DE2235168A1 - Aluminiumlegierung, verfahren zu deren herstellung und deren verwendung - Google Patents
Aluminiumlegierung, verfahren zu deren herstellung und deren verwendungInfo
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Description
(H OPFINBACH (MlIN) · KAI3ER8TRA8SB 9 · TELEFON (Uli) 11531(1 . KABBL BWOPAT
17. Juli 1972
Op/ef
37/10
THE BRITISH ALUMINIUM COMPANY LIMITED Norfolk House* St. Jamals Square,
London, S.W.I., England
und
T. I. (GROUP SERVICES) LIMITED T.I. House, Five Ways,
Edgbaston, Birmingham, England
Edgbaston, Birmingham, England
Aluminiumlegierung, Verfahren zu deren Herstellung und
deren Verwendung
Die Erfindung bezieht sich auf Aluminiumlegierungen, insbesondere
auf solche Aluminiumlegierungen, die sich durch superplastische Verformung zu Gegenständen formen oder verformen
lassen. .
209885/0953
Es ist bekannt, dass bestimmte Legierungen unter bestimmten Bedingungen ohne Bruch um sehr grosse Beträge verformt werden
können. Dieses Phänomen ist unter dem Namen Superplastizität
bekannt und wird charakterisiert durch einen hohen Empfindlichkeitsindex der Dehnungsgeschwindigkeit (high
strain rate sensitivity index) des Materials, als dessen Ergebnis die normale Tendenz einer gespannten Probe, vorzugsweise
lokale Deformationen zu erleiden (Einschnürung), unterdrückt wird. Derart starke Verformungen sind darüber hinaus
bei relativ geringen Spannungen möglich, sodass die Formung oder Verformung der superplastischen Legierungen einfacher
und billiger ausgeführt werden kann als es sogar bei hoch- -duktilen Materialien möglich ist, die dieses Phänomen nicht
aufweisen. Als geeignetes numerisches Kriterium für das Vorliegen von Superplastizität kann zugrundegelegt werden,
dass ein superplastisches Material eine Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit
("ra"-Wert) von zumindest 0.3 und
eine einachsige Zugdehnung von mindestens 200 % bei (erhöhten) Temperaturen aufweist. Der "m"-Wert ist durch die Beziehung
d =^£ definiert, wobei d den Fliesswiderstand, *[ eine
Konstante, £ die Dehnungsgeschwindigkeit und τη den Empfindlichkeitsindex
der Dehnungsgeschwindigkeit bedeutet.
Keine bekannte Aluminiumlegierung, mit Ausnahme des entektischen Al-Cu-Gemischs, das 33 % Kupfer enthält und weder
die niedrige Dichte noch die guten Korrosionswiderstands-Eigenschaften
der Aluminiumlegierungen aufweist, kann superplastisch verformt werden. Der Erfindung liegt demgemäss
die Aufgabe zugrunde, superplastisch verformbare Aluminiumlegierungen, ein Verfahren zur Herstellung derselben und
Verwendungen dafür anzugeben.
209885/0953
Geraäss der vorliegenden Erfindung besteht eine superplastisch
verformbare Aluminiumlegierung aus einer Aluminiumlegierung
aus der Gruppe der nicht vergütbaren Aluminiumlegierungen, die zumindest 5 % Mg oder zumindest 1 % Zn enthalten, und
aus der Gruppe der vergütbaren Aluminiumlegierungen, die eines oder mehrere der Elemente Cu, Mg, Zn, Si, Li und Mn
in bekannten Kombinationen und Mengen und zumindest eines
der Elemente Zr, Nb, Ta und Ni in einer Gesamtmenge von mindestens 0.30 % enthalten, die im wesentlichen in Form fester
Lösungen vorliegen, wobei der Rest aus normalen Verunreinigungen und Beimengungen besteht, die üblicherweise den genannten
Aluminiumlegierungen zugesetzt werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren zur Herstellung einer superplastisch
verformbaren Aluminiumlegierung ist dadurch gekennzeichnet,
dass alle Bestandteile der Aluminiumlegierung und wenigstens eines der genannten Elemente zusammen erhitzt werden.
.
Ein Verfahren zur erfindungsgemässen Verwendung einer superplastisch
verformbaren Aluminiumlegierung mit einer vorstehend
beschriebenen Zusammensetzung zur Herstellung von Halbzeug ist durch das Giessen einer flüssigen. Legierung bei
einer Temperatur von wenigstens 775 0C, damit in der gegossenen
Legierung eine "Zellengrösse" nicht über 30 pm erzeugt
wird, sowie durch die plastische Verformung der gegossenen Legierung bei einer Temperatur, die 550 0C nicht wesentlich
übersteigt, gekennzeichnet. Unter "Zellengrösse" versteht man hierbei den Armabstand sekundärer Dendriten (secondary
dendrite arm spacing). .
