DE1758820C3

DE1758820C3 - Verwendung einer AlZnCuMg-Legierung

Info

Publication number: DE1758820C3
Application number: DE1758820A
Authority: DE
Inventors: Edward Eugene Cleveland Ohio Stonebrock (V.St.A.)
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1967-08-23
Filing date: 1968-08-14
Publication date: 1973-12-20
Also published as: NL6812015A; DE1758820B2; FR1599739A; JPS4830804B1; US3598577A; NL139362B; GB1198034A; DE1758820A1

Description

Es sind bereits Gußlegierungen auf Aluminiumbasis mit verschiedener Zusammensetzung bekannt. Diese sind jedoch zum größten Teil durch eine nur mäßige Festigkeit charakterisiert, wie es typisch durch Zugfestigkeiten von 2110 bis 3160 kp/cm² und Streckgrenzen von 1760 bis 2810 kp/cm² zum Ausdruck kommt. Sie sind weiter durch eine relativ niedrige Dehnung charakterisiert, die im allgemeinen weniger als 3% beträgt und oftmals bei 1 bis l''₂% liegt, wodurch die Verwendbarkeit dieser Legierungen für Anwendungszwecke, für die sie ihre Zugeigenschaften geeignet machen würden, schwerwiegend behindert wud. Bekanntlich wird durch eine höhere Dehnung dem Material eine gewisse Flexibilität verliehen, so daß das Gußteil unvorhergesehenen Spannungen, die unter anderem oftmals dann auftreten, wenn die Teile zu bestimmten Vorrichtungen u. dgl. zusammengefügt werden, ausgleichen kann. Das Fehlen einergenügenden Dehnung stellt somit einen schwerwiegenden Hinderungsgrad dar, Gußteile für viele Anwendungszwecke einzusetzen, bei denen sie sonst im Vergleich zu geschmiedeten oder maschinell bearbeiteten Teilen beträchtliche wirtschaftliche Vorteile bieten würden.

Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 4 bis 4,5% Kupfer, 2 bis 5% Zink, 0,2 bis 0,6% Magnesium, 0,2 bis 0,6% Mangan, 0,15 bis 0,4% Titan, bis 0,008% Bor, höchstens 0,06% Eisen, höchstens 0,03% Silicium, höchstens jeweils 0,03% weiterer Verunreinigungen, wobei der Gesamtgehalt der weiteren Verunreinigungen höchstens 0,1% beträgt, Rest Aluminium, zur Herstellung von Gußteilen.

Aluminiumlegierungen ähnlicher Art sind bereits bekannt. Solche Legierungen werden beispielsweise in der österreichischen Patentschrift 171 148, der französischen Patentschrift 868 271, der belgischen Patentschrift 639 908, der USA.-Patentschrift 2248185 und der britischen Patentschrift 476 930 beschrieben.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung unterscheidet sich von denjenigen gemäß der ersten vier Druckschriften durch einen höheren Kupfergehalt. Sie unterscheidet sich durch einen niedrigeren Magnesiumgehalt von der aus der letztgenannten Druckschrift bekannten Legierung.

Aus der britischen Patentschrift 598 192 ist ferner eine Gußlegierung bekannt, die aus 4 bis 15% Zink, 0,5 bis 3,5% Magnesium, bis zu 1% Mangan, 0,05 bis 0,3 % Titan, 0,25 bis 3 % Kupfer, Rest Aluminium, mit anderen Wahlkomponenten und Verunreinigungen besteh'.. Demgegenüber unterscheidet sich die erfindungsgemäß verwendete Legieiungdurcheinenhöheren Kupfergehalt.

Durch Verwendung der hierin beschriebenen Legierung wird gegenüber den aus den obigen Druckschriften bekannten Legierungen der Vorteil erhalten, daß höhere Festigkeitswerte erzielt werden können. Insbesondere können bei der Herstellung von Gußteilen die besten Verhältniswerte von Festigkeit zu. Dehnung realisiert werden.

