DE60023753T2

DE60023753T2 - Wärmebehandlung für alterungshärtende aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE60023753T2
Application number: DE60023753T
Authority: DE
Inventors: Neil Roger LUMLEY; James Ian POLMEAR; James Allan MORTON
Original assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Current assignee: Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization CSIRO
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-21
Publication date: 2006-08-03
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: KR20020065600A; ZA200204982B; EP1268869B1; CN100370053C; JP2003518557A; AUPQ485399A0; TW524865B; CA2395460C; EP1268869A4; ATE308628T1; EP1268869A1; US20030041934A1; MY136865A; NO20023004L; MXPA02006210A; US7025839B2; BR0016684A; CA2395460A1; RU2002119573A; WO2001048259A1

Description

Die Erfindung betrifft die Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen, die durch das allgemein bekannte Phänomen der Alterungs- (oder Ausscheidungs-)härtung verfestigt werden können.
Die Wärmebehandlung zum Verfestigen durch Alterungshärtung ist auf Legierungen anwendbar, bei denen die Löslichkeit im festen Zustand von mindestens einem Legierungselement mit abnehmender Temperatur abnimmt. Zu den relevanten Aluminiumlegierungen gehören einige Knetlegierungsreihen, hauptsächlich jene der Reihen 2XXX, 6XXX und 7XXX (oder 2000, 6000 und 7000) des internationalen Legierungskennzeichnungssystems (IADS). Es gibt jedoch einige relevante alterungshärtbare Aluminiumlegierungen, die außerhalb dieser Reihen sind. Auch sind einige gießbare Aluminiumlegierungen alterungshärtbar. Die Erfindung erstreckt sich auf alle diese Aluminiumlegierungen einschließlich der Knet- und Gießlegierungen, und kann auch mit Legierungsprodukten, die mit Verfahren wie Pulvermetallurgie hergestellt werden, und mit schnell fest gewordenen Produkten sowie mit Legierungsprodukten und Werkstoffen, die mit Teilchen verstärkt sind, verwendet werden.
Verfahren zur Wärmebehandlung von alterungshärtbaren Aluminiumlegierungen umfassen normalerweise die folgenden drei Stufen:

(1) Lösungsbehandlung bei einer relativ hohen Temperatur, unter dem Schmelzpunkt der Legierung, um ihre legierenden (gelösten) Elemente aufzulösen;
(2) rasches Abkühlen oder Abschrecken, wie z.B. in kaltem Wasser, um die gelösten Elemente in einer übersättigten festen Lösung zu halten; und
(3) Altern der Legierung durch Halten derselben eine Zeit lang auf einer, manchmal auf einer zweiten, Zwischentemperatur, um das Aushärten oder Verfestigen zu erzielen.

Die aus dem Altern resultierende Verfestigung tritt auf, weil das Lösungsprodukt, das durch Abschrecken in übersättigter fester Lösung gehalten wird, während des Alterns Ausscheidungspartikel bildet, die überall in den Körnern fein verteilt sind und die die Fähigkeit der Legierung, sich einer durch den Vorgang des Gleitens bedingten Verformung zu widersetzen, erhöhen. Eine maximale Aushärtung oder Verfestigung tritt auf, wenn die Alterungsbehandlung zur Bildung einer kritischen Dispersion von mindestens einem dieser feinen Ausscheidungspartikel führt.
Die Alterungsbedingungen sind für verschiedene Legierungssysteme verschieden. Zwei weitverbreitete Behandlungen, die nur eine Stufe umfassen, bestehen darin, für einen längeren Zeitraum bei Raumtemperatur (T4-Vergütung (Temper)) zu halten oder häufiger, bei einer erhöhten Temperatur für einen kürzeren Zeitraum (z.B. 8 Stunden) zu halten, der einem Maximum bei dem Aushärtungsvorgang (T6-Vergütung (Temper)) entspricht. Für bestimmte Legierungen ist es üblich, für einen vorgeschriebenen Zeitraum (z.B. 24 Stunden) bei Raumtemperatur zu halten, bevor die T6-Vergütung bei einer erhöhten Temperatur angewendet wird. Bei anderen Legierungen, hauptsächlich bei denen, die auf Al-Cu- und Al-Cu-Mg-Systemen (der Reihe 2000) basieren, ruft eine Verformung (z.B. durch Strecken oder Walzen 5%) nach dem Abschrecken und vor dem Altern bei einer erhöhten Temperatur eine verstärkte Reaktion auf die Verfestigung hervor. Dies ist als eine T8-Vergütung (Temper) bekannt und resultiert in einer feineren und gleichmäßigeren Verteilung von Ausscheidungspartikeln überall in den Körnern.
Für Legierungen, die auf dem Al-Zn-Mg-Cu-System (der Reihe 7000) basieren, wurden einige besondere Alterungsbehandlungen entwickelt, die das Halten über Zeiträume auf zwei verschiedenen erhöhten Temperaturen umfassen. Der Zweck jeder dieser Behandlungen besteht darin, die Anfälligkeit von Legierungen dieser Reihe auf das Phänomen der Spannungskorrosionsrissbildung zu verringern. Ein Beispiel ist die T73-Vergütung, die ein Altern zuerst bei einer Temperatur nahe 100°C und dann bei einer höheren Temperatur, z.B. 160°C umfasst. Diese Behandlung verursacht eine geringe Verringerung der Festigkeit im Vergleich zu einer T6-Vergütung. Ein weiteres Beispiel ist die als Zurückentwicklung (Retrogression) und Wieder-Alterung (Reaging) (RRA) bekannte Behandlung, die drei Stufen umfasst, z.B. 24 Stunden bei 120°C, eine viel kürzere Zeitdauer bei einer höheren Temperatur (200–280°C) und weitere 24 Stunden bei 120°C. Einige dieser Behandlungen werden von den die Legierungen liefernden Firmen geheimgehalten.
Es wird generell akzeptiert, dass wenn einmal eine Aluminiumlegierung (oder ein anderer geeigneter Werkstoff) durch Altern bei einer erhöhten Temperatur ausgehärtet ist, die mechanischen Eigenschaften stabil bleiben, wenn die Legierung eine unbegrenzte Zeit lang einer erheblich niedrigeren Temperatur ausgesetzt wird. Neuere Ergebnisse haben jedoch gezeigt, dass dies nicht immer der Fall ist. Eine Magnesiumlegierung, WE54, die normalerweise bei 250°C gealtert wird, um ihren T6-Zustand zu erreichen, wies eine allmähliche Erhöhung der Härte zusammen mit einer nicht akzeptablen Verringerung der Duktilität auf, wenn sie danach über lange Zeiten einer Temperatur nahe 150°C ausgesetzt wurde. Dieser Effekt wird einer langsamen Sekundärausscheidung einer überall in den Körnern der Legierung fein dispergierten Phase zugeschrieben. In neuerer Zeit haben bestimmte lithiumhaltige Aluminiumlegierungen wie 2090 (Al– 2,7Cu–2,2Li) ein ähnliches Verhalten gezeigt, wenn sie über lange Zeit bei Temperaturen im Bereich von 60 bis 135°C, ausgesetzt wurden, nachdem sie zuerst auf den T6-Zustand bei 170°C gealtert wurden.
Die JP-A 59 226 197 betrifft die Alterungshärtung von Legierungen auf Al-Basis durch Altern bei 160°C für 3 Stunden, Abkühlen auf Raumtemperatur und Schlussaltern bei 190°C für 3 Stunden.
