DE1458530A1

DE1458530A1 - Verfahren zur thermischen Behandlung von Gegenstaenden aus Aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE1458530A1
Application number: DE19621458530
Authority: DE
Inventors: Nock Jun Joseph Anthony; Sprowls Donald Otte
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Alcoa Corp
Priority date: 1961-05-03
Filing date: 1962-04-27
Publication date: 1968-12-19
Also published as: GB952288A; CH429198A

Description

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ALUMIKUM CO., QP AMBRICA PEHHSTLVAIiIA. V.St.v.A.

Verfahren zur thermischen Behandlung von Gegenständen aus Aluminiumlegierungen·

Die Erfindung betrifft die thermische Behandlung von Gegenständen aus Aluminiumlegierungen, welche Zink, Magnesium und Kupfer als die wesentlichen Bestandteile enthalten, und insbesondere eine Behandlung solcher Gegen« stände, welche gleichzeitig maximale Spannungsrisskor~ roeionsbeständigkeit und hohe Zugfestigkeit insbesondere in der kurzen Querrichtung dicker gekneteter Abschnitte erzeugt· Der Ausdruck "kurze Querrichtung", angewandt auf geknetete Produkte, bezieht sich auf die Richtung, welche senkrecht zur Richtung der Metallbearbeitung oder dem Hießen ist und in der kürzeren Ausdehnung eines Querschnittes in einer Ebene senkrecht zur Richtung des Metallflusses· Der Ausdruck*findet keine Anwendung auf Gießlinge ·

Wenn man geknetete Produkte aus Aluminiumlegierungen, 809813/0595

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welche Zink, Magnesium und Kupfer in richtigen Mengenverhältnissen enthalten, einer Lösungglfüibehandlung (solution heat treated) unterwirft, abschreckt und ausscheidungshärten entwickeln sie häufig ausserge— wohnlich hohe Festigkeiten. Die Beständigkeit gegen SpannungsrißkorrSon in der kurzen Querrichtung von ,Gege»- ständen mit verhältnismässig dickem Querschnitt war jedoch nicht überragend, obwohl sie für zahlreiche Anwendungszwecke ausreichte· Mit der Entwicklung neuer Produkte aus Strangpreßlingen, Schmiedüngen und dergl. und mit den schärferen Anforderungen an das Verhalten unter ungünstigen Bedingungen zeigte es sich, daß die Gegenstände, die den bisherigen thermischen Behandlungen

unterworfen wurden, nicht spannungsrisskorrosionsbeständig waren. Es ist daher ein Zweck der Erfindung, eine Kombination von thermischen Behandlungsverfahren zu schaffen, die bei der Anwendung auf Gegenstände mit verhältnismäßig großem Querschnitt aus speziellen AIuminiuia-Zink-Magne s ium-Kupf erl egi erungen nicht nur eine praktische Unempfänglichkeit gegen Spannungsrißkorrosion sondern auch eine hohe Festigkeit erzeugen. Ein anderer Zweck ist es eine Kombination einer Lösungsglühbehandlung und einer zweistufigen Ausscheidungshärtungsbehandlung zur Verfügung zu stellen, welche einen Zustand hoher Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit bei verhältnismässig dicken Gegenständen aus speziellen Aluminiumlegierungen erzeugt, wel_che Zink, Magnesium und Kupfer als wesentliche Legierungskomponenten enthalten weiche Gegenstände vor

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der Behandlung gerichtete Spaiiirnngskorrosionseigensehaf ten aufweisen, .

