DE3329221A1

DE3329221A1 - Verbessertes alterungsverfahren fuer legierungen auf aluminiumbasis der reihe 7000

Info

Publication number: DE3329221A1
Application number: DE19833329221
Authority: DE
Inventors: Ralph Raymond 15208 Pittsburgh Pa Sawtell; James Thomas 15668 Murrysville Pa Staley
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1982-08-13
Filing date: 1983-08-12
Publication date: 1984-02-23
Also published as: US4431467A; FR2531979B1; DE3329221C2; FR2531979A1

Description

Verbessertes Alterungsverfahren für Legierungen auf Aluminiumbasis der Reihe 7000

Die Erfindung betrifft die thermische Behandlung von Legierungen auf Aluminiumbasis; sie betrifft insbesondere ein verbessertes Alterungsverfahren für eine Legierung auf Aluminiumbasis, die Zink, Magnesium und Kupfer als Legierungsbestandteile enthält.

Legierungen auf Aluminiumbasis, insbesondere Legierungen der Reihe 7000, die Zink, Magnesium und Kupfer enthalten, werden üblicherweise bei einer Temperatur von 399 bis 538°C (750 bis 1000⁰F) lösungsgeglüht. Dann wird die Legierung abgeschreckt, indem man sie kühler Luft, heißem Wasser oder kaltem Wasser aussetzt, um einen wesentlichen Anteil der darin gelösten Komponenten im Zustand einer festen Lösung zu halten. Die Abschrekkungsgeschwindigkeit wird durch mehrere Faktoren beeinflußt, beispielsweise die mögliche Induktion von Eigen-

Spannungen (Restspannungen) sowie die physikalischen Gesamtdimensionen des abzuschreckenden Formkörpers. Bestimmte physikalische Eigenschaften, insbesondere die Festigkeitseigenschaften, hängen von der Abschreckungsgeschwindigkeit ab. Insbesondere können niedrigere Abschreckungsgeschwindigkeiten bzw. -raten, die erforderlich sein können, um eine Induktion von Eigenspannungen (Restspannungen) zu vermeiden oder die erforderlich sein können wegen der physikalischen Masse des Formkörpers, die Festigkeitseigenschaften des resultierenden Formkörpers beträchtlich herabsetzen.

Üblicherweise werden Aluminiumformkörper, die wärmebehandelt und abgeschreckt worden sind, anschließend einem Alterungsprozeß unterworfen, um bestimmte physikalische Eigenschaften, beispielsweise die Festigkeitseigenschaften, zu verbessern. Obgleich die Alterung in ihrer einfachsten und traditionellen Form einfach darin bestehen kann, daß man das Material vor seiner Verwendung bei Umgebungstemperatur eine beträchtliche Zeitspanne liegen läßt, besteht die gebräuchlichere und wirtschaftlich vorteilhaftere Praxis heutzutage darin, daß man eine künstliche Alterung durchführt. Bei der künstlichen Alterung wird das wärmebehandelte und abgeschreckte Material bei einer erhöhten Temperatur, bezogen auf Raumtemperatur, gehalten, um die Alterung zu beschleunigen. Die Alterungstemperatur kann beispielsweise innerhalb des Bereiches von 66 bis 177⁰C (150 bis 350⁰F) liegen. Der Formkörper wird für eine Zeitspanne von beispielsweise 4

bis 24 Stunden bei dieser Temperatur gehalten und dann auf Raumtemperatur abkühlen gelassen.

Vor einiger Zeit wurde festgestellt, daß beträchtliche Verbesserungen in bezug auf bestimmte physikalische

Eigenschaften, wie z.B. die Beständigkeit gegen sP^an~.

nungskorrsosion, Spannungsrißbildung und Reißen, verbessert werden kann, wenn nach dem Lösungsglühen und nach dem Abschrecken die Alterung in zwei getrennten

