DE69700330T2

DE69700330T2 - Dicke werkstuecke aus al-zn-mg-cu legierung mit verbesserten eigenschaften

Info

Publication number: DE69700330T2
Application number: DE69700330T
Authority: DE
Inventors: Philippe Lassince; Guy Raynaud; Pierre Sainfort; Ravi Shahani; Christophe Sigli; Jean-Francois Verdier
Original assignee: Pechiney Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 1996-01-25
Filing date: 1997-01-24
Publication date: 2000-01-13
Anticipated expiration: 2017-01-25
Also published as: CA2244148A1; CA2244148C; FR2744136B1; EP0876514A1; DE69700330D1; JP2000504068A; WO1997027343A1; EP0876514B1; JP4235260B2; DE876514T1; FR2744136A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Erzeugnisse aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu (Serie 7000 nach der Bezeichnung der Aluminium Association) mit einer Wanddicke von mehr als 60 mm. Diese Erzeugnisse können Platten oder warmgewalzte Bleche, Schmiedeblöcke oder Strangpreßerzeugnisse sein. Für den Fall, daß das Erzeugnis nicht quaderförmig ist, wird unter Wanddicke die kleinste Abmessung des Erzeugnisses zum Zeitpunkt des Abschreckens verstanden (zum Beispiel die geringste Wanddicke bei einem Profil).

