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Gebiet der
Erfindung
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Diese
Erfindung betrifft Nicht-Eisen-Metallurgie, und insbesondere betrifft
sie hochfeste Legierungen auf Aluminiumbasis des Al-Zn-Mg-Cu-Systems.
Die aufgefundene Legierung ist zum Herstellen extrudierter, gewalzter
und geschmiedeter Halbprodukte (hauptsächlich Gegenstände mit
großen
Querschnitten) geeignet, die zur Herstellung belasteter Bauteile
von Flugzeugen, Lastkraftwagen und Autos, Hochsee- und Flußschiffen,
Landwirtschaftsmaschinerie verwendet werden.
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Hintergrund
der Erfindung
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Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen
werden weitläufig
in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet. Gut bekannt ist die
russische Legierung des Systems, welches umfaßt (Massen-%):
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Diese
Legierung liefert keine hohen Eigenschaften (UTS, YTS) und Bruchfestigkeit
(K1C). Die Gegenstände, die aus dieser Legierung
hergestellt werden, weisen eine begrenzte Effizienz bezüglich des
Gewichts und eine unzufriedenstellende Lebensdauer auf (Handbuch,
Aluminiumlegierungen, 1984, Moskau, publ. „Metallurgy".
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Die
amerikanischen Legierungen des Al-Zn-Mg-Cu-Systems (7.000-Reihe),
die von ALCOA entwickelt worden sind, sind ebenfalls gut bekannt.
Beispielsweise umfaßt
die Legierung, die in U.S. 4.828,631 beschrieben wird (in Massen-%):
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Diese
Legierung ist zur besonderen Verwendung in Luft- und Raumfahrtgegenständen entwickelt
worden. Sie weist eine überlegene
Abblätterungs-Korrosionswiderstandsfähigkeit
auf, jedoch ist ihre Härtbarkeit geopfert
worden. Im Falle, wo das Halbprodukt die Dicke von mehr als 100
mm aufweist, werden die Betriebseigenschaften (Bruchfestigkeit,
Festigkeit, Plastizität,
Korrosionsbeständigkeit
und Einheitlichkeit der Eigenschaften im Volumen des Halbprodukts)
schlechter. Alle diese Nachteile erlauben es nicht, großbemessene Gegenstände aus
dieser Legierung herzustellen.
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Die
in
US 4,832,758 beschriebene
Legierung umfaßt
(in Masssen-%):
| Zn | 4,0–8,0 |
| Mg | 1,5–3,0 |
| Cu | 1,0–2,5 |
wenigstens ein Element aus der Gruppe:
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Diese
Legierung ist beabsichtigt, um zum Herstellen von Halbprodukten
(Platten) begrenzter Dicke (nicht mehr als 64 mm) verwendet zu werden,
da, wenn die Dicke eines Halbprodukts erhöht wird, seine mechanischen
Eigenschaften, Bruchfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit
wesentlich reduziert werden.
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Die
in
EP 0 829 552 offenbarte
Legierung umfaßt
(in Massen-%):
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Diese
Legierung kann zur Herstellung von Flügelbauteilen von Düsenflugzeugen,
hauptsächlich
Holme, untere Häute,
etc., verwendet werden. Der Nachteil dieser Legierung ist ihre hohe
Empfindlichkeit gegenüber
einer Quenchrate, was zu einer starken Verminderung der Festigkeit
und der Bruchfestigkeit in dem Falle führt, wo das Halbprodukt eine
Dicke von mehr als 60 mm aufweist. Wenn daher unregelmäßig geformte
Bauteile (Anschlußstücke, Landevorrichtungselemente,
etc.) aus der Legierung herzustellen sind, treten große Schwierigkeiten
in dem Verfahren des mechanischen Bearbeitens auf.
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Pechiney
aus Frankreich hat ebenfalls mehrere Legierungen des Al-Zn-Mg-Cu-Systems
beansprucht. Die in
EP 0 391
815 beschriebene Legierung umfaßt (in Massen-%):
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Diese
Legierung ist beabsichtigt, um zum Herstellen klein bemessener Halbprodukte
(Bögen,
Platten, extrudierte Gegenstände)
verwendet zu werden, die durch ein Pulvermetalllurgieverfahren hergestellt
werden.
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Der
Nachteil solcher Produkte ist das geringe Niveau an Bruchfestigkeit
(K1C) und geringer technologischer Eigenschaften.
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Die
in PCT/FR 97/00144 beschriebene hochfeste Aluminium-Legierung umfaßt (in Massen-%):
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Die
technologischen Eigenschaften (Fließfähigkeit, technologische Plastizität) dieser
Legierung sind unzureichend, und ferner weist sie ein vermindertes
Niveau an Bruchfestigkeit (K1C) auf.
