DE2607511C2

DE2607511C2 - Verfahren zur Herstellung einer ausscheidungshärtbaren, nitridierten Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE2607511C2
Application number: DE2607511A
Authority: DE
Inventors: Mituhiro Tokio Goto; Isao Ichikawa Chiba Hashimoto; Koji Kitamoto Saitama Itabashi; Shugo Tokio Watanabe
Original assignee: Mamiya Koki Kk Tokyo Jp
Current assignee: Mamiya Koki Kk Tokyo Jp
Priority date: 1975-02-26
Filing date: 1976-02-25
Publication date: 1983-10-27
Also published as: DE2607511A1; CA1097522A; US4060411A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ausscheidungshärtbarer, nitridierter Aluminiumlegierungen mit einer hohen Zugfestigkeit, großer Härte und guter Anodisierbarkeit.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von ausscheidungshärtbaren nitridierten Aluminiumlegierungen, bei dem bisher bekannte nitri-

Tabelle 1

dierte Aluminiumlegierungen, die zu ihrer Herstellung eine Temperatur von 900° C und darüber erforderten, so hergestellt werden, daß die Verwendung von gewöhnlichen Schmelzofen für Aluminiumlegierungen, die nur bis zu einer Temperatur von etwa 800° C hitzebeständig sind, sowie die Gewinnung von ausscheidungshärtbaren nitridierten Aluminiumlegierungen mit weiter verbesserten Eigenschaften und einheitlicher Zusammensetzung ermöglicht wird.

ίο Wenngleich aufgrund der Erfindung nicht nur die Eigenschaften von nitridierten Legierungen auf der Grundlage von Aluminium verbessert werden können, sondern auch die nitridierten Legierungen auf der Grundlage anderer Metalle als Aluminium, so eignet sich das erfindungsgemäße Vorgehen insbesondere im Falle von nitridierten Legierungen auf der Grundlage von Aluminium, weshalb die Erfindung im folgenden im wesentlichen mit Bezug auf die Aluminiumlegierungen näher beschrieben wird.

Aluminium zeichnet sich insbesondere durch ein niedriges spezifisches Gewicht, eine starke Korrosionsbeständigkeit, hohe anodische Oxydierbarkeit und große Formbarkeit aus, besitzt jedoch auch einige Nachteile, wenn es als Baumaterial verwendet wird, wie beispielsweise eine niedrige Zugfestigkeit und geringe Härte sowie eine geringe Abriebfestigkeit.

Zur Ausnutzung der oben beschriebenen Vorteile des Aluminiums und Beseitigung der aufgeführten Nachteile ist eine Reihe ausscheidungshärtbarer Legierungen, die in den Vereinigten Staaten von Amerika als »Duralumin« oder »17S« bekannt sind," entwickelt worden, beispielsweise Al/Cu/Mg-Legierungen (JlS*) Nr. 2000 und darüber), Al/Mg/Si-Legierungen (JIS Nr. 6000 und darüber) oder Al/Zn/Mg-Cu-Legierungen (JIS Nr. 7000 und darüber), in den Vereinigten Staaten von Amerika als »Extra Super Duralumin« oder »75S« bezeichnet. Bei all diesen Legierungen kann man die Qualität verbessern, indem man lediglich dem metallischen Aluminium geeignete Zusatzelemente beigibt, und eine verbesserte Zugfestigkeit sowie eine verbesserte Härte, die im wesentlichen mit denjenigen von kohlenstoffarmem Stahl vergleichbar ist, kann durch anschließende Wärmebehandlung oder Erhitzen und Abschrecken erzielt werden. So besitzt ein Duralumin wie JlS 7O75-T6 eine Zugfestigkeit, die der von Kohlenstoffbaustahl der Bezeichnung JIS S 3OC nahekommt.

Die mechanischen Eigenschaften einiger im Handel erhältlicher Aluminiumlegierungen mit den jeweils dazugehörigen Industrienormen verschiedener Länder sind in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt.

Die Beispiele 1 und 2 betreffen die mechanischen Eigenschaften von Legierungen (Zusammensetzung s. Tabellen III und VI), die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden.

*) JIS: Japanese Industrial Standards

	Zugfestigkeit	Streckgrenze	Ds
	(N/mm²)	(N/mm²)	(%
JIS) 7075 T₆*) (Aluminiumlegierung)	559	500	7
JIS S 30 C (Kohlenstoffstahl)	540	333	23
JIS S 40 C (Kohlenstoffstahl)	569	392	22
ISO*) AlZnOMgCu	544	491	7

Dehnung

Härte
(HmV)

ca. 180

Fortsetzung

Zugfestigkeit Streckgrenze Dehnung Härte

(N/mm²) (N/mm²) (%) (HmV)

574	505	11	—
491	422	7	—
520	461	7	-
559	505	7	-
687	-	10	230
642	—	10,7	230

AA*) 7075-T₆**)
DIN*) AlZnMgCu 0,5
AlZnMgCu 1,5

CSA*) ZG 62-T₆
Beispiel 1
Beispiel 2

Anmerkungen:

*) JIS: Japanese Industrial Standards.

ISO: International

AA: U.S.A.

DIN: Deutschland.

CSA: Kanada.

