DE2023446A1 - Aluminiumgußlegierung von hoher Festigkeit - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE DR. E. WIEGAND DIPL-ING. W. NIEMANN 2023446 DR. M. KÖHLER DIPL-ING. C GERNHARDT

MDNCHEN HAMBURG

13. Mai 1970

TELEFON: 555476 8000 MÖNCHEN 15, ' ""^{f W}

TELEGRAMME: KARPATENT NUSSBAUMSTRASSE 10

f.14848/70 - Br.Ko/G

Sttaitoao Cheaioal Co. «Ltd., Oaaka / Japan

Aluainittagufilegierung τοη hoher festigkeit

Irfindungageatfi wird di· AluainiuaguSlegierung alt hohen aeohaniaohen Eigenschaften hergestellt, indea Kupfer, Magnesium, C»d*lu* und/oder suaitslloh Titan und Bor und/oder waiter suaatslioh Hangan und Silber bu Aluminium sugaaetst werden, eine ^ÖaiuigawärmahahaQdluag hiervon bei höheren Τ·β-paratturen »1» 50O⁰C Ausgeführt wird und dann die 18eungewämabahandalta Legierung^ei femperaturen im Bereioh τοη 160111 190*0 gaaltart warden.

Die Legierttng kann für sahlreiohe Arten τοη Maaohinenbattteilen» fXiigiamgbaataila^ala Walsaaterial, Architekturbauteile und für andere atrnkturaXXa Anwendungsgebiete Terwendet ward·»·

Irfindang betrifft Aluainiiuilegitruagen τοη hoher inabeaendere Aluainlumlegierangen mit hoher Sughoher ftreokgrense naA autgeaeiehneter Whigkeit aawi« ferfahren xu deren leretellung.

iait langer Seit aind Aluninittnlegierungan al« aaege· aaiehJMte» aeahanieehen Ilgenaehaiten auf den Tereohladenaten

• BAD ORSQSNAL

009884/1440

Industriegebieten, «le Kraftfahrzeugen, flugzeugen oder in der Bauindustrie erforderlich.

line relativ hone Festigkeit kann bei wareverarbeiteten (wrought) Aluainiualegierungen erhalten «erden, jedoch können sofriedenstellende Festigkelten bisher kaum durch Qiessen von Aluainiualegierungen erhalte» werden.

Is sind bereits einige wenige Aluainiuagußlegierungen alt Zugfestigkeiten von etwa 40 kg/aa bekannt« jedoch sind Legierungen alt Zugfestigkeiten von 45 kg/m» oder »ehr lediglich bei den Legiersragssystea Aluainiun-Zlnk-Magnesiua SU erhalten.

Legierungen, die relativ hohe Mengen an Zink enthalten, sind jedoch sehr anfällig für Korroeionsbeanspruchungsrißbildttng. line Aluainiua-J&pfer-Magnesiua-Silber-Gußleglemng wurde in der britischen Patentschrift 1 090 960 beiehr leben, die ebenfalls hohe Zugfestigkeiten von 45 kg/an² oder mehr besitzen, jedoch sind diese Legierungen auf Grund des Silbergehaltes sehr teuer· Deshalb ist die Intwickluttg von billigen AluainluagueieglerungsA alt hohen Zugfestigkeit ea von 45 kg/s* und »ehr «nd günstigen anderen ■eehamlsehen ligensehaften äußeret erwünscht· .

Infolge Toa ausgedehnten Untersuchungem la Hinbllek auf Aluainiuagueiegierungen alt hoher Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bihigkeit und günstigen Beständigkeiten gegen Heißabaütsuae und BeanspruehungskorroeionsriBbiMmeg wurde a«a gefunden, daß Alcminiua-Iupfer-Aagneeiuai-^ttiltisia-^oiiS-legierttngea die Yorstehenden Iigensohaft«a aufweisen· Irfindan* beruht auf diese« SachTerhslt·

