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Verfahren zur Verbesserung der Spannungskorrosionsbeständigkeit von
Aluminiumlegierungen mit Zink und/oder Magnesium Die Wärmebehandlung von aushärtbaren
Aluminiumlegierungen erfolgt im allgemeinen derart, daß män die Legierungen von
der Homögenisierungstemperatur abschreckt und dann entweder bei Zimmertemperatur
oder bei erhöhter Temperatur altert. Die Homogenisierungstemperatur liegt dabei
im allgemeinen zwischen 450 und 55o'. Sie wird einerseits möglichst hoch gewählt,
darf anderseits aber nicht über der Soliduslinie, also der Temperatur des beginnenden
Schmelzens der Legierung liegen. Die Alterung muß, bei Temperatüren unterhalb der
Löslichkeitsgrenze vorgenommen werden.
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'Es ist bekannt, daß Legierungen des Aluminiums mit Magnesium und/oder
Zink durch Aushärtung eine erhebliche Festigkeitssteigerung erfahren können, namentlich
dann, wenn Magnesium und Zink im Verhältnis der Verbindung MgZn2 vorhanden sind.
Es kann auch ein gewisser Überschuß von Magnesium oder Zink gewählt werden, ohne
daß die Aushärtung beeinträchtigt wird. Trotz der ausreichenden Festigkeitseigenschaften
ist eine
Einführung und der Aluminium-Zink-Legierungen der Alumiiiium-Zinlz-Ma,-nesium-
in die Technik bisher nicht möglich gewesen, und zwar deshalb, weil diese Legierungen
in hohem Maße empfindlich gegen Spannungskorrosion sind, d. h. sie gehen
bei gleichzeitigern Vorhandensein eines korrodierenden Mittels schon bei verhältnismäßig
geringen Belastungen zu Bruch.
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Es hat sich nun gezeigt, daß es möglich ist, die Empfindlichkeit dieser
Legierungen, insbesondere solcher Aluminium-Zink-,%lagnesium-Legierungen, bei denen
das Verhältnis Magnesium : Zink der Zusammensetzung MgZri 2 entspricht, ohne
Einbuße an Aushärtungsfähigkeit erheblich zu verringern, indem man dieseLegierungeneinerneuartigen
Abschreckbehandlung unterwirft.
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Für die Homogenisierung einer aushärtbaren Legierung kommt an sich
das gesamte Temperaturgebiet zwischen der Löslichkeitslinie und der Soliduslinie
in Frage. Es ist aber auch in Fällen, in denen die Löslichkeitslinie bei ziemlich
tiefen Temperaturen verläuft, allgemein üblich. ausliärtbareLegierungen auf eine
möglichst hohe Temperatur zu erhitzen, die bei Aluminiumlegierungen im allgemeinen
zwischen -15o und 550' liegt -, weil nur bei diesen hohen Temperaturen ein
schnelles und völliges Inlösunggeheii aller Bestandteile gewährleistet ist, während
man bei niedrigeren Temperaturen dieses Gebiets eine Homogenisierung, wenn überhaupt,
so nur nach langen Zeiten erreicht.
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Es ist weiterhin üblich, die Legierung von der Homogenisierungstemperatur
auf eine unterhalb der Löslichkeitslinie liegende Temperatur abzuschrecken.
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Es wurde nun gefunden, daß die Empfindlichkeit der Legierungen, insbesondere
Knetlegierungen-, gegen Spannungskorrosion erheblich herabgesetzt werden kann, ohne
daß die Aushärtungsfähigkeit leidet, wenn man nach einer Homogenisierungsglühung
bei üblichen Temperaturen den Werkstoff auf eine tiefere Temperatur, die herab bis
zu etwa 2oo', bei manganhaltigen Legierungen bis herab zu etwa 300' gewählt
werden kann, abkühlt und nach Erreichung dieser Zwischentemperatur i
anschließend
auf Raumtemperatur abschreckt. Bei Wahl einer Zwischentern eratur nahe der p unteren
Grenze des angegebenen Bereiches erfolgt die Abkühlung von der Honiogenisierungstemperatur
auf die Zwischentemperatur vorzugsweise durch ,#-bschrecl-zeii, woran sich unmit
telbar, nachdem der Werkstoff diese Temperatur angenommen hat, die Abschrek-1.:ung
des Werkstoffes auf Raumtemperatur anschließt. Um sicher zu gehen, wählt man die
Abschrecktemperatur noch oberhalb der Löslichkeitsgrenze, aber vorzugsweise iilöglichst
niedrig. Beispielsweise wählt niaii die Abschrecktemperatur innerhalb eines
30'
umfassenden Gebiets oberhalb der Löslichkeitsgrenze, nachdem man zuvor
bei einer 1 Temperatur homogenisiert hat, die noch mindestens 5o" höher liegt
als die Abschrecktemperatur.
