DE1908473A1

DE1908473A1 - Aushaerten von Legierungen in einem einzigen Verfahrensschritt

Info

Publication number: DE1908473A1
Application number: DE19691908473
Authority: DE
Inventors: Dr Ludwig Ettenreich
Original assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Current assignee: Andritz Hydro GmbH Austria
Priority date: 1968-02-27
Filing date: 1969-02-20
Publication date: 1969-09-18
Also published as: FR2002681A1; DE1908473C3; GB1257261A; DE1908473B2; AT309837B; CH493635A; BE729036A; US3801382A

Description

n₃. Dipl. öse. pm.'

^Di£T3^!l^LS'{;'^i?gSiCY

2Ä Feb. 1869

ELIN-Union Aktiengesellschaft für elektrische Industrie in.Wien.

Aushärten, von Legierungen in einem einzigen Verfahrensschritt

Angemeldet am Beginn der Patentdauer

Eine große Anzahl von Legierungen mit zwei oder mehreren Legierungselementen kann ausgehärtet werden. Unter Aushärtung wird ein metallurgischer Prozeß verstanden, der zur Erhöhung der Härte und der Festigkeit einer Legierung dient.

Die grundsätzliche Voraussetzung für eine Aushärtung ist, daß das hauptsächliche Legierungselement eines Werkstoffes die Fähigkeit besitzt _r die für eine Aushärtung notwendigen weiteren Legierungsbestandteile in fester Lösung aufzunehmen. Das Lösungsvermögen selbst ist temperaturabhängige

Nach dem derzeitigen Stand der Technik erfolgt eine Aushärtung in zwei oder drei aufeinanderfolgenden Schritten und swars

1 „ Ein Lösungsglühen (Homogenisierungsglühen) der Legierung einschließlich einer Abschreckung auf Raumtemperatur<,

Durch das Lösungsglühen werden ausgeschiedene Kristalle in den Kristallin des Hauptlegierungsbestandteiles in feste Lösung gebracht» Durch Abschreckung wird der bei der Lösungstemperatur vorhandene Lösungszustand auch bei Raumtemperatur vorerst aufrecht erhalten. Es liegt aber bei Raumtemperatur dann ein übersättigter Mischkristall vor_p äer sich nicht mehr im thermodynamischen. Gleichgewicht befindet νω.ά daher das Bestreben hat_f ■ unter Bildmsg von Ausseheidüngen in" einen gesättigten liseh.= kristall üb@rzugeh@n*. Burch das Lösyngsglühsn mit Albschreekung ' bereits ©in Anstieg ies⁵ Hart© und eier festigkeit.

ORiGIHAL !NSPECTI

2. Eine Kaitauslagerung der lösungsgeglühten und abgeschreckten Legierung bei Raumtemperatur.

Bei einer Kalta.uslagerung treten bereits Entinischungs\^rorgänge in dem übersättigten Mischkristall auf, die zu einer weiteren.." Selbsthärtung führen.

3. Eine Warmaus lage rung (Anlassen oder Tempern) der legierung sofort nach Abschreckung oder Kaltauslagerung.

Durch ein Anlassen bis zu bestimmten Temperaturen kommt es su Ausscheidungen des Mischkristalls in hochdisperser Form.-" Solange diese Ausscheidungen hochdispers sind, erfolgt eine noehmalige Steigerung der Härte und der Festigkeit,--Wird aber eine bestimmte Temperatur, der sogenannte "kritische Dispersionsgrad" überschritten, so erfolgen die Ausscheidungen nicht mehr in hochdispe'rser Form, sondern grobkörnig? wodurch es zu einer Entfestigung kommt. . ■·,■■-- ".

Ein manchmal nach einer Kalt- und/oder Warmauslagerung noch vorgenommener Kalt&ugj der au einer weiteren Verfestigung der Legierung führt,, ist ein rein mechanisch durchgeführter Prozeß', der in keinem Zusammenhang mit der Aushärtung steht und auf den daher hier nicht näher eingegangen wird«,

Eine Auslagerung bei Raumtemperatur wird auch als "Kaltaushartung" und ein Anlassen als "Warmaushärtung⁵⁵ bezeichnet»

Entgegen dem derzeitigen Stand der Technik ermöglicht es daserfindungsgemäße ■ Verfahren_p in einem einzigen Verfahrensschritt■, CLhO, nur durch ein Lösungsglühen einschließlich Abschreckung_s bei gleichsaitiger Einwirkung von magnetischen WechselfeXdem und/oder elastischen Schwingungen auf die auszuhärtende Legierung während des , Lösungsglühensg eine solch© Aushärtung der Legierung zu erreichen₉ [j daß' dadurch eine Steigerung der Härte und der Festigkeit der Le-.^; ". glerung erfolgt ρ virie diese bisfeer nur. durch- ein Sösungsglülien "■■einschließlich Abschreckung- uziä nachfolgender Kalt= .und Ifarmaüslagö— rung erreichbar war. ." ■ ..',."-..'-.- ■ "^:-' ',

.8-3 87

ORIGINAL INSPECTED

innmnni .. ■ τ. |ni imiiiH'm ΐιΐιΊΜ ί, 11 MiiMHiiri

Die magnetischen Wechselielder und/oder elastischen Schwingungen bewirken, daß die ansonst nur bei der Kalt- und Warmaushärtung eintretenden zusätzlichen Härte- und Festigkeitssteigerungen bereits während des Lösungsglühens entstehen. Es vollziehen sieh demnach die metallurgischen Vorgänge₉ die nach dem derzeitigen Stand der Technik nur bei Kalt- bzw. 'Warmauslagerung ablaufen, bereits bei der Hochtemperatur des Lösungsglühens.