Stand der Technik

Dicke Walz-, Schmiede- oder Strangpreßerzeugnisse aus einer Aluminiumlegierung der Serie 7000 werden dazu verwendet, aus der Masse durch Schneiden, Fräsen oder Bearbeiten hochfeste Werkstücke für die Luftfahrtindustrie herzustellen, beispielsweise Tragwerkelemente wie Holme oder Laschen, sowie Rumpfelemente wie Rahmen, oder Werkstücke für den Maschinenbau wie Werkzeugmaschinen-Bauelemente oder Kunststoffgießformen.
Diese Werkstücke müssen eine Reihe von Eigenschaften aufweisen, die häufig zueinander im Widerspruch stehen, so daß bei der präzisen Definition der chemischen Zusammensetzung und der Umformvorgänge der verwendeten Erzeugnisse schwierige Kompromisse zu schließen sind.
Die Erzeugnisse müssen nämlich im Wärmebehandlungszustand oftmals folgende Eigenschaften gleichzeitig aufweisen:
- eine hohe mechanische Festigkeit zur Begrenzung des verwendeten Metallgewichts,
- eine ausreichende Bruchzähigkeit zur Reduzierung der Rißausbreitungsgeschwindigkeit,
- eine gute Ermüdungsfestigkeit wegen ihrer Verwendung in Strukturen, welche Erschütterungen oder zeitlich veränderlichen Spannungen ausgesetzt sind,
- eine ausreichende Festigkeit gegen Spannungsrißkorrosion.
Im Hinblick auf eine akzeptable metallurgische Qualität muß die Legierung darüber hinaus unter guten Bedingungen gegossen und umgeformt werden können. Die Umformung nach erfolgtem Platten- oder Bolzenguß umfaßt gewöhnlich eine Homogenisierung, eine Warmumformung durch Walzen, Schmieden oder Strangpressen, ein Lösungsglühen, ein Abschrecken (zum Beispiel im Tauchbad oder durch Zerstäubung mit Hilfe einer Abschreckflüssigkeit), eventuell eine Entspannung durch Kaltrecken oder durch Stauchung, eine Kaltauslagerung und eine Warmauslagerung.
Die Abkühlung während des Abschreckens kann mehr oder weniger schnell erfolgen. Mit Abschreckgeschwindigkeit wird hier die durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit (in ºC/s) des Erzeugnisses zwischen 450 und 280ºC bezogen auf die Viertelwanddicke bezeichnet. Man sagt, daß ein Erzeugnis abschreckempfindlich ist, wenn seine statischen mechanischen Eigenschaften, wie zum Beispiel seine Dehngrenze, bei abnehmender Abschreckgeschwindigkeit geringer werden, was natürlich bei dicken Erzeugnissen mit größerer Wahrscheinlichkeit vorkommt.
Um eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine gute Bruchzähigkeit zu erzielen, sucht man in der Regel nach einem Fasergefüge, das man durch Vermeiden einer zu starken Rekristallisation der Legierung erhält. Zu diesem Zweck werden der Zusammensetzung ein oder mehrere sogenannte rekristallisationshemmende Elemente zugesetzt, z. B. Zr, Ti, Cr, Mn, V, Hf oder Sc. So weisen die bei der Aluminium Association registrierten Zusammensetzungen der 7010- und 7050-Legierungen einen Zr-Zusatz mit Gehalten von 0,10 bis 0,16% bzw. 0,08 bis 0,15% auf.
Gut erläutert wird dies durch den kürzlich erschienenen Artikel von DORWARD et al. "Grain Structure and Quench-Rate Effects on Strength and Toughness of AA7050 AlZnMgCuZr Alloy Plate", Metallurgical and Materials Transactions A, Bd. 26A, S. 2481-2484, der beispielsweise für die 7050 einen Gehalt an Zr + Ti von 0,14% angibt und für im Labor hergestellte und nicht spannungsarm gereckte Bleche von 14 mm Wanddicke die Wirkung extremer Rekristallisationsgradschwankungen von 15 bis 80% auf die Dehngrenze der Bleche im Zustand T6 aufzeigt. Der Artikel stellt auch die Wirkung der Abschreckempfindlichkeit der 7050-Legierung unterhalb einer Abschreckgeschwindigkeit von 20ºC/s dar, die der Abschreckgeschwindigkeit von Erzeugnissen mit einer Wanddicke von mehr als ca. 50 mm entspricht.
Diese Laborversuche unterscheiden sich jedoch von der Industriepraxis, da die Enddicke von 14 mm durch Lauwarmwalzen erreicht wird, wodurch ein schwach verformtes Mikrogefüge entsteht, das sich deutlich von den Mikrogefügen unterscheidet, die gewöhnlich die durch Warmwalzen hergestellten Dickbleche kennzeichnen.
Nach dem Artikel von DORWARD nimmt der Einfluss des Rekristallisationsgrades auf die Bruchzähigkeit in L-T-Richtung mit der Abschreckgeschwindigkeit ab. In Fig. 6 des Artikels von DORWARD et al. wird beispielhaft dargestellt, daß bei einer Abschreckgeschwindigkeit von 8ºC/s (was einer halben Wanddicke von etwa 100 mm entspricht, die für ein Dickblech angesichts der beabsichtigten Anwendung charakteristisch ist) die Bruchzähigkeit in L-T-Richtung bei einem Rekristallisationsgrad von 15% bis 50% die gleiche ist und um ca. 10% abnimmt, wenn der Rekristallisationsgrad auf 90% ansteigt.
Der Zusatz rekristallisationshemmender Elemente, durch den die Rekristallisation in Grenzen gehalten werden könnte, hat den großen Nachteil, daß dadurch die Aushärtbarkeit des Erzeugnisses nach Abschrecken und Warmauslagerung vermindert wird, und dies um so mehr je dicker das Erzeugnis ist, wobei die Aushärtung im Innern geringer ist als an der Oberfläche, was deutliche Unterschiede zwischen den mechanischen Eigenschaften zur Folge hat.
So erwähnt der Artikel von M. CONSERVA und P. FIORINI "Interpretation of Quench Sensitivity in AlZnMgCu alloys", Metallurgical Transactions, Bd. 4, März 1973, S. 857-862 einen in GP-Zonen-Dichte gemessenen Aushärtbarkeitverlust bei Dünnblechen aus einer Al-Zn5,5-Mg2,5-Cu1,6- Legierung mit einem Zusatz von entweder 0,23% Cr oder 0,22% Zr im Vergleich zur gleichen Legierung ohne diese Zusätze.
Dieser Artikel lehrt, daß Zirkonium geeigneter ist als Chrom, den Aushärtbarkeitverlust der Legierung während der Warmauslagerung zu begrenzen. Aber selbst in Anwesenheit von Zirkonium, bei einer Abschreckgeschwindigkeit von 4ºC/s, d. h. der Abschreckgeschwindigkeit im Innern eines ca. 200 mm dicken, in kaltem Wasser eingetauchten Werkstücks, ist die Abnahme des Aushärtungsvermögens gewaltig, und die Abschreckempfindlichkeit kann durch Zirkonium nicht mehr vermindert werden. Aus dem Artikel geht weiterhin hervor, daß bei der getesteten Zusammensetzung sogar ohne Chrom oder Zirkonium eine Abnahme des Aushärtungsvermögens bei einer Abschreckgeschwindigkeit von ca. 4ºC/s festgestellt wird.
