DE69029146T2

DE69029146T2 - Verbesserungen bei aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE69029146T2
Application number: DE69029146T
Authority: DE
Inventors: Kevin Gatenby; Roger Grimes; Ian Palmer
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: British Aluminium Ltd Swansea Gb
Priority date: 1989-11-28
Filing date: 1990-11-28
Publication date: 1997-04-10
Anticipated expiration: 2010-11-29
Also published as: WO1991008319A1; AU7895991A; EP0504218B1; US5374321A; GB8926861D0; JPH05501588A; EP0504218A1; DE69029146D1; JP3022922B2

Description

Diese Erfindung betrifft lithiumhaltige Aluminiumlegierungen, die besonders für den Luft- und Raumfahrtbau geeignet sind und verbesserte Kaltwalzeigenschaften aufweisen.
Solche Legierungen sind insofern attraktiv, als sie eine beträchtliche Gewichtsreduzierung, z. B. bis zu 20 %, gegenüber anderen Aluminiumlegierungen schaffen, und es ist bekannt, daß sie eine große Festigkeit und Steifigkeit und gute Eigenschaften bezüglich der Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Im Vergleich zu anderen Luftfahrzeuglegierungen neigten sie in der Vergangenheit jedoch zu einer Verminderung ihrer Bruchzähigkeit und das Kaltwalzen kann sich als schwierig erweisen.
Eine erfolgreiche Aluminium-Lithium-Legierung, die mit geringen Zusätzen an Magnesium, Kupfer und Zirkonium arbeitet und kommerziell entwickelt wurde, trägt die Bezeichnung "8090" und ist in EP-B-0088511 beschrieben und beansprucht. Diese bekannte Legierung weist die folgende in Gewichtsprozenten ausgedrückte Zusammensetzung auf:
Lithium 2,0 bis 2,8
Magnesium 0,4 bis 1,0
Kupfer 1,0 bis 1,5
Zirkonium bis zu 0,2
Mangan 0 bis 0,5
Nickel 0 bis 0,5
Chrom 0 bis 0,5
Aluminium Rest (ausgenommen zufällige Unreinheiten)
Eine Messung dieser bekannten Legierung im Vergleich zu früheren Al-Li-Legierungen, wie X2020, zeigt eine verbesserte Bruchzähigkeit ohne Einbuße anderer wünschenswerter Eigenschaften, wie adäquate Festigkeit.
Das EP-B-0088511 erkennt die Wichtigkeit von Zirkonium für die Steuerung von Korngröße und Kornwachstum bei der Rekristallisierung und es beschreibt die Bearbeitung eines Legierungsblocks während der Stufen der Homogenisierung, Warmumformung, Kaltwalzen mit Ausglühungszwischenstufe, Lösungsbehandlung, Wasserabschreckung und Streckung.
Das EP-B-0124286 beschäftigt sich mit einer der 8090- Legierung sehr ähnlichen Legierung, außer daß der Kupfergehalt über den im EP-B-0088511 beschriebenen auf mindestens 1,6 Gewichtsprozent erhöht wurde. Diese Legierung ist nun kommerziell als "8091" anerkannt. Dieses Patent erkennt, daß die Wärmevorgeschichte des Blocks eine wichtige Auswirkung auf die Isotropie des endgültigen kaltgewalzten Tafel- oder Streifenmaterials hat und auch darauf, wie leicht das anschließende Kaltwalzen durchgeführt werden kann. Spezifisch wird in diesem Patent gelehrt, daß die gegossene Legierung homogenisiert, warmgewalzt, kaltgewalzt, lösungsbehandelt, wasserabgeschreckt und dann, z. B. durch Streckung, kaltverarbeitet werden sollte.
Nun wurde gefunden, daß unter entsprechenden Verarbeitungs- und Wärmebehandlungsbedingungen die Herstellung von Tafel- oder Streifenmaterial aus Al-Li-Legierungen mit verbesserten Kaltwalzeigenschaften möglich ist, auf Wunsch mit verbesserter Beschädigungstoleranz verbunden mit der für den Luft- und Raumfahrtbau adäquaten Festigkeit.
Da für "Beschädigungstoleranz" keine genaue Definition existiert, ist hier eine Reihe von typischen Werten der Aluminiumlegierungen der vorliegenden Verbindung angeführt:
Festigkeitseigenschaften:
0,2 % Dehngrenze > 290 MPa
Zugfestigkeit > 400 MPa
Bruchdehnung > 10 %
Bruchzähigkeit (Kc) gemäß ASTM 561 gemessen:
Fur eine 1,6 mm dicke Tafel: Tafelbreite
Ermüdungsrißwachstum:
Fur eine 1,6 mm dicke Tafel da/dn < 0,7 x 10&supmin;&sup4; mm/Periode
(Bereich des Spannungsintensitätsfaktors = 10 MPa m: Spannungsverhältnis = 0,1)
Bezüglich des Ermüdungsrißwachstums wird in einem Test der Beschädigungstoleranz, der auf unter Druck stehende Rumpfstrukturen anwendbar ist, eine Mustertafel einer cyclischen Zugspannung ausgesetzt, um das Wachsen eines Ermüdungsriß zu bewirken. Der Ermüdungsriß setzt sich etwa senkrecht zur Achse der Zugbelastung fort und wächst in diese Richtung weiter bis es zum Bruch kommt. In einer Tafel einer Al-Li- Legierung weicht der Ermüdungsriß oft von der senkrechten Richtung ab und wächst eher in paralleler Richtung zur Zugachse, wenn die Zusammensetzung der Legierung und die Herstellungsvorgeschichte der Tafel nicht entsprechend gesteuert worden sind.
