DE2311509A1

DE2311509A1 - Schweissbare und verguetbare aluminiumlegierung und verfahren zur herstellung derselben

Info

Publication number: DE2311509A1
Application number: DE19732311509
Authority: DE
Inventors: Aksel Ola Aarflot; Bjarne Alvsaker; Fred Rudi; Gunnar Birger Soerensen
Original assignee: Ardal og Sunndal Verk AS
Current assignee: Ardal og Sunndal Verk AS
Priority date: 1972-03-10
Filing date: 1973-03-08
Publication date: 1973-09-13
Also published as: IN138730B; JPS491418A; IS2144A7; NO131035B; ES412459A1; US3852122A; AU5298773A; AT327573B; FR2175850B3; IT980423B; ATA210273A; CH598355A5; SE396774B; FR2175850A1; CA992358A; GB1419691A; NO131035C; NL7303409A; AU474737B2; BR7301720D0

Description

Dipl.-Ing. H. MITSCHERLICH D-B MÖNCHEN 22

Oipl.-In«. K. GUNSCHMANN SteinsdorfstraBe 10

Dr. rer. „at. W. KÖRBER » ■»* ·»«« DIPL-I^J-SCHMIDt-EVERS PATENTANWÄLTE *'^

K/ETe

/§ Ardal og ßunndal Yerk 2311509

S/rkedalsveien 6,
Oslo 5 / Norwegen

Patentanmeldung

Schweissbare und vergütbare Aluminiumlegierung und Ver fahren ζην Herstellung derselben

Die Erfindung betrifft eine schweissbare und vergütbare Aluminiumlegierung, die durch ein feinkörniges Gussgefüge und eine gleichmässige submikroskopische Dispersion von Zirkoniumaluminid-Präzipidaten gekennzeichnet ist, welche-zur Herstellung von Stossfängern und anderen Ausrüstungen für Privatkraftwagen und Nutz fahrzeuge geeignet ist. Sie ist ferner gut geeignet für Bauanhänger, Busse, Eisenbahnbetriebsmittel, sowie für allgemeinere Einrichtungen wie Maste, Pfeiler und Brücken. Sie ist weiterhin geeignet zur Herstellung von Einrichtungen für die Herstellung, Lagerung und den Transport von kondensierten Gasen bei Temperaturen herunter bis -270° C.

Die erfindungsgemässe Legierung enthält 4-, 5 bis 5>8 % Zink, 1,0 bis 1,8 % Magnesium, 0,10 bis 0,30 % Zirkonium, 0 bis 0,30 % Eisen, 0 bis 0,15 % Silicium, 0 bis 0,25 % Mangan und weniger als 0,05 % irgendeines anderen Elements, wobei die Summe dieser anderen Elemente nicht über 0,15 % liegt, Eest Aluminium.

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Aluminium-Zink-Magnesiim-Legierungen sind bekannt mit einer grossen Zahl von Variationen in ihrer Zusammensetzung, In einigen seit 1960 entwickelten Legierungen wird zusätzlich zu oder anstelle von Chrom Zirkonium zur Kornverfeinerung und Verhinderung der fiekristallisation verwendet. Der Zirkongehalt in "beispielsweise "AA 7005" beträgt 0,06 bis 0,20 % und in ^l!Unidur"-100 0 bis 0,20 %.

Das charakteristische Merkmal der erfindungsgemässen Legierung ist darin zu sehen, dass sie metastabile Präzipitate von Zirköniumaluminid enthält, das gleichaiässig in einer Menge

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grosser als 10 pro nmr und mit einer Teilchengrösse von weniger als 2000 Angstrom verteilt ist.

Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemässen Legierung. Das. Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass das Zirkonium zu der Schmelze .gegeben wird, welche aus den übrigen Bestandteilen der Legierung besteht, und zwar in i'orm einer Vorlegierung, welche im wesentlichen aus Aluminium und Zirkonium besteht, bei einer Temperatur über 720 bis 760° C in Abhängigkeit von Zirkoniumgehalt und in solchen Mengen, dass die JPertigschmelze. 0,10 bis 0,30 % Zirkonium enthält. Die Schmelze wird bei dieser Temperatur wenigstens JO Minuten gehalten, wobei Argon oder ein anderes inertes Gas durchgeblasen wird. Die Schmelze wird dann auf 710 bis 720° unter weiterem Durehleiten dieses Gases gekühlt, dann auf dieser Temperatur etwa 10 Minuten ohne Zugabe von Gas gehalten, worauf die Schmelze gegossen und homogenisiert wird, um metastabile Präzipitate von Zirköniumaluminid zu erhalten.

