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Verwendung von Aluminium-Legierungen mit Chrom-Zirkonium-Zusatz In
der Technik ist es zwar gelungen, Leichtmetalllegierungen mit hohen mechanischen
Eigenschaften bei Raumtemperatur zu entwickeln, jedoch haftet den meisten dieser
Legierungen der Nachteil an, daß sie diese hohe Festigkeit verhältnismäßig rasch
bei höheren Temperaturen verlieren, so daß die gebräuchlichen Aluminiumlegierungen
über 250° C kaum noch ausreichende Warmfestigkeit aufweisen, insbesondere im Hinblick
auf die Dauerstand- und Zeitstandfestigkeit.
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Es ist eine Aluminiumlegierung bekannt, die Chrom und Zirkonium aufweist,
wobei Zirkonium in Mengen von 0,3 bis 0,58% und Chrom mit 0,6 bis 0,9% vertreten
sind. Diese Komponenten dienen dazu, den Korrosionswiderstand der Legierung zu erhöhen
und die Zähigkeit des Werkstoffes zu steigern. Die betreffenden Legierungen können
zu Blechen, Platten oder Stangen verarbeitet werden. Da aus ihnen auch Kochgeschirre
hergestellt werden können, sind sie durch Ziehen verformbar.
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Es ist weiterhin eine Aluminium-Kupfer-Legierung bekannt mit bestimmten
Gehalten an Chrom und Zirkonium, aus der Werkstücke in Form gegossener Konstruktionsteile
und mechanisch bearbeiteter Teile im Flugzeug- oder Fahrzeugbau hergestellt werden
sollen. Hierbei handelt es sich ausschließlich um Gußlegierungen. über die Menge
der Komponenten Chrom und Zirkonium ist bei der bekannten Legierung gefordert, daß
jedes dieser beiden Elemente nicht mehr als 0,501o in der Legierung vorhanden sein
soll. Die bekannte Legierung soll außerdem eine bemerkenswerte Warmfestigkeit haben,
womit aber die Frage nach der Dauerstand- und der Zeitstandfestigkeit solcher an
sich bekannter warmfester Aluminiumlegierungen noch völlig offen ist.
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Im Rahmen der Erfindung ist nach Aluminiumlegierungen gefragt, die
als Werkstoff für Gegenstände dienen, die hohe Dauerstand- bzw. Zeitstandfestigkeit
bei erhöhter Temperatur aufweisen müssen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, hierzu
solche Aluminiumlegierungen zu verwenden, die Chrom und Zirkonium und gegebenenfalls
noch 1 bis 5% Magnesium, 0,5 bis 1,5% Mangan, bis 0,8% Silizium, bis 0,211/o Kupfer,
Rest Aluminium 99 enthalten, wobei Chrom und Zirkonium zu je 0,1 bis 0,4% im Verhältnis
Cr Jr enthalten sind, und die nach Lösungsglühen einer Alterung zwischen 120° C
und der jeweiligen Betriebstemperatur unterworfen worden sind, als Werkstoff für
Gegenstände, die hohe Dauerstand- bzw. Zeitstandfestigkeit bei erhöhter Temperatur
aufweisen müssen. Bereits Reinaluminium besitzt eine gewisse Löslichkeit von Chromzirkonid
bei höheren Temperaturen, die mit fallender Temperatur abnimmt. Es ergeben sich
dadurch gewisse Aushärtungseffekte, die an sich zwar gering sind, die aber bewirken,
daß sowohl die Rekristallisationstemperatur dieser Legierungen als auch der Kriechwiderstand
merklich erhöht werden. Ein besonders günstiges Verfahren zur Behandlung von Chromzirkonid
enthaltenden Leichtmetallegierungen besteht darin, daß zunächst durch eine Lösungsglühung
bei Temperaturen, die je nach Legierungstyp zwischen 450 und 600° C liegen können,
das Chromzirkonid im Mischkristall gelöst und durch Abkühlung in fester Lösung zurückbehalten
wird. Danach folgt eine Kaltverfestigung, wobei sich Verformungsgrade zwischen 10
und 40% als besonders günstig erwiesen haben. An diese Kaltverformung schließt sich
eine Aushärtung zwischen 120° C und der jeweiligen Betriebstemperatur an. Die Anwendung
der Verfahren im Rahmen der Erfindung ist sehr breit, da es nicht nur bei niedrig
legierten Aluminiumwerkstoffen, sondern auch bei höher legierten Werkstoffen anwendbar
ist. Im großen und ganzen hat es sich gezeigt, daß die Höhe der Festigkeit bei Raumtemperatur
nicht immer maßgebend ist für eine gute Dauerstandfestigkeit in der Wärme. Es zeigt
sich vielmehr, daß Legierungen mit einer mittleren Festigkeit um 30 bis 40 kp/mm2
in der Wärme ein besseres Verhalten zeigen als solche mit Festigkeiten über 40 kp/mm2.