Im EP-A-0210112 wird ein Produkt mit einer Al-Grundlage offenbart, das (in Gewichtsprozenten) von 1 bis 3,5 % Li, bis zu 4 % Cu, bis zu 5 % Mg, bis zu 3 % Zn und Zusätze an Mn, Cr und/oder Zr enthält und dadurch gekennzeichnet ist, daß es bis zu 0,10 % Zr, bis zu 0,8 % Mn, bis zu 0,2 % Cr mit % Zr/0,03 + % Mn/0,3 + % Cr/0,07 > 1 enthält und dadurch, daß seine Struktur mit einer durchschnittlichen Korngröße von weniger als oder gleich 200 µm rekristallisiert wird. Außerdem wird ein Verfahren zur Erhaltung einer rekristallisierten Legierung offenbart, die auf Al basiert und (in Gewichtsprozent) von 1 bis 3,5 % Li, bis zu 4 % Cu, bis zu 5 % Mg, bis zu 3 % Zn und Zusätze an Mn, Cr und/oder Zr enthält. Das Verfahren umfaßt die Schritte Gießen, eventuell Homogenisieren, Warmwalzen und eventuell Kaltwalzen mit Zwischenausglühen wenn notwendig, Lösungsglühen, Wasserabschrecken und Unterhärtung und ist dadurch gekennzeichnet, daß der Prozentsatz an Zr, Mn und Cr durch die folgenden Beschränkungen angegeben ist:
Zr ≤ 0,10 %
Mn ≤ 0,8 %
Cr ≤ 0,20 %
mit % Zr/0,03 + % Mn/0,3 + % Cr/0,07 > 1.
Dieses veröffentlichte Dokument enthält eine spezifische Lehre eines Ausglühzwischenschrittes bei 450ºC und die aligemeine Anleitung, eine Temperatur von 200 bis 500ºC zu verwenden. Es wurde jedoch gefunden, daß es innerhalb dieses beschriebenen Temperaturbereichs zu einer Vielfalt von metallurgischen Veränderungen kommt, die sich stark auf das Verhalten des Metalls während des anschließenden Kaltwalzens und, was ebenso wichtig ist, während der Rekristallisierung nach dem Kaltwalzen auswirken.
In ähnlicher Weise wird im EP-A-0157711 ein Verfahren zur Herstellung von Produkten aus Legierungen auf Al-Basis offenbart, die im wesentlichen Li, Mg und Cu als Hauptlegierungselemente enthalten, wobei das Verfahren die Herstellung, einen Homogenisierungsvorgang, einen Warmwalzvorgang, wunschweise einen Kaltwalzvorgang mit Zwischenausglühvorgängen falls erforderlich, eine Lösungsbehandlung, einen Abschreckvorgang, wahlweise einen gesteuerten Kaltumformungsvorgang und einen Anlaßvorgang umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmwalzvorgang in einem Temperaturbereich von 100º bis 420ºC durchgeführt wird.
Zweck des offenbarten Verfahrens ist es, ein Produkt mit hoher Formbarkeit und Isotropie zu erhalten. In dem Verfahren ist einer der beschriebenen fakultativen Schritte ein Ausglühvorgang, der in einem Temperaturbereich zwischen 200º und 550ºC durchgeführt werden und wenige Minuten bis einige Stunden dauern kann. In den Beispielen wird das Ausglühen in einem Ofen bei 350ºC über einen Zeitraum von 1 1/2 Stunden erwähnt. Auch in diesem Fall wird in dieser Publikation nicht anerkannt, daß sich das Ausglühen zu diesem Zeitpunkt im Herstellungsverlauf wesentlich auf die Beschädigungstoleranz des Endprodukts auswirken kann.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, daß es äußerst vorteilhaft ist, diesen Ausglühzwischenschritt innerhalb eines relativ beschränkten Temperaturbereichs durchzuführen, üblicherweise zwischen etwa 270º und 350ºC. Das Ausglühen innerhalb dieses Temperaturbereichs ergibt bei der Abkühlung auf Raumtemperatur einen feinen, im wesentlichen gleichmäßigen Niederschlag mit nur relativ geringen Mengen an gelösten Elementen, die in der Grundmasse in Lösung gehalten werden. Es wurde gefunden, daß Material mit dieser metallurgischen Struktur während der Endausglühbehandlung nach dem Kaltwalzen leicht rekristallisiert und ein Produkt mit guter Beschädigungstoleranz ergibt. Darüberhinaus wurde gefunden, daß das Material sich gut kaltwalzen läßt.
Blöcke oder Tafeln aus Al-Li-Legierung, die herkömmlichen Ausglühbehandlungen unterzogen werden, sind während der Kaltreduktion durch Kaltwalzen für Kantenrisse oder für Spalten während des Aufwickeins nach dem Kaltwalzen anfälhg. Bei der herkömmlichen Walzpraktik in einer kommerziellen Produktionsanlage werden diese Probleme umgangen, indem die Kaltreduktion pro Durchlauf durch das Walzwerk auf etwa 15 % oder weniger beschränkt wird und indem nach jedem oder jedem zweiten Durchlauf durch das Walzwerk ein Zwischenausglühen durchgeführt wird. Wesentliche Einsparungen bei der Produktionszeit und den Produktionskosten könnten durch eine Steigerung der Reduktion pro Durchlauf und/oder der Zahl der Durchläufe zwischen jedem Zwischenausglühen erreicht werden. Im Laufe der Untersuchungen der verbesserten Beschädigungstoleranz von Aluminium-Lithium-Legierungen wurde überraschenderweise gefunden, daß es zu einer wesentlichen Verbesserung des Kaltwalzverhaltens eines Materials kommt, wenn dieses unter Bedingungen ausgeglüht wird, die zu der oben beschriebenen metallurgischen Struktur führen. Ein solches Material kann in einer kommerziellen Anlage zu Reduktionen von bis zu 25 % oder mehr pro Durchlauf kaltgewalzt werden und zwischen den Ausglühbehandlungen können zwei oder mehr Durchläufe stattfinden, ohne daß schädliche Kantenrisse oder Spalten auftreten.
