DE2235168C2

DE2235168C2 - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungen und deren Verwendung

Info

Publication number: DE2235168C2
Application number: DE19722235168
Authority: DE
Inventors: Edward Frederick Chalfont Emely; Michael James Saffron Walden Essex Stowell; Brian Michael Haverhill Suffolk Watts
Original assignee: BRITISH ALUMINIUM CO Ltd GERRARDS CROSS BUCKINGHAMSHIRE GB; British Aluminium Co Ltd Gerrards Cross Buckinghamshire; TI Group Services Ltd Edgbaston Birmingham; TI Group Services Ltd
Current assignee: British Aluminum Co Ltd
Priority date: 1971-07-20
Filing date: 1972-07-18
Publication date: 1986-11-27
Also published as: CH562882A5; DE2235168A1; NL175438C; AU4480172A; NL7210042A; GB1387586A; JPS55161045A; AT324721B; FR2146847A5; BE786507A; NL175438B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung nichtaushärtbarer und aushärtbarer zirkoniumhaltiger Aluminium-Knetlegierungen gemäß dem Oberbegriff der Patentansprüche 1, 2 oder 3 und schließt auch deren Verwendung ein.

Es ist bekannt, daß bestimmte Legierungen unter bestimmten Bedingungen ohne Bruch um sehr große Beträge verformt werden können. Dieses Phänomen ist unter dem Namen Superplastizität bekannt und wird charakterisier' durch einen hohen Empfindlichkeitsindex der Dehnungsgeschwindigkeit des Metalls, als dessen Ergebnis die normale Tendenz einer gespannten Probe, vorzugsweise lokale Verformungen zu erleiden (Einschnürung), unterdrückt wird. Derart starke Verformungen sind darüber hinaus bei relativ geringen Spannungen möglich, so daß die Verformung der superplastischen Legierungen einfacher und billiger ausgeführt werden kann als es sogar bei hochduktilen Metallen möglich ist, die dieses Phänomen nicht aufweisen. Als geeignetes numerisches Kriterium für das Vorliegen von Superplastizität kann zugrundegelegt werden, daß ein superplastisches Metall eine Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit (»nw-WeFt) von zumindest 03 und eine einachsige Zugdehnung von mindestens 200% bei (erhöhten) Temperaturen aufweist Der »m«-Wert ist durch die Beziehung σ — ηε™ definiert, wobei α den Fließwiderstand, η eine Konstante, ε die Dehnungsgeschwindigkeit und m den Empfindlichkeitsindex der Dehnungsgeschwindigkeit bedeutet.

Keine bekannte Aluminiumlegierung, mit Ausnahme des eutektischen Al-Cu-Gemischs, das 33% Kupfer enthält und weder die niedrige Dichte noch die guten Korrosionswiderstands-Eigenschaften der Aluminiumlegierungen aufweist, kann superplastisch verformt werden. Der Erfindung liegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung superplastischer Aluminiumknetlegierungen und Verwendungen dafür anzugeben.

Das erfindungsgemäße Verfahren geht von drei unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen aus, nämlich

1. von einer nichtaushärtbaren Aluminium-Knetlegierung mit 5 bis 1Q% Magnesium und 0 bis 0,5% Kupfer,

2. von einer nichtaushärtbaren Aluminium-Knetlegierung mit 1 bis 15% Zink, 0 bis 0,5% Magnesium und 0 bis 0,5% Kupfer und

3. von einer aushärtbaren Aluminium-Knetlegierung mit einem oder mehreren der Elemente Kupfer, Magnesium, Zink, Silizium, Lithium und Mangan in bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen üblichen Kombinationen und Mengen, wobei die Gesamtmenge dieser Elemente 10% nicht überschreitet,

wobei jede der Legierungen unter 1. bis 3. mindestens 0,3% Zirkonium, das im wesentlichen in fester Lösung im Mischkristall vorliegt, und einen oder mehrere der in Aluminiumlegierungen üblichen Legierungszusätze aus der Gruppe

