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Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit
von Werkstücken aus einer kupferfreien Aluminiumlegierung Die Erfindung betrifft
ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Spannungskorrosionsbeständigkeit
geschmiedeter bzw. gepreßter Werkstücke aus einer kupferfreien Aluminiumlegierung
aus 3,5 bis 6 0/, Zink, 0,75 bis 4,3 0/, Magnesium,
0,05 bis 0,75 0/,
Mangan, 0,05 bis 0,300/, Chrom, Rest Aluminium,
in der der Zinkgehalt nicht geringer ist als der Magnesiumgehalt, wobei die Werkstücke
lösungsgeglüht, abgeschreckt und warmausgelagert werden.
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Es ist bekannt, daß Aluminiumlegierungen, die wesentliche Mengen Zink
und Magnesium enthalten, allgemein eine hohe Festigkeit entwickeln, wenn sie lösungsgeglüht
und ausgelagert werden. So wird in »Auszüge deutscher Patentanmeldungen«, Bd.
19
(1948), S. 488 (Aktenzeichen M 158144 Vla), eine Behandlung von
Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen durch Lösungsglühen, Abkühlen und zweistufiges
Warmauslagern beschrieben. Aus der USA.-Patentschrift 2 865 796 ist ferner
bekannt, daß spannungsrißkorrosionsbeständige Aluminiumlegierungen, die 4 bis 120/,
Zink, 1 bis 60/, Magnesium, 0,1 bis 1,5010 Mangan und
0,05 bis 0,60/, Chrom enthalten, durch Lösungsglühen, Abschrecken
und Auslagern in kochendem Wasser erzeugt werden können. Eine ähnliche Zielsetzung
liegt der deutschen Patentschrift 972684 zugrunde, in der eine Aluminiumlegierung
vorgeschlagen wird, in der das Verhältnis Magnesium zu Zink 1: 8 bis 1.-
1 beträgt.
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Nachteilig an den üblichen Zink und Magnesium enthaltenden Legierungen
ist, daß nicht alle diese Legierungen auf die gleiche Behandlung in der gleichen
Weise ansprechen und daß durch eine unangemessene Wärmebehandlung die Korrosionsbeständigkeit
nachteilig beeinflußt werden kann. Ein weiterer Faktor, der einen starken Einfluß
auf die Eigenschaften dieses Legierungstyps ausübt, ist die Gegenwart von anderen
Legierungselementen. Unter den Elementen, die häufig in Kombination mit Zink und
Magnesium verwendet werden, befindet sich das Kupfer, das gewöhnlich zugesetzt wird,
um eine Erhöhung der Festigkeit zu bewirken. Obgleich das Kupfer in dieser Beziehung
günstige Wirkungen ausübt, ändert es das Verhalten der Legierungen in einer korrodierenden
Umgebung nachteilig. Obgleich insbesondere durch Verwendung kupferfreier Aluminiumlegierungen
große Anstrengungen unternommen worden sind, Aluminiumlegierungen mit immer größerer
Festigkeit herzustellen, besteht noch immer ein Bedarf an Legierungen, die einen
mäßigen Festigkeitsbereich aufweisen und die sich nach sämtlichen üblichen Verfahren,
wie z. B. durch Walzen, Schmieden, Strangpressen u. dgl., leicht zu Werkstücken
verarbeiten lassen, die erhöhte .Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion aufweisen.
