DE2023446B2 - Aluminium-Gußlegierung mit hoher Festigkeit - Google Patents

Aluminium-Gußlegierung mit hoher Festigkeit

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DE2023446B2 DE2023446A DE2023446A DE2023446B2 DE 2023446 B2 DE2023446 B2 DE 2023446B2 DE 2023446 A DE2023446 A DE 2023446A DE 2023446 A DE2023446 A DE 2023446A DE 2023446 B2 DE2023446 B2 DE 2023446B2
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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
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Description

2G23 446
3 4
Optimale Ergebnisse werden bei Verwendung von wie möglich angewandt, ohne daß jedoch Verbrennen Cadmium in einer Menge im angegebenen Bereich erfolgt oder die Abschreckempfindlichkeit steigt. Die von 0,1 bis 0,2 % erhalten. obere Grenze der Lösungsglühtemperatur wird von
Es ist darauf hinzuweisen, daß Cadmium weit billiger dem Gehalt an Legierungselementen, insbesondere als Silber ist und deshalb diese Aluminium-Kupfer- 5 Cadmium und Magnesium bestimmt. Die Aluminium-Mägnesium-Cadmium-Legierung mit niedrigeren Ko- legierungen mit den bevorzugten Zusammensetzungen sten hergestellt werden kann. werden zufriedenstellend bei 5300C während 12 Stun-
Titan ist günstig, um eine feine Körnungsstruktur in den lösungsgeglüht.
der Legierung und gute mechanische Eigenschaften Die Abschreckung mit Wasser nach der Lösungs-
während der erfolgreichen Lösungsglühung zu er- io glühung muß so rasch wie möglich ausgeführt werden. reichen und das Auftreten von Heißabnützung zu ver- Die Temperatur des Wassers darf nach dem Abhindern. Titan äst in einer Menge von 0,1 bis 0,3% für schrecken den Wert von 50° C nicht übersteigen. Die diesen Zweck erforderlich. Durch den Zusatz von Titan Abschreckungstemperatur für die einzelnen Gußin einer größeren Menge als dem angegebenen Mengen- stücke mit Teilen unterschiedlicher Stärke liegt vorbereich ergibt sich die Ausfällung von groben Verbin- 15 zugsweise 5 bis 100C unterhalb der Lösungsglühungsdunsen, die die mechanischen Eigpnschaften verrin- temperatur, so daß die Ausbildung innerer Spannungen gern". oder Risse während des Abschreckungsarbeitsganges
Bor in einer Menge von weniger als 0,01 % als Zu- vermieden werden.
salz zur Legierung zusammen mit dem Titan durch die Die Aushärtung dieser Aluminiumlegierung wird
Stammlegierung oder durch Flußmittel ist ebenfalls ao bei etwa 160 bis 1900C während 4 bis 48 Stunden ausgünstig zur Erzielung von feiner Konstruktur. ■ geführt.
Line weitere Verbesserung der Eigenschaften der Die maximale Festigkeit wird durch Aushärtung
Legierungen kann durch Zugabe von Silber und Man- bei 175° C während 20 Stunden erreicht. Eine hohe ganzuden Aluminium-Kupfer-Magnesium-Cadmium- Streckgrenze wird durch Aushärtung während eines Lesierungen gemäß der Erfindung erreicht werden. 25 längeren Zeitraums bei höherer Temperatur erreicht. Der Zusatz einer geringen Menge an Silber erhöht während eine hohe Dehnung durch Alterung während weiterhin die Aushärtungsfähigkeit und die mechani- eines kurzen Zeitraums bei niedrigerer Temperatur sehen Eigenschaften der Legierung, d. h., daß Legie- erhalten wird.
rungen mit Zugfestigkeiten von 50 kp/mm2 oder mehr, Im Fall der Anforderung einer hohen Dehnung auf
Streckgrenzen von 45 kp/mm* oder mehr und Deh- 30 Kosten der Streckgrenze darf die Aushartungstempenungen von 4 bis 15% erhalten werden können. Der ratur 160°C nicht übersteigen.
