DE2105817A1 - Aluminiumlegierung - Google Patents

Description

DR. INO. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE

D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABELLASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087

Alcan Research and Development Limited

Montreal, Quebec / Kanada

Aluminiumlegi erung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Aluminiumlegierung und insbesondere auf eine Aluminiumlegierung, die nach einer entsprechenden Wärmebehandlung eine hohe mechanische Festigkeit ausbildet und die zur gleichen Zeit eine hohe Beständigkeit gegen eine Spannungskorrosionsrißbildung zeigt.

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Bekanntlich entwickeln Aluminiumlegierungen, die als Hauptlegierungsbestandteile die Elemente Zink, Magnesium und Kupfer enthalten, beim Unterwerfen einer Lösungswärmebehandlung einem Abschrecken und einer Alterungshärtung eine hohe Festigkeit. Es ist bereits bekannt, daß die Spannungskorrosionseigenschaften dieser Legierungsklasse verbessert werden können, wenn man geringe Mengen von Chrom und/oder Mangan zufügt. Bei Durchführung dieser Maßnahme werden jedoch die physikalischen Eigenschaften der Legierung sehr stark von der Wärmebehandlung und insbesondere von der Abschreckungsgeschwindigkeit abhängig. Es muß daher festgestellt werden, daß obgleich eine Verringerung der Abschreckungsgeschwindigkeit die Beständigkeit gegenüber einer Spannungskorrosionsrißbildung erhöht, diese aber zugleich die mechanische Festigkeit der Legierung erheblich vermindert. Eine Legierung, die Mangan und Chrom enthält, ist in erheblichem Maße absehreckungsempfindlich, so daß erhebliche Zonen der Legierung hinsichtlich der physikalischen Festigkeit und der Spannungskorrosion bei verschiedenen Niveaus verschiedene Eigenschaften aufweisen, weil die Abschreckungsgeschwindigkeit im Innern einer schweren Zone unvermeidlich erheblich geringer ist als an der Oberfläche.

Es ist daher ein Ziel der Erfindung eine verbesserte Aluminiumlegierung der erwähnten Klasse zur Verfügung zu stellen, die nach einer geeigneten Wärmebehandlung eine hohe mechanische Festigkeit und gleichzeitig eine gute Beständigkeit gegenüber einer Spannungskorrosionsrißbildung aufweist und die schließlich gegenüber der Abschreckungsgeschwindigkeit weniger empfindlich ist als die bekannte Legierung, welche Chrom und Mangan enthält. Darüber hinaus soll die wärmebehandelte Legierung zufriedenstellende Bruchzähigkeitseigenschaften besitzen.

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Es ist bereits bekannt, daß die Spannungskorrosionseigenschaften dieser Legierungsklasse dadurch verbessert werden können, daß man die Alterungstemperatur am Schluß erhöht, anstelle,daß man die Abschreckungsgeschwindigkeit vermindert. Diese Maßnahme bringt aber bei der bekannten Legierungsklasse gleichfalls eine Verringerung der Festigkeit der wärmebehandelten Legierung mit sich. Es ist daher bis jetzt noch nicht möglich gewesen Legierungen dieser Art wärmezubehandeln, um zur gleichen Zeit sowohl eine gute Festigkeit als auch eine gute Beständigkeit gegenüber einer Spannungskorrosionsrißbildung zu erzielen, wenn man eine Alterungsbehandlung am Schluß bei relativ hoher Temperatur, z.B. 175°C, vornimmt. Es ist daher üblich gewesen, die künstliche Alterungsbehandlung am Schluß bei einer Temperatur von etwa 135°C durchzuführen.

Die Erfindung stellt nun eine neue Aluminiumlegierung zur Verfügung, die Zink, Magnesium und Kupfer enthält. Weiterhin wird eine neue Alterungswärmebehandlung am Schluß zur Ausbildung hoher Festigkeits- und guter Spannungskorrosionsrißbildungseigenschaften zur Verfügung gestellt, nachdem die Legierung einer herkömmlichen Lösungswärmebehandlung und einem Abschrecken unterworfen worden ist.

