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Verwendung von Aluminiumlegierungen für Preß- und Walzerzeugnisse
Das Dreistoffsystem Aluminium-Magnesium:-Zink ist seit seiner ersten Bearbeitung
durch Eger, Internationale Zeitschrift für Metallographie B,d. q., 19,13, S.29,
Gegenstand mehrerer Untersuchungen geworden, die zur Patentierung verschiedener
ausgewählter Teilbereiche aus diesem System führten. Auch die Feststellung, daß
sich diese Legierungen ähnlich den durch Wi 1 m entdeckten Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen
durch eine bestimmte Wärmebehandlung vergüten lassen, liegt schon viele Jahre zurück.
So beschreibt W. Fraenkel »Zeitschrift für Metallkunde« 1.9:20., S. 227, eine Anzahl
von Kupfer-Magnesium-Zink-Legierungen., die durch Vergütung in ihren Werten, verbessert
werden können. Die von F r a e n k e 1 untersuchten Legierungen besaßen einen Magnesumgebalt,
der nur einen Bruchteil des Zinkgehaltes ausmacht. Das Verhältnis von Magnesium
zu Zink war bei diesen Legierungen etwa 1 :8o, 1 : 16 und 1 : 8, d. h. der Magnesiumgehalt
war nur sehr gering und betrug zwischen o,z und o,5°/0. Später wurden in dem einschlägigen
Schrifttum Aluminium-Magnesium-Zink-Legierungen, betrachtet, bei denen die Vergütung
durch die Ausscheidung der Verbindung Mg Zn. bewirkt wird, wobei diese Verbindung
bis, zu
26% der Gesamtlegierung ausmachen soll. Da die Gewichtsmengen
von -Iagnesium und Zink in der Verbindung -1g Zn, sich ungefähr wie 1 :5 verhalten,
beträgt der Höchstgehalt des Zinks etwa 22%. Da ferner die Vorschrift gemacht wird,
daß nur solche Mengen von Zink und -Magnesium zulegiert werden sollen. die restlos
zur Verbindung lIg Zn., verbraucht werden, so ist in: diesen Aluminium-Magnesium-Zink-Legierungen
gewichtsmäßig stets wesentlich mehr Zink als -Magnesium vorhanden. Es ist weiterhin
auch schon darauf hingewiesen «-orden, den Gehalt an llg Zn.., zwischen 8 und 1-201o
zu wählen. Auf lIagnesium und Zink umgerechnet würde sich ein Höchstgehalt von 2'10
Magnesium und. io% Zink ergeben. Da jedoch überschüssige Mengen von -Iagn°sium und
Zink, und zwar - für Magnesium nicht über i "/a und für Zink nicht über 3% zugegeben
werden sollen, so sind die Höchstmengen an -Iagnesium und Zink 3 010 1lagnesium
und 13 0/0 Zinlc.
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Es ist ferner bekannt. zu der Dreistofflegierung Aluminium=Magnesium-Zinkweitere
Zusätze, wie. Nickel, Titan, Wolfram, Molybdän in einer Höhe von nicht mehr als
1% zuzusetzen. Bei diesen Legierungen ist wiederum das Verhältnis von -Magnesium
und Zink genau gleich dem in der Verbindung -IgZn#, d. h. überschüssige -Mengen
von Magnesium und Zink, die nicht in die. Verbindung eingehen, sollen nicht vorhanden
sein.
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Die Fachwelt hat sich schließlich auch schön mit solchen Aluminium-.Iagnesium-Zinlz-Legierungen
befaßt, bei denen die Zusätze von -Magnesium und Zink nicht mehr genau in dem Verhältnis
vorhanden sind, wie es bei der Verbindung' -Zn., vorliegt. Es sind Legierungen vorgeschlagen
worden, die 4. bis 120/ö -Iagnesium und 2 bis 6% Zink, dazu noch gewisse Zusätze
von Mangan und Silicium enthalten. Als Beispiel sei eine. Legierung genannt, die
6% Magnesium, 3% Zink, o,50fo Mangan, Rest Aluminium enthält. Sie ergab eine Festigkeit
von .I5 hg/mm`=, eine Dehnung von 17 % und eine Streckgrenze von 28 kglmm'. Eine
weitere Legierung aus 6 % Magnesium, .I% Zink und 0,3 0/0 -Mangan wies die folgenden
Werte auf: Festigkeit 54,2 kg/mm=. Dehnung io,i %, Streckgrenze 51,2 kg/mm=. Beim
Vergleich der Werte der beiden angegebenen Legierungen läßt sich feststellen, daß
wohl die Festigkeit und die Streckgrenze bei der zuletzt erwähnten Legierung gestiegen
sind. Die Dehnung ist dagegen erheblich, und zwar von 17 auf io% zurückgegangen.