Gebrauchsgegenstände in Form von aus der verbesserten Legierung hergestellter Rohlinge zeigen,

ίο wenn sie wärmebehandelt, abgeschreckt und künstlich gealtert worden sind, eine hohe Festigkeit und in den Fällen, wo es wünschenswert ist, eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Rißbildung auf Grund von Spannungskorrosion. Beispielsweise kann die

Legierung, wenn sie, wie genauer nachstehend erläutert werden soll, gegossen und in geeigneter Weise wärmebehandeit worden ist, so hohe Zugfestigkeiten und Streckgrenzen wie 4920 kp/cm² und 4220 kp/cm² und höher sowie eine Dehnung in 5,08 cm Meßlänge von 10% aufweisen. Die Legierung kann durchweg Zugfestigkeiten und 0,2-Grenzen von 4570 bzw. 3870 kp/cm² sowie eine Dehnung von 8% erreichen. Die Legierung besitzt auch eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Rißbildung auf Grund von

Spannungskorrosion, obwohl die hierzu erforderliche Wärmebehandlung die durchweg erhältlichen Zugfestigkeiten und 0,2-Grenzen auf etwa 4220 bzw. 3520 kp/cm² leicht erniedrigt, wobei derartige Festigkeiten nichtsdestoweniger sehr erwünscht sind, wenn gegenüber Rißbildung auf Grund von Spannungskorrosion eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit erzielt wird. Die erfindungsgemäß verwendete Legierung kann auch eine Zugfestigkeit bei erhöhter Temperatur von über 2810 kp/cm² bei 177⁰C und über 2110 kp/cm² bei 232⁰C zusammen mit Dehnungen von über 12 und 17% bei den jeweiligen Temperaturen nach einer Aussetzungszeit von 100 Stunden erreichen.

Die erfindungsgemäß verwendete Legierung kann

unter Verwendung des gut bekannten Sandgußverfahrens gegossen werden. Die Bestandteile der Legierung können nach jeder beliebigen herkömmlichen Art vermischt werden. Auf Grund der bestehenden Grenzen der Verunreinigungen ist es wichtig, von einem geeigneten hochreinen Aluminium, vorzugsweise mit einer Reinheit von 99,9% und mehr, auszugehen. Bei der Herstellung von Rohlingen ist es höchst empfehlenswert, im Hinblick auf den Anschnitt, die Angüsse, das Abkühlen und das Behandeln der Schmelze vorsichtig zu verfahren, um den Gehalt an Gasen und anderen Verunreinigungen auf einem Minimum zu halten. Es ist auch zweckmäßig, beim Füllen der Form mit der geschmolzenen Legierung die Turbulenz auf einem Minimalwert zu halten. Das Abkühlen erfolgt vorzugsweise derart, daß eine aufeinanderfolgende Verfestigung erzielt wird. Die jeweiligen Techniken sind jedoch in der Gießereitechnik bekannt,' so daß an dieser Stelle ein weiteres Eingehen darauf nicht notwendig erscheint.

Zur Erzielung einer höheren Festigkeit und zur Verbesserung der weiteren Eigenschaften werden die Rohlinge lösungsgeglüht, abgeschreckt und warm ausgelagert. Die Lösungsglühung wird bei einer Temperatur von mindestens 51O⁰C durchgeführt, und zwar genügend lang, um alle löslichen Bestandteile in Lösung zu bringen. Eine bevorzugte Wärmebehandlung zur Lösung besteht darin, die Rohlinge 2 bis 8 Stunden auf 482 bis 504°C und dann 12 bis 48 Stunden auf mindestens 521⁰C zu erhitzen, wobei

die Temperatur jedoch niedrig genug ist, um ein Schmelzen zu vermeiden. Sodann wird der Rohling abgeschreckt, und zwar vorzugsweise in Wasser und auf 66^ÜC oder weniger, beispielsweise auf Raumtemperatur. Hierauf kann der Rohling zur vollständigen Ausbildung der gewünschten Eigenschaften ausgelagert werden. Die Aushärtung kann in geeigneter Weise 5 bis 48 Stunden bei einer in einem Bereich von 135 bis 204'C schwankenden Temperatur durchgeführt werden, und zwar jeweils in Abhängigkeit von den für den vorgesehenen Verwendungszsveck als wichtigsten angesehenen Eigenschaften. Allgemein werden, wenn die Kombination aus hoher Festigkeit und Dehnung von hauptsächlicher Bedeutung ist, die Rohlinge 5 bis 48 Stunden bei einer Temperatur von 135 bis 177^CC ausgelagert. Nach dem Sandgußverfahren hergestellte Muster für die Zugfestigkeitsuntersuchung ergaben nach einer derartigen Auslagerung so hohe Zugfestigkeiten und Streckgrenzen von 4920 kp/cm¹ bzw. 4220 kp/cm² und mehr sowie eine Dehnung in 5,08 cm von 10°/₀. Sandgegossene Testmuster mit der bevorzugten Zusammensetzung können bei einer derartigen Alterung durchweg eine minimale Zugfestigkeit und 0,2-Grenze von mindestens 4540 kp/ cm² bzw. 3870 kp/cm² und eine Dehnung in 5,08 cm Meßlänge von mindestens 7% erreichen. Wenn auf der anderen Seite die Widerstandsfähigkeit gegenüber Rißbildung auf Grund von Spannungskorrosion von primärer Bedeutung ist, dann wird die Auslagerung bei einer höheren Temperatur, nämlich bei 177 bis 204⁰C vorgenommen. Das Arbeiten bei höheren Temperaturen verringert die Auslagerungsdauer auf