Die Erfindung ist auf die Bereitstellung eines Verfahrens zur Wärmebehandlung einer alterungshärtbaren Aluminiumlegierung gerichtet, die Legierungselemente in fester Lösung hat, wobei das Verfahren die folgenden Stufen enthält:

a) Künstliches Altern der Legierung bei einer Temperatur T_A, die eine geeignete Temperatur für eine konventionelle T6-Vergütung für die Legierung wäre, wobei das künstliche Altern über einen Zeitraum durchgeführt wird, der ausreichend ist, um eine Verfestigung der Legierung zu erreichen, die von 50% bis 95% der maximalen Verfestigung, die durch eine vollständige T6-Vergütung für die Legierung bei der Temperatur T_A erhältlich ist, entspricht;
b) Abschrecken der Legierung in einem unvollständig gealterten Zustand, der am Ende des Zeitraumes für die Stufe (a) erreicht wird, von der Temperatur T_A auf eine Temperatur im Bereich zwischen Umgebungstemperatur und ungefähr –10°C, um die Primärausscheidung zu stoppen und die Legierung in einem unvollständig gealterten und abgeschreckten Zustand bereitzustellen;
c) Halten der unvollständig gealterten und abgeschreckten Legierung auf einer Temperatur T_B, die unter der Temperatur T_A ist und im Bereich von –10°C bis 120°C liegt, um eine Sekundärkeimbildung oder fortdauernde Ausscheidung von gelösten Elementen zu erreichen; und
d) Erwärmen der Legierung von der Temperatur T_B auf eine Temperatur T_C im Bereich von (T_A –50°C) bis (T_A +50°C) und Halten der Legierung auf der Temperatur T_C zum weiteren künstlichen Altern der Legierung;

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Diese Folge von erfindungsgemäßen Behandlungsstufen wird mit dem Ausdruck T6I6 bezeichnet, der die erste Alterungsbehandlung vor der Stufe (c), die Unterbrechung ("I") und die Behandlung nach der Unterbrechung bezeichnet.
Die Stufen (c) und (d) können aufeinanderfolgende Stufen sein. In diesem Fall kann es sein, dass in Stufe (c) wenig oder gar nicht erwärmt wird. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Stufen (c) und (d) durch die Verwendung von geeignet gesteuerten Erwärmungszyklen eventuell wirksam miteinander kombiniert werden können. Das heißt, dass in der Stufe (c) eventuell eine Erwärmungsgeschwindigkeit auf die endgültige Alterungstemperatur T_C verwendet werden kann, die genügend langsam ist, um die Sekundärkeimbildung oder Ausscheidung bei einer relativ niedrigeren Durchschnittstemperatur als die endgültige Alterungstemperatur T_C zu erhalten.
Wir haben herausgefunden, dass mit der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung im wesentlichen alle alterungshärtbaren Aluminiumlegierungen eine zusätzliche Alterungshärtung und Verfestigung auf höhere Niveaus durchmachen können als sie mit einer normalen T6-Vergütung möglich sind. Die maximale Härte kann z.B. um 10 bis 15% erhöht werden, während die konventionelle oder technische Streckgrenze (d.h. 0,2% Dehngrenze) und die Zugfestigkeit z.B. um 5 bis 10% oder zumindest bei einigen Legierungen noch weiter, bezogen auf mit konventionellen T6-Wärmebehandlungen erreichbare Niveaus, erhöht werden können. Außerdem können zumindest in vielen Fällen und entgegen dem üblichen Verhalten nach herkömmlichen Behandlungen die mit der Erfindung erhältlichen Erhöhungen ohne irgendeine nennenswerte Verringerung der Duktilität, wie sie durch Dehnung, die beim Testen der Legierungen auf Bruch auftritt, gemessen wird, erzielt werden.
Wie angegeben, ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren, dass Legierungen eine zusätzliche Alterungshärtung und Verfestigung auf höhere Niveaus bezogen auf das Alterungshärten und die Festigkeit, die für die gleiche Legierung, die einer normalen T6-Vergütung unterworfen wird, erhältlich sind, durchmachen können. Die Steigerung kann in Verbindung mit einer mechanischen Verformung der Legierung vor der Stufe (a); nach der Stufe (b), aber vor der Stufe (c); und/oder während der Stufe (c) sein. Die Verformung kann durch Aufwertung der thermomechanischen Verformung sein; während die Verformung in Verbindung mit einer raschen Abkühlung angewendet werden kann. Die Legierung kann in der Stufe (a) unmittelbar nach der Herstellung oder dem Gießen ohne Lösungsbehandlungsstufe gealtert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur auf die übliche T6-Vergütung sondern auch auf andere Vergütungen anwendbar. Dazu gehören z.B. die T5-Vergütung, bei der die Legierung unmittelbar nach der Herstellung ohne Lösungsbehandlungsschritt gealtert wird und eine Teillösung aus Legierungselementen gebildet wird. Andere Vergütungen wie die T8-Vergütung enthalten eine Kaltbearbeitungsstufe. Bei der T8-Vergütung wird der Werkstoff vor der künstlichen Alterung kaltbearbeitet, das zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei vielen Aluminiumlegierungen durch eine feinere Verteilung von Ausscheidungspartikeln führt, die zur Keimbildung an Versetzungen anregen, die durch den Kaltbearbeitungsschritt erteilt werden. Die äquivalente neue Vergütung wird somit mit T8I6 bezeichnet, entsprechend der gleichen Konvention in der Nomenklatur wie die T6I6-Vergütung. Eine weitere, einen Kaltbearbeitungsschritt umfassende Behandlung, die wieder dem erfindungsgemäßen Verfahren folgt, wird als T9I6 bezeichnet. In diesem Fall wird der Kaltbearbeitungsschritt nach dem ersten Alterungszeitraum, T_A und vor der Unterbrechungsbehandlung bei der Temperatur T_B eingeführt. Nachdem die Unterbrechungsbehandlung vollständig durchgeführt ist, wird der Werkstoff wieder auf die Temperatur T_C, wieder entsprechend der Konvention der T6I6-Behandlung, erwärmt.
Ähnliche Parallelen existieren bei Vergütungsbezeichnungen, die T7X lauten, wie zuvor erläutert, wobei sich eine abnehmende ganze Zahl von X auf einen größeren Grad von Überalterung bezieht. Diese Behandlungen bestehen aus einem zweistufigen Verfahren, bei dem zwei Alterungstemperaturen verwendet werden, von denen die erste relativ niedrig (z.B. 100°C) und die zweite eine höhere Temperatur von z.B. 160°C–170°C ist. Bei der Anwendung der neuen Behandlung auf solche Vergütungen ist die endgültige Alterungstemperatur T_C somit im Bereich der üblichen zweiten höheren Temperaturen von 160°C–170°C, wobei alle anderen Teile der Behandlung äquivalent zu der T6I6 Behandlung sind. Eine solche Vergütung wird somit als T8I7X bezeichnet, wenn die neue Nomenklatur verwendet wird.
