DE2555095B2 - Verwendung einer Aluminium-Knetlegierung - Google Patents

Description

sen, eine geeignete Aluminium-KnetJegierung zu finden.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß eine Aluminium-Knetlegierung der an sich bekannten Zusammensetzung aus

0,8 bis 2,2 % Mangan
0,15 bis 0,50% Zirkonium
0,2 bis 1,0 % Eisen
0,2 bis 0,6 % Silizium
0 bis 0,3 % Kupfer
O bis max. 0,1% Magnesium
und Aluminium als Rest, einschließlich unvermeidbarer, herstellungsbedingter Verunreinigungen

für den angegebenen Verwendungszweck ausgezeichnet geeignet ist. Die rekristallisationshemmende Wirkung der Hauptlegierungselemente ist so stark, daß bei einer Probe nach zweistündiger Glühung bei 350° C und einer Prüfung bei Raumtemperatur der Festigkeitsabfall gegenüber dem kaltverformten Zustand nur 10 bis 20% beträgt. Zwischen 350 und 500° C erfolgt der Zugfestigkeitsabfall in den weichen Zustand dann in erster Näherung linear, mit ca. 65 N/mm² pro 100° C, ohne daß es zu einem Steilabfall kommt. Die Versuche haben eindeutig gezeigt, daß die Rekristallisationstemperatur dieser Aluminium-Knetlegierung bei über 400° C liegt.

Weitere Einzelheiten werden an Hand des Diagramms erläutert. Die erfindungsgemäß zu verwendende Aluminium-Knetlegierung wurde nach 80%iger Kaltverformung - ausgehend also vom Zustand »hart« —jeweilszwei Stunden bei verschiedenen Temperaturen geglüht, und anschließend wurden die Werte für die Zugfestigkeit σ_Β, für die Streckgrenze a₀₂ sowie für die Bruchdehnung σ_ιο gemessen. Die Ermittlung der Werkstoffwerte erfolgte bei Raumtemperatur. In das Diagramm wurden außerdem die Werte für die Streckgrenze einer AlMg3-Legierung nach jeweils einstündiger Glühdauer eingetragen. Während die die Meßpunkte verbindende Kurve für die Vergleichslegierung den bei Aluminium-Knetlegierungen allgemein bekannten Verlauf mit einem zwischen 250 und 300 ° C beginnenden Steilabfall und einer bei 350° C erreichten vollständigen Entfestigung aufweist, sind die entsprechenden Werte der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung um rund 150° C nach oben verschoben. Schon allein dadurch wird der Anwendungsbereich dieser Legierung ganz wesentlich ausgedehnt. Hinzu kommt, daß bis mindestens 400° C die Temperaturabhängigkeit der Festigkeitswerte bei weitem nicht so stark ausgeprägt ist wie beispielsweise bei der Vergleichslegierung im Bereich um 300° C. Das hat fertigungstechnisch den großen Vorteil, daß man jeden Zustand zwischen »hart« und »weich« wesentlich einfacher und treffsicherer erreichen kann. Wollte man beispielsweise bei der Vergleichslegierung einen bestimmten Festigkeitszustand zwischen 260 und 320° C einstellen, so müßten die Glühtemperatur und -dauer sehr genau eingehalten werden, weil Abweichungen von z. B. nur 10° C bereits erhebliche Änderungen der Festigkeitswerte mit sich bringen würden. Berücksichtigt man, daß derart enge Temperaturtoleranzen selbstverständlich für die gesamte Charge und an jeder Stelle des Glühgutes eingehalten werden müssen, dann wird deutlich, wie schwierig es ist, beispielsweise den Zustand »halbhart« bei diesen Legierungen sicher einzustellen. Es leuchtet auch ohne weiteres ein, daß diese Herstellungsprobleme um so kleiner werden, je weniger sich die Festigkeitswerte mit der Glühtemperatur ändern. Insoweit genügt ein Blick auf das beigefügte Diagramm, um zu erkennen, welche Vorteile die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung einmal wegen des erweiterten Anwendungsbereichs und zum anderen im Hinblick auf die Herstellung aufweist. Ferner ist diese Aluminium-Knetlegierung mit Vorteil für solche Zwecke zu verwenden, bei denen die Erholungsentfestigung des Werkstoffs nach einer Glühung bei 400° C weniger als 50% des Festigkeitsunterschiedes zwischen dem Zustand »hart« und dem Zustand »weich« beträgt.