**) Die T₆-Behandlung umfaßt Lösungsglühen und Ausscheidungsbehandlung zum Erzielen einer maximalen Festigkeit, wie in American Aluminium Association, Aluminium Standards und Data 1972-1973, Seite 9 angegeben, wobei insbesondere das Lösungsglühen bei etwa 450⁰C und die Ausscheidungsbehandlung bei etwa 120⁰C durchgeführt wurden.

Die Zusammensetzungen der in Tabelle I aufgeführten genormten Aluminiumlegierungen sind in der folgenden Tabelle II in % angegeben.

Tabelle	II	Erfindungs	Jap. PS.	JlS	ISO	AA	DIN	AlZnMgCu 0,5	CSA
	gemäß herzu stellende	7 28 024**)	7075	AlZnOMgCu	7075	AlZnMgCu 1,5		ZG 62
	Legierung						4,3-5,2
	3,2-8,0	3,2-8,0	5,1-6,1	5,1-6,4	5,1-6,1	5,1-6,1	2,6-3,6	5,1-6,1
Zn	1,2-4,5	1,2-4,5	2,1-2,9	2,1-2,9	2,1-2,9	2,1-2,9	0,5-1,0	2,1-2,9
Mg	0,1-1,0	0,3-1,5	1,2-2,0	1,2-2,0	1,2-2,0	1,2-2,0	0,1 -0,3	1,2-2,0
Cu	0,1-0,5	0,1-0,5	0,18-0,35	0,1-0,35	0,18-0,35	0,18-0,3		0,18-0,35
Cr		Zr	Ti	Ti+ Zn			0,2
Zr und/	0,01-1,2	0,05-1,2	0,2	0,3	0,2	0,2	0,5	0,2
oder Ti	-	0,2-1,2	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5	0,5
Fe	-	0,05-0,85	0,4	0,4	0,4	0,5		0,4
Si				Ni			-
Ni oder	0,2-1,2	0,2-1,2	-	0,1	-	-		-
Co				Mn+ Cr			0-0,4
	-	0,1-1,2	0,3	0,5	0,3	0-0,3		0,3
Mn	0,02-1,0	0,02-1,0	-
Be	0,005-0,2	0,005-0,2	-
B		Japanese Industrial Standards.
*) JIS:	International.
ISO:	U.S.A.
AA:	Deutschland.
DIN:	Kanada.
CSA:

**) Japanisches Patent 7 28 024, das weiter unten erwähnt wird.

Mit der weiteren industriellen Entwicklung wuchs lung von Aluminiumlegierungen mit hoher Zugfestig-

jedoch das Bedürfnis nach einer Aluminiumlegierung keit und hoher Härte durch Anwendung eines

mit höherer Festigkeit und niedrigem spezifischen 65 Nitridierungsverfahrens bei hoher Temperatur entwik-

Gewicht, weshalb verschiedene Versuche zur Befriedi- kelt, wie in den japanischen Patentschriften 6 21 486 und

gung dieses Bedürfnisses durchgeführt wurden. Bei- 7 28 024 beschrieben.

sDielsweise wurde kürzlich ein Verfahren zur Herstel- Diese Aluminiumlegierungen mit hoher Zugfestigkeit

und hoher Härte, die im folgenden als frühere nitridierte Aluminiumlegierungen bezeichnet werden, besitzen eine Zugfestigkeit von über 687 N/mm² sowie eine Vickers-Härte von über 220, jedoch nachteiligerweise nur eine geringe Duktilität (im folgenden als Extrudierbarkeit bezeichnet) sowie nur eine n.edrige anodische Oxydierbarkeit.

Da weiterhin das Nitridierungsverfahren bei der Herstellung der früheren nitridierten Aluminiumlegierungen durch Einblasen von Stickstoff oder Ammoniak in die Schmelze durchgeführt wird, d. h. in die gesamte zu nitridierende Menge, die sich auf einer Temperatur von 900 bis 1300⁰C befindet, übersteigt der dabei erforderliche Temperaturbereich die normale Wärmefestigkeitstemperatur von 800° C von Schmelzofen für Aluminiumlegierungen. Demzufolge kann das Verfahren zur Herstellung der früheren nitridierten Aluminiumlegierungen nicht in gewöhnlichen metallurgischen Anlagen durchgeführt werden. Das Nitridieren von großen Mengen an Legierungen in besonderen, großdimensionierten und kostspieligen für hohe Temperatur geeigneten öfen erfordert eine sehr sorgfältige Verfahrenssteuerung und Ofenunterhaltung sowie große Brennstoffmengen und führt damit zu erhöhten Herstellungskosten für die zu erzeugende Legierung.

Aus der Literaturstelle »Aluminium-Taschenbuch« 1974, Seite 13/14 ist das Einbringen bestimmter Legierungsbestandteile in eine Aluminiumlegierung durch Zusatz von Vorlegierungen bekannt, wodurch zumeist die Kornfeinheit erhöht werden soll. Ein Hinweis auf eine Möglichkeit zur Vermeidung der Nitridierung der Gesamtlegierung findet sich ir· dieser Literaturstelle nicht.

