DE2817978C2

DE2817978C2 -

Info

Publication number: DE2817978C2
Application number: DE2817978A
Authority: DE
Inventors: Neil E. Paton; C. Howard Thousand Oaks Calif. Us Hamilton
Original assignee: Rockwell International Corp
Current assignee: Boeing North American Inc
Priority date: 1977-04-25
Filing date: 1978-04-24
Publication date: 1989-01-19
Also published as: AU513778B2; DE2817978A1; NO149741B; JPS53132420A; CH638834A5; US4092181A; JPS616141B2; GB1603573A; FR2388893B1; NO781373L; AU3538578A; US4092181B1; FR2388893A1; CA1098806A; NO149741C

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Gefüges in einer aushärtbaren Aluminiumlegierung.

Aus der US-PS 32 19 491 ist die thermische Behandlung von Aluminium-Mangan-Legierungen eines Typs, der üblicherweise nicht durch Lösungsbehandlung und nachfolgende Ausscheidungsbehandlung ausgehärtet wird, beschrieben. Dieser Legierungstyp unterscheidet sich prinzipiell von dem erfindungsgemäß eingesetzten Typ einer aushärtbaren Aluminiumlegierung.

Eine Übersicht über Vorgänge im Gefüge und Atomanordnung im Verlauf der wichtigsten Stadien der Fertigung von Walzhalbzeug aus Aluminiumlegierungen findet sich in der Druckschrift "Aluminium von innen betrachtet", 1970, Anhang, Tabelle.

Ein feinkörniges Gefüge führt bei den meisten Metallen zu einer Verbeserung der mechanischen Eigenschaften.

Darüber hinaus kann die Formbarkeit verbessert werden, indem die Orangenschalenstruktur eliminiert wird. Bei einer Vielzahl von Legierungen kann man durch Ausbildung eines Feinkorngefüges Superplastizität herbeiführen. Legierungen, welche zu Spannungsrißkorrosion neigen, insbesondere verschiedene durch Ausscheidung härtbare Aluminiumlegierungen, zeigen eine verringerte Neigung zur Spannungsrißkorrosion, wenn ein Feinkorngefüge vorhanden ist. Eine Kornverfeinerung ist jedoch bei Aluminiumlegierungen schwer zu erreichen, und die meisten Versuche zur Erzielung einer feinen Korngröße durch herkömmliche mechanische Verformung und durch Rekristallisation unter Erhitzung haben nur zu einem rekristallisierten Material geführt, welches die ursprüngliche grobe Korngröße mit großen pfannkuchenartigen Körnern aufweist. Kürzlich wurde in einem Artikel von Waldman, Sulinski und Marcus, "The Effect of Ingot Processing Treatment on the Grain Size and Properties of Al Alloy 7075", Metallurgical Transactions, Band 5, März 1974, Seiten 573-584 über einen begrenzten Erfolg mit der Aluminiumlegierung 7075 berichtet. Die Behandlung, über die in dem Artikel berichtet wird, erfordert eine Homogenisierung während längerer Zeit bei hoher Temperatur zum Zwecke der Ausscheidung von Chrom vor dem langsamen Abkühlen zum Zwecke der Ausscheidung von Zn, Mg und Cu. Die 7075-Aluminiumlegierung wird sodann unter Erhitzen mechanisch verformt und rekristallisiert, um die Korngröße zu verfeinern. Dieses herkömmliche Verfahren ist äußerst zeitaufwendig und auf Legierungen beschränkt, welche spezifische Elemente, wie Chrom, enthalten. Darüber hinaus führt das herkömmliche Verfahren nicht zu einer genügend feinen Kongröße.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Verfeinerung der Korngröße bei aushärtbaren Aluminiumlegierungen zu schaffen, welches weniger zeitaufwendig ist als herkömmliche Verfahren und zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führt, insbesondere der Festigkeit und der Ermüdungsbeständigkeit sowie zur Verbesserung der Spannungsrißkorrosionsfestigkeit und zur Verbesserung der Formbarkeit.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläuert. Es zeigt