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Der Chromzirkonidgehalt bewegt sich in der Größenordnung von 0,1 bis
0,4%.
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Das Verfahren wird so durchgeführt, daß zu der Schmelze Chrom und
Zirkonium möglichst im stöchiometrischen Verhältnis in Form einer Vorlegierung oder
in Form der reinen Metalle zugegeben werden. Anschließend können die Legierungen
auf
dem üblichen Wege warm verformt werden. Danach erfolgt eine
Lösungsverglühung entsprechend der jeweiligen Lösungsglühtemperatur der betreffenden
Legierung, so daß keine überhitzungs- oder Anschmelzerscheinungen auftreten, und
schließlich eine Abkühlung. Hieran schließt sich eine Kaltverformung an, gegebenenfalls
mit einer zwischengeschalteten Vorauslagerung bei Raumtemperatur. Nach der Kaltverformung
erfährt der Werkstoff eine Warmaushärtung zwischen 120° C und der Betriebstemperatur.
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Es'hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß die nach dem Lösungsglühen
vorgenommene Kaltverformung sich günstig auf das Dauerstandverhalten auswirkt. Sie
ist jedoch nicht in jedem Fall notwendig, da das Verfahren auch ohne zusätzliche
Kaltverformung bereits eine überraschende Erhöhung der Dauerstand- und Zeitstandfestigkeit
mit sich bringt. Die nachfolgenden Beispiele zeigen Legierungen, die durch die Zugabe
von Chromzirkonid und der vorbeschriebenen Behandlung eine hohe Dauerstand-und Zeitstandfestigkeit
erzielen lassen:
| 1. Cr ................... 0,15% |
| Zr ................... 0,15% |
| Rest Al mit 9911/o |
| Reinheitsgrad |
| 2. Mn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,2% |
| Cr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,2% |
| Zr ................... 0,2% |
| Rest Al 99 |
| 3. Mg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3% |
| Cr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,1% |
| Zr ......... ......... . 0,10/0 |
| Rest A199,5 |
| 3. a) Mg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3% |
| Mn . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,5010 |
| Cr .. . ... ..... . ....... 0,20/0 |
| Zr ................... 0,2% |
| Rest A199 |
| 4. Mg . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5010 |
| Mn .................. 0,511/o |
| Cr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,250/0 |
| Zr ................... 0,25% |
| Rest Al 99 |
| 5. Si . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,8% |
| Mg .................. 1% |
| Cu .................. 0,20% |
| Cr . .. . . . . .. .... . .... . 0,2511/o |
| Zr . . . .. . . . . . . . ... . .. . 0,2511/o |
| Rest Al 99 |
| 6. 02 ................... 15% |
| Cr . . . . . . . .. . . . . . . . . . . 0,411/o |
| Zr . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,40/0 |
| Rest A199 |
Die Angabe »Rest Al 99« bedeutet, daß das Beinaluminium die üblichen Verunreinigungen,
wie beispielsweise Fe, Si, Zn, Cu, Pb, Cd, Ti, V, B, Be, Mo, Mn, W, Li, Cer, 0z
und seltene Erden, in der Größenordnung von insgesamt unter 111/o enthalten kann,
da durch diese Zusätze die Erfindung nicht nennenswert beeinftußt wird.
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Die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen eignen sich für die Herstellung
von Gegenständen sowohl im gegossenen als auch im gekneteten oder gesinterten Zustand,
die einen besonderen Widerstand gegenüber der Einwirkung höherer Temperaturen unterhalb
der Solidustemperatur der jeweiligen Legierung aufweisen müssen. Als Beispiele seien
angeführt Verkleidungen von Flugzeugen, von Raketen oder Geschossen, die sich im
Betrieb auf höhere Temperaturen erhitzen, ferner für Gehäuse und Apparateteile,
wie beispielsweise Gebläse, Turbinenschaufeln, Roste, Armaturen, Schrauben usw.