DE975558C - Verfahren zur Waermebehandlung von Werkstuecken aus Zinklegierungen - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBENAM 18. JANUAR 1962

N13PP VIaI40d

(Ges. v. 15. Juli 1951)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Zinklegierungen mit 28 bis 38%, vorzugsweise 30 bis 34% Aluminium, 0,1 bis 5%> Kupfer und gegebenenfalls bis 0,3% Magnesium sowie eventuell noch Zusätzen an Eisen, Mangan, Silicium, Blei und Nickel, einzeln oder zu mehreren, je bis zu o,8°/o, wobei der Rest dann Zink ist.

Behandelt man Werkstücke aus diesen Legierungen auf eine solche Weise, daß sie einige Zeit auf einer Temperatur zwischen 300⁰ C und dem Soliduspunkt gehalten und dann rasch auf Raumtemperatur abgekühlt werden, so wird dadurch eine erhebliche Steigerung der Zugfestigkeit und Härte erreicht und werden damit insbesondere vorzügliche Lagermetalle gewonnen.

Die eben angegebene Wärmebehandlung wirkt in diesem Falle auf das Gefüge wie folgt:

Im preßharten bzw. im gegossenen Zustand liegt die genannte Legierung in der Hauptsache als Gemenge von Aluminium-Mischkristallen und von Zink-Mischkristallen und in wesentlich geringerem Umfange von kupferreichen Verbindungs-Mischkristallen vor. Unter preßhart wird dabei derjenige

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Zustand verstanden, der durch normale Abkühlung der Legierung an der Luft nach dem Pressen entsteht.

Erhitzt man nun die Legierung im preßharten bzw. im gegossenen Zustand hinreichend lange bei Temperaturen, die etwa zwischen 300⁰ C, mindestens jedoch oberhalb der Temperatur des Beta-Zerfalls (270⁰ C) und dem Beginn des Schmelzens liegen, so löst der Aluminium-Mischkristall die Zink- und Kupfer-Mischkristalle auf. Durch rasches Abkühlen des so entstandenen, an Zink und Kupfer gesättigten Aluminium-Mischkristalls, z. B. durch Abschrecken in Wasser, bleiben die Härtebildner Zink und Kupfer in Lösung. Nach den Gleichgewichtsgesetzen entsprechend dem Zustandsdiagramm müßten sie sich jedoch sofort wieder ausscheiden, da das Lösungsvermögen des Aluminium-Mischkristalls für Zink und Kupfer mit sinkender Temperatur rasch abnimmt. Dies ist jedoch nicht der Fall; der Aluminium-Mischkristall bleibt zunächst übersättigt, liegt also in einem instabilen Zustand vor.

Es wurde nämlich gefunden, daß durch Lagerung dieses abgeschreckten, übersättigten Zustandes bei Raumtemperatur eine kräftige Kaltaushärtung eintritt. Einige der bei geknetetem Werkstoff auftretenden Eigenschaftsänderungen gehen aus der Abb. ι hervor. Die Legierung, an der diese Eigenschaftswerte gefunden wurden, hatte folgende Zusammensetzung: 32°/o Aluminium, 2,9"/O Kupfer, 0,005 ^fl/o Magnesium, Rest Zink. Ihre Herstellung erfolgte aus Feinzink (99,99%) und Reinaluminium (99 °/o-). Die der Kaltauslagerung vorangegangene Glühung wurde in diesem Falle bei 340⁰ C durchgeführt. Die Glühdauer betrug etwa 1V2 Stunden. Wie die Abb. 1 zeigt, nehmen Zugfestigkeit und Härte bei der Lagerung nach dem Abschrecken ganz erheblich zu, während Dehnung und Einschnürung abnehmen. Diese Änderungen entsprechen denjenigen eines Aushärtungsvorganges nach dem Beispiel der bekannten Legierung der Gattung Al—Cu—Mg, doch setzen sie im Gegensatz zu dieser bekannten Legierung viel langsamer ein, die Abschreckspanne ist also wesentlich größer. Das heißt also, das Ausscheidungsbestreben der Härtebildner aus den Aluminium-Mischkristallen ist hier erheblich kleiner als bei der bekannten Legierung, so daß die Verweilzeiten an der Luft nach dem Abschrecken viel länger sein können. Außerdem eignen sich zum Abschrecken der Legierung alle Abschreckmittel, sowohl diejenigen mit schroffer als auch diejenigen mit gelinder Wirkung.