Um die Abschreckempfindlichkeit herabzusetzen, haben russische Metallurgen die Legierung V93 bzw. 1930 nach der russischen Norm GOST 11069 vorgeschlagen, die keine rekristallisationshemmenden Elemente enthält, sondern eine Zusammensetzung aufweist, die sich von denen der 7010- oder 7050-Legierungen stark unterscheidet und insbesondere einem hohen Gehalt an Eisen aufweist (zwischen 0,20 und 0,45%), der sich ungünstig auf die Bruchzähigkeit und Ermüdungsfestigkeit auswirkt.
Der Artikel von H.A. HOLL "Investigations into the possibility of reducing quench sensitivity in high-strength AlZnMgCu alloys", Journal of the Institute of Metals, Juli 1969, S. 200-205 enthält die gleiche Feststellung zum schädlichen Einfluss der Elemente Zr, Mn, Cr und V, d. h. der rekristallisationshemmenden Elemente, aber auch von Fe und Si mit handelsüblichem Reinheitsgrad, auf die Abschreckhärtbarkeit von Dünnblechen. Dies bedeutet, daß zur Herabsetzung der Abschreckempfindlichkeit dieser Legierungen Zusammensetzungen mit niedrigem Fe- und Si-Gehalt verwendet werden müssen, wodurch die Produktionskosten im Vergleich zu Legierungen mit handelsüblichem Reinheitsgrad erhöht werden. Die in diesem Artikel enthaltene Lehre, die Dünnbleche betrifft, läßt sich jedoch angesichts des unterschiedlichen Mikrogefüges bedingt durch unterschiedliche Herstellungsverfahren nicht auf Dickbleche übertragen.
Das Patent US 3881966 von Alcoa betrifft eine bei der Aluminium Association zu einem späteren Zeitpunkt unter der Bezeichnung 7050 registrierte Legierung, die 4,5 bis 8% Zn, 1,7 bis 3,25% Cu, 1,4 bis 2,6% Mg, 0,05 bis 0,25% Zr und weniger als 0,04% Cr mit unterschiedlichen Konzentrationsverhältnissen von Zn, Mg und Cu enthält. Die Legierung ermöglicht im Vergleich zur 7075-Legierung einen besseren Kompromiss zwischen Festigkeit, Bruchzähigkeit, Spannungsrißkorrosionsfestigkeit und Abschreckempfindlichkeit.
Die Patentanmeldung WO 80/00711 von Boeing bezieht sich auf die zu einem späteren Zeitpunkt als AA 7150 registrierte Legierung, die 5,9 bis 6,9% Zn, 2,0 bis 2,7% Mg, 1,9 bis 2,5% Cu, Fe < 0,15%, Si < 0,12% und 0,08 bis 0,15% Zr enthält. Die Warmumformung wird kontrolliert, um die Rekristallisation zu vermindern. Die Legierung ist ein guter Kompromiss zwischen mechanischer Festigkeit, Ermüdung und Bruchzähigkeit.
In der Patentanmeldung EP 0587274 von Reynolds werden Legierungen mit 5,5 bis 10% Zn, 1,75 bis 2,6% Mg und 1,8 bis 2,75% Cu beschrieben, bei denen die Proportionen dieser Elemente an die stöchiometrischen Proportionen, die für die Bildung der MgZn&sub2;- und Al&sub2;CuMg-Präzipitate notwendig sind, angepaßt sind. Bruchzähigkeit und Schichtkorrosionsfestigkeit sind verbessert. Eins der erwähnten Beispiele betrifft eine Legierung mit der Zusammensetzung: Zn = 6,56%, Mg = 1,98%, Cu = 1,99%, Zr = 0,11%, Fe = 0,051%, Si = 0,05%.
Im Artikel von J.A. WAGNER und R.N. SNENOY "The Effect of Copper, Chromium and Zirconium on the Microstructure and Mechanical Properties of AlZnMgCu Alloys", Metallurgical Transactions A, Bd. 22A, November 1991, S. 2809-2818 wird das Mikrogefüge von auf 38 mm Dicke gewalzten Proben aus einer Legierung aus 6,70% Zn, 2,25% Mg, 0,1% Fe, 0,04% Si mit Cu-Gehalten von jeweils 1,5, 2 und 2,5% und einem Zusatz von 0,11% Zr und 0,20% Cr beschrieben und der Einfluss auf das Festigkeits- und Bruchzähigkeitsverhalten der verschiedenen Zusammensetzungen bewertet.
Die Anmelderin stellte schließlich für behandelte Bleche im Zustand T7451 aus einer 7050-Legierung mit unterschiedlicher Wanddicke, die für die Luftffahrtindustrie bestimmt sind, die Dehngrenzen R0,2 in L- und TL-Richtung zusammen und stellte dabei einen Abfall von ca. 0,5 MPa pro mm zusätzlicher Wanddicke fest. Die Fig. 1 und 2 zeigen die statistische Verteilung dieser Werte für die L- bzw. TL-Richtung. Die Ergebnisse stimmen mit denen des obengenannten Artikels von DORWARD et al. überein, der im Zustand T6 einen Abfall von ca. 40 MPa zwischen den Abschreckgeschwindigkeiten 25ºC/s und 8ºC/s aufzeigt, die in etwa Abkühlungsgeschwindigkeiten im Innern in kaltem Wasser von Blechen mit einer Wanddicke von 60 bzw. 150 mm entsprechen.
Der Stand der Technik gibt somit für dicke Werkstücke aus einer 7000- Legierung kein Mittel an, mit dem die Rekristallisation durch Verwendung von Zirkonium in Griff bekommen werden kann, um eine hohe Festigkeit und Bruchzähigkeit zu erzielen, und gleichzeitig die Abschreckempfindlichkeit herabgesetzt werden kann, um zwischen der Oberfläche und dem Innern des Werkstückes über gleichförmige mechanische Eigenschaften zu verfügen und zu verhindern, daß die Festigkeit mit der Dicke des Werkstücks abnimmt, insbesondere dann, wenn man Fe- und Si-Legierungen mit handelsüblichem Reinheitsgrad verwenden will.
Bekannt ist außerdem, daß sich bei Kupferlegierungen der Serie 7000 die Spannungsrißkorrosionsfestigkeit mit abnehmender Abschreckgeschwindigkeit, d. h. mit zunehmender Wanddicke verschlechtert. Dicke Werkstücke aus 7000- Legierungen mit hohem Kupfergehalt stellen demnach keine denkbare Lösung dar, wenn ein gutes Korrosionsverhalten angestrebt wird.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, für Kupferlegierungen der Serie 7000 mit Beimengung von Zirkonium einen besonderen Zusammensetzungsbereich für dicke Werkstücke zu finden, der diese sehr abschreckunempfindlich macht, bei dem die Rekristallisation auf einem niedrigen Niveau gehalten und dabei der handelsübliche Reinheitsgrad von Eisen und Silizium bewahrt wird und der zu einer hohen mechanischen Festigkeit und Bruchzähigkeit sowie einem guten Ermüdungsverhalten führt, ohne sich schädlich auf die Spannungsrißkorrosionsfestigkeit auszuwirken.