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit
und Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion geschmiedeter bzw. gepreßter Werkstücke
aus einer kupferfreien Aluminiumlegierung aus 3,5 bis 6 0/, Zink,
0,75 bis 4,3 0/(, Magnesium, 0,05 bis 0,75 0/, Mangan,
0,05 bis 0,30 % Chrom, Rest Aluminium, in der der Zinkgehalt nicht
geringer ist als der Magnesiumgehalt, wobei die Werkstücke lösungsgeglüht, abgeschreckt
und warmausgelagert werden. Dieses Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man
die Werkstücke einer Lösungsglühbehandlung innerhalb des Temperaturbereiches von
371 bis 521'C, jedoch unterhalb der Temperatur, bei der irgendeine
Legierungsphase zu schmelzen beginnt, unterwirft; daß man die Werkstücke mindestens
so lange innerhalb
des genannten Temperaturbereiches hält, bis eine
praktisch vollständige Auflösung des Zinks und Magnesiums eingetreten ist; daß man
die lösungsgeglühten Werkstücke mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als
111 grd/Sek. auf eine Temperatur von 121'C oder darunter abkühlt;
daß man die abgekühlten Werkstücke während mindestens 72 Stunden bei Raumtemperatur
hält; daß man die Werkstücke danach in zwei Stufen auslagert, wobei sie zunächst
auf 93 bis 121'C erhitzt und innerhalb dieses Temperaturbereiches
4 bis 24 Stunden lang gehalten werden und dann die teilweise ausgelagerten Werkstücke
auf 138 bis 160'C erhitzt und 8 bis 24 Stunden lang innerhalb
dieses Temperaturbereiches gehalten werden und daß man sie schließlich auf Raumtemperatur
abkühlt.
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Die zur Herstellung der Werkstücke verwendeten Legierungen müssen
zunächst Zink und Magnesium innerhalb der angegebenen Grenzen aufweisen, damit sich
bei ihrer erfindungsgemäßen Behandlung die gewünschten Eigenschaften entwickeln
können; der Magnesiumgehalt darf dabei den Zinkgehalt nicht überschreiten. Wenn
geringere Mengen von Zink und Magnesium zugegen sind, entwickeln die Werkstücke
nicht die gewünschte Festigkeit oder Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit, während
andererseits größere Mengen dieser Metalle zu Verarbeitungsproblemen sowie ebenfalls
zu einer Verschlechterung der Werkstückeigenschaften führen. Obgleich Zink und Magnesium
die Hauptlegierungsbestandteile sind, müssen außerdem noch verhältnismäßig geringe
Mengen Mangan und Chrom vorliegen. Diese Elemente sind beim Gießen und Bearbeiten
der Legierungen vorteilhaft und tragen zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit
bei. Geringere Mengen als die oben angegebenen haben nicht die gewünschte Wirkung,
während größere Mengen zu Gieß- und Verarbeitungsproblemen führen. Zur Verbesserung
der Eigenschaften der Werkstücke können gegebenenfalls außerdem 0,05 bis
0,30 % Zirkonium, 0,01 bis 0,15 % Titan und/oder
0,0005 bis 0,02 % Bor zugegeben werden. In den Legierungen können
weiter die üblichen Verunreinigungen, wie Eisen und Silicium, enthalten sein, doch
darf der Gesamtgehalt an Eisen plus Silicium 0,6 % nicht überschreiten. Kupfer
kann zwar als Verunreinigung zugegen sein, doch darf dessen Menge 0,100/,
nicht überschreiten. Aus diesem Grunde werden die Legierungen im vorliegenden Rahmen
als »kupferfrei« bezeichnet. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine optimale
Kombination erwünschter Eigenschaften der fertig verformten Werkstücke aus Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen
erreicht.
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Erfindungsgemäß wird speziell bei den behandelten Werkstücken eine
Erhöhung ihrer Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion erzielt, ohne ihre Festigkeit
in irgendeiner Weise zu beeinträchtigen. Ein weiterer Fortschritt der Erfindung
besteht insbesondere darin, daß es bei den genannten Legierungen möglich ist, sowohl
die Festigkeit als auch die Beständigkeit der Werkstücke gegenüber Spannungskorrosion
über diejenigen Werte hinaus zu erhöhen, wie sie normalerweise nach nur einstufigem
Warmauslagern erzielt werden konnten, Im Gegensatz zur bisherigen allgemeinen Erfahrung
mit Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen wird erfindungsgemäß die hohe Beständigkeit
gegenüber Spannungsrißkorrosion erreicht, ohne daß eine Über-Auslagerung vorläge.