Es wurde nun gefunden, daß die genannten Nachteile beseitigt und eine ausscheidungshärtbare nitridierte Aluminiumlegierung hergestellt werden kann, die beträchtlich bessere Eigenschaften als die früheren nilridierten Aluminiumlegierungen besitzt.

Aufgabe der Erfindung ist somit die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von nitridierten Aluminiumlegierungen von hoher Zugfestigkeit, hoher Härte, ausgezeichneter Extrudierbarkeit und ausgezeichneter anodischer Oxydierbarkeit, die keine Seigerungserscheinungen aufweisen, sondern eine gleichmäßige Zusammensetzung und aufgrund wiederholter Schmelzschritte eine feine Struktur besitzen, wobei bei dem Verfahren außerdem Herstellungskosten und Heizenergie eingespart werden können und wobei sich das Verfahren zur Massenherstellung eignet, weil nur eine geringe Menge nitridierter Mutterlegierung in einem Nitridierofen mit hoher Wärmefestigkeit hergestellt und anschließend durch Weiterverarbeitung der so erhaltenen Vorlegierung die gewünschte nitridierte Aluminiumlegierung in normalen Aluminiumschmelzöfen hergestellt wird.

Gegenstand der Erfindung ist das im Patentanspruch angegebene Verfahren.

Im vorliegenden Zusammenhang ist unter dem Ausdruck »Metall« auch eine Legierung mehrerer der aufgeführten Metalle zu verstehen.

Erfindungsgemäß werden also zunächst nitridierte Vorlegierungen hergestellt und diese anschließend mit Aluminium zu den ausscheidungshärtbaren, nitridierten Legierungen legiert.

Die gemäß der Erfindung hergestellten ausscheidungshärtbaren, nitridierten Aluminiumlegierungen, die durch Einbringen von nitridierten Vorlegierungen nitridiert worden sind, besitzen eine verbesserte Duktilität oder Extrudierbarkeit bei einem Kupfergehalt von nur 0,5% im Vergleich zu den üblichen Kupfergehalten von 1,5% für du; früheren nitridierten Aluminiumlegierungen und besitzen wegen des niedrigeren Kupfergehaltes eine verbesserte anodische Oxydierbarkeit. Sie besitzen außerdem eine verbesserte Zugfestigkeit.

Die nitridierten Vorlegierungen lassen sich in drei Klassen einteilen.

ίο Die erste Klasse von Legierungen, die in einem einstufigen Verfahren hergestellt werden, ist vorzugsweise eine sog. Ein-Paket-Vorlegierung, da sämtliche in die ausscheidungshärtbare, nitridierte Aluminiumlegierung einzubringenden Komponenten in der Vorlegierung enthalten sind und diese daher mit Aluminium in einem herkömmlichen Legierungsofen für Aluminium bei maximalen Temperaturen von etwa 800° C legiert werden kann. Die zweite Klasse von Vorlegierungen ist ebenfalls eine Ein-Paket-Legierung, obwohl ihre Herstellung in zwei Stufen durchgeführt wird. Beide Legierungsklassen umfassen jedoch nicht notwendigerweise nur Ein-Paket-Legierungen, und jeder Vertreter der beiden Klassen kann auch nur eine der oben aufgeführten Komponenten enthalten.
Die dritte Klasse stellt keine Ein-Paket-Legierung dar, da einige zusätzliche Komponenten, nämlich mindestens eines der Metalle Kupfer, Zink und Magnesium erforderlich ist, um eine ausscheidungshärtbare, nitridierte Aluminiumlegierung herzustellen.
Jede der Vorlegierungen enthält vorzugsweise Aluminium, da sie schließlich in ausscheidungshärtbare, nitridierte Aluminiumlegierungen eingebracht wird.

Im folgenden wird die Herstellung der nitridierten Vorlegierungen näher beschrieben. Die Metalle Chrom, Zirkonium und/oder Titan, Kobalt oder Nickel (sämtlich Übergangsmetalle), Beryllium, Bor und Aluminium sowie Kupfer, Zink und/oder Magnesium werden als elementares Metall oder als Legierung geschmolzen, und während die Schmelze bei einer Temperatur von 800 bis 1200°C gehalten wird, wird in die Schmelze ein gasförmiges Nitridierungsmittel, wie molekularer Stickstoff oder eine leicht zersetzbare gasförmige Stickstoffverbindung, insbesondere eine nicht oxydierbare Stickstoffverbindung, wie beispielsweise Ammoniak, oder ein Gemisch daraus, mittels eines Blasrohrs aus feuerfestem Material eingeführt. Die Nitridierbehandlung wird somit unter der Rührwirkung des in Blasen aufsteigenden Nitridiermittels durchgeführt, um so die gewünschte nitridierte Vorlegierung erhalten. Die Menge an während der Behandlung einzuführendem Stickstoff liegt im Bereich von 0,5 bis 5 1, vorzugsweise im Bereich von 1 bis 31 und beträgt insbesondere etwa 21 je Kilogramm Schmelze, während die Einführungszeit für den Stickstoff 0,5 bis 5 h, vorzugsweise 1 bis 5 h und insbesondere etwa 2 h beträgt.