Fig. 1 eine Mikrofotografie des Mikrogefüges einer erhältlichen 7075-Aluminiumlegierung typischer Korngröße und

Fig. 2 eine Mikrofotografie des Mikrogefüges einer 7075-Aluminiumlegierung, welche nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt wurde.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Legierung zunächst in herkömmlicher Weise zur Ausbildung einer festen Lösung behandelt. Dies geschieht in genau der gleichen Weise wie bei der herkömmlichen Ausscheidungsaushärtung. Dabei erhält das Material einen grobkörnigen Zustand. Anstelle der üblichen Ausscheidungs-Härtungs-Behandlung (Alterungsbehandlung bei niedriger Temperatur zur Erzeugung fein verteilter Ausscheidungen mit einem Abstand von 0,01 bis 0,05 µm zur Steigerung der Festigkeit der Legierung) wird das Material nunmehr erfindungsgemäß einer Hochtemperatur-Ausscheidungs-Behandlung unterworfen. Diese Behandlung wird als Überalterung bezeichnet. Sie führt zu einer etwas gröberen Verteilung der Ausscheidungen mit einem Abstand von etwa 0,5 bis 1,0 µm. Nunmehr wird das Material plastisch verformt (geknetet), und zwar in einem ausreichenden Ausmaß zur Herbeiführung von Gitterspannungen, welche für die Rekristallisation erforderlich sind. Es ist erwünscht, das Material in solchem Maße zu verformen, daß die Dicke um mehr als 40% verringert wird.

Dies ist jedoch nicht immer möglich, z. B. im Falle des Schmiedens bestimmter Bauteile. In diesen Fällen wird eine Verringerung von mindestens 15% dazu beitragen, die Korngröße herabzusetzen, obgleich in diesem Falle die optimale Verformung nicht erzielt wird. Schließlich wird das unter Verformung verarbeitete Material über die Rekristallisationstemperatur erhitzt, um eine Rekristallisation zu induzieren. Nunmehr kommt es auf den während der vorhergehenden Überalterungbehandlung ausgebildeten Ausscheidungen zu einer Keimbildung für neue Kristalle. Es hat ferner den Anschein, daß diese Ausscheidungen sich im Sinne einer Verzögerung eines weiteren Kristallwachstums auswirken.

Fig. 2 zeigt ein Feinkorngefüge (Kristalle mit einer Größe von etwa 10 µm), welches mit den oben beschriebenen Behandlungsstufen erzielt wird. Demgegenüber zeigt Fig. 1 das Korngefüge einer in herkömmlicher Weise behandelten Aluminiumlegierung mit einer Kristallgröße von mehr als 100 µm. Das gebildete Feinkorngefüge ist stabil und kann nachfolgend in üblicher Weise einer Wärmebehandlung unterworfen werden.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, daß vor der Stufe der Verformung und der Stufe der Rekristallisation eine zweckentsprechende Ausscheidungsverteilung erhalten wird. Wenn die Ausscheidungen genügend grobkörnig sind, und einen Abstand von etwa 0,5 bis 1,0 µm haben, so wirken sie als Keime für neue Kristalle und sie führen somit zu einem feinen stabilen Kristallgefüge. Eine derartige Verteilung von Ausscheidungen kann bei jeder durch Ausscheidung härtbaren Aluminiumlegierung herbeigeführt werden. Daher eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren zurAnwendung bei allen Aluminiumlegierungen, welche durch Ausscheidung härtbar sind.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1 Aluminium-Legierung 7075

