-
Verfahren zur künstlichen Alterung von Aluminium-Legierungen Die Erfindung
befaBt sich mit der Warmaushärtung von solchen Metall-Legierungen, welche nach einem
vorausgegangenen Lösungsglühen und Abschrecken sowohl bei Raumtemperatur und benachbarten
Temperaturen (Kaltaushärtung) als auch bei höheren Temperaturen (Warmaushärtung)
aushärten, wobei als wesentliches Kennzeichen dieser Legierungen eine einmal eingetretene
Kaltaushärtung bei den für die Warmaushärtung benutzten Temperaturen noch nicht
oder noch unvollständig rückgebildet wird (= auf den Zustand des unterkühlten Mischkristalls
zurückgeführt wird). Vorzugsweise soll die Erfindung bei solchen Legierungen und
Temperaturen angewendet werden, bei denen die Warmaushärtung als ein einstufiger
Vorgang der Änderung des unterkühlten Mischkristalls abläuft.
-
Die obengenannten Voraussetzungen treffen beispielsweise bei den Aluminiumlegierungen
des Typs Al-Mg-Si zu. Diese Legierungen sind sowohl kalt als auch warm aushärtbar.
Es war lange Zeit unbekannt, ob diese Legierungen überhaupt eine Rückbildung der
Kaltaushärtung bei höheren Temperaturen aufweisen. Erst in neuerer Zeit wurde bekannt,
daB eine teilweise Rückbildung bei Temperaturen oberhalb etwa 225°C stattfindet.
Diese Temperaturen liegen um mindestens 25 bis 45°C höher als die höchsten üblicherweise
benutzen Warmaushärtungstemperaturen. Die Warmaushärtung ist, wie noch gezeigt werden
wird, ein einstufiger Vorgang, der direkt aus dem unterkühlten Mischkristall abläuft.
-
Die handelsüblichen . Legierungen dieser Gattung enthalten als die
wesentlichsten Legierungselemente Magnesium und Silizium in einer solchen Höhe,
daB die Summe beider Elemente im allgemeinen zwischen z und 30/, liegt. Einzelne
Hersteller bevorzugen Zusammensetzungen in der Nähe des stöchiometrischen
Verhältnisses
Mg, Si; wieder andere stellen Legierungen her, bei denen Silizium im Überschuß
über dieses Verhältnis hinaus enthalten ist. Daneben sind noch weitere Elemente
in geringen Mengen vorhanden, z. B. in einer Reihe handelsüblicher Legierungen Mangan
zwischen 0,5 und 1,5 °/a, während dieses Element bei anderen wieder fehlt und dafür
Chrom bis zu o,3 % und mehr auftritt. Der Kupfergehalt wird im allgemeinen
niedrig gehalten, amerikanische Legierungen enthalten bis zu 0,35 °/a und
mehr, während bei vielen europäischen Legierungen Kupfergehalte unter o,r oder sogar
unter 0,05 % eingehalten werden.
-
Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung ist kurz der folgende:
Jede Veränderung im Aufbau des unterkühlten Mischkristalls (Ausscheidung oder Vorbereitung
dazu und/oder einphasige Entmischung), welche bei anderen als den Warmaushärtetemperaturen
stattfindet und nach deren Erreichen nicht mehr zurückgeht, ist für die Warmaushärtung
schädlich, indem sie den von den Veränderungen betroffenen Teil des Mischkristalls
daran hindert, warm auszuhärten. Bei allen Legierungen, bei welchen die Temperaturen
der Warmaushärtung noch nicht ausreichen, um eine einmal eingetretene Kaltaushärtung
wieder rückgängig zu machen, d. h. den Zustand des unterkühlten Mischkristalls wiederherzustellen,
muß außer den - durch zu langsames Abschrecken verursachten - Ausscheidungen bei
höherer Temperatur auch jede einphasige Entmischung (Kaltaushärtung) bei tieferen
Temperaturen verhindert werden.
-
Dieser Grundgedanke unterscheidet sich wesentlich von den in neuerer
Zeit veröffentlichten Überlegungen über die Aushärtung. Bei diesen Theorien wird
der Vorgang der Warmaushärtung zwangläufig als mehrstufig angesehen; die Ergebnisse
röntgenographischer Untersuchungen an kalt ausgehärteten Einkristallen, wobei die
Deformationen bestimmter Reflexe auf die Anreicherung einzelner Legierungsatome
in bestimmten Netzebenen des Wirtsgitter deuten, wurden dahingehend ausgelegt, daß
die Warmaushärtung sich als weiterer Ausbau der Kaltaushärtung (";sequence« nach
A. H. Geisler) darstellt (Einbau weiterer Legierungsatome in benachbarten Netzebenen,
bis die Struktur der ausgeschiedenen Phase erreicht ist).
-
Demgegenüber steht die grundlegende Erkenntnis der vorliegenden Erfindung:
Die für die Kaltaushärtung kennzeichnenden Veränderungen im Aufbau des Mischkristalls
- sehr wahrscheinlich in einer negativen Diffusion (Entmischung) mit Bildung von
Guinier-Preston-Zonen bestehend - müssen wieder rückgängig gemacht werden (Rückbildung),
oder sie verhindern die für die Warmaushärtung kennzeichnenden Änderungen des Mischkristalls.
Wenn sie also bei den vorliegenden Legierungen und Warmaushärtetemperaturen nicht
rückgängig gemacht werden können, müssen sie von vornherein vermieden werden.
-
Diese Erkenntnis basiert auf Überlegungen über die Zerfallskinetik
des unterkühlten Mischkristalls, welche zum besseren Verständnis im folgenden wiedergegeben
werden.
-
Der Aluminiummischkristall (als Beispiel für einen Mischkristall)
vermag im festen Zustand bei höheren Temperaturen dicht unterhalb des Schmelzpunkts
des am niedersten schmelzenden Eutektikums eines oder mehrerer Legierungselemente
mit dem A1 erheblich höhere Gehalte an diesen Legierungselementen aufzunehmen (zu
lösen) als etwa bei Raumtemperatur. Die durch eine Glühung bei diesen Temperaturen
(Lösungsglühung) erzeugte feste Lösung (gesättigter Mischkristall) kann unter gewissen
Umständen (genügend hohe Abkühlungsgeschwindigkeit) auf tiefere Temperaturen gebracht
werden, ohne daß sich die Konstitution der festen Lösung sofort ändert (Unterkühlung).
Bei diesen tieferen Temperaturen ist die Löslichkeit kleiner, der Mischkristall
ist also übersättigt und entspricht nicht dem Gleichgewichtszustand, der bei dieser
Temperatur sich einstellen müßte. Wird die Unterkühlungstemperatur konstant gehalten,
dann strebt der instabile unterkühlte Mischkristall mit einem bestimmten Zeitgesetz,
das für die betreffende Temperatur charakteristisch ist, einem bestimmten Gleichgewichtszustand
zu, welcher wieder für die betreffende Temperatur charakteristisch ist. Dabei können
unter Umständen zwei oder mehrere Vorgänge zeitlich neben- oder nacheinander bei
derselben Temperatur ablaufen, ehe der Gleichgewichtszustand erreicht ist.
-
Ein stark schematisiertes Bild der Temperaturabhängigkeit der Zerfallskinetik
des unterkühlten Mischkristalls würde etwa wie folgt aussehen: Abgesehen von den
jeweiligen Grenzgebieten sind im wesentlichen drei große Temperaturgebiete zu unterscheiden:
Bei Unterkühlung auf Temperaturen zwischen etwa 400 und 300°C, wobei diese Zahlenangaben
nur als rohe Anhaltswerte gelten sollen, erfolgt eine reine Ausscheidung der überschüssigen
Phase. Gleichzeitig nimmt die Härte während der isothermen Änderung des unterkühlten
Mischkristalls ab (isotherme Weichglühung). Nach einem mehr oder weniger breiten
Übergangsgebiet folgt bei Temperaturen zwischen etwa 22o und 150'C das eigentliche
Gebiet der Warmaushärtung, das dadurch charakterisiert wird, daß die Härte und andere
Festigkeitswerte sehr stark ansteigen (und bei Überalterung unter Umständen auch
wieder zurückgehen). Dann erfolgt bei den tieferen Temperaturen bis zur Raumtemperatur
und darunter die eigentliche Kaltaushärtung. Bei einzelnen Legierungen, wie z. B.
bei den Al-Cu-Mg-Legierungen, dehnt sich ein Grenzgebiet, in dem sowohl eine Kalt-
wie eine Warmaushärtung zeitlich nacheinander abläuft, nach oben bis etwa 20o° C,
bei Al-Ag bis etwa i8o°C aus. Dieses Grenzgebiet, in dem die Aushärtung in zwei
deutlich getrennten Phasen vor sich geht, hat wohl dazu beigetragen, die bisherige
Auffassung eines mehrstufigen Charakters der Warmaushärtung zu stützen. Aber auch
bei den angegebenen Legierungen existiert oberhalb der angegebenen Temperaturen
ein Temperaturgebiet, indem direkt aus dem Mischkristall die Warmaushärtung als
einstufiger Vorgang abläuft.