2 bis 8 Stunden. Eine bevorzugte Behandlung erfolgt

3 bis 5 Stunden bei 182 bis 193⁰C. Während diese Behandlung eine beträchtliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungskorrosion ergibt, erniedrigt sie etwas die Zugeigenschaften, obwohl so behandelte Gießmuster für die Zugfestigkeitsuntersuchung durchweg eine Zugfestigkeit und 0,2-Grenze von 4220 bzw. 3520 kp/cm² und eine Dehnung von mindestens 5% in 5,08 cm Meßlänge erreichen können.

Im folgenden soll die Erfindung an Hand einiger Beispiele näher erläutert werden.

Beispiel 1

Versuchen zeigen Materialien, die gegenüber Spannungskorrosion genügend anfällig sind, um beim Betrieb zu Schwierigkeiten AnIaO zu geben, in weniger als 30 Tagen der Aussetzung Ausfälle. Materialien mit einer allgemein entsprechenden Widerstandsfähigkeit zeigen charakteristisjherweise in den ersten 30 Tagen der Aussetzung keine Ausfälle, wobei aber eine zunehmende Anzahl von Ausfällen auftritt, wenn der Rest der normalerweise 84 Tage la*ig dauernden

ίο Aussetzungszeit weiter fortschreitet. Materialien, die bei den Testbedingungen der 84-Tage-Periode wiederholt keine Ausfälle ergeben, werden als mit. der genügenden Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungskorrosion versehen betrachtet. Die Tabelle I zeigt einen Vergleich der Eigenschaften der Proben, die bei höheren und niederen Temperaturen ausgelagert worden waren,, im Hinblick auf Festigkeit und Anfälligkeit gegenüber Spannungskorr'osion.

Tabelle I

Auslage- rungs- tempe- ratur	Zug festigkeit (kp/cm²)	Streck grenze (kp/cm²)	"/„ Bruch dehnung in 5,08 cm Meß- l?.nge	Anfälligkeit gegenüber Spannungs korrosion
Niedrig Hoch	4920 4760	4220 4060	10 8	anfällig widerstands fähig

30 Aus der Tabelle wird ersichtlich, daß in den Fällen, wo die mechanische Festigkeit von primärer Bedeutung ist, eine Alterung bei niederer Temperatur bevorzugt wird. Es ist gleichfalls erwähnenswert, daß die bei den so behandelten Proben erreichte Dehnung von 10% höher ist als diejeivge, die bei der Auslagerung bei einer höheren Temperatur erzielt wird. Der Vorteil der Auslagerung bei höherer Temperatur stellt die dadurch erreichbare beträchtliche Widerstandsfähigkeit gegenüber Spannungskorrosion dar.

♦5

Standardtestproben mit einem Durchmesser von 0,13 cm mit einem 5,71 cm langen verringerten Abschnitt wurden getrennt in Sandformen ohne Kühleisen gegossen. Die Legierungszusammensetzung der Muster betrug etwa 4,3% Cu, 3% Zn, 0,35% Mg, 0,47% Mn, 0,25% Ti, 0,005% B, Rest Aluminium, und als Verunreinigungen 0,03% Fe und 0,02% Si. Die Proben wurden 5 Stunden bei 493⁰C und dann 30 Stunden bei 521°C lösungsgeglüht und hierauf in Wasser praktisch auf Raumtemperatur abgeschreckt. Die abgeschreckten Proben wurden in zwei Gruppen unterteilt. Die erste Gruppe wurde 12 Stunden bei der relativ niedrigen Temperatur von 160⁼C ausgelagert. Die andere Gruppe wurde bei der höheren Temperatur von 191°C ausgelagert, jedoch nur eine geringe Zeit von 5 Stunden. Von diesen Proben wurden nach der ASTM Specification E8-65T die Zugeigenschaften bestimmt. Zusätzlich wurden nach dem konstanten Biegeverfahren mit Proben, die auf 75% der 0,2-Grenze gespannt worden waren und abwechselnd in eine 3'/i%ige NaCl-Lösung eingetaucht worden waren, Spannungskorrosionsversuche durchgeführt. Bei diesen

