DE1908473C3 - Verfahren zum Aushärten von Legierungen - Google Patents

Description

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, die für eine Aushärtung notwendigen weiteren Legierungsbestandteile in fester Lösung aufzunehmen. Das Lösungsvermögen selbst ist temperaturabhängig.

Die Aushärtung besteht nach dem Stand der Technik aus einem dreistufigen Wärmeprozeß, und zwar 1. einem Lösungsglühen, 2. einem unmittelbar anschließenden Abschrecken und 3. einer Auslagerung bei Raum- oder erhöhter Temperatur.

Der Härteanstieg und damit die eigentliche Aushärtung erfolgt erst bei der Auslagerung. (Siehe Aluminium-Taschenbuch, 12. Auflage, Alu-Verlag GmbH Düsseldorf, S. 356, Abschnitt 10.2.5.2.) Dies sei im nachstehenden genauer expliziert:

Lösungsglühen (Homogenisieruigsglühen) der Legierung einschließlich einer Abschreckung auf Raumtemperatur.

Durch das Lösungsglühen werden ausgeschiedene Kristalle in den Kristallen des Hauptlegierungsbestandteiles in feste Lösung gebracht. Durch Abschreckung wird der bei der Lösungstemperatur vorhandene Lösungszustand auch bei Raumtemperatur vorerst aufrechterhalten. Es liegt aber bei Raumtemperatur dann ein übersättigter Mischkristall vor, der sich nicht mehr im thermodynamischen Gleichgewicht befindet und daher das Bestreben hat, unter Bildung von Ausscheidungen

in einen gesättigten Mischkristall überzugehen. Durch das Lösungsglühen mit Abschreckung entsteht bereits ein Anstieg der Härte und der Festigkeit

2a) Kaltauslagerung der lösungsgeglühten und abgeschreckten Legierung bei Raumtemperatur. Bei einer Kaltauslagerung treten bereits Entmischungsvorgänge in dem übersättigten Mischkristall auf, die zu einer weiteren Seibäthärtung führen.

2b) Warmauslagerung (Anlassen oder Tempern) der Legierung sofort nach Abschreckung oder Kaltauslagerung.

Durch ein Anlassen bis zu bestimmten Temperaturen kommt es zu Ausscheidungen des Mischkristalls in hochdisperser Form. Solange diese Ausscheidungen hochdispers sind, erfolgt eine nochmalige Steigerung der Härte und der Festigkeit Wird aber eine bestimmte Temperatur, der sogenannte »kritische Dispersionsgrad« überschritten, so erfolgen die Ausscheidungen nicht mehr in hochdisperser Form, sondern grobkörnig, wodurch es zu einer Entfestigung komr.a.

Ein manchmal nach einer Kalt- und/oder Warmauslagerung noch vorgenommener Kaltzug, der zu 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 a uch als »Kaltaushärtung« und ein Anlassen als »Warmaushärtung« bezeichnet.

Darüber hinaus wurde auch schon, siehe Zeitschrift Metall 19 (1965), Seiten 36/38, bekannt. Ultraschallwellen zu verwenden, denen das Werkstück nach dem y, Lösungsglühen einschließlich Abschrecken während des Auslagerns ausgesetzt wird, um die Auslagerung von Duraluminium zu beschleunigen.

Es wurde auch schon, siehe CH-PS 3 26 258, die Einwirkung magnetischer Wechselfelder auf Werkstükke von Stahl oder fertig bearbeitete Werkzeuge beim Auslagern bekannt, welche nach Anwendung einer klassischen thermischen Behandlung durchgeführt wird (siehe Seite 1, Zeilen 17 - 20).

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aushärten von Legierungen unter der Einwirkung magnetischer Wechselfelder und/oder elastischer Schwingungsfelder, wobei erfindungsgemäß die Legierung während des lediglich aus einem Lösungsglühen mit anschließendem Abschrecken bestehenden Aushärtungsprozesses dem Einfluß eines oder mehrerer magnetischer Wechselfelder und/oder elastischer Schwingungsfelder ausgesetzt wird.

Die magnetischen Wechselfelder 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 sich demnach die metallurgischen Vorgänge, die nach dem derzeitigen Stand der Technik nur bei Kalt- bzw. bo 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 Warmauslagerung eine weitere Erhöhung der Härte und der Festigkeit. Durch Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens erübrigt sich daher eine Kalt- bzw. Warmauslagerung, wie sie z. B. bei den weiter obengenannten Verfahren gemäß CH-PS 26 258 oder Zeitschrift Metall 19 natürlich ebenfalls notwendig ist 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 Aushärtungsprozeß wesentlich schneller als bei einer üblichen Aushärtung.