-
Die für die Erfindung wichtigste Erkenntnis ist die, daß die Warmaushärtung
eben der Vorgang ist, welcher bei isothermer Änderung des unterkühlten Mischkristalls
bei Temperaturen der Warmaushärtung direkt abläuft, daß er also zu seinem ungestörten
Ablauf das Vorhandensein eines unveränderten unterkühlten Mischkristalls voraussetzt.
Daß andererseits
ebenso die Kaltaushärtung nur dann ungestört ablaufen
kann, wenn bei Erreichen der Raumtemperatur noch der Mischkristall im unverändert
unterkühlten Zustand vorliegt.
-
Wenn die oben angegebene Auffassung über die Warmaushärtung richtig
ist, müssen die Erscheinungen derWarmaushärtung auch dann und unter Umständen, wie
sich zeigen wird, sogar noch deutlicher ablaufen, wenn auf das übliche Abkühlen
bis auf Raumtemperatur vor dem Warmaushärten verzichtet wird. Dafür werden im folgenden
eine Reihe von Beispielen gegeben.
-
Beispiel i Amerikanische Legierung 61S (0,250/, Cu; i,17 % Mg; 0,7%
Si; 0,25% Cr). Blechabschnitte aus dieser Legierung wurden in einem geschmolzenen
Salzbad von einer Temperatur von 178` C abgeschreckt, nachdem sie vorher bei 53o°
C lösungsgeglüht worden waren. Nach 3 Minuten wurde die erste Probe entnommen und
in kaltem Wasser abgeschreckt, sie wies eine Härte von 59 Brinell auf. Eine zweite,
nach 5 Minuten entnommene Probe hatte bereits 66,5 Brinell, eine dritte nach 7,5
Minuten entnommene 74, eine vierte nach 15 Minuten gi, eine fünfte nach
30 Minuten ioi, eine sechste nach 6o Minuten i05, eine siebente nach i20
Minuten bereits 107, eine achte nach 2i0 Minuten 107 und eine neunte nach 36o Minuten
i08 Brinell.
-
Beispiel 2 Deutsche Al-Mg-Si-Legierung nach DIN 1713. Proben aus einem
Vorwalzblech dieser Legierung wurden 21/2 Stunden bei 56o bis 57o° C in einem Muffelofen
lösungsgeglüht, dann wurde ein Teil der Proben in Wasser abgeschreckt, getrocknet
und in Öl von 15o° C warm ausgehärtet. Der zweite Teil der Proben wurde direkt in
Öl von 15o° C abgeschreckt und darin warm ausgehärtet. Nach verschiedenen Zeiten
wurden jeweils eine Probe der wasserabgeschreckten und wiedererwärmten und der direkt
in Öl abgeschreckten Serie aus dem Öl entnommen und in Wasser abgekühlt. Die folgende
Zahlentafel enthält die Härtewerte nach den verschiedenen Zeiten.
| Wärmeaushärtungsdauer, Stunden |
| 1 2 4 8 16 72 |
| Wasserabgeschreckt, erwärmt in Öl ........ . . . . .
. . . 1o2,5 log 111,5 116,5 120 120,5 |
| Abgeschreckt, Öl, 15O° C ................... . . . .
. . 1o4,5 108 113,5 117;5 iig.5 120,5 |
Beispiel 3 Al-Cu-Mg-Legierung zum Beweis, daß auch hier dieselbe Gesetzmäßigkeit
vorliegt. Analyse der Legierung: 4,49% Cu; i,i2% Mg; i,oo% Mn; o,650/, Si. Es wurde
1/z Stunde bei 50o bis 5o5° C im Salz lösungsgeglüht und dann in Salz der betreffenden
Temperatur abgeschreckt. Die Probenentnahme erfolgte wie im Beispiel i.
| a) Reine Warmaushärtung: Temperatur 22O° C |
| Warmaushärtungszeit |
| Sekunden Minuten |
| 5 20 I 1 1 5 1 15 25 1 30 1 45 1 55 1
60 70 80 |
| Brinellhärte ....... I 92,5 I 97,0 I 101,3
; 114,7 ! 116,5I 120 @ 122 I 125,5 # 125,7 I 125,8 126 126 |
Bei Aufzeichnung mit logarithmischem Zeitmaßstab ähnelt der Härteanstieg einem Integralzeichen;
er kann angenähert durch eine logarithmische autokatalytische Kurve wiedergegeben
werden.
| b) Zweistufige Aushärtung: a) Kalt- und b) Warmaushärtung.
Temperatur 16o° C |
| Warmaushärtungszeit |
| Minuten Stunden |
| 10 40 I 3 5 10 32 96 |
| Brinellhärte................ ........... 113 113,5 116
114 117 123 130 |
| Streckgrenze (o,20/0), kg/mm2 ............ 31,1
3o,2 31,3 32,6 39,7 44,0 |
Der erste Anstieg ist bei io Minuten bereits abgeschlossen, wie die folgenden Werte
zeigen:
| Aushärtungszeit |
| Sekunden Minuten |
| 5 1 20 I 1 1 5 10 |
| i |
| Brinellhärte ....... I 96,3 # 102 I i06 # iog,6l
113 |
Diese erste Aushärtung ist eine Aushärtung vom Typ der Kaltaushärtung, was insbesondere
auch aus dem niederen Streckgrenzenverhältnis hervorgeht (31 : 46 = rund 66 % gegenüber
44: 53 = rund 83 0/0 bei der Warmaushärtung).
-
Bei allen angegebenen Beispielen tritt nach dem Abschrecken in einem
Abschreckmittel (Salz oder Öl von etwa der Warmaushärtetemperatur), welches mit
Sicherheit jede Änderung bei Temperaturen unterhalb
der Warmaushärtung
unterbindet, alle Effekte einer Warmaushärtung ein. Damit ist der Beweis erbracht,
daß die Warmaushärtung direkt aus dem unterkühlten Mischkristall bei der betreffenden
Temperatur gebildet wird, daß also keine Vorstufen notwendig sind.
-
Wenn also die Warmaushärtung ein Vorgang ist, der bei den Warmaushärtetemperaturen
direkt aus dem unterkühlten Mischkristall abläuft, dann muß sich jede vor Beendigung
des Warmaushärtens eingetretene Änderung im unterkühlten Mischkristall bei einer
anderen Temperatur störend bemerkbar machen. Die Wirkung einer solchen nicht rückgängig
gemachten Veränderung des unterkühlten Mischkristalls läßt sich auf Grund einfacher
Überlegungen voraussagen. Nach Ergebnissen an anderen, dem Gleichgewicht bei konstanter
Temperatur zustrebenden Systemen ist anzunehmen, daß die Warmaushärtung dadurch
verzögert wird. Die Festigkeitswerte werden kleiner sein, erstens, weil die Aushärtung
langsamer verläuft, und zweitens, weil jede andere Änderung des unterkühlten Mischkristalls
zu niedereren Festigkeitswerten führt.
-
Die Ausscheidung bei höheren Temperaturen führt zu sehr niederen Festigkeitseigenschaften,
wie allein schon daraus hervorgeht, daß bei diesen Temperaturen weichgeglüht wird.