Gegenstand der Erfindung ist daher eine Aluminiumlegierung, bestehend aus 5,2 bis 6,5 % Zink, 2,2 bis J,2. % Magnesium, 0,3 bis 1,5 ^;£, vorzugsweise 0,8 bis 1,0 % Kupfer, 0,12 bis 0,20 % Zirkon, 0,2 bis 0,4 % Silber, max. 0,15 % Eisen, max. 0,12 % Silicium, Rest Aluminium und erschmelzungsbedingte Verunr e ini gungen.

Es wird bevorzugt, daß die Gesamtverunreinigungen (mit Einschluß der Elemente Eisen und Silicium) max. etwa 0,2 %

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betragen. Dies kann in einfacher Weise dadurch erzielt werden, daß man als Grundlage für die Legierung ein technisches 99*8 #iges Aluminium verwendet. Titan, Mangan und Chrom sind als Verunreinigungen in Mengen bis zu etwa 0,05 % tragbar. Zur Erzielung der besten Ergebnisse sollte der Silbergehalt im Bereich von 0,30 bis 0,35 % liegen« In der Praxis wird bevorzugt, daß mindestens 0,25 % Silber vorhanden sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung werden hohe Festigkeits- und gute Spannungskorrosionseigenschaften entwickelt, indem/die Legierung nach der Lösungswärmebehandlung und nach dem Abschrecken einer Schluß-Alterungsbehandlung bei Temperaturen im Bereich von I65 bis 175°C, vorzugsweise 170 bis 175°C, bei sehr geringen Geschwindigkeiten, die nicht über 30°C/h hinausgehen,und vorzugsweise bei oder unterhalb von 20°C/h liegen, unterwirft. Nach dem Erhitzen wird die Legierung mindestens 4 Stunden, vorzugsweise etwa 6 Stunden bei Temperaturen im Bereich von I70 bis 175°C auf der Alterungstemperatur gehalten.

Das sehr sorgfältig ausgewählte Gleichgewicht von Zirkon und Silber führt zu einer Legierung, die gegenüber der Abschreckungsgeschwindigkeit, wie untenstehend gezeigt werden wird, relativ unempfindlich ist und die beim Unterwerfen der angegebenen Wärmebehandlung eine hohe Festigkeit und gute Spannungskorrosionseigenschaften ausbildet. Es ist auch von erheblicher Wichtigkeit, daß die Eisen- und Silicium-Verunreinigungen innerhalb der angegebenen Werte gehalten werden, da die Eruchzähigkeit der Wärmebehandelten Legierung immer dann rasch abfällt, wenn der max. Eisengehalt über den angegebenen Wert hinausgeht.

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Die Erfindung wird anhand der nachstehenden Testversuche näher erläutert.

Testversuch 1

Durch ein direktes Abkühlungsverfahren wurden gewalzte Barren mit 454 kg und in Abmessungen 20,3 om χ 6l,0 cm aus einer Legierung mit folgender Zusammensetzung gegossen: Zn 6,09 %» Mg 2,78 %, Cu 1,01 %, Zr 0,13 %, Ag 0,30 %, Fe 0,13 #, Si 0,06 %, Ti Ο,θ6 %, Rest Aluminium.

Die Barren wurden 12 Stunden in einem elektrisch beheizten Luftumwälzofen bei 430°C spannungsverminderungsvergütet. Sodann wurden sie abgestreift, 16 Stunden bei 46o°C vorbehandelt und zu einer Endstärke von 6,99 om direkt verwalzt. Dabei erfolgte eine Verminderung von 0,64 cm pro Umlauf. Die Gesamtverminderung betrug 63,5 $·

Von Jeder Platte wurden Stücke entfernt und 3 Stunden bei 465°C lösungswärmebehandelt. Die Hafte der Stücke Jeder Platte wurden in Wasser von 20⁰C abgeschreckt, wobei sich eine Abschreckungsgeschwindigkeit im Zentraum der Stücke von 200°C/sec. ergab. Der Rest der Stücke wurde in einem Fließbett bei 150°C abgeschreckt, wobei die Abschreckungsgeschwindigkeit nun l°C/sec betrug. Jedes Stück wurde 7 Tage bei Raumtemperatur (20°C) gealtert und sodann in einem elektrisch beheizten Luftumwälzofen mit einer kontrollierten Geschwindigkeit von 20°C/h zu einer Schlußtemperatur von 165⁰C erhitzt. Sie wurden 8 Stunden bei dieser Temperatur gehalten.