Die für das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen magnetischen Wechselfelder und elastischen Schwingungen können in der auszuhärtenden Legierung erfindungsgemäß folgendermaßen erzeugt werden:

1. Durch elektromagnetische Induktion.

In der Legierung werden durch elektromagnetische Induktion Wirbelströme hervorgerufen. Diese Wirbelströme sind, wie alle Wechselströme, immer von magnetischen Wechselfeldern begleitet, weiche 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 Schwingungen. Außer durch elektromagnetische Induktion oder Durchleitung eines Wechselstromes durch die Legierung können erfindungsgemäß noch weitere Möglichkeiten, in der Legierung magnetische Wechselfelder zu erzeugen, angewendet werden:

a) Ferromagnetisches Material wird durch eine wechselslromdurchflossene 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 Wirbelströme, 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 elastischen Schwingungen können erfindungsgemäß noch weitgehendst variiert bzw. miteinander kombiniert werden. Es wird dies an nachfolgenden Beispielen ausgeführt:

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

Die auszuhärtende Legierung muß als Ganzes

gleichmäßig auf die Lösungstcmpcrutur erwärmt uerden. Zur optimalen F.rfüllung dieser Förderung ist die Wahl der Frequenz des Indukiionsstromcs im allgemeinen nicht mehr frei. Die Eindringtiefe eines Wirbelstromes in ein elektrisch leitendes Material ist bestimmt durch die Formel:

d =

503

-^ mm .

Eindringtiefe in mm

Frequenz in Hertz

relative = relative Permeabilität

spezifische Leitfähigkeit (Siemens)

Ohm-'cm '

Aus 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, so kann man erfindungsgemäß einen zweiten Wirbelstrom mit der Resonanzfrequenz der Legierung erzeugen und diesen zusätzlich während des Lösungsglühens auf die Legierung einwirken lassen, 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 Resonanzfrequenz der Last, in diesem Falle auf die jeweilige Resonanzfrequenz der auszuhärtenden Legierung, einstellen. Sie arbeiten mit gleitender Frequenz und können daher erfindungsgemäß zur Erzeugung von magnetischen Wechselfeldern verwendet werden, die zwangsläufig wieder elastische Schwingungen mit größtem Wirkungsgrad, wie dies erwünscht ist. hervorrufen.

Die zweite Art der Umrichter arbeitet mit starrer, jedoch regelbarer Frequenz. Diese Umformer dienen zur Erzegung der für die Erwärmung optimalen Frequenz und können daher erfindungsgemäß für diese Art des Lösungsglühens verwendet werden.

Das Lösungsglühen kann auch erfindungsgemäß bei gleichzeitiger Einwirkung mehrerer Wirbelströme verschiedener Frequenzen auf die auszuhärtende Legierung erfolgen:

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 komplizierterer Schwmgungserscheinungen als bei Vorhandensein eines einzigen Elastizitätsmoduls. Sind diese Abweichungen nicht sehr groß, so kommt es zur Ausbildung frequenzbenachbarter Schwingungen und bei sehr kleinen Unterschieden ζ Schwcbungen. Sehwebungen sind dadurch gckenn/cich net, daß die Schwingungsamplitiidc zeitabhängig is Das Schwingungsbild kann os/.illographisch analysier ι weiden. F.s können dann die sich aus den Oszillogram men ergebenden Schwingungen durch Induktionssirö mc der auszuhärtenden Legierung während de Lösungsglühen aufgedrückt werden. Ein Induktions strom geeigneter Frequenz dient somit der Erwärmung

κι und die anderen Induktionsströme, deren Frequenzen sich aus dem Oszillogramm bestimmen, dienen zu Erzeugung besonders wirkungsvoller magnetische Wcchselfelder und elastischer Schwingungen.

Bei den in den Beispielen angeführten Fällen können

i·, die induktionssirörnc erfindungsgemäß cntwcdc gleichzeitig über eine einzige oder über mehren Induktionsspulen geführt werden.

Anstelle der elektromagnetischen Induktion können erfindungsgemäß auch alle bereits angeführten Maß

2t) nahmen bzw. deren Kombination zur Erzeugung magnetischer Wechselfelder und/oder elastische Schwingungen herangezogen werden.