Be ist bekannt, daß bsi den üblichen Magaesiua-Legierttngen relativ hohe aechanieeh«

durah wiraebehandlaae erhalten werden. Di«* aeohaalsohen

00988A/UA0 öao origjmal

Eigenschaften dieser Legierungen können bemerkenswert durch Zusatz τοη geringen Mengen an Cadmium und eine geeignete Wärmebehandlung verbessert «erden* d.h. Beißfeetigkeit, Streckgrenze und Dehnung können Werte von 45 kg/mm oder mehr, 40 kg/mm oder mehr bzw* 4 bis 10 % oder mehr erreichen. Diese mechanischen Eigenschaften sind gut mit denjenigen der teuren Aluainium-Kupfer-Magnesium-Silber-Legierungen zu vergleichen. Die durch Alterung härtbare Legierung gemäß der Erfindung enthält 4,0 bis 6,2 % Kupfer, 0,2 bis 0,5 % Magnesium, 0,05 bis 0,8 % Cadmium, 0,01 bis 0,5 % Tit an* 0,001 bis 0,01 % Bor, Best Aluminium.

Der Gehalt an den zu der Aluminiumgußlegierung zugesetzten Legierungeeiementen regelt sich innerhalb der vorstehenden Bereiche nach folgenden Gesichtspunkten:

Der Kupferzusats ist wesentlich zur Erhöhung der festigkeit der Legierung. Kupfer in der Menge von 4,0 bis 6,2 % ist für diesen Zweck erforderlich. Durch Zusatz von Kupfer in einer Menge von mehr als 6,2 % wird unvermeidlich die Phase, die in der Matrix selbst bei der Lösungewärmebehandlung unlöslich ist, erhöht und ist deshalb ungünstig, um gute mechanische Eigenschaften zu erhalten,und weiterhin wird dabei die Heigung zur Heißabnützung erhöht. Für optimale Ergebnisse liegt das Kupfer in einer Menge von 4,7 bis 5,5 % vor.

Durch den Magnesiumzusatz wird die Festigkeit und die Alterungseigenschaft der Legierung erhöht. Magnesium in einer Menge von 0,2 bis 0,5 % ist für diesen Zweck erforderlich. Durch einen Zusatz von Magnesium in einer Menge von mehr als 0,5 % wird die Meigung zur Heißabnützung erhöht und häufig wird ein Verbrennen und Abschreckungsrißbildung verursacht, falls die Lösungswärmebehandlungstemperatur höher

00 9 8 84/ UAO BAD ORlGJNAL

ist, während dl· Festigkeit abnimmt, falle niedere LSsungswärmebehandlungstemperaturen angewandt werden, α» die HeiS-abnütsung su verhindern· Für optimal« Verhältniese liegt das Magnesium in einer Menge von 0,2 bis 0,4- % vor·

Durch die Zugabe einer geringen Menge von Cadmium su der Aluminium-Iupfer-Magneslum-Legierung wird ^merkenswert die Alterungshärtungseigenachaft * und die mechanischen Eigenschaften der Legierung erhebt und -weiterhin Si® Beständlgkeit der Legierung gegenüber lorrosiouteajispruckiiaEig rlßbildung verbessert· Cadmium ist In eiia®r Meng® von O₉Q^ " bis 0»8 % su diesem Zweck erloräerllek» Ber imsaos w@m 6aä>-ffiium in einer Meng® ¥on wehr als Q<„8 % ■ Tenarsae&t dio neigung sur Heißabnütsuiig« sum Terbreanen w wärmebehandlung und su Ergebnisse liegt dass Cadmium in eimer 0,2 % Tor. Es ist .darauf ninsiäw@i®@n,, daß liger als Silber ist und deshalb .diese Magnesium-Cadmium-Legierung mit niedrigeren Iöirti§n'hergestellt werden kann.