Die untere Temperaturgrenze ist durch (a) das Auftreten eines groben Niederschlags, delta prime (δ') genannt, in der ausgeglühten Struktur festgelegt, der sich als schädlich für das anschließende Kaltwalzverhalten herausstellte und (b) die Notwendigkeit, die bearbeitete Legierung für das anschließende Walzen ausreichend zu erweichen. Eine Beschreibung von δ' findet sich in K. Gatenby's Ph.D. Thesis von 1988 von der Univerity of Birmingham, England. Bezüglich der bevorzugten Aluminium-Lithium-Legierungen, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, wurde gefunden, daß δ' bei Temperaturen über etwa 270ºC nicht auftritt.
Es wurde gefunden, daß die Erhöhung der Ausglühtemperatur auf über etwa 350ºC die rasche Bildung einer groben, spröden, intermetallischen Phase verursacht. Diese Phase von unterschiedlicher Zusammensetzung, wird als "C-Phase" bezeichnet (siehe K. Gatensby's Ph.D. Thesis von 1988 von der University of Birmingham, England) und hat eine sehr schädliche Auswirkung auf das Kaltwalzverhalten, da es zur Rissigkeit der Tafel oder des Streifens führt. Die C-Phase- Teilchen werden während des Walzens gebrochen, wodurch Hohlräume in der Struktur entstehen, die nach dem Ausglühen beibehalten werden.
Obwohl die C-Phase in bei 450ºC ausgeglühten Proben nicht vorhanden ist, wurde gefunden, daß das Ausglühen bei dieser hohen Temperatur die Menge an gelöstem Element, das in der Grundmasse in Lösung gehalten wird, bei der Abkühlung auf Raumtemperatur erhöht. Dies führt zu zwei schädlichen Auswirkungen:
(a) Die Verfestigungsgeschwindigkeit während des Kaltwalzens ist nach dem Ausglühen bei 450ºC viel größer als nach dem Ausglühen bei 350ºC. Eine 8090-Legierung z. B., die bei 350ºC zwischenausgeglüht und zu 65 % Dickenabnahme kaltgewalzt wurde, wies eine Härte von etwa 100 VPN auf, während ein identisches Material, das nach einem Ausglühen bei 450ºC der gleichen Walzreduktion unterzogen wurde, eine Härte von 130 VPN aufwies. Diese größere Härte spiegelt sich in größeren Walzladungen und somit größeren Schwierigkeiten beim Walzen und in einer verstärkten Neigung zur Rißbildung wider, und
(b) die Rekristallisierung nach dem Kaltwalzen ist schwerer zu erreichen, wenn das Zwischenausglühen bei 450ºC durchgeführt wurde. Eine 8090-Legierung, die bei 350ºC ausgeglüht und zu 37 % Dickenabnahme kaltgewalzt wurde, war nach einem Standardausglühen von 10 bis 20 Minuten bei 530ºC in einem Salzbad vollständig rekristallisiert. Ein ähnliches Material, das bei 450ºC ausgeglüht und zu derselben Dickenabnahme kaltgewalzt wurde, zeigte nur geringe Rekristallisierung nach dem Ausglühen bei 530ºC und eine vollständige Rekristallisierung wurde erst bei Anwendung einer 73 % Kaltreduktion und anschließendem Standardausglühen in einem Salzbad beobachtet.
Gemäß der vorliegenden Erfindung und wie in Anspruch 1 definiert, wird ein Verfahren zur Herstellung von Tafel- oder Streifenmaterial mit verbesserten Kaltwalzeigenschaften, auf Wunsch mit verbesserter Beschädigungstoleranz vorgesehen, umfassend die Schritte:
(a) Bereitstellung eines in einem für Warmwalzen geeigneten Zustand befindlichen gegossenen Blocks einer Legierung der in Gewichtsprozenten ausgedrückten Zusammensetzung:
Lithium 1,9 bis 2,6
Magnesium 0,4 bis 1,4
Kupfer 1,0 bis 2,2
Mangan 0 bis 0,9
Zirkonium 0 bis 0,25
mindestens ein weiteres körnungsregelndes Element 0 bis 0,5
Nickel 0 bis 0,5
Zink 0 bis 0,5
Aluminium Rest (ausgenommen zufällige Unreinheiten)
worin die anderen körnungsregelnden Elemente ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Hafnium, Nobium, Scandium, Cerium, Chrom, Titan und Vanadium, und worin zumindest eines der Elemente (i) Mangan, (ii) Zirkonium und (iii) eines der anderen körnungsregelnden Elemente vorhanden sind,
(b) Warmwalzen des Blocks zur Herstellung einer zum Ausglühen geeigneten Zwischenform,
(c) Ausglühen der Zwischenform unter Auslassung eines Lösungsglühungs-Zwischenschrittes bei einer Temperatur von 270º bis 350ºC und über einen Zeitraum von mindestens vier Stunden, was bedeutet, bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um die Zwischenform für das anschließende Walzen ausreichend zu erweichen und um die Bildung von δ'- Niederschlag im wesentlichen zu vermeiden, aber nicht so hoch, daß sich irgendeine bedeutende Menge an C-Phase bildet, und über einen Zeitraum, der für das Niederschlagen jeglicher löslicher Bestandteile darin ausreicht, in einem Ausmaß, das ausreichend ist, um das Ausmaß der in Schritt
(d) erforderlichen Kaltverfestigung beträchtlich zu reduzieren,
