DE2112370C2

DE2112370C2 - Verfahren zur Herstellung superplastisch verformbarer kupferhaltiger Zink- oder Zink-Aluminium-Legierungen

Info

Publication number: DE2112370C2
Application number: DE2112370A
Authority: DE
Inventors: James Carroll Marshall; Terrence James Apalachin N.Y. Stewart
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1970-03-20
Filing date: 1971-03-15
Publication date: 1985-01-17
Also published as: US3632454A; GB1303957A; FR2083894A5; DE2112370A1; JPS5248092B1; CA948080A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung superplastisch verformbarer kupferhaltiger Zink- oder Zink-Aluminium-Legierungen, insbesondere zur Herstellung sehr komplizierter Teile nach dem Oberbegriff des

Patentanspruchs 1.

Superplastische Metalle, die vor allem zur Formung sehr komplexer Teile verwendet werden, sind an sich bekannt Im Industrie-Anzeiger, 92(197OpO, S. 425 bis 430 wird über die saperplastischen Werkstoffe, deren Verformung sowie Glühbehandlung und Änderung des Spannungszustands berichtet. Daraus ist es bekannt, daß zu den wesentlichen Voraussetzungen für das Auftreten von Superplastizität ein sehr feinkörniges Gefüge gehört, das unter anderem bei eutektischen bzw. eutekoiden Legierungen durch Warmumformung mit einem bestimmte' Umformungsgrad erzielt werden kann. Es ist in dieser Veröffentlichung auch klar angegeben, daß diese superplastischen Werkstoffe eine außergewöhnlich große Dehnung, nämlich bis zu 1000% und mehr praktisch ohne eine Einschnürung bei einem Zugversuch aufweisen. Die Fließspannung ist dabei im Vergleich zu den üblichen Werten bei Metaüen sehr klein.

Derartige Metalle haben natürlich auch Nachteile, die ihre Verwendung auf bestimmte Anwendungsbereiche beschränken. Zum Beispiel weisen die Zink-Aluminium-Legierungen einen zu niedrigen Kriechwiderstand und eine zu niedrige Zugfestigkeit für viele Anwendungen auf. Legierungen, die auf anderer Grundlage basieren, erfordern wiederum eine sehr hohe Verformungstemperatur. Solchen Legierungen wird z. B. Kupfer in kleinen Mengen, meistens unter 1%, zugesetzt, um den Kriechwiderstand zu verbessern. Kupfers ,ätze über diesen Grenzwert hinaus könnte man zwar zusetzen, dies würde jedoch eine wesentliche Erhöhung der Verformungskräfte erfordern. Bei Vorhandensein dieser kleinen Zuschläge sind die Reduzierungen im Kaltwalzen auf ungefähr 25% begrenzt, gegenüber 75 bis 90% bei einer Zink-Aluminium-Legierung.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung superplastisch verformbarer kupferhaltiger Zink- oder Zink-Alurr.inium-Legierungen zu schaffen, das es ermöglicht, daß trotz wesentlich höherer Kupfermengen als bisher die Superplastizität erhalten bleibt und die Korrosionsbeständigkeit sowie die Zug- und Druckfestigkeit erhöht wird.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird mit dem im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Verfahren erzielt. Es zeigt F i g. 1 ein Diagramm beispielhafter Zusammensetzungen für die erfindungsgemäße Verarbeitung und

so F i g. 2 eine Kurve, in welcher die Zugbelastung gegen die Dehnungsgeschwindigkeit au [gezeichnet ist, um den Einfluß von m und K auf die für die superplastische Verformung erforderliche Energie zu zeigen.

In der nachfolgenden Beschreibung werden Legierungen als superplastisch bezeichnet, wenn sie ungewöhnlichen Dehnungen ohne Einschnürung und mit im wesentlichen gleichbleibender gleichmäßiger Dicke nach der Verformung unterworfen werden können.