Eine Legierung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehärtet wird, zeigt auch tatsächlich weder nach einer nachfolgenden Kalt-, noch auch nach einer Warraauslagerung eine weitere Erhöhung der Härte und der Festigkeit. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahi"ens erübrigt sich daher eine Kalt- bzw. Warmauslagerung.

Das Gefüge einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ausgehärteten Legierung ist feinkörniger und korrosionsbeständiger als' nach einer üblichen Aushärtung.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens verläuft der gesamte Aushärtungsproseß wesentlich schnaller als bei einer üblichen Aushärtung.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen magnetischen Wechselfelder und/oder elastischen Schwingungen werden in der auszuhärtenden Legierung folgendermaßen erzeugt?

1. Durch elektromagnetische Induktion„

In der Legierung werden durch elektromagnetische Induktion Wirbelströme hervorgerufen, .Diese Wirbelströme sind_p wie alle Wechselströme 5 immer von magnetischen Wechselfeldern begleitet, welche zwangsläufig durch Ummagnetisierungsvorgänge elastische Schwingungen hervorrufen.

2. Durch konduktive Zuführung von Wechselströmen.

Die Legierung wird konduktiv an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Genau wie bei der elektromagnetischen Induktion entstehen durch durchgeleitete Wechselströme in der Legierung magnetische Wechselfelder und damit zwangsläufig elastische Schwin-

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Außer durch elektromagnetische.Induktion "oder Durehleitung eines Wechselstromes durch die Legierung gibt es noch vereitere Möglichkeiten, in der Legierung magnetische Wechselfelder/zu erzeugen, und zwar: . ■

a) Ferromagnetischea Material wird durch eine wechselstromdurchflossene Spule zu einem Magnet von dauernd wechselnder magnetischer Polarität. Wird die Legierung in das magnetische Wechselfeld dieses Magnetes eingebracht, so entstehen in dieser durch magnetische Induktion Wirbelströme und damit magnetische Wechselfelder und elastische Schwingungen, /

Gleichfalls entstehen in der Legierung, wenn diese in das Magnetfeld eines Magneten von gleichbleibender Polarität eingebracht wird, durch magnetische Induktion in derselben Wirbels trörcie, wenn:

b) die Legierung in dem Magnetfeld des -Magnetes bewegt wird,

c) das Magnetfeld des Magnetes um die Legierung bewegt wird,

d) sowohl das Magnetfeld als auch die Legierung gegeneinander bewegt werden. -

Die hier aufgezählten grundsätzlichen Maßnahmen zur'Erzeugung von magnetischen Wechselfeldern und/oder elastischen Schwingungen können noch weitgehendst variiert bzw. miteinander kombiniert werden. Es wird dies an nachfolgenden Beispielen ausgeführt:

Lösungsglühen bei gleichzeitiger Einwirkung zweier Wirbelströme verschiedener Frequenzen auf die auszuhärtende Legierung:

Die auszuhärtende Legierung muß als Ganzes gleichmäßig auf die Lösungstemperatur erwärmt werden. Zur optimalen Erfüllung dieser Forderung ist die Wahl der· Frequenz des Induktionsstromes im allgemeinen nicht mehr frei. Die Eindringtiefe eines Wirbelstromes in ein elektrisch leitendes Material ist bestimmt durch die Formel:

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Bad original

£NS»S2

d = Eindringtiefe in min

f - Frequenz in Hertz .

= relative Permeabilität

= spezifische Leitfähigkeit (Siemens) Ohm cm

/u„
C ^τ

AU3 dieser Formel ist sofort ersichtlich, daß bei Konstanz aller anderen Werte die Eindringtiefe nur von der Frequenz abhängt.

Die stärksten elastischen Schwingungen treten aber bei der Resonanzfrequenz auf. Weicht die für die Erwärmung dienende optimale Frequenz von der Resonanzfrequenz wesentlich ab, 30 ist es zweckmäßig, einen zweiten Wirbelstrom mit der Resonanzfrequenz der Legierung zu erzeugen und diesen zusätzlich während des Lb'surigsglühens auf die Legierung einwirken zu lasso-η, um elastische Schwingungen von größtem Wirkungsgrad zu erreichen.