(d) Kaltwalzen der ausgeglühten Zwischenform in einem Ausmaß, welches ausreicht, eine im wesentlichen vollständig rekristallisierte, darin im Verlauf von Schritt (e) zu bildende Körnungsstruktur zu verursachen und eine Tafel oder einen Streifen der gewünschten Dicke zu erzeugen, und
(e) rasches Erhitzen und rasches Abkühlen des kaltgewalzten Tafel- oder Streifenmaterials zur Erzeugung einer im wesentlichen vollständig rekristallisierten Körnungsstruktur darin.
Bevorzugte Ausführungsformen des in Anspruch 1 definierten Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Generell wird der Block in Form eines Gußstücks bereitgestellt. Um den Block in einen für das Warmwalzen geeigneten Zustand zu bringen, sind die folgenden zwei zusätzlichen Schritte notwendig:
(1) Erhitzen des gegossenen Blocks auf eine Temperatur und über einen Zeitraum, die ausreichen, innere Spannungen im Block abzubauen, welche durch dessen Abkühlen und durch die Aushärtung vom geschmolzenen Zustand verursacht sind,
(2) Erhitzen des entspannten Blocks auf eine Temperatur und bei einer Erwärmungsrate und über einen Zeitraum, die ausreichen, im wesentlichen alle Phasen im Block mit einem niedrigen Schmelzpunkt ohne Schmelzen aufzulösen und einen homogenisierten Block zu erzeugen.
Der Block kann jedoch durch jede andere Technik bereitgestellt werden, z. B. durch Sprühablagerung oder Pulvertechnologie. In diesen Fällen sind die beiden obigen fakultativen Schritte nicht erforderlich.
Es wurde gefunden, daß einige der in der vorliegenden Erfindung verwendeten Legierungen bei Raumtemperatur in einem Ausmaß aushärten, welches zur Erzeugung einer Tafel oder eines Streifens mit verbesserter Beschädigungstoleranz ausreicht. Bei anderem Legierungen ist jedoch ein getrennter Aushärtungsschritt notwendig. In jedem Fall kann vor dem Aushärten, falls erforderlich, ein Streck- oder Planierschritt durchgeführt werden.
Darüberhinaus kann die rekristallisierte Tafel oder der Streifen vor dem Aushärten auf Wunsch noch einmal rekristallisiert werden, indem die obigen Schritte, beginnend bei Schritt (c) oder eventuell bei Schritt (d), wiederholt werden. Es wurde gefunden, daß eine zweite Rekristallisierung wesentlich leichter zu erreichen ist als die erste Rekristallisierung, da das Ausmaß des zur vollständigen Rekristallisierung erforderlichen Kaltwalzens beträchtlich geringer ist (10-20 %) als im Vergleich mit 30- 40 % für die erste Rekristallisierung. Die leichtere zweite Rekristallisierung ist vermutlich ein Ergebnis des Kohärenzverlustes der Al&sub3;Zr dispersen Teilchen, die als Ergebnis der ersten Rekristallisierung auftreten, wodurch das inkohärente Al&sub3;Zr bei der Verhinderung der anschließenden Rekristallisierung weniger wirksam ist.
Die in der vorliegenden Erfindung verwendeten Aluminium- Lithium-Legierungen enthalten Magnesium und Kupfer und mindestens ein körnungsregelndes Element in einem Ausmaß, das zur Erzeugung einer Dispersion von Teilchen ausreicht, welche eine Kornvergröberung verhindert, während die Rekristallisierung während der späteren Verarbeitungsschritte stattfinden kann. Zirkonium ist das bevorzugte körnungsregelnde Element, doch können andere Elemente, darunter Hafnium, Niob, Scandium, Cerium, Chrom, Mangan, Titan oder Vanadium oder Gemische hievon mit oder ohne Zirkonium verwendet werden. Generell wird Zirkonium in einer Menge von bis zu 0,15 Gewichtsprozent, vorzugsweise 0,05 bis 0,10 % und insbesondere 0,05 bis 0,07 % verwendet, obwohl die genaue Menge an Zirkonium oder anderen kornverfeinernden Elementen von den genauen, angewendeten Gießbedingungen, der Größe des gegossenen Block, dem speziellen, angewendeten Block-Abkühlsystem und den anschließenden Ausglühverfahren abhängig ist. Üblicherweise wird ein Mittelweg gewählt zwischen einem Zr-Gehalt, der niedrig genug ist, um eine vollständige Rekristallisierung während des Wärmebehandlungsschrittes zu ermöglichen, was wesentlich ist, und einem angemessen hohen Zr-Gehalt, um einen brauchbaren körnungsregelnden Effekt zu erzielen.
Da gefunden wurde, daß mit einem Lithium-Gehalt, der größer als 2,60 Gewichtsprozent ist, das erhaltene Tafel- oder Streifenmaterial schwer kaltzuwalzen ist, werden vorzugsweise Lithiumwerte von nicht höher als 2,5 bis zu 2,20 Gewichtsprozent verwendet, insbesonders von 2,25 bis 2,45 Gewichtsprozent.
Für Magnesium liegt der bevorzugte Bereich zwischen 0,7 und 1,4 %, wünschenswert sind 0,8 bis 1,2 Gewichtsprozent, während für Kupfer der bevorzugte Bereich zwischen 1,0 bis 1,4 % liegt, wünschenswert sind 1,10 bis 1,30 Gewichtsprozent.
Obwohl die Gegenwart von Mangan vorteilhaft ist, da es sowohl als körnungsregelndes Element fungiert als auch die Rekristallisierung fördert und bis zu 0,9 Gewichtsprozent zugesetzt werden können, wird dieses Element in der Praxis nur ungern zugesetzt, weil es Probleme bei der Recyclierung des Metallabfalls verursacht. Da es aber einen gewissen körnungsregelnden Effekt aufweist, ist der bevorzugte Bereich für Mangan, wenn anwesend, bis zu 0,5 Gewichtsprozent.