Gegenstand der Erfindung

Gegenstand der Erfindung ist ein gewalztes, stranggepreßtes oder geschmiedetes Erzeugnis mit einer Wanddicke > 60 mm und vorzugsweise > 125 mm aus einer AlZnMgCu-Legierung folgender Zusammensetzung (in Masse-%):
5,9 < Zn < 8,7
1,7 < Mg < 2,5 (und vorzugsweise < 2,3)
1,4 < Cu < 2,2 (und vorzugsweise < 2,1)
Fe < 0,14
Si < 0,11
0,05 < Zr < 0,15
Mn < 0,02
C r < 0,02
mit: Mg + Cu < 4,1 (und vorzugsweise < 4,05)
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,10, Rest Aluminium, wobei dieses Erzeugnis nach Umformung durch Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagerung im Zustand T7451 (durch kontrolliertes Recken entspannt) bzw. T7452 (durch Stauchung entspannt) behandelt wird und folgende Eigenschaften aufweist:
a) eine auf einem Viertel der Wanddicke gemessene 0,2%-Dehngrenze bei nicht proportionaler Verlängerung R0,2 in L- und TL-Richtung > 400 Mpa,
b) eine auf der halben Wanddicke gemessene Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung > 26MPa m und eine auf dem Viertel der Wanddicke gemessene Bruchzähigkeit in L-T-Richtung > 74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) MPa m (wobei e die Wanddicke des Erzeugnisses in mm ist),
c) eine Spannungsrißkorrosionsschwelle > 240 MPa und vorzugsweise > 300 MPa.
Die erfindungsgemäßen Erzeugnisse weisen einen im Bereich zwischen einem Viertel und der halben Wanddicke gemessenen Volumenanteil an rekristallisierten Körnern von ≤ 35% auf. Der Magnesiumgehalt wird vorzugsweise über dem Kupfergehalt gehalten.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein Erzeugnis aus einer Legierung mit einer begrenzteren Zusammensetzung:
5,9 < Zn < 8,7
1,7 < Mg < 2,15
1,4 < Cu < 2,0
Fe < 0,14 Si < 0,11
0,05 < Zr < 0,15
Mn < 0,02 Cr < 0,02
mit: Mg+Cu< 4,0
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,10, Rest Aluminium, das die gleichen Eigenschaften wie oben aufweist, bei dem allerdings der Rekristallisationsgrad wenig Einfluss auf diese Eigenschaften hat.
Die Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung ist vorzugsweise > 28 MPa m in S-L-Richtung und > 74 - 0,08e - 0,07 R0,2L MPa m. Letztere Formel wird gewöhnlich in der Luftfahrtindustrie verwendet.
Gegenstand der Erfindung sind auch Erzeugnisse nach Anspruch 5 und 7, die die gleiche Zusammensetzung wie oben und nach einer Warmauslagerung während einer Äquivalentzeit t(eq) von 600 bis 1000 Stunden folgende Eigenschaften aufweisen:
a) einen Volumenanteil an rekristallisierten Körnern (gemessen zwischen einem Viertel und der halben Wanddicke) von < 35%,
b) R0,2 gemessen auf einem Viertel der Wanddicke in L- und TL-Richtung > 425 MPa,
c) eine Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung > 25 (vorzugsweise 28) MPa m und in L-T-Richtung > 74 (vorzugsweise 75) - 0,08e - 0,07 R0,2(L) MPa m,
d) eine Spannungsrißkorrosionsschwelle > 240 MPa (vorzugsweise 300 MPa).
Bei einer Äquivalentzeit von 1000 bis 1600 Stunden sind die Eigenschaften wie folgt:
b) R0,2 in L- und TL-Richtung > 400 MPa,
c) Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung > 28 MPa m und in L-T-Richtung > 76 (vorzugsweise 77) - 0,08e - 0,07 R0,2(L)MPa m,
d) Spannungsrißkorrosionsschwelle > 240 MPa.
Die Äquivalentzeit t(eq) wird definiert durch die Formel:
t(eq) = ( exp(-16000/T)dt)/exp(-16000/Tref)
wobei T die Augenblickstemperatur in ºK während der Warmauslagerung und Tref eine bei 120ºC (393ºK) gewählte Referenztemperatur ist. T(eq) ist in Stunden ausgedrückt.

Beschreibung der Figuren

Fig. 1 zeigt die 0,2%-Dehngrenze R0,2 in L-Richtung bezogen auf die Wanddicke eines Blechsystems aus einer 7050-Legierung im Zustand T7451 älterer Technik.
Fig. 2 zeigt analog dazu R0,2 in TL-Richtung bezogen auf die Wanddicke desselben Blechsystems.
Fig. 3 zeigt in einem Mg-Cu-Diagramm den Zusammensetzungsbereich der Erfindung (gestrichelt) sowie den bevorzugten Bereich (dünne durchgehende Linie) und den beschränkten Bereich (dicke durchgehende Linie).