Zusatz von Silber in einer Menge von unterhalb 2% Die folgenden Beispiele erläutern die Erfindung
verbessert die mechanischen Eigenschaften. Die Zu- weiterhin, ohne sie zu begrenzen, gäbe von Silber in einer größeren Menge als 2% hat Die in der Beschreibung aufgeführten Spannungs-
keinen weiteren Einfluß auf die Verbesserung der 35 und Festigkeitswerte sind in kp/mm2 ausgedrucKt, mechanischen Eigenschaften. Da Silber ein teures wobei der theoretische Unterschied zwischen der Metall ist, erfolgt erfindungsgemäß die Zugabe von Definition von kp/mm2 und kg/mm2 praktisch innerSilber in einer Menge von unterhalb 2%. Obwohl die halb der Fehlergrenze liegt. Kosten der Legierung durch den Zusatz von Silber Beispiel 1
höher werden, kann für Gußstücke, bei denen beson- 40 . ,
ders hohe Festigkeiten erforderlich sind, diese schwie- Aluminium mit einer Reinheit von V9,y /„, aas zur
rige Anforderung erfüllt werden. Entfernung von Maschinenöl und Schmutz gereinigt
Die Zugabe von Mangan in einer Menge von unter- und getrocknet worden war, wurde 1 η einen ünpmthalb 0,5 "o erhöht die Beständigkeit gegenüber Span- schmelztiegel gegeben und dann geschmolzen. Nacnnungsrißkorrosion, ohne daß die mechanischen Eigen- « dem die Temperatur der Schmelze .M) L erreicni schäften verschlechtert werden. hatte, wurde eine Stammlegierung aus Aluminium mit
Es ist günstig, ein so reines Aluminium wie möglich 5% Titan zu der Schmelze zugegeben. Dann wurde zur Herstellung der Aluminium-Kupfer-Magnesium- Kupfer zu der Schmelze bei 750 C zugesetzt und die Cadmium-Legierung zu verwenden, um Legierungen Schmelze gerührt. Anschließend wurde ein mit einer mit hoher Festigkeit und Zähigkeit zu erhalten; die als 50 Aluminiumfolie uf^J^0 ^™V™ ™d_U*£S£ Verunreinigung vorhandenen Eisen- und Silicium- sium zu der Schmelze bei 730 C bzw. 750 C zugeserzi. gehalte liegen günstigerweise unterhalb 0,2%. Die er- Ein Flußmittel, das Titan und Bor
findungsgemäßen Bereiche der Gehalte der Legic- (K2TiF6 + KBF4 + C2Cl6)
rungselemente der vorliegenden Legierung sind fol- . t,„„iTOh»i 7sn°r in
He. 55 enthielt, wurde weiterhin zu der Schmelze bei 750 Uη
g ._.. .,„. einer Menge von 0,1 bis 0,2%, bezogen auf die
Kupfer 4,7 bis 5,5 /o Schmelze, zur Verfeinerung der Kornstruktur der
Magnesium 0,2 bis 0,4 /0 Legierung zugegeben. Schließlich wurden Hexachlor-
Cadmium 0,1 bis 0,2 / äthanpillen (C2Cl6) in die Schmelze mittels des Phos-
Titan 0,1 bis 0 3 / phorisators eingebracht, um die Schmelze zu entgasen
Bor unterhalb 0,01 % * D{e erhaltene Schmelze, die bei 7500C wahrend
Diese Aluminiumlegierung wurde auf folgende 30 Minuten gehalten wurde, wurde dem G^serzeu-
Weise wärmebehandelt: Die Lösungsglühung muß gungsversuch unterwerfe η mdem *wa2UU!S
bei höheren Temperaturen als 5000C während eines Schmelze m eine vore rh.tztej^°"»J*JJSc von ausreichenden Zeitraums, um die abgeschiedenen 65 den, die Schmelze: unter einem^TS!
kupferhaltigen Verbindungen vollständig und einheit- etwa 5 mm n*^^#™toun£ta£K
Hch in der Matrix zu lösen, durchgeführt werden. Die Gas aus der sich verfestigenden Schmelze
Lösungsglühtemperatur wird vorzugsweise so hoch wurde.
