DE2507132C2 - Aluminium-Zink-Magnesium-Legierung - Google Patents
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Description
liegt,
aus 0,5 bis 1,5% Kupfer, 0,05 bis 0,5% Chrom, 0,05 bis 0,5% Titan, 0,05 bis 0,3% Antimon sowie aus einem
'S oder beiden der Elemente 0,05 bis 0,2% Cer und 0,05 bis 0,3% Zirkonium und Aluminium als Rest besteht.
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie zusätzlich 0,005 bis 0,3% Beryllium
enthält.
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewichtsverhältnis der Gehalte an
Zink und Magnesium etwa 1 beträgt.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Aluminium-Zink-Magnesium-Legierung der im Oberbegriff des Patentan-Spruchs 1 vorausgesetzten Art. Sie soll für Gußteile, wie z. B. Flügel eines Kompressors, Gebläses od. dgl.,
Kraftübertragungsstangen oder Waffen, die großer Belastung ausgesetzt sind, oder Öldruckzylinder, die hohem
Druck ausgesetzt sind, verwendbar sein.
Es ist bekannt, daß Alumlnlunilegieningen für die verschiedensten Gußteile yerwendet werden, jedoch führte
neuerdings höhere Geschwindigkeit oder höherer Druck zu einem Bedarf an Aluminiumlegierungen mit höherer
Ji mechanischer Festigkeit.
Zum Beispiel sind bei einem Werkstoff für Flügel eines Kompressors oder Gebläses mechanische Eigenschaften, wie etwa eine Zugfestigkeit von wenigstens 400 N/mm2 und eine Dehnung von wenigstens 5% erforderlich,
und gleichzeitig 1st eine verbesserte Gießbarkelt erwünscht. Außerdem werden ähnlich bei einem Werkstoff für
KraftübertragengsstangeK oder Waffen oder Öldruckzylinder gute mechanische Eigenschaften bei verringerten
Ji Gießfehlern benötigt.
Als Werkstoffe für solche oben . /Wähnte Teile wurden bisher vielfach Al-Sl-Mg-Leglerungen (z. B. die Typen
AC4A, AC4C, A355 usw.) verwendet, die eine relativ gute Gießbarkeit aufweisen.
Jedoch betrugen bisher die Zugfestigkeit und die Dehnung dieser Al-Si-Mg-Leglerungen nach der Wärmebehandlung (LösungsglOhen-Auslagern) nur etwa 320 N/mm2 bzw. etwa 5%.
4n Welter sind als Legierungen mit besseren mechanischen Eigenschaften als denen dieser Al-Sl-Mg-Leglerungen Al-Zn-Mg-Legierungen oder Al-Cu-Mg-Leglerangen bekannt, doch weisen diese Legierungen allgemein
eine schlechte Gießbarkelt auf, entwickeln Warmrisse beim Gießen und enthalten außerdem oft Schrumpfhohlräume oder Mikroporositäten Infolge geringerer Fluldltät.
Andererseits wurde In der japanischen Patentveröftentllchung Nr. 4 168/74 eine In vieler Hinsicht verbesserte
•»5 Al-Zn-Mg-Legierung angegeben, die eine Zugfestigkeit von wenigstens 500 N/mm2 aufweist, deren Dehnung
jedoch nur 3% oder weniger beträgt. Daher Ist auch sie als Werkstoff für die erwähnten Kompressor- oder
Gebläseflügel nicht verwendbar.
Aus der DE-PS 1 41 190 Ist eine AIumlnlum-Zink-Magneslum-Legierung mit etwa gleichen Anteilen an
Magnesium und Zink zwischen je 3 bis 5% bekannt, aus der porenfreie Gußstücke mit besonders guter Festlg-5" kelt und Verarbeltbarkelt erhältlich sind.
Etwa gleiche Zusatzmengen von Magnesium und Zink enthalten auch Aluminiumgußlegierungen nach der
DE-PS 7 63 758, die aus je 4,5 bis 7% Magnesium und Zink, 0,1 bis 1% Kupfer, insgesamt 0,1 bis 2% Chrom
und/oder Titan und/oder Beryllium sowie Insgesamt über 1 bis 3% Antimon und/oder Zinn und/oder Wismut
und/oder Cadmium, Rest Aluminium bestehen können.