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Dieser Befund ist deshalb überraschend weil bisher nichts gegen die
Annahme sprach, daß das Abschrecken von jeder beliebigen Temperatur innerhalb des
Löslichkeitsgebiets, wenn nur der hoino,-enisierte Zustand vorhanden war, die gleiche
Wirkung auf die Legierungseigenschaften hätte.
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Praktisch kann die Wärrnebehandlung gemäß der Erfindung, auf verschiedene
Weise vorgenommen werden. Man wählt die Homog n isierungstemperatur zum Zweck einer
möglichst raschen Durchführung der Homogenisierun- hoch, z. B. rÜcht unterhalb der
Soliduslinie- #I, und 1, -ühlt dann die Legierung auf die Abschrecktemperatur, das
ist diejenige Temperatur-, von der die Legierungen ab-Cxeschreckt werden, ab. Dies
ist z. B. so mög-I b lich.. daß man den Werkstoff im Ofen langsam von der
einen auf die andere Temperatur abkühlen läßt und dann auf Zimmerteinperatur abschreckt.
Man kann aber auch so vorgehen, daß man die Legierung z. B. in einem Salzbad homogenisiert,
dann unmittelbar in ein anderes Salzbad überführt, das sich auf der Abschrecktemperatur
befindet, und nachdem der Werkstoff die Temperatur dieses Bades angenommen hat,
oder auch eventuell nach weiterem Verweilen in diesem Bad auf Zimmertemperatur abschreckt.
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Die Erfindung soll nun an einem Beispiel näher erläutert werden. Eine
-)Jagnesium und Zink enthaltende Legierung sofl bei etwa 59o' züi schmelzen beginnen.
Zum Zweck des lnlösunggehens aller Bestandteile erhitzt man diese Legierung auf
eine Temperatur von 450 bis 500'. Die Temperatur beginnender Entmischung,
bei der die Lösliffikeitsgrenze überschritten wird, soll für die Legierung bei 220'
liegen. Bei dieser Legierung geht man gemäß der Erfindung so vor. daß man nicht,
wie bisher von 5oo' abschreckt, sondern auf beispielsweise -25o- abkühlt und erst
von dieser Temperatur in Wasser abschreckt.
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Durch dieses Verfahren wird die Spannungskorrosion wesentlich verbessert,
ohne daß die Atishärtungsfähigkeit dieser Legierung durch Anwendung des Verfahrens
gernäß der Erfindung beeinträchtigt wird. Als Beispiel sei eine Legierung genannt,
die 40/0 Zink und 3"lo 'Magnesium enthält. Diese Legierung hatte unmittelbar nach
dem Ab-
schrecken von 5oo"' auf Zimmertemperatur eine Zugfestigkeit Von 2.4,4
kg/MM2. 'Nach j-1 Tagen Lagerung bei Zimmertemperatur
betrug die
Festigkeit 36,4 kg/MM2. Eine Legierung, die von 5ooo im Ofen auf 400' abgekühlt
war und von dieser Temperatur in Wasser auf Zimmertemperatur abgeschreckt wurde,
zeigte nach dem Abschrecken eine Festigkeit von 25,Okg/MM2, nach 14 Tagen Aushärtung
bei Zimmertemperatur eine Festigkeit von 36,3 kg/MM2. Die genannte Legierung
wurde der Spannungskorrosionsprobe in Form von Schlaufen in 31/oiger Na CI-Lösung
mit Zusatz von o.,i 1/o Wasserstoffsuperoxyd ausgesetzt. Während die von der Homogenisierungstemperlitur
abgeschreckten Proben im Mittel nach 8 Tagen zu Bruch gingen, zeigten die
von 4oo' abgeschreckten Schlaufen eine Lebensdauer von mindestens 63 Tagen.
Von fünf Proben waren zwei nach ioo Tag-en noch nicht gebrochen.
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Die Entmischungstemperaturen für die Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen
liegen heute noch nicht mit Sicherheit fest. Nach einer Bestimmung soll für die
als Beispiel genannte Legierung die Lö#slichkeitsgrenze bei etwa 375" liegen. Bei
der im Beispiel genannten Abschrecktemperatur von
daß die Aushärtung der Legierungen nicht #ei Ranintemperatur erfolgen muß, sondern
auch bei erhöhter Temperatur erfolgen kann.