Titan ist günstig, um eine feine Körnungestruktur in der Legierung und gute mechanische Eigenschaften während der erfolgreichen Wärmelösungsbehandlung su erweichen und das Auftreten von Eeißabnütsung su verhindern. ?itan 1st in einer Menge von 0,01 bis 0,5 % für diesen Zweck erforderlieh· Durch den Zusats von Titan in einer Menge von mehr als 0,5 % ergibt sich die Ausfällung von groben Verbindungen, die die mechanischen Eigenschaften verringern, für optimale Ergebnisse liegt das Titan in einer Menge von 0,1 bis 0,3 % wr»

Bor in einer Menge von 0,001 bis 0,01 % als Zmaats sur Legierung sueammen mit dem Titan durch die Stammlegierung

009884/1440 bad original

oder dl· fluSaittei ist «benfalle günstig sur Erzielung τοα feiner Konatruktur.

Sin· welter· Verbesserung der Eigenschaften der Legierungen kann durch Zugabe von Silber und Mangan su den HualnluM->Kupfer-XagnesluM-CadMluM-Leglerungen ges&B der Irfittdung erreicht werden. Der Zusats einer geringen Menge an Silber erhöht weiterhin dl· Alterungahlrtungaeigenschaften und dl« mechanischen Eigenschaften der Legierung. D.h., daß Legierungen alt Zugfestigkeiten toä

2 2 '

50 kg/se oder mehr« Streckgrenzen τοη 45 kg/ma oder mehr und Dehnungen τοη 4 bis 15 % erhalten werden können. Der Zusats rom. Silber in einer Menge unterhalb 2,0 % rerbeasert dl· neohanlsohen Bigensohaften. Die Zugabe τοη Silber in einer größeren Menge als 2,0 % hat keinen weiteren XIn-JtIvB auf dl· Yerbeeeerung der aeehanieeh«n Ilgensehaften. Da Silber ein teore* Metall ist, erfolgt Torsugsweis· dl· Z«gabe Tom Silber in einer Menge τοη unterhalb 2,0 %· Obwohl dl· !baten der Legierung durch den Zusats τοη Silber höher werden, kann für Gußstücke, bei denen besonders höh» festigkeiten erforderlich sind, dl··· schwierige Anforderung erfüllt werden.

Die Zugab« τοη Mangan Terbeeeert dl· Beständigkeit der Legierung gegenüber XOrrosionsspannuagsrieiiilAuac· Die Zmgabe ren Maagan in einer Meng· Tom unterhalb 1 % erhSht die lesttmdlgkelt gegenüber Ibrrosioasepannitneerlibilduma, ohne daB die aeohanischcn ligensehaften Tersohleohtert werden, während Aie Zugabe tob Mangan in einer Menge τοη »ehr als 1 % keine weitere Wirkuag seigt, für optimale Irgebmlsee liegt to* Mangan in einer Meng« τοη unterhalb 0,5

Bs 1st günstig, ein so reines Aluminium wie abglich BAD ORIGINAL

009884;1440 .

»or Herstellung der Aluminlum^Kupfor-lagneelum-Cadnium-Legierung su verwenden, i» Legierungen nit hoher Festigkeit und Zähigkeit zu erhalten; die Slaen- und Siliciumgehalt· liegen gunstigerweise unterhalb 0,2 %· Die optimalem Bereiche der Gehalte der Legierungaaleaentc der vorliegenden Legierung sind folgendes

lupfen 4,7 bis 5t? %

Magnesium . 0,2 Ms 0,4 % CadeiuMi 0,1 Ma 0,2 % Titans , 0,1 Ms 0,3 % Bon mnfew&ffilb Q»01 %

Diese AliMiMnaleglerting wird auf folgende Weise wärme™ behandelt s Die LSsungewirnebehanditing noB bei höheren peartoren als 5Q©°&.während eines asisreiehenden Zeitraums,

die abgeschiedenen toipferhaltigea Verbindungen vollständig und einheitlich in der Matrix su lösen, durchgeführt werden» Die Löeungswämetenperatur wird vorzugsweise so hoch wie möglich angewandt, ohne daß jedoch Verbrennen oder Absohreolcnngsrl&blldung erfolgt« Die obere Qrense der Itösttngewftmebehandlungetemperatur wird τοη dem Gehalt an Legicruncaeleaenten, inalMiaondere Oadmlum und Magnesium bestimmt. Sie Aluminiumlegierangen mit den be-▼ersugten Susammcnsetsungen werden sofriedenstellend bei 55O⁰O wahrend 12 Stunden lBsungawtamebehandel**