Es gibt derzeit bereits Wechselstromgeneratoren, welche Wechselströme genügend hoher Frequenzen erzeugen, praktisch auch in ihren Leistungen nicht begrenzt sind und sich bestens für die hier angeführte Verfahrensvariation eignen. Es handelt sich um statische Umformer, welche mit Hilfe von Thyristoren einen Wechselstrom mit der Frequenz des Versorgungsnetzes in einen Wechselstrom mit höherer Frequenz umformen. Diese Umformer werden in zwei grundsätzlichen Ausführungen erzeugt und zwar als lastgeführte Umformer mit gleitender Frequenz und selbstgeführte Umformer mit starrer Frequenz.

Die lastgeführten Umformer werden von der Last gesteuert und zwar derart, daß sie sich automatisch auf die Resonanafrequenz der Last, In diesem Falle auf die jeweilige Resonanzfrequenz der auszuhärtenden Legierungp einstellen. Sie arbeiten mit gleitender Frequenz und sind daher bestens geeignet zur Erzeugung von magnetischen Wechselfeldern_s die zwangsläufig wieder elastische Schwingungen mit größtem Wirkungsgrad_f wie dies erwünscht ist_P -hervorrufen.

Die zweite Art der Umrichter arbeitet snit atarrer, jedoch regelbarer Frequenz. Biese Umformer dienen zur Erzeugung der für die

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Erwärmung optimalen Frequenz. Es sind damit die technischen Voraussetzungen für diese Art des Lösungsglühens gegeben.

Lösungsglühen bei gleichzeitiger Einwirkung mehrerer Wirbelströme verschiedener Frequenzen auf die auszuhärtende Legierung!

Es kommt vor, daß der neben anderen physikalischen Größen die Resonanzfrequenz bestimmende Elastizitätsmodul eines schwingungsfähigen Gebildes nicht in. allen Richtungen den gleichen Wert hat. Es kommt dann zur Ausbildung kompliziertererSchwingungserscheinungen als bei Vorhandensein eines einzigen Elastizitätsmoduls. Sind diese Abweichungen nicht sehr groß, so kommt 03 zur Ausbildung frequenzbenachbarter Schwingungen und bei sehr kleinen Unterschieden zu Schwebungen. Schwcbungen sind dadurchgekennzeichnet, daß die Schwingungsamplitude zeitabhängig ist. Das Schwingungsbild kann oszillographisch analysiert werden. Es können dann die sich au3 den Oszillogrammen ergebenden Schwingungen durch Induktionsströme der auszuhärtenden Legierung während des Lösungsglühens aufgedrückt werden.,Ein Induktionsstrom geeigneter Frequenz dient der Erwärmung und die anderen Induktionsströme_f deren Frequenzen sich aus dem Oszillograrnm bestimmen,- dienen zur Erzeugung; be son— ders wirkungsvoller magnetischer Wechselfeider und elastischer Schwingungen. ■

Bei den in den Beispielen angeführten Fällen können die Tnduktionsströme entweder gleichzeitig über eine einsige oder über mehrere Induktionsspulen geführt werden»

Anstelle der elektromagnetlachen Induktion'können-auch"alle.bereits angeführten Maßnahmen bsswo deren Kombination zur Erzeugung magnetischer Wechselfelder und/oder elastischer Schwingungen herangezogen werden. ' ..-."..-■

Eine-Möglichkeit,^, elastische .Schwingungen ohne magnetische-.Wecn-.self eider in einer Legierung hervorzurufenj besteht darin _f daß dia Legierung dem Schallfeld. eines Schallgebers -.ausgesetzt ist. . Ein© weitere Möglichkeit ist es, durch.mechanische B@einflußung elastische Schwingungen in einer Legierung hervorzurufenj S₆ B₀" -'; durch Hüttelvorgänga. " . . ' ■ ,'■■--■ . ■

^:; _ _t,^,:-..y..^- 909838/0985 BAD "

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In den beiden letztgenannten Fällen erfolgt die Erwärmung und das Halten auf "Lö.sungste-mperatilr, bei der sich die metallurgischen Vorgänge, die für das Aushärten notwendig sind, vollziehen, durch . Wärmeleitung und Wärmestrahlung oder durch Durchleitung eines Gleichstromes durch die Legierung.

Werden in der Legierung Wirbelströme erzeugt oder Wechselströme durchgeleitet, so bewirken diese außer der Bildimg magnetischer Wechselfelder, daß die für die Erhitzung auf die Lösungstempera.tür notwendige Wärme in der Legierung selbst erfolgt.

Wird die Wärme in der Legierung selbst erzeugt, so läuft der Erwärmungsvorgang und damit der LösungsVorgang wesentlich schneller ab, als wenn die Erwärmung nur von außen her durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung erfolgt.

Es kann aber auch zum Zwecke einer noch rascheren Erwärmung gleichzeitig zu den Wirbel- bzw. Wechselströmen z. B. ein Gleichstrom durch die Legierung durchgeleitet werden.

