DE2001712A1

DE2001712A1 - Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE2001712A1
Application number: DE19702001712
Authority: DE
Inventors: Joseph Raffin
Original assignee: Schweizerische Aluminium AG
Current assignee: Alcan Holdings Switzerland AG
Priority date: 1969-01-15
Filing date: 1970-01-15
Publication date: 1970-08-13
Also published as: NO128827B; NL7000498A; JPS5128562B1; DE2001712B2; ES375477A2; FR2031126A6; US3475166A; CA917961A; BE744380R; GB1289621A

Description

H-SCHROETER-K-LEuMANN

patentanwälte 8 Mönchen 25 ■ Lippwskystr. IO · Tel. 778956 2001712

fo-el-12 Bu/ku

15. Januar 1970

ELECTRONIC SPECIALTY COMPANY

Aluminiumlegierung

Zusatz zu Patent .V............. (Patentanmeldung P 15 33 245.3)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumgießlegierung von hoher Festigkeit nach dem Hauptpatent .............. (Patentanmeldung P 15 33 245.3) sowie auf ein Verfahren zu deren Herstellung.

Es besteht seit langem das Bedürfnis nach Gußstücken

9833/1369 ;

aus Aluminiumlegierungen von hoher Festigkeit, und zwar nicht nur als Ersatz für die teureren Aluminiumteile von hoher Festigkeit, die durch Schmieden, Strangpressen, Kaltwalzen und spangebende Bearbeitung hergestellt werden, sondern auch zur Herstellung von komplizierter geformten Teilen. Es sind zwar Aluminiumgießlegierungen für Gußteile erhältlich, jedoch ist die Festigkeit dieser Teile wesentlich geringer als diejenige von spangebend bearbeiteten Grobblechen und Knüppeln, spangebend bearbeiteten Schmiedestücken und spanlos bearbeiteten Anordnungen.

Derzeit wird vor allem die Aluminiumgießlegierung Nr. 356 verwendet, deren Festigkeit jedoch für viele Konstruktionserfordernfese nicht ausreicht. Es werden auch die Aluminiumlegierungten 195 und 357 verwendet, die jedoch nicht die für viele Aluminiumteile von hoher Festigkeit geforderten Zugfestigkeiten und Streckgrenzen aufweisen. Es wurden einige speziell verwendbare Aluminiumgießlegierungen, wie beispielsweise Tens 50, APM und NA222 und Versuchslegierungen wie ST6O und M710 verwendet, um relativ hohe Festigkeiten zu erreichen. Beispielsweise enthält APM eine Nennzusammensetzung von etwa 4 bis 5 % Kupfer, etwa 0,3 % Magnesium sowie Spuren von Titan, Silicium und Eisen und kann so behandelt werden, daß es eine Zugfestig-

2
keit von etwa 3164 kg/cm (45 000 psi), eine Streck-

grenze von etwa 2109 kg/cm (30 000 psi) und eine Dehnung von 5 bis 10 % besitzt. Das Kupfer in der Aluminiumgießlegierung erhöht die Festigkeit der Legierung, es erhöht jedoch auch ihre Anfälligkeit für Spannungskorrosion.

009833/1369

.» "5 — ^s

Die Erfindung schafft eine verbesserte Aluminiumlegierung, die im wesentlichen frei von Spannungskorrosionsproblemen ist und mit welcher Gußstücke hergestellt werden können, die eine Zugfestigkeit von über

2
4921 kg/cm (.70-000 psi), eine Streckgrenze über 4218 kg/cm (60 000 psi) und eine Dehnung von etwa 4 bis 10 % oder mehr besitzen. Insbesondere kann in handelsüblichen Gußstücken mit Schreckschichten eine Zugfestigkeit von 4570 kg/cm² (65 000 psi), eine Streckgrenze von 3867 kg/cm (55 000 psi) und eine Dehnung von 8 % garantiert werden und in Sandgußstükken ohne Schreckschichten eine Zugfestigkeit von 4218 kg/cm (60 000 psi), eine Streckgrenze von 3515 kg/cm (50 000 psi) und eine Dehnung von 3 %. Diese Eigenschaften sind mit denjenigen vergleichbar, die normalerweise nur mit Schmiedestüeken aus Aluminium erzielt werden, jedoch nicht mit Gußstücken aus Aluminium. Die erfindungsgemäße Legierung hat daher alle vergleichbaren Aluminiumgießlegierungen von hoher Festigkeit übertroffen.

Die erfindungsgemäße Aluminiumgießlegierung hat nicht nur bessere Eigenschaften als alle anderen bekannten, sondern die nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung hergestellten Gußstücke behalten auch bei erhöhten Temperaturen gute Eigenschaften. Beispielsweise erhält man bei 26O° C (500° F) eine Zugfestigkeit von Über 2320 kg/cm (33 000 psi), eine Streckgrenze von

über 2259 kg/cm (32 000 psi) und eine Dehnung von l4 %. Selbst bei 3ifi° C (600° F) besaßen die Gußstücke eine Zugfestigkeit von über 1336 kg/cm² (19 000 psi), eine

- 4. -1098^371309

2
Streckgrenze über 1336 kg/cm (19 000 psi) und eine

Dehnung von etwa 16 %. Im Gegensatz dazu verlieren die meisten Aluminiumgießlegierungen ihre ganze Festigkeit bei solchen hohen Temperaturen.

Kurz gesagt enthält die erfindungsgemäße Legierung zusäzlich zu ihrer Aluminiumbasis im wesentlichen etwa 3,5 oder 4,2 % bis etwa 6,0 t Kupfer und etwa 0,05

£ bis 3,0 % Silber und bis zu etwa 1 % Mangan. Für optimale Ergebnisse ist Kupfer in einer Menge von etwa 4,7 bis 5,3 % vorhanden und Silber in einer Menge von etwa 0,40 bis 1,0 % und die Legierung enthält etwa 0,15 bis etwa 0,40 % Magnesium.