Bei der Legierung 7075 handelt es sich um eine Ausscheidungshärtungs-Legierung auf Aluminiumbasis, welche nominell 5,5% Zn, 2,5% Mg, 1,5% Cu und 0,3% Cr enthält. Zur Herstellung der festen Lösung wird diese auf 460°C bis 498°C während 3 h erhitzt und dann mit Wasser abgeschreckt, um die ausscheidbaren Komponenten in Lösung zu halten. Es folgt eine normale Ausscheidungs-Härtungs-Behandlung einer 7075-Legierung bei 115°C bis 126°C während 23 bis 28 h. Dabei erhält man feine Ausscheidungen mit einem Abstand von nur 0,01 bis 0,05 µm. Diese herkömmliche Ausscheidungs-Aushärtung führt zu einer guten Festigkeit der Legierung. Sie führt jedoch nicht zu einer feinen Korngröße. Aus diesem Grunde folgt man nicht der herkömmlichen Behandlungsweise, sondern man unterwirft die der Lösungsbehandlung unterzogene Legierung bei 371 bis 427°C (vorzugsweise 398°C) während etwa 8 h einer Überalterung. Dies führt zu einer etwas groben Verteilung der Ausscheidungsteilchen mit einem Abstand von etwa 0,5 bis 1,0 µm.

Danach wird die überalterte Legierung plastisch verformt, um das Gitter unter ausreichende Spannungen zu setzen, damit eine Rekristallisation des Gefüges stattfinden kann. Bei einer 7075-Legierung ist eine 40%ige bis 80%ige Verringerung der Dicke beim Heißwalzen bei 204 bis 260°C befriedigend. Schließlich wird das verformte Material während 1 bis 4 h auf 460 bis 482°C erhitzt, um das Feinkorngefüge gemäß Fig. 2 durch Rekristallisation zu bilden. Das Ergebnis dieser Behandlung ist ein stabiles Feinkorngefüge, welches nachfolgend in üblicher Weise einer Wärmebehandlung unterzogen werden kann.

Beispiel 2 Aluminium-Legierung 2219

Bei der Legierung 2219 handelt es sich um eine durch Ausscheidungen härtbare Aluminiumlegierung mit einem Mengengehalt von 6,3% Cu, 0,3% Mn, 0,06% Ti und 0,10% V. Sie wird während mindestens 20 min bei 529 bis 540°C einer Lösungsglühbehandlung unterzogen und dann mit Wasser abgeschreckt. Danach wird die Legierung bei einer Temperatur zwischen 196 und 529°C, je nach der Dauer der Alterung, einer Überalterung unterzogen. Bei den meisten Anwendungen ist eine Überalterung während 8 h bei 398 bis 454°C ausreichend. Die überalterte Legierung wird sodann bis zu mindestens 40% plastisch verformt, und zwar bei einer Temperatur, welche geringer ist als die Temperatur, bei der die Überalterung stattgefunden hat. Die plastische Verformung geschieht durch Warmwalzen oder Schmieden. Sodann erfolgt eine Rekristallisierung, indem man die Legierung bei einer Temperatur hält, welche über der minimalen Rekristallisationstemperatur liegt, aber unterhalb der Schmelztemperatur, z. B. bei 501°C. Das gebildete feinkörnige Gefüge kann nach herkömmlichen Verfahren einer Lösungsbehandlung und Alterungs-Härtung unterzogen werden.

Beispiel 3 Aluminium-Legierung 2014

Die Legierung 2014 ist eine durch Ausscheidungen härtbare Aluminiumlegierung mit einem Nenngehalt von 4,4% Cu, 0,8% Si, 0,8% Mn und 0,4% Mg. Sie wird während mindestens 20 min einer Lösungsglühbehandlung bei 496 bis 507°C unterzogen und bei maximal 100°C mit Wasser abgeschreckt. Sodann wird die Legierung bei einer beliebigen Temperatur zwischen 182 und 496°C (vorzugsweise 316 bis 427°C) überaltert. Die niedrigeren Temperaturen erfordern wesentlich längere Zeiten. Die überalterte Legierung wird sodann bis zu einer Verringerung der Dicke um mindestens 40% verformt, und zwar bei einer Temperatur, welche gleich ist oder geringer als die Temperatur, bei der die Überalterung stattgefunden hat. Sodann wird die Legierung rekristallisiert, indem man sie bei einer Temperatur über der minimalen Rekristallisationstemperatur hält, welche nicht über der maximalen Lösungstemperatur von z. B. 427°C liegen soll. Wenn das Material von dieser Temperatur ausgehend mit Waser abgeschreckt wird, so erhält man ein Feinkorngefüge, welches einer Fällungsaushärtung bei der normalen Alterungshärtungstemperatur unterzogen werden kann.