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Geht man mit der Abschrecktemperatur unter die Löslichkeitslinie,
so. wäre theoretisch zu erwarten, daß eine Entmischung stattfindet und daß die Aushärtungsfähigkeit
der Legierungen dadurch ganz oder zum großen Teil verlorengeht. Überraschenderweise
hat sich nun gezeigt, daß es bei den Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen möglich
ist, beim Heruntergehen von der Homogenisierungstemperatur auf die Abschrecktemperatur
die Löslichkeitslinie zu unterschreiten und von der Temperatur unterhalb der Löslichkeitslinie
abzuschrecken, ohne daß eine Entmischung der Legierung stattfindet, ' so
daß die Aushärtungsfähigkeit der Legierung erhalten bleibt. Notwendig ist allerdings,
daß man nach Erreichung der Abschrecktemperatur ohne Verweilen bei derselben auf
Zimmertemperatur abschreckt, wo-bei insbesondere bei manganhaltigen Legierungen
die Abküh-
lung von der Homogenisierungstemperatur, auf dieAbschrecktemperatur
nicht unbegrenzt verlangsamt erfolgen darf.
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Diese Ausführungsform soll an einem Beispiel näher erläutert werden.
Eine Legierung, die 80/bMgZn2 enthält, beginntbei etwa 59o' zu schmelzen. Zum Zweck
des Inlösunggehens allerBestandteile erhitzt man dieseLegierung auf eine Temperatur
von 45o bis 5001. Die Temperatur beginnender Entmischung, bei der die Löslichkeitsgrenze
überschritten wird, liegt für die Legierung bei etwa 370'. Bei dieser Legierung
kann man nun so vorgehen, daß man nicht von 5oo' abschreckt, sondern auf eine unterhalb
370' liegende Temperatur abkühlt, beispielsweise auf igo', und erst von dieser
Temperatur in Wasser abschreckt.
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Durch dieses Verfahren wird die Spannungskorrosion wesentlich verbessert,
ohne daß die Aushärtungsfähigkeit dieser Legierungen durch Anwendung des Verfahrens
gemäß der Erfindung beeinträchtigt wird. Als Beispiel sei eine Legierung genannt,
die i0% Zink und 1,80/9 Magnesium enthält. Diese Legierung hatte unmittelbar nach
dem Abschrecken von 5oo' auf Zimmertemperatur eine Zugfestigkeit von :23,6
kg/mm2, nach 14 Tagen Lagerung bei Zimmertemperatur betrug - die Festigkeit
35,1 kg/mni2. Eine Legierung, die von 5oo0 im Ofen auf 28o' abgekühlt war
und von 28ol auf Zimmertemperatur abgeschreckt wurde, zeigte nach dem Abschrecken
eine Festigkeit von 2i,o 1,ig/mm2, nach 14 Tagen Aushärtung bei Zimmertemperatur
eine Festigkeit von 3716 kg/MM2. Die genannte Legierung wurde der
Spannungskorrosionsprobe mit 14,5 kg/MM2 Belastung in 3%iger NaC1-Lösung mit Zusatz
von o,i0/9 Wasserstoffsuperoxyd ausgesetzt. Während die von der Homogenisierungstemperatur
abgeschreckten Proben schon nach 30 Minuten zu Bruch gingen, war dies bei
den von 28o#' abgeschreckten Proben erst nach 48- Stunden der Fall. Die Aushärtung
kann auch bei erhöhter Temperatur erfolgen.
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Als weiteres Beispiel sei die obenerwähnte Legierung mit 4'/o Zn und
3'/& Mg genannt. Man kann diese Legierung nicht nur, wie schon beschrieben,
auf 400' abkühlen und von hier abschrecken, sondern auch von tieferen Temperaturen,
ohne daß die Aushärtungsfähigkeit der Legierung geschädigt wird. Die -Empfindlichkeit
gegen Spannungskorrosion wird sogar weiter vermindert. Nach Ab-
kühlen auf
300' und Abschrecken von dieser Temperatur betrug die Festigkeit 2
3,5 kg/mm2, nach 14 Tagen Aushärtung bei Zimmertemperatur war die Festigkeit
auf 3 6,4kg/MM2 gestiegen. Schlaufenproben einer so behandelten Legierung
zeigten eine so hohe Lebensdauer, daß nach ioo Tagen noch keine Probe gebrochen
war. Schließlich wurde die Legierung von 500 auf 200' abgekühlt; sie zeigte
nach dem Abschrecken in Wasser eine Festigkeit von --3,2kg/mM2, nach 14 Tagen Aushärtung
bei Zimmertemperatur eine Festigkeit von 34,3 kg/mm2. Auch nach dieser Behandlung
trat ein Bruch der Schlaufenprobe nicht mehr ein innerhalb der Prüfdauer von ioo
Tagen.