Es wurde gefunden, daß Zugfestigkeit und Streckgrenze der Werkstücke durch das erfindungsgemäße
Verfahren im Vergleich zu den Werten, die bei der üblichen einstufigenWarmauslagerung
erhaltenwerden, um 1,41 kp/mm2 und mehr erhöht werden konnten, woraus ersichtlich
ist, daß keine Überauslagerung stattgefunden hat. Die Beständigkeit der Werkstücke
gegenüber Spannungsrißkorrosion ist ebenfalls höher als bei den handelsüblichen
bekannten geschmiedeten Werkstücken aus Aluminium-Zink-Magnesium-Kupfer-Legierungen,
die in üblicher Weise lösungsgeglüht und warmausgelagert wurden, und auch höher
als diejenige von Werkstücken aus kupferfreien Aluminiumlegierungen, die lediglich
eine einstufige Auslagerung erhalten haben.
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Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen werden nach den für Aluminiumlegierungen
dieses Typs -üblichen Verfahren erschmolzen, gegossen und zu Werkstücken verarbeitet.
In denjenigen Fällen, wo das Werkstück warmverformt werden soll, kann die Lösungsglühbehandlung
unmittelbar vor der Warmverformung, die Verformung bei einer Temperatur innerhalb
des Lösungsglühtemperaturbereiches vorgenommen und sodann langsam auf Raumtemperatur
abgekühlt werden, wie es weiter unten ausführlicher beschrieben wird. In anderen
Fällen wird die Lösungsglühbehandlung an den geschmiedeten oder gepreßten Werkstücken
vorgenommen und diese danach mit einer Geschwindigkeit unterhalb des weiter unten
angegebenen Maximalwertes auf Raumtemperatur abgekühlt. Die zum Lösungsglühen erforderliche
Zeitdauer hängt von der Dicke des Werkstückes, der Größe der Beschickung und der
Glühtemperatur ab. Beim Lösungsglühen von Blech z. B. kann die Glühdauer nur
3 oder 4 Minuten betragen, während zur Behandlung eines Gußblockes oder eines
großen geschmiedeten Werkstückes gewöhnlich 1 bis 8 Stunden erforderlich
sind. Allgemein sind im unteren Temperaturbereich längere Glühzeiten erforderlich
als im oberen Bereich. Die Lösungsglühbehandlung wird vorzugsweise bei
399 bis 466'C durchgeführt.
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Wenn das lösungsgeglühte Werkstück warmverformt werden soff, wird
es bei einer Temperatur oberhalb 371'C, der Mindesttemperatur für das Lösungsglühen,
in die Bearbeitungsvorrichtung übergeführt. Wahlweise kann das lösungsgeglühte Werkstück
auch auf Raumtemperatur abgekühlt und später zur Verarbeitung innerhalb des oben
angegebenen Lösungsglühbereiches erneut erhitzt werden, wobei Zink und Magnesium
in fester Lösung vorliegen. Die Warmverformung kann Walzen, Strangpressen, Schmieden
u. dgl. oder Kombinationen dieser Verfahren einschließen. Das Werkstück kann selbstverständlich
ohne Schaden für eine längere Zeit auf Lösungsglühtemperatur gehalten werden, als
für eine Lösung des Zinks und Magnesiums erforderlich ist.
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Nach Beendigung der Lösungsglühbehandlung bzw. Warmverformung des
Werkstückes wird mit verhältnismäßig geringer Geschwindigkeit, die durchschnittlich
111 grd/Sek. nicht überschreitet, auf mindestens 121'C
abgekühlt. Diese
Geschwindigkeit ist im Vergleich z. B. zu deidenigen mit kaltem Wasser, wo die durchschnittliche
Abkühlungsgeschwindigkeit 1110 grd/Sek. beträgt, gering. Im Falle eines stranggepreßten
oder warmgewalzten Werkstückes kann dieses fortschreitend in dem Maße abgekühlt
werden, wie es die Matrize bzw. die Walzen verläßt. Es wurde gefunden,
daß
Abkühlungsgeschwindigkeiten von mehr als 111 grd/Sek. nachteilig auf die
Beständigkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion wirken. Auf der anderen Seite ist
der Abkühlvorgang nicht über eine in der Fertigungsanlage tragbare Zeitdauer hinaus
zu verzögern. Gewöhnlich wird es sich um Minuten handeln, wenn Bleche oder kleine
Profile abgekühlt werden, doch können zur Abkühlung von Werkstücken mit großem Querschnitt
längere Zeiten erforderlich sein. Das Abkühlmedium kann je nach der Masse
der abzukühlenden Werkstücke variieren. Für Werkstücke mit geringerem Querschnitt,
die direkt nach der Lösungsglühbehandlung abgekühlt werden sollen, kann heißes bzw.