Beispiel 2

Bei Legierungen auf Aluminiumbasis sind insbesondere dann, wenn die Festigkeit von Wichtigkeit ist, oftmals die Hochtemperatureigenschaften von Interesse. Mehrere Proben für die Zuguntersuchung aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung, die Aluminium, 4,3% Cu, 3% Zn, 0,4% Mg, 0,39% Mn, 0,24% Ti und als Verunreinigungen 0,02% Fe, 0,01% Si enthielt, wurden bei 177 und 204°C Zuguntersuchungen unterworfen. Die Proben wurden lösungsgeglüht, abgeschreckt und 5 Stunden bei 191°C ausgelagert. Nach 100 Stunden bei der Versuchstemperatur zeigten die Proben eine Zugfestigkeit von 3220 und 2450 kp/ern" bei Testtemperaturen von 177 bzw. 204⁰C. Die Bruchdehnung betrug bei den jeweiligen Temperaturen 16 bis 21%. Daraus wird ersichtlich, daß die Hochtemperatureigenschaften der erfindungsgemäß verwendeten Legierung mit den in einem identischen Test mit einer bekannten hochzugfesten Gußlegierung (mit einer Nominalzusammensetzung von 5% Si, 1,3% Cu und 0,5% Mg) erhaltenen Werten nicht nur vergleichbar waren, sondern diese sogar übertraf. Die bekannte Legierung wies bei 177 und 204⁰C Zugfestigkeiten von 2730 kp/cm² bzw. 1890 kp/cm* sowie eine etwas niedrigere Deh-

!lung auf. Die bekannte hochzugfesie Gußlegierung wird im allgemeinen als eine Legierung mil guten Hochtcmperaturzugfestigkeitseigenschafien hei räch let. Diese Vergleidislegierung wurde in einer permanenten ! orni gegossen, die ihr bessere Eigenschaften verlieh, als sie mit einer Sandform erhalten wurden wäre.

In den vorstehenden Beispielen und in dem größten Teil der Beschreibung wird die erlindungsgemäß verwendete Legierung an Hand von Eigenschaften beschrieben, wie sie von Testproben für die Zugfestigkeitsuntersuchung gezeigt werden, da auf diese Weise bezüglich der Definition der wirklichen f'estigkeitseigenschaften der Legierung die deutlichsten Ergebnisse erzieh werden. Es ist aber bekannt, daß wegen der Gußvariablen die Zugfestigkeitseigenschaften einer Legierung von einer Gußgestalt zur anderen schwanken und daß weiterhin bei Testproben, die aus verschiedenen Teilen eines bestimmten Rohlings entnommen werden, beträchtliche Schwankungen auftreten. Die nachstehenden Beispiele zeigen deutlich, daß Gußgegenstände und Produkte mit einer technisch brauchbaren Gestalt, die aus der erfindungsgemäß verwendeten Legierung hergestellt sind, Zugfestigkeiten von mindestens 3160, typischerweise von etwa 3990 bis etwa 4690 kp/cm², 0,2-Grenzen von mindestens 2460, typischerweise von etwa 3520 bis etwa 3870 kp/cm² und Bruchdehnungen von mindestens 3°/„ bis zu 9 °/₀ in 5,08 cm Meßlänge besitzen.

Beispiel 3

Ein Hohlzylinder mit einer Länge von etwa 30,4 cm und einem Durchmesser von etwa 20,3 cm wurde unter erfindungsgemäßer Verwendung einer Legierung, die aus Aluminium, 4,2% Cu, 3,1 °/₀ Zn, 0,42% Mg, 0,37% Mn, 0,23% Ti, 0,03% Fe, 0,07% Si bestand, gegossen. Es wurden mehrere derartige Zylinder gegossen, wobei Sandformen und -kerne eingesetzt wurden. Nach Entnahme aus der Form und der Vorreinigung wurden die Rohlinge 5 Stunden bei 4^Q3°C und dann 24 Stunden bei 521 "C lösungsgeglüht. Die Rohlinge wurden hierauf durch Eintauchen in Wasser von 66°C abgeschreckt und in zwei Gruppen unterteilt. Eine Gruppe wurde 20 Stunden bei 160^cC und die andere Gruppe 5 Stunden bei 191^c C ausgelagert. Aus den Kopf- und Seitenwändenflächen mehrerer dieser Rohlinge wurden Testmusler entnommen. Bei den Zuguntersuciiungen der maschinell bearbeiteten Testbarren wurden die in der nachstehenden Tabelle 11 angegebenen Ergebnisse erhalten.