Die auf diese Weise erhaltene nitridierte Vorlegierung wird im folgenden als Vorlegierung A bezeichnet. Die Vorlegierung A kann, muß aber nicht Kupfer, Zink und/oder Magnesium enthalten; diese Elemente können auch zur Herstellung der nitridierten Vorlegierung B zugesetzt werden. Normalerweise enthält die Vorlegierung A diese Elemente nicht.

Die nitridierte Vorlegierung A kann so, wie sie ist, in den Handel gebracht werden, oder sie kann zusammen mit Kupfer, Zink, Magnesium oder einem Teil dieser Elemente dem metallischen Aluminium zur Erzielung der ausscheidungshärtbaren, nitridierten Aluminiumlegierungen zugesetzt werden. Alternativ kann die

nitridierte Vorlegierung A unterhalb der obenerwähnten Nitridierungstemperatur gehalten werden, wonach mindestens eines der Elemente Kupfer, Zink und Magnesium unter Ausbildung der nitridierten Vorlegierung B zugesetzt oder damit verschmolzen wird.

Jede der beschriebenen nitridierten Vorlegierungen A oder B kann zu Blöcken vergossen werden, die ihrerseits in den Handel gebracht werden können.

In den metallurgischen Betrieben können beispielsweise die Elemente Kupfer, Zink und/oder Magnesium zusammen mit der nitridierten Vorlegierung A der Aluminiummetallschmelze zugesetzt und das Ganze bei einer normalen Temperatur für metallurgische Behandlungen gehalten werden, wobei die Menge der zugesetzten Metalle ausreichend ist, um in der erhaltenen Aluminiumlegierung einen derartigen Endgehalt zu erzielen, daß Blöcke gegossen werden können. Es ist auch möglich, nur die nitridierte Vorlegierung B dem Aluminiummetall in einer solchen Menge zuzusetzen, die ausreicht, um einen entsprechenden Endgehalt im Produkt zu erhalten, und das Produkt zu schmelzen und bei normalen Legierungstemperaturen, beispielsweise bis zu 750°C oder 700⁰C zu halten, um eine Schmelze zu erzielen und Blöcke zu gießen.

Nach der Wärmebehandlung zum Homogenisieren des Blockes bei etwa 450°C, dem heißen Bearbeiten, wie beispielsweise Extrudieren. Walzen oder Ziehen bei

20 etwa 300 bis 400⁰C, und dem kalten Bearbeiten, wie beispielsweise Ziehen, Walzen oder Gesenkschmeiden bei Raumtemperatur wird die so erhaltene Aluminiumlegierung der sog. T6-Behandlung unterzogen, die, wie in Tabelle I dargestellt, aus Erwärmen und Abschrecken sowie Härten durch künstliche Alterung besteht, um so eine nitridierte Legierung auf Aluminiumgrundlage zu erzielen, die die für die praktische Verwendung erwünschte Festigkeit und Härte besitzt. Zur weiteren Information über Aluminiumlegierungsbehandlungen siehe Kirk and Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, Band 1, Seiten 968 bis 971, 2. Auflage, John Wiley and Sons, Inc. 1963.

Der Gehalt an den Bestandteilen außer dem Aluminium, die in den Vorlegierungen gemäß der Erfindung enthalten sind, ist 2- bis lOmal, vorzugsweise 2- bis 5mal so hoch wie der Gehalt an den entsprechenden Bestandteilen in den ausscheidungshärtbaren, nitridierten Aluminiumlegierungen, die durch Einführen der Vorlegierungen hergestellt werden.

Beispiel 1

Eine Aluminiumlegierung, jedoch mit einem höheren Kupfergehalt als die erfindungsgemäß herzustellende Legierung, und mit einer Endzusammensetzung, wie in der folgenden Tabelle III dargestellt, wird nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wie folgt hergestellt:

Tabelle III
Endzusammensetzung (%)

Mg

Cu

Cr

Ni Zr

Be

2,8

1,5

0,2

0,25 0.55

0,025

0,02

0,4 kg Vorlegierung Al/Cr mit einem Chromgehalt von 3%, 0,66 kg Vorlegierung Al/Zr mit einem Zirkoniumgehalt von 5%, 0,03 kg Vorlegierung Al/Be mit einem Beryiliumgehall von 5%, 0,04 kg Vorlegierung Al/B mit einem Borgehalt von 3% und 0,15 kg Vorlegierung Al/Ni mit einem Nickelgehalt von 10% werden in einem Tiegel aus feuerfestem Graphit zusammengeschmolzen, und die Temperatur der erhaltenen Schmelze wird bei 800 bis 1200°C gehalten. Danach wird Stickstoff aus der Gasflasche mittels eines Blasrohres aus feuerfestem Material in einer Menge von 2 1 je kg Schmelze in die Schmelze geblasen, und das Nitridieren wird etwa 2 h unter Rühren, das durch das Einblasen des Stickstoffs verursacht wird, durchgeführt, wonach man eine nitridierte Vorlegierung A für nitridierte Legierungen auf Aluminiumgrundlage erhält.