Der verbleibende Gehalt der Legierung ist vorzugsweise wie für AA 8090, doch kann hier Zink in Mengen bis zu 0,5 0% als beabsichtigter Zusatz oder als Begleitelement anwesend sein, das z. B. als Ergebnis der Recyclierung von Al-Li- Legierungsprodukten auftritt, die mit einer Al-Zn-Legierung beschichtet wurden.
Die Bearbeitungsschritte für die Erzeugung von Tafel- oder Streifenmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung unter Verwendung eines anfänglichen Gießverfahrens sind wie folgt:
1. Die Legierung wird gegossen, vorzugsweise im direkten Hartgußverfahren und dann mit kontrollierter Geschwindigkeit, erwärmt bei einer Temperatur, die ausreicht, um die innere Spannung zu reduzieren, die durch das Abkühlen der geschmolzenen Legierung vom Schmelzen entsteht. Für die oben beschriebenen bevorzugten Legierungen ist dies allgemein zwischen 300 und 500ºC, vorzugsweise zwischen 300 und 400ºC. Während des Erwärmens kann es zu einem gewissen Niederschlag von zumindest einigen der in übergesättigtem Mischkristall gehaltenen Bestandteile kommen.
2. Entweder mit Zwischenabkühlen oder direkt nach dem Erwärmungsschritt 1 wird der entspannte Block bei kontrollierter Geschwindigkeit erwärmt, so daß im wesentlichen alle niedrigschmelzenden Phasen ohne Schmelzen aufgelöst werden und der Block homogenisiert wird, indem er bei einer Temperatur und über einen Zeitraum gehalten wird, die ausreichen, im wesentlichen alle löslichen Phasen aufzulösen. Der Block kann dann auf Raumtemperatur abgekühlt und geschält werden.
3. Der homogenisierte Block wird dann im allgemeinen auf zwischen 535 und 545ºC wiedererwärmt und warmgewalzt, auf Wunsch mit Wiedererwärmung in Zwischenstufen und auf Wunsch mit Warmweiten, das heißt Querwalzen bei erhöhter Temperatur, zur Erzeugung einer für das Ausglühen geeigneten Zwischenform. Wenn gewünscht kann das warmgewalzte Metall auf etwa 450ºC erwärmt werden, so daß eine Änderung der Verteilung der Zweitphasenteilchen stattfinden kann.
4. Das warmgewalzte Material wird dann ausgeglüht, um jegliche lösliche Bestandteile darin auszufällen, um das Ausmaß der Kaltverfestigung während des Kaltwalzens zu reduzieren. Bezüglich der oben beschriebenen bevorzugten Legierungen wird dies im allgemeinen bei zwischen etwa 270ºC und 350ºC, vorzugsweise zwischen etwa 270ºC und 325ºC und insbesondere etwa 300ºC durchgeführt, abhängig von der genauen Zusammensetzung der verwendeten Legierung. Wie oben ausgeführt, sollte die Ausglühtemperatur hoch genug sein, um die Zwischenform für das anschließende Walzen ausreichend zu erweichen, und auch hoch genug, um im wesentlichen die Bildung von δ' Niderschlag zu vermeiden, aber nicht so hoch, daß sich irgendeine beträchtliche Menge an C- Phase bildet.
Das ausgeglühte Material wird dann auf seine endgültige Dicke ausgerollt, auf Wunsch mit Zwischenausglühen üblicherweise zwischen 270 und 350ºC, so daß die Tafel oder der Streifen ausreichend kaltumgeformt wird, um die Bildung einer feinen, rekristallisierten Körnungsstruktur während der Lösungsbehandlung zu verursachen.
Die kaltgewalzte Tafel oder der Streifen wird dann rasch auf eine für die Wärmebehanlung geeignete Temperatur erwärmt, vorzugsweise in einem Salzbad und rasch abgekühlt, vorzugsweise durch Wasserabschreckung zur Erzeugung einer lösungsbehandelten, vollständig rekristallisierten Körnungsstruktur darin. Anzumerken ist, daß diese Wärmebehandlung in zwei Schritten vorgenommen werden kann, der erste Schritt bei einer niedrigeren Temperatur von etwa 450ºC bis unter etwa 530ºC, um die Rekristallisierung zu bewirken und dann ein zweiter Schritt bei etwa 530ºC mit anschließender Wasserabschreckung zur Lösungsbehandlung der Tafel oder des Streifens. Der Erwärmungsschritt kann unter Verwendung eines kontinuierlichen Wärmebehandlungsofens, eines Luftumwälzofens oder durch Induktionserwärmung durchgeführt werden, ein Salzbad ist jedoch vorzuziehen.
Auf Wunsch kann die Rekristallisierung noch einmal durchgeführt werden, beginnend bei Schritt 4 oder bei Schritt 5, wie vorher ausgeführt.
Die abgeschreckte Tafel oder der Streifen werden dann, falls gewünscht, gestreckt und/oder planiert und dann unterhärtet, z. B. bei etwa 150ºC über einen Zeitraum von 24 Stunden zur Herstellung des Endprodukts. Ein natürliches Aushärten ist bei bestimmten Legierungen möglich, abhängig von der spezifischen Kombination von gewünschter Zähigkeit und Festigkeit.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand von Beispielen mit Bezug auf die folgenden Beispiele und die dazugehörige Zeichnung beschrieben.

