DE2829874C2 - Verwendung einer Kupfer-Mangan-Cadmium-Aluminium-Legierung - Google Patents

Description

\'i sowie mindestens einem Element aus der Gruppe:

I* 0,1 bis 0,4% Zr,

rf 0,1 bis 0,2% V,

Ev Rest Aluminium einschließlich Verunreinigungen, die nach langsamer Abkühlung von der Lösungsglüh-

U. temperatur während 2 bis 30 h, vorzugsweise 15 bis 26 h, bei 170 bis 195° C ausgelagert Ist, für zähe strang-

'i gepreßte Gegenstände.

^!-'i 2. Verwendung einer Kupfer-Mangan-Cadmlum-Alumlnlum-Leglerung, bestehend aus

f: 4,4 bis 4,7% Cu,

S^;i 0,4 bis 0,7% Mp,

■; 0,13 bis 0,17% Cd,

''■' bis 0,17% Sl,

■; ^2S bis 0,17% Fe,

sowie mindestens einem Element aus der Gruppe:

;: 0,17 bis 0,22% Zr,

■^; ■" 0,13 bis 0,17% V,

Rest Aluminium einschließlich Verunreinigungen, die nach Anspruch 1 behandelt Ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung der Legierungen nach Anspruch 1 und 2 für preßgeschweißte Gegenstände. '.; ⁱ⁵ 4. Verwendung einer Kupfer-Mangan-Cadmlum-Alumlnium-Leglerung, bestehend aus

2,0 bis 5,5% Cu.
0,1 bis 0,5% Mn,
0,05 bis 0,15% Cd,
⁴⁰ 0.1 bis 0,2% Zr,

Rest Aluminium einschließlich Verunreinigungen, die nach Lösungsglühen bei 530° C während 6 h in Wasser bei Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend bei 190° C bis zur Höchslhärte ausgelagert Ist, für zähe stranggepreßte Gegenstände.
^Ai 5. Verwendung der Legierungen nach Anspruch 4 für preßgeschweißte Gegenstände.

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer CuMnCd-AI-Leglerung.

Alumlnlumleglerungen auf der Basis AlCu gehören bekannterweise zur Gruppe der sogenannten hochfesten Alumlnlumleglerungen. Ihr Hauptanwendungsgebiet Hegt vor allem Im Bereich des Flugzeugbaus. Um die Aushärtbarkelt derartiger Legierungen zu verbessern. Ist bereits seit einigen Jahrzehnten bekannt, daß bei AICu-Leglerungen durch Magnesiumzusätze sowohl die Kalt- wie auch die Warmaushärtung beschleunigt wird. Durch den Magnesiumzusatz wird außerdem bei Kalt- wie bei Warmaushärtung das erreichbare Festigkeitsniveau wesentlich erhöht. Welter werden bei der Warmaushärtung von Mg-haltlgen AICu-Leglerungen anstelle der Θ"- und Θ'-Phasen der binären Legierung thermisch stabilere, magneslumhaltlge Zwischenphasen 5" und S' gebildet; daraus resultiert eine höhex Warmfestigkeit.

Warmausgehärtete, magneslumhalllge AICu-Leglerungen weisen jedoch eine sehr schlechte Zähigkeit, sowie eine ausgeprägte Anfälligkeit gegen Interkristalline Korrosion und Spannungsrißkorrosion auf. Als weitere Nachteile der AICuMg-Legierungen sind die sehr schlechte Umformbarkelt und Insbesondere die schlechte Preßbarkeit zu nennen Dadurch wird die Herstellung von kompilierten Strangpreßprofllen verunmögllcht.