Beschreibung der Erfindung

Entgegen allen Erwartungen und insbesondere entgegen der im o. g. Artikel von DORWARD et al. gegebenen Lehre wurde von den Erfindern ein Zusammensetzungsbereich für Kupfer und Zirkonium enthaltene 7000- Legierungen mit handelsüblichen Eisen- und Siliziumgehalten bestimmt, durch den die Rekristallisation kontrolliert werden kann und der ab einer Wanddicke von ca. 60 mm zu einer Herabsetzung der Abschreckempfindlichkeit des Erzeugnisses führt, wenn dessen Wanddicke zunimmt, wobei gleichzeitig eine gute Bruchzähigkeit und Spannungsrißkorrosionsfestigkeit erhalten bleibt, mit konventionellen Industrieumformungstechniken.
Der Magnesiumgehalt der Legierung ist im Vergleich zu dem der 7010- oder 7050-Legierungen reduziert: er liegt bei etwa 2% anstatt 2,3%, darf jedoch zwecks Erhaltung ausreichender mechanischer Eigenschaften nicht unter 1,7 % fallen. Der Kupfergehalt liegt bei 1,7%, er ist also höher als bei der 7010-, aber niedriger als bei der 7050-Legierung. Wichtig ist, daß ein gewisses Gleichgewicht zwischen Cu und Mg bewahrt wird: ist Cu + Mg > 4,1, verschlechtert sich der Kompromiss zwischen Bruchzähigkeit und Dehngrenze, wodurch das Erzeugnis uninteressant wird. Es kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn der Mg-Gehalt höher bleibt als der Cu-Gehalt. Der erfindungsgemäße Zusammensetzungsbereich sowie der bevorzugte Bereich ist im Mg-Cu-Diagramm in Fig. 3 dargestellt.
Als rekristallisationshemmendes Element wird hauptsächlich Zirkonium verwendet und in möglichst geringem Maße Mangan und Chrom, die die Abschreckempfindlichkeit erhöhen. Der Zr-Gehalt muß höher sein als 0,05%, um auf die Rekristallisation zu wirken, er muß jedoch unter 0,15% bleiben, damit die Abschreckempfindlichkeit nicht zunimmt und Probleme beim Abguß vermieden werden. Die Eisen- und Siliziumgehalte entsprechen denen der 7010- und 7050-Legierungen.
Der Arbeitsablauf zur Herstellung des erfindungsgemäßen Erzeugnisses ist mit dem der Erzeugnisse aus 7000-Legierungen, z. B. 7010 und 7050, vergleichbar. Er umfaßt einen Platten- oder Bolzenguß, eine Homogenisierung bei einer Temperatur von 450 bis 485ºC, eine ein- oder mehrschrittige Warmumformung durch Walzen, Strangpressen oder Schmieden, die bei einer Temperatur von 370 bis 460ºC erfolgt und kontrolliert ist, um den gewünschten Rekristallisationsgrad zu erzielen, ein Abschrecken im Tauchbad oder durch Zerstäubung mit kaltem Wasser oder bei einer Temperatur < 95ºC, eine formändernde Entspannung bei Raumtemperatur (kontrolliertes Recken oder Stauchung) in einem Verhältnis < 5% und eine Warmauslagerung, um beispielsweise die Zustände T6, T74, T76, T751, T7451 oder T7651 zu erreichen, insbesondere bei der Verwendung dieser Erzeugnisse für Kunststoffformen.

Beispiele

Beispiel 1

Es wurden 6 Platten gegossen, 3 aus einer herkömmlichen 7050-Legierung, 3 aus der erfindungsgemäßen Legierung F, die sich lediglich durch den Mg- und Cu-Gehalt unterscheiden und folgende Zusammensetzungen (in Masse-%) aufweisen:
Die 6 Platten wurden jeweils gefräst, bei 475ºC (7050) bzw. 465ºC (F- Legierung) homogenisiert und je Legierung gewalzt, eine auf 130 mm Wanddicke, die andere auf 150 mm und die dritte auf 200 mm. Bei den Platten aus der 7050-Legierung lagen die Eintritts- und Austrittstemperaturen des Walzvorgangs jeweils bei 415 bzw. 435ºC; bei der erfindungsgemäßen F- Legierung betrugen sie 410 bzw. 425ºC. Die 6 Bleche wurden bei 480ºC lösungsgeglüht, durch Eintauchen in kaltes Wasser abgeschreckt und in einem Umformverhältnis von ca. 2% gereckt. Die Bleche wurden anschließend einer zweistufigen Warmauslagerung unterworfen:
6 h bei 120ºC und 17 h bei 165ºC für die Bleche aus der 7050-Legierung
6 h bei 115ºC und 10 h bei 172ºC für die Bleche aus der F-Legierung.
Auf jedem Blech wurde auf einem Viertel der Wanddicke die Dehngrenze bei nichtproportionaler Verlängerung R0,2 in L- und TL-Richtung (in MPa) gemessen, sowie auf CT-Proben die Bruchzähigkeit K1e in L-T-Richtung (in MPa m) gemäss Norm ASTM E399. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 aufgeführt, wobei die Bruchzähigkeit mit dem Wert (74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L)) MPa m verglichen wird, wo e die Wanddicke des Blechs in mm bezeichnet. Dieser Ausdruck ermöglicht es, bei dicken Werkstücken aus Legierungen vom Typ AlZnMgCu, welche ähnlich zusammengesetzt sind wie die bekannten 7010- und 7050-Legierungen und die erfindungsgemäßen Legierungen, Werkstücke mit unterschiedlichen Wanddicken und/oder statischen mechanischen Eigenschaften miteinander zu vergleichen.
Es wird festgestellt, daß die Bleche aus der erfindungsgemäßen Legierung bei zunehmender Wanddicke vollkommen abschreckunempfindlich sind, was bei den Blechen aus der herkömmlichen 7050-Legierung nicht der Fall ist, wie es bereits aus den Fig. 1 und 2 hervorging. So ergibt sich überraschenderweise für diese Wanddicken eine gleiche oder höhere mechanische Festigkeit, trotz geringerer Mg- und Cu-Gehalte. Gleichzeitig wird eine bessere Bruchzähigkeit festgestellt. Tabelle 1