Es wurde festgestellt, daß Aluminium-Legierungen mit 6 bis 12 Gewichtsprozent Kupfer und 0 bis 36 Gewichtsprozent Aluminium innerhalb der oben gegebenen Definition der superplastischen Verarbeitung unterworfen werden können. Bisher benötigten derartige Legierungen sehr starke Verformungskräfte und zeigten eine ungenügende Gleichmäßigkeit in der Dicke. Es wurde festgestellt, daß diese Legierungen superplastisch werden, wenn sie einer großen Querschnittsver minderung durch Warmformen von vorzugsweise über 90% unterworfen werden. Eine Verformung in dieser Größe betrifft den gesamten Querschnitt des Metalles. Die Legierungen können aus den Gußblöcken heraus bearbeitet werden, ohne daiß eine Wärmebehandlung erforderlich ist. Die Warmverformung erwies sich bei einer Temperatur oberhalb der Raumtemperatur als wirksam und unterhalb der Temperatur, bei welcher während der Verarbeitung die Korngröße bedeutend zunimmt (Transformationstemperatur). Eine solche we sentliche Zunahme der Korngröße führt zu einem übermäßigen Ansteigen der Formungskräfte. Die Geschwin digkeit der Korn vergrößerung bei Zink- Kupfer- Legierungen wird bei Temperaturen über 370° C hoch.

Für die Durchführung der Querschnittsverminderungen gibt es bestimmte Temperaturbereiche, die jedoch nicht kritisch sind. Für die Auswahl der Arbeitstemperatur ist der Aluminiumanteil ausschlaggebend. Wenn der

Aluminiumgehalt größer als 15% ist, ist eine Warmverformungstemperatur zwischen 150⁰C und 205°C erwünscht Aufgrund der Transformation oberhalb dieses Grenzwertes liegt die Höchsttemperatur bei 275° C. Bei abnehmendem Aluminiumgehalt verbreitert sich der Arbeitsbereich ;>uf Werte zwischen etwa 150° C und 260⁰C. Aufgrund der zunehmenden Korngröße liegt die Obergrenze hier bei 315°C. In Legierungen, die nur aus Zink und Kupfer bestehen, kann die annehmbare Temperatur auch auf 370⁰C ansteigen.

Die Warmverformung ist nicht auf bestimmte Umformverfahren beschränkt Sie erfolgt durch Pressen, Walzen, Schmieden oder Ziehen. Pressen scheint jedoch wirksamer zu sein als Walzen oder Gesenkschmieden für Legierungen mit niedrigem Aluminiumanteil unter 15%. Es wurde festgestellt, daß niedrigere Werte des Dehnungskoeffizienten K zu erzielen sind Legierungen mit einem größeren Aluminiumanteil zeigen keine wesentliche Änderung des Faktors K bei einem anderen Bearbeitungsverfahren.

Eine Homogenisierung dieser Legierungen sollte nur kurz oder überhaupt nicht erfolgen. Alle diese Legierungen sind bei allen Temperaturen mehrphasig, und während der Wärmebehandlung tritt ein zu großes Phasenwachstum auf.

Es wurde festgestellt daß die auf das erfindungsgemäße Verfahren ansprechenden Legierungen alle im karierten Bereich des in F i g. 1 gezeigten Zusammensetzungsdiagramme liegen. Die Grenzwerte liegen bei 0 bis 36% Aluminium und 6 bis 12% Kupfer, wobei der Rest der Legierung von Zink gebildet wird. Ein Aluminiumgehalt von über 36% hebt den K-Wert zu stark an, so daß die Verformungskräfte zu groß und unpraktisch werden. Wenn der Kupfergehalt 12% übersteigt, wird eine spröde Verbindung gebildet Legierungen mit einem Kupfergehalt von unter 6% reagieren auf konventionelle superplastische Formgebungsverfahren ohne Sonderbehandlung.

In der nachfolgenden Tabelle sind Eigenschaften verschiedener Zink-Kupfer-Aluminium-!, gerungen vergleichend zusammengestellt die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurden. Ais weiterer Vergleich sind auch die Werte für die Stanuardlegierungen aus 78% Zink und 22% Aluminium angegeben, die normalerweise für die superplastische Formgebung verwendet wird, sowie für 100%Zink.

Tabelle

Zusammensetzg. Gewich tsproz.