Nachdem keine Gaserzeugung bei dem Versuch festgestellt wurde, wurde die Schlacke von der Schmelzoberfläche entfernt und die Schmelze in eine Versuchspermanentform gegossen. Die Gußstückversuchsstücke wurden bei 53O0C während 12 Stunden lösungsgeglüht, in kaltem Wasser abgeschreckt und bei 165° C während 32 Stunden ausgehärtet. Die Versuchsprobestücke wurden dem Festigkeitsversuc'n und der chemischen Analyse unterworfen. Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten: Zugfestigkeit 48,6 kp/ mm2, Streckfestigkeit (0,2 %-Grenze) 43,6kp/mm2, Bruchdehnung 6%; chemische Zusammensetzung: CU 5,37%, Mg 0,33 %, Cd 0,13 %, Ti 0,16%, B 0,004%, Fe 0,07%, Si 0,05%, Rest Aluminium.
Beispiel 2
Eine Aluminiumlegierung wurde nach den gleichen Schmelz- und Legierungsverfahren wie in Beispiel 1 hergestellt. Das Gas in der Schmelze wurde durch Eindüsen eines Gasgeihisches aus Chlor und Stickstoff
durch die Schmelze mit einem Graphitrohr entfernt. Die in die Form gegossenen Versuchsprobegußstücke wurden bei 525° C während 6 Stunden lösungswärmebehandelt, in kaltem Wasser abgeschreckt und bei 180° C während 16 Stunden gealtert. Zugfestigkeit, Streckgrenze (0,2 %-Grenze) Dehnung und chemische Zusammensetzung der erhaltenen Legierung waren folgende: Zugfestigkeit 47,0 kp/mm2, Streckfestigkeit 40,6 kp/mm2, Bruchdehnung 9,6%; chemische Zusammensetzung: Cu 4,83%, Mg 0,31%, Cd 0,11%, Ti 0,02 %, B 0,003 %, Fe 0,07 %, Si 0,04%, Rest Alumi^ nium.
Das Titan in der Legierung stammte nicht aus einer Aluminiumtitanlegierung, sondern von dem Raffinierftußmittel.
In der nachfolgenden Tabelle I sind die chemischen Zusammensetzungen von Aluminiumlegierungen gemäß der Erfindung Und diejenigen von üblichen Aluminiumgußlegierungen von hoher Festigkeit und
so Wännebeständigkeit aufgeführt.
Tabelle I
Chemische Zusammensetzung
Legie- Cu Mg Cd Ti B Fe Si isti Mh Ag Al
tungs-
Nr. 4,99 0,30 0,17 0,16 0,003 0,07 0,04 _ _ Rest
3 5,77 0,34 0,14 0,16 0,004 0,07 0,05 — — — Rest
4 4,25 0,40 0,28 0,18 0,002 0,08 0,04 — — — Rest
5 4,15 0,30 0,59 0,16 0,003 0,07 0,05 — — — Rest
6 4,66 0,29 0,14 0,32 0,003 0,09 0,05 — — — Rest
7 5,11 0,30 0,16 0,21 0,004 0,07 0,04 — — 0,60 Rest
8 4,97 0,34 0,16 0,17 0,003 0,07 0,04 — 0,31 — Rest
9 5,16 0,31 0,16 0,17 0,003 0,07 0,04 — 0,32 0,60 Rest
10 4,34 0,31 ^^ 0,16 — 0,1? 0,20 — — — Rest
11*) 4,68 0,37 0,14 — 0,06 0,04 — — — Rest
12*) 5,02 0,30 . 0,21 0,002 0,06 0,03 — — 0,61 Rest
13*) 5,00 0,28 — 0,19 0,003 0,002 0,002 — — 0,60 Rest
14*) 1,03 1,08 — 0,07 — 0,32 11,97 1,64 0,01 — Rest
15*)
*) Übliche AlüminiümlegierüHg.