Beispiel 2

Es wurden 2 Legierungen gegossen, wobei die erste eine erfindungsgemäße Zusammensetzung aufweist (G-Legierung) und die zweite eine herkömmliche 7050-Legierung ist.
Die Gußplatten wurden bei ca. 470ºC homogenisiert und in 3 Durchläufen auf eine Wanddicke von 6 Zoll (152 mm), 7,5 Zoll (190 mm) bzw. 8 Zoll (203 mm) nach den Angaben in Tabelle 3 gewalzt. Die Austrittstemperaturen des Walzvorgangs sind ebenfalls in Tabelle 3 angegeben. Die Bleche wurden bei 480ºC lösungsgeglüht, durch Eintauchen in kaltes Wasser abgeschreckt und in einem Umformverhältnis von 2% kontrolliert gereckt. Die Bleche wurden anschließend einem zweistufigen Warmauslagerung unterworfen:
6 h bei 115ºC und 10 h bei 172ºC für die Bleche aus der G-Legierung (nach der Erfindung)
6 h bei 120ºC und 17 h bei 165ºC für die Bleche aus der 7050-Legierung (ältere Technik).
Gemessen wurde für jedes Paar Legierung-Wanddicke die Dehngrenze R0,2 auf einem Viertel der Wanddicke in L- und TL-Richtung und die Bruchzähigkeit K1e in Richtung L-T (auf einem Viertel der Wanddicke), T-L (auf einem Viertel der Wanddicke) und S-L (auf halber Wanddicke) gemäss Norm ASTM E399. Auch der Rekristallisationsgrad jedes Blechs wurde auf einem Viertel der Wanddicke und halber Wanddicke gemessen. Diese Messung wurde an Proben im Zustand T351 durchgeführt, die anschließend 6 Stunden bei 160ºC behandelt, dann poliert und mit einer Lösung aus 84 Teilen Chromoxidlösung, 15 Teilen Stickstofflösung und einem Teil Fluorwasserstofflösung bei Raumtemperatur während ca. 1/2 Stunde geätzt wurden. Der Rekristallisationsgrad wurde durch Bildanalyse auf mikroskopischen Aufnahmen dieser Proben gemessen, wobei die rekristallisierten Körner heil auf der dunklen nicht rekristallisierten Matrize erschienen. Sämtliche Ergebnisse sind in Fig. 3 aufgeführt.
Es wird festgestellt, daß die erfindungsgemäßen Bleche eine mit der 7050- Legierung vergleichbare bzw. höhere Dehngrenze aufweisen, sowie eine insbesondere in L-T-Richtung bessere Bruchzähigkeit, da die Bruchzähigkeit des Blechs aus der 7050-Legierung in LT-Richtung bei 152 mm Wanddicke 31,4 MPa m und bei 190 mm Wanddicke 28,1 MPa m nicht erreicht, d. h. die Werte entsprechen 74 - 0,08e - 0,07 R0,2L.
An den erfindungsgemäßen Blechen wurde desweiteren die Zugfestigkeit in TC-Richtung > 300 MPa nach 30 Tagen in einer 3,5%igen NaCl-Lösung mit Immersions- und Emersionszyklen von 10 bis 50 min geprüft, gemäss der Norm ASTM G 44-75 zur Spannungsrißkorrosionsprüfung. Tabelle 2 Tabelle 3

Beispiel 3

Es wurden 5 Legierungstypen gegossen, deren Zusammensetzungen in Tabelle 4 angegeben sind. Die Legierung A ist eine klassische 7050- Legierung, die Legierung B eine optimierte 7050-Legierung mit geringem Mg- Gehalt. Die Legierungen C, D und E haben erfindungsgemäße Zusammensetzungen. Die Gußplatten wurden bei ca. 470ºC homogenisiert und auf Wanddicken von 8 Zoll (203 mm) bzw. 8,5 Zoll (215 mm) warmgewalzt. Die Bleche wurden bei 480ºC lösungsgeglüht, durch Eintauchen in kaltes Wasser abgeschreckt und in einem Umformverhältnis von 2% kontrolliert gereckt. Die Bleche wurden anschließend einer herkömmlichen zweistufigen Warmauslagerung unterworfen, mit einer ersten Stufe zwischen 115ºC und 120ºC und einer zweiten Stufe um 170ºC, wobei diese Zweistufen-Behandlung durch eine Äquivalentzeit t(eq) von 950 Stunden bis 1580 Stunden gekennzeichnet ist, die sich aus folgender Gleichung ergibt:
wobei T (in Kelvin) die mit der Zeit t (in Stunden) veränderliche Temperatur der Wärmebehandlung und Tref eine hier bei 393 K, d. h. 120ºC, gemessene Referenztemperatur ist.
Für jedes Paar Legierung-Wanddicke wurde die Dehngrenze R0,2 in L-Richtung auf einem Viertel der Wanddicke und die Bruchzähigkeit K1e auf einem Viertel der Wanddicke in L-T-Richtung gemäss Norm ASTM E399 gemessen.
Gemessen wurde auch der Rekristallisationsgrad jedes Blechs nach der in Beispiel 2 beschriebenen Methode. Sämtliche Ergebnisse sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die Legierungen vom Typ A und B entsprechen älterer Technik, die Legierungen vom Typ C, D und E der Erfindung. Bei all diesen Legierungen lag die Spannungsrißkorrosionsschwelle oberhalb 300 MPa. Tabelle 4
Es wird festgestellt, daß der auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Wert von K1e(LT) bei den Legierungen A und B immer unter dem Referenzwert 74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) liegt, während er bei den erfindungsgemäßen Legierungen deutlich darüber liegt. Dies bedeutet, daß der Kompromiss zwischen statischen mechanischen Eigenschaften und Bruchzähigkeit besser ist.