Die in Beschreibung und Ansprüchen genannten Prozentangaben beziehen sich jeweils auf Gewichtsprozent. Der Ausdruck "bis zu" bedeutet von 0 % bis zu dem angegebenen Prozentsatz.

Wenn der Kupfergehalt unterhalb 3,5 % liegt wirkt sich dies schädlich auf die Festigkeit der Legierung aus. |P Mit wenig Mangan liegt die bevorzugte untere Grenze des Kupfers bei 4,2 %. Optimale Eigenschaften wurden mit einem Kupfergehalt von 4,7 bis 5,3 % erhalten.

Das Silber verbessert offensichtlich die Dispersion des Kupfers in der Legierung, wodurch ihre Festigkeit erhöht wird und es wirkt der Neigung der Aluminiumlegierung zur Spannungskorrosion durch den hohen Kupfergehalt entgegen. Die Menge des Silbers kann auf über 1 % erhöht werden, ohne die physikalischen Eigenschaften

- 5 -009833/1369

der Legierung nachteilig zu beeinflussen« Da Silber jedoch ein kostspieliges Metall ist, erhöhen Mengen von mehr als 1 % oder so^gr von mehr als 0,7 % die Herstellungskosten der Legierung unnötig, ohne wesentliche Änderung Ihrer physikalischen Eigenschaften oder Verminderung der Spannungskorrosion.

Die Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung werden weiter verbessert, wenn Zink in einer Menge von bis zu 4,0 % zugegeben wird, wobei mit etwa 1,0 bis etwa 3,0 % Zink gute Ergebnisse erzielt werden. Die Festigkeit wird noch erhöht durch Zusatz einer verhältnismäßig kleinen Menge Magnesium, im Bereich .von etwa 0,15 bis 0,4 ϊ. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Magnesiumgehalt von 0,2 bis 0,3 % erhalten.

Titan gewährleistet in vorteilhafter Weise einen feinkörnigen Aufbau der Legierung, was für ein erfolgreiches Lösungsglühen gemäß*dem erfindungsgemäßen Verfahren wichtig ist. Das Titan kann in einer Menge von etwa 0,15 bis etwa 0,7 % und vorzugsweise von etwa 0,20 bis etwa 0,30 % vorhanden sein. In manchen Fällen wird das Titan an der unteren Grenze gehalten und es wird nach dem erneuten Schmelzen der Legierung mehr zugegeben, da hierdurch das Korngefüge verbessert wird.

Das Silicium wird unter 0,15 % gehalten, um "Verbrennungserscheinungen" zu vermelden und der Elsengehalt wird unter0,15 % gehalten, damit die Legierung einwandfrei auf die Wärmebehandlung anspricht. Für tipti-

- 6-009833/1369

male Ergebnisse werden sowohl das Silicium als auch das Eisen unter etwa 0,1 t gehalten und vorzugsweise unter etwa 0,05 %.

Eine Zugabe von Bor ist zur Herstellung der Legierung nicht erforderlich, jedoch sollte zur Verbesserung des Korngefüges beim erneuten Schmelzen der Legierung eine kleine Menge Im Bereich von 0,001 bis 0,05 % zugegeben werden.

Der Mangangehalt der Legierung kann zwischen 0 bis zu etwa 1 Gew.-2 liegen, ohne die Legierung nachteilig zu beeinflussen. Zugaben von etwa 0,2 bis 0,8 % Mangan verbessern die Eigenschaften der Legierung bei hohen Temperaturen und werden aus diesem Grunde bevorzugt. Die besten Ergebnisse wurden mit einem Mangangehalt von etwa 0,3 % erzielt.

Vorzugsweise werden Elemente wie Molybdän und Cer jeweils unterhalb von etwa 0,3 % gehalten. Chrom wird unter etwa 0,5 % gehalten.

Die breiten und engen Bereiche und ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Legierung sind In der folgenden Tabelle angegeben.

009833/1369

Elemente

TAB ELL E

breiter Bereich enger Bereich Beispiels-Gew.-Ϊ . Gew.-i wert Gew.-Ϊ

Kupfer	3,5	- 6,0	M " -	5,3	M
Silber	0,05	-3,0	.0,40- -	1,0	0,60
Titan	0,15	-0,7	0,20' -	0,30	0,25
Silicium (max.)	0	- 0,15	weniger als .	0,10	0,05
Elsen (max.)	0	- 0,15	0 -	0,03	0
Bor	0,001	- 0,05	0,001 -	0,01	0,002
Mangan	0	- 1	: 0,2 -	0,8	0,3
Molybdän	0	- 0.3		0₉3	0
Ger	0	- 0,3		0,3	0
Chrom	0	- 0,5		'0,3	0
andere (jeweils)	0	- 0,05		0,05	0
andere (gesamt)	0	- 0,15		0,15	0
Zink	0	- M	1,0 -	3,0	2,0
Magnesium	0,15	«0,4	0,20 -	0,30	0,24
Aluminium	Rest		Rest		Rest

Eine typische Schmelze der Legierung wurde wie folgt hergestellt: Etwa 34,02 kg (75 pounds) Rückstand (Ein-