Es sollte auch vermerkt werden, dass die neue Behandlung ebenso auf eine große Vielfalt von bestehenden Vergütungen, bei denen stark verschiedene thermomechanische Verfahrensschritte eingesetzt werden, angewendet werden kann, und in keiner Weise auf die oben aufgezählten beschränkt ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat sich als wirksam in jeder der Aluminiumslegierungsklassen erwiesen, die dafür bekannt sind, auf Alterungshärtung anzusprechen. Dazu gehören die oben erwähnten Reihen 2000 und 7000, die Reihe 6000 (Al-Mg-Si), alterungshärtbare Gusslegierungen sowie mit Teilchen verstärkte Legierungen. Zu den Legierungen gehören auch neuere lithiumhaltige Legierungen wie die oben erwähnte 2090 und 8090 (Al–2,4Li–1,3Cu–0,9Mg), sowie silberhaltige Legierungen wie 2094, 7009 und experimentielle Al-Cu-Mg-Ag-Legierungen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auf Legierungen angewendet werden, die, wie erhalten, einer geeigneten Lösungsbehandlungsstufe gefolgt von einer Abschreckstufe, um gelöste Elemente in einer übersättigten festen Lösung zu halten, unterworfen wurden. Als Alternative dazu können diese vorbereitende Stufen des erfindungsgemäßen Verfahrens bilden, die der Stufe (a) vorausgehen. Im letzteren Fall kann die vorbereitende Ab schreckstufe auf irgendeine geeignete Temperatur sein, die im Bereich von T_A bis hinab auf Umgebungstemperatur oder darunter liegt. Somit kann bei einer vorbereitenden Abschreckstufe zum Erzielen der Temperatur T_A die Notwendigkeit zum Wiedererhitzen, um die Stufe (a) zu ermöglichen, vermieden werden.
Der Zweck der Lösungsbehandlung, egal, ob sie von der Legierung wie erhalten oder eine vorbereitende Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, besteht natürlich darin, die Legierungselemente in feste Lösung zu nehmen und dadurch die Alterungshärtung zu ermöglichen. Jedoch können die Legierungselemente durch andere Behandlungen in Lösung genommen werden, und diese anderen Behandlungen können anstatt einer Lösungsbehandlung verwendet werden.
Wie man zu schätzen wissen wird, können sich die Temperaturen T_A, T_B und T_C für eine gegebene Legierung ändern, da die Stufen, auf die sie sich beziehen, zeitabhängig sind. Somit kann sich z.B. T_A mit umgekehrter Änderung der Zeit für die Stufe (a) ändern. Entsprechend können sich für jede gegebene Legierung die Temperaturen T_A, T_B und T_C über einen geeigneten Bereich im Laufe der jeweiligen Stufe ändern. In der Tat ist die Änderung von T_B während der Stufe (c) in dem obigen Verweis, dass die Stufen (c) und (d) wirksam miteinander kombiniert werden, implizit.
Die Temperatur T_A, die in Stufe (a) für eine gegebene Legierung verwendet wird, kann die gleiche wie diejenige oder nahe derjenigen sein, die in der Alterungsstufe einer konventionellen T6-Wärmebehandlung für diese Legierung verwendet werden. Jedoch ist die in Stufe (a) verwendete relativ kurze Zeitdauer erheblich geringer als diejenige, die beim konventionellen Altern verwendet wird. Die Zeitdauer für Stufe (a) kann so sein, dass ein Alterungsgrad erreicht wird, der benötigt wird, um von ungefähr 50% bis ungefähr 95% der maximalen Verfestigung zu erreichen, die bei einer vollständigen konventionellen T6-Alterung erhältlich ist. Vorzugsweise ist die Zeitdauer für Stufe (a) derart, dass ungefähr 85% bis ungefähr 95% dieser maximalen Festigkeit erreicht wird.
Für viele Aluminiumlegierungen ist die am meisten bevorzugte Temperatur T_A diejenige, die verwendet wird, wenn für irgendeine typische T6-Vergütung gealtert wird. Die relativ kurze Zeitdauer für Stufe (a) kann z.B. von einigen Minuten bis z.B. 8 Stunden oder mehr wie z.B. von 1 bis 2 Stunden in Abhängigkeit von der Legierung und der Temperatur T_A betragen. Unter solchen Bedingungen würde man eine der Stufe (a) der Erfindung unterworfene Legierung als unvollständig gealtert bezeichnen.
Die Abkühlung der Stufe (b) erfolgt durch Abschrecken. Das Abschreckmedium kann kaltes Wasser oder ein anderes geeignetes Medium sein. Die Abschreckung kann auf Umgebungstemperatur oder darunter wie z.B. auf ungefähr –10°C erfolgen. Jedoch soll, wie angegeben, die Abkühlung der Stufe (b) das Altern stoppen, das direkt aus der Stufe (a) resultiert, d.h. die Primärausscheidung von gelösten Elementen, die Anlass für diese Alterung geben, stoppen.
Die Temperaturen T_B und T_C und der jeweilige Zeitraum für jede der Stufen (c) und (d) stehen miteinander in Beziehung. Sie stehen auch mit der Temperatur T_A und dem Zeitraum für Stufe (a) in Beziehung; d.h. mit dem Grad der unvollständigen Alterung, die in Stufe (a) erreicht wurde. Diese Parameter ändern sich auch von Legierung zu Legierung. Für viele der Legierungen kann die Temperatur T_B im Bereich von ungefähr –10°C bis ungefähr 90°C wie z.B. von ungefähr 20°C bis ungefähr 90°C liegen. Jedoch für mindestens einige Legierungen kann die Temperatur T_B über 90°C wie z.B. bis ungefähr 120°C, geeignet sein.
Der Zeitraum für Stufe (c) bei der Temperatur T_B soll eine Sekundärkeimbildung oder eine fortgesetzte Ausscheidung von gelösten Elementen der Legierung erzielen. Für ein gewähltes Niveau von T_B muss die Zeit ausreichend sein, um eine zusätz liche ausreichende Verfestigung zu erreichen. Die zusätzliche Verfestigung führt üblicherweise zu einem lohnenden Verbesserungsniveau bei der Härte und Festigkeit, während sie die Legierung immer noch bei einer erheblich unvollständigen Alterung lässt. Die Verbesserung kann in manchen Fällen derart sein, dass die Legierung auf ein Härte- und/oder Festigkeitsniveau gebracht wird, das mit demjenigen vergleichbar ist, das für die gleiche Legierung erhältlich ist, wenn diese Legierung durch eine konventionelle T6-Wärmebehandlung vollständig gealtert wird. Wenn somit z.B. die unvollständig gealterte Legierung, die sich aus Stufe (a) ergibt, einen Härte- und/oder Festigkeitswert hat, der 80% des Wertes beträgt, der für die gleiche Legierung, die durch eine konventionelle T6-Wärmebehandlung vollständig gealtert wurde, erhältlich ist, kann die Erwärmung der Legierung bei T_B für eine ausreichende Zeitdauer diesen 85% Wert auf 90% oder eventuell noch mehr erhöhen.
Der Zeitraum für Stufe (c) kann z.B. im Bereich von weniger als 8 Stunden am unteren Ende, bis zu ungefähr 500 Stunden oder mehr am oberen Ende liegen. Durch einfache Versuche kann man einen geeigneten Zeitraum für eine gegebene Legierung festlegen. Ein nützliches Maß an Orientierung kann jedoch für mindestens einige Legierungen durch Bestimmen der Größe der Zunahme der Härte und/oder der Festigkeit nach relativ kurzen Intervallen wie 24 und 48 Stunden, und Festlegen einer Kurve, die die Veränderung dieser Eigenschaft mit der Zeit am besten zeigt, erhalten werden. Die Form der Kurve kann zumindest bei einigen Legierungen eine nützliche Orientierung für einen Zeitraum für Stufe (c) geben, der wahrscheinlich ausreichend ist, um ein ausreichendes Maß an sekundärer Verfestigung zu erzielen.