Es wurde nun versucht. Magnesium als Leglerungsclemcnt durch Cadmium zu ersetzen. So sind z. B aus der CH-PS 3 18 523 und der GB-PS 7 09 527 bereits AICuCil-Leglerungen mit weiteren Zusätzen an Magnesium. Zinn, Mangan, Elsen, Silizium und mil weiteren Verunreinigungen und Zusätzen an Zink. Nickel, Chrom. Molybdän, Zirkon, Beryllium, Cer, Bor, Titan, Silber und Blei bekannt

Aus der bereits erwähnten CH-PS 3 18 523 Ist nun bekannt, daß Legierungen des Typs AlCuCd gegenüber Legierungen des AICuMg-Typs einige Vorteile /eigen:

Sie können ζ. B. durch Walzen, Ziehen, Schmieden warm bearbeitet werden, ohne daß sich Risse bilden. Die Verformung kann mit größerer Geschwindigkeit durchgeführt werden.

Die AlCuCd-Leglerungen zeigen im bearbeiteten Zustand weniger anisotrope Eigenschaften als Legierungen des AlCuMg-Typs.

Aus den erwähnten Literaturstellen geht somit allgemein - wenn z. T. auch nur andeutungsweise - hervor, daß AlCuCd-Legierungen sich aufgrund Ihrer mechanischen Eigenschaften wie

hohe Festigkeit

gute Umformbarkelt gutes Korrosionsverhalten, Insbesondere gegen Spannungsrißkorrosion und interkristalline Korrosion

als Konstruktionslegierungen hervorragend eignen müßten. Trotz diesen Erkenntnissen konnten AlCuCd-Leglerungen bis anhin nicht In die Praxis eingeführt werden, weil sie für die Lösung praxisbezogener Aufgabenstellungen nicht genügten. Dies liegt insbesondere darin begründet, daß das Zusammenwirken der drei Eigenschaf- is ten Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit nicht oder nur ungenügend beachtet wurde. Die beiden erwähnten Patentschriften lehren bezüglich der Legierungselemente eine derartige Vielfalt an Kombinationsmöglichkeiten In großen Konzentrationsbereichen, daß sie dem Fachmann - bis auf die oben diskutierten, allgemein gehaltenen Hinwelse - keine für die Praxlf brauchbare Lehre anbieten.

Aus dem Fachbuch Landolt-Börnsteln »Zahlenwerte und Funktionen Technik. 2. Teil, Bandteil c, ^o

Leichtmetalle...«, 1965, S. 77 und 110, Ist es bekannt, daß u.a. Mn, Zr und V in Alumlnlumlegierungen die Warmfestigkeit verbessern.

Somit haben sich die Erfinder die Aufgabe gestellt, für die Verwendung einer Legierung des Typs CuMnCdAl die Zähigkeitseigenschaften zu verbessern, um sie für das Strangpressen und Preßschweißen geeignet zu machen. Diese Legierung soll außerdem ausreichende Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit besitzen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Legierung nebst üblichen Verunreinigungen als Legierungselemente

Kupfer 4,0 bis 5,0%, vorzugsweise 4,4 bis 4,7%

Cadmium 0,1 bis 0,2%, vorzugsweise 0,13 bis 0,17% Mangan 0,2 bis 1,0%, vorzugsweise 0,4 bis ü,7%

und mindestens eines der Elemente

Zirkonium 0,1 bis 0,4%, vorzugsweise 0,17 bis 0,22% ■"

Vanadium 0,1 bis 0,2%, vorzugsweise 0.13 bis 0,17%

enthält.

Die aufgabegemäß angestrebten Eigenschaften werden durch die Leglerungs- und Wärmebehandlungsvorschriften gelöst. ■»«

Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung weist noch weitere günstige Eigenschaften auf, beispielsweise:

Die Legierung läßt sich durch Strangpressen gut auch zu komplizierten Profilen verpressen.

Die Legierung läßt sich preßschweißen, d. h. sie ist auch zur Herstellung von Rohren geeignet. -»5

Die Legierung zeigt eine außerordentlich gute Warmfestigkeit.

Die Legierung kann von der Strangp^eßtemperatur mittels Wasser abgeschreckt und zu einem späteren Zeltpunkt, z. B. nach einer spanabhebenden Bearbeitung, ausgehärtet werden.