009833/1369

und Angüsse von früheren Gießvorgängen, welche umgeschmolzen werden) wird mit etwa 24,95 kg (50 pounds) Aluminium von hoher Reinheit (99,8 bis 99,99 % reines Aluminium) und etwa l,8l kg (4 pounds) einer Aluminium-Titan-Vorlegierung (5 % Titan, Rest Aluminium) in einem Siliclumcarbldtlegel in einem Gasofen geschmolzen. Die Temperaturregelung erfolgte mittels eines Chrom-Alumel-Thermoelements und eines Potentiometers. Nach Erreichen

m von etwa 704,4° C (1300° P) werden 1,25 kg (2,75 pounds) elektrolytisches Kupfer und 0,15 kg (0,33 pound) Silber zugegeben. Wenn Zink erwünscht 1st, würde es zusammen mit dem Kupfer und dem Silber zugegeben werden. Nach Auflösen der Metalle wird der Tiegel mit weiterer 20,41 kg (45 pounds) Rückständen von früheren Schmelzen gefüllt, um eine Zusammensetzung innerhalb der in der obigen Tabelle angegebenen Bereiche zu erhalten. Wenn die Temperatur erneut 704,4° C (1300° P) erreicht hat, wird mittels eines Graphitrohrs Stickstoff durch die Schmelze geleitet, um jegliche schädliche Gase zu entfernen, wie beispielsweise durch die Zersetzung von Feuchtigkeit erzeugten Wasserstoff, und danach

P läßt man die Temperatur auf 760° C (l400° F) ansteigen. Es werden etwa 0,23 kg (0,50 pound) einer Aluminium-Titan-Bor-Legierung (5 % Titan, 1 % Bor und als Rest im wesentlichen Aluminium) und danach etwa 0,082 kg (0,18 pound) reines Magnesium zugegeben. Es wurde überprüft, ob sich in dem Metall etwas Wasserstoffgas aufgelöst hat und bei positivem Ergebnis der Prüfung wird weiterhin Stickstoff durchgeleitet, bis ein negatives Ergebnis der Prüfung erhalten wird.

Dann wurden der Schmelze etwa 0,045 kg (0,10 pound)

009833/1369 " ⁹ "

eines Kornverfeinerungsmittels (ein Semisch aus zwei Teilen Titankaliumfluorid und einem Teil Kaliumborfluor id) zugefügt und nach einer Wartezeit von wenigstens 10 Minuten und nach Erreichen der Gießtemperatur von etwa 718,3° C bis etwa 773,9° C (1325 - 1425° P) (abhängig von Form und Größe des Gußstücks) wird die Schmelze in eine Form mit einer Prüf !kings form und einer Probenform für die chemische Analyse gegossen. Eine Gießtemperatur von 746,1° C (1375° F) ist für einen großen Bereich von Teilen geeignet. Eine zu niedrige Gießtemperatur ergibt schlechtere mechanische Eigenschaften.

Bei einer anderen Ausführungsform dieses Schmelzverfanrens, die ebenfalls erfolgreich war, wurden etwa 28,35 g (1 ounce) Hexachloräthanpillen pro 68,04 kg (150 pounds) Metall bei 704,4° C (1300° F) in die Schmelze getaucht, um eventuell vorhandene Spuren von Natrium zu entfernen. Chlorgas kann für denselben Zweck verwendet werden. Dann werden das Magnesium und die Aluminium-Titan-Bor-Legierung zugefügt. Nach Abschlacken der Schmelze wird das Kornverfeinerungsmittel zugegeben und Stickstoff durch die Schmelze geleitet, bis eine Prüfung zeigte, daß das Metall frei von Gas war. Gleichzeitig wurde die Temperatur auf 746,1° C (1375° F) bis 760° C (l400° F) erhöht. Die bevorzugten Gießtemperaturen sind bei beiden Schmelzverfahren dieselben.

Vorzugsweise wird eine Gießform mit wasserfreiem Sand verwendet. Natürlicher gebundener Sand ist geeignet,

. ♦' - 10 - 00 9833/1360

man kann jedoch auch synthetischen Sand verwenden, doch wird häufig durch die Umsetzung zwischen dem Metall und der Feuchtigkeit des Sandes eine Gaeaufnahme bewirkt.

Die gegossene Legierung wurde dann in einem Elektroofen mit Abschreck-Tauchbehälter (electric drop quench furnace) einer Lösungsglühbehandlung unterzogen, indem P die Gießlinge 3 bis 8 Stunden auf 526,7° C bis 537,8° C (980° P - 1000° P) erhitzt werden. Das Gußstück wurde dann in Wasser bei einer Temperatur nicht über 54,4° C (130° F) abgeschreckt. Manchmal bewirkt das Abschrekken ein Verwerfen des Gußteils, welcher dann In einer Fresse oder mit einem Plastik- oder Holzschlägel wieder ausgerichtet wird. Nach dem gewünschten Ausrichten des Gußstückes während der nächsten 3 Stunden, wird es für 8 bis 20 Stunden bei 137,8° C bis 171,1° C (280° F - 340° F) gealtert.

Die Lösungsglühbehandlung hat den Zweck, die kupferhaltige Verbindung, welche sich während der Verfesti-W gung der Legierung um die aluminiumhaltige Matrix niedergeschlagen hatte, aufzulösen, ohne das Schmelzen Irgendeines Bestandteils zu bewirken. Die Temperatur und Dauer der Lösungsglühbehandlung wird in Abhängigkeit von Größe, Form und Dicke des Gußstücks gewählt, um eine praktisch vol&ändlge Auflösung des Eutektikums in der Matrix zu erzielen, welches durch mikrographische Untersuchung überprüft wird.