Zn Al Cu andere

K
Pascal

Temp. ⁰C

Dehnung

Prozeß

S ι	78	22	—	—	Ni	10 066	0,44	262	>	1000	WR
H 2	92	—	8	—		16 892	0.71	370	>	200	WE/WR
					Cr	41 644	0,50	262	>	1000	WE/WR
% ⁴	90	—	10	—	Mn	23 097	0,63	315	>	1000	WE/WR
V 5	91	—	8	1.0	Mg	8 136	035	370	>	200	WE/WR
ίί.ί						14 824	0.31	315	>	1000	WE/WR
γ η	91,7	—	8	03	Mg	12 273	0,42	370	>	200	WE/WR
% 8	90.7	—	9	0,3		14 548	0.62	370		900	WE/WR
				0,05	Mg
■: 9	83	5	12	—		10618	0,53	315	>	200	WE/WR
■ : ίο	84,9	8	10	0.1		6412	0,72	340	>	200	WE/WR
						9 859	0^50	315	>	1000	WE/WR
(■ 12	80,9	10	9	0,1		9 446	0,68	340	>	200	WE/WR
l· 13	80	14	6	—		14 272	037	262	>	200	WR
14	75	16	9	—		14 272	039	262	>	200	WR
15	71	?.O	9	—		12 755	0,39	262	>	200	WR
16	68	23	9	—		10 825	0,37	262	>	200	WR
17	61	30	9	—		14 203	0,39	262	>	200	WR
18	65	23	12	—	und anschließend gcwalzl	13 238	0.34	262	>	200	WR
19	55	36	9	—	20 408	0.41	262	>	200	WR
20	100	—	—	—	5 654	0.24	370		53	WE/WR
WR	« warmgewalzt und
WE/WR	= warmgepreßt

In der Tabelle sind die Temperaturen angegeben, bei denen die superpiastischcn ZugdehnungsprCfungen ausgeführt wurden. Die bei den Prüfungen erreichten Dehnungen sind mit über 200% oder über 1000% angegeben, weil die Prüfungen bei diesen Werten abgebrochen wurden. Ein Probestück hat den festgesetzten Dehnungsversuch erfolgreich durchgestanden, und sein Dehnungsgrcnzweit Hegt irgendwo über dem angegebenen Wert. Legierungen jeder allgemeinen Gruppe wurden einer Verformungsprüfung unterworfen, indem ein rechteckiger Gußblock von 75 χ 75 χ 125 mm verformt wurde.

Die Probestücke wurden alle aus Gußblöcken mit 36 mm Durchmesser hergestellt, die entweder warmgepreßt oder warmgewalzt wurden oder beides, je nach Angabe in der Tabelle. Bei den gepreßten Stücken wurde der Gußblock von 36 mm Durchmesser auf 8 mm Durchmesser heruntergepreßt und dann auf 1.3 mm Dicke gewalzt. Für die warmgewalzten Stücke wurde der Gußblock auf 10 mm Kantenlänge geschmiedet und anschließend auf 13 mm Dicke gewalzt. Für eine sorgfäliige Verarbeitung erwies sich das Pressen allgemein als wirksamer.

Aus der Tabeilc ist zu ersehen, daß verschiedene Legierungen eine Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit

m aufweisen, die beträchtlich über 0.44 für die gewöhnliche Zink-Aluminium-Legierung liegt. Das zeigt natürlich ihre Eignung für die Formung komplexer Formen bei Beibehaltung einer gleichmäßigen Dicke.

In der obigen Tabelle ist der Wert des Dchnungskoeffizienten K grundsätzlich für die Zink-Kupv'cr-Legicrungen höher als für die Standardlegierung aus 78% Zink und 22% Aluminium. Der /C-Werl ist ungefähr gleich der zur Verformung des Materials bei einer Dehnung von 2,45 mm pro 2436 mm und Minute erforderlichen Zugspannung. Obwohl der höhere K-Wert besagt, daß eine höhere Verformungskraft wahrscheinlich erforderlich ist. gleichen die Zink-Kupfer-Legierungen das wiederum durch den Vorteil aus, daß die Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkcit m ebenfalls höher ist. Die Auswirkung dieser beiden gestiegenen Werte ist in Fig. 2 gezeigt, wo für die Kurven 10 und 11 die Spannung gegen die Dehnung für die Standardlcgierung aus 78% Zink

ίο und 22% Aluminium und für die zweite in der Tabelle aufgeführte Legierung aus 92% Zink und 8% Kupfer aufgezeichnet sind. Der Wert m ist die Steigung der Kurve für die Legierung, und somit verläuft die Kurve 11 für die Zink-Kupfer-Legierung steiler. Die Dehnungsgeschwindigkeiten unter dem Kreuzungspunkt für die beiden Kurven zeigen an, daß die zur Verformung der Zink-Kupfer-Legierung erforderliche Zugkraft wesentlich kleiner ist als die für die Zink-Aluminium-Lcgierung. Bei der Auswertung der relativ leichten Verformung zweier

is superplastischer Legierungen müssen also sowohl K als auch m berücksichtigt werden und die Wahl abhängig von der gewünschten Warmverformungsgeschwindigkeit oder der verfügbaren Kraft getroffen werden.