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Eine weitere Legierung hatte den gleichen
Zink- gehalt
von 4% und Magnesiunigehalt von 3010 wie die vorher genannte. abereinen Zusatz
von i",a Ilangan. Auch bei dieser Legierung war es möglich, mit der Abschrecktemperatur
ziemlich tief herunterzugehen. So ergab sich nach dem Abschrecken voll 5oo` eine
Festigkeit Von 2,1#.41Z,-/nlrn2, nach dem Honiogenisieren bei 5,3o2 und Abkühlen
auf 300 , und Abschrecken voll 300## eine Festikeit von 29.f-) 1-Z-/nln,2.
Die entsprechenden Festigkeitswerte nach i4tägiger Aushärtung bei Zimmertemperatur
sind 39e5 und 40,2 Die Schlaufenlebensdauer betrug bei der von oo
' ab b geschreckten Legie-1 5
rung im Mittel
35 Tage. Die von 300- abgeschreckten Proben waren nach ino Tagen noch nicht
gebrochen. Eine Abkühlung bis auf 200' war bei dieser Legierung ohne beträchtliche
Einbuße an Festigkeit nicht mehr möglich.
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Aus diesen '%-ersuchen ist ersichtlich, daß es niö,-lich ist. bei
dem Bestreben, die Spannungskorrosionsbeständig;keit der Legierungen zu erli#Uien,
die Abschreckternperaturen auch unterhalb der Löslichkeitsgrenze zu wählen. Die
Abkühlung, bei tiefenAbschrecktemperaturen vorzugsweise Abschreckung. von der Honiogenisierungstemperatur,
kann bei manganfreien- Aluminium-Zinlz--.%la,-nesium-Legierungen ohne Rücksicht
auf die Löslichkeitsgrenze auf Abschrecktemperaturen bis herunter zu etwa 200' erfolgen,
insbesondere dann, wenn unmittelbar anschließend. nachdem das Werkstück die Abschrecktemperatur
angenommen hat, die Abschreckung auf Raumtemperatur erfolgt. Bei manganhaltigen
Legierungen läfl)t sieh eine Abschrecktemperatur von etwa 300## nicht unterschreiten.
Es muß in allen Fällen vermieden werden. daß die Ausliärtbarkeit verlorengeht und
daß vor Erreichung der RaumtenIperatur eine Ausscheidung erfolgt.
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Die günstige Wirkung des Abschreckens von tieferen Temperaturen macht
sich schon im Gefüge des Werkstoffes bemerkbar. Während bei dem von hohen Temperaturen
abgeschreckten 'Material die Ausscheidungen vorwiegend an den Korngrenzen sitzen,
erfüllen sie bei dein gemäß der Erfindung abgeschreckten Werkstoff das ganze Gefüge
gleiclimäßi Das neue g* Verfahren hat -sich besonders vorteilhaft erwiesen bei Aluminiumlegierungen
mit Magnesium- und Zinkgehalten. außerdem bei binären Aluminiurii-Zinl,:-Legierungen
sowie bei Altiminiumlegierungen. die außer Zink bzw. Zink und Magnesium noch kleine
Zusätze anderer Metalle enthalten, wie z. B. Silicium. 'Mangan, Kupfer, Lithinni-,
es kann aber sinngemäß auch a ngewandt ,verden auf alle Aluminiumlegierlingen,
bei dellen zwischen Hornogenisierungs- und Löslichkeitsgrenze ein Temperaturunterschied
von 563 oder mehr voneinander bestellen kann.
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Es sind bereits Verfahren vorgeschlagen worden, um ungünstige
Wirkungen des Abschreckens auf aushärtbare Alurniniumlegierungen zu mildern. z.
