DE1130187B - Annealed, heat-resistant and creep-resistant aluminum alloy - Google Patents

Annealed, heat-resistant and creep-resistant aluminum alloy

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DE1130187B
DE1130187B DEA19934A DEA0019934A DE1130187B DE 1130187 B DE1130187 B DE 1130187B DE A19934 A DEA19934 A DE A19934A DE A0019934 A DEA0019934 A DE A0019934A DE 1130187 B DE1130187 B DE 1130187B
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Germany
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creep
heat
alloy
copper
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DEA19934A
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German (de)
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Charles Benjamin Criner
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Howmet Aerospace Inc
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Aluminum Company of America
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22CALLOYS
    • C22C21/00Alloys based on aluminium
    • C22C21/12Alloys based on aluminium with copper as the next major constituent

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  • Materials Engineering (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Cylinder Crankcases Of Internal Combustion Engines (AREA)

Description

Vergütete, warmfeste und kriechbeständige Aluminiumlegierung Die Erfindung bezieht sich auf vergütbare, warmfeste und kriechbeständige Aluminiumlegierungen, die besonders für Verwendung bei erhöhten Temperaturen geeignet sind.Heat-treated, heat-resistant and creep-resistant aluminum alloy The invention relates to heat-treatable, heat-resistant and creep-resistant aluminum alloys, which are particularly suitable for use at elevated temperatures.

Gewisse Aluminiumlegierungen werden seit langem für bestimmteTeile von Verbrennungskraftmaschinen, wie z. B. Kolben, Zylinderköpfe u. dgL, benutzt. Für den Bau stärkerer Maschinen für Arbeiten bei höheren Temperaturen und bei größeren Beanspruchungen als bisher genügen diese bekannten Produkte erfahrungsgemäß nicht mehr.Certain aluminum alloys have long been used in certain parts of internal combustion engines, such as. B. pistons, cylinder heads, etc. used. For building stronger machines for work at higher temperatures and at larger ones Experience has shown that these known products are not sufficient to withstand stresses than before more.

Es ist eine Legierung aus 5 bis 7 % Kupfer, 0,01 bis 0,6 % Titan, 0,01 bis 1% Mangan und einem Rest aus Aluminium einschließlich der Verunreinigungen bekanntgeworden, der außerdem noch sehr zahlreiche weitere Zusätze, darunter u. a. Vanadium und Zirkonium, in einer Menge bis insgesamt 0,75 0io zwecks Modifizierung, Entgasung oder Komverfeinerung einverleibt werden können. Hierbei ist Magnesium als Komponente nicht einbezogen worden.It is an alloy of 5 to 7% copper, 0.01 to 0.6% titanium, 0.01 to 1% manganese and the remainder of aluminum including the impurities became known, which also has many other additions, including u. a. Vanadium and zirconium, in an amount up to a total of 0.75 0io for the purpose of modification, Degassing or grain refinement can be incorporated. Here is magnesium not included as a component.

Gemäß der Erfindung gewinnt man durch Zugabe zu Aluminium einer Kombination von Elementen, besonders durch Ersatz des Titans durch Vanadium und Zirkonium, und Zusatz von Magnesium eine Aluminiumlegierung mit überlegener Festigkeit und verbesserter Kriechfestigkeit und Ermüdungsfestigkeit bei erhöhten Temperaturen.According to the invention, a combination is obtained by adding to aluminum of elements, especially by replacing titanium with vanadium and zirconium, and Added magnesium an aluminum alloy with superior strength and improved Creep resistance and fatigue resistance at elevated temperatures.

