DE2142685A1

DE2142685A1 - Superplastic zinc alloys - improved creep resistance

Info

Publication number: DE2142685A1
Application number: DE19712142685
Authority: DE
Inventors: Berthold Dipl Ing Dr Drube
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1971-08-26
Filing date: 1971-08-26
Publication date: 1973-03-01

Abstract

Super plastic zinc alloys with alloying additions of 0.001 to 0.03 pref. 0.005-0.02% Mg and 1-35% Al have much improved creep characteristics, far superior to other Zn/Al alloys or Zn/Al/Cu alloys. Some or all the Mg may be replaced by Be, Cr, Fe, Si, B or Ti. Two main ranges of composition are used i.e. 3-6% Al; 20-23% Al. General compositions are 1-35% Al; 0.005-0.02% Mg; Bal Zn plus 0.5-1.2% Cu and/or other elements to replace Mg. Theses alloys have all the super plastic properties but their higher creep resistance enlarges the scope for their use in deep drawing.

Description

Superplastische Zinklegierung Die Erfindung betrifft eine superplatische Zinklegierung, der Aluminium und Magnesium zulegiert sind. Superplastic Zinc Alloy The invention relates to a superplastic zinc alloy Zinc alloy to which aluminum and magnesium are alloyed.

Während der letzten Jahre wurden dauerstandfeste und bis zu einem gewissen Grad duktile Zinkknetlegierungen, die eine problemlose Herstellung von Zinkblechen und -bändern hoher Qualität durch Walzen ermöglichen, entwickelt. Der Weiterverarbeitung derartiger Halhzeuge durch Tiefziehen sind jedoch Grenzen gesetzt.Over the past few years, they have been durable and up to one certain degree of ductile wrought zinc alloys, which are easy to manufacture Zinc sheets and strips of high quality by rolling enable developed. Of the However, there are limits to the further processing of such semi-finished products by deep drawing.

Bekannt sind ferner sogenannte superplastische Zinklegierungen, die sich mit geringem Kraftaufwand weitgehend und ohne Rißbildung weiterverarbeiten lassen. Im superplastischen Zustand ist der Widerstand cierartiger Zinklegierungen gegen Verformung gering, so daß bei Anwendung von Zug Dehnungen von mehreren 100 % sogar von 1000 bis 2 000 % der ursprünglichen Länge erreicht werden können. Ein solches Verhalten ernöglicht die Anwendung von Umformverfahren der Knnststoff verarbeitenden Industrie, so daß dadurch eine Wandlung der herkönrmlichen Weiterverarbeitung von solchen Zinklegierungen möglich ist.Also known are so-called superplastic zinc alloys that can be processed further with little effort and largely without cracking permit. In the superplastic state, the resistance is cier-like zinc alloys low against deformation, so that when tension is applied, elongations of several 100 % can even be achieved from 1000 to 2000% of the original length. A Such behavior enables the use of plastic-processing methods Industry, so that thereby a change in the conventional processing of such zinc alloys is possible.

Supouplasüzität liegt bei solchen Zinlilegierungell vor, die bei einer thermomechanischen Behandlung, die über der Hälfte ihrer absoluten Schmelztemperatur liegt, ein außergewöhnlich feinkörniges Gefüge hilden und beibehalten.Supouplasüzität is in those Zinllegierungell, which in a thermomechanical treatment that is above half of its absolute melting temperature lies, an exceptionally fine-grain structure helps and maintains.