Eine weitere Möglichkeit einer zusätzlichen Erwärmung, besonders dann, wenn es sich um eine Aushärtung im kontinuierlichen Durchlauf handelt, besteht in der Vorerwärmung der auszuhärtenden Legierung und nachfolgender Beeinflußung durch magnetische Wechselfelder und/oder elastischen Schwingungen. Diese Vorerwärmung darf jedoch nur bis zu Temperaturen erfolgen, bei denen noch kein maßgebliches Lösungsvermögen für das für die Aushärtung notwendige · Legierungselement vorliegt. Bis zu diesen Temperaturen haben auch magnetische Wechselfeider und/oder elastische Schwingungen keinen wesentlichen Einfluß auf den Aushärteprozeß, da die Voraussetzung für die Aushärtung - maßgebliche Lösung des für die Aushärtung notwendigen Legierungselementes - nicht erfüllt ist. Der Fall einer Vorerwärmung tritt z. B. dann ein, wenn Gußblöcke einer Legierung vor der Aushärtung durch eine Strangpresse laufen, wobei es durch den Preßvorgang zu einer Temperaturerhöhung der Legierung kommt. Auch bei Verwendung billiger Energiequellen« wie z. B. Erdgas, bewirkt die Vorerwännung die Einsparung teurerer elektrischer Energie.

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Grundsätzlich kommen demnach für die 'Durchführung-das.für das er-: findungsgemäße Verfahren notwendigem Löoungsglühens als Wärme- V quellon Wirbelströme, elektrische Ströme,. Welche· konduktiv durch die Legierung hindurchgeleitet werden, Wärmeleitung und"Wärmestx-ahlung sowie geeignete Kombinationen dieser Wärmequellen in ' Betracht. . .

Je schneller ein LosungBVorgang abläuft, umso, höher muß iirf allgemeinen die Lööungstemperatur sein, da der IosungsVorgang ein zeit- und temperaturabhängiger Diffusionsprozeß lot. Zeit und Temperatur sind bei einem Diffusionsvorgang vertauschbare Größen _fund da die Diffusionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur zunimmt, kompensiert bei einem schnell verlaufenden L ö sungs glühen, Z₄-B--.--. einer induktiven Erwärmung, eine erhöhte Temperatur■; die. Verkürzung der Diffusionszeit. Die oberste Grenze der zulässigen Temperatur und damit die maximale Geschwindigkeit des Ablaufes des Wärme- ■; Prozesses ergibt sich in jedem einzelnen Fall aus dem Zustandsdiagramm der auszuhärtenden Legierung.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren vollziehen sich alle für eine Aushärtung notwendigen metallurgischen Prozesse bereits bei der Lösungstemperatur. Es muß daher die auszuhärtende Legierung solange bei dieser Temperatur gehalten werden, bis diese Prozesse vollkommen abgelaufen sind.

Die wichtigsten Parameter für eine optimale Aushärtung sind daher

a) die Lösungstemperatür und

b) die Haltezeit.

Die Abschreckgeschwindigkeit beim Lösungsglühen soll im allgemeinen so hoch als möglich sein. Der Begriff "hoch" ist jedoch eixir relativer Begriff und hängt in erster Linie von der Zusammensetzung der Legierung ab. Es gibt Legierungen, für die auch eine Luftabkühlung ausreicht. -;·: ._s =·■,„;: ; ·-. f- : ..-■-■ ; -

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Es ist in diesem Rahmen nicht möglich, bei der großen Anzahl der aushärtbaren Legierungen auf jeden Einzelfall einzugehen. Es wird jedoch im nachfolgenden an dem konkreten Beispiel einer technisch wichtigen Legierung das erfindungagemäße Verfahren in allen Einzelheiten geschildert.

Bezeichnung der Legierung nach amerikanischer Norm: 2011 - T 3.

Zusammensetzung der Legierung: außer Aluminium: 5,4 — 5»9$.Cu, ■ 0,3?S Fe, 0,15f* Si, 0,05$ Mg, 0,2$ Zn, 0,3 - 0,6$ Pb, 0,3 O,6# Ni. '

Aus dem beiliegenden Zustandsdiagramm,, Figur-1", welches der Zusammensetzung der Legierung entspricht, ist erkenntlich, daß zwei Kristallarten auftreten können, und zwar:

1. im Bereich A ein <x - Mischkristall, hauptsächlich aus Aluminium und Kupfer bestehend,

2» im Bereich. B der oc - Mischkristall und ein Gemenge von oc und einer zweiten Kristallart β , einer intermetallischen Verbinrdung AIpCu, Kupferaluminid.

Die eutektoide Temperatur beträgt 548° C und bei dieser Temperatur vermag das Aluminium rund 5,7$ Cu zu lösen.

Die Mikrohärte (Belastung des Prüfdiamanten 100 ρ) dieser Legierung beträgt nach Lösungsglühen im Salzbad, Kalt- und Warmauslagerung 77 - 81 kp/mm .

Bei Einbringung einer lösungszuglUhenden kalten Legierung in ein Salzbad, das sich auf der Lösungstemperatur befindet, sinkt die Temperatur desselben, je nach der eingebrachten Klenge und Größe des Salzbadofens oft wesentlich ab und die neuerliche Aufwärmzeit auf die Lösungatempβratur kann beträchtlich sein, wodurch natürlich der Auastoß verringert wird.