In Tabelle II sind die WärmebehandlungsbedingUn- In Tabelle III sind die mechanischen Eigenschaften
gen und die mechanischen Eigenschaften beil Raum- bei erhöhten Temperaturen von in den Tabellen I und H temperatur der in Tabelle I aufgeführte» Legierungen 45 aufgeführten Legierungen !zusammengefaßt, zusammengefaßt.
Tabelle II
Wärnlebehandlungsbedingungen und mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur
Legle- LösurtgsglUhUhg C X 8 Stunden Abschreckung Aushärtungsbehandlung C χ 28 Stunden Zug Streck Bruch
rungs- C X 12 Stunden C χ 32 Stunden festigkeit grenze dehnung
Nr. 530° C X 6 Stunden Kultes Wassef 165° C χ 20 Stunden kp/mm4 kp/mm1 %
3 530° C X 6 Stunden desgl. 165° C χ 16 Stunden 47,6 41,7 8,7
4 520° C X 12 Stünden desgl. 175° C χ 28 Stunden 47,5 42,3 5,0
5 520° C X 12 Stünden desgl. 180° C χ 24 Stunden 46,0 40,6 7,2
6 530° C X 12 Stunden desgl. 165° C χ 28 Stunden 45,1 39,1 8.1
7 530° C X 12 Stunden desgl. 165° C X 24 Stunden 45,9 39,7 10,2
8 530° C X 6 Stunden desgl. 165° C X 12 Stunden 51,8 46,9 9,5
9 53Oe C X 4 Stunden desgl. 165° C χ 16 Stunden 46,6 39,7 7,8
10 515° C X 12 Stunden desgl. 170° C χ 20 Stunden 51,0 46,2 8,6
U*) 530° C X 12 Stunden desgl. 175° C χ 20 Stunden 40,4 33,3 8,1
12·) 525° C X 6 Stunden desgl. 160° C χ 15 Stunden 42,1 34>4 11,1
13») 525° desgl. 160° 47,0 41,5 10,4
14·) 520" desgl. 170° 48,3 43,9 7,2
15*) 35,9 35,5 0,4
*) Übliche Aluminiumlegierung.
euid
it st st st st st :st :st :et «t ilit SSt
iften ftdll
7 8
Tabelle III Mechanische Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen
Legierungs-
Nr. Mechanische Eigenschaft bei 10O0C bei 200° C bei 25O0C
Zugfestigkeit, kp/mm2 Streckgrenze, kp/mma. Bruchdehnung, % — Zugfestigkeit, kp/mm2
13*) Streckgrenze, kp/mm'.
Bruchdehnung, % Zugfestigkeit, kp/mma
15*) Streckgrenze, kp/mm*. Bruchdehnung, %
*) Übliche Aluminiumlegierung.
Es 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 mit 43,4 40,8
9,8 42,0 38,6 10,9 32,5 32,5
0,4
34,6 34,5
9,7 34,4 33,7 10,7 31,0 29,8
0,7
25O0C bei 300° C
26,6 18,0
26,5 17,9
9,3 9,1
26,9 18,4
26,5 17,8
10,1 10,6
25,8 16,5
24,4 15,2
1,3 3,2
niedrigen Kosten hergestellt werden und besitzen ausgezeichnete mechanische Eigenschaften im Vergleich zu den üblichen Aluminiumlegierungen, und deshalb können sie auf verschiedene Arten von Maschinenbauteilen, Flugzeugbauteilen, Walzmassen, Architekturbauteilen und andere strukturelle Anwendungsgebiete as verwendet werden.
j.