Beispiel 4

Es wurden 3 Legierungen vom Typ E gegossen, deren Zusammensetzungen in Tabelle 5 angegeben sind. Die Legierungen wurden nach dem Verfahren von Beispiel 3 umgeformt und den gleichen Versuchsarten unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt. Tabelle 5
Es wird festgestellt, daß der Rekristallisationsgrad bei dem gewählten beschränkten Zusammensetzungsbereich insofern nur einen begrenzten Einfluss auf den Kompromiss zwischen Bruchzähigkeit und Dehngrenze hat, als der auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Wert von K1e(LT) immer deutlich über dem Referenzwert 74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) liegt.

Beispiel 5

Es wurden 4 Legierungstypen gegossen, deren Zusammensetzungen in Tabelle 6 angegeben sind. Die Legierungen vom Typ E entsprechen der Erfindung, die Legierung vom Typ B älterer Technik. Alle Legierungen wurden nach dem Verfahren von Beispiel 3 umgeformt. Die Wanddicke der Bleche betrug 215 mm. Dabei wurde jedoch auch der Einfluss der Äquivalentzeit der zweiten Warmauslagerungsstufe untersucht. Die Bleche wurden den gleichen Versuchsarten unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 aufgeführt. Tabelle 6
Es wird festgestellt, daß die Warmauslagerungsbedingungen bezüglich der erfindungsgemäßen Erzeugnisse bei dem gewählten beschränkten Zusammensetzungsbereich insofern nur wenig Einfluss auf den Kompromiss Bruchzähigkeit/Dehngrenze haben, als der auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Wert von K1e(LT) immer deutlich über dem Referenzwert 74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) liegt. Die Erzeugnisse älterer Technik sind dagegen durch einen Wert von K1e(LT) gekennzeichnet, der immer deutlich unter dem Referenzwert liegt.

Beispiel 6

Es wurden 2 Legierungen vom Typ D gegossen, deren Zusammensetzungen in Tabelle 7 angegeben sind (der Zinkgehalt betrug bei beiden Legierungen 6,0%). Die Legierungen wurden nach dem Verfahren von Beispiel 3 umgeformt.
Die Bleche wurden den gleichen Versuchsarten unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 aufgeführt. Tabelle 7
Es wird festgestellt, daß die Rekristallisation bei dem gewählten Zusammensetzungsbereich kritisch ist, um einen akzeptablen Kompromiss zwischen Bruchzähigkeit und Dehngrenze zu erzielen. Insbesondere darf der Wert des Rekristallisationsgrades zwischen einem Viertel und der halben Wanddicke ca. 35% nicht überschreiten, um sicherzustellen, daß der auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Wert von K1e(LT) immer über dem Referenzwert 74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) liegt.

Claims

1. Gewalztes, stranggepreßtes oder geschmiedetes Erzeugnis mit einer Wanddicke > 60 mm aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu folgender Zusammensetzung in Masse-%:

5,9 < Zn < 8,7

1,7 < Mg < 2,5

1,4 < Cu < 2,2

Fe < 0,14

Si < 0,11

0,05 < Zr < 0,15

Mn < 0,02

Cr < 0,02

mit: Mg+Cu< 4,1

weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,10, Rest Aluminium, wobei dieses Erzeugnis nach Umformung durch Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagerung im Zustand T7451 oder T7452 behandelt wird und zwischen einem Viertel und der halben Wanddicke eine Mikrostruktur mit einem Volumenanteil an rekristallisierten Körnern < 35% sowie folgende Eigenschaften aufweist:

a) eine auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Dehngrenze R0,2 > 400 Mpa in L- und TL-Richtung,

b) eine auf der halben Wanddicke gemessene Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung gemäss Norm ASTM E399 > 26 MPa m und eine auf dem Viertel der Wanddicke gemessene Bruchzähigkeit in L-T- Richtung > 74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) MPa m, wobei e die Wanddicke des Erzeugnisses in mm ist,

c) eine Spannungsrißkorrosionsschwelle gemäss ASTM G 44-75 > 240 MPa.

2. Erzeugnis nach Anspruch 1, bei dem 1,7 < Mg < 2,3.

3. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei dem 1,4 < Cu < 2,1.

4. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung > 28 MPa m und in L-T-Richtung > 74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) MPa m ist.