Wenn binäre Zink-Aluminium- Legierungen mit etwa 1 bis 63 % Alumimum und 99 bis 37 % Zink aus dem über 2750C liegenden homogenen Mischkristallgebiet auf Temperaturen unterhalb 27 50C vorzugsweise auf Raumtemperatur, abgeschreckt werden, dann zerfällt das homoge ne Gefüge eutektoid zu einem feinstkörnigen heterogenen Gefüge und es entsteht eine Legierung hoher Duktilität, die die Fähigkeit zu starker plastischer Verformung bei extrem niedriger mechanis eher Beanspruchung besitzt (DL-PS 4822; Sauerwald, F.: Archiv für Metallkunde, lleft 5, 1949, S. 165).If binary zinc-aluminum alloys with about 1 to 63% aluminum and 99 to 37% zinc from the homogeneous mixed crystal region above 2750C to temperatures below 27 50 ° C., preferably to room temperature then the homogeneous structure disintegrates eutectoid into a finely grained heterogeneous one Structure and the result is an alloy of high ductility, which has the ability to be stronger plastic deformation with extremely low mechanical stress (DL-PS 4822; Sauerwald, F .: Archiv für Metallkunde, lleft 5, 1949, p. 165).

Der gleiche plastische Zustand kann auch durch eine thermomechanische Behandlung, beispielsweise durch Warmumformung bei einer Temperatur unterhalb 2750C, erreicht werden. (Johnson, R.H., C. M. Packer, L. AndersonundO.D. Sherby : Phil. Mag. 18, 1968, S. 1309).The same plastic state can also be achieved through a thermomechanical one Treatment, for example by hot forming at a temperature below 2750C, can be achieved. (Johnson, R.H., C. M. Packer, L. Anderson, and O.D. Sherby: Phil. Mag. 18, 1968, p. 1309).

Dem Vorteil der hohen Duktilität derartiger Legierungen steht auf der anderen Seite jedoch der Nachteil geringer Daucrstandfestigkeit gegen über. So beträgt beispielsweise die Dauerstandfestigkeit von Zinklegierungen des Typs ZnAl 22 und ZnAl 5 nur etwa 0,5 kg/mm2 für 1 % bleibende Formänderung pro Jahr. Eine geringfügige Verbesserung der Dauerstandfestigkeit kann durch eine Änderung des Aluminiumgehaltes erreicht werden. Eine wesentliche Steigerung der Dauerstandfestigkeit auf 6 kp/mm2 für 1 % Formänderung pro Jahr wird durch eine naehträgliche Wärmebehandlung des zum Endprodukt verarbeiteten Halbzeugs bei einer Temperatur größer als 2750C und anschließendem langsamen Abkühlen erzielt. Durch eine derartige Behandlung geht jedoch die hohe Duktilität der Legierung wieder verloren. Zudem ist diese Behandlung mit einem erheblichen Aufwand an Zeit und zusätzlichen Anlagen für dic Wärmebehandlung verbunden. Ferner kann durch diese Behandlung die Formbeständigkeit des Fndproduktes beeinträchtigt und die Gefahr der Korrosion gegeben sein.The advantage of the high ductility of such alloys stands up on the other hand, however, the disadvantage of low fatigue strength compared to. For example, the creep strength of zinc alloys is of the type ZnAl 22 and ZnAl 5 only about 0.5 kg / mm2 for 1% permanent change in shape per year. A slight improvement in the creep strength can be achieved through a change the aluminum content can be achieved. A significant increase in fatigue strength to 6 kp / mm2 for 1% change in shape per year is achieved by subsequent heat treatment of the semi-finished product processed into the end product at a temperature greater than 2750C and then achieved slow cooling. Going through such treatment however, the high ductility of the alloy was lost again. In addition, this treatment is with a considerable expenditure of time and additional equipment for the heat treatment tied together. Furthermore, this treatment can reduce the dimensional stability of the final product impaired and there is a risk of corrosion.