Es ist weiterhin auch schon vorgeschlagen worden, Zink in kleinen Mengen ein°r Aluminium-Guß-Legierung
mit -Magnesium- und Kupfergehalten zuzusetzen. um eine weitgehende Desoxydation
und Reinigung zu erzielen. Auch- hier ist schön angegeben, -Mägnesiuin und Zink
in -Mengen einzulegieren, die in ein und demselben gleich großen Bereich liegen.
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Der Kupferanteil dieser Legierungen wie auch anderer bekannter kupferhaltiger
Aluminiumlegierungen soll vorzugsweise in einem Betrag gewählt werden, der wesentlich
über i Ofo liegt. Bevorzugt werden Gehalte, die erlieblich über i, i % liegen, so
daß die erforderliche Sicherheit gegen das Auftreten einer erhöhten Spannungskorrosion
nicht mehr gewährleistet ist.
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Ertindungsgemäß --,werden Legierungen zur Herstellung von Preß- und
Walzerzeugnissen benutzt, die im wesentlichen in ihrer Zusammensetzung bekanntgeworden
sind und die aus .I,j bis 7'70 Magnesium. .@.; bis 70/0
Zink, o.i bis i %
Kupfer, Rest Aluminium bestehen, wobei die Gehalte an -Magnesium zu Zink sich verhalten
wie 1.2 : 1 bis i : 1,2.
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Die besten Werte bezüglich der mechanischen und auch anderen Eigenschaften,
wie z. B. der Spannungskorrosionsbeständigkeit, durch welche sich derartige Erzeugnisse
auszeichnen, werden dann erhalten. wenn die Gehalte von Zink und -Magnesium zwischen
bis 6% gewählt werden und somit noch über den Höchstbetrag der zwar nicht vorbekannten,
wohl aber empfohlenen Legierungen zu liegen kommen. Während bei Gehalten an -Magnesium
und Zink unter .I% die Festigkeit nicht die Beträge übersteigt, wie sie die Aluminium-Kupfer--lagnesium-Legierungen
aufweisen, verringern sich bei Zusätzen von über -7% die Dehnungswerte so schnell,
daß derartige Legierungen für technische Zwecke nicht mehr brauchbar sind. Recht
ungünstig wirkt sich ein höherer Zinkgehalt bei der Aushärtung aus.
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Auch der Kupfergehalt darf nicht gesteigert werden, wenn nicht mit
einer -Minderung der Widerstandsfähigkeit gegen Spannungskorrosion gerechnet werden
soll. Insbesondere die Legierungen, die einen höheren Zinkgehalt aufweisen, als
dem Verhältnis Magnesium zu Zink wie i : i entspricht, sind äußerst empfindlich
gegen Spannungskorrosion. Erhalten. solche Legierungen noch einen Kupferzusatz über
211o, so brechen die Blechproben unter dem Einfluß der Spannungskorrosion schon
nach wenigen Stunden durch. Im übrigen lassen sich die Legierungen mit einem Kupfergehalt
über i Olo nur sehr schwer zu Blechen verarbeiten.
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Eine beträchtliche Verbessrung der Eigenschaften der aus den in Frage
kommenden Legierungen - hergestellten Preß- und Walzerzeugnisse wird durch einen
llaiiganzusatz erzielt, der bei 0.7 bis 1,50.'0 liegen soll:
Manganhaltige
sind an sich nicht neu. Es ist aber bisher nicht festgestellt worden, daß ein Mangangehalt
in den angegebenen Grenzen besonders bei solchen Legierungen eine erhöhte Wirkung-_ausübt,
bei denen .das Verhältnis Magnesium zu Zink etwa i : i beträgt.