Stufen bei zwei verschiedenen Temperaturen durchgeführt wird. So ist beispielsweise in der US-PS 3 198 676 ein zweistufiges Alterungsverfahren beschrieben, bei dem der Formkörper zuerst bei einer Temperatur von 79 bis 135°C (175 bis 275°F) für eine Zeitspanne von 3 bis 30 Stunden (je nach Zinkmenge) und danach bei einer Temperatur innerhalb des Bereiches von 157 bis 193⁰C (315 bis 380⁰F) für eine Zeitspanne von 2 bis 100 Stunden gealtert wird. Obgleich darin ein ziemlich breiter Temperaturbereich (79 bis 135°C bzw. 175 bis 275°F) für die Alterung in der ersten Stufe genannt ist, wird die praktische Durchführung der darin beschriebenen Erfindung nur erläutert an Hand einer Alterung, die in der ersten Stufe bei einer Temperatur von 107 bis 132°C (225 bis 270⁰F) durchgeführt wird.

Obgleich die praktische Durchführung des in der obengenannten US-PS beschriebenen Verfahrens zu verbesserten Eigenschaften führt, sind die erzielten Gesamt-Festigkeitseigenschaften noch immer zu niedrig für Aluminiumlegierungen, die mit einer geringen Geschwindigkeit bzw. Rate abgeschreckt worden sind.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verbessertes Verfahren zur Alterung von Legierungen auf Aluminiumbasis, die Zink, Magnesium und Kupfer enthalten, anzugeben. Ziel der Erfindung ist es ferner, ein verbessertes Alterungsverfahren zu schaffen, bei dem Formkörper aus einer Legierung auf Aluminiumbasis, die vorher einer Lösungsglühung und einer anschließenden Abschrekkung unterworfen worden sind, in einem dreistufigen Alterungsprozeß künstlich gealtert werden. Ziel der Erfindung ist es außerdem, ein verbessertes Alterungsverfahren anzugeben, bei dem Formkörper aus einer Legierung auf Aluminiumbasis in einem dreistufigen Alterungsprozeß gealtert werden, in dem die Temperatur, bei dem der Formkörper gealtert wird, mit jeder nachfolgenden Alterungsstufe erhöht wird.

Diese und weitere Ziele, Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen hervor. Es zeigen:

Fig. 1 ein Fließdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren erläutert; und

Fig. 2 ein Diagramm, das die praktische Durchführung der Erfindung bei zwei verschiedenen Tempera

turen der ersten Stufe im Vergleich zu bekannten Zweistufen-Verfahren bei verschiedenen Abschrekkungsgeschwindigkeiten bzw. -raten erläutert.

Erfindungsgemäß wird eine Legierung auf Aluminiumbasis, die Zink, Magnesium und Kupfer in legierenden Mengen enthält, nach der Lösungsglühung und nach dem Abschrekken in einem dreistufigen Verfahren gealtert.

Die Legierung auf Aluminiumbasis, allgemein bekannt als Legierung der Reihe 7000, besteht im wesentlichen aus Aluminium, 1,5 bis 14 Gew.-% Zink, 0,8 bis 3,8 Gew.-% Magnesium, 0,2 5 bis 2,6 Gew.-% Kupfer und mindestens einem zusätzlichen Legierungselement, ausgewählt aus der Gruppe 0,05 bis 0,4 Gew.-% Chrom, 0,1 bis 0,75 Gew.-% Mangan, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadin, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Molybdän und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Wolfram, wobei das Verhältnis von Magnesium zu Zink 0,2 bis 0,5 Gew.-Teile Magnesium pro Ge-

wichtsteil Zink beträgt.

Die Legierung auf Aluminiumbasis wird zu einem Formkörper mit der gewünschten Gestalt verarbeitet, bei dem es sich um ein Schmiedestück, ein Extrusionsstück oder eine Platte handeln kann. Der Formkörper aus der Legierung auf Aluminiumbasis wird dann einer Lösungsglühung unterworfen, bei der er auf Temperaturen innerhalb des Bereiches von 399 bis 538⁰C (750 bis 1000⁰F)₇ jedoch

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unterhalb des Bereiches des beginnenden Schmelzens erhitzt und dann in diesem Bereich für eine Zeitspanne gehalten wird, die ausreicht, um eine praktisch vollständige Auflösung der Zink-, Magnesium- und Kupferkomponenten zu erreichen. Im allgemeinen kann dies erreicht werden bei einer Zeitspanne von 3 oder 4 Minuten bis zu 10 Stunden, je nach Dicke des Formkörpers und je nachdem, ob die Oberfläche des Formkörpers direkt dem Heizmedium ausgesetzt ist. Auf diese Weise kann ein Formkörper mit einer Dicke von 1,2 7 cm (1/2 inch) innerhalb einer kürzeren Zeitspanne in einer Luftatmosphäre behandelt werden als ein solcher mit einer Dicke von 5,08 cm (2 inches).