Aber auch eine Kaltaushärtung verursacht nur eine Festigkeitssteigerung, welche
wesentlich niederer als die mit Wärmeaushärtung erreichbaren Werte ist. Weiter ist
vorauszusehen, daß die Korrosionsbeständigkeit ungünstig beeinflußt wird, wenn neben
der reinen Warmaushärtungsphase eine zweite Phase vorliegt, deren elektrochemisches
Potential sich unterscheidet.
-
Daraus ergibt sich die Hauptvorschrift der vorliegenden Erfindung:
um die Warmaushärtung wirklich ungestört ablaufen zu lassen, ist es notwendig, vor
deren Beendigung alle Veränderungen im unterkühlten Mischkristall bei anderen Temperaturen
zu verhindern.
-
Grundsätzlich sind zwei Arten einer solchen störendenÄnderung des
Mischkristalls zu unterscheiden, und zwar kann die Unterscheidung am einfachsten
durch die Angabe der Temperaturen erfolgen: z. Änderungen bei Temperaturen oberhalb
der Warmaushärtungstemperaturen. 2. Änderungen bei Temperaturen unterhalb der Warmaushärtungstemperaturen.
Die Veränderung bei den höheren Temperaturen besteht, gefügemäßig gesprochen, in
einer Ausscheidung der überschüssigen Phase. Sie kann praktisch dann eintreten,
wenn die Abschreckgeschwindigkeit von der Lösungsglühung aus kleiner als die kritische
Abschreckgeschwindigkeit war. Dabei ist die kritische Abschreckgeschwindigkeit definiert
als diejenige Geschwindigkeit der Abkühlung, bei der gerade noch keine Ausscheidungen
oder Vorbereitungen dazu oder sonstige Änderungen bei Temperaturen eintreten, welche
oberhalb der Aushärtetemperaturen liegen. Die kritische Geschwindigkeit ist offenbar
eine abhängige der jeweiligen Legierung. Sie ist bei den Leichtmetallen noch weitgehend
unerforscht, es steht bisher mit Sicherheit lediglich fest, daß Mangan, wahrscheinlich
infolge Bildung einer etwas anderen Modifikation der ausscheidenden Phase, die kritische
Geschwindigkeit herabsetzt. Daraus folgt, daß der Mangangehalt bzw., soweit auf
Mangan verzichtet wird, der Gehalt an denjenigen Elementen, welche Mn ersetzen sollen
(z. B. Chrom), sowohl der Dicke des Stücks wie auch der Abschreckfähigkeit des verwendeten
Abschreckbades anzupassen ist. Mit anderen Worten, der Gehalt an Mangan und/oder
anderen die Unterkühlung fördernden Elementen muß der bei den gegebenen Verhältnissen
herrschenden tatsächlichen Abschreckgeschwindigkeit (gegeben durch Werkstückdicke
und Abschreckfähigkeit des Abschreckmittels) so angepaßt werden, daß die kritische
Geschwindigkeit mindestens so groß wie diese wird. Daher muß man, um bei den praktisch
manganfreien amerikanischen Al-Mg-Si-Legierungen, welche an Stelle des fehlenden
Mn nur etwa 0,25 °/o Chrom enthalten, bei derselben Wandstärke ein Abkühlungsmittel
mit höherer Abschreckfähigkeit benutzen, um diese Ausscheidungen zu unterdrücken,
als bei den Legierungen nach DIN z7=3, welche bis zu 1,5 °/a Mn enthalten können.
-
Bei tieferer Temperatur bestehen die Veränderungen im Mischkristall.
gefügemäßig nach allgemeiner Auffassung in einer einphasigen Entmischung, der Kaltaushärtung.
Die Gefahr solcher Veränderungen ist immer gegeben, wenn vor der Beendigung des
Warmaushärtens bis auf Raumtemperatur abgekühlt wird, ohne daß Maßnahmen getroffen
werden, um die Kaltaushärtung zu unterdrücken. Bei den Legierungen, auf welche sich
die Erfindung bezieht, wird beim Wiedererwärmen auf die Warmaushärtungstemperatur
die vorher entstandene Kaltaushärtung nur unvollständig oder aber gar nicht zurückgebildet.
Die Temperatur der Warmaushärtung darf bei diesen Legierungen vor Beendigung des
Warmaushärtens nur so lange und nur so weit unterschritten werden, als dabei noch
keine Kaltaushärtung eintritt, wenn die besten Werte der Warmaushärtung erreicht
werden sollen.
-
Aus diesen Tatsachen ergeben sich eine Reihe von Vorschriften für
die verschiedenen Phasen der Aushärtung, wie Abschrecken, Erreichen der Warmaushärtungstemperatur,
Halten derselben, Unterbrechung der Warmaushärtung für eine bestimmte Zeit usw.,
die an Hand von Beispielen erläutert werden sollen.
-
Die für die Abkühlung von der Lösungsglühtemperatur aus gebrauchten
Abschreckmittel müssen wegen der ersten Bedingung (keine Ausscheidung bei höheren
Temperaturen) eine möglichst hohe Abschreckwirkung haben. Da Wasser mit oder ohne
Zusätze bei Raumtemperatur ungefähr die größte erreichbare Abschreckfähigkeit aufweist,
könnte aus der ersten Bedingung abgeleitet werden, daß die bisher übliche Abschreckung
in kaltem Wasser für die Abschreckung nach dieser Erfindung am besten geeignet sei.
Die zweite Bedingung (keine Kaltaushärtung bei tieferen Temperaturen) ist aber bei
den bisher üblichen Verfahren, bei welchen günstigstenfalls einige Minuten nach
dem Abschrecken in einem Luftofen ausgehärtet wird, bei denen aber meist eine viel
längere Pause zwischen Abschrecken und Wiedererwärmen eintritt, nicht erfüllt.
-
Um das zu zeigen, braucht nur auf die folgenden Beispiele hingewiesen
zu werden:
Al-Mg-Si-Legierung mit Mn-Analyse: i,i8°/o Mg, i,22 °/o
Si, o,6o °/o Mn. Je ein Teil wurde von der Lösungsglühtemperatur 540'C aus in Wasser
abgeschreckt und sofort ohne jede Pause in einem Luftofen (Trockenschrank) warm
ausgehärtet, der andere Teil in Salz bzw. Öl der Warmaushärtungstemperatur abgeschreckt
und ebenfalls im Luftofen ausgehärtet.
