WO2002050325A1 - Nichtaushärtbare aluminiumlegierung als halbzeug für strukturen - Google Patents
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Definitions
- Non-hardenable aluminum alloy as semi-finished product for structures
- the present invention relates to the composition of alloys, in particular naturally hard semi-finished alloys, which are to be used in this form as material for structures.
- Naturally hard aluminum alloys as semi-finished products for structures are used in metallurgy, but especially as an AMg6 alloy, which contains the following (% by weight):
- a naturally hard aluminum alloy that is used as a semi-finished product for structures also belongs to the prior art as a prototype with the following chemical composition (% by weight):
- Cerium 0.001 - 0.004 aluminum rest This known alloy shows insufficient static and dynamic strength with high workability during the manufacturing process, high corrosion resistance, good weldability and high operability under low temperature conditions.
- the invention relates to a new, naturally hard aluminum alloy for semifinished products which, in addition to magnesium, titanium, beryllium, zircon, scandium and cerium, additionally consists of manganese, copper, zinc and an element group containing iron and silicon in the following composition of the components (% by weight) , where the ratio between iron and silicon is in the range of 1 to 5:
- Zinc 0.05 - 0.15 including iron and silicon
- the alloy according to the invention differs from the conventional alloy in its additional content of manganese, copper, zinc and an element group containing iron and silicon, the components having the following ratio (% by weight) and the ratio of iron and silicon being between 1 and 5 got to:
- Zinc 0.05 - 0.15 including iron and silicon
- the technical effect is an improvement in the static and dynamic strength properties of the alloy, which increases the service life and
- the alloy is more of a ductile matrix consisting of a mixed crystal of dissolved magnesium, manganese, copper and zinc in aluminum.
- Precipitates from finely divided intermetallic particles containing aluminum, scandium, zircon, titanium and other transition metals found in the alloy ensure both the high static strength of the alloy and good resistance to crack propagation under alternating stress.
- the setpoint of the iron-silicon ratio optimizes the morphology of the solidification-derived primary intermetallic compounds, which consist primarily of aluminum, iron and silicon and improve the static strength of the alloy while maintaining its dynamic strength and plasticity.
- composition 1 Using aluminum A85, magnesium MG90, copper MO, zinc TsO, binary master alloys such as aluminum titanium, aluminum beryllium, aluminum zirconium, aluminum scandium, aluminum cerium, aluminum manganese, aluminum iron and silumin as an additive prepares the melt in an electric furnace, followed by 165 x 550 mm large and flat cast blocks of the alloy according to the invention with minimum (composition 1), optimal (composition 2) and maximum (composition 3) ratio of the components - including the ratios which go beyond the current restrictions the components (compositions 4 and 5) and the conventional alloy (composition 6)
- scrap from aluminum-magnesium alloys can be used as an additive.
- the cast blocks were homogenized and machined to a thickness of 140 mm. Then they were hot rolled at a temperature of 400 ° C to a thickness of 7 mm and then cold rolled to a thickness of 4 mm. The cold rolled sheets were heat treated in an electric furnace. The heat-treated sheets served as test material.
- Table 2 shows that the alloy according to the invention has a higher static and dynamic strength than the conventional one. This enables one to reduce the weight of the structures made of the alloy according to the invention by 10 to 15% in order to reduce operating costs, which is particularly important for the aircraft industry.
- the alloy according to the invention can be used as a base material in welded structures and as a filler material for welded joints.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft die chemische Zusammensetzung von Legierungen, insbesondere von naturharten Halbzeug-Legierungen, die in dieser Form als Material für Halbzeuge verwendet werden sollen. Es wird eine naturharte Aluminiumlegierung für Halbzeugstrukturen vorgeschlagen welche neben Magnesium, Titan, Beryllium, Zirkon, Scandium und Cer zusätzlich aus Mangan, Kupfer, Zink sowie einer Eisen und Silizium enhaltenden Elementgruppe besteht, wobei das Verhältnis zwischen Eisen und Silizium im Bereich von 1 bis 5 liegt. Die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung enthält (Gew.-%): Magensium 5,0-5,6; Titan 0,01-0,05; Beryllium 0,0001-0,005; Zirkon 0,05-0,15; Scandium 0,18-0,30; Cer 0,001-0,004; Mangan 0,05-0,18; Kupfer 0,05-0,18; Zink 0,05-0,15; Eisen und Silizium einschließende Elementgruppe 0,04-0,24; Aluminium Rest.
Description
Nichtaushärtbare Aluminiumlegierung als Halbzeug für Strukturen
Die vorliegende Erfindung betrifft die Zusammensetzung von Legierungen, insbesondere von naturharten Halbzeug-Legierungen, die in dieser Form als Material für Strukturen verwendet werden sollen.