Nach Beendigung der Wärmebehandlung wird der Formkörper durch Abschreckung schnell praktisch auf Raumtemperatur abgekühlt. Das Abschrecken kann darin bestehen, daß man den Formkörper mit kaltem Wasser, heißem Wasser oder mit Luft in Kontakt bringt, je nach der gewünschten Geschwindigkeit bzw. Rate der Abschreckung. Es sei darauf hingewiesen, daß eine schnelle Abschreckung für die Erzielung bestimmter physikalischer Eigenschaften zwar erwünscht ist, daß durch die Masse des Formkörpers jedoch die Anwendung einer sehr schnellen Abschreckung verhindert werden kann wegen der dadurch bewirkten Induktion von Eigenspannungen (Restspannungen).

Der wärmebehandelte und abgeschreckte Formkörper wird dann einer erfindungsgemäßen Alterung unterworfen. Die erste Stufe der Alterung besteht darin, daß man den Formkörper aus der Legierung auf Aluminiumbasis auf eine Temperatur von 88 bis 110⁰C (190 bis 230⁰F), vorzugsweise von 90 bis 96°C (195 bis 205⁰F) erhitzt. Beim Erreichen dieser Temperatur wird der Formkörper 4 bis 30 Stunden lang, vorzugsweise mindestens 8 Stunden lang, bei dieser Temperatur gehalten. Die Temperatur wird dann zur Durchführung der zweiten Alterungsstufe auf einen Wert von über 110 bis 127°C (230 bis 260⁰F),

vorzugsweise 118 bis 124°C (245 bis 255⁰F), erhöht. Der Formkörper wird dann für weitere 4 bis 30 Stunden, vorzugsweise 8 Stunden, bei dieser Temperatur gehalten. Schließlich wird die Temperatur zur Durchführung der dritten Alterungsstufe auf 157 bis 193°C (315 bis 380⁰F), vorzugsweise 168 bis 177°C (335 bis 350⁰F)₁ erhöht. Der Formkörper wird 2 bis 100 Stunden lang, vorzugsweise 8 Stunden lang, bei dieser Temperatur gehalten, er kann aber auch langer bei dieser Temperatur gehalten werden, falls es erforderlich ist, um T7-Temperzustände zu erreichen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wurde unter Verwendung einer Legierung 7075 eine Reihe von Proben hergestellt. Die Proben wurden 30 Minuten lang in einem Umwälzluftofen bei 471⁰C (880⁰F) lösungsgeglüht. Dann wurden die Proben mit variierenden Geschwindigkeiten bzw. Raten in Wasser oder Luft entsprechend der folgenden Tabelle abgeschreckt:

Tabelle I

Probe	Wasser	Abschreckmedium	Luft	⁰C	(70°]	Abschreckungs geschwindigkeit in °C/s (°F/s)	(1960)
I	Wasser	von 21	⁰C	(170'	1089	(666)
II	Wasser	von 77	⁰C	(210'	370	,1 (70,3)
III	von 99			39,	,22 (14,8)
IV	Luftgebläse			8,	,9 (3,42)
V	ruhige	J¹)	1,
	³F)
⁵F)

Die abgeschreckten Proben wurden dann gealtert, wobei jeweils eine zweistufige Alterung gemäß dem Stand der

__ Technik und eine dreistufige Alterung gemäß der vorlie-35

genden Erfindung angewendet wurden. Für jede Abschrekkungsgeschwindigkeit bzw. -rate wurden vier Proben gealtert. Die Proben A(I-v) wurden 8 Stunden lang bei 93°C