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Die
aus dieser Legierung hergestellten Gegenstände (z. B. Anschlußstücke, Rahmen)
weisen nicht einheitliche Festigkeitseigenschaften und Bruchfestigkeit über die
Dicke auf, insbesondere im Falle von großen Querschnitten.
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Beschreibung
der Erfindung
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Legierung auf Aluminiumbasis
des Al-Zn-Mg-Cu-Systems
mit der verbesserten Kombination von Eigenschaften, wie Fließfähigkeit,
technologische Plastizität,
erhöhte
Bruchfestigkeit, bereitzustellen und ebenfalls die Einheitlichkeit
der mechanischen Eigenschaften und der Bruchfestigkeit mit der Dicke
des Produkts zu gewährleisten,
während
hohe Niveaus der Festigkeitseigenschaften bewahrt werden, und die
Gegenstände
bereitzustellen, die aus der Legierung mit diesen Eigenschaften
hergestellt werden.
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Demzufolge
wird eine Al-Zn-Mg-Cu-Legierung bereitgestellt, die (in Massen-%)
umfaßt:
| Zn
6,35 – 8,0 | Si
0,01 – 0,2 |
| Mg
0,5 – 2,5 | Fe
0,06 – 0,25 |
| Cu
0,8 – 1,3 | Zr
0,07 – 0,2 |
| Cr
0,001 – 0,05 | Ti
0,03 – 0,1 |
| Mn
0,001 – 0,1 | Be
0,0001 – 0,05 |
wenigstens ein Element aus der Gruppe bestehend
aus Alkali-Erdmetallen:
| K | 0,0001 – 0,01 |
| Na | 0,0001 – 0,01 |
| Ca | 0,0001 – 0,01 |
| Rest
Al | |
| Zr+2Ti ≤ 0,3 | und
Si:Be ≤ 2 |
und den Gegenstand, der daraus hergestellt wird.
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Eine
Legierungsbildung der beanspruchten Legierung mit zusätzlichen
Elementen -Be und wenigstens ein Element aus der Gruppe bestehend
aus Alkali-Erdmetallen -K, Na, Ca, führt zu einer Zunahme der Schmelzfließfähigkeit
beim Gießen
aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Blasen und Wasserstoff, die in
dem Metall vorhanden sind, was es wiederum ermöglicht, eine Schmelzfiltration
und eine Entgasung wirksamer durchzuführen, was bedeutet, ihre Reinheit
zu erhöhen
und, als ein Ergebnis, die technologische Plastizität von Ingots
zu verbessern.
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Das
optimale Verhältnis
von Zr und Ti, kombiniert mit kleineren Mengen an Cu und in der
Gegenwart von wenigstens einem der Alkali-Erdmetalle -K, Na, Ca,
liefert erhöhte
Niveaus an Bruchfestigkeit, während ein
hohes Niveau an Festigkeitseigenschaften aufgrund der Verminderung
des Volumengehalts von Hauptphasen und ihrer Raffination bewahrt
wird, und liefert ebenfalls eine große Einheitlichkeit der mechanischen
Eigenschaften und der Bruchfestigkeit mit der Dicke des Produkts
aufgrund der einheitlicheren Verteilung der Sekundärphasenpartikel
in dem Volumen der Mikrokörner,
was eine bessere Härtbarkeit
der vorliegenden Legierung gewährleistet.
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Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft beschrieben werden.
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Beispiele
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Aus
experimentellen Gründen
wurden die Ingots aus den Legierungen gegossen, deren Zusammensetzungen
in Tabelle 1 angegeben sind.
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Die
Legierungen 2–9
sind Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung (die vorliegenden Legierungen oder die
beanspruchten Legierungen), und die Legierung 1 beruht auf der Erfindung
PCT/FR97/00144.
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Die
Handschmiedestücke
von 60, 100, 150, 200 mm Dicke (t) wurden aus homogenisierten Ingots durch
das Verfahren des Aufstellens auf einer vertikalen Presse hergestellt,
und die Streifen von 50 und 130 mm Dicke (t) wurden durch Extrusion
auf einer horizontalen Presse hergestellt.
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Halbprodukte
wurden wie folgt wärmebehandelt:
Lösungswärmebehandlung
bei einer Temperatur von 470°C,
Zeit (abhängig
von der Dicke des Halbprodukts) variierte von 1 bis 3 Stunden; und
Wasserquenchen einschließlich
zweier Schritte, der erste Schritt bei einer Temperatur von 115°C für 6 Stunden,
und der zweite Schritt bei einer Temperatur von 170°C für 10 Stunden.