| Brinell- Streck- Zug Bruch- |
| grenze festig- dehnung |
| härte kg / mm2 kg@mm 2 1= 50 mm |
| a) Temperatur 178 bis i8o° C |
| aa) Warmaushärtungsdauer: io Minuten |
| Wasserabgeschreckt 8o 19,3 31,7 20 |
| Salzabgeschreckt .. log 31,6 36,9 12,5 |
| Ölabgeschreckt.... 109 32,0 37,2 - |
| ab) Warmaushärtungsdauer: 25 Minuten |
| Wasserabgeschreckt 99 25,6 34,8 19 |
| Salzabgeschreckt .. 117 35,0 38,9 13 |
| Ölabgeschreckt.... 117 35,2 39,1 9 |
| b) Aushärtungstemperatur: 163°C |
| ba) Warmaushärtungsdauer: 40 Minuten |
| Wasserabgeschreckt go 24,2 35,2 19 |
| Ölabgeschreckt.... 117 # 35,5 40,6 11 |
| bb) Warmaushärtungsdauer: 45 Minuten |
| Wasserabgeschreckt 99 26,3 36,3 15 |
| Wasserabgeschreckt 99 25,2 36,l 19 |
| Salzabgeschreckt .. 1i7 34,0 39,2 13,5 |
| Ölabgeschreckt.... i2o 35,9 40,5 14 |
| c) Aushärtungstemperatur: 158°C |
| ca) Warmaushärtungsdauer: i Stunde |
| Wasserabgeschreckt 1 105 26,0 1 35,1 16,5 |
| Salzabgeschreckt .. 115 32,o 37,o 13 |
| eb) Warmaushärtungsdauer: 2 Stunden |
| Wasserabgeschreckt 105 30,5 33.5 |
| Salzabgeschreckt .. 115 34,0 38,o - |
| cc) Warmaushärtungsdauer: 18 Stunden |
| Wasserabgeschreckt zig 35,0 I , I 39"0 I 12 |
| Salzabgeschreckt .. 123 365 398 il |
| cd) Warmaushärtungsdauer: 48 Stunden |
| Wasserabgeschreckt 121 34,0 37:4 6,5 |
| Salzabgeschreckt .. I 123 I 36,3 I 39>3 I il |
| d) Warmaushärtungstemperatur : 148'C |
| da) Warmaushärtungsdauer: 54 Minuten |
| Wasserabgeschreckt 88 21,4 32,7 - |
| Salzabgeschreckt .. I 104 I 27,4 35,0 I 16 |
| db) Warmaushärtungsdauer: 3 Stunden |
| Wasserabgeschreckt log 29,2 1 37,1 |
| Salzabgeschreckt .. i2o 32,9 38,8 13 |
In diesem Beispiel zeigt es sich, daß der Mangangehalt der verwendeten Legierung
in Zusammenhang mit den anderen Elementen ausreicht, um sowohl beim Wasserabschrecken
wie auch bei dem Abschrecken in heißem Salz oder Öl jede Ausscheidung bei höheren
Temperaturen zu unterdrücken. Die erste Bedingung ist damit erfüllt. Der Vergleich
der Härtewerte und der Werte für die Streckgrenze bei kurzen Aushärtezeiten ergibt
jedoch, daß offenbar auch das unmittelbar auf das Wasserabschrecken folgende Erwärmen
im Luftofen nicht ausreicht, um die zweite Bedingung - keine Veränderung im Kischkristall
bei tieferen Temperaturen - zu erfüllen. Die Hauptwirkung der damit verknüpften
Veränderung liegt in einer Verzögerung des Warmaushärtungsbeginns; das Gesamtmaximum
der Aushärtung wird weniger stark beeinflußt. Das zeigt am deutlichsten das Beispiel
i, c), aus dem hervorgeht, daß der bei kurzen Aushärtezeiten sehr große Unterschied
in der Härte und der Streckgrenze sich bei längerem Aushärten allmählich ausgleicht
und bei 18 Stunden und 158°C nur noch 1,5 kg/mm' in der Streckgrenze ausmacht. Mit
dem beiden Bedingungen der Erfindung genügenden Abschrecken in Salzschmelzen oder
Öl, die etwa die Temperatur der Warmaushärtung haben, wird erreicht, daß die Aushärtung
ungestört abläuft. Die Ergebnisse dabei zeigen, daß die bisherigen Aushärtezeiten,
welche im allgemeinen mit rund 12 bis 2o Stunden bei 16o' C und 6 bis io Stunden
bei 18o' C angegeben werden, bei ungestörtem Ablauf der Aushärtung durch Erfüllung
der beiden Bedingungen der Erfindung ganz wesentlich abgekürzt werden können. Bei
18o°C genügen Aushärtezeiten von unter i Stunde, um volle Aushärtung zu erreichen;
soll das Streckgrenzenverhältnis nicht ganz auf den maximal möglichen Wert gesteigert
werden, genügen sogar Zeiten von rund einer halben Stunde. Diese Werte ändern sich
etwas mit dem Gesamtgehalt an Mg -+- Si, insbesondere mit dem Gehalt an Si; je höher
dieser ist, desto rascher scheint die Aushärtung abzulaufen.
-
Dieses Beispiel zeigt weiter, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
die sogenannte Überalterung, welche durch einen Rückgang der Festigkeitswerte gekennzeichnet
ist, bei 48 Stunden (i58° C) noch nicht eintritt, daß sie dagegen bei den wasserabgeschreckten
Proben bereits merklich wird.
-
Weiter ergibt sich aus den Zahlenwerten dieses Beispiels, daß man
sich bei 150°C offenbar der Untergrenze der Warmaushärtung nähert. Der Unterschied
wird hier immer kleiner, der Einfluß einer vorausgegangenen Kaltaushärtung scheint
zu verschwinden. Vergleicht man z. B. den Unterschied zwischen den erfindungsgemäß
erreichten und den durch Wasserabschreckung und Luftofenerwärmung erreichten Streckgrenzenwerten
bei einem bestimmten Wert der erfindungsgemäß erreichten Streckgrenze, so ist die
Differenz ein Maß für die Schädigungswirkung der Abkühlung unterhalb der Warmaushärtungstemperatur
bei den verschiedenen Aushärtungstemperaturen. Der Wert von rund 32 kg/mm2 ist für
diesen Vergleich geeignet. Bei io Minuten (i8o°C) beträgt dabei die Schädigung rund
12,5 kg/mm2 (das sind rund 65 °/a der i Streckgrenze des wasserabgeschreckten Zustandes);
bei
i Stunde (158'C) ist die Schädigung 6 kg/mm2 (rund 24°/o) und bei 148°C nur 2,7
kg/inm2 (rund 90/0). Weiter kann man die Schädigung für einen Streckgrenzenwert
von 34 bis 35 kg/mm2 (erfindungsgemäß) feststellen. Es ergibt sich : bei i80° C
(25 Minuten) eine Schädigung von rund 9,5 kg/mm' (gleich etwa 370/0); bei 163°C
(4o bis 45 Minuten) rund 9 bis io kg/mm2 (gleich etwa 4o0/,); bei 158°C (2 Stunden)
nur rund 3,5 kg(mm2.
-
Aus diesem Grunde scheint es notwendig zu sein, die Abgrenzung des
Gebiets reiner Warmaushärtung gegen die tieferen Gebiete dadurch vorzunehmen, daß
man unter Warmaushärtung das Gebiet versteht, in dem eine nicht zurückgebildete
Kaltaushärtung (entstanden bei tieferer Temperatur) sich schädlich auf die Warmaushärtung
auswirkt.
-
Es ist nun noch der Beweis zu führen, daß es sich bei der Veränderung
im Mischkristall, welche doch offensichtlich bei dem Unterschreiten der Warmaushärtetemperatur
während des Abkühlens in Wasser und des anschließenden Erwärmens im Luftofen eingetreten
ist, um eine Kaltaushärtung handelt. Es ist bereits bekannt, daß länger dauernde
Lagerung von mehreren Tagen Dauer bei Raumtemperatur die anschließende Warmaushärtung
bei den Al-Mg-Si-Legierungen schädigt, insbesondere ihren Verlauf verzögert und
den erreichbaren Höchstwert herabsetzt. Es wurde als Abhilfe empfohlen, möglichst
innerhalb einer Stunde nach dem Abschrecken warm auszuhärten, weil offenbar angenommen
wurde, daß in dieser Zeit noch keine merkliche Kaltaushärtung anlaufen würde. Die
Beobachtung des Beginns der Kaltaushärtung ist an und für sich schwierig, erstens
befinden sich meistens die Härtemeßgeräte in einiger Entfernung vom Abschreckbad,
die Verbringung vom einen zum anderen Ort erfordert daher einige Zeit; zweitens
benötigt die Härtemessung selbst eine gewisse Zeit, bedingt durch das Einspannen,
Scharfeinstellen, Belasten für die meist vorgeschriebenen 3o Sekunden Lastdauer,
Entlasten und Ausmessen. Dadurch verstreichen meist immer mindestens io oder 2o
Minuten, bis die ersten Messungen vorliegen. Bei einigen Untersuchungen wurde sogar
grundsätzlich die nach i Stunde gemessenen Härtewerte als die Härte des abgeschreckten
Zustandes angegeben. Da an vielen verschiedenen Legierungen der Basis Al-Mg-Si festgestellt
worden war, daß bei kurzen Aushärtezeiten die Werte der wasserabgeschreckten und
im Luftofen erwärmten Proben weit hinter denjenigen erfindungsgemäßer zurückblieben,
wurde das Problem der Härtemessung unmittelbar nach dem Abschrecken in Angriff genommen.