Somit stellt die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Behandlung von Gegenständen aus Aluminiumlegierungen mit verhältaismässig großem Querschnitt zur Verfügung, wobei die Legierungen 5 his 7,5 Gew.-# Zink» 2 bis 3,1 Gew.-# Magnesium und 1 bis 2,5 Gew.-# Kupfer, Best Aluminium und übliche Verunreinigungen enthalten und wobei das Verhältnis τοη Magnesium zu Zink einen Wert von 0,35 bis 0,5 : 1 besitzt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man die genannten Gegenstände durch genügend langes Erhitzen auf eine temperatur zwischen 450 und 540 G einer Lösungs— glühbehandlung unterwirft, um eine praktisch vollständige Lösung der löslichen Bestandteile zu erreichen, hierauf die Gegenstände auf praktisch EaumtemperaJur abschreckt und dann die abgeschrägten Gegenstände in einer ersten Stufe 5 bis 30 Stunden einer lusscheidungshärtung durch Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 104 und 135°C unterwirft, und hierauf sie 4 bis 20 Stunden auf eine iemperatur zwischen 165 und 195°C erhitzt, schließlich die Gegenstände auf Raumtemperatur abkühlt, wobei diese sowohl eine hohe Festigkeit annehmen als auch praktisch unempfänglich gegen Spannungsrißkorrosion sind.

Im erfindungsgemäßen Verfahren unterwirft man solche Gegenstände einer Lösungsglühbehandlung durch Erhitzen auf eine Temperatur von 450 bis 54O⁰C und hält sie inner-

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halb dieses Temperaturbereiclies eine genügend lange Zeit um eine praktisch vollständige Lösung des Zinks, Magnesiums und Kupfers zu erreichen. Im allgemeinen läßt sich dies bei gekneteten Produkten innerhalb eines Zeitraumes von 15 Minuten, bis 10 Stunden, je nach der Stärke des zu behandelnden Gegenstandes, erzielen. So läßt sich ein Gegenstand bzw. Werkstück mit einer Stärke von 12,7 mm in kürzerer Zeit behandeln als eines mit einer Stärke von 50 mm. Nach Beendigung des JDösungsglühens werden die Gegenstände rasch auf praktisch Eaumtemperatur abgekühlt, z.B. durch Abschrecken in Wasser bei !Temperaturen unterhalb 71 °0. KLe in dieser Weise erfolgende Abkühlung dient dazu, einen wesentlichen Teil der gelösten Bestandteile im Zustand einer festen Lösung zu erhalten. Durch Verwendung heisaen Wassers anstelle von kaltem Wasser ist es jedoch möglich, irgendwelche Spannungen, welche durch das Abschrecken hervorgerufen werden, auf ein Mindestmaß zu beschränken·

Die auf diese Weise abgeschreckten Gegenstände werden einer zweistufigen Ausscheidungshärtungsbehandlung unterworfen. In der ersten Stufe werden die Gegenstände auf 104 bis 135⁰C erhitzt und in diesem Temperaturbereich 5 bis 30 Stunden gehalten. Im allgemeinen werden die besten Ergebnisse bei Temperaturen zwischen 107 und 121⁰G erzielt, Nach.der ersten Stufe werden die Gegenstände auf eine Temperatur zwischen 165 und 193°C, vorzugsweise 171 bis 188⁰C erhitzt, und innerhalb dieses Temperaturbereiches 4 bis 20 Stunden gehalten. Danach werden sie auf Eaum-

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temperatur abgekühlt. Die zweite Stufe kann unmittelbar der ersten Stufe folgen, oder die Gegenstände können auf Baumteraperatur abgekühlt und später auf die gewünschte Temperatur erhitzt werden. Es ist wichtig, den Temperaturbereich von 165 bis 193°C zu beachten, um eine praktische Unempfängliehkeit gegen Spannungsrißkorrosion zu erzielen. Niedrigere Temperaturen oder kürzere Erhi'tzungszeiten ergeben schlechtere Ergebnisse hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, während höhere Temperaturen oder längere Behandlungszeiten eine zu starke Verringerung der Zugfestigkeit und Streckgrenze zur Polge haben.