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I
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,2
,1 r.
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5,2 I
L1 %
5 4· K
1,2 I
0,4 I
109514/190

Claims (3)

nische Festigkeiten durch Wärmebehandlung erhalten Patentansprüche: werden. Die mechanischen Eigenschaften dieser Legie rungen können bemerkenswert durch Zusatz von ge-
1. Aluminiumgußlegierung mit hoher Festigkeit, ringen Mengen an Cadmium und eine geeignete bestehend aus 4,7 bis 5,5%Kupfer, 0,2 bis 0,4% 5 Wärmebehandlung verbessert werden, d.h., Reiß-Magnesium, 0,1 bis 0,2% Cadmium, Rest Alu- festigkeit, Streckgrenze und Dehnung können Werte minium. von 45kp/mm2 oder mehr, 40kp/min2 oder mehr
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- bzw. 4 bis 10 % oder mehr erreichen. Diese mechanizeichnet, daß sie zusätzlich 0,1 bis 0,3 % Titan und sehen Eigenschaften siüd gut mit denjenigen der teuren weniger als 0,01 % Bor enthält. io Aluminium-Kupfer-Magnesium-Silber-Legierungen zu
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch vergleichen.
gekennzeichnet, daß sie zusätzlich weniger als Die erfindungsgemäße Aluminiumgußlegierung mit
0,5% Mangan und/oder weniger als 2% Silber ent- hoher Festigkeit besteht aus 4,7 bis 5,5% Kupfer, hält. 0,2 bis 0,4 % Magnesium, 0,1 bis 0,2 % Cadmium, Rest
15 Aluminium.
„ Vorzugsweise enthält sie zusätzlich 0,1 bis 0,3%
Titan und weniger als 0,01% Bor; sowie zusätzlich
Die Erfindung betrifft Aluminiumgußlegierungen mit weniger als 0,5% Mangan und/oder weniger als 2% hoher Festigkeit, insbesondere mit hoher Zugfestig- Silber.
keit, hoher Streckgrenze und ausgezeichneter Zähig- 30 Die Legierung kann für zahlreiche Arten von Makeit. schinenbauteilen, Flugzeugbauteilen, als Walzmaterial,
Seit langer Zeit sind Aluminiumlegierungen mit aus- Architekturbauteile und für andere strukturelle Angezeichneten mechanischen Eigenschaften auf den ver- Wendungsgebiete verwendet werden,
schiedensten Industriegebieten, wie Kraftfahrzeugen, Die Legierungen gemäß der Erfindung werden durch
Flugzeugen oder in der Bauindustrie erforderlich. as Zusatz der genannten Metall-Komponenten zu AIu-
Eine relativ hohe Festigkeit kann bei warmver- minium unter nachfolgender Lösungsglühung bei arbeiteten Aluminiumlegierungen erhalten werden, höheren Temperaturen als 5000C und anschließender jedoch können zufriedenstellende Festigkeiten bisher Aushärtung der lösungsgeglühten Legierungen bei kaum durch Gießen von Aluminiumlegierungen er- Temperaturen im Bereich von 160 bis 190°C hergehalten werden. 30 stellt.