Die während der Stufe (d) verwendete Temperatur T_C kann im wesentlichen die gleiche sein wie T_A. Für einige wenige Legierungen kann T_C über T_A liegen, z.B. um bis zu ungefähr 20°C oder sogar bis zu 50°C (z.B. für eine T6I7X-Behandlung). Für viele Legierungen ist es jedoch wünschenswert, dass T_C gleich T_A oder geringer als T_A wie 20°C bis 50°C vorzugsweise 30 bis 50°C unter T_A ist. Einige Legierungen erfordern, dass T_C geringer als T_A ist, um eine Rückentwicklung in der Härte und/oder den Festigkeitswerten, die sich in Stufe (c) entwickelt haben, zu vermeiden.
Der Zeitraum bei der Temperatur T_C in Stufe (d) muss ausreichend sein, um die maximale Festigkeit im wesentlichen zu erzielen. Die Festigkeitswerte und auch die Härte verbessern sich im Laufe der Stufe (d) fortschreitend bis bei unterstellter Vermeidung einer nennenswerten Rückentwicklung, Maximalwerte erhältich sind. Die fortschreitende Verbesserung ergibt sich im wesentlichen durch das Wachstum von Ausscheidungspartikeln, die wie in Stufe (c) erzeugt werden. Die endgültig erhältlichen Festigkeits- und Härtewerte können 5 bis 10% oder höher bzw. 10 bis 15% oder höher als die durch ein konventionelles T6-Wärmebehandlungsverfahren erhältlichen Werte sein. Ein Teil dieser Gesamtverbesserung resultiert gewöhnlich aus der während Stufe (c) erreichten Ausscheidung, obwohl der größte Teil der Verbesserung aus der in Stufe (d) erzielten zusätzlichen Ausscheidung resultiert.
Damit die Erfindung leichter verständlich ist, wird die Beschreibung nun auf die beiliegenden Zeichnungen gerichtet, von denen:
1 ein schematisches Zeit-Temperatur-Diagramm ist, das eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens illustriert;
2 eine Aufzeichnung der Zeit in Abhängigkeit von der Härte ist, die die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Al-4 Cu-Legierung während einer T6I6-Behandlung im Vergleich mit einer konventionellen T6-Vergütung illustriert;
3 Schliffbilder für die T6- bzw. T6I6-Behandlung der 2 für die Al-4 Cu-Legierung zeigt;
4 eine Aufzeichnung der Zeit in Abhängigkeit von der Härte zeigt, die die Wirkung der Abkühlgeschwindigkeit von T_A bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für die Al-4 Cu-Legierung zeigt;
5 2 entspricht, aber in Bezug auf die Legierung-2014 ist;
6 2 entspricht, aber in Bezug auf eine Al-Cu-Mg-Ag-Legierung sowohl für eine T6-Vergütung als auch eine erfindungsgemäße T6I6-Vergütung ist;
7 die Stufe (c) der Erfindung für die Al-Cu-Mg-Ag-Legierung der 6 illustriert;
8 die Wirkung der Abkühlgeschwindigkeit von T_A für die Al-Cu-Mg-Ag-Legierungs-T6I6-Vergütung nach der Erfindung zeigt;
9 für die Al-Cu-Mg-Ag-Legierung die Rückentwicklung zeigt, die bei der T6I6-Vergütung auftreten kann;
10 2 entspricht, aber in Bezug auf die 2090-Legierung ist;
11 eine T6I6-Härtekurve für eine 8090-Legierung zeigt;
12 eine Härtekurve für die 8090-Legierung mit einer T9I6-Vergütung einschließlich einer Kaltbearbeitungsstufe zeigt;
13 T8- und T8I6-Härtekurven für die 8090-Legierung zeigt, die nach der Lösungsbehandlung kaltbearbeitet wird;
14 bis 17 T6- und T6I6-Härtekurven für jede der Legierungen 6061, 6013, 6061 + Ag und 6013 + Ag darstellen;
18 eine T6I6-Härtekurve für einen Legierungswerkstoff zeigt, der 6061 + 20% SIC umfasst;
19 bis 22 Aufzeichnungen für die jeweiligen Legierungen der 14 bis 17 als eine Funktion der Unterbrechungsstufentemperatur bei T6I6-Vergütungen nach der Erfindung zeigen;
23 die Wirkung eines Kaltbearbeitungsschrittes zwischen den Stufen (b) und (c) bei der T6I6-Vergütung für die jeweiligen Legierungen der 19 bis 22 zeigt;
24 Härtekurven für T6I6- und T6I76-Vergütungen nach der Erfindung für eine 7050-Legierung zeigt;
25 und 26 Härtekurven für T6I6-Vergütungen für jede der Legierungen 7075 und 7075 + Ag zeigen;
27 die Wirkung der Temperatur auf die Unterbrechung der Stufe (c) für das Verfahren und jede der Legierungen der 25 und 26 zeigt;
28 einen Vergleich der T6- und T6I6-Alterungskurven für eine Al-8Zn-3Mg-Legierung zeigt;
29 eine T6I6-Härtekurve für eine Al-6Zn-2Mg-0,5Ag-Legierung auf einer linearen Zeitskala zeigt;
30 und 31 Alterungskurven für T6- und T6I6-Vergütungen für jede der Gusslegierungen 356 und 357 zeigen;
32 und 33 Aufzeichnungen zeigen, die das Bruchzähigkeits-/Schadenstoleranz-Verhalten für die Legierungen 6061 und 8090 nach jeder der T6- und T6I6-Vergütungen illustrieren; und
34 die Bruchlastspielzahlen bei Ermüdungsversuchen an einer 6061-Legierung nach T6- und T6I6-Vergütungen vergleicht.
Die Erfindung ermöglicht die Schaffung von Bedingungen, wodurch alterungshärtbare Aluminiumlegierungen dieses zusätzliche Aushärten bei einer niedrigeren Temperatur T_B durchmachen können, wenn sie zuerst bei einer höheren Temperatur T_A für eine kürzere Zeitdauer unvollständig gealtert und dann durch Abschrecken auf Raumtemperatur abgekühlt werden. Dieser allgemeine Effekt ist in 1 demonstriert, die eine schematische Darstellung davon ist, wie das unterbrochene Alterungsverfahren der Erfindung auf alterungshärtbare Legierungen in einer Grundform der Erfindung angewendet wird. Wie in 1 gezeigt, umfasst das Alterungsverfahren aufeinanderfolgende Stufen (a) bis (d). Wie jedoch gezeigt, wird der Stufe (a) eine vorbereitende Lösungsbehandlung vorgeschaltet, bei der die Legierung auf einer relativ hohen Anfangstemperatur und für eine Zeitdauer, die ausreichend ist, um die Lösung der Legierungselemente zu erleichtern, gehalten wird. Die vorbereitende Behandlung kann an der Legierung, wie erhalten, durchgeführt werden, wobei in diesem Fall die Legierung typischerweise auf Umgebungstemperatur, wie gezeigt, oder unter Umgebungstemperatur abgeschreckt worden ist. Bei einer Alternative kann jedoch die vorbereitende Behandlung ein Anhängsel zu dem erfindungsgemäßen Verfahren sein, wobei die Abschreckung auf die Temperatur T_A für Stufe (a) des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt, und dadurch die Notwendigkeit, die Legierung auf T_A wieder zu erwärmen, vermieden wird.