0 bis 0,2% Titan,

0 bis 0,05% Bor,

Obis 0,01% Beryllium,

0 bis 0,2% Chrom,

0 bis 0,5% Germanium,

0 bis 0,25% Cadmium,

Obis 0,6% Silber,

Obis 0,6% Blei,

0 bis 0,6% Wismut,

0 bis 0,25% Metalle der Seltenen Erden,

0 bis 0,4% Mangan, wenn in der Legierung unter 3. nicht als vorgeschriebener Bestandteil enthalten,

in einer Gesamtmenge bis 1,25% und Aluminium als Rest mit üblichen Verunreinigungen enthält.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur jeweiligen Herstellung von superplastischen Aluminium-Knetlegierungen ist dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur von mindestens 775° C zur Erzielung einer 30 μΐη nicht überschreitenden Zellengröbe in der gegossenen Legierung gegossen wird und und die gegossene Legierung bei einer Temperatur plastisch verformt wird, die 550° C nicht übersteigt.

Unter »Zellengröße« versteht man hierbei den Armabstand sekundärer Dendriten.

Vorzugsweise wird die Legierung bei einer Temperatur von 825 bis 900°C gegossen.

Vorteilhaft wird die gegossene Legierung bei einer Temperatur von 300 bis 500⁰C, vorzugsweise von 350 bis 475⁰C, plastisch verformt.

Die Erfindung erstreckt sich auf die Verwendung der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten

superplastischen Knetlegierung zur Herstellung eines plastisch verformten Erzeugnisses, das bei sehr feinkörnigem Gefüge aus gerichteten Körnern mit einem mittleren Durchmesser unter 15 μπι eine 0.2-Grenze von mindestens 231,4 N/mm² und eine Zugfestigkeit von mindestens 308,9 N/mm² aufweist.

In dieser Beschreibung werden alle auf die Elemente bezogenen Prozentwerte in Gewichtsprozent angegeben.

Mit »aushärtbaren« Legierungen sind diejenigen Legierungsklassen gemeint, in denen die mechanischen Eigenschaften durch Ausscheidungshärtungsbehandlungen verbessert werden können, zum Beispiel Legierungen der Systeme Al—Cu, Al—Cu- Mg, Al—Mg—Si und Al—Zn—Mg.

Mit »nichtaushärtbaren« Legierungen sind diejenigen Legierungsklassen gemeint, in denen die mechanischen Eigenschaften durch Ausscheidungshärtungsbehandlungen nicht wesentlich verbessert werden können, zum Beispiel Legierungen der Systeme A!—Mn, Al— Mg und Al-Zn.

Zirkonium hat eine geringe Löslichkeit, einen hohen Temperaturkoeffizienten der Löslichkeit und diffundiert in Aluminium selbst bei so hohen Temperaturen wie 500°C nur sehr langsam. Das Zirkonium wird vorzugsweise in Mengen von mindestens 0,4% eingesetzt.

Es wird angenommen, daß die mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Legierungen ihre superplastischen Eigenschaften dem Vorliegen einer übersättigten festen Lösung des Elements Zirkonium in einer Menge, die ausreicht, um das Kornwachstum des Aluminiums zu begrenzen, verdankt, wobei bei der angewandten Warmverformungstemperatur eine feine sub-optische Ausscheidung entsteht, die die Bewegungen an den Korngrenzen einschränkt Die Bildung einer derart feinen sub-optischen Ausscheidung wurde nachgewiesen in Zirkonium-haltigen Legierungen, nicht dagegen in Cr- oder Mn-haltigen.

Es ist bereits bekannt, daß Zirkonium in bestimmten Aluminiumlegierungen zur Kornverfeinerung der gegossenen Legierungen beiträgt und das Kornwachstum in verarbeiteten Legierungen begrenzt. Jedoch beträgt die maximale Löslichkeit des Zirkoniums in flüssigem Zustand bei der peritektischen Temperatur ungefähr 0,11% und normalerweise liegen Zusätze von Zirkonium zu Aluminiumlegierungen nicht über 0,2%.