Der Ausdruck '!Spannungsrißkorrosion" bedeutet Zerstörung des Metalles unter der vereinigten Wirkung von Beanspruchung und Korrosion, unabhängig davon, ob die Beanspruchung von aussen wirkt oder in der Art einer Eigenspannung vorliegt* Sie muß unterschieden werden von der Korrosion, die in Abwesenheit von Beanspruchung auftritt und die sich in einem allgemeinen Angriff auf die Metalloberfläche oder in der Entwicklung von Karben zeigt»

Die legierungen, welche auf die neue thermische-Behanilung ansprechen, und sowohl eine Unempfänglichkeit gegen Spannungsrißkorrosion als auch eine hohe Festigkeit entwickeln, müssen Zink, Magnesium und Kupfer innerhalb der oben angegebenen Grenzen enthalten. Ausserhalb dieser Grenzen leidet entweder die !Festigkeit oder die Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit, oder beides kann ungünstig beeinflusst werden. DarÜberhinaus soll das Verhältnis von

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Magnesium zu Zink innerhalb des Bereiches von 0,35 »1 und 0,5 J 1 liegen. Daneben soll der Kupfergehalt nicht die Menge an Magnesium überschreiten, und vorzugsweise soll das Kupfer in einer Menge von"0,4 bis 0,8 Teilen je ein Teil Magnesium vorliegen.

■Die vorstehend beschriebenen legierungen können auch, eines oder mehrere der härtenden Elemente enthalten z.B. 0,05 bis 0,4$ Chrom, 0,1 bis 1,0$ Mangan, 0,05 bis 0,4$ Zirkon, 0,05 bis 0,4$ Vanadin und 0,01 bis 0,2$ Titan. Diese Elemente sind in festem Aluminium praktisch unlöslich und sprechen somit nicht auf die Lösungsund Ausscheidungsbehandlungen an, wie es bei den lösliehen Elementen Zink, Magnesium und Kupfer der Pail ist.

Eisen und Silicium sind in Aluminiumlegierungen immer als Verunreinigung anwesend. Es können bis zu 0,3$ Eisen geduldet werden und der Siliciumgehalt soll 0,2$ nicht überschreiten. Hierdurch wird die Bildung nennenswerter Mengen der intermetallischen Verbindung MgpSi vermieden.

Die Gegenstände, welche durch die thermische Be-

J₀ handlung der Erfindung besonders günstig beeinflußt

in werden, sind solche, welche einen verhältnismäßig dicken ο

*>«* Querschnitt aufweisen, wie er häufig in Schmiedüngen, ο

^ Strangpresslingen, Preßstücken und gewb.zten Blechen oder

ο fformstücken vorliegt. Eine Stärke von mehr als 6,35 mm

wird als verhältnismässig dick angesehen. In allen diesen fällen besitzen die Gegenstände bestimmte gerichtete Eigenschaften als Ergebnis der Art der angewandten Warm—

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verarbeitung. Als Folge sind die Zugfestigkeitseigelt- ' schäften in der Verarbeitungsrichtung des Gegenstaadee höher (gewöhnlich wird diese als die Längsrichtung bezeichnet) als in der Querrichtung, d.h. senkrecht zur Längsrichtung. Der Unterschied ist besonders deutlich in der kurzen Querrichtung· Darüberhinaus ist auch die Spannungsrißkorrionsbeständigkeit in dieser Richtung am niedrigsten· Die Kombination der vorstehend beschriebenen thermischen Behandlungen verbessert die Spaxmungsrißkorrosionsbeständigkeit in der kurzen Querrichtung erheblich und bringt sie nahe an den Wert für die Längsrichtung, d.h. parallel zur Yerarbeitungsrichtung.

Der Ausdruck "hohe Festigkeit" der behandelten Gegenstände bezieht sich auf Zugfestigkeitswerte von oberhalb 4 218 kg/cm und Streckgrenzen von mindestens 3 515 kg/o« in der kurzen Querrichtung·

Heben der Verbesserung gekneteter Gegenstände mit verhältnismäßig dickem Querschnitt ist die neue thermische Behandlung auch wertvoll zur Verbesserung der Spannungsrißkorrosionsbeständigkeit von dicken, drastisch abgeschreckten Gußstücken, welche aus den vorstehend beschriebenen Legierungen hergestellt sind. Drastisch, abgestreckte Gußstücke sind Blöcke, entweder massiv oder hohl, welche nach dem Hartgußverfahren (direct chill casting) oder ähnlichen Gießverfahren, im Gegensatz zu Sandguß-

guß
und Dauerforlverfahren, hergestellt sind. Zur Erzielung der gewünschten Verbesserung ist es gewöhnlich notwendig