5. Gewalztes, stranggepreßtes oder geschmiedetes Erzeugnis mit einer Wanddicke > 60 mm aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu folgender Zusammensetzung in Masse-%:

5,9 < Zn < 8,7

1,7 < Mg < 2,5 und vorzugsweise 1,7 < Mg < 2,3

1,4 < Cu < 2,2 und vorzugsweise 1,4 < Cu < 2,1

Fe < 0,14

Si < 0,11

0,05 < Zr < 0,15

Mn < 0,02

Cr < 0,02

mit: Mg + Cu < 4,1 und vorzugsweise Mg + Cu < 4,05

weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,10, Rest Aluminium, wobei dieses Erzeugnis nach Umformung durch Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagerung während einer Äquivalentzeit t(eq)

von 600 Stunden bis 1000 Stunden, wobei T (in Kelvin) die mit der Zeit t (in Stunden) veränderliche Temperatur der Wärmebehandlung und Tref eine bei 393 K gemessene Referenztemperatur ist, behandelt wird und folgende Eigenschaften aufweist:

a) einen zwischen einem Viertel und der halben Wanddicke gemessenen Volumenanteil an rekristallisierten Körnern < 35%,

b) eine auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Dehngrenze R0,2 > 425 Mpa in L- und TL-Richtung,

c) eine auf der halben Wanddicke gemäss Norm ASTM E399 gemessene Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung > 25MPa m und eine auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Bruchzähigkeit in L-T- Richtung > 74 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) MPa m, wobei e die Wanddicke des Erzeugnisses in mm ist,

d) eine Spannungsrißkorrosionsschwelle gemäss ASTM G 44-75 > 240 MPa.

6. Erzeugnis nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch folgende Eigenschaften:

a) eine auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Dehngrenze R0,2 > 425 MPa in L- und TL-Richtung,

b) eine Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung > 28 MPa m und in L-T-Richtung > 75 - 0,08e - 0,07 R0,2(L) MPa m (e = Wanddicke in mm).

7. Gewalztes, stranggepreßtes oder geschmiedetes Erzeugnis mit einer Wanddicke > 60 mm aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu folgender Zusammensetzung in Masse-%:

5,9 < Zn < 8,7

1,7 < Mg < 2,5 und vorzugsweise 1,7 < Mg < 2,3

1,4 < Cu < 2,2 und vorzugsweise 1,4 < Cu < 2,1

Fe < 0,14

Si < 0,11

0,05 < Zr < 0,15

Mn < 0,02

Cr < 0,02

mit: Mg + Cu < 4,1 und vorzugsweise Mg + Cu < 4,05

weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,10, Rest Aluminium,

wobei dieses Erzeugnis nach Umformung durch Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagerung während einer Äquivalentzeit t(eq)

von 1000 Stunden bis 1600 Stunden, wobei T in Kelvin die mit der Zeit t in Stunden veränderliche Temperatur der Wärmebehandlung und Tref bei 393 K gemessene Referenztemperatur ist, behandelt wird und folgende Eigenschaften aufweist:

b) eine auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Dehngrenze R0,2 > 400 Mpa in L- und TL-Richtung,

c) eine auf der halben Wanddicke gemäss ASTM E399 gemessene Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung > 28 MPa m und eine auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Bruchzähigkeit in L-T- Richtung > 76 - 0,08e - 0,07 R0,2L MPa m, wobei e die Wanddicke in mm ist,

d) eine Spannungsrißkorrosionsschwelle gemäss ASTM G44-75 > 240 MPa.

8. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet dass die Spannungsrißkorrosionsschwelle > 300 MPa ist.

9. Erzeugnis nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnesiumgehalt höher ist als der Kupfergehalt.

10. Gewalztes, stranggepreßtes oder geschmiedetes Erzeugnis mit einer Wanddicke > 60 mm aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlZnMgCu folgender Zusammensetzung in Masse-%:

5,9 < Zn < 8,7

1,7 < Mg < 2,15

1,4 < Cu < 2,0

Fe < 0,14

Si < 0,11

0,05 < Zr < 0,15

Mn < 0,02

Cr < 0,02

mit: Mg+Cu< 4,0

weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,10, Rest Aluminium, welches Erzeugnis nach Umformung durch Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagerung im Zustand T7451 oder T7452 behandelt wird und unabhängig vom jeweils vorliegenden Rekristallisationsgrad folgende Eigenschaften aufweist:

b) eine auf der halben Wanddicke gemäss ASTM E399 gemessene Bruchzähigkeit gegen ebene Verformung in S-L-Richtung > 26 MPa m und eine auf einem Viertel der Wanddicke gemessene Bruchzähigkeit in L-T- Richtung > 74 - 0,08e - 0,07 R0,2L MPa m, wobei e die Wanddicke in mm ist,

c) eine Spannungsrißkorrosionsschwelle gemäss ASTM G44-75 > 240 MPa.

11. Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend einen Platten- oder Bolzenguß, eine Homogenisierung bei einer Temperatur von 440 bis 485ºC, eine ein- oder mehrschrittige Warmumformung durch Walzen, Strangpressen oder Schmieden, die bei einer Temperatur von 370 bis 460ºC erfolgt und kontrolliert ist, um einen zwischen einem Viertel und der halben Wanddicke gemessenen Volumenanteil an rekristallisierten Körnern > 35% zu erhalten, ein Lösungsglühen bei einer Temperatur von 460 bis 485ºC, ein Abschrecken mit kaltem Wasser oder bei einer Temperatur < 95ºC, eine Verformung bei Raumtemperatur in einem Verhältnis < 5% und eine Warmauslagerung.

12. Verwendung eines Erzeugnisses nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für die Herstellung von Strukturelementen für Flugzeuge.

13. Verwendung nach Anspruch 12 für die Herstellung von Tragflügelholmen für Flugzeuge.

14. Verwendung eines Erzeugnisses nach einem der Ansprüche 1 bis 10 für die Herstellung von Kunststoffspritzgußformen.