Naturharte Aluminiumlegierungen als Halbzeug für Strukturen (siehe GOST Standard 4784- 74) finden in der Metallurgie Verwendung, vor allem jedoch als AMg6-Legierung, die folgendes enthält (Gew.-%):
Magnesium 5,8 - 6,8
Mangan 0,5 - 0,8
Titan 0,02 - 0,1
Beryllium 0,0002 - 0,005 Aluminium Rest
Eine derartige Legierung weist jedoch nicht ausreichende Festigkeitseigenschaften auf, insbesondere eine geringe 0,2%-Dehngrenze bei kalt- und warmgeformten Halbzeugen.
Eine naturharte Aluminiumlegierung, die als Halbzeug für Strukturen verwendet wird (siehe Patent RU Nr. 2085607, 1 PC-Klasse C22 C 21/06) gehört als Prototyp folgender chemischen Zusammensetzung ebenfalls zum Stand der Technik (Gew.- %):
Magnesium 3,9 - 4,9 Titan 0,01 - 0,1
Beryllium 0,0001 - 0,005
Zirkon 0,05 - 0,15
Scandium 0,20 - 0,50
Cer 0,001 - 0,004 Aluminium Rest
Diese bekannte Legierung zeigt nicht ausreichende statische und dynamische Festigkeit bei hoher Verarbeitbarkeit während des Herstellungsprozesses,, hohe Korrosionsbeständigkeit, gute Schweißbarkeit und hohe Betriebsfähigkeit unter Tieftemperaturbedingungen.
Gegenstand der Erfindung ist eine neue naturharte Aluminiumlegierung für Halbzeuge, die neben Magnesium, Titan, Beryllium, Zirkon, Scandium und Cer zusätzlich aus Mangan, Kupfer, Zink sowie einer Eisen und Silizium enthaltenden Elementgruppe in folgender Zusammensetzung der Komponenten besteht (Gew.-%), wobei das Verhältnis zwischen Eisen und Silizium im Bereich von 1 bis 5 liegt:
Magnesium 5,0 - 5,6
Titan 0,01 - 0,05
Beryllium 0,0001 -0,005
Zirkon 0,05 - 0,15 Scandium 0,18 - 0,30
Cer 0,001 - 0,004
Mangan 0,05 - 0,18
Kupfer 0,05 - 0,15
Zink 0,05 - 0,15 Eisen und Silizium einschließende
Elementgruppe 0,04 - 0,24
Aluminium Rest
Die erfindungsgemäße Legierung unterscheidet sich von der herkömmlichen durch ihren zusätzlichen Gehalt an Mangan, Kupfer, Zink sowie einer Eisen und Silizium enthaltenden Elementgruppe, wobei die Komponenten folgendes Verhältnis aufweisen (Gew.-%) und das Verhältnis von Eisen und Silizium zwischen 1 und 5 liegen muss:
Magnesium 5,0 - 5,6 Titan 0,01 - 0,05
Beryllium 0,0001 - 0,005
Zirkon 0,05 - 0,15
Scandium 0,18 - 0,30
Cer 0,001 - 0,004
Mangan 0,05 - 0,18
Kupfer 0,05 - 0,15
Zink 0,05 - 0,15 Eisen und Silizium einschließende
Elementgruppe 0,04 - 0,24
Aluminium Rest
Die technische Wirkung besteht in einer Verbesserung der statischen und dynamischen Festigkeitseigenschaften der Legierung, wodurch sich die Lebensdauer und
Betriebssicherheit sowie der Gewichtswert der statischen und dynamischen Belastungen ausgesetzten Strukturen, besonders der Strukturen verschiedener Luft- und Raumfahrtzeuge - einschließlich solcher die kryogener Treibstoff verbrennen, verbessern.
Aufgrund des erfindungsgemäßen Verhältnisses zwischen dem chemischen Gehalt und den chemischen Bestandteilen liegt bei der Legierung eher eine duktile Matrix vor, die aus einem Mischkristall von gelöstem Magnesium, Mangan, Kupfer und Zink in Aluminium besteht.
Die besonders gute Betriebsfähigkeit der Legierung unter dynamischer Wechselbeanspruchung ist der hohen Duktilität der Matrix zu verdanken. Sekundäre
Ausscheidungen aus feinst verteilten intermetallischen Teilchen, die Aluminium, Scandium, Zirkon, Titan und andere in der Legierung vorkommende Übergangsmetalle enthalten, sorgen sowohl für die hohe statische Festigkeit der Legierung als auch für einen guten Widerstand gegenüber der Rissausbreitung bei Wechselbeanspruchung. Der Sollwert des Verhältnisses zwischen Eisen und Silizium optimiert die Morphologie der aus der Erstarrung stammenden primären intermetallischen Verbindungen, die vornehmlich aus Aluminium, Eisen und Silizium bestehen und für eine Verbesserung der statischen Festigkeit der Legierung sorgen, während ihre dynamische Festigkeit und Plastizität aufrechterhalten werden.