Beispiel 1

Eine manganhaltige Legierung wurde gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt.
Ein Block mit der Zusammensetzung A von Tabelle 1 wurde durch direkten Hartguß gegossen und dann mit anschließender Homogenisierung bei 530ºC entspannt. Der Block wurde zu einem 4 mm dicken Barren warmgewalzt und dann 8 Stunden lang bei 300ºC ausgeglüht. Der Block wurde dann auf 3 mm Dicke kaltgewalzt und noch einmal bei 300ºC über einen Zeitraum von 8 Stunden ausgeglüht. Der Block wurde dann auf 1,6 mm Dicke kaltgewalzt und in einem Salzbad 10 Minuten lang bei 530ºC lösungsbehandelt und wasserabgeschreckt. Nach dem Planieren und Strecken um 2 % wurde der Streifen 24 Stunden lang bei 150ºC gehärtet.
Die rekristallisierte Korngröße und die Zugfestigkeits- und Bruchzähigkeitseigenschaften der Tafel sind in Tabelle 2 angeführt.
Diese Legierung weist gute mechanische Eigenschaften auf, es ist jedoch manchmal aus den vorher erwähnten Gründen vorzuziehen, Mn-Zusätze zu vermeiden. Die Ermüdungseigenschaften waren jenen einer unter ähnlichen Bedingungen geprüften, beschichteten 2024-Legierung überlegen.

Beispiel 2

Ein Block mit der Zusammensetzung B in Tabelle 1 wurde gegossen und dann warm- und kaltgewalzt, wie oben in Beispiel 1 beschrieben. Die Korngröße und die mechanischen Eigenschaften der fertigen Tafel sind in Tabelle 2 angeführt.
Bei der Durchführung der Ermüdungsversuche wurde gefunden, daß die Ermüdungsrisse anfänglich in senkrechter Richtung zur Zugachse wuchsen, doch in der Folge in einem makroskopischen Maßstab eine beträchtliche Abweichung von dieser Achse zeigten. Während ein solches Ermüdungsrißverhaltens für bestimmte Flugzeugstrukturen, wie die Außenfläche großer Passagierflugzeuge nicht tragbar ist, wäre es für andere Bereiche, die eine hohe Beschädigungstoleranz erfordem, z. B. aus Tafelmaterial erzeugte Rumpfrahmen, sehrwohl akzeptabel.

Beispiel 3

Ein Block mit der Zusammensetzung C in Tabelle 1 wurde wie in Beispiel 1 bearbeitet. Die rekristallisierte Korngröße und die mechanischen Eigenschaften der fertigen Tafel sind in Tabelle 2 wiedergegeben.
Bei der Durchführung von Ermüdungsversuchen an dieser Legierung wurde gefunden, daß die Risse ohne makroskopische Rißabweichung senkrecht zur Zugachse wuchsen. TABELLE 1 TABELLE 2
Anmerkungen: 1 - für eine 760 mm breite Tafel
2 - für eine 500 mm breite Tafel
3 - Messung gemäß ASTM E112

Beispiel 4

Ein Block der Zusammensetzung D in Tabelle 1 wurde wie in Beispiel 1 bearbeitet, außer daß nach dem Kaltwalzen zu einer Dicke von 1,4 mm ein Teil der kaltgewalzten Tafel in einem Salzbad bei 530ºC 30 Minuten lang rekristallisiert und dann kaltwasserabgeschreckt wurde, um eine feine, gleichachsige, rekristallisierte Körnungsstruktur (D1) zu ergeben, und ein Teil in einem vorgewärmten Luftumwälzofen bei 530ºC 30 Minuten lang rekristallisiert und dann kaltwasserabgeschreckt wurde, um eine feine, lamellare, rekristallisierte Körnungsstruktur (D2) zu ergeben. Beide Materialien wurden 2 % gestreckt und dann bei 150ºC unterschiedlich lang gehärtet, um ähnliche Dehngrenzwerte zu ergeben. Die Eigenschaften der Tafel bezüglich Korngröße, Zugfestigkeit und Bruchzähigkeit sind in Tabelle 3 wiedergegeben.
Es ist ersichtlich, daß beide Materialien einen hohen Grad an Bruchzähigkeit zeigen. (Die für diese 1,4 mm dicken Materialien erhaltenen Zähigkeitswerte sind etwas niedriger als die in Tabelle 2 für 1,6 mm dickes Material angegebenen, was sich sowohl aus der Verringerung der Tafeldicke als auch aus der Verwendung einer geringeren Testtafelbreite ergibt.) TABELLE 3
* 400 mm breite Tafel