Bekannt ist ferner, die D au er standfestigkeit von Zink -Ahlminium - Legierungen durch solche Zusätze zu verbessern, die ein mehr oder weniger großes Lösungsvermögen im festen Zink und im Aluminium besitzen. So ist es bekannt, Kupfer, Mangan, Magnesium, Nickel, Titan, Chrom, Silizium und Eisen als weitere Legierungsbestandteile einzeln oder zu mehreren der Zink-Aluminium-Legierung zuzusetzen (DL-PS 5 659> DT-AS 1 0521 122, DT-PS 1 091 345, US-PS 1 125 072, CH-PS 312 659, DT-OS 1 934 788). Dies gilt auch für die aus dem Zinc Development Association - Members Letter Nr. 283 bekannten superplastischen Zinklegierung der Zusammensetzung 70-82 % Zink, 0. 05 - 0. 2 % Magnesium bis 2 % Kupfer, Rest Aluminium.It is also known that zinc-aluminium has long-term stability - To improve alloys by such additives, which are more or less large Possess solvency in solid zinc and aluminum. So it is known, copper, Manganese, magnesium, nickel, titanium, chromium, silicon and iron as further alloy components to be added individually or in groups to the zinc-aluminum alloy (DL-PS 5 659> DT-AS 1 0521 122, DT-PS 1 091 345, US-PS 1 125 072, CH-PS 312 659, DT-OS 1 934 788). This also applies to those from the Zinc Development Association - Members Letter No. 283 known superplastic zinc alloy with the composition 70-82% zinc, 0. 05 - 0.2% magnesium to 2% copper, the remainder aluminum.

Diese Maßnahmen beeinträchtigen Jedoch wiederum die Duktilität, so daß beispielsweise die Dehnung bei Raumtemperatur bei Festigkeitswerten von über 40 kg/mm2 und Dauerstandfestigkeitswertenvon 2 bis 5 kp/mm² auf Werte unter 10 % absinkt.However, these measures in turn impair the ductility, see above that, for example, the elongation at room temperature with strength values of over 40 kg / mm2 and fatigue strength values from 2 to 5 kp / mm² to values below 10% sinks.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, bei einer superplastischen Zink-Legierung, der Aluminium und Magnesium zulegiert sind, die Dauerstandfestigkeit zu verbessern und gleichzeitig die gute Duktilität dieser Legierung weitgehend zu erhalten.The invention has now set itself the task of a superplastic Zinc alloy, to which aluminum and magnesium are alloyed, the fatigue strength to improve and at the same time the good ductility of this alloy to a large extent obtain.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung durch eine Zinklegierung der Zusammensetzung 1-35 % aluminium, 0,001 bis kleiner 0, 03 %> vorzugsweise 0, 005 bis 0, 02 % Magnesium, Rest Fein zink, gelöst. Die Aluminiumgehalte betragen vorzugsweise 3-6 % oder 20 - 23 %.This object is achieved according to the invention by a zinc alloy of Composition 1-35% aluminum, 0.001 to less than 0.03%> preferably 0, 005 to 0.02% magnesium, the remainder fine zinc, dissolved. The aluminum contents are preferably 3-6% or 20-23%.

Ferner besteht die Möglichkeit, daß neben dem Magnesium noch 0,1 bis 1, 5 %, vorzugsweise 0, 5 bis 1,2 % Kupfer, in der Legierung enthalten sind.There is also the possibility that in addition to the magnesium, 0.1 to 1.5%, preferably 0.5 to 1.2% copper, are contained in the alloy.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann das Magnesium ganz oder teilweise durch Beryllium, Chrom, Eisen, Silizium, Bor, Titan oder dergleichen ersetzt sein.According to a further feature of the invention, the magnesium can be whole or in part by beryllium, chromium, iron, silicon, boron, titanium or the like be replaced.

Die der Zink-Aluminium-Legierung zugefügten Elemente besitzen eine geringe Löslichkeit in Zink, meistens auch im Aluminium und steigern in ausgeschiedener Form sowohl die Festigkeit als auch die Dauerstandfestigkeit.The elements added to the zinc-aluminum alloy have a low solubility in zinc, mostly also in aluminum and increase in precipitated Form both strength and creep strength.