Die Legierungen können beliebige Verunreinigungen in kleinen Mengen oder auch andere Zusätze in begrenzten Mengen enthalten, um die jeweiligen Eigenschaften zu verbessern. Beispiele für solche Zusätze sind Magnesium, Msrigsn, Chrom und Nicke', die bis zu !% zugesetzt werden können. Die Vorzugsweise liegen bei 0,01% für Magnesium, je 0,3% für Mangan und Chrom und 1% für Nickel.

Kleinere Zusätze an Mangan. Magnesium oder Chrom ergaben eine wesentliche Verbesserung des Kriechwiderstandes von Zink-Kupfer-Legierungen. Eine Zink-Kupfcr-Lcgierung mit 8 bis 10% Kupfer ohne diese Zusätze zeigte eine Kriechgeschwindigkeit von 75 bis 170% pro 10 000 Stunden. Mit den Zusätzen wird die Kriechgeschwindigkeit radikal reduziert auf unter 0,1% unter denselben Bedingungen. Diese Werte sind we· sentlich besser als die Kriechgeschwindigkeit von 10% für die warmbchandelte Standardlegierung aus Zink und Aluminium.

Bei Kupferzusätzen verbessert sich auch die Zugfestigkeit. Während die Standardlegierung aus Zink-Aluminium eine geringe Zugfestigkeit aufweist, erreichen Legierungen ?,>it 8 bis 12% Kupfer eine wesentlich höhere. Für Zink-Kupfer-Legierungen wurde festgestellt, daß eine Wärmebehandlung nach der Warmformung nicht nötig ist. Dad'irch wird ein Herstellungsschritt ausgeschaltet. Wenn die Legierung jedoch Aluminium enthält, steigt der Vorteil der Wärmebehandlung proportional zum Aluminiumgehaii.

Obige Beschreibung gilt für ein Herstellungsverfahren von Zink- oder Zink-Aluminium-Legierungen mit einem Kupfergehalt zwischen 6 und 12%. wodur.n eine bisher unerreichbare Superplastizität induziert wird. Das Verfahren gestaltet jetzt die Herstellung superplastische Legierungen mit einer wesentlich höheren

Zugfestigkeit und einem günstigen Kriechwiderstand. Hierzu ! Blast Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung superplastisch verformbarer kupferhaltiger Zink- oder Zink-Aluminium-Legierungen, insbesondere für sehr komplizierte Teile mit relativ hoher Zugfestigkeit und Druckfestigkeit,

s wobei Barren aus einer Zinklegierung mit 6 bis 12% Kupfer und 0 bis 36% Aluminium gegossen werden, die nachfolgend durch Pressen, Walzen, Ziehen oder Schmieden warm verformt und dabei im Querschnitt so lange verringert werden, bis der gesamte Querschnitt der Barren gleichmäßig warmverformt ist und die Dicke für die superplastische Warmverformung erreicht ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Barren vor dem Warmverformen bis knapp unter die Temperatur erwärmt werden, bei welcher während der

ίο Verarbeitung die Korngröße bedeutend zunimmt, und ihr Querschnitt bei dieser Temperatur anschließend durch Warmverformen bis zu 10% des Originalquerschnitts verringert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungen mit einem Aluminiumgehalt von mehr als 15% bei einer Temperatur zwischen 150" und 205⁰C, und bei geringerem Aluminiumgehalt zwischen 150° und 260° C warmverformt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Legierungen, die nur aus Zink und Kupfer bestehen, bei einer Temperatur bis maximal 370°C warmverformt werden.

4. Anwendung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 3 auf Zink- oder Zink-Aluminium-Legierungen, die zusätzlich bis zu 1 Vo Magnesium, Mangan. Chrom und/oder Nickel enthalten.