Eine weitere erfindungsgemäße Möglichkeit, elasti sehe Schwingungen ohne magnetische Wechselfelder i

2) einer Legierung hervorzurufen, kann darin bestehen daß die Legierung dem Schallfeld eines Schallgeber; ausgesetzt ist. Eine weitere erfindungsgemäße Möglich keit kann darin liegen, durch mechanische Beeinflussung elastische Schwingungen in einer Legierung hervorzu

j» rufen, z. B. durch Rüttelvorgänge.

In den beiden letztgenannten Fällen erfolgt di Erwärmung und das Halten auf Lösungstemperatur, be der sich die metallurgischen Vorgänge, die für da: Aushärten notwendig sind, vollziehen, erfindungsgemä durch Wärmeleitung und Wärmestrahlung oder durc Durchleitung eines Gleichstromes durch die Legierung.

Es können erfindungsgemäß in der Legierung auc

Wirbelströme erzeugt oder Wechselströme durchgelei tet werden, welche außer der Bildung magnetische!

Wechselfelder bewirken, daß die für die Erhitzung au die Lösungstemperatur notwendige Wärme in dei Legierung selbst erfolgt.

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

Es kann aber auch zum Zwecke einer noch rascherer Erwärmung gleichzeitig zu den Wirbel- bzw. Wechsel strömen erfindungsgemäß ein Gleichstrom durch di Legierung durchgeleitet werden.

Eine weitere Möglichkeit einer zusätzlichen Erwär mung, besonders dann, wenn es sich um eine Aushärtunj im kontinuierlichen Durchlauf handelt, besteht erfin dungsgemäß in der Vorerwärmung der auszuhärtende] Legierung und nachfolgenden Beeinflussung durc magnetische Wechselfelder und/oder elastischei Schwingungen. Diese Vorerwärmung darf jedoch nu bis zu Temperaturen erfolgen, bei denen noch keil maßgebliches Lösungsvermögen für das für di Aushärtung notwendige Legierungselement vorlieg Bis zu diesen Temperaturen haben auch magnetisch Wechselfelder und/oder elastische Schwingungen kei nen wesentlichen Einfluß auf den Aushärteprozeß, d die Voraussetzung für die Aushärtung — maßgeblich' Lösung des für die Aushärtung notwendigen Legie rungselementes — nicht erfüllt ist Der Fall eine Vorerwärmung tritt z.B. dann ein, wenn Gußblöck

einer Legierung vor der Aushärtung durch eine Strangpresse laufen, wobei es durch den PrelJvorgang zu einer Temperaturerhöhung der Legierung kommt. Auch bei Verwendung billiger Energiequellen, wie /. IJ. Erdgas, bewirkt die Vorerwärmung die Einsparung teurerer elektrischer Energie.

Grundsätzlich kommen demnach lür die Durchführung des für das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Lösungsglühens als Wärmequellen Wirbelströmc. elektrische Ströme, welche konduktiv durch die Legierung hindurchgcleitet werden. Wärmeleitung und Wärmestrahlung sowie geeignete Kombinationen dieser Wärmequellen in Betraeht.

je schneller ein Lösungsvorgang abläuft, um so höher muß im allgemeinen die Lösungstemperatur sein, da der Lösungsvorgang ein zeit und tcmperaturabhängiger Diffusionsprozeß ist. Zeit und Temperatur sind bei einem Diffusionsvorgang vertauschbare Größen und da die Diffusionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur zunimmt, kompensiert bei einem schnell verlaufenden Lösungsglühen, z. 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 Wärmeprozesses 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 so lange bei dieser Temperatur gehalten werden, bis diese Prozesse vollkommen abgelaufen sind.

Die wichtigsten Parameter für eine optimale Aushärtung sind daher

a) die Lösungstemperatur und

b) die Haltezeit.

Die Abschreckgeschwindigkeit beim Lösungsglühen soll im allgemeinen so hoch als möglich sein. Der Begriff »hoch« ist jedoch ein relativer Begriff und hängt in erster Linie von der Zusammensetzung der Legierung ab. Es gibt Legierungen, für die auch eine Luftabkühlung ausreicht.

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 erfindungsgemäße Verfahren in allen Einzelheiten geschildert.

Bezeichnung der Legierung nach amerikanischer

Norm: 2011-T3.
Zusammensetzung der Legierung außer Aluminium:

5,4-53% Cu,03% Fe,0,15% Si,0,05% Mg,

0,2% Zn, 03 - 0,6% Pb, 03 - 0,6% Ni.