Die Wirkung der genannten Zusätze ist optimal, wenn diese in einer bestimmten Konzentration in der Zink-Aluminium-Legierung enthalten sind. Dadurch wird, wie es schon von Aushärtungsvorgängen bei Duralumin her bekannt ist, eine kritische Ausscheidungsgröße erzielt.The effect of the additives mentioned is optimal when they are in a certain concentration are contained in the zinc-aluminum alloy. Through this becomes, as it is already known from hardening processes with duralumin critical excretion size achieved.

Die Erfindung wird im folgenden anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert: Die Ausführungsbeispiele 1-4 sind jeweils auf eine erfindungsgemäße Legierungs zusammensetzung abgestellt, während die Ausfüiirungsb eispiele 5 bis 8 sich mit einer Legierung nach dem Stand der Technik befassen.The invention is illustrated below with the aid of several exemplary embodiments explained in more detail: The embodiments 1-4 are each based on an inventive Alloy composition turned off, while the Ausfüiirungsb examples 5 to 8 deal with a prior art alloy.

Ausführungsbeispiel 1 Nach der Erfindung setzt sich die Legierung zusammen aus 21,0 % Aluminium 0, 025 % Magnesium Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden: Dehnung bei 2500C > 600 % Dauerstandfestigkeit 8, 0 kp/mm2 Ausführungsbeispiel 2 Die erfindungsgemäße Legierung setzt sich zusammen aus 3,9 %Aluminium 0, 029 % Magnesium Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des entsprechenden Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden: Dehnung bei 2500C > 600 % 2 Dauerstandfestigkeit 9, 0 kp/mm Ausführungsbeispiel 3 Die erfindungsgemäße Legierung setzt sich zusammen aus 3,90 % Aluminium 0,85 %Kupfer 0, 01 % Magnesium Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgen de Werte ermittelt werden: Dehnung bei 2500C > 600 % Dauerstandfestigkeit 13 kp/mm2 Au s füh run gsb ei s pi el 4 Erfindungsgemäß setzt sich die Legierung zusammen aus 4,0 % Aluminium 0, 90 Kupfer 0, 015 % Magnesium 0,002 % Beryllium Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden: Dehnung bei 2500C - > 600 % Dauerstandfestigkeit 15 kp/mm2 Ausführungsbeispiel 5 Die zum Stand der Technik gehörende Legierung setzt sich zusammen aus 5,0 %Aluminium Rest Feiiizink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden: Dehntmg bei 250°C > 600 % Dauerstandfestigkeit < 1 kp/mm2 Ausführungsbeispiel 6 Die zum Stand der Technik gehörende Legierung setzt sich zusammen aus 21 % Aluminium Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden: Dehnung bei 250°C > 600 % Dauerstandfestigkeit 4 1 kp/mm2 Ausführungsbeispiel 7 Die zum Stand der Technik gehörende Legierung setzt sich zusammen aus 4, 1 % Aluminium 1,1 %Kupfer Rest Feinzink Nach dem Warm- und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden: Dehnung bei 250°C > 600 % 2 Dauerstandfestigkeit 2,4 kp/mm Ausführungsbeispiel 8 Die zum Stand der Technik gehörende Legierung setzt sich zusammen aus 4,36 % Aluminium 1,22 % Kupfer 0,051 % Magnesium 0, 0025 % Beryllium Rest Fein zink Nach dem Warm und Kaltwalzen des Legierungsblocks konnten folgende Werte ermittelt werden: Dchnung bei 250°C > 600 % Dauerstandfestigkeit 7 kp/mm² Die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Zink-Aluminium-Legierung erzielte Dauerstandfestigkeit bei gleichzeitig hoher Duktilität wird bei den zum Stand der Technik gehörenden Zink- bzw. Zink-Aluminium-Legierungn nicht erreicht. Die Zink-Aluminium-Legierung stellt nach der Erfindung einen superplastischen Konstruktionswerkstoff dar, der sich mit Hilfe von in der Kunststofftechnik bekannten Verfahren gut verarbeiten läßt.Embodiment 1 According to the invention, the alloy sets made up of 21.0% aluminum 0.025% magnesium remainder fine zinc After hot and The following values could be determined when the alloy ingot was cold rolled: strain at 2500C> 600% fatigue strength 8.0 kp / mm2 Embodiment 2 Die The alloy according to the invention is composed of 3.9% aluminum, 0.029% magnesium Remaining fine zinc After hot and cold rolling of the corresponding alloy block the following values could be determined: elongation at 2500C> 600% 2 creep strength 9, 0 kp / mm Embodiment 3 The alloy according to the invention is composed made of 3.90% aluminum 0.85% copper 0.01% magnesium balance fine zinc After hot and cold rolling of the alloy ingot, the following values could be determined: Elongation at 2500C> 600% fatigue strength 13 kp / mm2 EXAMPLE 4 According to the invention, the alloy is composed of 4.0% aluminum 0.90 copper 0, 015% magnesium 0.002% beryllium balance fine zinc After hot and The following values could be determined when the alloy ingot was cold rolled: Elongation at 2500C -> 600% creep strength 15 kp / mm2 Embodiment 5 Die State-of-the-art alloy is composed of 5.0% aluminum Remaining Feiiizinc After the hot and cold rolling of the alloy ingot, the following were possible Values are determined: elongation at 250 ° C> 600% creep strength <1 kp / mm2 Embodiment 6 The alloy belonging to the state of the art sets made up of 21% aluminum, the remainder fine zinc After hot and cold rolling of the Alloy blocks the following values could be determined: strain at 250 ° C> 600% creep strength 4 1 kp / mm2 Embodiment 7 The for State-of-the-art alloy is composed of 4.1% aluminum 1.1 % Copper remainder fine zinc After the hot and cold rolling of the alloy ingot, the following values can be determined: elongation at 250 ° C> 600% 2 creep strength 2.4 kp / mm Embodiment 8 The alloy belonging to the prior art sets made up of 4.36% aluminum 1.22% copper 0.051% magnesium 0.0025% beryllium Remainder fine zinc After the hot and cold rolling of the alloy ingot, the following were possible Values are determined: Elongation at 250 ° C> 600% creep strength 7 kp / mm² the creep strength achieved with the aid of the zinc-aluminum alloy according to the invention with high ductility at the same time, is part of the prior art Zinc or zinc-aluminum alloy not achieved. The zinc-aluminum alloy represents a superplastic construction material according to the invention, the can be processed well with the help of processes known in plastics technology leaves.