Die Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß die Einführung von 0,05 bis 0,70 % Magnesium zu einer nicht zum Stande der Technik gehörenden Aluminiumlegierung aus 5 bis 13 0% Kupfer, 0,2 bis 1,7 % Mangan, 0,05 bis 0,20 % Vanadin, 0,05 bis 0,30 % Zirkon und Aluminium als Rest, gegebenenfalls unter Zusatz gewisser Kornverfeinerungselemente, die Festigkeit (Warmfestigkeit) und Beständigkeit gegenüber Kriechdehnung und Ermüdung der Grundlegierung bei erhöhten Temperaturen verbessert, wenn die Legierung außerdem richtigem Lösungsglühen und Altershärtung (Ausscheidungshärtung) unterworfen wird. Besonders günstig ist ein Temperaturbereich von 205 bis 260° C. Lösungsgeglühte und ausgehärtete Legierungen innerhalb des angegebenen Zusammensetzungsbereiches besitzen bei 2051 C nach 100 Stunden eine Zerreißfestigkeit in der Größenordnung von 32 kg/mm2, eine geringste Kriechdehnung von etwa 0,00025 mm/mm/Std. unter einer Beanspruchung von 175 kg/mm2 und eine Ermüdungsfestigkeit von 16 kg/mm2 bei 1000 000 Lastwechseln.The invention is based on the discovery that the introduction of 0.05 up to 0.70% magnesium to a non-state-of-the-art aluminum alloy from 5 to 130% copper, 0.2 to 1.7% manganese, 0.05 to 0.20% vanadium, 0.05 to 0.30% zirconium and aluminum as the remainder, if necessary with the addition of certain grain refinement elements, the strength (heat resistance) and resistance to creep and fatigue The base alloy improves at elevated temperatures if the alloy is also improved is subjected to correct solution heat treatment and age hardening (precipitation hardening). A temperature range of 205 to 260 ° C. is particularly favorable and hardened alloys within the specified composition range have a tensile strength of the order of magnitude at 2051 C after 100 hours of 32 kg / mm2, a lowest creep strain of about 0.00025 mm / mm / hour. under one Stress of 175 kg / mm2 and a fatigue strength of 16 kg / mm2 at 1000 000 load changes.

Zwecks Erzielung derartiger Eigenschaften sollen die in der Legierung vorhandenen Verunreinigungen an Eisen 0,75 % und an Silicium 0,40 0% nicht übersteigen. Am besten wird der Eisengehalt auf höchstens 0,50 % und der des Siliciums auf 0,30 % beschränkt.In order to achieve such properties, those in the alloy should existing impurities of iron 0.75% and of silicon 0.40 0% do not exceed. It is best to set the iron content to at most 0.50% and that of silicon to 0.30% % limited.

Die beste Kombination der Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen erreicht man bei Verwendung von 5 bis 9 % Kupfer, 0,2 bis 1,2 0/a Mangan, 0,05 bis 0,15 % Vanadium, 0,05 bis 0,25 % Zirkonium und 0,25 bis 0,50 % Magnesium. Hierbei sind die Eisen- und Siliciumverunreinigungen bevorzugt in den vorher genannten Grenzen zu halten, wobei der Mangangehalt am besten zwischen 3 und 13 % des Kupfergehaltes ausmacht.The best combination of properties at elevated temperatures when using 5 to 9% copper, 0.2 to 1.2% manganese, 0.05 to 0.15% vanadium, 0.05 to 0.25% zirconium and 0.25 to 0.50% magnesium. Here the iron and silicon impurities are preferably within the aforementioned limits the manganese content is best between 3 and 13% of the copper content matters.

Außer diesen Leerungselementen zur Bildung der Grundlegierung ist es gegebenenfalls zweckmäßig, 0,01 bis 0,25 % eines oder mehrere hochschmelzende Metalle der Gruppe Kobalt, Nickel, Molybdän, Wolfram, Chrom, Titan, Bor, Tantal und Niob zuzusetzen, deren Gesamtmenge 0,25 % nicht übersteigen soll. Diese Elemente dienen zur Verfeinerung der Korngröße bzw. zur Verbesserung geringwertigerer Eigenschaften der Legierungen, ohne deren Grundeigenschaften zu verändern.Besides these emptying elements to form the base alloy it may be expedient to add 0.01 to 0.25% of one or more high-melting points Metals of the group cobalt, nickel, molybdenum, tungsten, chromium, titanium, boron, tantalum and add niobium, the total amount of which should not exceed 0.25%. These elements serve to refine the grain size or to improve lower-quality properties of the alloys without changing their basic properties.