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eine höhere Temperatur oder eine längere Behandlungszeit oder beides anzuwenden, um die erforderliche Lösung der löslichen Bestandteile zu erzeugen, als bei gekneteten Gegenständen« Nach der Lösungsgltihbehandlung und dem Abschrecken soll das gleiche zweistufige Aussehe!· dungshärten wie bei den gekneteten Gegenständen vorgenommen werden·

Die durch das erfindungsgemässe Verfahren erzielte ' Verbesserung ist in den nachstehenden Beispielen gezeigt· Sie Zusammensetzung der in den Versuchen verwendeten Legierungen ist in Tabelle I angegeben.

* tabelle I

Zusammensetzung von Legierungen Legierung ' gZn gM& ^Gu ^fo gor ^M.

A 5.69 2.53 1.67 0.00 0.22 0.05

) B 5.75 2.58 1.67 0.50 0.00 0.04

0 6.91 2t72 1.48 0.10 0.27 0.05

Sie Legierungen werden geschmolzen, zu Blöcken vergossen und zu Stabmaterial mit einem Querschnitt von 50 χ 100 mm in üblicher Weise geschmiedet. Sie Stäbe sämtlicher Legierungen werden 6 Stunden bei 466⁰C einer Lösungsgipibehandlung unterworfen und in Wasser bei einer Temperatur yon 21⁰O abgeschreckt· Sie auf die Stäbe aus den Legierungen angewandte Ausscheidungshärtungsbehandlung ist in Tabelle II angegeben ·

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	II	Legierung	(D	Stufe	Std.	2 Stufe	St	it
	Aussöheidtmgshärtungsbehandlungen	A	(2)	Sp ⁰O	6	Tp ⁰O '	8
	1		(3)	107	12	177	6
		(1)	121	6	191	6
	B	(2)	132	7	,191	7
Tabelle		(3)	110	13	188	8
	(D	116	7	191	7
σ	(2)	132	6	188	8
	107	6	177	4
107	Bestimm¹	191
Erüfstück zur	iJTiir der Zuefestißke

aus den Stäben in der kurzen Querrichtung geschnitten, d.h. in der 50 imn-Dimension. Die durchschnittlichen
Zugfeetigkeitseigenschaften dieser Prüfstücke sind in Tabelle III angegeben»

Tabelle III

Zugfertigkeitseigenschaften	>	O	Behandlung Zugfer- •Eigjceit kg/cm²	5062	in der kurzen	Querrichtung
Legierung			1	4850	Streckgrenze kg/ern^	Dehnung
	2	4710
A	3	4990	4288	9
	1	4880	3900	12
	2	4970	3810'	8
B	3	5080	4230	8
. 1	4870	3940	12
2	4140	8
425©	6
4030	7

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Die Ergebnisse zeigen deutlich, daß man eine hohe festigkeit erhält, welche verglichen werden kann mit der typischen Zugfestigkeit von 5 624 kg/cm , einer Streck— grenze von 4 780 kg/cm «nd einer Dehnung von 9$ in einer kurzen Querrichtung für die Legierung A im Zustand der üblichen Lösurigsglühbehandlung und Aussehei- » dungshär tung ·

Weiterhin werden in der kurzen Querrichtung ge-

r schnittene Zugfestigkeitsprüfstücke einem beschleunigten Belastungskorr^osionstest unterworfen, bei dem man auf die Prüflinge eine Belastung anwendet, die 75$ der Streckgrenze entspricht, und sie mit einer wässrigen 3,5#Lgen Fatriumehloridlöeung nach der al ternierenden Sintauchmethode 84 £age lang behandelt. In jedem Fall werden drei Prüfstücke verwendet. Während des gesamten Zeitraumes erfolgt keine Zerstörung. Zum Vergleich waren Prüflinge aus den gleichen Legierungen, welche bei 465°C der Lös&ngsglühbehandlung unterworfen und 24 Stunden

einstufig auf 121⁰C gealtert wurden, nach drei bis fünf Sagen Versuehsdauer zerstört. Daraus ist ersichtlich, daß die zweistufige Alterungsbehandlung eine praktische Unenpfänglichkeit gegen Spannungsrißkorrosion in der kurzen Querrichtung erzeugt·