Von den bekannten AlCu- bzw. AICuMg-Leglerungen weisen die hochwarmfesten Werkstoffe entweder eine niedrige Festigkeit bei Raumtemperatur - z. B. AA 2219-T6*) - oder eine geringe Zähigkeit - z. B. AA 2618-T6 *) - auf. Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung weist demgegenüber sowohl eine hohe Festigkeit bei Raumtemperatur wie auch eine hohe Warmfestigkeit und eine gute Zähigkeit auf. Das Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Legierung liegt vor allem Im Bereich hochbeanspruchter Konstruktionsteile, wie sie z. B. Im Flugzeugbau auftreten.

Die Auswertung zahlreicher Versuche an Konstruktionsteilen aus Alumlnlumlegierungen mit Kupfer als Hauptleglerungsbestandtell hat zur Erkenntnis geführt, daß durch die Einführung eines werkstoffabhängigen Konstruktionsfaktors 5» nach der Gleichung

S_k = </W^A · ^{RFE (1}"

wo R^₂ die 0,2%-Der.ngrenze, (s. DIN 50 145)

A ein konstruktlonsbezogener Gewichtungsfaktor, dessen Wen bevorzugt zwischen 2 und 2,5 liegt, und RFE die Rlßfortschrltlsenergle (U.S.-Ni-.vy-Tear-Tesl)

*) (s. Tabelle Vl)

ein Werkstoff In bezug auf seine Verwendbarkeit für hochbeanspruchte Konstruktionstelle charakterisiert werden kann. Dieser empirisch ermittelte Konslruktlonsfaktor S_k zeigt bei der erfindungsgemäßen zu verwendenden Legierung eine extreme Abhängigkeit vom Kupfergehalt und wird ebenfalls durch den Gehalt an Cadmium beeinflußt. Das Maximum der Funktion S_k In Abhängigkell vom Kupfergehalt, welches die optimale Kombination von Festigkell und Zähigkeit darstellt, liegt bei einem Kupfergehalt von etwa 4%. Aus ökonomischen Gründen ist ein Kupfergehalt von weniger als 4% nicht sinnvoll, da die zur Auslagerung benötigte Zeltdauer zu groß wird. Andererseits fällt S_k oberhalb eines Kupfergehalles von etwa 4,7% stark ab. Der praktisch brauchbare Bereich des Kupfergehaltes liegt somit zwischen 4 und 5%.
Steigende Cadmlumgehalte erhöhen ebenfalls das Festlgkelisnlveau der zu verwendenden Legierungen ohne eine Zähigkeitsverminderung zu bewirken; die obere Grenze des Cadmlumgehaltes von 0,2% 1st durch die bei hohen Cadmiumgehalten auftretende Warmrlßnelgung sowie die stark abnehmende Korrosionsbeständigkeit gegeben.

Zur Erlangung hoher Zählgkeltswerie hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Gehalte an Elsen und Silizium auf maximal je 0,5%, vorzugsweise auf maximal je 0,17% zu beschränken.

^iS Festigkeit und Zähigkeit - letztere ausgedrückt durch die Rlßforlschrittsencrgic - zeigen Im weiteren eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Auslagerungstemperatur und -dauer. Es besteht somit die Möglichkeit, durch geeignete Wahl der Auslagerungstemperatur bzw. -dauer die Kombination von Festigkeit und Zähigkeit - ausgedrückt als Konstruktionsfaktor S_k gemüß vorstehender Gleichung - innerhalb bestimmter Grenzen zu ändern. Hierzu gehören auch die thermomechanlschen Behandlungen.

In erster Näherung üben Mangan, Zirkon und Vanadium keinen Einfluß auf die Festigkeit aus.

Mangan, Zirkon und Vanadium erhöhen jedoch die Warmfestigkeit und Kriechbeständigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung beträchtlich. Dies Ist auf die thermisch stabilen Alumlnlde der Elemente Mn, Zr und V zurückzuführen. Der Teilchendurchmesser dieser Alumlnlde liegt zwischen 0,1 und 1 μιη. Sie erhöhen zugleich drastisch die Zähigkeit, indem sie einerseits die Gleitung Innerhalb der Körner besser verteilen

^:? und andererseits das Kornwachstum hemmen.