Die zur Erzielung der gewünschten Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen erforderliche Wärmebehandlung besteht in einem 1- bis 24stündigen Lösungsglühen bei 515 bis 550°C, einer Abschreckung und einer 1- bis 50stündigen Ausscheidungshärtung bei etwa 175 bis 320° C. Die Dauer des Lösungsglühens richtet sich nach dem Zustand der Legierung, d. h. also ob sie gegossen oder geschmiedet ist, und nach der Größe des zu behandelnden Gegenstandes. Temperatur und Behandlungszeit bei der Ausscheidungshärtung werden von ähnlichen Erwägungen bestimmt, wobei bekanntlich kürzere Behandlungszeiten bei im oberen Bereich liegenden Temperaturen ungefähr zu gleichen Ergebnissen wie längere Behandlungsdauer bei entsprechend niedriger Temperatur führen.To achieve the desired properties at elevated temperatures The required heat treatment consists of a 1 to 24 hour solution heat treatment at 515 to 550 ° C, a quench and a 1 to 50 hour precipitation hardening at about 175 to 320 ° C. The duration of the solution heat treatment depends on the condition the alloy, d. H. that is, whether it is cast or forged, and according to its size of the object to be treated. Precipitation hardening temperature and treatment time are determined by similar considerations, with shorter treatment times being known at temperatures in the upper range to approximately the same results as longer treatment times at a correspondingly lower temperature.

Zwecks Abschreckung können die Legierungen in eine beliebige Flüssigkeit getaucht werden, die starke Wirkung ausübt und so die gelösten Bestandteile in Lösung hält. Gewöhnlich genügt ein Abschrecken bei Raumtemperatur in Wasser; wo aber innere Spannungen auf ein Mindestmaß beschränkt werden müssen, benutzt man zweckmäßig Wasser von etwa 65° C oder mehr oder ein anderes Medium für Minderung der Stärke des Abschreckvorganges.The alloys can be immersed in any liquid for quenching purposes are immersed, which exerts a strong effect and so the dissolved constituents in solution holds. Quenching in water at room temperature is usually sufficient; but where inner If tensions need to be kept to a minimum, water is the best way to use it of about 65 ° C or more or another medium to reduce the strength of the quenching process.

Die Legierung nach der Erfindung kann entweder in gegossener oder zumeist bevorzugt in geschmiedeter Form verwendet werden. Schmiedestücke haben sich als besonders brauchbar erwiesen. Die Mindestkriechdehnungsgeschwindigkeit der hier erwähnten Art wurde wie folgt erhalten: Prüfstäbe mit einem Durchmesser von etwa 1,25 cm werden in kleinen elektrisch beheizten Luftöfen mit automatischer Temperaturkontrolle während der ganzen Prüfzeit mit Hilfe eines Totgewichtes unter konstanter Belastung gehalten. Die Ausdehnungs- oder Kriechmessungen werden während der ganzen Prüfzeit in bestimmten Zwischenräumen auf 0,000125 mm genau durchgeführt. Die gemessenen Kriechwerte werden auf Kartesischen Koordinaten gegen die Zeit aufgetragen; danach wird die geringste Neigung der erhaltenen Kurve bestimmt. Die so gefundene Mindestkriechgeschwindigkeit wird auch als sekundäre Kriechgeschwindigkeit bezeichnet.The alloy of the invention can be either cast or are mostly preferably used in forged form. Forgings have turned out Proven to be particularly useful. The minimum creep rate here mentioned type was obtained as follows: test rods with a diameter of about 1.25 cm are made in small electrically heated air ovens with automatic temperature control during the entire test period with the help of a dead weight under constant load held. The expansion or creep measurements are made during the entire test period carried out with an accuracy of 0.000125 mm in certain gaps. The measured Creep values are plotted against time on Cartesian coordinates; thereafter the smallest slope of the curve obtained is determined. The minimum creeping speed found in this way is also known as the secondary creep speed.

Die Spannungen bei bestimmten Kriechgeschwindigkeiten werden in üblicher Weise auf graphischem Wege durch Auftragen dieser logarithmisch gegen die Spannung bestimmt. Zum Bruch führende Spannungswerte werden ähnlich so ermittelt, daß man die bis zum Bruch erforderliche Zeit bei einer gegebenen Spannung für eine Vielzahl von Proben bestimmt, die unter verschiedenen Spannungen stehen.The stresses at certain creep speeds become more common Way in a graphical way by plotting this logarithmically against the voltage certainly. Tension values leading to breakage are similarly determined in such a way that one the time required to break at a given stress for a variety determined by specimens under different stresses.