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In einem Salzbadofen mit 5000 kg Salsbad, ,baistehend, aus rialfo, ,,

τ und KpCr₂O₇, sinkt die Temperatur bei Einbringung von rund 100 kg der kalten Legierung um 20° 0 und die neuerliche Aufv/ärmzeit auf die Lösungstemperatur beträgt rund 30 Minuten.

Die Haltezeit bei der Lösungstemperatur von 520° C beträgt im Salzbad bei dieser Legierung pro mm Materialstärke 1 Minute.

Diese Legierung wurde nach,dem erfindungsgemäßen Verfahren durch alleiniges Lösungsglühen einschließlich Abschreckung vollkommen, ausgehärtet. Die Erwärmung auf die Lösungstemperatur erfolgte auf induktivem Wege. "-~

Um die bei der Erwärmung und Abschreckung eintretenden Gefügeveränderungen im Mikroskop stetig beobachten zu können, wurde für Laboratoriumsuntersuchungen eine induktive Heizeinrichtung so gebaut, daß diese gleichzeitig eine induktiv geheizte Apparatur für mikroskopische Beobachtungen darstellt. Dadurch ist ea möglich, schnell ablaufende Erwärmungsvorgänge im Mikroskop dauernd zu beobachten und alle Wichtigen Parameter festzustellen.

Aus der beiliegenden Zeichnung Pig. 2 ist die laboratoriuinsmäßige Ausführung der induktiven Heiz- und Beobachtungseinrichtung ersichtlich. In der Zeichnung bedeutet 1 das zu untersuchende Probenstück, das die Form eines einseitig geschlossenen oben offenen Rohres besitzt, dessen geschlossene Stirnfläche dem Objektiv des Mikroskopes zugewandt ist. Die Stärke des Zylindermantels der Probe beträgt 1 mm, die Dicke der zu beobachtenden Bodenflache, 2 mm, der Rohrdurchmesaer beträgt 9 ram und die Probenhöhe 35 mm. Hit 3 ist ein Schutzglas bezeichnet. Die Probe 1 ist von dem Keramikrohr 4- umgeben. Um dienes ist die Induktionsspule f angeordnet. In die rohrförmige Probe 1 ragt das Rohr 6, über walcöes ein Abschreckmittel in die Prob· eingespritzt werden kann. Durch den Pfeil 7 let angedeutet, daß swischen Probe 1 und Keramikrohr 4 ein Schutsgas durchstreichen kann. Das Thermoelement 8 dient zur fernperaturmesaung der Bodenfläche der Probe T.

...^-..w-- ■-■ - - , ■■ - MD OBlGlMAL: ^v -

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!■ H Ii ι ii ' Ii ι « McT - aswiiiii'M -t -*^aasr - - iif—tatwriar*-- .λλ«? -* iwiip imwmnHw >wn*wi"!Wi ι 11 ι ιι n"w ' 111* *

Die Frequenz ögb I η duk ti on β stromes "betrug cei den Versuchen ungefähr 7 kHz. Der "Incluktionsstrom wu-rde von einem Rü-Generator und einem Verstärker Reliefort. .

Zum Zweck der induktiven Erwärmung wurden die Proton in das Innere der Induktionsspule, eingebracht. Die Somperatiirmescung erfolgte mitteln Thermoelement und Spiegeigälvanometer. Die "Proben wurden unter Schutzgas geglüht, um ein Oxydieren der zu beobachtenden Fläche zu verhindern. Nach Ablauf der Haltezeit wurden die Proben, mit Wasser abgeschreckt, ' ■

Die Proben wurden vor der Aushärtung an der Beobachtungsflache geschliffen und poliert. Die Hälfte der Proben wurde vor der Erwärmung mit NaOH geätzt, die andere Hälfte zum Zwecke einer thermischen Ätzung üngeätzt belassen.

Es hat sich gezeigt, daß die dann tatsächlich eintretende thermische Ätz\ing beim Lösungsglühen den besten Aufschluß über die metallurgischen Vorgänge gibt, die sich dabei abspielen.

An mehr als 100 Proben wurde laboratoriumsmaßig eine Aushärtung immer unter dauernder Beobachtung durch das Mikroskop durchgeführt. Die Untersuchungen wurden so durchgeführt, daß bei Konstanthaltung aller anderen Parameter ;je ein Parameter verändert wurde.

Diese Parameter sindj

1. die Aufwärmzeit

2. die Lösungstemperatür .