Dazu wurde ein Härtemesser unmittelbar neben dem Abschreckfeld aufgestellt, die
Proben sofort entnommen, getrocknet und belastet. Die Ergebnisse zweier solcher
Meßreihen sind in der Fig. i enthalten. Diese zeigt, daß bereits nach 2 Minuten
ein deutlicher Aushärtungseffekt festzustellen ist, ferner daß die Härte des abgeschreckten
Zustandes zwischen 45 und 50 Brinell liegt. Bereits nach 15 Minuten ist eine
Aushärtung um io Brinell eingetreten, nach i Stunde um rund insgesamt 13. Die Aushärtung
gerade in den ersten Minuten ist sehr rasch, was mit dem logarithmischen Zeitgesetz
der Aushärtung zusammenhängen dürfte. Bedenkt man noch weiter, daß, wie bereits
bekannt, die Kaltaushärtung bei etwas höheren Temperaturen als 2o° C erheblich schneller
abläuft, dann wird verständlich, daß es durchaus möglich ist, daß in der Zeit zwischen
dem Unterschreiten der Warmaushärtetemperatur während des Abschreckens und dem Wiedererreichen
dieser Temperatur beim Aufheizen im Luftofen ein gewisser Kaltaushärtungsbetrag
zu erwarten ist.
-
Da anzunehmen war, daß die Kaltaushärtung noch nicht während des Abschreckens
beginnt, wurde versucht, die Aufwärmezeit dadurch abzukürzen, daß die Erwärmung
in einem Salz- oder Ölbad der Warmaushärtetemperatur vorgenommen wurde. Es zeigte
sich, daß die Erwärmungsgeschwindigkeit im Salzbad ausreichte, um die Kaltaushärtung
zu unterdrücken. Es war allerdings dazu notwendig, die Proben sofort aus dem Wasser
zu entnehmen, beim Entnehmen sofort zu trocknen und innerhalb weniger Sekunden in
das Salzbad einzubringen. Die Erwärmungsgeschwindigkeit im heißen Öl reicht dagegen
nicht ganz aus, um die beginnende Kaltaushärtung zu unterdrücken, wie das folgende
Beispiel zeigen soll.
-
Beispiel 5 Legierung wie im Beispiel 4. Lösungsglühtemperatur 540°C.
| a) Aushärtungstemperatur 16o° C/1,5 Stunden |
| Brinell Streck- Zug- |
| grenze festigkeit |
| `Vasserabgeschreckt |
| und im Öl erwärmt.. 99/113 32,7 39,4 |
| In Öl von 16C C abge- |
| schreckt ........... ii9 35,0 39,6 |
b) Aushärtungstemperatur 16o° C/45 Minuten. Jedoch Streckgrenze aus Diagramm bestimmt
statt wie bei allen anderen Beispielen aus Feindehnungsmessungen.
| Brinell Streck- Zug- |
| grenze festigkeit |
| Wasserabgeschreckt |
| und im Luftofen er- |
| wärmt ............ 99 28,3 36,6 |
| Wasserabgeschreckt |
| und im Öl erwärmt . . 1i1 33,6 39,4 |
| In Öl von 16o' C abge- |
| schreckt ........... 117 34=9 39,4 |
Beim Beispiel 5, a) gab es beim Einbringen der Probe in das heiße Ölbad eine kleine,
etwa i bis 2 Sekunden dauernde Verzögerung, wodurch dort die Streckgrenze verhältnismäßig
ungünstiger als im Beispiel 5, b) liegt.
-
Zusammenfassend kann für die Legierungen, die genügend hohen Legierungsgehalt
an solchen Elementen haben, welche die Unterkühlung wie etwa Mangan fördern, bei
denen also die kritische Abschreckgeschwindigkeit
nieder liegt,
bezüglich der zu verwendenden Abschreckmittel gesagt werden a) Geschmolzene Salze
(Schmelzpunkt unter 15o° C) unterdrücken die Ausscheidung bei höheren Temperaturen.
Bei dickeren Querschnitten kann es notwendig sein, das Salzbad zu bewegen (durch
Rührer oder andere, z. B. elektroinduktive Mittel) und ioder Wasser zuzusetzen.
Die zweite Bedingung ist immer erfüllt, sofern die Salztemperatur noch innerhalb
der Warmaushärtetemperatur liegt.
-
b) Heißes Öl unterdrückt ebenfalls die Ausscheidung bei höheren Temperaturen,
womit die erste Bedingung erfüllt ist. Die zweite ist erfüllt, sofern die Öltemperatur
innerhalb der Warmaushärtungstemperaturen liegt.
-
c) Kaltes Wasser erfüllt die erste Bedingung, in der normalen Kombination
mit Erwärmung im Luftofen jedoch die zweite nicht. Unter Beachtung größter Schnelligkeit,
wie sie im allgemeinen ohne großen technischen Aufwand nur im Laboratorium erreicht
werden kann, wird die zweite Bedingung durch Erwärmung im Salzbad der Warmaushärtetemperatur
erfüllt.
-
Ehe auf die Möglichkeiten der Verwendung anderer Abschreckmittel eingegangen
wird, soll auf die Verhältnisse bei Legierungen der Gruppe Al-Mg-Si hingewiesen
werden, bei denen nur ein relativ niederer Gehalt an solchen zusätzlichen Elementen
vorhanden ist, welche die Unterkühlung des Mischkristalls fördern, die also eine
relativ hohe kritische Geschwindigkeit haben. Beispiel 6 Amerikanische Legierung
61S, Zusammensetzung wie in dem Beispiel i.
-
Lösungsglühtemperatur 540'C. Aushärtungstemperatur i79° C. Dauer i
Stunde
| Brinell Streck- Zug- |
| grenze festigkeit |
| Wasserabgeschreckt |
| und im Luftofen er- |
| wärmt ............ 98 27,3 32,3 |
| Wasserabgeschreckt |
| und im Salz erwärmt 103 30,1 33,2 |
| Im Salz von i79' C ab- |
| geschreckt ......... 102 28,4 32,6 |
Diese Legierung enthält kein Mangan, dafür etwa
0,2504 Chrom, das offenbar
die Unterkühlbarkeit des '.Mischkristalls nicht genügend fördert. Die direkt in
Salz der Aushärtetemperatur abgeschreckte Probe hat nur unwesentlich höhere Werte
der Streckgrenze und Härte als die in Wasser abgeschreckte und im Luftofen erwärmte.
Ohne die Werte für die wasserabgeschreckte und im Salz erwärmte Proben zu kennen,
könnte der Schluß gezogen werden, daß der Kupferzusatz im Zusammenhang mit dem Chromgehalt
die Kaltaushärtung soweit verzögere, daß auch die übliche Wärmeaushärtungsmethode
beide Bedingungen der vorliegenden Erfindung erfülle. Das ist jedoch nicht der Fall,
wie die erwähnten Werte nach Wasserabschreckung und Erwärmung im Salzbad zeigen.
Es ist hier in Wirklichkeit so, daß die Abschreckfähigkeit des nicht bewegten wasserfreien
Salzbades nicht mehr ausreichte, um die erste Bedingung, keine Ausscheidung bei
höheren Temperaturen, zu erfüllen. Der Schaden durch die vorausgegangene Ausscheidung
bei den höheren Temperaturen ist hier beinahe so hoch wie der infolge des Cu-Gehaltes
klein gehaltene Fehler durch die Unterschreitung der Warmaushärtetemperatur mit
angelaufener Kaltaushärtung. Wenn wie beim Wasserabschrecken mit anschließendem
Erwärmen in Salz eine höhere Abschreckgeschwindigkeit erreicht wird, gleichzeitig
aber durch die Salzerwärmung auch die beginnende Kaltaushärtung unterdrückt wird,
werden höhere Werte der Streckgrenze erreicht.
-
Dieses Beispiel zeigt, daß es nicht nur darauf ankommt, die Kaltaushärtung
zu vermeiden, daß vielmehr auch jede Ausscheidung bei den höheren Temperaturen durch
entsprechende Wahl der Abschreckmittel bei gegebener Legierung oder durch entsprechende
Wahl der Legierung bei gegebenen Abschreckmitteln unterdrückt werden muß.