Die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung zeigt, wie alle Legierungen auf AICu-Basls, eine gewisse Anfälligkeit gegen Lochfraßkorrosion. Die Beständigkeit gegen Spannungsrißkorrosion hängt in außerordentlichem Maße von der durchgeführten Wärmebehandlung, d. h. vom Aushärtungszustand ab. So wurde gefunden, daß die Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit auch im luftabgekühlten Zustand, d. h. nach langsamer Abkühlung von der Lösungsglühtemperatur nach einer Auslagerung während 2 bis 30 Stunden, vorzugsweise 15 bis 26 Stunden bei 170 bis 195° C, außerordentlich befriedigend 1st.

Bekanntlich ist die Preßbarkeit von AICu-Leglerungen, Insbesondere des AlCuMg-Typs, wesentlich schlechter als diejenige von gutumformbaren Legierungen, wie beispielsweise des Typs AlZnMg. Für den Fachmann völlig unerwartet wurde nun gefunden, daß bei den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen das Umformverhalten durch Strangpressen sowohl bezüglich Umformbarkelt wie auch bezüglich Umformwiderstand demjenigen von AlZnMg-Leglerungen vergleichbar Ist.

Dies eröffnet den erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen ein weites Anwendungsfeld Im Gebiet hochbeanspruchter Konstruktionstelle. Als weiterer Vorteil gegenüber den bekannten AlCu-Werkstoffen Ist die Möglichkeil der Preßschwelßung zu nennen, die - in Kombination mit dem guten Umformverhalten - die Herstellung komplizierter Hohlproflle durch Strangpressen ermöglicht.

Die Vorteilhaftigkelt der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung wird nachfolgend anhand von 4 Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Es wurden vier Legierungsreihen A, B, C, D mit variablem Kupfergehalt zwischen 2,0 und 5,5% hergestellt, wobei die Konzentrationen der Elemente Cadmium, Mangan und Zirkon in jeder Legierungsreihe konstant gehalten wurden Die vier Legierungsreihen sind in Tabelle I zusammengestellt.

^Ml T.holU 1

	Cu	Cd	Mn	Zr
A	2,0 - 5,5%	0,05%	0,50%	0,20%
B	2,0 - 5,5%	0,10%	0,50%	0,20%
C	2.0 - 5,5%	0,15%	0,50%	0,20%
D	2,0 - 5,5%	0,15%	0,10%	0,10%

Die Legierungen wurden bei 530° C während 6 h lösungsgeglüht, in Wasser bei Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend bei 190° C bis zur Höchsthärte ausgelagert.
Flg. 1 zeigt die Abhängigkeit des Konsiruktlonsfaktors

S_A = (R₁₁₀₂)² ■ RFE

vom Kupfergehalt C_c„ für die bei 190° C bis zur Höchsthärte ausgelagerten Legierungen der vier Leglerungsrelhen.

Aus Tig. 1 gehl hervor, dall bei konstantem Kuplcrgchali eine !-!rhöhung der Konzentration der Elemente Cadmium, Mangan und Zirkon den Faktor S, vergrößert. Ebenso wird deutlich, daß der höchstzulässige Kuptergehalt für eine günstige Kombination von Festigkeit und Zähigkeit bei etwa 5% liegt.

B e I s ρ I e I 2

Aus einer erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung sowie einer Legierung des Typs AA 2017 - die Zusammensetzungen der beiden Legierungen gehen aus Tabelle II hervor - wurden Bolzen von 216 mm Durchmesser und 410 mm Länge gegossen und versucht, diese zu einem Profil mit dem Querschnitt 200 mm χ 4 mm zu vorpressen.

Tabelle II

Cu

Cd

Mg Mn Zr

erfindungsgemäß 4,5% zu verwendende Legierung

AA 2017 4,1%

0,15%

0,50% 0,20%

0,5% 0,5 %

Die Bolzentemperatur betrug für beide Legierungen 410° C.