An Legierungen aus Reinaluminium und Zusätzen von 0,2% und 0,5% Zirkonium durchgeführte Versuche ergaben bei allen Prüftemperaturen im Bereich 350⁰C bis 500⁰C kein superplastisches Verhalten. Versuche haben weiter ergeben, daß sich eine Aluminium-Magnesium-Legierung nach Zirkoniumzusatz nicht superplastisch verformen läßt Diese Versuche haben gezeigt, daß, damit eine Aluminiumlegierung superplastisch verformbar wird, nicht nur notwendigerweise ein langsam diffundierendes Element wie Zirkonium zur Verfugung stehen muß, das sich während der Warmverformung aus übersättigter Lösung in Form fein dispergierter und relativ stabiler Teilchen in sekundärer Phase abscheidet, sondern auch ein oder mehrere zusätzliche Elemente, die Erholungserscheinungen inhibieren und die Legierungen mit ultrafeiner Korngröße kristallisieren lassen, beispielsweise durch Erniedrigung der hohen Stapelfehlerenergie des Aluminiums, wodurch das Eintreten einer dynamischen Rekristallisation während oder vor der Warmverformung ermöglicht wird.

Diese zusätzlichen Elemente schließen Cu, Mg, Zn, Li, Mn und Si in solchen Kombinationen und Mengen ein, wie sie gewöhnlich in aushärtbaren Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, sowie Mg, Zn und Cu in solchen Kombinationen und Mengen, wie sie zur Herstellung nichtaushärtbarer Legierungen der Systeme Al—Mg oder Al-Zn mit mindestens 5% Mg bzw. mindestens 1% Zn verwendet werden.

Besonders geeignete Kombinationen zusätzlicher Elemente sind z. B.:

Cu	1,75 bis 10%
Mg	0bis2%
Si	0 bis 1,5%
Cu	2,5 bis 7%
Mg	0 bis 0,5%
Cu	3,5 bis 5,5%
Mg	0,25 bis 1,25%
Si	0,25 bis 1 %
Mn	0,25 bis 1%
Zn	2 bis 8%
Mg	0,75 bis 4%
Cu	0bis2%
Zn	3 bis 5,5%
Mg	1 bis 2%
Cu	0 bis 0,3%
Zn	4 bis 7,5%
Mg	2 bis 3%
Cu	1 bis 2%
Si	0,4 bis 0,9%
Mg	0,5 bis 1%
Zn	1 bis 15%, vorzugsweise 2—12%
Mg	0 bis 0,5%
Cu	0 bis 0,5%
Mg	5 bis 10%, vorzugsweise mindestens 6%
Cu	0 bis 0,5%

Aus dem vorstehend Gesagten wird klar, daß die zusätzlichen Elemente der Gruppen h oder i beim Legieren mit Aluminium nichtaushärtbare Legierungen ergeben, während die zusätzlichen Elemente aller verbleibenden

Kombinationen a bis g aushärtbare Legierungen ergeben, wenn sie mit Aluminium legiert werden. Legierungen, die die zusätzlichen Elemente der Gruppe h enthalten, können zur Erzielung optimaler Ergebnisse einen höheren Verformungstemperaturbereich benötigen, beispielsweise bis zu 55O⁰C.

Es ist klar, daß die mit den erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Legierungen diejenigen Verunreinigungen enthalten können, die man normalerweise in aushärtbaren und nichtaushärtbaren Aluminiumlegierungen findet, sowie eines oder mehrere der eingangs mit Gewichtsprozentbereichen angegebenen Nebenelemente, von denen bekannt ist, daß man sie Aluminiumlegierungen zusetzt.

Der Gesamtanteil der Legierungselemente der Kombinationen bei aushärtbaren Legierungen soll 10% nicht überschreiten. Kleine Mengen der Nebenelemente, wie z. B. Ti, Cr und Mn, können in die vorstehend aufgeführten Mengen einbezogen werden, um das Gußgefüge zu beeinflussen oder die Rekristallisation während der abschließenden Wärmebehandlung zu unterdrücken. Die Gesamtmenge dieser wahlfreien Nebenelemente soll bei Abwesenheit von Pb und Bi 0,75% nicht überschreiten. Zur Verbesserung der Bearbeitbarkeit der Legierungen können kleine Zusätze von Pb und/oder Bi hi Mengen bis zu je 0,6% und in einer Gesamtmenge bis zu 1% erfolgen. Wenn die Legierung Pb und/oder Bi enthält, soll der Gesamtgehalt der Nebenelemente einschließlich Pb und/oder Bi 1,25% nicht überschreiten.