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Die weitaus besten, Werte sind bei einem Mangangehalt vorhanden, der
um i, i 0l0 liegt. Bei Überschreitung des Mangangehaltes über 1,5 % trifft bereits
ein Abfallen der mechanischen Werte ein, das sich besonders'auch in einer Verringerung
der -Dehnung bemerkbar macht..
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Bei nicht ausgeglühten Proben beeinträchtigt ein mittlerer Mangangehalt
die Dehnung und die-Festigkeit-stark, während bei gleichen. Mangangehalten die Werte
dieser Eigenschaften von ausgehärteten Proben überraschend' zunehmen.
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Auch bei den man.ganhaltigen Legierungen zeigt sich außerdem, daß
größere Abweichungen von dem vorgeschriebenen-Verhältn.is Mg: Zn die Werte
verschlechtern.
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Legierungen, die bei Einhaltung des, Verhältnisses von Magnesium zu
Zink, wie es durch die Verbindung Mg Zn2 gegeben ist, und die infolge anderer
Zusätze noch. höhere Festigkeiten erreichen können, sowie solche Legierungen, bei
denen das -Verhältnis Magnesium zu Zink ein anderes ist als nach der Erfindung,
können nicht zum Vergleich herangezogen werden, da diese Legierungen sowohl wegen
ihrer Sprödigkeit wie auch wegen ihrer geringen chemischen Beständigkeit für technische
Zwecke unbrauchbar sind. So liefert beispielsweise eine Legierung mit 4% Magnesium-und
9% Zink mit Zusätzen an Kupfer und Nickel eine Festigkeit von etwa 7o kg/mm2 bei
einer Dehnung von i 0/0. Die Beständigkeit dieser Legierung im Korrosionsversuch
bei Einwirkung von Sprühnebel einer 3%igen Kochsalzlösung war derart, daß die Probe
nach Verlauf von ' zoo Stunden in kleine Stücke und Pulver zerfiel. Im. Gegensatz
hierzu waren die gemäß der Erfindung zu verwendenden Legierungen bedeutend -widerstandsfähiger.-
Bei einer Versuchsdauer von 265 Stunden und sonst gleichen Versuchsbedingungen verringerten
sich j die Werte nur unerheblich.
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An der Güte der Preß- oder Walzerzeugnisse, die aus den erwähnten
Legierungen mit Mangan hergestellt sind, ändert 'sich auch nichts, wenn sie noch
Zusätze von Nickel, Kobalt und Eisen in, Höhe ;von;- o,i bis 5 % und von Silicium
in Mengen von o;i bis weniger als:.-o,81/o. erhalten: Die .Zusätze an Silicium und
Eisen gehen dabei über die ohnehin als Verunreinigung anwesenden Mengen dieser Elemente
hinaus und sind als bewußbe besondere Zusätze zu verstehen, "so daß 'die,
untere Grenze an-Silicium in: der fertigen Legierung etwa o,40/0, die an Eisen etwas
0,5010 beträgt. Weiterhin können. der Legierung noch Chrom, Titan, Beryllium in
Höhe von o, I bis 21/o zugesetzt werden, wobei sowohl diese wie die vorher genannten
jeweils. sowohl einzeln wie auch zu mehreren vorhanden sein können.
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Sofern die vorstehend genannten Zusatzmetalle anwesend sind, kann
der Gehalt an Mangäri bis auf o.,5114 herabgesetzt werden.
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Sollen die bisher beschriebenen Legierungen lediglich zur Herstellung
von Stangen; Pro-.filen oder Preßtei.len verwendet werden, bei denen eine besonders:
gute Bearbeitbarkeit durch automatische Schneidwerkzeuge von Vorteil ist, sä kann
man ihnen Zusätze von Antimon, Zinn, Wismut, Kadmium in Höhe über i bis 3 % einzeln
oder zu mehreren hinzufügen. -Auch in Verbindung mit diesen Zusätzen kann; der Mangangehalt
bis auf etwa 0,51/& herabgesetzt werden.