Das Abschrecken hat den Zweck, die übersättigte feste

- 11 -009833/1369

"*fr * 9 * 1 *■- t * ·

- 11 .-

Lösung; deir^kupferhaltigen Phase und der anderen intermetallischen Phasen in der Aluminiummatrix aufrecht su erhalten. Das Abschrecken soll so schnell und kräftig wie möglich erfolgen, ohne daß Spannungsrisse entstehen. Ein Abschrecken der Legierung bei 543,-3° C (1010° P) verursachte Risse in Gußstücken, sogar in kleinen Teilen. Beim Abschrecken der Legierung bei 537,8° C (1000° F) zeigten sich keine Risse in Prüfstäben aus der Legierung, es bildeten sich jedoch elni- M ge leichte Oberflächenrisse an einigen wenigen Stellen von komplexen Gußstücken. Ein Abschrecken der Legierung bei 535° C (995° '*) verursachte Risse in stark abgeschreckten, komplexen Gußstücken, während dieselben Gußstücke ohne Abschreckung keine Risse aufwiesen. Ein Abschrecken der Legierung bei 529»4° C (985° P) ruft bei Gußstücken bis zu einer Läng® von 1,52 ι (5 feet) keinerlei Risse hervor. Daher befindet sich die erfindungsgemäßeLegierungvorzugsweise auf einer Temperatur von 529,4° C (985° F), wenn sie abgeschreckt wird, auch wenn die Lösungsglühbehandlung bei 529,4 oder 537,8° C(985 oder 1000° F) durchgeführt wird. In diesem Fall wird die Temperatur vor- (J zugsweise vor de« Abschrecken auf etwa 529,4° C (985° P) erniedrigt. Aus der Legierung hergestellte Teile mit einer Länge von 2$,4o bis 38,10 cm (10 bis 15 inches) und einer Wandstärke von 0,64 bis 1,90 cm (l/4 bis 3/4 inch) wurden bei einer Temperatur von 535° C (995° F) ohneRißbildung abgeschreckt. Die Temperatur des Wassers beträgt vorzugsweise nicht mehr als 48,9° C (120° P) und ein Abschrecken in Wasser bei Zimmertemperatur scheint die Beständigkeit gegen Spannungskorrosion nicht zu verbessern.

009833/1369 " ¹² "'

Allgemein war eine Dauer der Lösungsglühbehandlung von etwa 5 Stunden für Teile mit einer Dicke von 6,35 cm (2 1/2 inches) ausreichend. Beim Lösungsglühen ergibt eine Temperatur im Bereich von 529,4 bis 537,8° C (985 - 1000° P) zufriedenstellende Ergebnisse, wobei optimale Ergebnisse erzielt werden, wenn während zwei oder drei Stunden einer fünfstündigen Periode 535° C (995° F) erreicht werden. Eine typische Lösungsglühbehandlung erfolgte eine Stunde bei 529,4° C (985° P), sodann drei Stunden bei 535° C (995° F) und sodann eine Stunde bei 529,4° C (985° F), so daß sich eine Gesamtzeit von fünf Stunden ergab.

Gußstücke, deren Größe nur 38,1 χ 38,1 cm (15 x 15 inch) und deren Dicke nur 1,9 cm (3/4 inch) beträgt, können in zufriedenstellender Weise durch Lösungsglühen behandelt werden, indem die Teile fünf Stunden bei 535° C (995° F) erhitzt werden. Kleinere Gußstücke in der Größenordnung von etwa 20,3 x 2,54 x 1,27 cm (8 χ 1 χ 1/2 inch) können etwa vier Stunden bei 537,8° C (1000⁰P) wärmebehandelt werden.

Die Teile werden zum Ausscheiden der Kupferverbindung gealtert, woraus eine Härtung der Legierung folgt. Temperatur und Dauer der Alterung wird durch die bevorzugten Eigenschaften festgelegt. Die Zugfestigkeit der Gießlegierung wird im allgemeinen mit steigender Dauer und Temperatur bis zur maximalen Alterung verbessert und beginnt sodann zu fallen, wenn die Legierung überaltert ist. Die Geschmeidigkeit oder Ziehbarke it der Legierung sinkt im allgemeinen, wenn die Zug-

- 13 -009833/1369

festigkeit steigt. Erhöhte Stoßfestigkeit läßt sich durch längere Alterung bei einer tieferen Temperatur, beispielsweise mindestens 15 Tage bei Zimmertemperatur, erzielen, jedoch 1st die Streckgrenze dann niedriger. Die Alterung der Legierung bei l60° C (320°P) über eine Dauer von etwa 20 Stunden ergab ein sehr stabiles Material, welches sich im Laufe der Zeit nicht änderte und welches auch eine sehr hohe Beständigkeit gegen Spannungskorrosion besaßt Eine Alterung bei der M höheren Temperatur von 171,1° C (3¹JO⁰ P) ließ sich mit Erfolg in kürzerer Zeit, jedoch auf Kosten des Verlusts einiger Prozent an Dehnung durchführen. Eine Legierung mit annehmbaren, gut ausgeglichenen physikalischen Eigenschaften läßt sich durch Alterung bei 146,1° C (295° P) erzielen.

Eine typische Wärmebehandlung für Gußstücke, wie eine Strebe für ein Flugzeugfahrwerk, wird folgendermaßen durchgeführt: Eine Stunde bei 529,4° C (985° P), drei Stunden bei 535° C (995° P) und eine Stunde bei 529,4° C (985° P), so daß sich eine Gesamtzeit von fünf Stunden Lösungsglühbehandlung ergibt. Sodannwird 5 Sekunden j|

in auf Zimmertemperatur befindlichem Nasser abgeschreckt und das Gußstück 24 Stunden bei Zimmertemperatur gehalten. Danach wird 20 Stunden bei l60° C (320° P) gealtert.