Besonders ausgeprägt sind die vorteilhaften Eigenschäften der Aluminium-Knetlegierung, wenn sie aus 1,2 bis 1,8% Mangan
0,15 bis 0,3% Zirkonium
0,2 bis 0,7% Eisen
0,2 bis 0,4% Silizium
0 bis 0,3% Kupfer

0 bis max. 0,1% Magnesium
und Aluminium als Rest, einschließlich unvermeidbarer, herstellungsbedingter, Verunreinigungen
besteht.

Das gleiche gilt in noch höherem Maße für eine Aluminium-Knetlegierung folgender Zusammensetzung:

1,4 bis 1,6% Mangan
0,2 bis 0,3% Zirkonium

0,4 bis 0,6% Eisen
0,2 bis 0,4% Silizium
0 bis 0,1% Kupfer
0 bis max. 0,1% Magnesium
und Aluminium als Rest, einschließlich unvermeidbarer, herstellungsbedingter Verunreinigungen.

Die erfindungsgemäß zu verwendenden Werkstoffe

werden vorzugsweise dadurch hergestellt, daß eine Schmelze der angegebenen Zusammensetzung in üblicher Weise zu einem Stranggußblock vergossen und dabei mit einer Geschwindigkeit von 40 bis mm/min abgesenkt, der Stranggußblock 5 bis K) Stunden aui einer Temperatur von 450 bis höchstens 500° C gehalten, danach eine Warmumformung und zur Erlangung des angestrebten Endquerschnitts eine Kaltumformung von mindestens 50% durchgeführt wird und schließlich durch eine Entfestigungsglühung die vorgegebenen Festigkeits- und Duktilitätswerte eingestellt werden.

Die Vorzüge bei der erfindungsgemäßen Verwendung der Aluminium-Knetlegierung sollen an drei Beispielen noch näher erläutert werden:

1. Für Kfz-Auspuffanlagen, insbesondere Nachschalldämpfer und Endrohre, wird z. Zt. ausschließlich Stahl in unterschiedlicher Form eingesetzt. Wird Stahl ohne besonderen Oberflächenschutz verwendet, so haben die Auspuffanlagen nur eine sehr geringe Lebensdauer. Wird dagegen ein Stahl verwendet, der oberfiächenge-

schützt, z. B. aluminiert, verzinkt oder emailliert ist, so wird zwar eine etwas bessere Lebensdauer erreicht, die jedoch den wesentlich höheren Preis für den Oberflächenschutz in der Regel nicht b5 rechtfertigt. Schließlich wird vereinzelt auch

Edelstahl verwendet, gegen dessen verbreiteten Einsatz aber ebenfalls der hohe Preis spricht. Alle Stahl-AusDuffanlaEen haben außerdem den

Nachteil, daß sie ein vergleichsweise hohes Gewicht haben, was den Bemühungen, ein Fahrzeug möglichst leicht zu bauen, entgegensteht.
Gegen die Ausführung einer derartigen Kfz-Auspuffanlage aus einer Aluminium-Legierung ^r> sprach bisher, daß die bekannten Aluminium-Legierungen keine ausreichende Warmfestigkeit aufwiesen, bzw. daß sie bei ausreichender Warmfestigkeit nicht hinreichend korrosionsbeständig gegen Abgaskondensate von innen und ι ο Salzwasser von außen waren und daß sie für die notwendigen Falt-Bördelarbeiten keine ausreichend gute Verformbarkeit aufwiesen. Alle diese Nachteile können überwunden werden, wenn die crfiridungsgernäß zu vePA'er.dende Aluminium- !5 Knetlegierung mit ihrer außergewöhnlichen Entfestigungscharakteristik eingesetzt wird.
2. Bei der Herstellung von Wärmeaustauschern aus Aluminium-Legierungen besteht u. a. das Problem, daß der bei praktisch allem Halbzeug erreichbare Verfestigungszustand wegen der bei der Herstellung von Wärmeaustauschern erforderlichen Lötarbeiten nicht ausgenutzt werden kann. Bei der Auslegung derartiger Wärmeaustauscher muß daher von den im Zustand »weich« vorhandenen Festigkeitswerten ausgegangen werden, was natürlich im Hinblick auf die im Zustand »hart« vorhandenen Festigkeitswerte einen erheblichen Mehrbedarf an Material bedeutet. Außerdem ist es - wie bereits erwähnt - bei den herkömmlichen Aluminium-Knetlegierungen äußerst schwierig, eine bestimmte Kombination von Festigkeit und Duktilität einzustellen, wie sie für den Bau von Wärmeaustauschern häufig gefordert wird.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Aluminium-Knetlegierung gibt nun auf Grund ihrer günstigen Entfestigungscharakteristik die Möglichkeit, problemlos verschiedene Werkstoffzustände einzustellen, wodurch einerseits die zum Biegen oder Aufweiten von beispielsweise Wärmeaustauscherrohren notwendige gute Verformbarkeit gewährleistet ist und andererseits gleichzeitig höhere Festigkeitswerte als bei der herkömmlichen Aluminium-Knetlegierunger vorhanden sind. Insbesondere erlaubt das erfindungsgemäß zu verwendende Halbzeug die Anwendung von Lötverfahren bei der Herstellung von Wärmeaustauschern, weil innerhalb dei kurzen für das Löten erforderlichen Zeit keir Festigkeitsabfall auf den Zustand »weich« eintritt. Dadurch können bei der Auslegung höhere Festigkeitswerte zugrunde gelegt werden was sich wiederum unmittelbar auf den Materialaufwand und damit auf die Kosten auswirkt.