Während die nitridierte Vorlegierung A bei einer Temperatur im Bereich von 800 bis 1200⁰C gehalten wird, werden anschließend 0,27 kg einer Vorlegierung Al/Cu mit einem Kupfergehalt von 33% zugesetzt und damit verschmolzen, wonach die Temperatur der erhaltenen Schmelze auf 800⁰C gesenkt wird. Danach werden 0336 kg 100%iges Zink und 0,168 kg 100%iges Magnesium zugesetzt und mit dem Rest verschmolzen, wobei man eine nitridierte Vorlegierung B für nitridierte Legierungen auf Aluminiumgrundlage erhält.

Die so erhaltene Vorlegierung B besitzt die Zusammensetzung, wie in der folgenden Tabelle IV angegeben, gemäß der der Gehalt der entsprechenden Zusatzmetalle etwa dreimal größer ist als in der obenerwähnten angestrebten Endzusammensetzung.

Tabelle IV

Mg

Cu

Cr

Be

8,18

4,34

0,58

0,73

1,61

0,073

0,058 (%)

Die Herstellung der nitridierten Legierung auf Aluminiumgrundlage mit der obenerwähnten angestrebten Endzusammensetzung durch Verwendung der nitridierten Vorlegierung B wird durchgeführt, indem man 3,946 kg 99,9%iges Aluminium bei 750⁰C schmilzt und 2,054 kg der Vorlegierung B in die erhaltene Aluminiumschmelze hinzugibt, um sie mit dem Aluminium zu verschmelzen und die so erhaltene Schmelze in

einen Block zu gießen.

Wenn die nitridierte Legierung auf Aluminiumgrundlage gemäß diesem Beispiel einer T6-Behandlung (vgl. Tabelle I) unterworfen worden ist, besitzt das erhaltene Produkt eine Zugfestigkeit von 687 N/mm², eine Dehnung von 10% und eine Härte von 230 Hmv, d. h., daß es eine um etwa 20% höhere Zugfestigkeit, eine um etwa 25% höhere Härte und eine etwa 40% höhere Dehnung besitzt, als die Legierung auf Aluminiumgrundlage mit der Bezeichnung JlS 7075-T6. Somit wird nach dem Verfahren gemäß der Erfindung eine nitridierte Legierung auf Aluminiumgrundlage erhalten, die ausgezeichnete Eigenschaften für ein Baumaterial besitzt, die den Eigenschaften vergleichbar sind, die Kohlenstoffstahl der Bezeichnung JIS S 40 C (vgl. Tabelle I) besitzt.

Die Erfindung wird im folgenden mit Bezug auf die

Tabelle V

Zusammensetzung der erfindungsgemäß herzustellenden Legierung erläutert.

Im allgemeinen besitzen die ausscheidungshärtbaren, nitridierten Aluminiumlegierungen, die nach dem Verfahren gemäß der Erfindung erhalten werden, die hohe Festigkeil und die große Härte, die den früheren nitridierten Aluminiumlegierungen gemäß den japanischen Patenten 6 21486 und 7 28 024 zu eigen sind, während sie gleichzeitig deren geringe Extrudierbarkeit sowie deren geringe Anodisierbarkeit nicht aufweisen.

Die Zusammensetzung der erfindungsgemäß herzustellenden Legierungen ist in der folgenden Tabelle V zusammen mit den Zusammensetzungen einer früheren nitridierten Aluminiumlegierung (Japanisches Patent 7 28 024), der Aluminiumlegierung gemäß JIS 7075 sowie der ISO AlZn<,MgCu-Legierung dargestellt:

Vorliegende Erfindung

Japanisches Patent 7 28 024 JIS

7075

ISO

AlZn₆MgCu

Zn	3,2-8,0%
Mg	1,2-4,5
Cu	0,1-1,0
Cr	0,1-0,5
Zr und/
oder Ti	0,01-1,2
Fe	-
Si	-
Ni oder Co	0,2-1,2
Mn	-
Be	0,02-1,0
B	0,005-0,2

3,2-8,0%

1,2-4,5

0,3-1,5

0,1-0,5

Zr

0,05-1,2

0,2-1,2

0,05-0,85

0,2-1,2

0,1-1,2

0,02-1,0

0,005-0,2 5,1-6,1%
2,1-2,9
1,2-2,0
0,18-0,35

Ti
0,20

0,50
0,40

0,30

5,1 -6,4% 2,1-2,9 1,2-2,0 0,1-0,35

0,3 0,5 0,4 0,1 0,3

Der Grund, warum der Gehalt an den entsprechenden Komponenten der erfindungsgemäß hergestellten Legierungen innerhalb der Grenzen, wie sie in der obigen Tabelle V dargestellt sind, beschränkt ist, wird im folgenden beschrieben.