Aus dem Buch »Aluminum« von Kent R. Van Horn, Vol. I, 1967, S. 301 ist es bekannt, allgemein AIumlnlumgußleglerungen 0,05 bis 0,2% Titan und/oder eine etwas größere Menge Zirkonium zur Komfeinung
zulusetzen.
Welter Ist aus der FR-PS 8 67 770 eine Alumlnlum-Zink-Magneslum-Leglerung mit 2 bis 8% Zink, 1,5 bis 4%
Kupfer, 1,5 bis 5% Magnesium, 0.25 bis 1,5% Chrom, ggf. Beryllium oder Titan, Rest Aluminium bekannt, die
«' eine Zugfestigkeit bis zu 600 N/mm2 aufweist.
Schließlich Ist aus der GB-PS 5 98 192 eine Alumlnlum-Zink-Magnesium-Leglerung der Im Oberbegriff des
Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art bekannt, die aus 4 bis 15% Zink, 0,5 bis 3,5% Magnesium, 0,25 bis 3%
Kupfer, bis 0,75% Chrom, 0,05 bis 0,3% Titan sowie 0,05 bis 0,3% Cer und/oder 0,05 bis 0,3% Zirkonium und
Aluminium als Rest besteht. Zugfestigkeitswerte sind nicht angegeben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, gießbare Alumlnlum-Zlnk-Magneslum-Leglerungen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 vorausgesetzten Art zu entwickeln, die verbesserte mechanische Eigenschaften,
und zwar eine Zugfestigkeit von wenigstens 400 N/mni2 und eine Dehnung von wenigstens 5%, und gleichzeitig
eine ausgezeichnete Gießbarkeit, die derjenigen der Alumlnlum-Slllzlum-Magneslum-Legierungen gleich oder
überlegen ist, sowie Warmri3freiheit aufweisen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Figur der Zeichnung veranschaulicht graphisch das Verhältnis zwischen dem Zinkgehalt und dem
Magnesiumgehalt in der erfindungsgemäßen Legierung.
Es wurden zahlreiche Versuche unter Variation des Gehalts jedes der Elemente der Al-Zn-Mg-Legierung
durchgeführt, um das erfindungsgemäße Ziel zu erreichen. Als Ergebnis wurde gefunden, daß eine Legierung
mit niedrigerem Zinkgebalt und höherem Magnesiumgehalt Im Vergleich mit bisherigen Legierungen in den
beanspruchten Bereichen, und zwar bei einem Gewichtsverhältnis Zn/Mg von etwa 1, wenn diese Legierung
noch 0,5 bis i,i Gew.^6 Kupfer, 0,05 bis 0,5 Gew.-» Chrom und 0,05 bis 0,5 Gew.-* Titan enthält, gute mechanische
Eigenschaften aufweist, keine Warmrisse zeigt und eine verbesserte Fluidität hat, und welter wurde festgestellt,
daß der Zusatz von 0,05 bis 0,3 Gew.-» Antimon sowie 0,05 bis 0,2 Gew.-» Cer und/oder 0,05 bis
0,3 Gew.-» Zirkonium zu diesen Legierungen eine höhere Zugfestigkeit ergibt.
Der ZusammensetzunEsbereich für die einzelnen Elemente ist aus folgenden Gründen beschränkt:
:s Zn und Mg (der schraffierte Bereich im Diagramm)
Zink und Magnesium sind für die Festigkeitssteigerung wesentlich.