Die Verwendung von üblichen Aluminiumlegierungen für Motorfahrzeugbestandteile ist insbesondere auf Produkte wie !Fensterrahmen und dekorative Teile begrenzt, während sie eine geringe, oder keine Verwendung für Teile haben, welche grösseren Belastungen» z. B. StÖssen, ausgesetzt werden.

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Andererseits sind Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen in einem grösseren Ausmasse für Bautransportmaterial verwendet wie Eisenbahnwagen, Anhänger, Kippwagen und dgl. Die jetzt in immermehr steigendem Umfange verwendeten Legierungen sind

schweissbar und haben eine Streckgrenze von etwa 19 kp/mm , wenn das Material natürlich nach dem Schweissen vergütet ist ("AA 7005" Basismaterial mit "AA 5180"bchweissdraht).

Aluminiumlegierungen werden auch in Einrichtungen zum Transport von kondensierten Gasen bei Temperaturen herunter bis -270° C verwendet. Die hauptsächlich hierfür verwendeten Legierungen bestehen aus Aluminium-Magnesium-Mangan mit 3 bis \, % Magnesium und O bis 1 % Mangan, hauptsächlich "^Ν'£ 17215" (AA 5083). Dieser Legierungstyp besitzt nach dem Schweissen

eine Streckgrenze von 12 kp/mm und ist nicht hitzevergütbar. Neuerdings ist vorgeschlagen, eine Aluminium-Zink-Magnesiumlegierung zu verwenden, welche 4- % Zink, 2,8 % Magnesium, 0,25 % Mangan und 0,20 % Chrom enthält (AA 7039).

Erfindungsgemässe Legierungen können ausser den bereits erwähnten Zwecken auch zur Herstellung von Strassenmetallg-egenständen, Werkzeugen, Masten, Pylonen und Aufzügen, Maschinen- und Baueinrichtungen sowie Sportgeräten verwendet werden.

Zweck der Zugabe von kleinen Mengen an Zirkonium ist:

a) Sine feinkörnige Gusstruktur;

b) Stabilisation mittels einer hohen Unterkomkonzentration;

c) höhere mechanische Festigkeit;

d) verringerte Empfindlichkeit gegen Wärmerisse zu erreichen.

Bekanntlich hat Zirkonium eine positive Wirkung auf die im obigen genannten Eigenschaften, auch ist bekannt, dass ein höherer Widerstand gegen Rekristallisation insbesondere die Belastungseigenschaften gegen Korrosion verbessert. Beim Schmelzpunkt ist die Löslichkeit von Zirkonium in Aluminium mit 0,11 % in der Schmelzphase und 0,24 % in der festen Phase

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festgestellt. Die Löslichkeit nimmt mit fallender Temperatur bis auf 0,05 % bei 5OÖ⁰ C ab. Wie bereits erwähnt, wer den Zirkonium-Konzentrationen im Bereich von O bis 0,20 % verwendet.

Es wurde gefunden., dass die Konzentration von Zirkonium kritisch ist, um verschiedene der im obigen genannten Eigenschaften zu erreichen. Unter anderem ist ein Zirkoniumgehalt von 0,05 % nicht ausreichend, um eine optimale feinkörnige Gusstruktur zu erreichen. Weiterhin nimmt der Widerstand gegen fiekristallisation; ab und die Unterkorngrenzen sind weniger stabil mit abnehmender Zirkoniumkonzentration, wodurch weniger Zirkoniuma'-luminid-Präzipitate gebildet werden.

Legierungen, welche Chrom und auch Eisen in Mengen über 0,20 % enthalten, neigen zu Abblätterungskorrosion im natürlich behandelten Zustand. Der Ghromgehalt der erfindungsgemässen Legierung soll 0,05 °/° nicht überschreiten. Dies bewirkt eine gleichmässigere Dispersion von Zirkoniumalumini den, einen verbesserten Widerstand gegen Korrosion und. geringere Empfindlichkeit gegen Abschrecken.