3. Die vorteilhaften Werkstoffeigenschaften wir ken sich insbesondere auch bei der Herstellunj sogenannter Kanalbleche und deren Anwendunj im Temperaturbereich zwischen 20 und 250° C aus. Kanalbleche bestehen aus zwei durch Walz schweißen unter Freilassung eines Kanalbilde miteinander verbundenen Blechen und Platinen deren Kanalbild anschließend durch ein Druck mitel aufgebläht wird. Sie sind bisher vornehm lieh in der Kältetechnik für Kühlschrank- um Gefriertruhenverdampfer eingesetzt worden, w( die Probleme der Entfestigung und Rekristalli sation keine Rolle spielen. Da der Aufblähvor gang einerseits eine gute Verformbarkeit erfor dert, die genannten neuen Anwendungsfälle andererseits bestimmte Zugfestigkeiten voraus setzen, können die herkömmlich verwendete: Aluminiumwerkstoffe nicht eingesetzt werden denn sie erlauben keinen brauchbaren Kompro miß zwischen Duktilität und Zugfestigkeit.
Mit dem erfindungsgemäß zu verwendende Werkstoff konnte für die Kanalbleche der An wendungsbereich bis 250° C ausgedehnt wer den, so daß die konstruktiv im übrigen sehr gün stigen Kanalbleche nunmehr auch als Solarkol lektoren und als Wärmeaustauscher bei de Meerwasserentsalzung eingesetzt werden kön nen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verwendung einer AJuminium-Knetlegierung aus

0,8 bis 2,2 % Mangan
0,15 bis 0,50% Zirkonium
0,2 bis 1,0 % Eisen
0,2 bis 0,6 % Silizium
0 bis 0,3 % Kupfer
0 bis max. 0,1% Magnesium
und Aluminium als Rest einschließlich unvermeidbarer, herstellungsbedingter Verunreinigungen

als Werkstoff zur Herstellung von Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren, Rohrbündel-Wärmeaustauschern, Kanalblechen für Solarkollektoren und Meerwasserentsalzungsanlagen u. dgl., d. h. von Teilen, die neben guter Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit eine gegenüber den bekannten, nicht aushärtbaren Aluminium-Knetlegierungen auf über 400° C verschobene Rekristallisationsschwelle aufweisen müssen.

2. Verwendung einer AIuminium-Knetlegierung nach Anspruch 1 für Teile, bei denen die Erholungsentfestigung des Werkstoffs nach einer Glühung bei 400° C weniger als 50% des Festigkeitsunterschiedes zwischen dem Zustand »hart« und dem Zustand »weich« beträgt.

3. Verwendung einer Aluminium-Knetlegierung aus

1,2 bis 1,8 % Mangan
0,15 bis 0,30% Zirkonium
0,2 bis 0,7 % Eisen
0,2 bis 0,4 % Silizium
0 bis 0,3 % Kupfer
0 bis max. 0,1% Magnesium
und Aluminium als Rest, einschließlich unvermeidbarer, herstellungsbedingter Verunreinigungen
für die Zwecke nach Anspruch 1 oder 2.

4. Verwendung einer Aluminium-Knetlegierung aus

1,4 bis 1,6% Mangan
0,2 bis 0,3% Zirkonium
0,4 bis 0,6% Eisen
0,2 bis 0,4% Silizium
0 bis 0,1% Kupfer
0 bis max. 0,1% Magnesium
und Aluminium als Rest, einschließlich unvermeidbarer, herstellungsbedingter Verunreinigungen
für die Zwecke nach Anspruch 1 oder 2.