In Stufe (a) wird die Legierung auf die Temperatur T_A gealtert. Die Temperatur T_A und die Dauer der Stufe (a) sind ausreichend, um ein erforderliches Niveau einer unvollständigen Alterungsverfestigung, wie oben beschrieben, zu erzielen. Die Legierung wird von T_A in Stufe (b) abgeschreckt, um die primäre Ausscheidungshärtung in Stufe (a) zu stoppen; wobei die Abschreckung der Stufe (b) auf oder unter Umgebungstemperatur erfolgt. Nach der Abschreckungsstufe (b) wird die Legierung auf die Temperatur T_B in der Stufe (c) erwärmt, wobei die Temperatur bei T_B und die Dauer der Stufe (c) ausreichend sind, um eine Sekundärkeimbildung oder eine fortgesetzte Ausscheidung von gelösten Elementen zu erzielen. Nach der Stufe (c) wird die Legierung in Stufe (d) auf die Temperatur T_C weiter erwärmt, wobei die Temperatur T_C und die Dauer der Stufe (d) ausreichend sind, um das Altern der Legierung zu erzielen, um die gewünschten Eigenschaften zu erzielen. Die Temperaturen und die Zeiträume können so sein, wie sie früher hier beschrieben wurden.
In Bezug auf die in 1 gezeigte schematische Darstellung des unterbrochenen Alterungsverfahrens und wie es auf alle alterungshärtbare Aluminiumlegierungen angewendet wird, beträgt die Zeit bei der Temperatur T_A im allgemeinen zwischen ein paar Minuten und einigen Stunden, je nach Legierung. Die Zeit bei der Temperatur T_B beträgt gewöhnlich zwischen ein paar Stunden und einigen Wochen, je nach Legierung. Die Zeit bei der Temperatur T_C beträgt üblicherweise einige Stunden, je nach Legierung und Wieder-Härtungstemperatur T_C, die hier durch den schattierten Bereich in dem Diagramm dargestellt ist.
2 zeigt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf eine Al-4Cu-Legierung. In 2 zeigt die durchgezogene Linie die Härte-Zeit(Alterungs-)kurve, die erhalten wird, wenn die Al-4Cu-Legierung zuerst bei 540°C lösungsbehandelt, in kaltes Wasser abgeschreckt und bei 150°C gealtert wird. Ein Spitzen-T6-Härtewert von 132 VHN wird nach 100 Stunden erzielt. Die gestrichelten Kurven zeigen jeweilige Härtereaktionen, wenn eine Niedrigtemperatur-Unterbrechungsstufe, d.h., das erfindungsgemäße Verfahren für die Behandlung (die als T6I6-Behandlung bezeichnet wird) eingeführt wird. In diesem Fall wurde die Legierung:

(a) nur für 2,5 Stunden bei 150°C gealtert;
(b) in ein Abschreckungsmittel abgeschreckt;
(c) bei 65°C für 500 Stunden gehalten;
(d) bei 150°C wieder-gealtert.

Die Spitzenhärte wird nun in dem kürzeren Zeitraum von 40 Stunden erzielt und wurde auf 144 VHN erhöht.
Wie angegeben, stellt die ausgezogene Linie in 2 (ausgefüllte Rauten) die Alterungsreaktion für eine Al-4Cu-Legierung dar, die konventionell bei 150°C in Einklang mit der T6-Wärmebehandlung gealtert wurde. Die gestrichelten Linien in dem Hauptdiagramm zeigen die Alterungsreaktion für eine T_C-Temperatur nach einer Unterbrechungsabschreckung und einer T_B-Unterbrechungsstufe bei 65°C. Das T_C-Wieder-Altern war sowohl bei 130°C (Dreiecke) als auch 150°C (Quadrate). Das eingefügte Diagramm zeigt die Alterungsreaktionsaufzeichnung für die Unterbrechungsstufe bei 65°C, wobei dies durch die vertikale gestrichelte Linie in dem Hauptdiagramm dargestellt ist.
3 zeigt Beispiele von Schliffbildern, die bei der T6- und T6I6-Vergütung von einer Al-4Cu-Legierung, wie mit Bezug auf 2 beschrieben, entwickelt wurden. Die Abweichung in den Mikrostrukturen der in 3 gezeigten T6- und T6I6-Behandlung wird als repräsentativ für den Strukturunterschied betrachtet, der sich bei allen alterungshärtbaren Aluminiumlegierungen entwickelt, die auf eine ähnliche Weise behandelt worden sind. Wie in 3 ersichtlich, führt die T6I6-Behandlung zu der Entwicklung von Mikrostrukturen, die eine höhere Ausscheidungs partikeldichte und eine feinere Ausscheidungspartikelgröße als der maximal gealterte Werkstoff haben, der aus der T6-Behandlung resultiert.
4 zeigt für die Al-4Cu-Legierung, die wie mit Bezug auf 2 beschrieben, behandelt wurde, die Wirkung der Abkühlungsgeschwindigkeiten von der ersten Alterungstemperatur T_A auf die Alterungsreaktion, die in dem Niedrigtemperatur-(T_B)Alterungszeitraum entwickelt wurde. Hier kann man sehen, dass ein Vorteil durch die Verwendung von kaltem Wasser oder einem anderen Abkühlmedium, das für die bestimmte Legierung geeignet ist, gewonnen werden kann. Genauer ausgedrückt zeigt 4 die Wirkung der Abkühlgeschwindigkeit von der Alterungstemperatur von 150°C (T_A) auf die Niedrigtemperatur-Unterbrechungsreaktion für Al-4Cu. Die ausgefüllten Rauten sind für eine Abschreckung in Wasser bei ~65°C, die offenen Quadrate sind für eine Abschreckung in kaltes Wasser bei ~15°C und die ausgefüllten Dreiecke für eine Abschreckung in eine Abschreckmittelmischung aus Ethylenglycol, Ethanol, NaCl und Wasser bei –10°C. Die durch die 4 gezeigte Wirkung ändert sich von Legierung zu Legierung.
Beispiele von Härteerhöhungen als Reaktion auf das Alterungshärten durch Anwendung der T6I6-Behandlung gemäß der Erfindung sind in Tabelle 1 für eine Reihe von Legierungen sowie ausgewählte Beispiele von Varianten der normalen Behandlungen gezeigt. Typische Zugfestigkeitseigenschaften, die als Reaktion auf die T6I6-Alterungshärtung gemäß der Erfindung entwickelt wurden, sind in Tabelle 2 gezeigt. In jeder der Tabellen 1 und 2 sind die entsprechenden T6-Werte für jede Legierung dargestellt. In den meisten Fällen ist aus Tabelle 2 ersichtlich, dass die Duktilität, wie sie durch die prozentuale Dehnung nach dem Bruch gemessen wird, entweder wenig verändert oder erhöht ist, obgleich dies legierungsabhängig ist. Es ist auch zu vermerken, dass es keine schädliche Auswirkung auf die Bruchzähigkeit oder Ermüdungswechselfestigkeit mit der T6I6-Behandlung gibt. TABELLE 1 VERGLEICH DER MAXIMALEN HÄRTEWERTE, DIE UNTER VERWENDUNG VON T6- UND T6I6-ALTERUNGSBEHANDLUNGEN UND AUSGEWÄHLTEN VARIANTEN ERHALTEN WERDEN
TABELLE 2 VERGLEICH DER FESTIGKEITSWERTE, DIE UNTER VERWENDUNG VON T6- UND T6I6-ALTERUNGSBEHANDLUNGEN ERHALTEN WERDEN

‡ T6-Wert für 2090 mag abnormal niedrig sein; typische T8I-Werte sind daher enthalten.