Beispiel 4 Aluminium-Legierung 6061

Die Legierung 6061 ist eine durch Ausfällungen aushärtbare Aluminiumlegierung, welche nominell 1,0% Mg, 0,6% Si, 0,25% Cu und 0,25% Cr enthält. Sie wird bei 521°C bis 538°C einer Lösungsglühbehandlung unterzogen und nachfolgend mit Wasser abgeschreckt. Danach erfolgt eine Überalterung durch Erhitzen auf eine Temperatur von 316 bis 454°C, z. B. auf 343°C während 8 h. Die überalterte Legierung wird sodann bei einer Temperatur von z. B. 343°C oder darunter in einem genügenden Ausmaß verformt, damit die für die Rekristallisation erforderlichen Gitterspannungen zustande kommen. Das verformte Material wird sodann oberalb der minimalen Rekristallisationstemperatur jedoch unterhalb der Schmelztemperatur, z. B. bei 482°C rekristallisiert. Das gebildete Material hat ein stabiles Feinkorngefüge und kann nachfolgend in üblicher Weise einer Wärmebehandlung unterzogen werden.

Aus obigen Beispielen kann ein Durchschnittsfachmann leicht die jeweils richtige Wärmebehandlung und plastische Verformung für jede durch Ausfällung aushärtbare Aluminiumlegierung entwickeln, und zwar auf Grundlage der herkömmlichen Lösungsglühbehandlung und Ausfällungs-Aushärtungs-Behandlung. Die Tabelle 1 unten aus "Metals Handbook", Band 2, 8. Auflage, S. 272, American Society for Metals, zeigt Standardbehandlungen für eine Vielzahl von Aluminiumlegierungen außer den Legierungen 7049 und 7050, für welch letztere geschätzte Werte angegeben werden.

Der Ausdruck "Ausfällungs-Aushärtung" bezieht sich auf Ausfällungen, welche sich bei bestimmten Temperaturen und Zeitdauern entwickeln und den Legierungen optimale Festigkeitseigenschaften verleihen, wie in Tabelle 1 angegeben. Der Ausdruck "Überalterung" bezieht sich auf Ausfällungen, welche während längerer Zeiten und/oder bei höheren Temperaturen entwickelt wurden, als für die Ausfällungs-Aushärtung üblich. Die Beziehung zwischen der Zeit und der Temperatur für die Alterungs-Härtung von Aluminium-Legierungen ist wohlbekannt. Zum Beispiel erfordern niedrige Alterungstemperaturen längere Zeiten zur Erzielung äquivalenter Alterungsgrade, wie bei hohen Alterungstemperaturen und kurzen Haltezeiten. In gleicher Weise ist die Haltezeit bei der Lösungsglühbehandlung eine Funktion der Haltetemperatur, jedoch innerhalb eines engeren Temperaturbereichs.

Es ist ferner bekannt, daß die Rekristallisationstemperatur in Beziehung steht zum Ausmaß der plastischen Formänderung (durch mechanische Verformung oder Kaltverformung), welche in das Gitter eingeführt werden. Bei stark verformten Aluminiumlegierungen liegt die minimale Rekristallisationstemperatur über 316°C. In ähnlicher Weise variiert das Maß der plastischen Verformung, welche bei einer Legierung erforderlich ist, um die Rekristallisation herbeizuführen, je nach den übrigen Faktoren, z. B. der Rekristallisationstemperatur und der Zeitdauer, während der die Legierung bei der Rekristallisationstemperatur gehalten wird. Bei den meisten praktischen Anwendungen sollte das Ausmaß der plastischen Verformung, gemessen anhand der Verringerung der Dicke, über 15% liegen.