Durch die Kaltaushärtung nach etwa 2 bis 3 Tagen erhöht sich nach dem durch Abb. 3 wiedergegebenen Beispiel die Zugfestigkeit um 17,5 kg/mm², die Härte um 44 kg/mm², während die Dehnung um 6 und die Einschnürung um etwa 30% absinkt.

Die in der ausgehärteten Legierung erzielbare Festigkeit von 66,5 kg/mm² ist außerordentlich hoch. Als Vergleich hierzu sei erwähnt, daß z. B. Messing Ms 58, der bekannte Automaten werkstoff mit 58% Kupfer, selbst im »harten« Zustand nur eine durchschnittliche Zugfestigkeit von 55 kg/mm², im Höchstfall von 57 bis 59 kg/mm² besitzt. Die Werte für die ausgehärtete Legierung der Gattung Al—Cu—Mg liegen zwischen 42 und 48 kg/mm² und diejenigen der in dieser Hinsicht besten bisherigen Zinklegierungen, ebenfalls im »harten« Zustand, zwischen 38 und 46 kg/mm². Dabei ist zu beachten, daß die erfindungsgemäße Legierung im ausgehärteten Zustand trotz der hohen Zugfestigkeit immer noch eine Dehnung aufweist, die den entsprechenden Dehnungen der vergleichsweise aufgeführten Legierungen gleichkommt. Ebenso wie bei der Zugfestigkeit überragt die Legierung im ausgehärteten Zustand auch hinsichtlich der Härte sämtliche genannten Vergleichslegierungen. Der Härte von 191 kg/mm² kommt Messing Ms 58 mit 160 kg/mm² und die Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierung mit 115 bis 140 kg/mm² erwartungsgemäß noch am nächsten, während die bekannten Zinklegierungen wesentlich geringere Härten besitzen und 100 kg/mm² kaum überschreiten.

Die Änderung der elektrischen Leitfähigkeit und des Elastizitätsmoduls während der Kaltaushärtung ist in Abb. 2 bezüglich der gleichen Legierung wie bei Abb. 1 dargestellt.

Da nun die in Abb. 1 und 2 gezeigten Eigen-Schaftsänderungen nach erfolgter, vorstehend angegebener Wärmebehandlung in jedem Fall zwangläufig auftreten müssen, werden insbesondere die in Abb. 1 gezeigten mechanischen Werte schon durch dieses Verfahren erreicht. Da sich nun aber bei vielen Legierungen die durch längeres Lagern bei Raumtemperatur erreichten Eigenschaften auch durch eine kürzere Anlaßbehandlung erzielen lassen, liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das in Rede stehende Verfahren durch eine danach vorzunehmende Aushärtung zu ergänzen. Viele Versuchsreihen haben tatsächlich ergeben, daß es nicht nur möglich ist, die Aushärtung durch erhöhte Temperaturen zu beschleunigen, sondern auch in dem Sinne zu regeln, daß man durch bestimmte Maßnahmen der Legierung willkürlich bestimmte Eigenschaften verleihen kann. Als Beispiel hierfür zeigt Abb. 3 die Aushärtung der gleichen Legierung wie bei Abb. 1 und 2 in Abhängigkeit von der Anlaßdauer bei jeweils gleichbleibenden Temperaturen von 75, 100, 125, 150 und 200⁰ C. In voller Analogie mit den warmaushärtbaren Aluminiumlegierungen steigt die Härte schon nach kurzer Anlaßdauer auf den Höchstwert an. Je höher die Anlaßtemperatur gewählt wird, desto rascher ist der Höchstwert erreicht (vgl. die Härtekurven für 75 und ioo° C). Von etwa 125° C Anlaßtemperatur ab sinken jedoch bei der vorliegenden Legierung die Härtewerte mit zunehmender Anlaßdauer wieder stetig ab, zum Teil ohne vorher den Höchstwert vollständig erreicht zu haben. Bei 150⁰C kann nach dem Abschrecken auch bei kürzester Anlaßdauer praktisch keine Härtesteigerung mehr erzielt werden. Dasselbe gilt in noch verstärktem Maße für eine Anlaßtemperatur von 200⁰ C. Hierbei sinkt die entsprechende Kurve ohne Andeutung einer

