehen kann, ist es wichtig, zwischen nominellen
Lithiumzusätzen und dem durch Analyse in den endgültigen Legierungen gefundenen
tatsächlichen Gehalt zu unterscheiden.
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Gute mechanische Eigenschaften können bei Aluminium-Lithium-Legierungen
gemäß der Erfindung in manigfacheren Formen, z. B. als Gußstück, Schmiedestück oder
Spritzguß erlangt werden. Bezeichnende Werte sind in den folgenden Tafeln angegeben.
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Tafel IV gibt die Eigenschaften einer weiteren Gußlegierung, die laut
Analyse 3,22% Lithium und 0,00411/o Natrium enthält, wieder.
| Tafel IV |
| Zustand 0,1 %-Streckgrenze Zugfestigkeit Dehnung Brinellhärte |
| kg/mm2 kg/mm2 °/o |
| Kokillenguß .................................... 24,2 27,3
1 104 |
| Wärmebehandelt 24 Stunden bei 510° C, wasserabge- |
| schreckt, 48 Stunden bei 175° C . . . . . . . . . . . . . .
. . 26,6 34,8 2 112 |
Die Streckgrenze dieser Legierung in gegossenem Zustand und die Streckgrenze und
Zugfestigkeit der wärmebehandelten Legierung sind bemerkenswert. Eigenschaften von
Legierungen in geschmiedetem Zustand sind in Tafel V veranschaulicht, die sich auf
geschmiedete Barren von 25 mm Durchmesser bezieht. Das ausgeprägte Verhalten dieser
einfachen
binären Legierungen gegen eine zweistufige Wärmebehandlung
ist zu beachten.
Solche Legierungen sprechen gleich gut auf andere Verarbeitungsverfahren an. Zum
Beispiel sind in Tafel VI Ergebnisse angegeben, die mit einer binären Legierung
mit einem Zusatz von 4,5 % Lithium nach Ziehen zu einem Stab von 22 mm Durchmesser
und unter verschiedenen Wärmebehandlungen erhalten wurden.
| Tafel VI |
| Bis zur Lösung Voll wärmebehandelt |
| Nach dem wärmebehandelt 24 Stunden bei 530° C, Nur Warmaushärtung |
| Ziehen 24 Stunden bei 530° C wasserabgeschreckt, 48 Stunden
bei 175° C |
| und wasserabgeschreckt 24 Stunden bei 200° C |
| 0,1%-Streckgrenze, kg/mm2 .. 15,4 14,4 32,7 27,0 |
| Zugfestigkeit, kg/mm2......... 28,8 31,1 39,9 32,1 |
| Dehnung, 0/0 .:... .. . . ........ 7,0 16,0 3,5 1,0 |
| Brinellhärte .................. 75,8 72,3 122 105 |
Während eine namhafte Verbesserung sich durch die zweistufige Wärmebehandlung ergibt,
sieht man, daß beachtliche Gewinne an Zugfestigkeit und insbesondere an Streckgrenze
durch eine einfache einstufige Behandlung bei niedriger Temperatur erlangbar sind.
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Die Wirkungen von Lithium können mit denen anderer Elemente kombiniert
werden, die bekannte günstige Wirkungen auf Aluminium haben, z. B. Elemente wie
Kupfer, Zink, Magnesium und Silizium, die seine Festigkeit und Härte beeinflussen,
und Titan, Niob und Bar, die einen günstigen Einfiuß auf die Korngröße haben. Zum
Beispiel können zweckmäßig Zusätze bis zu 5019 von Kupfer oder Silizium,
bis 10% von Zink oder Magnesium, bis 3% von Eisen, Mangan oder Nickel und bis 0,301o
von Titan, Niab und Bor gegeben werden. Insgesamt werden nicht mehr als 150la solcher
Zusätze zugegeben. Andere Elemente in Mengen, die man gewöhnlich als Verunreinigungen
in Aluminiumlegierungen begegnet und duldet, sind im allgemeinen nicht schädlich.
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Eigenschaften einer Anzahl von gegossenen und geschmiedeten Legierungen,
die Beispiele solcher Zusätze enthalten, sind in Tafel VII angegeben.
Alle Legierungen in dieser Tafel enthalten einen Zusatz von 0,1501o
Titan.
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Die in den Beispielen erwähnten Legierungen wurden, soweit nichts
anderes angegeben, aus Aluminium hoher Qualität (mindestens 99,7% Al) bereitet.
Dieses kann bis zu 0,20% Fe und 0,15% Si, 0,02% Cu und 0,03% Zn enthalten. Diese
Beträge können als zulässige Verunreinigungen in den Aluminium-Lithium-Legierungen
betrachtet werden, auch wenn die Elemente nicht als absichtliche Zusätze gegenwärtig
sind.
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Bei der Beurteilung der technischen Wichtigkeit von Aluminium-Lithium-Legierungen
muß ihre geringe Dichte in Rechnung gezogen werden. Die Dichte der obenerwä'hnten
Legierungen liegt innerhalb des Bereiches von 2,3 bis 2,5. Sie sind so etwa 18 bis
110/0 leichter als A1 Cu Mg und andere Legierungen hoher Festigkeit, deren Dichte
ungefähr 2,8 beträgt.
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Die Analyse von Aluminium-Lithium-Legierungen in bezug auf Natrium
ist angesichts der kleinen anwesenden Mengen und der Möglichkeiten der Verunreinigung
eine sehr schwierige Sache. Die oben angegebenen Werte für den Natriumgehalt wurden
spektrographisch unter Verwendung der Verfahren der Flammenphotometrie und gemäß
der besten bekannten Analysentechnik bestimmt.
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Der Natriumgehalt der Legierungen in den Tafeln V, VI und VII lag
unter 0,005,1/o.