Ein Ziel der Erfindung ist, durch geeignete Durchführung des bchmelzvorgangs und des Giessehs eine feinkörnige Gussstruktur und eine ausreichende Übersättigung des Zirkoniums sicherzustellen, um bei der folgenden Hitzebehandlung bei 45O bis 560° in Abhängigkeit von Zirkoniumgehalt die Bildung von feindispergiertenmetastabilen Präzipitaten von Zirkoniumalumini den zu bewirken. Diese Präzipitate stabilisieren das Korn und Uiiterkorngrenzen (sub-grain boundaries) und tragen zur Verbesserung einer Heihe von Eigenschaften bei.

Ein anderes Ziel der Erfindung besteht darin, eine hitzevergütbare Aluminiumlegierung herzustellen, welche dehnbar ist, leicht geformt werden kann und welche den Eigenschaften entspricht, die zur Verwendung in ötossfängern und ähnlichen

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Teilen von Motorfahrzeugen erforderlich sind, bei denen die Anforderungen an mechanische festigkeit besonders hoch sind.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, eine schweissbare und hitzevergütbare Aluminiumlegierung von höherer mechanischer festigkeit nach dem Schweissen gegenüber anderen Aluminiumlegierungen zu schaffen, mit denen Belastungsstrukturen bei Transportmaterial und allgemein bei Masten, Pylonen und kleineren Brückenkonstruktionen hergestellt werden können.

ßchliesslich ist ein Zweck der Erfindung, eine schweissbare und hitzevergütbare Aluminiumlegierung von höherer mechanischer Festigkeit, insbesondere nach dem Schweissen herzustellen zur Verwendung in Einrichtungen für die Herstellung, Lagerung und den Transport von kondensierten G-asen bei Temperaturen herunter bis -270° C.

Alle diese Vorteile lassen sich mit der erfindungsgemässen Legierung erzielen.

Das folgende Beispiel soll die Herstellung der erfindungsgemässen Legierung näher erläutern.

Beispiel

Um eine ausreichende Eornverfeinerung und Supersaturation mit Zirkonium zu erreichen, muss die Behandlung der Schmelze und das Gaessen folgendermassen durchgeführt werden:

Die Legierungsbestandteile Zink und Magnesium werden zu der Aluminiumschmelze auf übliche Weise zugegeben. Die Schmelze wird auf eine Temperatur über 720° erhitzt, sodann Zirkonium in einer Menge von 0,10 bis 0,30%in Form einer sogenannten Vorlegierung (master alloy) zugegeben, welche im wesentlichen aus Aluminium und Zirkonium besteht. Um eine

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vollständige Verteilung des Zirkoniums in der Schmelze sicherzustellen, wird diese wenigstens 30 Minuten lang bei einer Temperatur von wenigstens 720° G gehalten. Die Temperatur wird dann auf etwa 710 "bis 720 0 erniedrigt, wobei Argon durch die Schmelze gespült wird, um eine gute Durchmischung zu erreichen. Anstelle von Argon kann irgendein anderes inertes G-as verwendet werden.,

Die Schmelze wird dann 10 Minuten lang ohne Durchspülung mit Argon stehengelassen, damit sich grobe Zirkoniumteilchen absetzen können. Bei einer kontinuierlichen Durchführung des Gdessens soll die Temperatur der Schmelze im Ofen etwa bei 720° C liegen und im Hafen bei etwa 700° G.

Nach dem Guss und dem Kühlen muss das Material bei einer Temperatur zwischen 450 und 5&0° C, z. B. während 8 Stunden bei 4-80° C oder während 5 Stunden bei 550° C vergütet werden, um eine gleichmässige Verteilung von metastabilen Präzipitaten von Zirkoniumaluminid zu erreichen. Dies kann gleichzeitig mit dem Homogenisieren erfolgen.

Die Legierung ist unmittelbar nach dem Kühlen von gepressten Formen oder nach einer separaten Lösungshitzevergütung ausreichend dehnbar für die Walzenverformung von Stossvorrichtungen für Personenkraftwagen und Kutzfahrzeugen. Bei der folgenden Lagerung bei Raumtemperatur härtet die Legierung normal aus und erreicht eine mechanische Härte, welche den Anforderungen entspricht, die für Stosseinrichtungen von Motorfahrzeugen erforderlich sind.