In Tabelle I sind die Zusammensetzungen der geprüften Legierungen, in denen in jedem Falle der Rest Aluminium ist; wiedergegeben: Tabelle I - Prozentuale Zusammensetzung der Legierungen Legierung Cu Fe si Mn V Zr Mg A 5,98 0;11 0,07 0,21 0,10 0,23 - B 6,09 0,15 0,11 0,32 0,18 0,20 0,25 C 12,12 0,14 0,10 0,41 0,10 0,26 - D 12,12 0,16 - 0,10 0,40 0,10 0,25 0,24 Diese Legierungen wurden zu Blöcken vergossen und in üblicher Weise zu Prüfstäben mit einem Querschnitt von etwa 6 cm2 verschmiedet. Diese wurden 2 Stunden bei etwa 530 bis 540° C lösungsgeglüht, dann in kaltem Wasser abgeschreckt und anschließend durch 12stündiges Erhitzen auf etwa 190° C ausscheidungsgehärtet. Tabelle II zeigt die Durchschnittswerte für die Zugeigenschaften der verschiedenen Prüfstäbe bei Raumtemperatur und bei 205° C, nachdem die Legierungen 100 Stunden bei dieser Temperatur gehalten worden waren. Tabelle 1I Zugeigenschaften bei Raumtemperatur und bei 205° C Bei Raumtemperatur Bei 205° C Legierung Zerreißfestigkeit Streckgrenze Dehnung Zerreißfestigkeit Streckgrenze Dehnung kg/mm2 kg/mm2 °/o kg/mm2 kg/mm2 °/o A 43,1 30,1 17 24,5 18,3 24 B 49,8 39,0 13 32,1 26,9 21 C 44,4 33,5 10 27,5 21,1 14 D 46,5 36,5 8 32,2 25,4 13 Hiernach erhöht der Magnesiumzusatz die Festigkeit sowohl der Legierungen mit niedrigem als auch derjenigen mit hohem Kupfergehalt.In Table I are the compositions of the alloys tested, in which in each case the balance is aluminum; reproduced: Table I - Percentage composition of the alloys Alloy Cu Fe si Mn V Zr Mg A 5.98 0; 11 0.07 0.21 0.10 0.23 - B 6.09 0.15 0.11 0.32 0.18 0.20 0.25 C 12.12 0.14 0.10 0.41 0.10 0.26 - D 12.12 0.16-0.10 0.40 0.10 0.25 0.24 These alloys were cast into blocks and forged in the usual way into test bars with a cross-section of about 6 cm2. These were solution heat treated for 2 hours at about 530 to 540 ° C, then quenched in cold water and then precipitation hardened by heating to about 190 ° C for 12 hours. Table II shows the average values for the tensile properties of the various test bars at room temperature and at 205 ° C. after the alloys had been held at this temperature for 100 hours. Table 1I Tensile properties at room temperature and at 205 ° C At room temperature at 205 ° C Alloy Tensile Strength Yield Strength Elongation Tensile Strength Yield Strength Elongation kg / mm2 kg / mm2 ° / o kg / mm2 kg / mm2 ° / o A 43.1 30.1 17 24.5 18.3 24 B 49.8 39.0 13 32.1 26.9 21 C 44.4 33.5 10 27.5 21.1 14 D 46.5 36.5 8 32.2 25.4 13 According to this, the addition of magnesium increases the strength of both the low and high copper alloys.