Aushärtung stetig zu tieferen Werten ab. Der Verlauf dieser Kurven, die Lage der Höchstwerte sowie die Lagerzeit bis zur Erzielung eines bestimmten Eigenschaftswertes können durch Verunreinigung der Legierung, z. B. durch Magnesium, Mangan, Eisen, Silizium, Blei, Zinn, Kadmium usw. in gewissem Maße beeinflußt werden. Grundsätzlich ändert sich jedoch die Aushärtung durch diese Beimengungen nicht.

to Die übrigen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Dehnung und Einschnürung, ändern sich durch die genannten Anlaßbehandlungen in einer dem beschriebenen Härteverlauf entsprechenden Weise. Die Zugfestigkeit läuft bei allen Anlaßtemperaturen vollständig parallel mit der Härte, wobei die höchsten Festigkeitswerte noch um geringe Beträge höher liegen als bei der Kaltaushärtung. Im entgegengesetzten Sinn verlaufen die in entsprechender Weise ermittelten Kurven der Dehnung und der Einschnürung. Diese sinken mit zunehmender Festigkeit zu tieferen Werten ab, steigen jedoch wieder an, wenn Zugfestigkeit bzw. Härte bei den höheren Anlaßtemperaturen das erwähnte Maximum überschreiten.

Einen Überblick über den Festigkeitsverlauf bei einer Aushärtetemperatur von 120⁰ C gibt Abb. 4. Die Glühung vor dem Abschrecken und vor der Anlaßbehandlung erfolgte auch bei diesem Beispiel wiederum bei 340⁰ C. Die Glühdauer betrug 1V2 Stunden. Daraus ist ersichtlich, daß nach einer halben Stunde Anlaßdauer die Legierung noch in einem verhältnismäßig harten und spröden Zustand vorliegt. Es ergeben sich folgende Eigenschaftswerte:

Zugfestigkeit 66 kg/mm²

Dehnung 5 %

Einschnürung 8,5 ^fl/o

Mit zunehmender Anlaßdauer stellt sich jedoch sehr rasch ein immer zäherer Zustand ein, der dadurch gekennzeichnet ist, daß die Zugfestigkeit zu tieferen Werten absinkt, während Dehnung und Einschnürung immer größer werden. So erhält man z. B. nach 2stündiger Anlaßdauer folgende Befunde:

Zugfestigkeit 60 kg/mm²

Dehnung 8 °/o

Einschnürung 34%

Läßt man schließlich 20 Stunden lang bei derselben Temperatur an, so liegt ein verhältnismäßig zäher Zustand mit folgenden Eigenschaften vor:

Zugfestigkeit 50 kg/mm²

Dehnung 13 bis 14%

Einschnürung 50%

Dieser langsame Übergang von einem sehr harten, spröden zu einem zäh-harten Zustand gibt die sehr vorteilhafte Möglichkeit, für jeden Verwendungszweck den geeigneten Zustand nach Belieben auszuwählen. Dies geschieht, wie Abb. 3 und 4 gezeigt haben, einmal durch verschieden lange Bemessung der Anlaßzeit und zum andern durch verschiedene Bemessung der Anlaßtemperatur.

Vergleicht man nun die Festigkeitseigenschaften der untersuchten Legierung im ausgehärteten zähharten Zustand mit Messing, der Legierung der Gattung Al—Cu—Mg oder mit bisherigen Zinklegierungen, so zeigt sich, daß bei Zugrundelegung derselben Dehnung (in diesem Falle 13 bis 14%) die Zugfestigkeit der Legierung immer noch größer ist als bei Ms 58, bei der Aluminiumlegierung oder gar bei den bisherigen Zinklegierungen. Die Überlegenheit der gemäß der Erfindung zu behandelnden Legierungen hinsichtlich der Festigkeitseigenschaften tritt also nicht nur im kaltausgehärteten, sondem auch im warmausgehärteten Zustand zutage.