kochendes Wasser angemessen sein, während größere Querschnitte ein drastischer wirkendes
Kühlmedium erfordern. Schon ein Luftstrahl oder ein Wassersprühstrahl kann gegebenenfalls
ausreichend sein, um die notwendige verzögerte Abkühlung zu erzielen. Es wurde gefunden,
daß bereits Abkühlungsgeschwindigkeiten von nur 2,2 grd/ Sek. zu zufriedenstellenden
Ergebnissen führen.
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Die verzögerte Abkühlung des lösungsgeglühten Werkstückes scheint
zu einem Gefüge zu führen, das für den Erfolg der anschließenden zweistufigen Warmauslagerung
erforderlich ist. Ein rasch abgekühltes Werkstück besitzt demgegenüber den erforderlichen
Gefügezustand nicht.
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Im Anschluß an das Abkühlen auf Raumtemperatur wird das Werkstück
mindestens 72 Stunden bei dieser Temperatur zwischengelagert, ehe die zweistufige
Warmauslagerung beginnt. Die Werkstücke können auch für längere Zeit zwischengelagert
werden; doch wird in bezug auf die Eigenschaften des Endproduktes durch eine solche
Verlängerung der Zwischenlagerungszeit kein Vorteil erzielt. Wenn die Zwischenlagerungszeit
nicht mindestens 72 Stunden beträgt, wird die gewünschte Festigkeit des fertigen
Werkstückes nicht erreicht. Während dieser Zeit erfolgt nämlich eine gewisse Kaltaushärtung,
wie sich an der Zunahme der Festigkeit erkennen läßt. Auf keinen Fall aber ist die
Zunahme der Festigkeit mit derjenigen des fertig verformten Werkstückes zu vergleichen.
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Ehe die Warmauslagerung vorgenommen wird, kann es wünschenswert sein,
die verformten Werkstücke zu richten bzw. restliche Spannungen auf ein Minimum zu
verringern, indem eine geringfügige Kaltverf ormung vorgenommen wird, gewöhnlich
um 'weniger als 5 0/,.
Dieses Ausmaß der Kaltverformung hat auf die
Eigenschaften des Endproduktes keine nachteilige Wirkung.
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Die erfindungsgemäße zweistufige Auslagerungsbehandlung besteht darin,
daß das abgekühlte Werkstück zunächst auf 93 bis 121'C erhitzt und
4 bis 24 Stunden bei dieser Temperatur gehalten wird. Der erfindungsgemäß angegebene
Temperatur- und Zeitbereich ist wichtig, denn bei niedrigeren Temperaturen und kürzeren
Zeiten tritt die erforderliche Auslagerung nicht ein. Auf der anderen Seite führen
höhere Temperaturen und längere Zeiten zu einer Über-Auslagerung, was vermieden
werden muß. Nach der ersten Auslagerungsstufe kann das Werkstück auf Raumtemperatur
abgekühlt und für die zweite Stufe erneut erhitzt werden. Das Werkstück kann aber
auch unmittelbar von der Temperatur der ersten Auslagerungsstufe auf die höhere
Temperatur der zweiten Auslagerungsstufe zwischen 138 und 160'C
erhitzt
werden. Innerhalb dieses Temperaturbereiches wird das Werkstück 8 bis 24
Stunden gehalten; danach wird es auf Raumtemperatur abgekühlt. Diese Temperaturen
und Zeiten sind in bezug auf die Erzielung der erfindungsgemäßen Ergebnisse von
ausschlaggebender Bedeutung.
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Die mechanischen Eigenschaften des fertigen Werkstückes sind von Lage
des Probekörpers zur Verformungsrichtung abhängig, d. h. ob er längs oder
quer zur Verformungsrichtung entnommen wurde. Die Mindestzugfestigkeit des fertigen
Werkstücks liegt in der Größenordnung von 29,50 kp/MM2 und die Mindeststreckgrenze
bei etwa 24,60 kp/mm2.