3. die Haltezeit und

4. die Abschreckzeit. '

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind' folgendet

Das Aufwärmen auf die Lösungstemperatur bei einer Materifilstärke von 2 ram wurde, nach informativen Versuchen zur PostStellung der ungefähren Minimal- bzw. Maximalaüfwärmzeiten, in dem Zeitintervall von 5 biß 60 Sekunden durchgeführt; 'Die Minimalzeit von

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CKlC Λ^Ο

von 5 Sekunden konnte nicht unterschritten werden, da die zur Verfügung gestandenen induktiven Erwärmungseinrichtungen bei die-Ber Äüfwärmseit bereits die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit erreicht hatten. Auf-Grund der Versuchsergebnisse kann jedoch gesagt werdenj daß eine weitere Verkürzung der Aufwärmzeit möglich ist. Diese Zeitverkürzung darf jedoch nicht so weit gehen, daß die dadurch zwangsläufig erhöhte Lösungsteraperatur die Solidus- , temperatur überschreitet.

Die Dauer der Aufwärmzeit auf die Lösungstemperatur hat auf die eigentlichen metallurgischen Prozesse ₉ die zu einer Aushärtung führen, keinen wesentlichen Einfluß« Diese Prozesse vollziehen sich erst bei der Lösungstemperatur während der Haltezeit.

Die Behauptung, daß die Aufwärmzeit, keinen wesentlichen Einfluß auf den Aushärtevorgang ausübt ₉ hat eine gesetzmäßige physikalische Begründung, und zwar:

Erst wenn das für eine Aushärtung notwendige Zusatzelement in genügender Menge in feste Lösung gegangen ist, ist die Voraussetzung für eine wesentliche Aushärtung gegeben.

Aus der beiliegenden Fig. 3 ist das prozentuelle Lösungsvermögen von Aluminium für Kupfer in Abhängigkeit von der Temperatur er- w sichtlieh. Es erfolgt ein stetiger Anstieg des Lösungsvermögens mit steigender Temperatur bis zu der eutektoiden Temperatur von 548° C, Die eutektoide Temperatur darf bei einem Lösungsglühen nicht erreicht oder überschritten werden, da es ansonst zu ■'Anschmelzungen kommt. Der größte Aushärtungseffekt ist demnach knapp unterhalb der eutektoiden Temperatur zu erwarten.

Es wurde bereits erwähnt, daß der Lösungs Vorgang ein zeit- und temperaturabhängiger Vorgang ist. Je langsamer die Aufwärmung erfolgt, bei umso niedrigerer Temperatur kann wohl der Lösungsvorgang einsetzen, die Menge der gelösten Substanz kann aber durch die Aufwärmgeschwindigkeit nicht beeinflußt werden, da das Lösungs vermögen nicht zeit*- sondern allein temperaturabhängig ist.

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ENS

Es ist daher erklärlich, daß die Aufwärmseit keinen■wesentlichen Einfluß auf den eigentlichen Aitshärtevorgang. hat, da dieser abgesehen von entsprechenden Veriahrensinaßnahmen ~ in erster Linie von der Menge des gelösten Legierungselementes abhängt.

Diese Erklärung findet ihre vollkommene Beatätigung durch die mikroskopische Beobachtung.

Je langsamer die Aufwärmung erfolgt ₉ bei umso niedrigerer Temperatur sind Gefügeveränderungen bis zu einsr unteren Grenztem-' peratur bemerkbar. Unterhalb dieser Grenatemperatur ist das Lösungsvermögen so weit abgesunken, daß auch bei, sehr langsamer Aufwärmung kaum wesentliche Veränderungen des Gefüges erkennbar sind. Die Höhe dieser Gi^enztemperatur hängt von dem Lösungsvermögen einer Legierung für ein bestimmtes Legierungselement ab. Die Gefügeänderungen treten, umso zögernder ein, je langsamer der Aufwärmprozeß verläuft und vermehren sich relativ langsam bei steigender Temperatur.

Bei der untersuchten Legierung konnten auch bei langsamster Aufheizung unterhalb 400° C praktisch keine Gefügeveränderungen wahrgenommen werden. Dies steht in sehr guter Übereinstimmung mit dem Löslichkeitsvermögen von Aluminium für Kupfer. Wie aus dem Lö3-lichkeitsschaubild der Fig. 3 ersichtlich ist, erfolgt ein gekrümmter Anstieg des Lösungsvermögen3 bis ungefähr 400° C. Bei dieser Temperatur sind erst ungefähr 1,6$ Kupfer in Lösung gegangen. Erst von 400° C aufwärts erfolgt ein wesentlicher, geradliniger Anstieg des Lösungsvermögens bis zur eutektoiden Temperatur. Dieser geradlinige Anstieg des LösungsVermögens ist bereits im Mikroskop durch Gefügeänderungen erkennbar.

Ganz anders stellen sich die Erscheinungen, im Mikroskop bei schneller Aufheizung dar. Dadurch, daß durch die schnelle Aufwärmung die für den Ablauf des Diffusionsprosesses notwendige Zeit bei 400° C nicht sur Verfügung steht, wird das Einsetzen des Losungsvörganges zu höheren Temperaturen verschoben*

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Γ.-, ι'... " " ι . lJ-ji'jJ in IMi. wn.Ii ''riuyr'Tiii "1'..'JWTIi.":: ι ιί h'¹ · λ iiWMUriarwir-i - ι r ---η r τ ι τ r-· h γ γ~τ 1"· τι —ι ιττ" r 1 ' ^γττ~-*>-—-"■ -.— <>-- _Γ- - -- --..,.-,*-

Verläuft die Aufhellung· sehr raoeh_} so setzt erst bei Erreleitung' | der optimalen Lösungstemperatui* der LöGungsvorgang sohlagartig ein. Im Mikroskop ist dann ein plötzlicher Umschlag et-eö ßefü^eserkennbar, v/ährend sich vorher' keinerlei Ge-fügeänderungen. neigte/i.