Beste Ergebnisse sind erzielt worden, indem die Temperatur des Gußstücks langsam in einer Reihe von Stufen auf die Lösungsglühtemperatur gesteigert wurde. Die Gußstücke werden zuerst auf eine Temperatur von 504,4° C (940° P) erhitzt und bei dieser Temperatur über eine

- 14 -009833/1369

I 4 · I

- l4 -

Zeltdauer von 8 Stunden gehalten. Die Temperatur des Wärmebehandlungsofens wird sodann auf etwa 515*6° C (960° F) gesteigert und auf diesem Wert wiederum acht Stunden gehalten. Sodann wird die Temperatur des Ofens um weitere 11,1° C (20° P) auf 526,7° C (980° P) gesteigert und die Gußstücke werden bei dieser Lösungsglühtemperatur weitere acht Stunden gehalten. Die endgültige Lösungsglühtemperatur wird je nach dem Legle- £ rungsgehalt des Gußstücks, das heifit den Anteilen an

Silber, Magnesium, Hangan usw., die der Schmelze zugefügt wurden, gewählt. Wenn sich der Legierungsgehalt des Gußstücks erhöht, sollte im allgemeinen die endgültige Lösungsglühtemperatur vermindert werden. Die Lösungsglühtemperatur soll hoch genug sein, um die kupferhaltige Phase aufzulösen, sie muß jedoch nicht das Schmelzen aller intermetallischen Verbindungen bewirken. Die Alterung 1st sowohl zelt- als auch temperaturabhängig. Wenn niedrigere Alterungstemperaturen angewendet werden, sollten die Alterungszeiten erhöht werden. Beispielswelse hat sich herausgestellt, daß * gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Gußstücke bei W 154,4° C (310° P) 20 Stunden gealtert werden.

Die Ergebnisse von mechanischen Prüfungen an Angüssen, die von gemäß den obigen Erläuterungen hergestellten Gußstücken durch spangebende Bearbeitung hergestellt und nach gegenwärtig verfügbaren Güteverfahren zur Erzeugung einer fortschreitenden Richtungsverfestigung behandelt wurden, lagen Im folgenden Bereich: Zugfestigkeit 4179,8 bis 4932,1 kg/cm² (59 450 bis 70 150 psi); Streckgrenze (ermittelt durch 0,2 Ϊ-

- 15 009833/1369

Verse^zi^i-^öder Of feet verfahren) 3480,2 bis 4531,3 kg/cm² (49"500 - 64450 psl); und Dehnung 5 f bis ITV.

Die chemische Zusammensetzung der Angüsse wurde durch chemische Analyse bestimmt und lag in den folgenden Grenzen:

Element Gew.-St

Kupfer , 4,74 bis 5,55

Magnesium .0,20 bis 0,31

Titan - 0,22 bis 0,28

Silber 0,54 bis 0,6l Mangan bis zu 0,8 Silicium-Eisen 0 Aluminium Rest

Die erfindungsgemäße Legierung enthält einen hohen Anteil an Kupfer, von dem ein Teil zur Bildung der intermetallischen Verbindung CuAIp beiträgt. Diese Verbindung muß während der Wärmebehandlung gelöst werden. Ihre Löslichkeit steigt mit der Temperatur, was wahrscheinlich dafür verantwortlich ist, daß erfindungsge- , maß ein Temperaturbereich von 523j9 bis 537,8° C (975 bis 1000° F) statt 504,4 bis 521,1° C (940 bis 970° F), wie bei der bekannten Aluminiumlegierung 195, angewendet wird. ^s

Die Analyse eines weiteren Probestabes zeigte die folgende Zusammensetzung: :. , , -...-.. ;

- 16 -009833/1369;:

Element Gew. -%

Kupfer 4,73

Silber 0,61

Magnesium 0,21

Elsen O

Silicium O

Mangan 0,01

Titan 0,27

Chrom 0

Nickel 0,02

Aluminium Rest

Versuche haben gezeigt, daß die besten Eigenschaften erzielt werden, wenn der Kupfergehalt zwischen etwa 4,7 % und etwa 5,3 % liegt. Beispielswelse hatten in gleicher Weise wärmebehandelte Probestäbe, die sich innerhalb jedes Satzes nur durch den Kupfergehalt unterschieden, die folgenden Dehnungseigenschaften:

Satz Nr. 1

Kupfer Gew.-* 4,20 4,75

Zugfestigkeit in 3023 (43000) 4078 (58000) kg/cm* (psi)

Streckgrenze in 1828 (26000) 2461 (35000) kg/cm (psi)

Dehnung in % 13

- 17 -

009833/1369

	in	Satz Nr.	2	5,75	000)
Kupfer Gew.-/S	in	4,75		3937 (56	000)
Zugfestigkeit kg/cm² (psi)		4359 (62	000)	2320 (33
Streckgrenze kg/cm² (psi)		2953 (42	000)	2,0
Dehnung in %		12,5
	in	Satz Nr.	3	5,75	000)
Kupfer Gew.-i	in	5,25		4078 (58	000)
Zugfestigkeit kg/cm² (psi)		4289 (61	000)	2672 (38
Streckgrenze kg/cm² (psi)		3094 (44	000)	4,0
Dehnung in %		5,5
	In "	Satz "Nr.	4	5,0	500)
Kupfer Gew.-i	in	3,2		4746 (67	600)
Zugfestigkeit kg/cm2 (psi)		3754 (53	400)	4261 (60
Streckgrenze kg/cm² (psi)	3319 (47	200)	5,5
Dehnung in %	8,0

- 18 -

009833/1369

Satz Nr. 5

Kupfer Gew.-< 5,0 6,0

Zugfestigkeit in

kg/cm² (psi) M197 (59 700) 3881 (55 200)

Streckgrenze In

kg/cm² (psi) 3537 (50 300) 3754 (53,400)

Dehnung in % 4,4 1,2

Magnesium wird manchmal in Aluminlum-Kupfer-Gießlegierungen mit hoher Festigkeit für unerwünscht gehalten. Es hat sich jedoch gezeigt, daß es in geeigneten Mengen die Streckgrenze der erfindungsgemäßen Legierung erhöht. Beispielsweise hatten in gleicher Weise wärmebehandelte Probestäbe, die sich innerhalb jedes Satzes nur durch den Magnesiumgehalt unterschieden, die folgen den Dehnungseigenschaften:

Satz Nr. 1

Zugfestigkeit in kg/cm*² (psi)

Magnesium Gew.-J 0,19 0,29

4535 (64 500) 4964 (70 600)

Streckgrenze in

kg/cm² (psi) 3937 (56 000) 4668 (66 400)

Dehnung in % 5,5 3,0

Magnesium Gew.-JE 0,38 0,48

Zugfestigkeit in

kg/cm² (psi) 4950 (70 400) 2109 (30 000)

Streckgrenze in

kg/cm2(psi) 47-39 (6? Ü00)

Dehnung in % 2,5 0,5

009833/1369 - 19 -

Der Probestab salt 0,48 % Magnesium zeigte gewisse Verbrennungeerscheinungen. Der beste Magnesiumbereich liegt zwischen etwa 0,20 Jt und etwa 0,30 % und das obige Beispiel zeigt_e daß dieser Bereich die Zugfestigkeit und die Streckgrenze um etwa 10 % erhöht.

Elementares Silber wird der Legierung zugegeben, da es die mechanische Festigkeit der Legierung erhöht und die Beständigkeit der Legierung gegen Spannungskorro- jjj

sion steigert. Die mechanische Festigkeit der Legierung wird durch die Zugabe von nur 0,2 % Silber verbessert. Im Bereich von 0,4% bis 1,5 % Silber ist die Legierung Im wesentlichen frei von Spannungskorrosion. Die mechanische Festigkeit scheint bei etwa 0,5 % Silber optimal zu sein, wird Jedoch nur geringfügig vermindert, wenn der Silbergehalt auf 3,0 S ansteigt. Die Wirkung des Silbers auf die Eigenschaften wird durch die folgenden Ergebnisse an den als Beispiel gemessenen Sätzen von Probestäben gezeigt:

Satz Nr. 1

Silber Qew.-Jt 0 0,60 Zugfestigkeit in

kg/ca² (pst) 4l83 (59 500) 4851 (69 000)

Streckgrenze in

kg/cm* (psi) 3129(44500) / 4015(57 100)

Dehnung in % 6,0 8,5

- 20 -

-00 9 S3 37-13-69

Satz Nr. 2

Silber Gew.-% O 0,20

Zugfestigkeit in

kg/cm2 (psi) 4219 (60 000) 4711 (67 000)

Streckgrenze in

kg/cm2 (psi) 3515 (50 000) 4289 (6l 000)

Dehnung in % 4,4 2,5

Silber Gew.-* 0,30 0,70

Zugfestigkeit in

kg/cm² (psi) 4711 (67 000) 4781 (68 000)

Streckgrenze in

kg/cm² (pel) 4l48 (59 000) 4261 (60 600)

Dehnung in K 5,0 4,6

Bei einem dritten Satz ändert sich auch der Magnesiumgehalt, es zeigt sich jedoch trotzdem, daß ein hoher Prozentsatz an Silber keine nachteilige Wirkung auf die Zugfestigkeit hat.

	.-*	Satz	Nr.	3	1	,1	600)
Silber Gew.-*	in	0	,60		0	,20	500)
Magnesium Gew	in	0	,19		4472	(63
Zugfestigkeit kg/cm² (psi)		4535	(64	500)	3972	(56
Streckgrenze kg/cn² (psi)	3937	(56	000)	4	,5
Dehnung in %	5	.5

009833/1369

- 21 -

Silber Gew.-Sf Magnesium Qew.-J Zugfestigkeit in kg/cm² (pel) Streckgrenze in kg/cm2 (psi) Dehnung In %

Satz Nr.

1,6 2,1 2,6

0,15 0,15 0,19

4352(61900) 4352(61900) 4493(63900)

3382 (48100) 3283 (46700) . 3375 (48000)

10,0

8,0

Wenn Zink in einer Menge zwischen etwa 1,0 % und 3,0 % zugegeben wird, wird die Festigkeit ebenfalls wesentlich verbessert, wie durch den folgenden, als Beispiel dienenden Satz von Meßergebnissen gezeigt wird:

Satz Nr.

Zink Gew.-J

Zugfestigkeit in kg/cm² (psi)

Streckgrenze in kg/cnr (psi)

Dehnung in %

2,0

4549 (64700) 478I (68OOO) 5076 (72200)

3965 (56400) 4064 (57800) 4493 (63900) 5,0 9,0 5,0

Zink Gew.-?

Zugfestigkeit in kg/cnr (psi)

Streckgrenze in kg/csr (psi)

Dehnung in %

3,0 4,0

5111 (727OO) 4851 (69000)

4514 (64200) 4584 (652OO) 5,0 2,0

009833/1369

-22 -

Titan ist ein gutes Kornverfeinerungemittel. Der Bereich von 0,20 % bis 0,30 % Titan ergibt ein feines Korn in der Legierung, wodurch die gewünschte Dispersion des Kupfers über die ganze Legierung während des Lösungsglühens erleichtert wird, woraus folgt, daß Gußstücke hergestellt werden können, die viel fester sind als Gußstücke, die aus bekannten Aluminlum-Gleßleglerungen hergestellt wurden. Es scheint sich keine Steigerung der Festigkeit durch Hinzufügung von mehr Titan zu ergeben ™ und die Dehnung sinkt, wenn der Titangehalt der Legierung steigt. Dies wird durch die folgenden Meßergebnisse an einem Satz von Probestäben gezeigt:

Satz Kr. 1

Titan Gew.-Ϊ 0,24 0,39

Zugfestigkeit in

kg/cm² (psi) 4197 (59 700) 4176 (59 400)

Streckgrenze in

kg/cm² (psi) 3537 (50 300) 3515 (50 000)

Dehnung in % 4,4 4,2

t

Titan Gew.-* 0,54 0,69

Zugfestigkeit in

kg/cm² (psi) 4254 (60 500) 4233 (60 200)