Die erfindungsgemäß hergesieliten Legierungen können in einigen Fällen nach längerem Glühen bei superplastischen Verformungstemperaturen unter isothermen Bedingungen superplastisch verformt werden. Als vorteilhaft hat sich jedoch ergeben, die Legierung rasch auf die superplastische Verformungstemperatur zu erhitzen und/oder die Temperatur während des Fortschreitens der Verformung ansteigen zu lassen. Unter letztere Bedingungen wurden an Al-6% Cu-0,5% Zr-Legierungen Dehnbarkeitswerte zwischen 800% und 1200% erzielt, während diese vorher nach Glühen bei der Temperatur für plastische Verformung und isotherme Verformung nur Dehnbarkeitswerte zwischen 500% und 700% ergeben hatten. Die folgende Tabelle zeigt die durch die beiden Verformungstechniken an vier weiteren Legierungszusammensetzungen erhaltenen Unterschiede in den Ergebnissen zusammen mit isothermen Daten zweier weiterer Zusammensetzungen.

Tabelle A

*) Mit Ausnahme des Zirkoniums, dessen Anteil jeweils ca. 0,5%, bei der Al-Legierung mit 7% Mg jedoch 0,8% betrug.

Alle Legierungen wurden von Temperaturen oberhalb 850° C rasch gegossen.

Versuche, den Gehalt an gelöstem Zirkonium in den erfindungsgemäß hergestellten Legierungen mit naßchemischen Verfahren zu bestimmen, sind noch nicht zufriedenstellend verlaufen. Ein brauchbarer Gehalt kann jedoch sichergestellt werden, indem man von sehr viel höheren Temperaturen vergießt als sie bei der Herstellung von Halbzeug aus Aluminium-Knetlegierungen üblich sind, in Verbindung mit einer rascheren Erstarrung der flüssigen Legierung. Während die Gußtemperaturen der bekannten Aluminium-Knetlegierungen im Bereich 665° C bis 725° C liegen, wird eine Legierung gemäß der Erfindung bei Temperaturen im Bereich 775° C bis so 925° C, vorzugsweise oberhalb 800° C, gegossen. Für optimale Ergebnisse wird eine Gießtemperatur im Bereich 825° C bis 900° C bevorzugt Ähnlich werden, während die beim semikontinuierlichen direkten Kokillenguß erzielten normalen Erstarrungsgeschwindigkeiten eine mittlere Zellengröße bzw. einen Armabstand sekundärer Dendriten von 40 bis 70 μΐη ergeben, die Erstarrungsgeschwindigkeiten der erfindungsgemäß hergestellten Legierungen so ausgelegt, daß die mittlere Zellengröße 30 μΐυ, vorzugsweise 25 μπι, nicht überschreitet Auf diese Weise stellt der erforderliche Mindestgehalt an gelöstem Zirkonium, vermutlich 0,25%, einen Überschuß von 0,2% in bezug auf die Gleichgewi ihtslöslichkeit des Zirkoniums bei 500° C dar.

Falls erforderlich, kann der ungefähre Anteil des gelösten Zirkoniums in einer Legierung mit bekanntem Gesamtzirkoniumgehalt mit Hilfe der Mikrosondenanalyse bestimmt werden. Andererseits kann mit Hilfe der optischen Mikroskopie rasch überprüft werden, ob ein wesentlicher Teil des Zirkoniums aus der Lösung ausgeschieden ist oder nicht, da die ZrAb-Phase leicht zu erkennen ist

Um die Aufrechterhaltung eines hohen Niveaus an übersättigtem Zirkonium zu unterstützen, können die erfindungsgemäß hergestellten Legierungen in bekannter Weise durch spIat-Kühlung oder Spritzguß oder durch Verdichten von geblasenem Pulver hergestellt werden.

Zur Erläuterung der Erfindung werden in den folgenden Beispielen Aluminiumlegierungen beschrieben, die Kupfer als wesentliches Legierungselement enthalten, darüber hinaus ggf. wie angegeben andere Legierungselemente.