-
Die zur Erfüllung der beiden Bedingungen möglichen Abschreckmittel
oder Kombination von Mitteln sind natürlich nicht auf die bisher erwähnten Mittel
beschränkt, vielmehr kann jedes bekannte Abschreckmittel oder -verfahren angewendet
werden, sofern es nur die geforderten Bedingungen einhält. Aus der Fülle von Möglichkeiten
seien nur genannt: Unterbrochenes Abschrecken in einem Abschreckmittel, dessen Temperatur
tiefer als die Warmaushärtetemperaturen liegt (beispielsweise in Wasser verschiedener
Temperatur mit frühzeitigem Wiederherausnehmen, ehe das Werkstück tiefere Temperaturen
als die Warmaushärtetemperaturen angenommen hat) ; Verwendung fester, z. B. metallischer
Abschreckmittel in Form von Walzen oder Platten, deren Temperatur so eingerichtet
ist, daß das abzuschreckende Gut vor wesentlicher Unterschreitung der Warmaushärtetemperatur
entnommen wird; unter Umständen Verbindung dieser Abschreckung in festen Abschreckmitteln
mit einer Verformung, um die niedere Härte des abgeschreckten Zustandes ausnutzen
zu können; Abschrecken mit gas- oder dampfförmigen Abschreckmitteln; Abschrecken
mit versprühten Flüssigkeiten usw.
-
Aus dem Vorhergehenden ergibt sich ganz allgemein folgende Regel für
die Art und Weise, wie von der Lösungsglühungstemperatur aus die Temperatur der
Warmaushärtung bei den Legierungen erreicht werden soll, bei denen die Temperaturen
der Warmaushärtung noch nicht genügen, um eine Kaltaushärtung zurückzubilden Die
Abkühlung muß in oder mit einem festen, flüssigen oder gasförmigen Mittel oder einer
Kombination von Mitteln erfolgen, deren Abschreckfähigkeit so hoch ist, daß auch
im Kern des dicksten vorkommenden Querschnitts eine Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht
wird, welche größer als die kritische Abkühlungsgeschwindigkeit ist; die Zeit, wie
lange die einzelnen Mittel angewendet werden, ihre Reihenfolge und ihre Temperatur
sollen so eingerichtet werden, daß das
Abschreckgut nicht so lange
unterhalb der Warmaushärtungstemperaturen vor Beginn der Warmaushärtung bleibt,
daß bereits eine merkliche Kaltaushärtung eintreten kann.
-
Die schädliche Wirkung einer Kaltaushärtung beschränkt sich nicht
auf die bisher hauptsächlich aufgeführte Verzögerung der Aushärtung und die Verminderung
besonders der Streckengrenzen- und Härtewerte. Zum Beispiel ist die Korrosionsbeständigkeit
einer Legierung im rein warm ausgehärteten Zustand höher, als wenn noch ein wenn
auch kleiner Teil Kaltaushärtung vorhanden ist. Das ist aus elektrochemischen Überlegungen
leicht vorstellbar, weil damit in der Grundmasse nicht nur eine, sondern zwei zusätzliche
Phasen (Kaltaushärtung und Warmaushärtung) vorhanden sind. Beispiel 7 Al-Mg-Si-Legierung
nach DIN 1713. Verglichen wurde das bei einer Korrosionsbeanspruchung geeignet geformter
Proben in n/2-NaCl-Lösung, verstärkt durch 1/a °/o konz. H Cl, frei werdende Gasvolumen,
einmal bei Proben, welche nach den Vorschriften der Erfindung, nämlich durch Abschrecken
in Öl von 150° C und sofortiges Altern bei dieser Temperatur hergestellt, zum anderen
bei Proben, welche in der üblichen Weise in Wasser abgeschreckt, jedoch zur Beschleunigung
der Erwärmung in Öl von 15o° C erwärmt wurden. Die Zeiten waren 4, 8,16 und 72 Stunden.
Die Härtewerte sind im Beispiel 2 wiedergegeben. Die folgende Zusammenstellung enthält
die Volumeinheiten Gas für die beiden Herstellungsarten, welche in 3 Stunden Korrosionsbeanspruchung
abgegeben werden.
| Aushärtungsdauer |
| bei 150°C |
| Stunden |
| 4 1 8 1 16 1 72 |
| Wasserabgeschreckt und |
| in Öl erwärmt ........ 25,5 21 17 14 |
| In Öl von 15o° C |
| abgeschreckt ......... 13,5 13 12 12 |
Die Korrosionsbeständigkeit ist also offenbar bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
erheblich verbessert, und zwar ist die Verbesserung wie bei den Festigkeitswerten
bei den kurzen Aushärtungszeiten am größten, weil sich die wenn auch geringe Kaltaushärtung
verzögernd auf den Verlauf der folgenden Warmaushärtung auswirkt.
-
Die bisherigen Betrachtungen galten der Phase der Warmbehandlung zwischen
dem Lösungsglühen und dem Beginn der Warmaushärtung. Die bisherigen Beispiele zeigten,
welche Maßnahmen ergriffen werden müssen, um beim Beginn der Kaltaushärtung sicherzustellen,
daß der unterkühlte Mischkristall noch unverändert vorliegt. Es ist nun darzulegen,
welche Schlüsse sich für den weiteren Verlauf der Warmaushärtung aus den zwei Grundbedingungen
der Erfindung ergeben.
-
Bisher wurde vorausgesetzt, daß die Warmaushärtung, sobald sie einmal
begonnen worden sei, ohne weitere Unterbrechung und bei derselben Temperatur bis
zu der gewünschten Aushärtungshöhe fortgesetzt wird. In der Praxis tritt nun in
manchen Fällen das Bedürfnis auf, eine mehr oder weniger lange Lagerzeit bei Raumtemperatur
nach dem Lösungsglühen einzuschalten. Auf Grund der in Fig. 1 gezeigten Verhältnisse
bei Raumtemperaturlagerung ist während einer solchen Pause mit einer mehr oder weniger
vollständigen Kaltaushärtung zu rechnen, solange keine Maßnahmen getroffen werden,
die Kaltaushärtung zu unterbinden. Nach einer solchen Pause wird bei den bisherigen
Verfahren der volle Wert der Warmaushärtung nicht mehr erreicht, sondern die mit
der Kaltaushärtung bereits erreichten Werte werden nur noch unwesentlich überschritten.
-
Die sich aus den zwei Grundbedingungen ergebende Forderung, daB vor
Beendigung der Warmaushärtung keine bleibende Veränderung des unterkühlten Mischkristalls
bei einer anderen Temperatur stattfinden darf, kann jedoch auch im Falle einer gewünschten
Unterbrechung der Warmaushärtung erfüllt werden. Die Grundlage für die dabei zu
ergreifenden Maßnahmen liegt in einer weiteren Erkenntnis über die gegenseitige
Beeinflussung der Kalt- und der Warmaushärtung. Es ist auf Grund der in der Einleitung
entwickelten theoretischen Vorstellungen möglich, vorauszusagen, daß auch die Kaltaushärtung
nur dann ungestört ablaufen kann, wenn sie von dem unterkühlten Mischkristall ausgehen
kann. Eine Veränderung im unterkühlten Mischkristall bei Temperaturen im Gebiet
der reinen Warmaushärtung wird eine bestimmte Menge an Kaltaushärtung verhindern.
Eine Hauptwirkung einer solchen Veränderung im unterkühlten Mischkristall kann analog
zu den Verhältnissen bei einer Vorveränderung vor der Warmaushärtung in einer Verzögerung
der Kaltaushärtung erwartet werden. Bei der Nachprüfung dieses Gedankens zeigte
es sich, daß diese Verhinderung und Verzögerung der Kaltaushärtung durch überraschend
niedere Warmaushärtungsbeträge möglich ist. Es wäre nämlich zunächst zu erwarten,
daß z. B. die Warmaushärtung bis zu einer über die mit der Kaltaushärtung erreichbare
Härte hinausgehenden Härtesteigerung getrieben werden müsse, um die beabsichtigte
Wirkung zu erzielen. Denn der Gesamtbetrag der Härtesteigerung durch Wärmehärtung
ist viel größer als der durch eine Kaltaushärtung.
-
Die Fig. 2 zeigt die wirkliche Verhältnisse an einer Al-Mg-Si-Legierung
nach DIN 1713, deren Zusammensetzung die folgende war: o,o2 °/o Cu; o,66 °/o Mg;
o,72 °/o Mn; z,oo °/a Si. Blechabschnitte aus dieser Legierung wurden 1,25 Stunden
bei 540° C lösungsgeglüht, ein Teil davon dann in kaltem Wasser abgeschreckt (bezeichnet
mit »wasserabgeschreckt cz) ; andere Teile wurden in Öl von 15o° C abgeschreckt
und darin einigeMinuten gehalten, in kaltemWasser abgeschreckt, d. h. also die Warmaushärtung
in verschiedenen Anfangsstadien unterbrochen, und dann bei Raumtemperatur die Härteänderungen
beobachtet.