Es sind bereits einige wenige Aluminiumgußlegie- Der Gehalt an den zu der Aluminiumgußlegierung
rungen mit Zugfestigkeiten von etwa 40 kp/mm2 be- zugesetzten Legierungselementen regelt sich innerhalb kannt, jedoch sind Legierungen mit Zugfestigkeiten der vorstehenden Bereiche nach folgenden Gesichtsvon 45 kp/mm2 oder mehr lediglich bei dem Legie- punkten:
rungssystem Aluminium—Zink—Magnesium zu er- 35 Der Kupferzusatz ist wesentlich zur Erhöhung der halten. Festigkeit der Legierung. Durch Zusatz von Kupfer in
Legierungen, die relativ hohe Mengen an Zink ent- einer höheren Menge als dem angegebenen Bereich halten, sind jedoch sehr anfällig für Spannungsriß- wird die Phase, die in der Matrix selbst bei der Lökorrosion. Eine Aluminium-Kupfer-Magnesium-Sil- sungswärmebehandlung unlöslich ist, erhöht, und die ber-Gußlegierung wurde in der britischen Patent- 40 Verwendung einer größeren Kupfermenge ist daher schrift 1 090 960 beschrieben, die ebenfalls hohe Zug- für die Erzielung von guten mechanischen Eigenfestigkeiten von 45 kp/mm2 oder mehr besitzt, jedoch schäften ungünstig; weiterhin wird dabei die Neigung sind diese Legierungen auf Grund des Silbergehaltes zur Heißabnützung erhöht. Optimale Ergebnisse wersehr teuer. Deshalb ist die Entwicklung von billigen den bei Verwendung des Kupfers im erfindungsge-Aluminiumgußlegierungen mit hohen Zugfestigkeiten 45 mäßen Mengenbereich von 4,7 bis 5,5 % erhalten,
von 45 kp/mm2 und mehr und günstigen anderen Durch den Magnesiumzusatz wird die Festigkeit
mechanischen Eigenschaften äußerst erwünscht. und die Aushärtungsfähigkeit der Legierung erhöht.
In der britischen Patentschrift 550 516 sind Alumi- Durch den Zusatz von Magnesium in einer größeren niumlegierungen, die 0,5 bis 10 % Kupfer, 0,5 bis 5 % Menge als im angegebenen Bereich wird die Neigung Magnesium und mehr als 0,5 %, jedoch nicht mehr als 50 zur Heißabnützung erhöht, und häufig wird ein Ver-10% Cadmium und als. Rest Aluminium enthalten, brennen und Abschreckempfindlichkeit verursacht, beschrieben. falls die Lösungswärmeglühtemperatur höher ist,
Ferner ist in »Aluminium und Aluminiumlegierun- während die Festigkeit abnimmt, falls niede/e Lögen«, 1965, S. 25 und 31, von D. A 11 e η ρ ο h 1, die sungsglühtemperaturen angewandt werden, um die Beeinflussung der Kornzahl des Gußgefüges von 55 Heißabnützung zu verhindern. Optimale Verhältnisse Reinstaluminium durch verschiedene Zusätze, bei- werden bei Verwendung von Magnesium im erfinspielsweise Titan, Bor, Eisen, Silicium, Kupfer od. dgl. dungsgemäßen Mengenbereich von 0,2 bis 0,4% ererläutert, halten.
Infolge von ausgedehnten Untersuchungen im Hin- Durch die Zugabe einer geringen Menge von Cadblick auf Aluminiumgußlegierungen mit hoher Zug- 60 mium zu der Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legiefestigkeit, Streckgrenze und Zähigkeit und günstigen rung werden bemerkenswert die Aushärtungsfähigkeit Beständigkeiten gegen Heißabnützung und Bean- und die mechanischen Eigenschaften der Legierung erspruchungskorrosionsrißbildung wurde nun gefunden, höht und weiterhin die Beständigkeit der Legierung daß Aluminium-Kupfer-Magnesium-Cadmium-Guß- gegenüber Spannungsrißkorrosion verbessert. Der Zulegie.rungen die vorstehenden Eigenschaften aufweisen. 65 satz von Cadmium in einer größeren Menge als dem Die Erfindung beruht auf diesem Sachverhalt. angegebenen Bereich verursacht die Neigung zur Heiß-
Es ist bekannt, daß bei den üblichen Aluminium- abnützung, zum Verbrennen während der Lösungs-Kupfer-Magnesium-Legierungen relativ hohe mecha- wärmebehandlung und zu Abschreckempfindlichkeit
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