Es wurden folgende Zugfestigkeitseigenschaften erhalten:

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Abküh-

lungs- Längsrichtung geschwindigkeit

lang - quer

Zugfestigkeit Dehnung Zugfestigkeit Beginn Ende % 4 A Beginn Ende 01 ^ ο 0,1 #

Dehnung % 4 A

kg/cm kg/cm*

, #₂ kg/cm kg/cm

200 C/ 23,20 25,10 12,6 2.1,60 24,00 10,7 see

1°C/ 17,45 21,00 12,8 17,25 21,00 8,8 see

kurz - quer

Abküh-

Shwin- Zugfestigkeit d!g£lt beginn Ende

VJ, J. /Jp r

kg/cm kg/cm^c

Dehnung % 4 A

200⁰C/ 21,50
see

17,50

23,80 20,70

7,3 6,3

Aus den obigen Werten wird ersichtlich, daß selbst bei einer niedrigen Absehreckungsgeschwindigkeit von l°C/sec annehmbare Zugfestigkeitseigensehaften erhalten wurden. Die Absohreckungsgeschwindigkeiten, die in der Praxis beim Abschrecken auftreten, sind niemals so niedrig wie 1 C/sec, und zwar selbst dann, wenn relativ dicke wärmebehandelte Werkstücke oder Platten abgeschreckt werden. Auf Grund der niedrigen Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen der Absehreckungsgeschwindigkeit besitzen solche dicken Materialien

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durch und durch ziemlich gleichförmige Festigkeitseigenschaften.

Testversuch 2

In der Kurz-Quer-Richtung wurden Muster mit einem Durchmesser von O,4l cm nach sowohl einem schnellen (200°C/sec) als auch nach einem langsamen (1 C/sec) Abschrecken hergestellt. Alle Muster erhielten ein identisches Oberflächenaussehen und waren axial mit Spannungen von 90, 75, 50, 30 und 20 % ihrer Jeweiligen 0,1 % Streckgrenze belastet. Sie wurden in einen 3 % NaCl Elektrolyten eingetaucht und anodisch durch Anlegen eines Stroms mit einer Stromdichte

von 5 mA/6,45 cm anodisch oxidiert. Die Bruchzeiten wurden zu der nächsten Minute hin bestimmt.

Standhaltezeiten

	Spannung	Standhaltezeit (min)	27,23	369	460
	ρ Absolut kg/cm	Abkühlungsgeschwindigkeit Abkühlungsgeschwindigkeit l°C/sec 200°C/sec 1 C/sec 200 C/sec	22,69	1262	1072
% P.S.		22,0	15,13	1888	4096
		18,3	9,075	4147	5952
90		12,2	6,05	7502	8238
75		7,3
50		4,9
30
20

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Die obigen Versuchsergebnisse sind sowohl hinsichtlich der Festigkeit als auch des Standhaltevermögens mit denen vergleichbar, die bei den bekannten Chrom und Mangan als Legierungselementen enthaltenden Legierungen erhalten werden, wogegen die obigen Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäße Legierung gegenüber der Abkühlungsgeschwindigkeit relativ unempfindlich ist.

TestversUch 3

Durch ein direktes Abkühlungsverfahren wurden aus einer Legierung mit der Zusammensetzung Zn 5 j 99 %> Mg 2,41 %, Cu 1,03 %, Zr 0,12 %, Pe 0,13 %, Si 0,06 %, Ti 0,03 %> Ag 0,29 %> Rest Aluminium, gewalzte Barren mit den Abmessungen 30,5 cm χ 68,6 cm χ 101,6 cm hergestellt.