D. dadurch, daß man Guß)stücke langsam an der Luft abkühlen läßt, um das Entstehen
von Spannungsrissen zu vermeiden (anierikanische Patentschrift 1 945
737). Bei diesem Verfahren wird aber f
naturgemäß die usliärtungsfähigkeit
der Legierung stark vermindert oder überhaupt unterbunden. Es ist ferner
vorgeschlagen worden (-britische Patentschrift 382422), Aluminiumlegierungen auf
iio bis i8o' abzuschrecken und die Legierung auf dieser Temperatur zu halten. uni
die Aushärtung herbeizuführen. Hierbeiliandeltes sich jedoch um Temperaturen, die
unterhalb der Löslichkeitsgrenze liegen und um ein Abschrecken auf --#-usliärtun.-Steinperaturen,
auf denen die Legierungen verweilen und von denen sie erst nach erfolgter Ausliärtung
weiter abgekühlt werden. Bei einem anderenVerfahren t deutsche Patentschrift '-#;75
051) werden Werkstücke aus aushärtbaren Aluminiumlegierungen nach einer Homogenisierungsglühung
bei etwa -150 bis auf etwa 300
bis 350-- abgeschreckt.
anschließend unmittelbar langsam z.B. all der Luft auf Zimmertemperatur abgekühlt
und dann in üblicher Weise gealtert. Hierbei handelt es sich um die Vermeidung voll
Abschreckspannungen durch ein Verfahren, bei dem die Abkühlung aus einem Temperaturgebiet,
das nicht oberhalb der Löslichkeitslinie zu liegen braucht,. langsam erfolgt und
nicht. wie gemäß der Erfindung, als Abschreckun-.
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-Weiterhin sei ein Verfahren erwähnt, bei dein die Spannungskorrosionsempfindlichkeit
von Gußstücken mit 6 bis i-10,lo -.\fagnesium dadurch erniedrigt wird, daß
die Gußstücke voll der Homo genisierungstemperatur auf eine Zwischentemperatur abgekühlt
werden und auf dieser so lange bleiben', daß man gleichmäßige. feinkörnige Ausscheidungen
voll Magnesium innerhalb des Gefüges erhält. Es handelt sich hier gleichfalls um
eine Ab-
kühlung auf eine Temperatur unterhalb der Löslichkeitslinie, für
die beispielsweise die Temperaturgrenzen 93 bis 1;77-- angegeben sind und
ein Verweilen bei dieser Temperatur.
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Schließlich -ibt es ein Verfahren. bei dem Aluminiumleglerungen mit
höherem -Magnesitimgelialt auf
300- abgeschreckt und auf dieser Temperatur
länger gehalten werden: Dadurch wird zwar der Korrosionswiderstand der Legierung
erhöht, auf eine Ausnutzung der Ausliärtungsfähigkeit wird aber verzichtet.
Ferner
ist vorgeschlagen worden (deutsche Patentschrift 561
293), Gußstücke zur
Erhöhung der Dehnung nach einer nichrtägigen Glühung bei üblichen Temperaturen auf
eine
30 bis 1751 tiefere Temperatur zu bringen und abzuschrecken. Da eine
Steigerung der Dehnung allgemein dadurch erzielt wird, daß man eine Ausscheidung
herbeiführt, ist diese Lehre dahin zu verstehen, daß man von einer Temperatur unterhalb
der Löslichkeitsgrenze und nach erfolgter Ausscheidung abschrecken
Außerdem ist ein Verfahren bekannt, bei dem zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit
von Legierungen des Aluminiums mit etwa
3 bis 16% Magnesium die Legierungen
in unmittelbarem Anschluß an die homogenisierende Wärmebehandlung bei Temperaturen
oberhalb der Entmischungslinie auf Temperaturen innerhalb eines etwa
300
unterhalb der Entmischungslin
' ie sich erstreckenden Bereiches abgekühlt
und dort bis zur Erzeugung einer gleichförmigen Ausscheidung gehalten werden. Es
ist hierbei nichts darüber gesagt, welche.Wirkung ein solches Verfahren auf die
Spännungskorrosionsbeständigkeit des Werkstoffes ausübt, deren Verbesserung Zweck
der Erfindung ist. Bei diesem bekannten Verfahren soll die Ausscheidung aus der
übersättigten Lösung auf dem Haltepunkt während der Abkühlung vorgenommen werden.
Hierdurch verliert aber der Werkstoff mindestens zum Teil seine Aushärtungsfähigkeit,
so daß die erreichbaren Festigkeitseigenschaften wesentlich herabgesetzt sind. Gemäß
der Erfindung wird nach Erreichung der Zwischentemperatur
= Abschrecktemperatur
auf Raumtemperatur abgeschreckt und hierbei darauf geachtet, daß diese Abschrekkung
auf Raumtemperatur sich insbesondere dann unmittelbar an die Erreichung der Abschrecktemperatur
durch die Werkstücke anschließt, wenne die Abschrecktemperatur nahe der angegebenen
unteren Grenze gewählt wird. Hierdurch behält der Werkstoff seine Aushärtungsfähigkeit,
und es ist möglich, zu einem gleichzeitig spannungskorrosionsbeständigem und hochfesten
Material zu gelangen.