Die Kriechdehnungs-undErmüdungseigenschaften der Legierungen wurden bei 205° C bestimmt (Tabelle III und IV). Tabelle III Kriechdehnungswerte bei 205° C Spannung (in kg/mm2) Spannung (in kg/mm2) für die Mindestkriechgeschwindigkeit Legierung in mm/mm/Std. bis zum Bruch bei verschiedener Prüfdauer 0,00025 0,0025 0,025 10 Stunden 1 100 Stunden 1 1000 Stunden A 13,6 16,4 19,2 20,3 17,8 - B 20,3 23,8 - - 23,8 18,9 C - 16,1 18,9 20,3 18,2 - D 16,1 21,0 - - 23,1 17,5 Tabelle IV Ermüdungsfestigkeit bei 205° C Legierung Spannung (in kg/mm2) bis zum Bruch der nach 10s Lastwechseln 1 nach 107 Lastwechseln A 14,0 10,1. B 16,1 12,2 C 14,0 10,8 D 18,5 12,9 Hieraus geht der Wert des Magnesiumzusatzes deutlich hervor. Interessant ist, daß sowohl bei der Kriechdehnung als auch bei der Ermüdung Werte erhalten werden, die denen der bisher benutzten magnesiumhaltigen Legierungen in Verbrennungskraftmaschinen erheblich überlegen sind.The creep and fatigue properties of the alloys were determined at 205 ° C (Tables III and IV). Table III Creep elongation values at 205 ° C Tension (in kg / mm2) tension (in kg / mm2) for the minimum creep speed Alloy in mm / mm / hour to break with different test duration 0.00025 0.0025 0.025 10 hours 1 100 hours 1 1000 hours A 13.6 16.4 19.2 20.3 17.8 - B 20.3 23.8 - - 23.8 18.9 C - 16.1 18.9 20.3 18.2 - D 16.1 21.0 - - 23.1 17.5 Table IV Fatigue strength at 205 ° C Alloy tension (in kg / mm2) up to breakage of the after 10s load changes 1 after 107 load changes A 14.0 10.1. B 16.1 12.2 C 14.0 10.8 D 18.5 12.9 This clearly shows the value of the magnesium addition. It is interesting that both the creep strain and the fatigue values are obtained which are considerably superior to those of the magnesium-containing alloys previously used in internal combustion engines.

Claims (3)

PATE NTANS PR 1fC'.TH F 1. Vergütete, warmfeste und kriechbeständige Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 5 bis 13 % Kupfer, 0,2 bis 1,7,% Mangan, 0,05 bis 0,2`% Vanadium, 0,05 bis 0,3 0/0 Zirkonium, 0,05 bis 0,7 % Magnesium, Rest Aluminium, besteht, wobei die Verunreinigungen an Eisen 0,75'% und an Silicium 0,4 % nicht überschreiten und daß sie durch 1- bis 24stündiges Lösungsglühen bei 515 bis 550° C, Abschrecken und anschließende Ausscheidungshärtung von 1 bis 50 Stunden bei 175 bis 230° C wärmebehandelt ist. PATE NTANS PR 1fC'.TH F 1. Heat-treated, heat-resistant and creep-resistant Aluminum alloy, characterized in that it consists of 5 to 13% copper, 0.2 to 1.7% manganese, 0.05 to 0.2% vanadium, 0.05 to 0.3% zirconium, 0.05 to 0.7 % Magnesium, the remainder aluminum, with iron impurities 0.75% and silicon does not exceed 0.4% and that it is obtained by solution heat treatment for 1 to 24 hours at 515 to 550 ° C, quenching and subsequent precipitation hardening from 1 to 50 hours at 175 to 230 ° C is heat treated. 2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 5 bis 9'% Kupfer, 0,2 bis 1,20'% Mangan (wobei der Mangangehalt auf 3 bis 13 % des Kupfergehaltes beschränkt ist), 0,05 bis 0,15 % Vanadium, 0,05 bis 0,25 % Zirkonium und 0,25 bis 0,50,% Magnesium enthält und die Verunreinigung der Legierung an Eisen höchstens 0,50 0/0 und die Verunreinigung an Silicium höchstens 0,30'% ausmacht. 2. Alloy according to claim 1, characterized in that it contains 5 to 9% copper, 0.2 to 1.20% manganese (the Manganese content is limited to 3 to 13% of the copper content), 0.05 to 0.15% Contains vanadium, 0.05 to 0.25% zirconium and 0.25 to 0.50% magnesium and the Impurity of the alloy in iron not more than 0.50% and the impurity of silicon makes up at most 0.30%. 3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,01 bis 0,25 % wenigstens eines Metalles der Gruppe Kobalt, Nickel, Wolfram, Chrom, Titan, Bor, Tantal, Molybdän und Niob enthält, wobei die Gesamtmenge dieser Elemente 0,25 % nicht übersteigt. In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 459 492.3. Alloy according to claim 1 or 2, characterized characterized in that it contains 0.01 to 0.25% of at least one metal from the group cobalt, Nickel, tungsten, chromium, titanium, boron, tantalum, molybdenum and niobium, the The total amount of these elements does not exceed 0.25%. Considered publications: U.S. Patent No. 2,459,492.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US2459492A (en) * 1944-02-25 1949-01-18 Rolls Royce Aluminum copper alloy

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