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Die
Fließfähigkeit
der Legierungen wurde durch ein herkömmliches Verfahren durch die
Länge einer geraden
Gießstange
in eine metallische Form bestimmt.
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Die
technische Plastizität
wurde durch zwei Verfahren bestimmt: Durch Aufstellen der zylindrischen Proben
auf einer Presse bis ein Seitenriß auftrat, und durch Zugtesten
der herkömmlichen
zylindrischen Proben.
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Die
Festigkeitseigenschaften und die Bruchfestigkeit der Legierungen
wurden auf herkömmlichen
Probenschnitten aus unterschiedlichen Zonen mit der Dicke (t) der
Halbprodukte (1/4 t und ½ t)
in Längs-(L
oder L-T) und kurzen Quer-(S oder S-L)-Richtungen relativ zu der Faserrichtung
bestimmt.
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Tabelle
2 zeigt die Ergebnisse des Testens zur Bestimmung der technologischen
Eigenschaften der Legierungen der vorliegenden Erfindung und des
Stands der Technik.
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Die
in dieser Tabelle angegebenen Ergebnisse zeigen offensichtlich,
daß die
vorliegende Legierung (Zusammensetzungen 2–9) 1,2–1,4-mal die bekannte Legierung
bzgl. der Fließfähigkeit
und der technologischen Plastizität übertrifft.
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Tabelle
3 zeigt die Eigenschaften eines Mittelbereichs der Schmiedestücke mit
150 mm Dicke, hergestellt aus der vorliegenden Legierung und der
bekannten Legierung. Man kann offensichtlich aus Tabelle 3 erkennen,
daß die
vorliegende Legierung 1,4–1,7-mal
die bekannte Legierung bezüglich
der Bruchfestigkeit in L-T-Richtung und 1,2,–1,4-mal in S-T-Richtung übersteigt,
während
die Festigkeitseigenschaften beider Legierungen nahezu gleich sind.
Die besten Werte der Bruchfestigkeit werden auf den Legierungen
3–5, 7,
9 definiert, welche Verhältnisse
von Ti+2Z≤0,3
und Si:Be≥2
aufwiesen.
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Tabelle
4 zeigt die mechanischen Eigenschaften der Halbprodukte mit unterschiedlichen
Dicken, die aus der vorliegenden Legierung und der Legierung aus
dem Stand der Technik hergestellt worden sind. Die Daten der Tabelle
4 zeigen, daß die
vorliegende Legierung, verglichen mit der bekannten Legierung, einheitlichere
mechanische Eigenschaften und Bruchfestigkeit mit der Dicke des
Halbprodukts liefert, was insbesondere erkannt werden kann auf größeren Querschnittsproben
mit Dicken von größer ≥ 150 mm; die
Proben zeigen eine 1,5–2-fache
geringere Verminderung der Festigkeitseigenschaften und der Bruchfestigkeit,
verglichen mit der bekannten Legierung.
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Die
vorliegende Legierung mit verbesserter Fließfähigkeit, technologischer Plastizität, Bruchfestigkeit und
ebenfalls einheitlicheren Festigkeitseigenschaften und Bruchfestigkeit
mit der Dicke ermöglicht
es, einen größeren Bereich
an Halbprodukten (geschmiedet, extrudiert und gewalzt) praktisch
jeder Form und Abmessungen, insbesondere eines großen Querschnitts,
herzustellen.
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Die
groß bemessenen
Integralgegenstände
mit einheitlichen Eigenschaften, die aus der vorliegenden Legierung
hergestellt werden, ermöglichen
es, die Gewichtseffizienz der Struktur um 10–20 % aufgrund der Verminderung
der Nietverbindungszahlen zu erhöhen,
und werden eine 15–20-%ige
Erhöhung
der Betriebsverläßlichkeit
aufgrund der verbesserten Bruchfestigkeit gewährleisten.
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Die
Verbesserung der technologischen Eigenschaften der vorliegenden
Legierung wird eine Verminderung der Fehlproduktion aus der Legierung
gewährleisten,
und die Verwendung groß bemessener
Halbprodukte in einer Luftfahrzeugstruktur wird die Arbeitsintensität zum Zusammensetzen
reduzieren und wird das Luftfahrzeug um 30–40 % ökonomischer machen.
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Die
Herstellung und Verwendung der vorliegenden Legierung und von Gegenständen derselben
verschlechtern nicht die Umgebung aus ökologischen Gesichtspunkten.
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Tabelle
2 Technologische
Eigenschaften der experimentellen Legierungen
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Tabelle
3 Eigenschaften
der Handschmiedestücke
mit 150 mm Dicke im Mittelbereich (1/2t)
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