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Die Spannungskorrosionsbeständigkeit wird gewöhnlich mit Hilfe einer
beschleunigten Korrosionsprüfung bestimmt; im vorliegenden Falle wurden zwei Verfahren
angewendet. Bei dem einen Verfahren wird der Probekörper unter eine Spannung entsprechend
750/, seiner Streckgrenze gebracht, bei dem anderen Prüfverfahren werden
Blechstreifen um einen Dorn U-förmig herumgebogen. Bei letzterem Prüfverfahren werden
die Streifen unter konstanter Durchbiegung geprüft, wie es in einem Aufsatz der
American Society for Testing Materials »Special Technical Publication% Nr. 64,
S. 255 bis 272 (1944), beschrieben wird. Bei beiden Prüfverfahren
werden die Probekörper abwechselnd in eine wäßrige 3,50/,ige NaCI-Lösung eingetaucht
und wieder herausgehoben. Wenn sämtliche Probekörper einer Gruppe eine Versuchsdauer
von 40 Tagen ohne Reißen bzw. Zerbrechen überstehen, werden sie als praktisch beständig
gegenüber Spannungsrißkorrosion angesehen.
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Bei einer weiteren beschleunigten Korrosionsprüfung wird der Probekörper
unter einer Spannung, die 75 0/, seiner Streckgrenze entspricht, in eine
wäßrige Lösung eingetaucht, die 300 g NaC1 und 20 g Na2Cr0,
je Liter destilliertes Wasser enthält. In die Lösung wird eine geeignete
Kathode (Platindrahtsieb) eingetaucht, wobei der unter Spannung stehende Probekörper
mit einem Potential von 100 mV als Anode geschaltet ist. Wenn der Probekörper
eine Versuchsdauer von 24 Stunden ohne Reißen übersteht, ist er als hochspannungskorrosionsbeständig
anzusehen.
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Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielte Verbesserung wird
durch die folgenden Vergleichsbeispiele erläutert, bei denen Bleche von
1,62 mm Dicke verschiedenen Wärmebehandlungen unterworfen und anschließend
geprüft wurden. Die Zugfestigkeit wurde an Standard-Probekörpern bestimmt. Die Probekörper
für die Korrosionsversuche wurden, wie oben beschrieben, kaltverformt, ehe sie dem
korrodierenden Medium ausgesetzt wurden. Die beiden Versuchslegierungen hatten folgende
Zusammensetzung:
(A) 4 0/, Zink, 2
0/, Magnesium,
0,3 0/, Mangan,
0,10/0 Chrom, Rest Aluminium, (B) 4
0/0 Zink,
3 0/0 Magnesium,
0,05 0/, Mangan, 0,10/, Chrom, Rest Aluminium.
Angaben über
die Wärmebehandlungen macht die Tabelle
1.
Tabelle 1 |
Lösungs- Zwischen- Warmauslagerung |
Legie- Wärine- glüh- Glüh- lagerung bei erste zweite |
rung behandlung temperatur dauer Kühlmedium Raum- Tempera-
Stunden Tempera- Stunden |
Nr. turstufe turstufe |
OC Stunden temperatur OC C |
A 1 460 1 kaltes Wasser ja 121 48
- - |
2 460 1 siedendes Wasser ja 107 8 149
16 |
B 3 493 1 stillstehende Luft nein 121 48
- - |
4 493 1 stillstehende Luft ja 107 8 149
16 |
5 399 1 kaltes Wasser nein 121 48 - - |
6 399 1 siedendes Wasser ja 107 8 149
16 |
Die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit des Bleches betrug in kaltem Wasser
111 grd/Sek., in siedendem Wasser nicht mehr als 22 grd/Sek. und in stillstehender
Luft etwa 2,2 grd/Sek. Die Lagerung der Proben bei Raumtemperatur wurde über einen
Zeitraum von
72 Stunden oder länger durchgeführt.
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Die durchschnittlichen Festigkeitswerte der nach dem obigen Schema
ausgehärteten Proben sind in der folgenden Tabelle 2 angegeben.