Streckgrenze in

kg/cm² (psi) 3586 (51 000) 3754 (53 400)

Dehnung in % 4,2 3,0

Die anderen Elemente in der Legierung sind Verunreinigungen. Zwei derselben, Silicium und Elsen, sind übliche

009833/1369

Verunreinigungen des ursprünglichen Aluminiums und sind für die erfindungsgemäße Legierung nachteilig. Daher sollten sie auf eine» niedrigeren Wert gehalten werden, als sie in den Aluminiumlegierungen 195 und APM vorhanden sind· Im allgemeinen soll der Eisen- und Sillciuragehalt unterhalb 0,15 %, vorzugsweise sogar unterhalb 0,1 % und, was noch mehr bevorzugt wird, unterhalb 0,05 % gehalten werden. Dies wird durch Verwendung von Aluminium mit höchster Reinheit erreicht. Beispielsweise zeigten zwei Sätze von Probestäben die folgenden Ergebnisse: -

	in	in	Satz Nr.	1	0	000)
Silicium	in	in.	0,15		0	100)
Eisen			0,16		4851 (69
Zugfestigkeit kg/cm² (psi)		4640 (66	000)	4015 (57
Streckgrenze kg/cn² (psi)	■	3656 (52	000)	8,5
Dehnung in %		2,5
	Satz Nr.	2	0,15	000)
Silicium	0,15		0,65	400)
Eisen	0,16		3164 (45
Zugfestigkeit *kg/c² (psi)**	4197 (59	700)	2489 (35
Streckgrenze kg/c«2 (psi)	3537 (50	300) /	2,0
Dehnung in %	4,4

⁽ - 24 -

Ö09833/136S

Um die Wirkung von Mangan auf die Festigkeitseigenschaften der Legierung zu bestimmen, wurde der Mangananteil bis auf 1 % gesteigert und die anderen Bestandteile der Legierung wurden im wesentlichen konstant gehalten, wie in Tabelle I gezeigt.

	1	Tabelle	i I	3	4
	1,11 %	2	{ 4,81 J	I 3,55 %
Kupfer	0,04 J	3,91 J	f 0,07 J	i 0,04 S
Eisen	0,36 %	i 0,05 J	{ 0,27 J	ί 0,28 %
Magnesium	0,002 J	0,29 J	ί 0,003 J	I 0,015 ί
Silicium	0,08 J	t 0,015 J	I 0,10 J	ί 0,08 Ji
Zink	0,28 J	I 0,08 J	i 0,63 3	I 0,94 %
Mangan	0,21 J	i 0,18 J	ί 0,25 3	ί 0,23 *
Titan	0,023 J	I 0,20 J	I 0,019 3	ί 0,028 %
Bor	Rest	I 0,027 J	Rest	Rest
Aluminium	Rest

Diese Legierungen wurden als Schreckplatten in Sandformen gegossen und ihre Dehnungseigenschaften änderten sich, wie in Tabelle II gezeigt. Die Ziehbarkeit der Legierung erhöhte sich, wenn der Mangangehalt fiber 0,3 t gesteigert wurde, und begann zu sinken, wenn der Mangangehalt l % erreichte.

- 25 -

009833/1369

Tabelle II

,„2

Nahgan %

Streckgrenze In kg/cm² (psl) Zugfestigkeit In kg/cm*² (psl) Dehnung %

O	,28	300)	O	(59	550)
4450	(63	800)	4l87	(67 ,5	100)
4908 5	(69	4718 6

Mangan Z 0,63 0,94

Streckgrenze In

kg/cm² (psi) 3920 (55 750) 4l80 (50 450)

Zugfestigkeit in

kg/cm² (psl) 4503 (64 050) 4176 (59 400)

Dehnung % 8,0 6,5

Die in allen vorangehenden Beispielen gezeigten Heßergebnisse wurden an genormten Probestäben mit einem Durchmesser von 1,27 cm (1/2 inch) und einer Länge von 5,72 cm (2 1/4 inches) erzielt, die in einer Sandform ohne Schreckschichten mit abgeflachtem Querschnitt gegossen wurden« Die Ergebnisse jedes Satzes sind Infolge

- 26 -009833/1309

- 26 -

von Unterschieden in anderen Veränderlichen zwischen den einzelnen Sätzen nicht direkt alt den Ergebnissen anderer Sätze vergleichbar.

Von anderen Elementen, welche der Legierung beigefügt werden können, waren einige sehr nachteilig, Manche wenig nachteilig und andere hatten keine Wirkung oder möglicherweise leicht vorteilhafte Wirkungen auf die Legierung.

Cadmium in einer Menge von 0,30 % verursachte schwere Verbrennungserscheinungen und Risse während der Wärmebehandlung bei vollständigem Verlust der Festigkeit und Dehnung.

Natrium, Calcium und Lithium In einer Menge von 0,02 % bewirkten eine Verringerung der Zugfestigkeit von 10 % bis 20 % und eine Verringerung der Dehnung von 30 % bis 40 % mit Rißbildung in den Probestäben der Legierung.

Kobalt in einer Menge von 0,30 % bewirkte eine Verringerung der Zugfestigkeit von 20 % und eine Verringerung der Dehnung von 30 % bei einer Vergröberung der Kornstruktur.

Zinn in einer Menge von 0,005 % beeinflußte die Eigenschaften der Legierung nicht, jedoch bewirkte die Verbindung des Zinns mit 0,005 % Wismith schwere Verbrennungserscheinungen und Risse während der Wäreebehandlung.

Antimon In einer Menge von 0,005 % feewirkte eine Ver-

- 27 -009833/1369

rlngerung der Zugfestigkeit von 10 % und eine ähnliche Verringerung der Dehnung.