Die erfindungsgemässe Legierung ist sehr geeignet für Lasten tragende Konstruktionen von Transportmaterial und andere allgemeinen Einrichtungen. Die Grundlegierung besitzt im natürlich behandelten Zustand eine Dehnfestigkeit (tensile strength)

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von 38 kp/mm bis 40 kp/mm und eine Streckgrenze von

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25 kp/mm bis 30 kp/mm . Im künstlich behandelten (aged) Zustand beträgt die Dehnfestigkeit 40 bis 58 kp/mm und die

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Streckgrenze 38 bis 55 kp/mm <

Nach dem Schweissen beträgt die Dehnfestigkeit im natürlich

ο behandelten Zustand der Legierung 3° bis 35 kp/mm und die Streckgrenze 25 bis 30 kp/mm .

Nach dem Schweissen beträgt die Dehnfestigkeit im künstlich

ο vergüteten Zustand der Legierung 33 bis 40 kp/mm und die

Streckgrenze y\ bis 40 kp/mm .

Die erfindungsgemässe Legierung ist, wie bereits erwähnt, sehr geeignet zur Verwendung für Einrichtungen für die Herstellung, Lagerung und den Transport von kondensierten G-asen bei Temperaturen herunter bis -270° C. Mit fallenden Temperaturen nimmt die mechanische Härte zu, ohne dass die Dehnbarkeit zerstört wird.

folgende Vorteile werden mit der erfindungsgemässen Legierung erreicht:

a) Bei Zugabe \^rin 0,10 bis 0,30 % Zirkonium zur Schmelze wird eine ausreichende Übersättigung mit Zirkonium erreicht, so dass das G-ussmaterial eine feinkörnige Struktur erhält, welche das Auspressen der Legierung verbessert. Der Pressdruck kann verringert und/oder die Pressgeschwindigkeit erhöht werden. Die fein-dispergierten Zirkoniumaluminid-Prüzipitate stabilisieren die Subkornstruktur und erhöhen den Widerstand gegen Rekristallisation. Auf diese Weise wird eine höhere mechanische Härte, verbesserte Dehnbarkeit und geringere Wahrscheinlichkeit eines Hitzebruchs beim Sehweissen erreicht;

b) Im Zustand der Lösungsvergütung (solution heat-treated state) ist die Legierung ausreichend dehnbar zur Walzenverformung, ihre hohe mechanische Härte ist nach der naatürlichen künstlichen Behandlung (ageing) wieder erreicht;

c) Gute üchweisseigenschaften der Legierung und insbesondere gute mechanische Eigenschaften können nach dem Schweissen

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durch ansclilie ssen des natürliches oder künstliches Altern (ageing) erhalten werden;

d) Beträchtliche Einsparungen an Material und Gewicht "bei geschweissten Gegenständen und Einrichtungen, die bei Temperaturen "bis herunter zu -270° C benutzt werden.

Patentansprüche:

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Claims

Patentansprüche

Schweissbare und hitzevergütbare Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie 4,5 his 5»8 % Zink, 1,0 his 1,8 % Magnesium, 0,10 bis 0,50 % Zirkonium, O his 0,30 % Eisen, O his 0,15 % Silicium, O his 0,25 % Mangan, weniger als 0,05 % eines anderen Elementes, wobei die Summe dieser anderen Elemente 0,15 % nicht überschreitet, und liest Aluminium enthält, wobei die Legierung metastabile Präzipitate von Zirkoniumaluminid gleichmässig verteilt in einer Menge grosser als 10 /mm-⁵ bei einer Teilchengrösse unter 2000 Angström enthält.

Verfahren zur Herstellung der· Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Zirkonium zu der Schmelze, welche die übrigen Bestandteile der Legierung enthält, in Form einer Vorlegierung oder Meisterlegierung (master alloy) zugegeben wird, welche im wesentlichen aus Aluminium und Zirkonium besteht, bei einer 720 bis 760° überschreitenden (Temperatur, in Abhängigkeit vom Zirkoniumgehalt und in solchen Mengen, dass die fertige Schmelze 0,10 bis 0,30 % Zirkonium enthält, und dass die Schmelze bei dieser temperatur wenigstens 30 Minuten unter Durchleiten von Argon oder einem anderen inerten Gas gehalten wird, worauf die Schmelze auf 71O bis 720° C unter weiterem Durchblasen mit dem gleichen inerten Gas gekühlt wird, dass anschliessend die Schmelze bei dieser Temperatur etwa 10 Minuten ohne weiteres Gasdurchleiten gehalten wird, worauf die Schmelze gegossen und homogenisiert wird, um metastabile Präzipitate von Zirkoniumaluminid zu erhalten.

Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze nach dem Giessen bei einer Temperatur zwischen 400 und 55O⁰ G homogenisiert wird.

Der

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