Beispiel 5

Proben des im Salzbad rekristallisierten Materials von Beispiel 4 wurden dann zu verschiedenen Reduktionen, darunter 5 % und 12 %, kaltgewalzt. Dann wurden die Proben in einem Salzbad 30 Minuten lang bei 530ºC ausgeglüht. Die Untersuchung der Körnungsstruktur ergab, daß die 5 % gewalzte Probe ein übermäßiges sekundäres Kornwachstum aufwies, während die 12 % oder mehr gewalzten Proben eine feine, vollständig rekristallisierte Körnungsstruktur zeigten.
Es wurde gefunden, daß ein warmgewalzter Block, an dem ein Zwischenausglühen bei etwa 300ºC durchgeführt wird, während des Ausglühens bei 530ºC solange nicht vollständig rekristallisiert, bis er einer etwa 30 % Kaltreduktion unterzogen wird.
Das Beispiel zeigt, daß die zweite Rekristallisierung nach geringerer Anstrengung bewirkt werden kann als die erste Rekristallisierung.
Obwohl die Behandlungen der Tafeln im Chargenbetrieb beschrieben sind, soll klargestellt werden, daß die Durchführung der Behandlungen auch in einer kontinuierlichen Wärmebehandlungsvorrichtung möglich ist. Es wurde gefunden, daß eine zweistufige Ausglühbehandlung, die äußerst praktisch in einer kontinuierlichen Wärmebehandlungsvorrichtung ausgeführt werden kann, eine überraschende Auswirkung auf die fertige Tafel hat, wie Beispiel 5 zeigt.

Beispiel 6

Ein gegossener Block aus 8090 Standardmaterial wurde entspannt, homogenisiert und vor dem Warmwalzen auf 6 mm Dicke auf 540ºC wiedererwärmt. Proben der Tafel wurden dann über einen Zeitraum von 16 Stunden bei einer Temperatur zwischen 275º und 475ºC ausgeglüht und anschließend zu 40% Dickenabnahme kaltgewalzt. Zum Vergleich wurde eine Probe des warmgewalzten Materials auch zu 40% Dickenabnahme kaltgewalzt.
Für den Kahn Tear Test (siehe das 1965 veröffentlichte Alcoa Technical Paper 18 mit dem Titel "Brucheigenschaften von Aluminiumlegierungen" von J. Kaufman und M. Holt) präparierte Proben wurden unter Verwendung bekannter Verfahren geprüft, um die zum Einschwingen und zur Ausbreitung eines Risses notwendige Energie zu ermitteln. Ein deutlicher Anstieg der Rißausbreitungsenergie wurde, wie in Figur 1 gezeigt, bei den zwischen 275º und 350ºC ausglühten Proben beobachtet. Über 350ºC verringert sich die Rißausbreitungsenergie und fällt schließlich auf ein Niveau ab, das nur geringfügig über dem der ohne Ausglühzwischenschritt kaltgewalzten Probe liegt. Diese Ergebnisse zeigen, daß die für das Ausglühen optimale Temperatur zwischen 275º und 350ºC liegt, da in diesem Temperaturbereich ausgeglühtes Metall während der anschließenden Kaltverformung eine geringere Neigung zur Rißbildung zeigt.
Die für den Kahn Tear Test verwendete Dicke war 0,100" (2,54 mm).

Beispiel 7

Proben von warmgewalzten Streifen mit einer Dicke von 6,4 mm und der Zusammensetzung (Gew.-%) 2,48 Li - 1,22 Cu - 0,83 Mg - 0,069 Zr wurden bei 300ºC und 350ºC jeweils über einen Zeitraum von 1, 2, 4, 8, 16 und 32 Stunden mit anschließender Luftkühlung ausgeglüht. Zum Vergleich wurden einige Proben unter Verwendung von langsamer Ofenkühlung über einen Ausglühzeitraum von 1 h und 16 h abgekühlt. Die Festigkeitseigenschaften der Proben wurden bestimmt und sind in Tabelle 4 wiedergegeben.
Es ist ersichtlich, daß bei beiden Ausglühtemperaturen mit zunehmender Ausglühzeit die Dehngrenze und die Bruchfestigkeit abnimmt und die Dehnbarkeit steigt. Längere Ausglühzeiten (16 h) ergeben also wesentlich weicheres und dehnbareres Material als kürzere Ausglühzeiten (1-2 h), selbst wenn nach den kürzeren Zeiten eine langsame Ofenkühlung durchgeführt wird. Es wurde gefunden, daß die optimale Ausglühbehandlung, die zu niedriger Festigkeit und der höchsten Dehnbarkeit führte, über einen Zeitraum von 16 h und bei 300ºC durchgeführt wird.
Es ist erwähnenswert, daß diese Ergebnisse zeigen, daß die geringste Festigkeit und die größte Dehnbarkeit bei einer wesentlich längeren Behandlungszeit auftreten als die in Beispiel 2 und 3 des EP-A-0157711 zitierten. Darüberhinaus werden Festigkeits- und Dehnbarkeitsgrad nicht wesentlich von der Abkühlgeschwindigkeit von der Ausglühtemperatur beeinflußt.
Während bekannt ist, daß ausgedehnte Ausglühzeiten oder höhere Temperaturen die Dehnbarkeit vieler Legierungen vergrößern und ihre Festigkeit verringern können, ist es überraschend, daß dies in diesem Temperaturbereich bei den Al-Li-Legierungen dieser Erfindung zu beobachten ist, die bei Erwärmung zur Bildung intermetallischer Phasen neigen, die Festigkeit und/oder Dehnbarkeit negativ beeinflussen können. TABELLE 4