** Werte aus "Smithells Reference Book", 7. Ausgabe von E. A. Brandes und G. B. Book, 1998, entnommen.
## Werte aus "ASM Metals Handbook", 9. Ausgabe, Bd.2, Eigenschaften und Auswahl: Nichteisenhaltige Legierungen und reine Metalle, ASM, 1979, entnommen.
xx verschiedene Werte, hängt ab von Probengeometrie und spezieller Behandlung.

Die Bruchformänderung in dem Vergleich der Tabelle 2 für die Gusslegierung 357 scheint im Widerspruch zu den anderen dargestellten Daten zu sein. Es soll jedoch vermerkt werden, dass die Versuchscharge, aus der diese Proben genommen wurden, typischerweise Werte zwischen 1 und 8% Dehnung mit einem Mittelwert von ~4,5% zeigen. Daher sollten die für die T6- und T6I6-Vergütungen bei der Legierung 357 dargestellten Werte effektiv als äquivalent betrachtet werden.
Tabelle 3 zeigt typische Härtewerte, die mit der T6-Höchstwertalterung verbunden sind, und die maximale Härte, die während der Stufe (d) für den T6I6-Zustand für die verschiedenen Legierungen entwickelt wurde. Tabelle 3 zeigt auch die Zeit der ersten Alterungstemperatur während der Stufe (a) und die typische Härte am Ende der Stufe (a). Zusätzlich zeigt Tabelle 3 für jede Legierung die ungefähre Zunahme der Härte während der gesamten T_B-Unterbrechung der Stufe (c) sowie die Zunahme der Härte während der T_B-Unterbrechung nach 24 und 48 Stunden und bei verschiedenen T_B-Temperaturen.
5 entspricht 2, bezieht sich aber auf eine 2014-Legierung, wieder mit einer Unterbrechungsstufe bei 65°C. Die Legierung 2014 wurde gemäß der T6I6-Vergütung gealtert, nachdem sie bei 505°C 1 Stunde günstig lösungsbehandelt wurde. Die eingefügte Aufzeichnung zeigt eine Unterbrechungsstufe bei 65°C, die durch die vertikale gestrichelte Linie im Hauptdiagramm dargestellt ist.
6 zeigt jeweilige Härtekurven für eine Al-Cu-Mg-Ag-Legierung für eine konventionelle T6-Vergütung (Dreiecke) und eine T6I6-Vergütung gemäß der Erfindung (Quadrate). Die Legierung, insbesondere Al-5,6Cu-0,45Mg-0,45Ag-0,3Mn-0,18Zr wurde bei 525°C 8 Stunden lang lösungsbehandelt. Die T6-Kurve (Dreiecke) trifft auf die bei 185°C gealterte Legierung zu, während die T6I6-Kurve (offene Quadrate) auf die Legierung zutrifft, die anfänglich bei 185°C gealtert, auf 25°C für eine Unterbrechung gehalten und bei 185°C wieder-gealtert wurde.
7 zeigt für diese Legierung das Aushärten während der jeweiligen Unterbrechungsstufen (Stufe (c)), jede bei 25°C, aber mit den jeweiligen Werten der unvollständigen Alterung, wie durch die durchgezogene Kurve dargestellt ist. 8 zeigt für diese Al-Cu-Mg-Ag-Legierung die Wirkung der Abkühlungsgeschwindigkeit von der Alterungstemperatur auf die Unterbrechungsreaktion, wobei die Unterbrechungsstufe wieder bei 25°C ist. 8 zeigt die Wirkung der Abkühlgeschwindigkeit von der Lösungsbehandlungstemperatur auf die Niedertemperatur-Unterbrechungsreaktion für Al-5,6Cu-0,45Mg-0,45Ag-0,3Mn-0,18Zr. Die Rauten stellen die Reaktion dar, wenn die Abschreckung von der ersten Alterungsbehandlungstemperatur (T_A) in ein gekühltes Abschreckmittel durchgeführt wurde, und die Dreiecke stellen die Unterbrechungsreaktion dar, wenn die Probe in heißem Öl von der ersten Alterungstemperatur natürlich abgekühlt wurde.
9 zeigt für eine Al-Cu-Mg-Ag-Legierung den Effekt der Rückentwicklung, der auftreten kann, wenn auf die endgültige Alterungstemperatur T_C wieder erwärmt wird. Für diesen Fall sind die Zeitdauer der ersten Alterungstemperatur während der Stufe (a) und die typische Härte am Ende der Stufe (a) identisch. Genauer ausgedrückt zeigt 9 die Wirkung einer langsameren Abkühlgeschwindigkeit von der Lösungsbehandlungstemperatur von 525°C auf die Legierung 5,6Cu-0,45Mg-0,45Ag-0,3Mn-0,18Zr. Der Werkstoff wurde in Raumtemperatur aufweisendes Leitungswasser abgeschreckt, 2 Stunden lang bei 185°C gealtert, bei 65°C 7 Tage lang unterbrochen. Wenn er auf 185°C (Rauten) wieder erwärmt wird, entwickelt sich die Härte früh zurück, anders als die in 6 gezeigte Reaktion. In diesem Fall werden die höheren Eigenschaften durch die Verwendung einer Wiederalterungstemperatur von 150°C (Kreise) gewonnen, die dann nicht durch die Zurückentwicklung beeinträchtigt wird. Tabelle 3 zeigt auch, dass eine T_C-Temperatur von 150°C anstatt 185°C geeignet ist, um die maximale Verfestigung zu erzielen.
10 entspricht 2, bezieht sich aber auf die Legierung 2090. 10 zeigt einen Vergleich der T6- und T6I6-Alterungskurven für die Legierung 2090. Die Legierung wurde lösungsbehandelt bei 540°C für 2 Stunden. Die T6-Alterung fand bei 185°C statt. Für die T6I6-Behandlung wurde die Legierung bei 185°C für 8 Stunden gealtert, auf 65°C für eine Unterbrechung (eingefügte Aufzeichnung) gehalten und bei 150°C wiedergealtert.
11 zeigt die T6I6-Kurve für die Legierung 8090. Die Legierung wurde lösungsbehandelt für 2 Stunden bei 540°C, abgeschreckt und bei 185°C für 7, 5 Stunden gealtert, auf 65°C für eine Unterbrechung (eingefügte Aufzeichnung) gehalten und bei 150°C wieder-gealtert.
12 zeigt ein Beispiel der T9I6-Kurve für 8090, wobei eine Kaltbearbeitung nach Stufe (b) und unmittelbar vor der Stufe (c) durchgeführt wurde, bevor die Alterung nach der Erfindung fortgesetzt wurde. Genauer ausgedrückt wurde die Legierung 8 Stunden lang bei 185°C gealtert, abgeschreckt, 15% kaltbearbeitet, auf 65°C für eine Unterbrechung (eingefügte Aufzeichnung) gehalten und bei 150°C wieder-gealtert. Hervorzuheben ist hier, dass die Unterbrechungsreaktion nicht so gross wie bei dem in 11 gezeigten T6I6-Zustand war.