Das Einhalten des Bereichs von 3,2—8,0% für Zn und von 1,2—4,5% für Mg kann die Alterungshärtungseffekte beschleunigen und zufolge der Bildung von MgZn2 zu einer Festigkeitserhöhung beitragen. Unter den Untergrenzen der entsprechenden Bereiche werden das Aiterungshärten sowie die Verbesserung der Festigkeit unzureichend, während oberhalb der Obergrenzen der entsprechenden Bereiche die Bearbeitbarkeit und die Korrosionsfestigkeit abnehmen. Das Einhalten des Bereiches von 0,1 — 1,0% für Cu trägt zum Alterungshärten und zur Erhöhung der Festigkeit bei, oberhalb der Obergrenze jedoch wird die Korrosionsfestigkeit der Legierungen beträchtlich vermindert, und gleichzeitig wird die Eignung für Oberflächenbehandlungen, wie beispielsweise anodische Oxydation, merklich verschlechtert

Die Zugabe von Nickel oder Kobalt, Übergangsmetall in der 4. Periode, in einer Menge von 0,2—1,2% trägt zur Verfestigung der Korngrenzen sowie zur Erhöhung der Verfestigung bei, weil die Löslichkeit dieser Komponenten in Aluminium gering ist und intermetallische Verbindungen gebildet werden, die in der Nachbarschaft der Korngrenze konzentriert werden, so

daß die Übergangsdichte ansteigt Oberhalb der Obergrenze von 1,2% jedoch wird die Bearbeitbarkeit der Legierungen verringert, während unterhalb der Untergrenze von 0,2% die erwünschten Wirkungen des Zusatzes dieser Metalle nicht voll zur Geltung kommen.

Die Verwendung von Zirkonium und bzw. oder Titan in einer Menge von 0,01 — 1,2% und die von Bor in einer Menge von 0,005—0,2% dient zur Bildung von Nitriden der Metalle durch das Nitridiersiiigsverfahren, und die auf diese Weise erzeugten Nitride, die fein in der Legierung verteilt sind, verhindern die Verschiebung der Übergangslinie aufgrund von Gleitdeformationen, was zur Verfestigung der Dispersion führt und das Kristallkorn feiner macht sowie Risse verhütet Zirkonium und die Metalle seiner Gruppe besitzen

ω jedoch keine Wirkung unterhalb der Untergrenze des

obenerwähnten Zusatzbereiches und vermindern die Bearbeitbarkeit der Legierungen oder verursachen Sprödigkeit

Chrom, ebenfalls ein Übergangsmetall der 4. Periode, dient dazu, die Sprödigkeit in der Korngrenze zu verhüten und die Korrosionsbeständigkeit durch Bildung sehr feiner Kristallkörner zu erhöhen. Dieses Metall verhütet Korngrenzenkorrosion und Korrosion

unter Beanspruchung, wenn es in einer Menge von 0,1 %. vorhanden ist, führt jedoch in Mengen über 0,5% zu einer verminderten Bearbeitbarkeit.

Analog wie bei Zirkonium oder Bor dient die Einhaltung eines Berylliumgehaltbereichs von 0,02— 1,0% der Bildung von Nitriden davon und trägt zur Erhöhung der Härte und Festigkeit bei.

Obwohl die Einbringung von Eisen und Silicium in die Legierungen auf Aluminiumgrundlage die Verfestigung erhöht, führt sie zur Verringerung der Bearbeitbarkeit und der Eignung zur Oberflächenbehandlung, wobei gleichzeitig die Oberflächenhaut des Endproduktes beeinträchtigt wird. Mangan verursacht bedeutende Nachteile für die maschinelle Bearbeitbarkeit. Demzufolge sind diese Metalle nicht enthalten.

Zur Herstellung der Vorlegierung (im folgenden als A' bezeichnet), die sich zur Herstellung der obenerwähnten Aluminiumlegierungen mit hoher Zugfestigkeit eignet, werden Chrom, Zirkonium und bzw. oder Titan, Nickel oder Kobalt, Beryllium, Bor und Aluminium oder alternativ Chrom, Zirkonium und bzw. oder Titan, Nickel oder Kobalt, Beryllium, Bor und Aluminium und mindestens eines der Metalle Zink, Magnesium und Kupfer unter Bildung einer Schmelze zusammenlegiert, wobei die Menge der Metalle außer Aluminium 2- bis lOmal so groß ist wie diejenige der Endzusammensetzung und die Temperatur der Schmelze bei 800 bis 1200⁰C gehalten wird. Danach wird Stickstoff aus der Stahlflasche oder stickstoffhaltiges Gas mittels eines Blasrohres aus feuerfestem Material in einem Verhältnis von 2 1 Gas je kg Schmelze in die Schmelze eingeführt. Nach der Nitridierungsbehandlung unter der aufwirbelnden Wirkung des eingeleiteten Nitridierungsgases wird die Schmelze zu Blöcken der Vorlegierung A' vergossen. Diese Mutterlegierung A' kann ebenso wie die obenerwähnte Vorlegierung A in dieser Form in den Handel gebracht werden.

Der Block der obenerwähnten Vorlegierung A' kann geschmolzen und bei einer Temperatur von 800⁰C gehalten werden, wobei mindestens eines der Metalle Kupfer, Zink und Magnesium, die in der Vorlegierung A' nicht vorhanden sind, in einer Menge zugesetzt wird, die das 2- bis lOfache der Menge ausmacht, die in der gewünschten Endzusammensetzung vorhanden ist; diese Schmelze kann als Vorlegierung B' zur Herstellung von Aluminiumlegierungen mit hoher Zugfestigkeit verwendet werden. Die Vorlegierung B' kann auch unmittelbar aus der Vorlegierung A' ohne vorherige Bildung von Blöcken der Vorlegierung A' hergestellt werden.