Falls der Zinkgehalt weniger als 2,0 Gew.-» und gleichzeitig der Magnesiumgehalt weniger als 4,0 Gew.-%
oder der Zinkgehalt weniger als 3,0 Gew.-» und gleichzeitig der Magnesiumgehalt weniger als 3,0 Gew.-»
beträgt, wird die Festigkeit ungenügend (die Zugfestigkeit kann unter 300 N/mm2 abfallen). Vvils der Zinkgehalt
nicht weniger als 5,0 Gew.-» und gleichzeitig der Magnesiumgehait nicht weniger als 5,5 Gew -% oder der
Zinkgehalt nicht weniger als 6,0 Gew.-* und gleichzeitig der Magnesiumgehalt nicht weniger als 4,5 Gew.-*
beträgt, wird die Festigkeit nicht wirksam gesteigert, und die Dehnung sinkt nach und nach. Die Zusammensetzungen
innerhalb des schraffierten Bereichs, der von vier Linien begrenzt wird, die die Punkte (Zn 2,0%, Mg
4,0») und (Zn 3,0», Mg 3,0»), die Punkte (Zn 3,0», Mg 3,0»), und Zn 6,0», Mg 4,5»), die Punkte (Zn 6,0»,
Mg 4,5») und (Zn 5,0», Mg 5,5») und die Punkte (Zn 5,0», Mg 5,5») und (Zn 2,0», Mg 4,0») im Diagramm
verbinden, können einwandfreie Gußstücke ohne Auftreten von Warmrissen liefern. Dagegen führten nach
Versuchsergebnissen die Zusammensetzungen außerhalb des schraffierten Bereiches, d. h. mit höherem Zinkgehalt
und höherem Magnesiumgehalt, zu fehlerhaften Gußstücken mit Warmrissen und geringerer Fluidität. Aus ^o
dem oben erwähnten Grund sind der Zinkgehalt und der Magnesiumgehalt auf die Bereiche von 2,0 bis 6,0%
bzw. 3,0 bis 5,5» und dabei auf den im Diagramm dargestellten schraffierten Bereich beschränkt.
Cu (0,5 bis 1,5»)
Kupfer ruft eine Erhöhung der Festigkeit und Dehnung hervor, wenn der Zinkgehalt und der Magnesiumgehalt
in dem erwähnten Bereich liegen, doch wird die Festigkeit nicht verbessert, und die Dehnung sinkt, wenn
der Kupfergehalt unter 0,5« liegt oder 1,5» übersteigt. Daher soll der Kupfergehalt Im Bereich von 0,5 bis 1,5»
liegen.
Cr (0,05 bis 0,5»)
Chrom bewirkt eine feine Unterteilung der Kristalle und einen Anstieg der Festigkeit und der Dehnung, doch
erhält man diese Vorteile nicht bei einem Chromgehalt unter 0,05%, und die Festigkeit wird nicht v.'lrksam
gesteigert sowie die Dehnung sinkt, wenn der Chromgehalt über 0,5% liegt. Daher ist der Chromgehalt auf den -*s
Bereich von 0,05 bis 0,5» beschränkt.
TI (0,05 bis 0,5»)
Titan verursacht ebenfalls eine feine Unterteilung der Kristalle und einen Anstieg der Festigkeit und der ™
Dehnung, doch treten diese Vorteile bei einem Titangehalt unter 0,05» nicht auf, und bei einem Titangehalt
über 0,5» sinken sowohl die Festigkeit als auch die Dehnung. Daher wird der Titangehalt auf den Bereich von
0,05 bis 0,5» beschränkt.
Sb (0,05 bis 0,3%) «
Antimon vermag die Festigkeit und Dehnung zu steigern, doch wird kein solcher Anstieg erzielt, wenn der
Antimongehalt unter 0,05» liegt, und die Bildung von Warmrissen wird bei einem Antimongehalt über 0,3%
gefördert. Daher Ist der Antimongehalt auf den Bereich von 0,05 bis 0,3% beschränkt.
Ce (0,05 bis 0,2%)
Cer bewirkt eine Dehnungssteigerung, jedoch ergibt sich dieser Vorteil kaum bei einem Cer-Gehalt unter
0,05% und Ober 0,2%. Daher ist der fakultative Cer-Gehalt auf den Bereich von 0,05 bis 0,2% beschränkt.
Zr (0,05 bis 0,3%)
Zirkonium ruft eine Steigerung der Festigkeit und der Dehnung hervor, doch treten diese Vorteile nicht wlrk-
sam auf, wenn der Zirkonlumgehalt unter 0,05% liegt, und man erhält auch keine Verbesserung der Festigkeit
und der Dehnung bei einem Zirkonlumgehalt über 0,2%. Daher wird der mögliche Zirkonlumgehalt auf den
Bereich von 0,05 bis 0,3% beschränkt.
Die Alumlnlumieglerungen mit den In der Tabelle I angegebenen Zusammensetzungen wurden In Graphlttlegeln geschmolzen, die Schmelzen auf einer Temperatur von 720° C gehalten und dann In JlS-Probeformen
gegossen, die auf eine Temperatur von 150° C vorerhitzt waren. Aus diesen Gußstücken wurden Probestücke
entnommen. Man überprüfte die Probestücke Im Gußzustand und nach einer Wärmebehandlung auf Ihre Zugfestigkeit, Dehnung und Härte. Die Ergebnisse sind In der Tabelle 2 zusammengestellt.