5. Verfahren zur Herstellung von gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4 zu verwendendem Halbzeug, dadurch gekennzeichnet, daß eine Schmelze der angegebenen Zusammensetzung in üblicher Weise stranggegossen und mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 80 mm/min abgesenkt, der Stranggußblock 5 bis 10 Stunden auf einer Temperatur von 450 bis höchstens 500° C gehalten, danach eine Warmumformung und zur Erlangung des angestrebten Endquerschnittes eine Kaltumformung von mindestens 50% durchgeführt wird und schließlich durch eine Entfestigungsglühung die vorgegebenen Festigkeitswerte eingestellt werden.

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer Aluminium-Knetlegierung als Werkstoff zur Herstellung von Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren, Rohrbündel-Wärmeaustauschern, Kanalblechen für Solarkollektoren und Meerwasserentsalzungsanlagen u. dgl., d. h. von Teilen, die neben guter Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit eine gegenüber den bekannten, nicht aushärtbaren Aluminium-Knetlegierungen zu wesentlich höheren Temperatu-

ren verschobene Rekristallisaiionsschwelle aufweisen müssen.

Es ist bekannt, daß einige Eigenschaften von AIuminium-Knetlegierungen die Palette der möglichen Anwendungsgebiete erheblich einschränken. Dazu

is gehört insbesondere, daß kaltverfestigte Halbzeuge bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen und schon nach kurzer Einwirkungsdauer ihre Festigkeit verlieren. Hinzu kommt, daß dieser Festigkeitsabfall in den weichen Zustand in der Regel innerhalb eines sehr schmalen Temperaturintervalls erfolgt.

Es hat nicht an Versuchen gefehlt, dieses Verhalten der Aluminium-Knetlegierungen zu erklären und zu beeinflussen.

So ist beispielsweise in dem Buch »Aluminium und

Aluminiumlegierungen« von Altenpohl (1965) zu dem Thema »Erholung und Rekristallisation« auf rund 60 Seiten eine Fülle von Versuchsergebnissen und Erklärungen verschiedenster Autoren zusammengetragen worden, woraus sich übereinstimmend ergibt, daß praktisch alle untersuchten Aluminium-Legierungen zwischen 200 und 300° C einen sehr stellen Festigkeitsabfall aufweisen. Dieser kann durch die verschiedensten Maßnahmen zwar geringfügig beeinflußt werden, letztlich muß man aber erkennen, daß mit den für eine normale Produktion von Halbzeugen u. dgl. auch unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen Gesichtspunkten zur Verfügung stehenden Herstellungsverfahren keine nennenswerte Verbesserung erzielt werden kann.

Eine Ausnahme bilden lediglich kupferhaltige Aluminium-Knetlegierungen, die jedoch nur eine begrenzte Verformbarkeit aufweisen und im Hinblick auf ihre Korrosionsanfälligkeit nur beschränkt verwendbar sind.

In jüngerer Zeit hat man zum Teil mit Erfolg versucht, das Entfestigungsverhalten einer Aluminium-Knetlegierung mit vergleichsweise hohem Mangangehalt durch eine drastische Erhöhung der Erstarrungsgeschwxndigkeit zu verbessern. Hohe Er-

■50 starrungsgeschwindigkeiten sind im Labormaßstab ohne weiteres zu erreichen, nicht aber bei einer konventionellen Produktion im industriellen Maßstab. Dazu sind nämlich besondere Gießverfahren und -vorrichtungen erforderlich, die jedenfalls z. Zt. noch nicht mit der notwendigen Betriebssicherheit laufen, so daß die angestrebte Verbesserung des Entfestigungsverhaltens noch nicht bei nennenswerten Produktionsmengen und auch noch nicht mit der gewünschten Wirtschaftlichkeit erreicht werden kann.

Es besteht somit die Aufgabe, als Werkstoff zur Herstellung von Abgasanlagen für Verbrennungsmotoren, Rohrbündel-Wärmeaustauschern, Kanalblechen für Solarkollektoren und Meerwasserentsalzungsanlagen u. dgl., d. h. von Teilen, die neben einer

b5 guten Verformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit eine gegenüber den bekannten, nicht aushärtbaren Aluminium-Knetlegierungen auf über 400° C verschobene Rekristallisationsschwelle aufweisen müs-