Bei der Herstellung der Aluminiumlegierung mit hoher Zugfestigkeit gemäß der Erfindung wird eine Äiuminiummenge. verwendet, die dem Aiuminiumgehait im Endprodukt entspricht, und geschmolzen und bei einer Temperatur im Bereich von 750 bis 800⁰C gehalten. Kupfer, Zink und/oder Magnesium werden analog in den Mengen eingesetzt, die ihrem entsprechenden Gehalt im Endprodukt entsprechen, und werden der, wie oben beschrieben, erhaltenen Aluminiumschmelze zusammen mit der obenerwähnten Vorlegierung A' zugesetzt, wonach die erhaltene Schmelze zu Blöcken vergossen wird. In analoger Weise kann eine andere Aluminiummenge verwendet werden die dem Aluminiumgehalt im Endprodukt entspricht und geschmolzen und bei einer Temperatur von 75O⁰C gehalten werden, wonach die obenerwähnte Vorlegierung B' der Schmelze zugesetzt und die Schmelze zu Blöcken vergossen wird.

Die auf diese Weise erhaltene Aluminiumlegierung

ίο mit hoher Zugfestigkeit wird dann etwa 20 Stunden lang einer Dauerglühung bei etwa 450°C und nach dem heißen und kalten Bearbeiten der sog. T6-Behand!ung (vgl. Tabelle 1), die aus Lösungsglühen bei 450 bis 490°C, Abschrecken sowie einer Hochtemperaturalterungshärtung bei 85 bis 130⁰C besteht, unterworfen, wodurch Legierungen erhalten werden, die für den praktischen Gebrauch fertig sind.

Beispiel 2

Zur Herstellung einer weiteren ausscheidungshärtbaren, nitridierten Aluminiumlegierung werden zunächst 0,174 kg 99,9%iges Aluminium geschmolzen und die Schmelze mit 0,047 kg Vorlegierung Al/Be mit einem Berylliumgehalt von 5%, 0,060 kg Vorlegierung Al/B mit einem Borgehalt von 3%, 0,989 kg Vorlegierung Al/Zr mit einem Zirkoniumgehalt von 5%, 0,225 kg Vorlegierung Al/Ni mit einem Nickelgehalt von 10% und 0,598 kg Vorlegierung Al/Cr mit einem Chromgehalt von 3% versetzt und bei 850 bis 1100°C gehalten. Mittels eines Blasrohres aus feuerfestem Material wird daraufhin 2 Stunden lang Stickstoff im Verhältnis von 2 1 Stickstoff je kg Schmelze eingeblasen. Diese Nitridierungsbehandlung wird unter der aufwirbelnden Wirkung des einströmenden Stickstoffs durchgeführt, und man erhält Vorlegierung A'. Während die Temperatur der Vorlegierung A' bei 800⁰C gehalten wird, werden 0,133 kg Vorlegierung Al/Cu mit einem Kupfergehalt von 33%, 0,508 kg 100%iges Zink sowie 0,252 kg 100%iges Magnesium unter Ausbildung der Vorlegierung B' in die Schmelze eingeführt und die erhaltene Schmelze zu Blöcken vergossen.

Im vorliegenden Beispiel sind die metallischen Bestandteile außer Kupfer, Zink, Magnesium und Aluminium in der Vorlegierung A' in Mengen vorhanden, die etwa 3mal größer sind als die entsprechenden Mengen in der Endzusammensetzung, während die metallischen Bestandteile außer Aluminium in der Vorlegierung B' in Mengen vorhanden sind, die etwa 3mal größer sind als die entsprechenden Mengen in der Endzusammensetzung.

Danach wird eine Menge 99,9%iges Aluminium geschmolzen und die erhaltene Schmelze bei einer Temperatur von 750" C gehalten. Die Blöcke der obenerwähnten Vorlegierung B' werden in Stücke geschnitten und der Schmelze zugesetzt, wonach die erhaltene Schmelze zu einem Block vergossen wird. Nach T6-Behandlung des zuletzt genannten Blockes werden 7,8 kg Aluminiumlegierung mit hoher Zugfestigkeit und der in der folgenden Tabelle Vl angegebenen prozentualen Zusammensetzung erhalten.

Tabelle Vl

Mg

Cu

Cr

Zr

Be

2.8

0,5

0,2

0,55

0,025

0,02

Die nach der T6-Behandlung erhaltene endgültige Legierung besaß eine Zugfestigkeit von 642 N/mm², eine Dehnung von 10,7% und eine Härte von 230 Hmv, d. h., die Zugfestigkeit war um etwa 15%, die Dehnung um etwa 50% und die Härte um etwa 25% größer als die entsprechenden Werte der in Tabelle I angegebenen Legierung JIS 7075. Die Zugfestigkeit ist vergleichbar derjenigen von hochfestem Kohlenstoffstahl mit niedrigem oder mittlerem Kohlenstoffgehalt. Die Legierung besaß außerdem eine gute Bearbeitbarkeit und Korro- ;o sionsbeständigkeit sowie eine ausgezeichnete Abriebfestigkeit. Wie sich aus einem Vergleich der Werte der Tabelle III mit denen der Tabelle VI ergibt, unterscheidet sich die Legierung gemäß Beispiel 2 von derjenigen gemäß Beispiel 1 durch ihren niedrigeren Kupfergehalt und entspricht damit in der Zusammensetzung der erfindungsgemäß herzustellenden Legierung. Der niedrigere Kupfergehalt führt zu einer verbesserten anodischen Oxydierbarkeit der Legierung gemäß Beispiel 2.