Die Wärmebehandlung dieser Probestücke wurde durchgeführt. Indem man sie 16 Stunden auf einer Temperatur von 500° C hielt, sie In Wasser einer Temperatur von 70° C abkühlte und sie anschließend 16 Stunden
zwecks Auslagerung auf einer Temperatur von 160° C hielt.
Welter wurden Einschnürungsprobestucke von 58 mm Außendurchmesser, 38 mm Innendurchmesser und
15 mm Höhe aus den in der Tabelle I angegebenen Legierungen hergestellt. Diese Probestücke wurden auf
Warmrisse untersucht. Die Ergebnisse sind In der Tabelle 2 angegeben. Die Warmrisse sind als Länge der beim
Gießen der Probestücke erzeugten Risse In mm angegeben.
Die Legierungen Nr. 1 bis 7 und 11 In den Tabellen 1 und 2 stellen bekannte Al-Zn-Mg-Leglerungen, Nr. 8
bis iü Verglelchsleglerungen und Nr. Yl und Ij Alumlnlumieglerungen gemäß der Erfindung dar.
Nr. | Chemische Zusammensetzungen (%) | Mg | Cu | Ti | Mechanische Eigenschaften | Dehnung | Härte | Cr Sb | Ce | wärmebehandelt | Dehnung | Zr | Al |
Zn | 3,0 | 0,1 | 0,2 | Gußzustand | (%) | (BHN) | _ _ | _ | Zugfestigkeit | (%) | _ | Rest | |
1 | 3,0 | 4,0 | 0,1 | 0,2 | Zugfestigkeit | 10,8 | 88 | 0,2 | - | (N/mm2) | 15,0 | - | Rest |
2 | 2,0 | 2,0 | 0,1 | 0,2 | (N/mm') | 13,0 | 90 | 0,2 | - | 345 | 24,0 | - | Rest |
3 | 4,0 | 5,0 | - | 0,2 | 288 | 18,0 | 92 | - | - | 350 | 11,0 | - | Rest |
4 | 5,0 | 1,4 | - | 0,2 | 278 | 2,4 | 110 | 0,2 | - | 355 | 0,6 | - | Rest |
5 | 4,5 | 0,8 | - | 0,2 | 265 | 21,0 | 86 | 0,2 | - | 230 | 13,7 | - | Rest |
6 | 6,5 | 0,8 | 1,0 | 0,2 | 200 | 20,2 | 83 | 0,2 | - | 358 | 13,5 | - | Rest |
7 | 6,5 | 3-0 | 0,5 | 0J2 | 265 | 7,0 | 90 | 0.2 | - | 346 | 8,5 | - | Rest |
g | -3,0 | 4,0 | 1,0 | 0,2 | 255 | 6,8 | 98 | 0,2 | - | 395 | 9,4 | - | Rest |
9 | 2,0 | 4,0 | 1,0 | 0,2 | 256 | 14,0 | 105 | 0,2 | - | 400 | 13,0 | - | Rest |
10 | 4,0 | 5,0 | 1,0 | 0,2 | 300 | 3,0 | 120 | 0,2 | - | 434 | 7,2 | - | Rest |
11 | 5,0 | 4,0 | 1,3 | 0,2 | 312 | 0,2 0,05 | 0,05 | 545 | 0,05 | Rest | |||
12 | 4,0 | 4,0 | 1,0 | 0,2 | 382 | 0,2 0,2 | 0,2 | 0,2 | Rest | ||||
13 | 4,0 | ||||||||||||
Tabelle 2 | Wärme | ||||||||||||
Nr. | risse | ||||||||||||
Härte | |||||||||||||
(BHN) | (mm) | ||||||||||||
108 | 0 | ||||||||||||
1 | 110 | 2 | |||||||||||
2 | 109 | 5 | |||||||||||
3 | 138 | 2 | |||||||||||
4 | 122 | 3 | |||||||||||
5 | 118 | 10 | |||||||||||
5 | 125 | 15 | |||||||||||
7 | 110 | 0 | |||||||||||
8 | 143 | 0 | |||||||||||
9 | 165 | 0 | |||||||||||
10 |
Mechanische | Eigenschaften | 25 | 07 132 | Dehnung | Härte | Wä'rme- | |
GuQzustand | (%) | (BHN) | risse | ||||
Fortsetzung | Zugfestigkeit | Dehnung | 5,6 | 167 | |||
Nr. | (N/mm!) | (%) | 7,0 | 165 | (mm) | ||
342 | 13,0 | Härte | 6.8 | 162 | 0 | ||
378 | 2,4 | (BHN) | 0 | ||||
388 | 2.5 | 125 | wärmebehandelt | 0 | |||
11 | 125 | Zugfestigkeit | |||||
12 | 129 | (N/mm1) | |||||
13 | 552 | ||||||