Beispiel
Unter Verwendung von Aluminium A85, Magnesium MG90, Kupfer MO, Zink TsO, binärer Vorlegierungen wie Aluminium-Titan, Aluminium-Beryllium, Aluminium-Zirkon, Aluminium- Scandium, Aluminium-Cer, Aluminium-Mangan, Aluminium-Eisen und Silumin als Zusatzstoff wurde die Schmelze in einem elektrischen Ofen vorbereitet, worauf 165 x 550 mm große und flache Gussblöcke der erfindungsgemäßen Legierung mit minimalem (Zusammensetzung 1 ), optimalem (Zusammensetzung 2) und maximalem (Zusammensetzung 3) Verhältnis der Bestandteile - einschließlich der über die gegenwärtigen Einschränkungen hinausgehender Verhältnisse der Bestandteile (Zusammensetzungen 4 und 5) sowie der herkömmlichen Legierung (Zusammensetzung 6)
- mit Hilfe halbkontinuierlicher Gießtechniken gegossen wurden (Tabelle 1).
Wird die Legierung unter metallurgischen Produktionsbedingungen vorbereitet, kann Schrott aus Aluminium-Magnesium-Legierungen als Zusatzstoff verwendet werden.
Die Gussblöcke wurden homogenisiert und maschinell bearbeitet, bis auf eine Stärke von 140 mm. Anschließend wurden sie bei einer Temperatur von 400°C auf eine Stärke von 7 mm warmgewalzt und dann auf eine Stärke von 4 mm kaltgewalzt. Die kaltgewalzten Bleche wurden in einem elektrischen Ofen wärmebehandelt. Die wärmebehandelten Bleche dienten als Untersuchungsmaterial.
Aus den Blechen herausgearbeitete standardmäßige Querproben wurden zur Bestimmung der statischen Zugfestigkeit (Rm, Rp02, A) und der dynamischen Festigkeit verwendet:
Bruchlastspielzahl (N) bei Bestimmung der Kurzzeitfestigkeit (LCF), wofür Proben mit einem Kerbfaktor von Kt = 2,5 und einer maximalen Spannung σmax = 160 MPa verwendet werden; - Rissausbreitungsgeschwindigkeit da/dN in einem Bereich des Spannungsintensitätsfaktors ΔK = 31,2 MPa m;
- kritischer Spannungsintensitätsfaktor Kc im ebenen Spannungszustand, wobei die Breite (B) der Probe 160 mm beträgt.
Alle Tests wurden bei Raumtemperatur durchgeführt.
Die Testergebnisse sind in Tabelle 2 aufgelistet.
Tabelle 2 belegt, dass die erfindungsgemäße Legierung gegenüber der herkömmlichen eine höhere statische und dynamische Festigkeit aufweist. Dies ermöglicht einem, das Gewicht der Strukturen aus der erfindungsgemäßen Legierung um 10 bis 15% zu reduzieren, um Betriebskosten zu senken, was insbesondere für die Flugzeugindustrie wichtig ist. Die hohe Betriebsfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung unter statischen und dynamischen Bedingungen sowie die Tatsache, dass die erfindungsgemäßen Legierung eine naturharte ist, die eine hohe Korrosionsbeständigkeit und eine gute Schweißbarkeit aufweist, ermöglicht einem sie für die Konstruktion ganz neuer Luft- und Raumfahrzeuge, Hochseeschiffe, bodengebundene Fahrzeuge und anderer Fahrzeuge, deren Strukturelemente durch Schweißen verbunden werden, zu verwenden. Die erfindungsgemäße Legierung kann als Grundmaterial in geschweißten Strukturen und als Scheißzusatzwerkstoff für Schweißverbindungen genutzt werden.
Claims
1. Naturharte Aluminiumlegierung als Halbzeug für Strukturen, dadurch gekennzeichnet, dass sie neben Magnesium, Titan, Beryllium, Zirkon, Scandium und Cer zusätzlich aus
Mangan, Kupfer, Zink sowie einer Eisen und Silizium enthaltenden Elementgruppe in folgender Zusammensetzung der Komponenten besteht (Gew.- %), wobei das Verhältnis zwischen Eisen und Silizium im Bereich von 1 bis 5 liegt:
Magnesium 5,0-5,6
Titan 0,01 - 0,05
Beryllium 0,0001-0,005
Zirkon 0,05-0,15
Scandium 0,18-0,30 Cer 0,001-0,004
Mangan 0,05-0,18
Kupfer 0,05-0,15
Zink 0,05-0,15 Eisen und Silizium einschließende Elementgruppe 0,04 - 0,24
Aluminium Rest
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