Chrom in einer Menge von 0,25 t und Molybdän in einer Menge von 0,25 H bewirkten einen leichten Amtieg der Zugfettigkeit· Bei 0,50 % Molybdän zeigte eich ein geringer Anstieg der Zugfestigkeit, jedoch keine wesentliche Änderung für Chrom in diesem Bereich. Nickel und Cer hatten in einer Menge von jeweils 0,30 % keine merkliche Wirkung auf die Eigenschaften der Legierung. Zirkon in einer Menge von 0,25 % bewirkte eine geringe Abnahme der Zugfestigkeit.

00 9 8 33/1369 ; * ²⁸ "

Claims

- 28— Patentansprüche

1. Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 3,5 bis etwa 6,OK Kupfer, bis zu etwa 3,0 % Silber, bis zu etwa 0,4 % Magnesium, bis zu etwa 1 % Mangan, weniger als etwa 0,15 % Silicium, bis zu etwa 0,7 % Titan als Kornverfeinerungsmittel, bis zu 4 % Zink, bis zu 0,5 % Chrom und als Rest im wesentlichen Aluminium enthält und zur Herstellung von Sandgußstücken geeignet 1st, die in in der Lösung behandeltem und gealtertem Zustand eine Streckgrenze von über 3500 kg/cm², eine Zugfestigkeit von über 4200 kg/cm², eine Dehnung von mindestens 5 % und eine hohe Beständigkeit gegen Spannungskorrosion besitzen.

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 4,2 bis 5,3 % Kupfer, 0,4 bis 1 % Silber, 0,15 bis 0,7 % Titan und etwa 0,2 bis etwa 0,3 % Magnesium enthält.

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 0,05 Gew.-Ϊ Silicium und 0,2 bis 0,8 Gew.-Ϊ Mangan enthält.

4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 0,15 Gew.-J Eisen enthält.

- 29 00983 3/1369

- 29 -

5. Aluminiumlegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 4,2 bis etwa 6,0 55 Kupfer, etwa Q,05 bis etwa 3 % Silber, etwa 0,15 bis etwa 0,4 % Magnesium, etwa 0,3 bis 1 % Mangan, weniger als etwa 0,05 % Silicium und weniger als etwa 0,05 % Eisen enthält.

6. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als 0,1 Gew.-% Silicium und mehr als 0,3, Gew.-% Mangan enthält.

7. Gußstück, welches aus der Legierung nach Anspruch 1 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es derart wärmebehandelt ist, daß es eine Streckgrenze von über 3500 kg/cm , eine Zugfestigkeit von über 4200 kg/cm², eine Dehnung von mindestens 5 % und eine hohe Beständigkeit gegen Spannungskorrosion besitzt.

8. Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie im wesentlichen etwa 3,5 bis etwa 6,0 % Kupfer, etwa 0,05 bis etwa 3 % Silber, etwa 0,15 bis etwa 0,4 % Magnesium als Verfestigungsmittel, etwa 0,3 bis 1 % Mangan, weniger als etwa 0,05 % Silicium, weniger als etwa 0,05 % Eisen und als Rest Aluminium enthält und daß die Legierung nach dem Guß und nach einer Lösungsglühbehandlung und Alterung eine Dehnung von mindestens 5 % besitzt. .

9. Aluminiumlegierung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß sie 4,7 bis 5,3 % Kupfer, 0,4 bis 1 % Silber, 0,2 bis 0,3 % Magnesium und 0,3 bis 0,8 % Mangan enthält.

- - 30 009833/1369

10. Gußstück, welches aus der Legierung nach Anspruch 9 hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es derart wärmebehandelt ist, daß es eine Streckgrenze von mindestens 3515 kg/cm² (50 000 psl), eine Zugfestigkeit von mindestens 4218 kg/cm² (60 000 psi) und eine Dehnung von mindestens 5 % aufweist.

11. Gußstück aus Aluminiumlegierung, das lösungsgeglüht φ und gealtert 1st, dadurch gekennzeichnet, daß es aus

einer Aluminiumlegierung hergestellt ist, die etwa 3,5 bis etwa 6 Gew.-ί Kupfer, etwa 0,05 bis etwa 3 Gew.-J Silber, etwa 0,15 bis etwa 0,4 Gew.-Ϊ Magnesium als Verfestigungsmittel, bis zu etwa 1 Gew.-JS Mangan, bis zu 4 Gew.-Jt Zink, weniger als 0,1 % Silicium, weniger als 0,15 % Elsen und als Rest Aluminium enthält, wobei das Gußstück eine Zugfestigkeit von über 4200 kg/cm , eine Streckgrenze von über 3500 kg/cm² und eine Dehnung von mindestens 5 % aufweist.

12. Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie etwa 3,5 bis etwa 6,0 % Kupfer, etwa 0,05 bis 3,0 %

W Silber, etwa 0,15 bis etwa 0,4 % Magnesium, bis zu etwa 1 % Mangan und als Rest Aluminium enthält.

13* Aluminiumlegierung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,2 bis 0,8 % Mangan enthält.

l4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,15 bis etwa 0,7 % Titan und 4,2 bis 6 % Kupfer enthält.

15* Aluminiumlegierung nach Anspruch 12, dadurch gekenn-

0098 33/1389 -31-

zeichnet, daß sie 0,2 bis 0,8 % Mangan, 0,4 bis 1 % Silber, M bis 5,3 * Kupfer und. 0,15 bis 0,7 % Titan enthält.

16. Aluminiumlegierung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß sie weniger als etwa 0,05 % Silicium, weniger als etwa 0,03 % Eisen, bis zu 0,5 % Chrom, bis zu 0,3 % Molybdän, bis zu 0,3 % Cer und 0,001 bis 0,05 % Bor enthält. Λ

00 9833/1369