-
Die Härtekurve der Raumtemperaturaushärtung nach Wasserabschrecken
beginnt wahrscheinlich bei etwas zu hohen Härtewerten, weil keine Härtemessungen
sofort nach dem Abschrecken gemacht
wurden. Es zeigt sich, daß
nach i Stunde 58 kg/mm2, nach z51/2 Stunden 7o kg/mm2, nach 41 Stunden 74 kg/mm2
und nach 84 Stunden 78 kg/mm2 Brinell erreicht sind.
-
Die nur i Minute bei 150'C warmausgehärtete Probe hatte eine Ausgangshärte
von 43 Brinell, also erheblich weniger als eine in Wasser abgeschreckte. Die Härte
stieg während i Stunde bis auf 53 an. Nach einer reinen Warmaushärtung von io Minuten
Dauer, erzielt durch Abschrecken in Öl von 150'C und iominütigem Halten auf dieser
Temperatur (Bedingung i und 2 für das Erreichen der Warmaushärtetemperatur erfüllt),
wurde nach dem Abschrecken in Wasser eine Härte von 58 kg/mm2 gemessen. Diese Härte
steigt nun nicht etwa bei Raumtemperatur an, sie geht eher in den ersten Stunden
um etwa i bis 2 kg/mm2 zurück. Bis zu etwa 9 Stunden Lagerung bei Raumtemperatur
werden immer Härtewerte zwischen 56 und 58 kg/mm2 gemessen. In derselben Zeit ist
die Härte der wasserabgeschreckten Probe über den Wert von 58 kg/mm2, den sie nach
i Stunde erreicht hat, weiter hinausgegangen. Die Warmaushärtung von io Minuten
Dauer liefert also ein Material, das bereits nach i Stunde Dauer weicher ist als
entsprechendes wasserabgeschrecktes Material. Ein leichtes Ansteigen der Härte nach
etwa i51/2 Stunden zeigt an, daß nunmehr die bisher vollständig verhinderte Kaltaushärtung
langsam beginnt anzulaufen.
-
Eine der weiteren Proben wurde nach Abschrecken in Öl von i5o°C 2o
Minuten bei dieser Temperatur warmausgehärtet. Nach dem anschließenden Abschrecken
in Wasser wies sie eine Härte von etwa 7o kg/mm2 auf. Diese Härte ging in ähnlicher
Weise wie bei der io-Minuten-Probe eher etwas zurück. Selbst bei 84 Stunden ist
sie immer noch 69 kg/mm2, während zu dieser Zeit die wasserabgeschreckte Probe bereits
77,5 kg/mm2 Härte erreicht hat.
-
Bei dieser Versuchsreihe wurden immer nach bestimmten Zeiten sowohl
die wasserabgeschreckten als auch die bereits kurze Zeit warm ausgehärteten Proben
dann 15 Stunden bei 152°C ausgelagert. Bei dieser langen Aushärtezeit ist eine gewisse
Ausgleichung der Einflüsse der Kaltaushärtung zu erwarten, weil die Wirkung der
Verzögerung ziemlich ausgeglichen ist. Wie die folgende Zahlentafel zeigt, ist die
Schädigung der Warmaushärteeffekte durch die bei den wasserabgeschreckten Proben
eingetretene Kaltaushärtung sehr groß.
-
a) Brinellhärte Nach 15 Stunden 152°C anschließend an eine Raumtemperaturlagerung
von
| Behandlung 0 1 1 151/Z 1 41 I 84 |
| Stunden Dauer |
| 540'C/Wasser 20°C ............................. 114,5 95,5
89 n. b. 88 |
| 540'C/Öl 150°C/1 Minuten ....................... n. b. ioo
n. b. n. b. n. b. |
| 540°C/01 150°C/10 Minuten ...................... n. b. n. b.
iio n. b. n. b. |
| 540'C/Ö1 150°C/15 Minuten ...................... n. b. n. b.
n. b. 116 n. b. |
| 540'C/Öl 150°C/20 Minuten ...................... n. b. n. b.
n. b. n. b. 117 |
Die Schädigung durch die Raumtemperaturlagerung ist bei der wasserabgeschreckten
Probe nach i Stunde i9 kg/mm2, nach 151/2 Stunden 25,5 kg/mm2 und bei 84 Stunden
26,5 kg/mm2 Brinell. b) Zugfestigkeit und Streckgrenze Die Streckgrenze im wasserabgeschreckten
und unmittelbar im Luftofen warm ausgehärteten Zustand betrug nach 15 Stunden 152°C:
31,o kg/mm2, die Zugfestigkeit 36,2 kg/mm2. Nach 84 Stunden Raumtemperatur 15 Stunden
152°C ausgehärtet, war die Streckgrenze auf 20,o kg/mm2 und die Zugfestigkeit auf
32,6 kg/mm2 zurückgegangen. Die zunächst 2o Minuten warm ausgehärtete Probe, die
ebenfalls 84 Stunden bei Raumtemperatur ausgelagert wurde, wobei sie eine um etwa
7 kg/mm' niedere Härte als die wasserabgeschreckte (und kalt ausgehärtete) Probe
vor dem Warmaushärten aufwies, hatte nach dem Warmaushärten (15 Stunden bei 152°C)
eine Streckgrenze von 31,o kg/mml und eine Zugfestigkeit von 38,6 kg/mm2.
-
Die vorweggenommene Warmaushärtung hat genügt, um die Kaltaushärtung
während der Ruhepause vollständig zu verhindern, wie die besonders empfindliche
Streckgrenze deutlich zeigt. Um die Bedingungen für den ungestörten Verlauf der
Warmaushärtung auch für den Fall zu erfüllen, daß vor dem Ende der Warmaushärtung
eine Lagerung bei Raumtemperatur erfolgen soll, genügt es, vor dem Abkühlen auf
Raumtemperatur so lange warm auszuhärten (wobei die Bedingungen der Erfindung eingehalten
werden müssen), bis damit eine Härtesteigerung erreicht wird, welche derjenigen
ungefähr entspricht, welche nach Wasserabschreckung und Raumtemperaturlagerung in
der Länge der beabsichtigten Zwischenlagerung bei Raumtemperatur erreicht werden
würde. Um ein Beispiel zu geben: Ein bestimmter Fertigungsgang, der erst nach dem
Lösungsglühen, aber vor dem Ende der Warmaushärtung vorgenommen werden soll, beansprucht
einen Zeitraum von etwa 24 Stunden einschließlich Warte- und Transportzeiten. Gesucht
wird die Zeit der ersten Warmaushärtung. Man geht so vor: An Hand von Proben, welche
von der Lösungsglühtemperatur aus in Wasser abgeschreckt und bei Raumtemperatur
24 Stunden liegenbleiben, stellt man die Härte H"h fest. Sie sei beispielsweise
7o Brinell. Nun schreckt man Proben (bei Legierungen mit genügendem Mn-Gehalt) in
Salz oder Öl oder auf ähnliche Weise auf die gewünschte Warmaushärtetemperatur ab
und hält sie auf dieser einige Minuten und stellt nach dem Abschrecken
fest,
bei welcher Haltezeit 7o Brinell erreicht werden. Diese Zeit ist die maximal notwendige,
um in der beabsichtigten Pause die Kaltaushärtung zu unterdrücken.