Sie Abeohr«kung mit Wasser naeh der ^sungew&riie handlung nuß so rasch wie möglich auegeführt werden« Temperatur des Wassers darf nach des Abschrecken den von 50⁰C nicht übersteigern* Die Ahsohreofenngstemperatur

009884/1440

für di« einzelnen Gußstücke mit Teilen von unterschiedlieber Stärke liegt vorzugsweise 5 Ms 1O°C von dir Lösungswärmetemperatur, so daß die Ausbildung innerer Spannungen oder Bisse während des Abschreokungsarbeitsganges vermieden werden.

Die AusfäliuBgswärBebenandlung dieser Aluminiumlegierung wird bei etwa 160 bis 19O°C während 4 bis 48 Stunden ausgeführt.

Die maximale Festigkeit wird durch Alterung bei 175⁰C während 20 Stunden erreicht« Eine hohe Streckgrenze wird durch Alterung während eines längern Zeitraums bei höherer Temperatur erreicht, während eine hohe Dehnung durch Alterung während eines kurzen Zeitraums bei niedrigerer Tem- , peratur erhalten wird·

Im Fall der Anforderung einer hohen Dehnung auf Kosten der Streckgrenze darf die Alterungstemperatur 160⁰C nicht übersteigen·

Sie folgenden Beispiele erläutern die Erfindung weiterhin, ohne sie su begrenzen.

Beispiel 1

Aluminium mit einer Reinheit von 99*9 %.% das zur Entfernung von Maschinenöl und Sehmuts gereinigt und getrocknet worden war, wurde in einem Graphitschmelztiegel gegeben und darin geschmolzen· ffaohdem die Temperatur der Schmelze 75O⁰C erreicht hatte, wurde ein· St&*»legierung aus Aluminium mit 5 % Titan zu der Sehmeise zugegeben. Sann wurde Kupfer zu der Schmelze bei 75O°C zugesetzt und die Schmelze gerührt. Anschließend wurde ein mit einer Aluminiumfolie umwickeltes Cadmium und magnesium zu der Schmelze bei 75O°C

0 0988 4 /144 0 ^BA£>

bzw. 75O°C

Bin Flußmittel, am Titan mad Bor C₂GIg) enthielt ₉ wurde weiterhin sa der geiisölso b©i 750⁰G in einer Menge von 0,1 bis O₅,2 %„ besagen au£ cti© Seteelse, SSU3P ¥er£a ine rang der ![©rßutfakö« der Schließlich wiai?ci®a
Scluaelse BitteJLs des

Schaelase zu eatgaeea»

Di© ©rhalteE® ScMielso® dl® bsi 750 ^@0 ui&ip@ad 30 E3i nuteja gehalten ward© „ wiasd© des ®an©rs©u@ssfflgsv©2?©mc& terworfen, indeia ©te® 200 g des? Bchm.®l%© in ©im© hitzte Isolit;f©2Ra gegosseia TO^dLoa,, die Seluaelso me» verringerten Di?iacfe
die Erzeugung von Gas am© fi©r sich
beobachtet wurde».

stellt wurd®₉ wurd© die Sciilacte voa des?

entfernt und- di® Selmels© ia ©im©

gegossen, Di© Gußstiielwersmclissfcück©" wurdsa bei während 12 SttÄisdeffl 16sttBgswäi»®beMaadelt ₉ i.& fe.ilfeea Wasser abgeschreckt and feei 16^^@0 während 32 Strandet, gealtert» Die Versucheprobe@tii®k© wuM©iä d@m ?©stigk®ite¥®rßia@h und der chemischen Analyse unterworfen^ Dabei viuräou folgende Ergebnisse erhalten: Zugfestigkeit 43,6 kg/ssia , Streekfestigkeit (0,2 % Vorspannung) ^-5,5 kg/mm , Df j.ung 6 %ί· chemische Zusammensetzung: Gu 5,37 %» Mg 0,53 fi» Gd 0,13 %% Ti 0,16 %, B 0,004 $, Fe 0,07 %« Si 0,05 %♦ B^et Aluminiiw«