Tabelle 2 |
wärine- zug- Streck- Deh- |
Legierung behandlung festigkeit grenze nung |
Nr. kp/nirn' kp/nim' 1/o |
A 1 40,1 35,3 13 |
2 41,7 37,0 14 |
B 3 44,3 35,8 14 |
4 46,4 39,4 13 |
5 47,1 41,5 13 |
6 48,5 42,8 13 |
Es ist ersichtlich, daß die zweistufige Warmauslagerung in jedem Fall zu einer Verbesserung
der Festigkeitseigenschaften geführt hat und bei der Abkühlung mit Luft die Zwischenlagerung
bei Raumtemperatur günstige Wirkungen auf Zugfestigkeit und Streckgrenze hatte.
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Bei den Korrosionsprüfungen wurde
je drei Probekörper mit Nummer
1 bis 4 einer konstanten Durchbiegung unterworfen und
je drei Proben
mit Nr.
5
und
6 einer Spannung entsprechend 7511/0 ihrer Streckgrenze
ausgesetzt, während das korrodierende Medium auf sie einwirkte. Die Ergebnisse dieser
Prüfungen sind in Tabelle
3 angegeben.
Tabelle 3 |
Beständigkeit gegenüber Spannungsrißkorrosion |
Wärme- Tage bis zum Reißen bzw. |
Legierung behandlung Brechen der Proben |
Nr. |
A 1 3 in 3 Tagen |
A 2 1 in 97 Tagen, 1 in 112 Tagen, |
1 noch in Prüfung |
B 3 1 in 19 Tagen, 1 in 91 Tagen, |
1 in 140 Tagen |
B 4 kein Reißen bzw. Zerbrechen |
in 5 Monaten |
B 5 3 in 34 bis 39 Tagen |
B 6 kein Reißen bzw. Zerbrechen |
in 5 Monaten |
Aus den obigen Ergebnissen gehen die günstigen Wirkungen der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung
hervor,
d. h., eine verbesserte Festigkeitistgleichzeitig mit verbesserter
Spannungskorrosionsbeständigkeit zu erreichen.
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Bei einem weiteren Prüfversuch wurde eine Legierung der folgenden
Zusammensetzung verwendet: 3,900/, Zink, 2,87 "/, Magnesium, 0,25 0/0
Mangan, 0,18 0/0 Chrom, 0,02 0/0 Titan, 0,04 "/, Kupfer,
0,11 %
Eisen, 0,06 0/0 Silicium, Rest Aluminium. Zwei 7,6 cm
dicke Platten aus der Legierung wurden bei 460'C lösungsgeglüht und auf
6 cm warmgewalzt. Eine Platte wurde in kaltem Wasser abgeschreckt, während
die andere Platte in Wasser von 82'C eingetaucht wurde. Bei dem letzteren Kühlverfahren
betrug die Abkühlgeschwindigkeit etwa 5,6 grd/Sek. Die schroff abgeschreckte
Platte wurde während 48 Stunden bei 121'C ausgelagert, wogegen die andere
in zwei Stufen ausgelagert wurde, und zwar zunächst 8 Stunden bei
107'C und danach 16 Stunden bei 149'C. Die mechanischen Eigenschaften
der mit kaltem Wasser abgeschreckten Platte waren wie folgt: Zugfestigkeit
............... 40,1 kp/mm' Streckgrenze ............... 31,7 kp/mm2
Dehnung .................. 60/0 Die andere Platte wies eine Zugfestigkeit
von 42,2 kp/MM2, eine Streckgrenze von 34,8 kp/mm2 und eine Dehnung von
7 % auf. Proben der beiden Platten wurden der oben beschriebenen elektrolytischen
Korrosionsprüfung unterworfen. Die aus der schroff abgeschreckten Platte hergestellten
Proben rissen nach 12,5 Stunden, während die aus der anderen Platte hergestellten
Probekörper nach 24 Stunden Versuchsdauer noch nicht gerissen waren, was die Vorteile
des langsamen Abkühlens sowie der zweistufigen Warmauslagerung gemäß vorliegender
Erfindung unterstreicht.