13 zeigt einen Beispielsvergleich von T8- und T8I6-Kurven für die Legierung 8090, wobei die Kaltbearbeitung sofort nach der Lösungsbehandlung und dem Abschrecken, aber vor irgendeiner künstlichen Alterung durchgeführt wurde. Für die T8-Behandlung wurde die Legierung bei 560°C lösungsbehandelt, abgekühlt und bei 185°C gealtert. Für die T8I6-Behandlung wurde die lösungsbehandelte Legierung 10 Minuten lang bei 185°C gealtert, auf 65°C für eine Unterbrechungsbehandlung (eingefügte Aufzeichnung) gehalten und dann bei 150°C wieder-gealtert.
Die 14 bis 17 zeigen Beispielsvergleiche zwischen den T6-Härtekurven und den T6I6-Härtekurven für jede der Legierungen 6061, 6013, 6061+Ag, 6013+Ag. Im Falle der 14 wurde die Legierung 6061 1 Stunde lang bei 540°C lösungsbehandelt. Die T6-Alterung (ausgefüllte Raute) fand bei 177°C statt; während die T6I6-Alterung (offene Raute) bei 177°C 1 Stunde lang war, abgeschreckt, gehalten auf 65°C für die Unterbrechungsbehandlung und bei 150°C wieder-gealtert. Bei 15 wurde die Legierung 6013 bei 540°C 1 Stunde lang lösungsbehandelt. Die T6I6-Alterung (ausgefüllte Raute) war bei 177°C. Die T6I6-Alterung (offene Rauten) war bei 177°C 1 Stunde lang, abgeschreckt, gehalten auf 65°C für die Unterbrechungsbehandlung und wieder-gealtert bei 150°C. 15 zeigt auch die Ergebnisse, die mit den Legierungen 6056 und 6082 unter ähnlichen T6I6-Zuständen aufgrund der Ähnlichkeit in der Zusammensetzung erhältlich sind. 16 zeigt die Ergebnisse für die Legierung 6061+Ag, wobei sie 1 Stunde bei 540°C lösungsbehandelt wurde. Die T6-Alterung (ausgefüllte Rauten) war bei 177°C. Die T6I6-Alterung (offene Rauten) war bei 177°C 1 Stunde lang, abgeschreckt, gehalten auf 65°C für die Unterbrechungsbehandlung und wieder-gealtert bei 150°C.
Bei 17 sind die Ergebnisse für die Legierung 6013+Ag, wobei 1 Stunde lang bei 540°C lösungsbehandelt wurde. Die T6-Alterung (ausgefüllte Rauten) war bei 177°C. Die T6I6-Alterung (offene Rauten) war bei 177°C 1 Stunde lang, abgeschreckt, gehalten auf 65°C für die Unterbrechungsbehandlung und wieder-gealtert bei 150°C.
18 zeigt die T6I6-Kurve für 6061+20% SiC. Diese Legierung wurde 1 Stunde lang bei 540°C lösungsbehandelt. Die T6I6-Alterung war bei 177°C 1 Stunde lang, abgeschreckt, gehalten auf 65°C für die Unterbrechungsbehandlung und wieder-gealtert bei 150°C.
Die 19 bis 22 zeigen jeweils Aufzeichnungen für den Unterbrechungsschritt der Stufe (c) für jede der Legierungen 6061, 6013, 6061+Ag, 6013+Ag als eine Funktion der Unterbrechungsstufentemperatur T_B. In diesem Fall wurde die jeweilige Legierung 1 Stunde vor der Unterbrechungsbehandlung bei Temperaturen von 45°C (Sterne), 65°C (Quadrate) und 80°C (Dreiecke) gealtert.
23 zeigt die Wirkung von 25% Kaltbearbeitung sofort nach der Stufe (b) vor der Unterbrechung auf den Unterbrechungsschritt. Die Legierungen, auf die sich 23 bezieht, sind 6061 (Rauten), 6061+Ag (Quadrate), 6013 (Dreiecke) und 6013+Ag (Kreise), wobei die Unterbrechungsstufentemperatur T_B 65°C für die ausgefüllten Rauten, Quadrate, Dreiecke und Kreise und 45°C für diejenigen Symbole, die in der offenen Form gezeigt sind, ist.
24 zeigt Beispiele der T6I6- und T6I76-Behandlungen, wie sie auf die Legierung 7050 angewendet werden. In jedem Fall wurde die Legierung bei 485°C lösungsbehandelt, abgeschreckt, gealtert bei 130°C, abgeschreckt mit einer Unterbrechungsbehandlung bei 65°C (eingefügte Aufzeichnung), dann wiedergealtert bei 130°C (Rauten) oder bei 160°C (Dreiecke). Es ist hervorzuheben, dass die Spitzenhärte für den T6-Zustand 213 VHN beträgt.
Die 25 und 26 zeigen Beispiele der T6I6-Wärmebehandlungen für die Legierungen 7075 bzw. 7075+Ag (ähnlich der Legierung AA-7009). Jede Legierung wurde bei 485°C 1 Stunde lang lösungsbehandelt, abgeschreckt, 0,5 Stunden bei 130°C gealtert mit einer Unterbrechung bei 35°C und wieder-gealtert bei 100°C.
27 zeigt die Wirkung der Temperatur auf die Unterbrechungsstufe der Erfindung jeweils für jede der Legierungen 7075 und 7075+Ag. Die obere Aufzeichnung betrifft die Legierung 7075 und die untere Aufzeichnung betrifft die Legierung 7075+Ag. In jedem Fall war ein Niedrigtemperaturunterbrechungsschritt bei 25°C (Rauten), 45°C (Quadrate) oder 65°C (Dreiecke). Es ist hervorzuheben, dass es bei jeder Legierung einen Unterschied im Verhalten zwischen 25°C und den etwas höheren Unterbrechungstemperaturen von 45°C und 65°C gibt.
28 zeigt einen Beispielsvergleich von T6- und T6I6-Alterungskurven für eine Al-8Zn-3Mg-Legierung mit einer Unterbrechungsstufe bei 35°C. Die T6-Vergütung war bei 150°C und wird durch ausgefüllte Rauten angezeigt, während die T6I6-Vergütung durch offene Rauten angezeigt ist. Die T6I6-Legierung wurde bei 480°C 1 Stunde lang lösungsbehandelt, abgeschreckt, bei 150°C 20 Minuten lang gealtert, abgeschreckt, Unterbrechungsbehandlung bei 35°C und wieder-gealtert bei 150°C. Die eingefügte Aufzeichnung zeigt die Alterungsreaktion während der Stufe (c)-Unterbrechungsstufe.
29 zeigt die T6I6-Alterungskurve für eine Al-6Zn-2Mg-0,5Ag-Legierung (Unterbrechungsstufe bei 35°C), wobei der Unterbrechungsschritt in der Alterungsaufzeichnung auf einer linearen Zeitskala enthalten ist. In diesem Fall wurde die Legierung 1 Stunde lang bei 480°C lösungsbehandelt, abgeschreckt, dann 45 Minuten lang bei 150°C gealtert, abgeschreckt, Unterbrechungsbehandlung bei 35°C und wieder gealtert bei 150°C. Die offenen Quadrate stellen den Unterbrechungsschritt dar.