Beispiel 2

Eine Alumlniumlegierang wurde nach den gleichen Schmelz- und Legierungeverfahren wie in Beispiel 1 her-

00988A/U40

gestellt· Daa Gas in der Schmelze wurde durch Eindüsen. eines Gasgemisches aus Chlor und Stickstoff durch .die Schmelze mit eines Graphitrohr entfernt. Sie in die Form gegossenen Versttchaprobegu&stücke wurden bei 525⁰C während 6 Stunden lösungswärmebehandelt, in kaltem Wasser abgeschreckt und bei 130⁰C während 16 Stunden ge» altert. Zugfestigkeit, Streckfestigkeit (o,2 % Vorspannung),

Dehnung und chemische Zusammensetzung der erhaltenen Le-

gierung waren folgende: Zugfestigkeit 4-7,0 kg/mm , Streckfestigkeit 40,6 kg/mm , Dehnung 9*6 %\ chemische Zusammensetzung? Cu 4,83 %_% Mg 0,31 %, Cd 0,11 %, Ti 0,02 %_r 1 0,003 %t Fe 0,07 %, Si 0,04 %, Rest Aluminium.

Daa Titan in der Legierung stammte nicht au« einer Aluminiumtitanlegierung, aondern von dem Baffinlerflußmittel.

In der nachfolgenden Tabelle I sind die chemischen Zusammensetzungen von Aluminiumlegierungen gemäß der Erfindung und diejenigen von üblichen Aluminiumgußlegierungen von hoher festigkeit und Wärmebeatändigkeit aufgeführt.

00988 A/U40

Tabelle I Chemische

J- Cu Mg Od ffi B F* Si Hi Mn ig _A1

3 4,99 0,30 0,1? O_S1S 0,003 0_s0? 0,04 - - - Heat

4 5,77 0,34 0,14 0,16 0₉004 O₅₁O? O₉Q5

5 4,25 0*4© 0,28 0,18.

⁶ 4

₉005 O₅O? 0_s

7 4,66 0₉29 0,14 0_f32 O₉OOJ 0^09 . 0,05 - Beet

⁸ 5#11 0,30 0₉16 0₉21 O₉OO^ O₉O? 0,04 - <° 0^60 lest 9. 4,97 0,34 0,16 0₉iy 0,003 ©?07 0_s04_f -· 0,31 - Best

5,16 0,31 0₉16 0,1? 0,005 0,0? 0,04 - 0,32 0,60 H@st

H⁺ 4,34 0,31 - 0,16 - 0,1? 0₉20 - - lest

12⁺ 4,68 0,37 - 0,14 - O₉OS 0^04 - last

13⁺ 5.02 0,30 - 0,21 0,002 0,06 0,03 - - 0,61 E©st

•14* 5,00 0,28 - 0,19 0_s003 0,002 0_f002 » - 0,60 Rast

15^f 1,03 1,08 - 0,0? - 0,32 1137 1₈64 0,01 -

« übliche

In Tabelle IX sind die und die mechaBioohesi Iu fabtlle I aiifgeflllir&esi

Ib Is.beXle IXX aiBd di®
bei a L¹IiOhtta Tesparasiiirts ¥oa in den ^©btlloa. 1 eaä II