Tabelle II

Auslagerungs	Biirren-	Zug	0,2-	Bruch
temperatur	iiumiTitr	festigkeit	Grenze	dehnung
VC)	1	(kp/cm²)	(kp/cm²)	CVo)
	2	4190	3730	4,0
1 ΑΓΪ	3	4380	3780	7,5
IuU	4	4270	3840	8,0
	1	4360	3750	9,0
	2	4100	3710	3,0
1Ot	3	4250	3610	6,0
	4	4280	3640	8.0
	4330	3780	4,0



191 ,

I

Beispiel 4

Unter Verwendung des gleichen Metalls wie im Heispiel 3 wurde ein mehrilügeliges Schaufelrad mit einem Basisdurchmesser von etwa 10,16 cm und einer Höhe von etwas über 7,62cm gegossen. l^:.s wurden mehrere derartige Rohlinge angefertigt, wobei durchlässige Gipsformen mit in geeigneter Weise angebrachten Kühleisen verwendet wurden. Die Rohlinge

ίο wurden wie im Beispiel 1 lösiingsgeglüht, abgeschreckt und ausgelagert. In Tabelle III sind die Ergeh,iis^e von Zugunlersuehungen von Standardbarren, die aus diesen Rohlingen maschinell hergestellt worden waren, dargestellt.

Tabelle 111

Auslagerungs- lempenitur ( C)	Zug- fesiigke·! (kp/cm'·(	0,2-Grenze (kp/cm⁵)	Bruch- dchnune (",„)
20 160 191	4440 4340	3780 3640	12,5 5,0

Beispiel 5

Unter erfindungsgemäßer Verwendung Legierung, die aus Aluminium, 4,4% Cu, 30% Zn, 0,45% Mg, 0,41% Mn, 0,06% Ti, 0,001% B, 0,02% Fe und 0,02% Si bestand, wurden Flugzeugarmrohlinge hergestellt. Die Rohlinge hatten L-Gestalt mit Abschnitten mit I-Form. Zwei dieser Rohlinge wurden 5 Stunden bei 493 und 24 Stunden bei 521" C lösungsgeglüht und durch Eintauchen in Wasser von 66^CC abgeschreckt. Der eine Rohling wurde 20 Stunden bei 160C und der andere 5 Stunden bei 191^:C ausgelagert. In Tabelle IV sind die Ergebnisse von bearbeiteten Zugbarren, die aus jedem Rohling entnommen worden waren, dargestellt.

Tabelle IV

Aus- lagcrungs- tempcratur CC)	Maximum Durchschnitt Maximum Durchschnitt	Zug festigkeit (kp/cm²)	0,2- Grenze (kp/cm²)	Bruch- dehnune ("/Ό)
160 { 191 j	4730 4110 4360 4010	3850 3550 3750 3470	8,5 6,0 9,0 5,6

Der bei 191'C ausgelagerte Rohling zeigte in fünf abgekühlten Flächen folgende Eigenschaften:

55	Maximum .... Durchschnitt	Zug festigkeit (kp/cm²)	0.2-Grenzc (kp/cm²)	Bruch dehnung r/o)
4360 4230	3650 3580	9,0 7,0

Aus dem Vorstehenden wird ersichtlich, daß die crfindunpsgemäß verwendete Legierung sowohl bei Raum- als auch bei Hochtemperaturen eine sehr hohe Festigkeit besitzt, die mit einer beträchtlichen

Widerstandsfähigkeit gegenüber Rißbildung auf Grund von Spannungskorrosion cinhergeht.

Claims

1 758 82C

Patentanspruch:

Verwendung einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 4 bis 4,5% Kupfer, 2 bis 5°/_u Zink, 0,2 bis 0,6% Magnesium, 0,2 bis 0,6% Mangan, 0,15 bis 0,4% Titan, bis 0,008% Bor, höchstens 0,06% Eisen, höchstens 0,03% Silicium, höchstens jeweils 0,03% weiterer Verunreinigungen, wobei der Gesamtgehalt der weiteren Verunreinigungen höchstens 0,1% beträgt, Rest Aluminium, zur Herstellung von Gußteilen.