J^ Die günstigen Ergebnisse des neuen Verfahrens ange-

i: O- ·

^ wandt auf ein Hartgußstüok gehen aus dem nachstehenden

co

*~ Beispiel hervor.· Eine Legierung aus 5*6$ Zink, 2,5# Magnesium, 1,6$ Kupfer, O_f3# Chrom, Rest Aluminium, wurde nach dem Hartguß verfahr en zu einem Block einer Stärke von 100 mm vergossen. Aus dem Block wurden.

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Prüfstäbe geschnitten und 24 Stunden bei 516°C lösunge-. gkühlt, abgeschreckt undin zwei Stufen gealtert, 6 Stunden

bei 107⁰C und 8 Stunden bei 177⁰C. Die durehschnittliche Zugfestigkeit betrug 5 210 kg/cm , die Streckgrenze 4 650 kg/cm und die Dehnung 4,55^. Stäbe, die dem oben besprochenen alternierenden Eintauehkorrosionstest unterworfen werden, und die entsprechend 75# der Streckgrenze belastet wurden, zeigten innerhalb eines Zeitraumes τοη 133 Tagen keine Zerstörung*

PATEH(D AESHIÜCHE

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Claims

Patentansprüche,

1. Verfahren zur thermischen Behandlung von Gegenständen aus einer Aluminiumlegierung mit verhältnismäßig dickem Querschnitt, welche Legierung . 5 bis 7,5 Gew,-# Zink, 2 bis 3,1 Gew.-$> Magnesium und 1 bis 2,5 Gew.-^ Kupfer, Rest Aluminium und übliche Verunreinigungen enthält und ein Verhältnis von Magnesium zu Zink von 0,35 bis 0,5 J aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß man die Gegenstände durch genügend langes Erhitzen auf eine Temperatur zwischen 450 und 540 C einer Lösungsglühbehandlung unterwirft, um eine praktisch vollständige Lösung der löslichen Bestandteile zu erzielen, hierauf die Gegenstände auf praktische Raumtemperatur abschreckt und dann die abgeschreckten Gegenstände 5 bis 30 Stunden einer ersten Ausscheidungshärtungsbehandlung bei einer Temperatur zwischen 104 und 135 C und anschließend 4 bis 20 Stunden bei einer Temperatur zwischen 166 und 193 C unterwirft, worauf man die Gegenstände auf Raumtemperatur abkühlt«

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß man geknetete Produkte 15 Minuten --'

bis 10 Stunden der Lösungsglühbehandlung unterwirft· 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch g e kennzeich'net, daß man in der ersten Stufe der Ausseheidungshärtungsbehandlung die Gegenstände auf eine Temperatur zwischen 107 und 121 C erhitzt.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß man in'der zweiten Stufe

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der Ausscheidungshärtungsbehandlung die Gegenstände auf eine Temperatur zwischen 171 und 188 O erhitzt.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Zupfergehalt der Legierung den Magnesiumgehalt nicht übersteigt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Kupfer zu Mag-, nesium in der Legierung von 0,4 bis 0,8 t 1 beträgt«

7· Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, d a d u r chh gekennzeichnet , daß die Legierung 0,05 bis 0,4 Gew.-^ Chrom, 0,1 bis 1 Gew.-ff» Mangan, 0,01 bis 0,2 Gew.-$ Titan, 0,05 bis 0,4 Gew.-# Zirkon und/ oder 0,05 bis 0,4 Gew.-^ Vanadin als härtendes Element enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Gegenstand in gekneteter Form vorliegt und gerichtete Eigenschaften besitzt«

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gegenstand in Form eines drastisch abgeschreckten Gußstückes vorliegt.

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