Während sich die erfindungsgemäß zu verwendende Legierung ohne weiteres bei einem Preßdruck von 225 bar verpressen ließ - die Austrittsgeschwindigkeit des Profils betrug 5 m/mln -, konnte die Legierung vom Typ AA 2017 trotz Erhöhung des Preßdruckes auf 270 bar nicht verpreßt werden.

Beispiel 3

Es wurde die Warmfestigkeit und das Kriechverhalten einer erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung mit der in Tabelle Il angegebenen Zusammensetzung im Wärmebehandlungszusland T6 bestimmt.

Hierzu wurde auf bekannte Welse die 0,2'\,-Dehngrenze R^" nach 1000 h Lagerung bei Prüftemperatur sowie die Zeituruchfestigkeit RjJ°°^hnach 1000 h Belastung bei Prüftemperatur bestimmt.

Zum Vergleich wurden entsprechende Llteraturwerte für die Legierungen AA 7075 - T6 und AA 2618 - T6 (s. Tabelle VI) herangezogen.

Die Werte sind In den Tabellen III und IV zusammengestellt.

Tabelle III

R₁ ¹,",""" (N/mm·¹) 150⁰C 200° C

250°C

AA 2618-T6	320	220	180
AA 7075 - T6	270	150	80
erfindungsgemäß zu verwendende Legierung — T6	340	200	160
Tabelle IV
	r:	(N/mm-')
	150° C	2000C	250° C
AA2618-T6	250	140	80
AA 7075 - T6	170	60	40
erfindungsgemäß zu verwendende Legierung — T6	340	150	100

Beispiel 4

Von einer erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung mit der in Tabelle II angegebenen Zusammensetzung wurden mit den aus Tabelle V ersichtlichen Warmauslagerungen drei Varianten des Wärmebehandlungszustandes T6 erzeugt.

Tabelle V

Warmauslagerung

a 175° C/ 8 h

b 190⁰C/ 8 lh

c 160°C/48h

Mit diesen Varianten wurde auf bekannte Welse eine Spannungsrlßkorroslons-Prüfung mit Schlaufenproben durchgeführt. Die Prüfspannung betrug jeweils 0,75 ■ R_p0.2-

In Flg. 2 ist die Lebensdauer ι In Tagen In Abhängigkeit der angelegten Spannung 0,75 ■ K₁₁₀₂ dargestellt. Die Punkte stellen Mittelwerte aus je 10 Proben dar; ein Pfeil bedeutet kein Bruch nach der maximalen Prüfdauer von 90 Tagen.

Zum Vergleich Ist der aus Literaturwerten zusammengestellte Streubereich für die Legierungen AA 7075 - T6 und AA 2014 - T6 (s. Tabelle VI) ebenfalls dargestellt (Prüfspannung R).

Die gegenüber den Legierungen vom Typ AA 7075 und AA 2014 viel größere Beständigkeit der erfindungsgemäß zu verwendenden Legierung gegen Spannungsrißkorrosion geht aus Flg. 2 deutlich hervor.

Tabelle VI

Gemäß AA (Alumium Association)-Knetlegierungstabelle, Ausgabe vom 1. Juli 1981 Angaben in Gew.-%

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Zr Ni

.10-.25

2014	.50-1	1.2	- .7	3.9-5.0	.40-1	.2	.20- .8	.18-.28	- .25
2017	.20-	.8	- .7	3.5-4.5	.40-1	.0	.40-1.0	- .25
2219	-	.20	- .30	5.8-6.8	.20-	.40	- .02	- .10
2618	.10-	.25	.9-1.3	1.9-2.7			1.3 -1.8	- .10
7075	_	.40	- .50	1.2-2.0	_	.30	2.1 -2.9	5.1-6.1

Tb: Lösungsgeglüht, abgeschreckt und wurmausgelagerl

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentansprüche: j? 1. Verwendung einer Kupfer-Mangan-Cadmium-Alumlnlum-Leglerung, bestehend aus

   % ⁵ 4,0 bis 5,0% Cu,

   .1: 0,2 bis 1,0% Mn.

   1 0,1 bis 0,2% Cd,

   p bis 0,5% Sl,

   If bis 0,5% Fe,