Legierungstyp	Ungefähre Zusammensetzung *)	Dehnbarkeit bei der Verformungstemperatur in	Rasches Erhitzen und/
		Isothermer Versuch	od. Temperaturerhöhung
		nach Glühen bei	während des Versuchs
		entspr. Temperatur	330
BA 733	Al;4,5%Zn;0,8Mg	150	_
BSL88	Al; 6% Zn;3% Mg; 1,5% Cu	540	300
BS 2L70	Al; 5% Cu; 0,9% Si;0,8% Mn; 0,4% Mg	170	288
BSM20	Al;0,7% Mg;0,6% Si; 0,25% Cu	200	_
BSM20	Al; 7% Mg	250	—
—	Al; 10% Zn	600
	Al: 3% Zn	360

Für die Herstellung der Legierungen kann von normalem handelsüblichem Aluminium mit einer Mindestreinheit von 99,5% ausgegangen werden. Günstigere Ergebnisse werden durch Begrenzung des Eisen- und Siliziumgehalts erzielt, d. h. durch Herstellen der Legierung aus hochreinem Aluminium mit einem Reinheitsgrad von ungefähr 99,85%. Jedoch hat auch ein Metall mit einer Reinheit unter 99,5% (z. B. 99,3%) annehmbare Ergebnisse gebracht.

Bei vorgegebenem Reinheitsgrad werden die ungünstigen Effekte von Eisen und Silizium auf ein Minimum zurückgeführt, wenn beide in etwa äquiatomaren Verhältnissen anwesend sind. So werden gleich gute Ergebnisse mit einem 99,8% reinen Aluminium erzielt, das Eisen und Aluminium in ausgeglichenen Atomverhältnissen enthält, wie mit 99,9% reinem Aluminium, in dem das atomare Verhältnis zwischen Fe und Si 1 :2 oder 2 :1

ίο beträgt. Ein atomares Verhältnis von 1 :1 entspricht fast einem Gewichtsverhältnis von Fe :Si wie 2:1, das Gewichtsverhältnis Fe : Si soll daher vorzugsweise zwischen 1,5 :1 und 2,5 :1 liegen.

Der Kupfergehalt liegt bei den aushärtbaren Legierungen vorzugsweise im Bereich 2,5% bis 7% und besonders im Bereich 3,5% bis 6,5%. Zur Erzielung hoher Festigkeiten in den verformten Gegenständen nach der sich anschließenden vollen Wärmebehandlung in Kombination mit einer guten Walzbarkeit kann ein Kupfergehalt von 5,75% bis 6,25% verwendet werden. Ein 7% wesentlich übersteigender Kupfergehalt, beispielsweise bis zu 10%, kann toleriert werden, wenn die Legierung eher stranggepreßt als gewalzt werden soll oder vor dem Walzen stranggepreßt werden kann.

Kleinere Anteile einiger Elemente können toleriert werden oder zugesetzt werden, um den entsprechenden Legierungen bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Magnesium kann den nichtaushärtbaren Al-Zn-Legierungen in Anteilen bis zu ungefähr 0,5% zugesetzt werden; Cadmium kann in Mengen zugesetzt werden, die 0,25% nicht überschreiten, während kleine Mengen, zwischen 0 und 0,2% des kornverfeinernden Elements Ti beigemischt werden können, um die Bildung eines feinkörnigen Gußgefüges zu unterstützen. Zur Regelung des Auslagerungsverhaltens kann auch Germanium in Mengen bis zu 0,5% zugesetzt werden.
Zur Erzielung der Superplastizität scheint es erforderlich zu sein, daß die gegossene Legierung eine Mindestmenge an Zirkonium in übersättigter fester Lösung enthält, so daß das Zirkonium während des Warmverformungsprozesses für eine Ausscheidung in einer Weise zur Verfügung steht, die zur Erzeugung oder Beibehaltung eines sehr feinkörnigen Gefüges mit einer mittleren Korngröße unter 15 μίτι, ähnlich der in anderen ■ superplastischen Materialien, beiträgt. Dieser Mindestgehalt an gelöstem Zirkonium wird nicht erreicht, wenn nicht der Gesamtgehalt an Zirkoniummetall wenigstens 0,3% und vorzugsweise wenigstens 0,4% beträgt.

Zur Erzielung von superplastischem Verhalten bei aushärtbaren Legierungen sollte der Gehalt an Kupfer bevorzugt größer sein als der Löslichkeit in fester Phase bei der Warmverformungstemperatur entspricht. So beträgt der erforderliche Mindestgehalt an Kupfer für eine Verformung bei Temperaturen von 400—425°C etwa 2%.