Die optimale Lösungsteraperatür wur.de mit rund 545° C festgestellt» § Die miniraalste Haltezeit betrug ungefähr 3 Sekunden,,.

Die Haltezeit von 3,Sekunden gegenüber einer Haltezeit von 2Uinuten bei den gleichen Materialstärken beim Lösungsglühen in einem Salzbad bedeutet eine Verkürzung der Halteseit auf den vier- ■',-. sigsten Teil, wobei innerhalb von 3 Sekunden nicht nur ein Lösungsglühen wie im Salzbad, sondern eine vollkonunene Aushärtung vorgenommen wurde. ' ;.

Die Mikroiiärtewerte nach dieser Aushärtung -.ergab'ext die /gleichen,; und sogar "etwas-höhere Wert ο als die einer üblichen Aushärtung». Die Mikrohärte (Belastung des Prüf diamant on 100 p) betrug 81 — 83 kp/mm , .

Das Gefüge der so ausgehärteten Legierung ist feiner ali das Gefüge nach einer üblichen Aushärtung. Dieser Effekt findet seinö Erklärung in der Schnelligkeit, mit. der sich der gesamte Aushärte·- prozeß abspielt. Schliff bilder■, die das Gefüge nach einer üblichen Aushärtung zeigen, lassen noch Korngrenzen erkennen. Wird die Aushärtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt/ so sind in den Schliffbildern keine iCoragrenzöB. zu erkennen. Dies beweist> daß so ausgehärtete Legierungen einen, höheren Korrosionswider—-stand aufweisen, als üblicherweise ausgehärtete i

Vor der Aushärtung waren im Bruch der Legierung deutlisli tierte Gleitlinien erkennbar. Nach der induktive?* Aushärtung/ ' waren keine Gieitllnien sichtbar» es lag ein homogenes^ feinkörniges Gefüge vor« Die durch Wasser erzielte Absehreckgsschwindigkeit war vollkommen ausreichend»

Die gleicnen Resultate, die hat der hier sngegebeneEi Legierumg erzielt ^iu;i?Äen_f wurden auch b@i anderen aushMrtbsrrsa· Legierungen erreicht. . 9 0 9 8 3 8/ 0985 . :

Manchmal kommt es während dös Gusses einer Regierung ssu starken ICristallseigerungen und damit zu raaösiven Ausscheidungen an den Korngrenzen» Dadurch, wird eine Aushärtung einer Legierung im Gußzuctand oft sehr erschwert» Durch die Anwendung eines Kunstgriffes, der darin "besteht; die an den ICorngronzen ausgeschiedenen Substanzen vor der Aushärtung au zertrümmern, erfolgt dann die Aushärtung"wieder leicht.

Nachdem durch Laboratoriumsuntersuchungen der erfindungsgemäße Gedanke erhärtet und die für das Verfahren entscheidenden Parameter erfaßt wurden, konnte an einer GrοßVersuchsanlage die produkt ionsmäß-ige Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens geprüft werden. ■

Ausgehärtet wurde Stangeninaterial im kontinuierlichen Durchlauf verfahren,, wobei die Stangen durch, eine .Induktionsspule- liefen. Die Frequenzen der Induktionsströme betrugen in Abhängigkeit von dem Stangendurchmesser 500 ~ 2000 Hz und die notwendige stündliche Leistung für die Aushärtung rund 300 kW.

Die Dimensionen der Stangen/ der Durchsatz und die spezifische Leistung sind nachstehender Tabelle zu entnehmen:

Stangendurchmeeser Durchsatz kg/h Spezifische Leistung mm kW/kg und h

9 600 0,50

12 690 0,44

23 730 0,42

Bei der gleichen Leistung von 300 kW werden in Abhängigkeit vom Stangendurchmesser verschieden große Durchsätze erzielt. Dies hängt damit zusammen, daß die elektromagnetische Ankopplung bei größeren Durchmessern besser ist.

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FUr ein Lösungsglühen allein ohne WarmauaMrtxmg iet im Salzbad bei einem Badinhalt von 5000 kg eine spezifische Leistung von 0,52 kV//kg und h notwendig, wobei der stündliche Durchsatz nur rund 100 kg beträgt.

Auch bei den Großversuchen wurden die gleichen Resultate, wie im Laboratorium erzielt, demnach eine maximale Aushärtung in einem einzigen Verfahrensschritt.