-
Die folgenden Beispiele zeigen die Wirkung einer solchen präventiven
Warmaushärtung auf die Festigkeitswerte einer Warmaushärtung mit relativ kurzen
Aushärtezeiten. Beispiel 8 AI-Mg-Si-Legierung nach DIN 1713. Zusammensetzung: 0,02
% Cu; 0,79 % Mg; 0,79 °/o Mn; 0,93 o/oSi. Lösungsglühtemperatur: 550°C, Dauer: i
Stunde. Die Legierung sollte 21 Tage bei Raumtemperatur gelagert werden, ehe sie
warm ausgehärtet wird. Für die Warmaushärtung war vorgesehen: eine Temperatur von
180°C und eine Zeit von 2 Stunden. Es wird erzielt ohne Pause
| Streck- Zug- |
| grenze festigkeit |
| kg/mm- kg/mm2 |
| a) Durch Wasserabschreckung |
| und Luftofenerwärmung .... 31,0 36,5 |
| b) durch Abschrecken in Öl von |
| 180°C.................... 34,2 35,9 |
| Der wasserabgeschreckte |
| Blechabschnitt aus dieser Le- |
| gierung, welcher 21 Tage bei |
| Raumtemperatur kalt aus- |
| härtete, erreichte in diesem Zu- |
| stand ..................... 25,4 31,7 |
| Nach anschließendem Warm- |
| aushärten (2 Stunden 180°C) |
| stieg die;Festigkeit nur auf ..... 26,1 3219 |
| Ein Blechabschnitt, der in Ö1 |
| von 180°C abgeschreckt wurde |
| und darin fo Minuten verblieb, |
| hatte nach 21 Tagen Raum- |
| temperaturlagerung ......... 21,6 28,6 |
| Nach anschließendem Warm- |
| aushärten (z Stunden 180°C)... 33,6 34,6 |
Dieses Beispiel zeigt zwei wesentliche Erkenntnisse der vorliegenden Erfindung:
erstens die Tatsache, daß die sofortige Warmaushärtung im Luftofen noch nicht ausreicht,
um die Kaltaushärtung restlos auszuschließen; die in Öl abgeschreckten Teile zeigen
eine um 3,2 kg/mm2 höhere Streckgrenze; zweitens zeigt dieses Beispiel die Unterdrückung
der Kaltaushärtung während einer Zwischenlagerung bei Temperaturen, welche tiefer
als die Warmaushärtetemperaturen liegen. Die Unterdrückung erfolgt durch eine präventive
kurzzeitige Warmaushärtung, durch welche eine solche Veränderung des unterkühlten
Mischkristalls eingeleitet wird, daß innerhalb der folgenden Raumtemperaturlagerung
noch keine Kaltaushärtung anläuft.
-
Ein weiterer für die praktische Anwendung wichtiger Punkt ist die
niederere Streckgrenze der präventiv warm ausgehärteten Teile am Ende der Raumtemperaturlagerung.
Die Verformbarkeit ist also größer als bei den kalt ausgehärteten Teilen.
-
Beispiel 9 Amerikanische Legierung 61S. Zusammensetzung wie im Beispiel
i. Lösungsglühtemperatur 540'C. Aushärtetemperatur 178°C. Aushärtedauer i Stunde.
Die Pause sollte 31 Tage dauern. In dieser Zeit ist die Kaltaushärtung nach Wasserabschreckung
nahezu vollständig abgelaufen. Die Härte in diesem Zustand (540/20° C/3i Tage 2o°
C) beträgt 73,5 Brinell. Präventivwarmaushärtungen wurden mit folgenden Aushärtezeiten:
3, 5 und 7z/2 Minuten Dauer bei 179°C, untersucht. Die Anfangshärten waren: bei
3 Minuten 59, bei 5 Minuten 72 und bei 71/2 Minuten 74 Brinell. Die Härte der 3-Minuten-Probe
stieg auf 72, wie auch zu erwarten war, da die Anfangshärte viel tiefer als die
Härte lag, welche nach Wasserabschrecken am Ende der Raumtemperaturlagerung erreicht
wird (73,5). Die Härte der 5 =Minuten-Probe war unwesentlich auf 73,5 angestiegen,
diejenige der 71-/,-Minuten-Probe dagegen noch unverändert.
-
Bei der folgenden Endwarmaushärtung wurde die Zeit der Präventivwarmaushärtung
von der Stunde abgezogen, die 3-Minuten-Probe also 57, die 5-Minuten-Probe entsprechend
55 und die 71/,-Minuten-Probe 521/2 Minuten bei 178°C ausgehärtet. Die Erwärmung
aller Proben erfolgte im Salz.
| Streck- Zug- |
| grenze |
| festigkeit |
| Wasserabgeschreckt, |
| 31 Tage, 2o° C/i Stunde |
| 178°C .............. 18,5 18,1 29,3 |
| Salz 178°C 3 Minuten/ |
| 20° C 31 Tage/ 57 Mi- |
| nuten 178°C ........ 15,4 24,0 32,1 |
| Salz 178°C 5 Minuten/ |
| 20°C 31 Tage/55 Mi- |
| nuten 178°C ........ 23,2 27,9 32,8 |
| Salz 178°C 71/., Mi- |
| nuten/2o° C 31 Tage/ |
| 521,1, Minuten 178°C. . 24,8 29,4 33,0 |
In diese Zahlentafel ist die Proportionalitätsgrenze bestimmt als Sigma o,oi aus
Feindehnungsmessungen mit aufgenommen.
-
Wie im Beispiel ö aufgeführt, beträgt die Streckgrenze bei Wasserabschreckung
und Luftofenaushärtung 27,3 kg/mm2 und die Zugfestigkeit 32,3; diese Werte werden
mit Hilfe der Präventivwarmaushärtung von 5 Minuten i78' C gut erreicht und mit
der von 71/2 Minuten übertroffen.
-
Das nun folgende Beispiel soll die Verhältnisse zeigen, wenn erstens
die Lagerdauer noch weiter ausgedehnt wird, nämlich auf über i Jahr (435 Tage),
und zweitens eine andere Temperatur für die Endwarmaushärtung als für die Präventivaushärtung
benutzt wird. Beispiel fo Al-Mg-Si-Legierung nach DIN 1713; Zusammensetzung wie
in dem Beispie18. Lösungsglühtemperatur:
550°C. Temperatur der
Präventivwarmaushärtung: 180°C; Dauer: 15 Minuten. Temperatur der Endwarmaushärtung
nach 435 Tagen bei Raumtemperatur: 150°C; Dauer: 15 Stunden.
-
Die Anfangshärte der präventivwarmausgehärteten Proben betrug 79 Brinell;
da die Zeit der Präventivwarmaushärtung offenbar etwas zu kurz war, um die gesamte
Kaltaushärtung zu unterdrücken, erfolgte innerhalb der 35 Tage eine Härtesteigerung
bis auf 88 Brinell. Trotzdem sind die erreichten Werte noch relativ hoch Streckgrenze
....... 30,o kg/mm2 Zugfestigkeit ....... 36,4 kg/mm2 Als Vergleich
mag dienen, daß eine erheblich zu kurz präventiv warm ausgehärtete Probe, die nur
5 Minuten i8o°C behandelt worden war und deren Brinellhärte während der Lagerzeit
von 58 auf 70 Brinell gestiegen war, nur eine Streckgrenze von 24,6 kg/mm2
und eine Zugfestigkeit von 33,3kg/mm2 aufwies.
-
Dieses Beispiel zeigt, daß die Temperatur der Präventiv- und der Endwarmaushärtung
nicht unbedingt miteinander übereinzustimmen braucht, ferner daß auch eine noch
nicht ganz genügende Präventivaushärtung bereits erhebliche Vorteile zu bieten vermag.
-
Die Präventivwarmaushärtung kann nur bei solchen Legierungen und Temperaturen
angewendet werden, bei denen die Warmaushärtung in einem einstufigen Vorgang unmittelbar
aus dem unterkühlten Mischkristall abläuft. Beispielsweise ist es nicht möglich,
sie bei den Al-Cu- oder Al-Cu-Mg-Legierungen und ähnlichen Legierungen anzuwenden,
bei welchen die üblichen Warmaushärtetemperaturen noch im Grenzgebiet mit aufeinanderfolgender
Kalt- und Warmaushärtung liegen. Hier würde eine kurzzeitige Alterung bei Warmaushärtetemperaturen
nur eine Kaltaushärtung verursachen, welche natürlich nicht in der Lage ist, die
Aushärtung bei Raumtemperatur in dem hier gewünschten Sinne zu beeinflussen. Der
Einfluß einer Raumtemperatur ist im übrigen trotz der bekannten Rückbildungserscheinung
auch bei den Al-Cu-Mg-Legierungen nachzuweisen, die Rückbildung ist an und für sich
nicht vollständig.