Erfindungsgemäß kann also durch Verwendung einer :o nitridierten Vorlegierung, die in einem kleinen, für hohe Temperaturen ausgelegten Schmelzofen nitridiert worden ist, eine nitridierte Legierung bei niedrigen Temperaturen in einem metallurgischen Ofen für niedrige Temperaturen leicht hergestellt werden, und die auf diese Weise erhaltene nitridierte Legierung besitzt gegenüber früheren Legierungen überlegene Eigenschaften. So können Legierungen mit Hilfe von normalen Verfahren hergestellt werden, die nicht umständlich, sondern sehr wirtschaftlich sind, und es 3η kann außerdem Energie eingespart werden. Selbst Industrien, die nur herkömmliche Öfen zur Verfügung haben, können die Aluminiumlegierungen mit hoher Zugfestigkeit gemäß der Erfindung leicht herstellen, da sie lediglich mit den Vorlegierungen A oder B versorgt zu werden brauchen.

Im allgemeinen besitzen die nitridierten Legierungen die Eigenschaft, daß sie zu einer stark erhöhten Härte und Zugfestigkeit führen, was wahrscheinlich auf der verbesserten inneren Spannung beruht. Diese Eigenschaft führt jedoch auch zu einer leichteren Entmischung, und Gießlinge aus den genannten Legierungen neigten bisher zur Rißbildung, so daß es schwierig war, gute Produkte mit hoher Wirksamkeit zu erzeugen.

Bei dem Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung jedoch werden einige Schmelzschritte nacheinander wiederholt, und durch das Einblasen von gasförmigem Stickstoff in die Schmelze wird ein wirksames Aufrühren verursacht, bzw. die Schmelzschritte werden bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt, so daß nicht nur die Entmischung auf ein Minimum herabgesetzt wird, sondern auch die Rißbildung beim Gießen verhindert wird. Auf diese Weise ist mit den erfindungsgemäß hergestellten Produkten ein kontinuierliches Gießen möglich geworden, das bisher schwierig durchzuführen war, und es werden die erwünschte Gleichmäßigkeit der Zusammensetzung und Feinstruktur, die erforderlich sind, um die nitridierten Legierungen mit den ausgezeichneten Eigenschaften zu liefern, erzielt.

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung einer ausscheidungshärtbaren nitridier ;n Aluminiumlegierung, bestehend im wesentlichen aus 3,2 bis 8,0% Zink, 1,2 bis 4,5% Magnesium, 0,1 bis 1,0% Kupfer, 0,1 bis 0,5% Chrom, 0,01 bis 1,2% Zirkonium und/oder Titan, 0,2 bis 1,2% Nickel oder Kobalt, 0,02 bis 1,0% Beryllium, 0,005 bis 0,2% Bor und Aluminium als Rest, dadurch gekennzeichnet, daß metallisches Aluminium mit einer nitridierten Vorlegierung A und demjenigen oder denjenigen der Metalle Kupfer, Magnesium und Zink, das bzw. die in der nitridierten Vorlegierung A nicht vorhanden ist bzw. sind, zusammenlegiert wird, wobei die nitridierte Vorlegierung A durch Zusammenlegieren der Metalle Chrom, Zirkonium und/oder Titan, Nickel oder Kobalt, Beryllium, Bor und Aluminium sowie gegebenenfalls eines oder mehrerer der Metalle Zink, Magnesium und Kupfer hergestellt wird, so daß die Menge der einzelnen Metalle, außer Aluminium, in der Vorlegierung A zwei- bis zehnmal so groß wie die in der Endzusammensetzung ist, und in die Legierungsschmelze bei 800 bis 1200° C ein Nitridierungsgas aus molekularem Stickstoff, einer zersetzlichen gasförmigen Stickstoffverbindung oder einem Gemisch daraus, eingeblasen wird.

2. Verfahren zur Herstellung einer ausscheidungshärtbaren nitridierten Aluminiumlegierung, bestehend im wesentlichen aus 3,2 bis 8,0% Zink, 1,2 bis 4,5% Magnesium, 0,1 bis 1,0% Kupfer, 0,1 bis 0,5% Chrom, 0,01 bis 1,2% Zirkonium und/oder Titan, 0,2 bis 1,2% Nickel oder Kobalt, 0,02 bis 1,0% Beryllium, 0,005 bis 0,2% Bor und Aluminium als Rest, dadurch gekennzeichnet, daß metallisches Aluminium mit einer nitridierten Vorlegierung B zusammenlegiert wird, die durch Zusammenlegieren einer nitridierten Vorlegierung A gemäß Anspruch 1 mit demjenigen oder denjenigen der Metalle Kupfer, Magnesium und Zink, das bzw. die in der Vorlegierung A nicht vorhanden ist bzw. sind, hergestellt wird, so daß die Menge der einzelnen Metalle außer Aluminium in der Vorlegierung B zwei- bis zehnmal so groß wie die in der Endzusammensetzung ist.