Die 30 und 31 zeigten Beispielsvergleiche der T6- und T6I6-Alterungskurven für jede der Gusslegierungen 356 und 357. Die Legierung 356, auf die sich 30 bezieht, wurde bei 520°C 24 Stunden lang lösungsbehandelt und abgeschreckt. Für die Lösungsbehandlung wurde die Legierung 3 Stunden lang bei 177°C gealtert, abgeschreckt, Unterbrechungsbehandlung bei 65°C und wieder-gealtert bei 150°C. Die Legierung 356 war von einem sekundären Aluminiumstrang, der ohne Modifizierer oder Kühlelemente sandgegossen wurde. Die Legierung 357 wurde bei 545°C 16 Stunden lang lösungsbehandelt, in Wasser bei 65°C abgeschreckt und rasch auf Raumtemperatur abgekühlt. Für die T6-Behandlung wurde die Legierung 357 bei 177°C gealtert. Für die T6I6-Vergütung wurde die Legierung 357 20 Minuten bei 177°C gealtert, abgeschreckt, Unterbrechungsbehandlung bei 65°C und wieder-gealtert bei 150°C. Die Legierung 357 war ein hochqualitativer Dauerformguss mit Kühlelementen und Sr-Modifizierer.
Tabelle 4 stellt ein Beispiel für Bruchzähigkeit-Vergleichswerte bereit, die die T6- und T6I6-Vergütungen der verschiedenen Legierungen miteinander vergleichen.
TABELLE 4 BEISPIELSVERGLEICH DER BRUCHZÄHIGKEIT VON AUSGEWÄHLTEN LEGIERUNGEN
Alle Versuche wurden in der s-I-Ausrichtung an Proben durchgeführt, die gemäß ASTM-Standard E1304-89, "Standard Test Method for Plane Strain (Chevron Notch) Fracture Toughness of Metallic Materials" untersucht wurden.
Die 32 und 33 zeigen Beispielsvergleiche des Bruchzähigkeit-/Schadenstoleranz-Verhaltens für die Legierungen 6061 und 8090, die in der s-I-Orientierung für jeden der T6- und T6I6-Zustände getestet wurden.
34 zeigt einen Beispielsvergleich der Bruchlastspielzahl der Legierung 6061, die entweder auf den T6- oder T6I6-Zustand gealtert wurde, wobei angezeigt ist, dass die Bruchlastspielzahl durch die Festigkeitszunahme nicht schädlich beeinträchtigt wird.
Schließlich versteht sich, dass verschiedene Abwandlungen, Änderungen und/oder Zusätze bei den Konstruktionen und Anordnungen der zuvor beschriebenen Teile gemacht werden können, ohne vom Umfang der Ansprüche abzuweichen.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung einer härtbaren Aluminiumlegierung, die Legierungselemente in fester Lösung aufweist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: a) künstliches Altern der Legierung bei einer Temperatur T_A, welche eine geeignete Temperatur für ein konventionelles T6-Härten für die Legierung wäre, wobei das künstliche Altern in einem für das Erreichen einer Festigkeitssteigerung der Legierung, die zwischen 50 und 95% der maximal erreichbaren Festigkeit bei einem vollständigen T6-Härten für die Legierung bei einer Temperatur T_A entspricht, ausreichendem Zeitraum durchgeführt wird; b) Abschrecken der Legierung in einem am Ende des Zeitraums für Schritt (a) erreichten, nicht ausgehärteten Zustand von der Temperatur T_A auf eine Temperatur im Bereich zwischen Raumtemperatur und –10°C, um die Primärfällung zu stoppen und die Legierung in einem nicht ausgehärteten und abgeschreckten Zustand zu erhalten; c) Halten der nicht ausgehärteten und abgeschreckten Legierung bei einer Temperatur T_B, welche unter der Temperatur T_A liegt und im Bereich von –10°C bis 120°C liegt, um eine Sekundärkeimung oder eine Fortsetzung der Fällung der gelösten Elemente zu erreichen; und d) Erwärmen der Legierung von der Temperatur T_B auf eine Temperatur T_C im Bereich von (T_A –50°C) bis (T_A +50°C) und Halten der Legierung bei der Temperatur TC zum weiteren künstlichen Altern der Legierung; wobei die Legierung durch die Kombination der Schritte (c) und (d) weiter verfestigt wird auf ein Festigkeitsniveau, das über der für die Legierung maximal durch ein vollständiges konventionelles T6-Härten bei einer Temperatur T_A erreichbaren Festigkeit liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte (c) und (d) aufeinander folgen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei in Schritt (c) kein Erwärmen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Schritte (c) und (d) durch den Einsatz von kontrollierten Heizzyklen miteinander kombiniert sind, wobei sich Schritt (c) eine Heizrate zu der Temperatur T_C zunutze macht, die die Sekundärkeimung oder die Fällung für Schritt (c) bei einer verhältnismäßig tieferen Temperatur als der Endtemperatur T_C liefert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Legierung nach der Behandlung zur Lösung, aber vor Schritt (a) einer mechanischen Verformung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die Legierung nach Schritt (b), aber vor Schritt (c) einer mechanischen Verformung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Legierung während des Schrittes (c) einer mechanischen Verformung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei eine thermo-mechanische Verformung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die mechanische Verformung in Verbindung mit schnellem Abkühlen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Legierung bei T_A direkt nach der Herstellung oder dem Guss ohne einen diskreten Behandlungsschritt zur Lösung gehärtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Endhärte um mindestens 10 bis 15% gegenüber den Härteniveaus, die mit einem konventionellen T6-Wärmebehandlung erreichbar sind, erhöht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Endfließfestigkeit (0.2% Zugfestigkeit) um mindestens 5 bis 10%, bezogen auf die Festigkeitsniveaus, die mit einer konventionellen T6-Wärmebehandlung erreicht werden können, erhöht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Bruchfestigkeit um mindestens 5 bis 10%, bezogen auf die Festigkeitsniveaus, die mit einer konventionellen T6-Wärmebehandlung erreicht werden können, erhöht ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Zeit bei der Temperatur T_A so ausgewählt ist, dass zwischen etwa 85% bis etwa 95% der maximalen Festigkeit, die bei einem vollständigen T6-Härten erreicht werden kann, erhalten werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Zeit bei der Temperatur T_A zwischen 2 oder 3 Minuten und mindestens 8 Stunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Zeit bei der Temperatur T_A zwischen mehr als 2 bis 3 Minuten und etwa 8 Stunden beträgt.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Zeit bei einer Temperatur T_A zwischen 1 und 2 Stunden beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Abkühlen in Schritt (b) durch Abschrecken in eine Flüssigkeit durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei eine Flüssigkeit als Abschreckmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei kaltes Wasser als Abschreckmittel eingesetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Temperatur T_B im Bereich zwischen etwa –10°C und etwa 120°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Temperatur T_B im Bereich zwischen etwa –10°C und etwa 90°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei die Zeitdauer für Schritt (c) sich von weniger als 8 Stunden bis zu mehr als 500 Stunden erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Zeitdauer für Schritt (c) sich von etwa 8 Stunden bis zu etwa 500 Stunden erstreckt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die Temperatur T_C in Schritt (d) die gleiche ist wie die Temperatur T_A in Schritt (a).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die in Schritt (d) eingesetzte Temperatur T_C die Temperatur T_A in Schritt (a) um bis zu 50°C überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die Temperatur T_C die Temperatur T_A um bis zu 20°C überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei die in Schritt (d) eingesetzte Temperatur T_C um 20°C bis 50°C niedriger ist als die Temperatur T_A in Schritt (a).
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Temperatur T_C um 30°C bis 50°C niedriger ist als die Temperatur T_A.