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Tafel- oder Streifenmaterial mit verbesserten Kaltwalzeigenschaften, auf Wunsch mit verbesserter Beschädigungstoleranz, umfassend die folgenden produktionsschritte:

(a) Bereitstellung eines in einem für Warmwalzen geeigneten Zustand befindlichen Blocks einer Legierung der in Gewichtsprozenten ausgedrückten Zusammensetzung:

Lithium 1,9 bis 2,6

Magnesium 0,4 bis 1,4

Kupfer 1,0 bis 2,2

Mangan 0 bis 0,9

Zirkonium 0 bis 0,25

mindestens ein weiteres körnungsregelndes Element 0 bis 0,5

Nickel 0 bis 0,5

Zink 0 bis 0,5

Aluminium Rest (ausgenommen zufällige Unreinheiten)

worin die anderen körnungsregelnden Elemente ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Hafnium, Niobium, Scandium, Cerium, Chrom, Titan und Vanadium, und worin zumindest eines der Elemente (i) Mangan, (ii) Zirkonium und eines (iii) der den anderen körnungsregelnden Elementen vorhanden sind,

(b) Warmwalzen des Blocks zur Herstellung einer zum Ausglühen geeigneten Zwischenform,

(c) Ausglühen der Zwischenform unter Auslassung eines Lösungsglühungs-Zwischenschrittes bei einer Temperatur von 270 bis 350ºC und über einen Zeitraum von mindestens vier Stunden,

(d) Kaltwalzen der ausgeglühten Zwischenform in einem Ausmaß, welches ausreicht, eine im wesentlichen vollständig rekristallisierte, darin im Verlauf von Schritt (e) zu bildende Körnungsstruktur zu verursachen und eine Tafel oder einen Streifen der gewünschten Dicke zu erzeugen, und

(e) rasches Erhitzen und rasches Abkühlen des kaltgewalzten Tafel- oder Streifenmaterials zur Erzeugung einer im wesentlichen vollständig rekristallisierten Körnungsstruktur darin.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Block gegossen ist und in einem für das Heißwalzen geeigneten Zustand bereitgestellt wird durch:

(1) Erhitzen des gegossenen Blocks auf eine Temperatur und über einen Zeitraum, die ausreichen, innere Spannungen im Block abzubauen, welche durch dessen Abkühlen und durch die Aushärtung vom geschmolzenen Zustand verursacht sind,

(2) Erhitzen des entspannten Blocks auf eine Temperatur und bei einer Erwärmungsrate und über einen Zeitraum hinweg, die ausreichen, im wesentlichen alle Phasen im Block mit einem niedrigen Schmelzpunkt ohne Schmelzen aufzulösen und einen homogenisierten Block zu erzeugen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, einschließlich des Schrittes einer Abkühlung des entspannten Blocks zwischen den Schritten (1) und (2).

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Legierung Lithium in einer Menge von 2,25 bis 2,45 Gewichtsprozent enthält.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Legierung Kupfer in einer Menge von 1,10 bis 1,30 Gewichtsprozent enthält.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das körnungsregelnde Element Zirkonium ist und in einer Menge von 0,05 bis 0,10 Gewichtsprozent vorhanden ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, worin das Zirkonium in einer Menge von 0,05 bis 0,07 Gewichtsprozent vorhanden ist.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Legierung Magnesium in einer Menge von 0,8 bis 1,2 Gewichtsprozent enthält.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Legierung Mangan in einer Menge von bis zu 0,5 Gewichtsprozent enthält.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Ausglühschritt (c) über einen Zeitraum von 8 bis 16 Stunden ausgeführt wird.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Ausglühschritt (c) bei einer Temperatur von 270 bis 325ºC ausgeführt wird.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einschließlich der Schritte des Wiedererhitzens und auf Wunsch Warmverbreiterns des homogenisierten Blocks während des oder nach dem Warmwalzen des Blocks in Schritt (b).

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, in dem mindestens ein Zwischenausglühschritt während des Kaltwalzens der ausgeglühten Zwischenform in Schritt (d) enthalten ist.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Erhitzen des kaltgewalzten Tafel- oder Streifenmaterials des Schrittes (e) in einem Salzbad ausgeführt wird.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Abkühlen des erhitzten, kaltgewalzten Tafel- oder Streifenmaterials des Schritts (e) unter Einsatz einer Wasserabschreckung ausgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, worin das rekristallisierte Tafel- oder Streifenmaterial erneut rekristallisiert wird, indem nach Schritt (e) erneut entweder Schritt (c) oder Schritt (d) und dessen Folgeschritte durchgeführt werden.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin nach dem Schritt (e) das Tafel- oder Streifenmaterial gestreckt und/oder planiert und dann unterhärtet wird.

18. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Warmwalzschritt (b) bei einer Temperatur zwischen 535 und 545ºC ausgeführt wird.