Auch bei RaAmtemperatur haben Bleche aus der erfindungsgemäßen Legierung eine gute Duktilität, wie aus der Biege zahl 8 (parallel zur Walzrichtung) und 14 (senkrecht zur Walzrichtung) gesehen werden kann.Sheets made of the alloy according to the invention also have a room temperature good ductility, as shown by the bending number 8 (parallel to the rolling direction) and 14 (perpendicular to the rolling direction) can be seen.

PATENTANSPEtÜCHEPATENT CLOTHES

Claims

PATENT CLAIMS 1) Superplastic zinc alloy containing aluminum and Magnesium to be alloyed, characterized by the composition 1 to 35 go Aluminum 0.001 to <0.08%, preferably 0.005 to 0.02% magnesium, the remainder fine zinc 2) Superplastic zinc alloy according to claim 1, characterized by a copper content from 0.1 1 to 1, 5 ° la, preferably from 0.5 to 1.2%.

3) Superplastic zinc alloy according to claim 1 and / or claim 2, d u r g e k e n n n z e i c h n e t, da: 3 the magnesium in whole or in part is replaced by boron, beryllium, chromium, iron, silicon, titanium or the like.

4) Superplastic zinc alloy according to one or more of the claims 1 to 3, characterized by an aluminum content of 3 to 6%.

5) Superplastic zinc alloy according to one or more of the claims 1 to 3, characterized by an aluminum content of 20 to 23%.