Vor dem Abstreifen wurden die Barren 24- Stunden bei 46o°C spannungsverminderungsvergütet. Sie wurden 20 bis 24 Stunden bei 44o°C vorerhitzt und zu 6,35 cm-Platten direkt verwalzt, wobei die Gesamtverminderung 77 % betrug. Die Platten wurden bei 465°C losungswarmebehandelt, mit kaltem Wasser abgeschreckt und 2 % kontrolliert gestreckt. Nach einem Zeitraum einer natürlichen Alterung bei Raumtemperatur wurden sie in folgender Weise künstlich gealtert:

Mit ungefähr 2O°C/h auf 170 i 2°C erhitzt und bei dieser Temperatur 6 Stunden gehalten.

Dabei wurden folgende Ergebnisse erhalten.

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Test-Richtung 0,2 %

P.S. ο U.T.S₂ Dehnung kg/cm kg/cm #a5D

Längs 34,05 37,0 13

Lang-quer 30,4 33,8 10 Kurz-quer 28,6 33,4 4,2

Die Bruchzähigkeit dieser Materialien wurde in Längsrichtung ermittelt, wobei das folgende Ergebnis erhalten wurde:

K₁ = 29,600 Ib./in.² \/Tn.

Bei atmosphärischen Spannungskorrosiönstests in industriellen Umgebungen, wobei einaxial belastete Muster (bis 0,7$ ihrer jeweiligen Kurz-quer-Endzugfestigkeit) verwendet wurden, blieben diese nach 25 Tagen ungebrochen.

Diese Ergebnisse weisen auf eine zufriedenstellende Bruchzähigkeit hin. Im Gegensatz dazu werden Werte für K₁ von ungefähr 20.000 lb./in.²>/in. erhalten, wenn die Eisen- und Siliciumgehalte über die obengenannten Werte hinaus erhöht werden. Dies würde beispielsweise von der Verwendung eines 99,5 $igen technischen Aluminiums herrühren.

Man nimmt an, daß diese schlechten Ergebnisse auf die Gegenwart grober intermetallischer Teilchen zurückzuführen sind. Diese Ergebnisse zeigen die Wichtigkeit der Verwendung eines Basisteils mit angemessener Reinheit zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung.

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Die vollen Vorteile der erfindungsgemäßen Legierung werden als Ergebnis des langsamen Erhitzens auf die End-Alt erungs temperatur erhalten. Der Einschluß von Zirkon, im Austausch für Chrom und Mangan, führt zu einer Retention der übersättigten festen Lösung nach dem Abschrecken. Die verlängerte Wärmebehandlung, bei welcher die Temperatur allmählich zu der Schluß-Alterungstemperatur erhöht wird, gestattet die Bildung eines feinen gleichförmigen Niederschlags durch die ganze Legierung hindurch. In Verbindung mit dem verlängerten Schlußerhitzen bei einer relativ hohen Alterungstemperatur von I65 bis 175°C wird hiermit der Ausgleich der Spannung in der Legierung ermöglicht, wodurch die Spannungskorrosionsrißbildung vermieden wird.

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Claims (6)

- li - Patentansprüche

1. Aluminiumlegierung, bestehend aus 5*2 bis 6,5 % Zink, 2,2 bis 3,2 % Magnesium, 0,35 bis 1,5 % Kupfer, 0,12 bis 0,20 % Zirkon, 0,2 bis 0,4 # Silber, max. 0,15 % Eisen, max. 0,12 % Silicium, Rest Aluminium und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,30 bis 0,35 % Silber enthält,

3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,8 bis 1,0 % Kupfer enthält.

4. Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Gesamtgehalt an Verunreinigungen mit Einschluß des Eisens und des Siliciums max. 0,2 % beträgt.

5· Legierung mit hoher Festigkeit und guten Span-

nungskorrosionseigenschaften nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzei chnet , daß sie nach einer herkömmlichen Lösungswärmebehandlung und einem herkömmlichen Abschrecken einer künstlichen Alterungsbehandlung unterworfen worden ist, bei welcher die Legierung mit einer Geschwindigkeit von nicht mehr als 30°C/h zu einer Schlußalterungstemperatur im Bereich von 165 bis 175°C erhitzt wird und bei dieser Temperatur mindestens 4 Stunden gehalten wird.

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6. Aluminiumlegierung nach Anspruch 5* dadurch

gekennzeichnet , daß die Schlußbehandlung der künstlichen Alterung etwa 6 Stunden bei einer Temperatur von 170 bis 175°C erfolgt.

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