(200⁰F) und danach in einer zweiten Alterungsstufe 8 Stunden lang bei 171⁰C (340⁰P) gealtert. Die Proben B (I-V) wurden in einer ersten Stufe 8 Stunden lang bei 93°C (200⁰F) gealtert, in einer zweiten Stufe wurden sie 8 Stunden lang bei 121⁰C (250⁰F) gealtert und in einer dritten Stufe wurden sie 8 Stunden lang bei 171⁰C (340⁰F) gealtert. Die Proben C(I-V) wurden in einer ersten Stufe 8 Stunden lang bei 107⁰C (225°F) und in einer zweiten Stufe 8 Stunden lang bei 171⁰C (340⁰F) gealtert. Die Proben D(I-V) wurden in einer ersten Stufe 8 Stunden lang bei 107⁰C (225°F), in einer zweiten Stufe 8 Stunden lang bei 121⁰C (250⁰F) und in einer dritten Stufe 8 Stunden lang bei 171⁰C (340⁰F) gealtert. Das dreistufige Alterungsverfahren, nach dem jede der Proben der Reihen B und D behandelt wurde, repräsentiert das erfindungsgemäße neue Verfahren, während das für die Proben der Reihen A und C angewendete zweistufige Verfahren das bekannte Verfahren repräsentiert, wie es in der obengenannten US-PS 3 198 676 beschrieben ist.

In der Fig. 2 sind die dabei erhaltenen Streckfestigkeiten (KSI) für die verschiedenen Proben in Form eines Diagramms angegeben. In jedem Falle wiesen die dem erfindungsgemäßen dreistufigen Alterungsverfahren unterworfenen Proben eine höhere Streckfestigkeit auf, obgleich die Ergebnisse bei den niedrigeren Abschrekkungsgeschwindigkeiten bzw. -ratenausgeprägter sind. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß bei den niedrigeren Abschreckungsgeschwindigkeiten bzw. -raten (Proben IVB, IVD, VB und VD) die unter Anwendung einer niedrigeren Temperatur der ersten Stufe (93⁰C (200⁰F) anstelle von 107⁰C (225⁰F)) abgeschreckten Proben zu einer höheren Streckfestigkeit führten als dann, wenn bei der Alterung der ersten Stufe die höhere Temperatur angewendet wurde.

Daraus ist zu ersehen, daß die vorliegende Erfindung,

-fr-

obgleich sie bei allen Abschreckungsgeschwindigkeiten bzw. -raten vorteilhaft ist, besonders wirkungsvoll ist bei niedrigeren Abschreckungsgeschwindigkeiten bzw. -raten und daß sie daher am vorteilhaftesten ist bei der Alterung von größeren und massiveren Schmiedestücken, Extrusionsstücken oder Platten, die keiner schnellen Abschreckung unterworfen werden können.

Ohne an eine Theorie bezüglich des Ablaufs des erfindungsgemäßen Alterungsverfahrens gebunden zu sein, wird angenommen, daß der durch die vorliegende Erfindung erzielte Effekt zurückzuführen ist auf den günstigen Effekt des Verfahrens auf die Verteilung der Ausscheidungen in dem bei niedrigen Geschwindigkeiten bzw. Raten abgeschreckten Material. Es scheint, daß die Temperatur, bei der die GP-Zonen (die nach der Abschrekkung gebildeten ersten Ausscheidungen) sich beim Wiedererhitzen auflösen, mit abnehmender Abschreckungsgeschwindigkeit bzw. -rate abnimmt. Daher ist die Menge der Auflösung der GP-Zonen bei dem anschließenden Erhitzen auf eine gegebene Temperatur der Alterung der ersten Stufe abhängig von der Abschreckungsgeschwindigkeit bzw. -rate, welcher die gealterte Probe ausgesetzt war.