Bei dem bisher üblichen Lösungsglühen muß Stangenmaterial nach seiner Herstellung vor Einbringung in ein Salzbad in Stücke geschnitten werden. Auch dieser Arbeitsgang entfällt bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Durchiauferwärmung.

Das erfindungsgemäße Verfahren eröffnet eine neue Technologie der Aushärtung von Legierungen, verbunden mit wesentlichen technologischen und wirtschaftlichen Vorteilen und ist in einem betrieblichen Produktionsgang anwendbar.

.BAD .ORIGINAL· 909838/0985

ENSS22

Claims

2a Fob, ί989 F a t e η t a η s ρ r Ü Ch β 1908473

1. Verfahren-zur Aushärtung von Legierungen, welche aus zwei oder mehreren Komponenten bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Aushärtungsvorgang in einem einzigen Verfahrensschritt erfolgt, wobei die für den Aushärtungsprozeß notwendige Wärme in den Legierungen selbst erzeugt oder von außen zugeführt wird und diese Legierungen während des Aushärtungsprozesses dein Einfluß eines oder mehrerer magnetischer Wechselfelder und/oder elastischer Schwingungsfelder ausgesetzt sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der magnetischen Wechselfelder und/oder elastischen Schwingungen in einer Legierung durch elektromagnetische Induktion erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der magnetischen Wechselfelder und/oder elastischen Schwingungen in einer Legierung durch konduktive Zuführung eines Wechselstromes erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Wechselfelder und/oder elastischen Schwingungen in der Legierung dadurch.erzeugt werden, daß dieselbe in das Feld eines Magneten von dauernd wechselnder magnetischer Polarität eingebracht ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,'...daß die Erzeugung der magnetischen Wechselfelder und/oder elastischen Schwingungen in einer Legierung dadurch erfolgt^ daß eine ReIa* tivbewegung zwischen dem Magnetfeld eines Magneten gleichbleibender Polarität und der in dieses Magnetfeld eingebrachten Legierung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der■ vorhergehenden Attsprtiche_f dadurch gekennzeichnet _f daß die Erzeugung der'ina^etiachenWechoelfelder

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Und/oder elastischen Schwingungen in einer Legierüng durch gleichzeitige Einwirkung zweier, elektrischer Ströme erfolgt, wobei die Frequenz de3 einen Stromes der für di0Erwärmung optimalen Frequenz entspricht und die Frequenz" des;/zweiten Stromes: auf die Resonanzfrequenz der Legierung abgestimmt i3t*._:

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Legierungen mit mehreren Resonanzfrequenzen die Erzeugung der magnetischen Wechselfelder und/oder ela-' stischen Schwingungen durch gleichzeitige Einwirkimg mehrerer elektrischer Ströme verschiedener Frequenzen erfolgt, wobei -die Frequenz des einen Stromes der für die Erwärmung optimalen Frequenz entspricht und die Frequenzen der anderen Ströme auf die Resonanzfrequenzen der Legierung abgestimmt sind.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 6, 7, dadurch gekennzeichnet, daß Induktionsströme entweder gleichzeitig über eine einzige oder über mehrere Indukt ions spul en geführt werden. [--

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung magnetischer Wechselfelder und/ oder elastischer Schwingungen in einer Legierung durch lastgeführte statische Umrichter mit gleitender Frequenz erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Wärme in einer Legierung durch selbstgeführte statische Umformer mit starrer jedoch regelbarer Frequenz erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung elastischer Schwingungen in einer Legierung diese dem Schallfeld eines Schallgebers ausgesetzt ist.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ₉ daß die Erzeugung elastischer Schwingungen in einer Legierung durch mechanische^'Beeinflussung; beispielsweise durch Vibration, erfolgt.

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13. Verfahren nach einem der vorhergehenden "Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugung der Wärme in einer Legierung, durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Durchleitung eines Gleichstromes,<■ oder durch Kombination dieser Wärmequellen erfolgt.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennseichnet, daß die Erzeugung der Wärme in einer Legierung durch die gleichzeitige Einwirkung von Wirbelotrömen "bzw. Wechselströmen und Gleichströmen erfolgt.

15. Verfahren nach Anspruch 1 - 14» dadurch gekennzeichnet, daß eine Legierung vor der Einwirkung von magnetischen Wechselfeldern und/oder elastischen Schwingungen einer Vorerwärmung ausgesetzt ist*

16. Verfahren nach Anspruch 1 - 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Verfahrensschrittes in der Grössenordnung von Sekunden liegt.

17. Verfahren nach Anspruch 1-16, dadurch gekennzeichnet,'daß Legierungsausscheidungen in Form von Zwischensubstanzen, insbesondere an den Eorngrenzen, vor der Aushärtung auf mechanischem Wege zertrümmert v/erden,

18. Verfahren nach Anspruch 1 - 17, dadurch gekennzeichnet, daß mit der annähernd gleichen oder kleineren Energiemenge, mit der eine bestimmte Legierungsmenge ansonsten im Salzbad nur lösungsgeglüht wird, eine vollkommene Aushärtung erfolgt.

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CWS B22

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