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Die geringe Löslichkeit dieser Zusatzmetalle in der Grundlegierung
hat zur Folge, daß die Verarbeitung zu Blechen bei größeren Gehalten Schwierigkeiten
macht. Bei Preß-oder Schneid'stücken wird zwar die Festigkeit und auch die Dehnung
in gewissen Grenzen beeinträchtigt, doch ist die Herstellung solcher Halbzeuge nicht
wesentlich erschwert.
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Während bei den bisher bekanntgewordenen Aluminium-Magnesium-Zinik-Legierungen
für die erhaltene Höchstfestigkeit bei einem Verhältnis von Magnesium, zu Zink anders
als i : 1 lediglich Werbe von Preßstangen festgestellt worden. sind, die zum Teil
über denen der Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen, liegen, sind bei Leichtmetallblechen
hin, sichtlich-der mechanischen Eigenschaften die Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen
führend gewesen. Irgendwelche technische Verwendung haben aber auch Stangenfabrikate
aus den bisher bekannten Aluminium-Magnesium-Zink-Legierungen mit höheren Festigkeitswerten
nicht gefunden, wie z. B. den Legierün.gstabell,en auf den Seiten 39 bis 43 im »Aluminiumtaschenbuch«
B. Aufl., 1937, entnommen werden kann. Eine Leichtmetall=Blech-Legierüng gleich
welcher Zusammensetzung mit höheren Festigkeitszahlen als bei den Aluminium-Kupfer-Ma-@
gnesium-Legierungen ist dagegen im einschlägigen Schrifttum bisher nicht beschrieben.
worden. -Die Werte für Zugfestigkeit, Dehnung und Streckgrenze der -neuen Legierung
liegen erheblich über den Werten der bisher bekannten Aluminiumlegierungen:. Neben
der höheren Zugfestigkeit sind für den Konstrukteur besonders diejenigen Werte von
Bedeutung, die
sich auf die Streckgrenze beziehen, da von ihrer
Höhe in erster Linie die Sicherheit eines Bauteiles abhängt. Neben der Streckgrenze
sind auch Festigkeit und Dehnung sofort nach dem Abschrecken wichtig, da besonders
diese Werte auf eine gute Verarbeitbarkeit der Bleche durch Tiefziehen schließen
lassen. Gerade was das Tiefziehen angeht, so gehen die Wünsche der Verbraucher dahin,
einen Werkstoff zu erhalten, der im Gegensatz zu einem solchen aus den bekannten
Aluminiumlegierungen nicht nach jeder Tiefziehstufe ein erneutes Ausglühen erforderlich
macht, sondern ein mehrmaliges Tiefziehen ahne Ausglühen verträgt. Wie aus dem Buch
von A. v. Zeerleder »Technologie des Aluminiums und seiner Legierungen« 2. Aufl.,
Leipzig 1935, S.45, hervorgeht, beträgt der Tiefungswert der Erichsenprobe bei Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen
im weichen Zustand etwa 7,75 mm. Bei den nach der Erfindung zu verwendenden Legierungen
erreicht man bei der gleichen Blechstärke von i mm im weichen Zustand nach dem Abschrecken
dagegen eine Tiefung von 8,8 mm. Dieser Wert liegt also nicht nur erheblich über
dem der Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen, sondern ist auch noch wesentlich
höher als bei den Aluminium-Magnesium-Legierungen mit etwa 7% Magnesium, 0,3 bis
o,5 % Mangan, die es unter den gleichen Bedingungen nur auf etwa 8,o mm bringen.
Außer für die Herstellung von Gußteilen, Stangen, Profilen, Preßteilen und Blechen
lassen, sich die neuen Legierungen auch für wichtige Maschinenteile, wie Lager und
Schneckenräder, verwenden, soweit sie durch Pressen oder Walzen hergestellt werden.
Es wurde festgestellt, daß gerade für dieseAnwendungsgebi:ete die nach der Erfindung
infolge der erzielbaren hohen Härte besonders geeignet sind. Die aus den erfindun:gsgemäß.en
Legierungen angefertigten Schneckenräder haben sich als ebenso gut erwiesen wie
die aus Kupfer-Zinn-Legierungen mit 88% Kupfer und 12 % Zinn bestehenden derartigen
Maschinenteile.