Tabelle I

Standard-Wärmebehandlungs-Bereiche für Aluminiumknetlegierungen

In der folgenden Tabelle II sind die Zusammensetzungen der Legierungen gemäß ASM Metals Handbook, 9th ed., angegeben.

Tabelle II

Das Material, welches zuvor vom Hersteller einer Lösungsglühbehandlung unterzogen wurde, kann direkt überaltert werden, ohne daß man die Lösungsglühbehandlung wiederholt. Auch Material, welches zunächst einer Lösungsglühbehandlung unterzogen wurde und dann einer Fällungs-Härtungs-Behandlung unterworfen wurde, kann direkt überaltert werden, ohne daß man eine zusätzliche Lösungsglühbehandlung durchführt, um die fein verteilten Ausfällungen wieder aufzulösen. Die vorstehenden Versuche zeigen, daß eine Lösungsglühbehandlung, gefolgt von einer raschen Abschreckung auf etwa Zimmertemperatur zu geeigneten Bedingungen für die Durchführung der Überalterung der Legierung führt. Eine weniger rasche Abkühlung oder eine Abkühlung direkt auf die Überalterungstemperatur ist jedoch bei einigen Anwendungenn ebenfalls befriedigend.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines feinkörnigen Gefüges in einer aushärtbaren Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf eine Lösungsglühtemperatur von 438 bis 541°C zur Auflösung mindestens eines Teils der ausgeschiedenen Bestandteile erhitzt, danach auf eine Temperatur unterhalb der Lösungsglühtemperatur abgekühlt, dann zur Bildung von Ausscheidungen einer Überalterungsbehandlung bei 127 bis 530°C, oberhalb der üblichen Aushärtungstemperatur, aber unterhalb der Lösungsglühtemperatur der Legierung unterworfen wird, danach bei oder unterhalb der Überalterungstemperatur mit einem Verformungsgrad von mindestens 15% verformt wird und schließlich bei 316 bis 541°C geglüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemäß dem Internationalen Legierungsregister der Aluminium Association genormte Aluminiumlegierung Nr. 2014, 2018, 2020, 2024 oder 4032 verwendet, bei 488 bis 516°C lösungsgeglüht, bei 166 bis 488°C überaltert, mit einem Verformungsgrad von mindestens 40% verformt und bei 316 bis 521°C geglüht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemäß dem Internationalen Legierungsregister der Aluminium Association genormte Aluminiumlegierung Nr. 2219, 6053, 6061, 6062, 6063, 6066 oder 6151 verwendet, bei 516 bis 541°C lösungsgeglüht, bei 177 bis 516°C überaltert, mit einem Verformungsgrad von mindstens 40% verformt und bei 316 bis 341°C geglüht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemäß dem Internationalen Legierungsregister der Aluminium Association genormte Aluminiumlegierung Nr. 7049, 7050, 7075, 7076, 7079 und 7178 verwendet, bei 438 bis 499°C lösungsgeglüht, bei 138 bis 438°C überaltert, mit einem Verformungsgrad von mindestens 40% verformt und bei 316 bis 499°C geglüht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Abkühlung und vor der Überalterung eine zusätzliche Aushärtungsbehandlung durchgeführt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach dem Lösungsglühen auf Zimmertemperatur abgeschreckt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach dem Lösungsglühen mit Wasser auf eine Temperatur von maximal 100°C abgeschreckt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung nach dem Lösungsglühen direkt auf die Überalterungstemperatur abgekühlt wird.