Aus dem Zustandsdiagramm, Fig. 1, welches der Zusammensetzung der Legierung entspricht, ist erkenntlich, daß zwei Kristallarten auftreten können, und zwar:

L im Bereich A ein «-Mischkristall, hauptsächlich aus Aluminium und Kupfer bestehend,

2. im Bereich B der «-Mischkristall und ein Gemenge von λ und einer zweiten Kristallart ß, einer intermetallischen Verbindung AbCu, Kupferalumiid

Die eutektische Temperatur benagt 548"C, und bei

dieser Temperatur vermag das Aluminium rund 5,7% Cu /u lösen. Der Bereich C enthält Gemenge von Lcgicrungsbestandteilcn in flüssiger und fester Form.

"> der Bereich D enthält flüssige Lcgicrungsbcstandteilc.

Die Mikrohärte (Belastung des Prüfdiamanten 100 p) dieser Legierung beträgt nach Lösungsglühen im Salzbad. Kalt- und Warmauslageriing 77-81 kp/mm-'. Bei Einbringung einer lösungs/.ugiühcndcn kalten

κι Legierung in ein Salzbad, das sich auf der Lösungstemperatur befindet, sinkt die Temperatur desselben, je nach der eingebrachten Menge und Größe des Salzbadofens oft wesentlich ab und die neuerliche Aufwärmzeit auf die Lösungstemperatur kann beträcht-■- > lieh sein, wodurch natürlich der Ausstoß verringert wird.

In einem Salzbadofen mit 5000 kg Salzbad, bestehend

aus NaNO3, KNO3 und K^C^O?, sinkt die Temperatur bei Einbringung von rund 100 kg der kalten Legierung um 20⁰C, und die neuerliche Aufwärmzeit 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 erfindungsgemä-Ben 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 es möglich, schnell ablaufende Erwärmungsvorgänge im Mikroskop dauernd zu beobachten und alle wichtigen Parameter festzustellen.

Aus der Zeichnung F i g. 2 ist die laboratoriumsmäßige 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 2 des Mikroskopes zugewandt ist. Die Stärke des Zylindermantels der Probe beträgt 1 mm, die Dicke der zu beobachtenden Bodenfläche 2 mm, der Rohrdurchmesser beträgt 9 mm und die Probenhöhe 35 mm. Mit 3 ist ein Schutzglas bezeichnet. Die Probe 1 ist von dem Keramikrohr 4 umgeben. Um dieses ist die Induktionsspule 5 angeordnet. In die rohrförmige Probe 1 ragt das Rohr 6, über welches ein Abschreckmittel in die Probe eingespritzt werden kann. Durch den Pfeil 7 ist angedeutet, daß zwischen Probe 1 und Keramikrohr 4 ein Schutzgas durchstreichen kann. Das Thermoelement 8 dieni zur Temperaturmessung der Bodenfläche der Probe 1.

Die Frequenz des Induktionsstromes betrug bei den Versuchen ungefähr 7 kHz. Der Induktionsstrom wurde von einem ÄC-Generator und einem Verstärker geliefert

Zum Zweck der induktiven Erwärmung wurden die Proben in das Innere der Induktionsspule eingebracht. Die Temperaturmessung erfolgte mittels Thermoelement und Spiegelgalvanometer. 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

Beobaehuingsfläche geschliffen und poliert. Die Hälfte der Proben wurde vor der Erwärmung mit NnOH geätzt, die lindere Hälfte zum Zwecke einer thermischen Ätzung ungeätzt belassen.

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

An mehr als 100 Proben wurde laboraloriumsmäßig 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 sind:

1. die Aufwärmzeit

2. die Lösungstemperatur

3. die Haltezeit und

4. die Abschreckzeit

Die Ergebnisse dieser Untersuchungen sind folgende:

Das Aufwärmen auf die Lösungstemperatur bei einer Materialstärke von 2 mm wurde, nach informativen Versuchen zur Feststellung der ungefähren Minimalbzw. Maximalaufwärmzeiten, in dem Zeitintervall von 5 bis 60 Sekunden durchgeführt. Die Minimalzeit von 5 Sekunden konnte nicht unterschritten werden, da die zur Verfügung gestandenen induktiven Erwärmungseinrichtungen bei dieser Aufwärmzeit bereits die Grenze ihrer Leistungsfähigkeit erreicht hatten. Auf Grund der Versuchsergebnisse kann jedoch gesagt werden, daß eine weitere Verkürzung der Aufwärmzeit möglich ist. Diese Zeitverkürzung darf jedoch nicht so weit gehen, daß die dadurch zwangsläufig erhöhte Lösungstemperatur die Solidustemperatur überschreitet.