Ferner scheint die Anwendung einer niedrigen Temperatur in der Alterung der ersten Stufe das Wachstum der GP-Zonen zu begünstigen, wodurch seinerseits die kritische Reversionstemperatur, bei der sich die Ausscheidungen wieder auflösen können, steigt. Diese kritische Reversionstemperatur ist bei schnell abgeschreckten Formkörpern offensichtlich sehr hoch und wird daher bei der nachfolgenden Alterung nicht überschritten. Wenn sie jedoch durch die Alterungstemperatur bei langsamer

abgeschreckten Produkten überschritten wird, werden die während der natürlichen Alterung gebildeten GP-Zonen umgewandelt und ein Teil oder das gesamte verbliebene

gelöste Material wird direkt in einer Form ausgeschieden, in welche die GP-Zonen während des Wachstums allmählich umgewandelt werden, was zu einer gröberen Verteilung führt, die in zusätzlichen Verlusten der maxi-

g mal erreichbaren Festigkeit resultiert.

In jedem Falle können jedoch durch die praktisch Anwendung der vorliegenden Erfindung die nachteiligen Effekte der niedrigeren Abschreckungsgeschwindigkeiten bzw. IQ -raten ungeachtet ihrer möglichen Ursache und ihres mögli chen Effektes auf die Keimbildung und Ausscheidung wirksam verhindert werden.

Die Erfindung wurde zwar vorstehend unter Bezugnahme auf spezifische bevorzugte Ausführungsformen näher erläutert, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß sie darauf keineswegs beschränkt ist, sondern daß diese in vielfacher Hinsicht abgeändert und modifiziert werden können, ohne daß dadurch der Rahmen der vorliegenden Erfindung verlassen wird.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Alterung einer Legierung auf Äluminiumbasis, die Zink, Magnesium und Kupfer in legierenden Mengen enthält und wärmebehandelt und abgeschreckt worden ist, dadurch gekennzeichnet , daß man

a) die Legierung in einer ersten Alterungsstufe auf eine Temperatur von 88 bis 110⁰C (190 bis 2 30⁰F) erhitzt und sie für eine Zeitspanne von mindestens 4 Stunden bei dieser Temperatur hält;

b) in einer zweiten Alterungsstufe die Temperatur der Legierung auf einen Wert über 110 bis 127°C (230 bis 260⁰F) erhöht und die Legierung für eine Zeitspanne von mindestens 4 Stunden bei dieser Temperatur hält; und

c) in einer dritten Alterungsstufe die Temperatur der Legierung auf einen Wert von 157 bis 193°C (315 bis 380⁰F) erhöht und sie mindestens 2 Stunden lang bei dieser Temperatur hält»

2„ Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung mindestens 8 Stunden lang bei der Temperatur in jeder Alterungsstufe hält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet,, daß die Temperatur der ersten Älterungsstufe 90 bis 96°C (195 bis 205⁰F) beträgt.

4. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der zweiten Alterungsstufe 118 bis 124°C (245 bis 255°F) beträgt.

5. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Legierung auf Aluminiumbasis um eine Legierung der Reihe 7000 handelt, die 1,5 bis 14 Gew.-% Zink, 0,8 bis 3,8 Gew.-% Magnesium und 0,25 bis 2,6 Gew.-% Kupfer enthält.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Aluminiumbasis der Reihe 7000 außerdem mindestens ein zusätzliches Legierungselement, ausgewählt aus der Gruppe 0,05 bis 0,4 Gew.-% Chrom, 0,1 bis 0,75 Gew.-% Mangan, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadin, 0,05 bis 0,3 Gew.-% Molybdän und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Wolfram,enthält.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Magnesium zu Zink 0,2 bis 0,5 Gew.-Teile Magnesium pro Gewichtsteil Zink beträgt.

8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf Aluminiumbasis eine Legierung der Reihe 7000 ist, die

5.1 bis 6,1 Gew.-% Zink, 2,1 bis 2,9 Gew.-% Magnesium und

1.2 bis 2,0 Gew.-% Kupfer enthält.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung etwa 8 Stunden lang bei 93°C (200⁰F) altert, sie danach etwa weitere 8 Stunden lang bei 121⁰C (250⁰F) altert und sie schließlich etwa 8

Stunden lang bei 171⁰C (340⁰F) altert. 30