Eine Warmverformung erfolgt im allgemeinen im Temperaturbereich 300—500⁰C, vorzugsweise im Bereich 350-475⁰C.

Obgleich die niedrige Diffusionsgeschwindigkeit des Zirkoniums in Aluminium die Warmverformung der gegossenen Legierung durch Walzen oder Strangpressen in beträchtlichem Umfang ohne eine übermäßige Ausscheidung des Zirkoniums aus der übersättigten Lösung erlaubt (die Möglichkeit für die nachfolgende superplastische Verformung beruht ja auf der Anwesenheit von überschüssigem Zirkonium, sollte überflüssiges Erhitzen der Legierung vor der Warmverformung eindeutig vermieden werden. Die Verformung sollte bei Temperaturen unterhalb denjenigen durchgeführt werden, bei denen die Ausscheidung des Zirkoniums rasch erfolgt, d. h. im Bereich 300⁰C bis 500⁰C. Falls erforderlich, kann das Gußmetall ohne Nachteil und zuweilen mit Vorteil für die endgültigen superplastischen Verformungseigenschaften vor der Warmverformung für einige Zeit bei Temperaturen im Bereich 300⁰C bis 400⁰C gehalten werden.

Die warmverformten Gegenstände aus den aushärtbaren Legierungen können zur Entwicklung maximaler Festigkeitseigenschaften ausgehärtet werden, z. B. können die Teile 40 Minuten bsi 535°C lösungsgeglüht, rasch abgeschreckt und danach für 6 Stunden bei 17O⁰C warmausgelagert werden. Andererseits können die Gegenstände, wenn auch mit einigen Einbußen bezüglich ihrer endgültigen Eigenschaften, auch nach der Warmverformung rasch abgeschreckt und danach warmausgelagert werden.

Die Legierungen sind schmelzschweißbar, vorausgesetzt, daß ihr Magnesiumgehalt etwa 0,25% nicht wesentlich übersteigt

Aus hochreinem Aluminium hergestellte Legierungen können chemisch geglänzt und eloxiert oder anderen Arten der dekorativen anodischen Behandlung unterworfen werden. Für anodisches Glänzen soll der Kupfergehalt zweckmäßig ungefähr 2,5% betragen, der Gesamtgehalt an Eisen und Silizium sollte 0,2% nicht überschreiten. Andererseits können die Legierungen zur Verbesserung ihrer Korrosionswiderstandsfähigkeit plattiert

werden, z. B. mit reinem Aluminium.

Infolge ihres superplastischen Verhaltens können die Legierungen durch einige Minuten lange Einwirkung _ von Luftdruck auf die auf eine Temperatur im Bereich 300⁰C bis 500⁰C erhitzte Legierung in komplexe Formen

mit spitzen Winkeln verformt werden.
Es wird auf die nachstehenden spezifischeren Beispiele und Versuche verwiesen.

Beispiel 1

Um den Einfluß des Zirkoniums auf die superplastischen Eigenschaften von AI-6% Cu-Zr-Legierungen zu demonstrieren, wurden, wie in Tabelle B angegeben. Schmelzen mit unterschiedlichen Zirkonium-Gehalten hergestellt und in flache Gußiormen gegossen. Die gegossene Legierung wurde dann bei ungefähr 300⁰C gewalzt, bei 450⁰C geglüht und bei dieser Temperatur gedehnt, um damit einen Verformungsprozeß zu simulieren. Fließwiderstandswerte wurden zur Bestimmung der /η-Werte bei verschiedenen Dehnungsgeschwindigkei-

ten im Bereich 6,7 χ 10-⁵ sec-' bis 2,3 χ 10~² sec-' gemessen, worauf die Proben mit 2,54 mm/min bis zum Bruch gedehnt wurden. Die erhaltenen Ergebnisse werden in Tabelle B aufgeführt.

Tabelle B	Maximaler	% Dehnung
Gesamtgehalt an Zirkonium	m-Wert
(Gew.-%)	0,21	127
0	0,13	88
0,20	0,26	154
0,26	0,40	438
0,33	0,38	612
0,42	0,42	315
0,52

Kriterien für superplastisches Verhalten

>0.30

>200

Der Tabelle B kann entnommen werden, daß für superplastisches Verhalten ein Gesamtgehalt an Zirkonium von mindestens 0,3% erforderlich ist.