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

Die Behauptung, daß die Aufwärmzeit keinen wesentlichen Einfluß auf den Aushärtevorgang ausübt, 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 F i g. 3 ist das prozentuelle Lösungsvermögen von Aluminium für Kupfer in Abhängigkeit von der Temperatur ersichtlich. 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 Lösungsvorgang ein zeit- und temperaturabhängiger Vorgang ist. Je langsamer die Aufwärmung erfolgt, bei um so niedrigerer Temperatur kann wohl der Lösungsvorgang einsetzen, die Menge der gelösten Substanz kann aber durch die Aufwärmgeschwindigkeit nicht beeinflußt werden, da das Lösungsvermögen nicht zeit-, sondern allein temperaturabhängig ist

Es ist daher erklärlich, daß die Aufwärmzeit keinen wesentlichen Einfluß auf den eigentlichen Aushärtevorgang hat. da dieser -— abgesehen von entsprechenden Verfahrensmaßnahmen — in erster Linie von der Menge des gelösten Legierungselementes abhängt,
ι Diese Erklärung findet ihre vollkommene Bestätigung durch die mikroskopische Beobachtung.

|e langsamer die Aufwärmting erfolgt, bei um so niedrigerer Temperatur sind Gefügeveränderungen bis /Li einer unteren Grenztemperatur bemerkbar. IJnier-

Ui halb dieser Grenztcmperntiir ist das Lösimgsvermögen so weit abgesunken, daß auch bei sehr langsamer Aufwärmung kaum wesentliche Veränderungen des Gefüges erkennbar sind. Die Höhe dieser Grenztemperatur hängt von dem Lösungsvermögen einer Legierung

π für ein bestimmtes Legierungselement ab. Die Gefügeänderungen treten um so 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 400⁰C praktisch keine Gefügeveränderungen wahrgenommen werden. Dies steht in sehr guter Übereinstimmung mit dem Löslichkeitsvermögen von Aluminium für Kupfer. Wie aus dem Löslichkeitsschaubild der F i g. 3 ersichtlich ist, erfolgt ein gekrümmter Anstieg des Lösungsvermögens bis ungefähr 400°C. Bei dieser Temperatur sind erst ungefähr 1,6% Kupfer in Lösung gegangen. Erst von 400⁰C aufwärts erfolgt ein wesentlicher, geradliniger Anstieg des Lösungsvermögens bis zur eutektoiden

jo 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

j5 durch die schnelle Aufwärmung die für den Ablauf des Diffusionsprozesses notwendige Zeit bei 400°C nicht zur Verfugung steht, wird das Einsetzen des Lösungsvorganges zu höheren Temperaturen verschoben.
Verläuft die Aufheizung sehr rasch, so setzt erst bei Erreichung der optimalen Lösungstemperatur der Lösungsvorgang schlagartig ein. Im Mikroskop ist dann ein plötzlicher Umschlag des Gefüges erkennbar, während sich vorher keinerlei Gefügeänderungen zeigten.

Die optimale Lösungstemperatur wurde mit rund 545° C festgestellt.

Die minimalste Haltezeit betrug ungefähr 3 Sekunden.

Die Haltezeit von 3 Sekunden gegenüber einer Haltezeit von 2 Minuten bei den gleichen Materialstärken beim Lösungsglühen in einem Salzbad bedeutet eine Verkürzung der Haltezeit auf den vierzigsten Teil, wobei innerhalb von 3 Sekunden nicht nur ein Lösungsglühen wie im Salzbad, sondern eine vollkommene Aushärtung vorgenommen wurde.

Die Mikrohärtewerte nach dieser Aushärtung ergaben die gleichen und sogar etwas höhere Werte als die einer üblichen Aushärtung. Die Mikrohärte (Belastung des Prüfdiamanten 100 p) betrug 81—83 kp/mm².

Das Gefüge der so ausgehärteten Legierung ist feiner als das Gefüge nach einer üblichen Aushärtung. Dieser Effekt findet seine Erklärung in der Schnelligkeit, mit der sich der gesamte Aushärteprozeß abspielt Schliffbilder, die das Gefüge nach einer üblichen Aushärtung

es zeigen, lassen noch Korngrenzen erkennen. Wird die Aushärtung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt, so sind in den Schliffbildern keine Korngrenzen zu erkennen. Dies beweist, daß so

ausgehärtete Legierungen einen höheren Korrosionswiderstand aufweisen als üblicherweise ausgehärtete Legierungen.