Das Verfahren gemäß der Erfindung besteht deshalb im wesentlichen darin, daß Werkstücke aus Legierungen mit 28 bis 38%, vorzugsweise 30 bis 34% Aluminium, 0,1 bis 5% Kupfer und gegebenenfalls bis 0,3% Magnesium und Zusätzen an Eisen, Nickel, Mangan, Blei und/oder Silicium je bis 0,8% nach dem Glühen und Abkühlen längere Zeit, vorzugsweise V2 bis 20 Stunden, bei Temperaturen zwischen etwa 50 und 150⁰ C, vorzugsweise bei 90 bis 130⁰ C, angelassen werden.

Es ist möglich, die gesamte Wärmebehandlung unmittelbar im Anschluß an eine Warmverformung durchzuführen. Wird z. B. die Legierung zu Stangen verpreßt, so geschieht dies üblicherweise bei Temperaturen, die in demselben Temperaturbereich liegen, in dem die Glühung durchgeführt wird. Die Erwärmung während der Warmverformung kann also unmittelbar als Glühbehandlung im Sinne des Verfahrens, von dem im vorliegenden Falle ausgegangen wurde, ausgenutzt werden. Es ist lediglich dafür zu sorgen, daß die Legierung nach dem Verlassen der Pressen rasch gekühlt wird. Im Anschluß daran kann sodann die Anlaßbehandlung gemäß der Erfindung durchgeführt werden.

Zur Erzielung eines bestimmten Warmaushärtungszustandes ist es auch möglich, die Legierung unmittelbar nach der Warmverformung in ein entsprechendes Wärmebad überzuführen. Dadurch können ähnliche Effekte erzielt werden wie durch *°5 die beschriebene Warmaushärtung (Abschrecken von 340⁰ C in Wasser und Anlassen zwischen 50 und 150⁰ C).

Die beschriebene Aushärtung geschieht nicht nur bei geknetetem Werkstoff, sondern auch bei Gußstücken. Bei einer gegossene'n Legierung z. B. mit 32°/o Aluminium, 3^fl/» Kupfer, 0,02 %> Magnesium, Rest Zink beträgt die Härte nach dem Abschrecken von 350⁰ C etwa 100 bis 110 kg/mm². Im Anschluß an diese Abschreckung steigt die Härte durch "5 ι stündiges Anlassen bei ioo° C auf 170 kg/mm² an. Lediglich die Zeiten für die Glühbehandlung zwischen 300⁰ C, mindestens jedoch zwischen der Temperatur des Beta-Zerfalls (270⁰ C) und dem beginnenden Schmelzen sind bei Gußstücken erheblieh langer als bei geknetetem Werkstoff.

Die wiedergegebenen Abbildungen und die Zahlenbeispiele sollen 'lediglich das grundsätzliche Verhalten klarstellen. Durch kleine Veränderungen in der Zusammensetzung der Legierung, durch an- ¹^s dere Bemessung der Glühzeiten und Glühtempe-

raturen innerhalb der angegebenen Bereiche, durch zusätzliche Verformung der Legierung vor oder während der Wärmebehandlung können Verschiebungen der verschiedenen Werkstoffeigenschaften in der einen oder anderen Richtung erzielt werden. Bei Verwendung von Umschmelzaluminium an Stelle von Hüttenaluminium für die Herstellung der Legierung wurde so z. B. eine Festigkeit von Jo kg/mm² erzielt, die Dehnung lag jedoch hierbei etwas tiefer, bei 3 bis 4%.

Claims (3)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Zinklegierungen mit 28 bis 38^Λ/ο, vorzugsweise 30 bis 34% Aluminium, 0,1 bis 5% Kupfer und gegebenenfalls bis 0,3% Magnesium, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke nach der Glühung und Abkühlung längere Zeit, vorzugsweise V2 bis 20 Stunden, bei Temperaturen zwischen etwa 50 und 150 ⁰C, vorzugsweise bei 90 bis 130⁰ C, angelassen werden.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1 zur Wärmebehandlung von Werkstücken aus Zinklegierungen, die neben den im Anspruch 1 genannten Komponenten noch Eisen, Mangan, Silizium, Blei und Nickel, einzeln oder zu mehreren, je bis zu 0,8%, enthalten.
3. 3. Abänderung des Verfahrens nach Anspruch ι oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Werkstücke unmittelbar nach der Glühung in ein auf 50 bis 150⁰ C erhitztes Wärmebad gebracht werden.

   Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

   © 109 772/5 1.62