Beispiel 2

In einer Reihe von Ausbeulversuchen wurden einige 0,762 mm starke Bleche der Zusammensetzung Al-6% Cu-0,4% Zr bei Temperaturen von 440°C und 455°C mit Hilfe von Druckluft so durch eine offene kreisförmige Form geblasen, daß eine freitragende Ausbeulung gebildet wurde, wie in den Ergebnissen der Tabelle C gezeigt wird.

Tabelle C	Angewandter Druck (N/cm²)	Verhältnis Höhe: Durchmesser der Ausbeulung	Angewandte Zeit (min)
Verformungstemperatur (⁰C)	50 50	0,515 0,515	7,3 3,7
440 455

Tabelle D

Bedingungen

Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur

0,1%-Dehngrenze Zerreißfestigkeit % Dehnung (bei Härte

(MN/m²) (MN/m²) 50 mm) Meßlänge HV

Wie verformt	99	190	16	62
Nach vollständiger Aushärtung;	304	437	12	140
40 min bei 525° C, Abschrecken
inWasser,6Stdbeil70°C

Hieraus kann ersehen werden, daß eine Legierung, hergestellt gemäß der Erfindung derart superplastisch verformt und anschließend ausgehärtet werden kann, daß sie sehr attraktive Festigkeitseigenschaften aufweist Durch Abwandlung des Aushärtungsprogramms können sogar noch höhere Festigkeitswerte bei einem gewissen Rückgang der Dehnung erzielt werden. Die Legierung hat darüber hinaus eine hohe Kriechfestigkeit und eine hohe Dauerfestigkeit

Ein weiterer Vorteil der hier diskutierten Al-Cu-Legierungen liegt darin, daß das superplastische Verhalten nicht auf einen engen Temperaturbereich beschränkt ist Typische Ergebnisse zweier Legierungsgüsse werden in Tabelle E gezeigt

In anderen Versuchen wurden Bleche der Legierung gemäß der Erfindung superplastisch dadurch in komplexe scharfeckige Gebilde verformt, daß das Blech jeweils mit Hilfe von Pressluft in eine Matrize der gewünschten Form getrieben wurde. Bei großen Werkstücken ist der erforderliche Luftdruck geringer: beispielsweise wurden vertiefte Werkstücke mit einer Preßfläche von 18,6 dm² mit so niedrigen Drucken wie 13,8 N/cm² geblasen.

Beispiel 3

In anderen Versuchen wurde eine Legierung der Zusammensetzung Al—6% Cu-0,5% Zr gewalzt und bei 4s 400°C mit einer Geschwindigkeit von 1,27 mm/min urr 200% isotherm verformt. Zugversuche mit den in der Tabelle D gezeigten Ergebnissen wurden an Proben durchgeführt, die von den verformten Legierungen und auch nach vollständiger Aushärtung der verformten Legierungen erhalten worden waren.

Tabelle E

Guß Nr. Zusammensetzung

Verformungs- Maximaler % Dehnung

temperatur m-Wert

Al-6%Cu-0,2%Zr

Al-6% Cu-0,50% Zr

0,45 0,45 0,42

0,41 0,41 0,40

210 300 320

410 300 250

Der Effekt von Titan- oder Chromzusätzen anstelle des Zirkoniums zu einer AI-6% Cu-Legierung ist untersucht worden, jedoch wurde auch mit vielen zehntel Prozent Cr und/oder Ti im Waizmetaii bestenfalls die Grenze des superplastischen Verhaltens erreicht. Es hat daher den Anschein, als ob eine Zusatz, der das Korn des Gußgefüges verfeinert oder das Kornwachstum nach einer Wärmebehandlung zurückdrängt, nicht ausreicht und daß die Bewerkstelligung beider Funktionen durch zwei Zusätze ebenfalls nicht ausreicht, Superplastizität bei Fehlen der feinen sub-optischen Ausscheidung, wie sie mit Zirkonium, nicht jedoch durch Cr und Mn hervorgerufen wird, zu erzeugen.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer nichtaushärtbaren superplastischen Aluminium-Knetlegierung mit 5 bis 10% Magnesium, 0 bis 0,5% Kupfer, mindestens 0,3% Zirkonium, das im wesentlichen in fester Lösung im Mischkristall vorliegt, einem oder mehreren der in Aluminiumlegierungen üblichen Legierungszusätze aus der Gruppe:

0 bis 0,2% Titan,

0 bis 0,05% Bor,

0 bis 0,01% Beryllium,

0 bis 0,2% Chrom,

0 bis 0,5% Germanium,

0 bis 0,25% Cadmium,

0 bis 0,6% Silber,

0 bis 0,6% Blei,

0 bis 0,6% Wismut,

0 bis 0,25% Metalle der Seltenen Erden;

0 bis 0,4% Mangan,

in einer Gesamtmenge bis zu 1,25%, und Aluminium als Rest mit üblichen Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur von mindestens 775° C zur Erzielung einer μπι nicht überschreitenden Zellengröße in der gegossenen Legierung gegossen wird, und die gegossene Legierung bei einer Temperatur plastisch verformt wird, die 550° C nicht übersteigt '-

2. Verfahren zur Herstellung einer nichtaushärtbaren superplastischen Aluminium-Knetlegierung mit 1 bis 15% Zink, 0 bis 0,5% Magnesium, 0 bis 0,5% Kupfer, mindestens 0,3% Zirkonium, das im wesentlichen in fester Lösung im Mischkristall vorliegt, einem oder mehreren der in Aluminiumlegierungen üblichen Legierungsüusätze aus der Gruppe:

0 bis 0,2% Titan,

0 bis 0,05% Bor,

0 bis 0,01% Beryllium,

0 bis 0,2% Chrom,

0 bis 0,5% Germanium,

0 bis 0,25% Cadmium,

0 bis 0,6% Silber,

0 bis 0,6% Blei,

0 bis 0,6% Wismut,

0 bis 0,25% Metalle der Seltenen Erden,

0 bis 0,4% Mangan,

in einer Gesamtmenge bis zu 1,25%, und Aluminium als Rest mit üblichen Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur von mindestens 775° C zur Erzielung einer 30 μπι nicht überschreitenden Zellengröße in der gegossenen Legierung gegossen wird und die gegossene Legierung bei einer Temperatur plastisch verformt wird, die 550° C nicht übersteigt.

3. Verfahren zur Herstellung einer aushärtbaren superplastischen Aluminium-Knetlegierung mit einem oder mehreren der Elemente Kupfer, Magnesium, Zink, Silizium, Lithium und Mangan in bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen üblichen Kombinationen und Mengen, wobei die Gesamtmenge dieser Elemente 10% nicht überschreitet, mindestens 0,3% Zirkonium, das im wesentlichen in fester Lösung im Mischkristall vorliegt, einem oder mehreren der in Aluminiumlegierungen üblichen Legierungszusätze aus der Gruppe:

0 bis 0,2% Titan,

0 bis 0,05% Bor,

0 bis 0,01% Beryllium,

0 bis 0,2⁰/o Chrom,

0 bis 0,5% Germanium,

0 bis 0,25% Cadmium,

0 bis 0,6% Silber,

0 bis 0,6% Blei,

0 bis 0,6% Wismut,

0 bis 0,25% Metalle der Seltenen Erden,

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in einer Gesamtmenge bis 1,25% und Aluminium als Rest mit üblichen Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur von mindestens 775° C zur Erzielung einer 30 μίτι nicht überschreitenden Zeüengröße in der gegossenen Legierung gegossen wird, und die gegossene Legierung bei einer Temperatur plastisch verformt wird, die 550°C nicht übersteigt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur von 825 bis 900° C gegossen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gegossene Werkstoff bei einer Temperatur von 300 bis 500° C plastisch verformt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gegossene Werkstoff bei einer Temperatur von 350 bis 475° C plastisch verformt wird.

7. Verwendung der nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 hergestellten superplastischen Knetlegierung zur Herstellung eines plastisch verformten Ei Zeugnisses, das bei sehr feinkörnigem Gefüge aus gerichteten Körnern mit einem mittleren Durchmesser unter 15 μπι eine 0,2-Grenze von mindestens 231,4 N/mm² und eine Zugfestigkeit von mindestens 308,9 N/mm² aufweist.