Vor der Aushärtung waren im Bruch der Legierung deutlich orientierte Gleitlinien erkennbar. Nach der induktiven Aushärtung waren keine Gleiilinien sichtbar, es lag ein homogenes feinkörniges Gefüge vor. Die durch Wasser erzielte Abschreckgeschwindigkeii war vollkommen ausreichend.

Die gleichen Resultate, die bei der hier angegebenen Legierung erzielt wurden, wurden auch bei anderen »ushärtbaren Legierungen erreicht.

Manchmal kommt es während des Gusses einer Legierung zu starken Kristallseigerungen und damit zu massiven Ausscheidungen an den Korngrenzen. Dadurch wird eine Aushärtung einer Legierung im Gußzustand oft sehr erschwert. Durch die Anwendung eines Kunstgriffes, der darin besteht, die an den Korngrenzen ausgeschiedenen Substanzen vor der Aushärtung zu 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 Großversuchsanlage die produktionsmäßige Verwendbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens geprüft werden.

Ausgehärtet wurde Stangenmaterial im kontinuierlichen Durchlaufverfahren, wobei die Stangen durch eine Induktionsspule Hefen. 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:

Stangen-.-, durchmesser
mm

Durchsatz
kg/h

Spezifische
Leistung
kW/kg und h

600	0,50
690	0,44
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.

Für ein Lösungsglühen allein ohne Wärmeaushärtung ist im Salzbad bei einem Badinhalt von 5000 kg eine spezifische Leistung von 0,52 kW/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.

2ϊ 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 Durchlauferwärmung.

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.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (16)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Aushärten von Legierungen unter Einwirkung magnetischer Wechselfelder und/ oder elastischer Schwingungsfelder, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung während des lediglich aus einem Lösungsglühen mit anschließendem Abschrecken bestehenden Aushärtungsprozesses dem Einfluß eines oder mehrerer magnetischer Wechselfelder und/oder elastischer Schwingungsfelder ausgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Wechselfelder und elastischen Schwingungen in der Legierung durch elektromagnetische Induktion erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Wechselfelder und elastischen Schwingungen in der Legierung durch konduktive Zuführung eines Wechselstromes erzeugt werden.

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

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Wechselfelder und elastischen Schwingungen in der Legierung dadurch erzeugt werden, daß eine Relativbewegung zwi- jo sehen dem Magnetfeld eines Magneten gleichbleibender Polarität und der in dieses Magnetfeld eingebrachten Legierung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Wechselfelder und elastischen Schwingungen in der Legierung durch gleichzeitige Einwirkung zweier elektrischer Ströme erzeugt werden, wobei die Frequenz des einen Stromes der für die Erwärmung optimalen Frequenz entspricht und die Frequenz des zweiten Stromes auf die Resonanzfrequenz der Legierung abgestimmt ist.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Legierungen mit mehreren Resonanzfrequenzen die « magnetischen Wechselfelder und elastischen Schwingungen durch gleichzeitige Einwirkung mehrerer elektrischer Ströme verschiedener Frequenzen erzeugt werden, 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 2, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Induktionsströme entweder gleichzeitig über eine einzige oder über mehrere Induktionsspulen geführt werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Wechselfelder und elastischen Schwingun- bo gen in der Legierung durch lastgeführte statische Umrichter mit gleitender Frequenz erzeugt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Aushärtungsprozeß notwendige Wärme in der b^r> Legierung durch selbstgeführte statische Umformer mit starrer jedoch regelbarer Frequenz erzeugt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Schwingungen in der Legierung dadurch erzeugt werden, daß sie dem Schallfeld eines Schallgebers ausgesetzt sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die elastischen Schwingungen in der Legierung durch mechanische Beeinflussung, beispielsweise durch Vibration, erzeugt werden.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die für den Aushärtungsprozeß notwendige Wärme in der Legierung durch Wärmeleitung, Wärmestrahlung, Durchleitung eines Gleichstromes, oder durch Kombination dieser Wärmequellen erzeugt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß die für den Aushärtungsprozeß notwendige Wärme in der Legierung durch die gleichzeitige Einwirkung von Wirbelströmen bzw. Wechselströmen und Gleichströmen erzeugt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung vor der Einwirkung von magnetischen Wechselfeldern und/oder elastischen Schwingungen einer Vorerwärmung ausgesetzt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dauer des Aushärtungsprozesses in der Größenordnung von Sekunden liegt.