556 | |||||||
561 |
Die Tabelle 2 zeigt, daB die bekannten Al-Zn-Mg-Leglerungen Nr. 1 bis 7 sowohl Im Gußzustand als auch Im
wärmebehandelten Zustand mit Ausnahme der Legierung Nr. 4 eine Dehnung über 5%, jedoch eine niedrige
Zugfestigkeit von unterhalb 400 N/mm2 aufweisen und eine ausgeprägte Tendenz zur Bildung von Warmrissen
beim Gießen auftritt. Welter hat die bekannte Legierung Nr. 7 zwar recht gute mechanische Eigenschaften, wie
z. B. eine Zugfestigkeit von 395 N/mm2 und eine Dehnung von 8,5% nach der Wärmebehandlung, zeigt jedoch
eine große Zahl von Warmrissen nach dem Gießen.
Wie oben erwähnt, !s! keine der bekennten AJ-Zn—Mg-Lcgicn.ingBn ?\\r Verwendung f'V Flügel eines
Kompressors, Gebläse od. dgl., Kraftübertragungsstangen oder Waffen oder Öldruckzylinder geeignet.
Dagegen wurde gefunden, daß die Legierungen Nr. 12 und 13 gemäß der Erfindung gute mechanische Eigenschaften, wie z. B. eine Zugfestigkeit von 556 N/mm2 und mehr sowie eine Dehnung von 6,8* und mehr
aufweisen. Außerdem wurde festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Legierungen keine Warmrisse, sondern
eine gute Gleßbarkeil aufweisen und daß der Zusatz von Antimon sowie Cer und/oder Zirkonium eine weitere
Verbesserung der Festigkeit herbeiführt.
Es versteht sich daher, daß diese Alumlnlumleglerungen zur Verwendung für Flügel eines Kompressors,
Gebläses od. dgl., Kraftübertragungsstangen oder Waffen oder Öldruckzylinder geeignet sind.
Welter wurde gefunden, daß sich die besten Eigenschaften, Insbesondere höchste Festigkelten, durch Zusammensetzungen erhalten lassen, die gewichtsmäßig 3,0 bis 4,0% Zink und 3,0 bis 4,0% Magnesium enthalten,
wobei das Verhältnis Zink/Magnesium nahe 1,0 (Im Bereich von 0,9 bis 1,1) liegt und die Legierung 0,8 bis
1,0·. Kupfer, 0,2% Chrom, 0,2% Titan, 0,2% Antimon sowie 0,1 bis 0,2% Cer und/oder 0,2% Zirkonium, Rest
Aluminium und unvermeidliche Verunreinigungen enthält.
Man kann In Weiterbildung der Erfindung den genannten Legierungen noch Beryllium In geringen Mengen
(0,005 bis 0,3%) zusetzen, um eine Oxidation dieser Legierungen zu verhindern. Dabei hat Beryllium keine
nachteiligen Wirkungen auf die Eigenschaften der Legierungen, sondern trägt eher noch zu einer Felnuntertellung der Kristalle in den Legierungen und zur Erhöhung der Festigkeit und der Dehnung der Legierungen bei.
Claims (1)
1. Gießbare, feste Alumlnlum-Zink-Magnesium-Legierung mit Gehalten an Kupfer, Chrom, Titan und
einem oder beiden der Elemente Cer und Zirkonium, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 2,0 bis
s 6,0% Zink, 3,0 bis 5,5% Magnesium, wobei der Zink- und Magnesiumgehalt innerhalb eines Vierecks mit den
Eckpunkten
(2% Zink, 4% Magnesium),
(3% Zink, 3% Magnesium),
(6% Zink, 4,5% Magnesium),
(5% Zink, 5,5% Magnesium
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