O 0 9 8 0 4/1440

Tabelle II

Wärmebehandlungshedingungen und mechanisch« Eigenschaften

bei Baumtemperatur

Legie- Lösungs- Abschreckung Alterunge- Zugfestig- Streck- Dehnung runge- wärmebe- behandlung keitp grenae %

nr. handlung kg/mm kg/r-²

3 53Q^OCx8Std kaltes fässer 165°Gx28Std 4?,6 41,7 8,7

4 53o°Ox12Std .· 165°Cx32Std 47,5 42,3 5,0

5 52O°Gx6Std '■ ■ 175°Cx2OStd 46,0 40,6 7,2

6 520°Cx6Std " 180°Gx16Std 45,1 39,1 8,1

7 53O°Cx12Std " 165°0x28Std 45,9 39,7 10,2

8 53O⁰CxI 2Std " 165°Cx24Std 51,8 46,9 9,5

9 530°Cx12Std " 165°Cx28Std 46,6 39,7 7,8 10 530°Cx12Std " ' 165°Cx24Std 51,0 46,2 8,6 11⁺ 515°Gx6Std * 170°Cx12Std 40,4 33,3 8,2 12⁺ 530°Cx4Std " i75^oCx16Std 42,1 3^,* 11«1 13+ 525°Cx12Std " 160°Cx20Std 47,0 41,5 10,4 14⁺ 525°C*12Std "■ ' 160°Cx20Std 48,3 ^3,9 7,2

520°Cx6Std « i7D^oGx15Std 35,9 35,9 0,4

⁺- übliche Aluminiumlegierung

0 9884/1

Legle-

rungs-

Nr.

Tabelle III Mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen Mechanische Eigenschaft Zagfestigkeit kg/

Streckgrenze kg/mm* Dehnung % Zagfestigkeit kg/i Streckgrenze kg/am Dehnung %

Zugfestigkeit kg/mm* Streckgrenze kg/mm Dehnung %

bei 10O⁰C bei 20O⁰C bei 25O⁰C bei 300⁰C

43,4	34,6	26,6	18,0
40,8	34,5	26,5	17,9
9,8	9,7	9,3	9,1
42,0	34,4	26,9	18,4
38,6	33,7	26,5	17,8
10,9	10,7	10,1	10,6
32,5	31,0	25,8	16,5
32,5	29,8	24,4	15.2
0,4	0,7	1,3	3,2

Ss ergibt sich aus den Tabellen II und III, daß die Aluminiumlegierungen gemäß der Erfindung ausgezeichnete Mechanische Eigenschaften nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei erhöhten Temperaturen besitzen.

Wie vorstehend bereits abgehandelt, können die Aluminiumgußlegierungen gemäß der Erfindung «it niedrigen Kosten hergestellt «erden und besitzen ausgezeichnet· mechanische Eigenschaften im Vergleich zu den üblichen Aluminiumlegierungen und deshalb können sie auf verschiedene Arten von Maschinen·» bauteilen, flugzeugbauteilen, Walzmassen, Architekturbauteilen und andere strukturelle Anwendungsgebiet· verwendet «erden·

009884/IUO

Claims (6)

DR. E.WIEGAND DiPL-ING. W, NIEMANN ' ' *V234 46 DR. M. KÖHLER DIPL-ING, C. GERNHARDT MDNCHEN HAMBURG : 55547« la 8000 Mönchen is, I.September 1970 TELEGRAMME: KARPATENT . NUSSBAUMSTRASSE 10 W, 14848/70 Ks P 2023 446.2 Neue Patentansprüche

1. AXuminiumgußlegierung von hoher Festigkeit, enthaltend 4,0 - 6,2 io Kupfer, 0,2 "bis 0,5.1° Magnesium, 0,05 pis 0,8 io Cadmium, Rest Aluminium,

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt an Titan 0,01 bis 0,5 $ und der Gehalt an Bor 0,001 bis 0,01 $> beträgt.

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß weiterhin zusätzlich weniger als 1,0 $ Mangan und/oder weniger als 2,0 io Silber enthalten sind.

4. Aluminiumgußlegierung von hoher Festigkeit, .enthaltend 4,7 bis 5,5 1° Kupfer, 0,2 bis 0,4 1<> Magnesium, 0,1 bis 0,2 $ Cadmium, Rest Aluminium.

5. Legierung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge an Titan 0,1 bis 0,3 io und/oder die Menge an Bor weniger als 0,1 io beträgt.

6. Legierung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich weniger als 0,5 i° Mangan und/oder weniger als 2 io Silber enthalten sind.

(JO 9 B BA/ I