209885/0953
Die Erfindung erstreckt sich auch auf Gegenstände, die durch plastische Verformung einer Legierung mit der angegebenen
Zusammensetzung erhalten werden.
In dieser Beschreibung werden alle auf die Elemente bezogenen Prozentwerte in Gewichtsprozent angegeben.
Mit 'Vergütbaren" Legierungen sind diejenigen Legierungsklassen gemeint, in denen die mechanischen Eigenschaften
durch Ausscheidungshärtungsbehandlungen verbessert werden können, zum Beispiel Legierungen der Systeme Al-Cu, Al-Cu-Mg,
Al-Mg-Si und Al-Zn-Mg.
Mit "nicht vergütbaren" Legierungen sind diejenigen Legierungsklassen gemeint, in denen die mechanischen Eigenschaften durch
Ausscheidungshärtungsbehandlungen nicht wesentlich verbessert werden können, zum Beispiel Legierungen der Systeme Al-Mn1
Al-Mg und Al-Zn.
Von den Elementen Zr, Nb, Ta und Ni wird dem Zirkon (Zr) als Bestandteil der erfindungsgemässen Legierungen der Vorzug gegeben,
da gefunden wurde, dass Niob (Nb), Tantal (Ta) und Nickel (Ni) bei der Induzierung des superplastischen Verhaltens
in der Legierung weniger wirksam sind als Zirkon. Alle vier Elemente haben eine geringe Löslichkeit, einen hohen
Temperaturkoeffizienten der Löslichkeit und diffundieren in Aluminium selbst bei so hohen Temperaturen wie 500 C nur
sehr langsam. Wenn Zirkon allein als Legierungselement benutzt wird, wird es in Mengen von mindestens 0.30 %, vorzugsweise
von mindestens 0.40 %, eingesetzt.
20988b/0953
Es wird angenommen, dass die Legierungen gemäss der Erfindung ihre superplastischen Eigenschaften dem Vorliegen
einer übersättigten festen Lösung eines oder mehrerer der Elemente Zr, Nb, Ta und Ni in. einer Menge, die ausreicht
um das Kornwachstum des Aluminiums zu begrenzen, verdankt, wobei bei der angewandten Warmverformungstemperatur eine
feine sub-optische Ausscheidung entsteht, die die Bewegungen an den Korngrenzen einschränkt. Die Bildung einer derart
feinen sub-optischen Ausscheidung wurde nachgewiesen in Zr-, Nb-, Ta- oder Ni-haltigen Legierungen, nicht dagegen
in Cr- oder Mn-haltigen.
Es ist bereits bekannt, dass Zirkon in bestimmten Aluminiumlegierungen
zur Kornverfeinerung der gegossenen Legierungen beiträgt und die Kornvergröberung in bearbeiteten Legierungen
begrenzt. Jedoch beträgt die maximale Löslichkeit des Zirkons in flüssigem Zustand bei der peritektischen Temperatur
ungefähr 0.11 % und normalerweise liegen Zusätze von , Zirkon zu Aluminiumlegierungen nicht über 0.20 %.
An Legierungen aus Reinaluminium und Zusätzen von 0.2 % und 0. 5 % Zirkon durchgeführte Versuche ergaben bei allen Prüftemperaturen
im Bereich 350 0C bis 500 0C kein superplastisches
Verhalten. Versuche haben weiter ergeben, dass sich eine Aluminium-Magnesium-Legierung nach Zirkonzusatz nicht
superplastisch verformen lässt. Diese Versuche haben gezeigt, dass, damit eine Aluminiumlegierung superplastisch verformbar
wird, nicht nur notwendigerweise ein langsam diffundierendes Element wie Zirkon zur Verfügung stehen muss, das sich während
der Warmverformung aus übersättigter Lösung in Form fein dispergierter und relativ stabiler Teilchen in sekundärer
Phase abscheidet, sondern auch ein oder mehrere zusätzliche
20 9885/095 3
Elemente, die Erholungserscheinungen inhibieren und die Legierung in ultrafeiner Kornstruktur kristallisieren
lassen, beispielsweise durch Erniedrigung der hohen Stapelfehlerenergie des Aluminiums, wodurch das Eintreten einer
dynamischen Rekristallisation während oder vor der Warmverformung ermöglicht wird.
Diese zusätzlichen Elemente schliessen Cu, Mg, Zn, Li und Si in solchen Kombinationen und Mengen ein, wie sie gewöhnlich
in vergütbaren Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, sowie Mg und Cu in solchen Kombinationen und Mengen, wie
sie zur Herstellung nicht vergütbarer Legierungen der Systeme Al-Mg oder Al-Zn mit mindestens 5 % Mg bzw. mindestens 1 %
Zn verwendet werden.
Besonders geeignete Kombinationen zusätzlicher Elemente sind z. B.:
a.
b.
c.
d.
| Cu | 1.75 | bis | 10 |
| Mg | O | bis | 2 |
| Si | O | bis | 1,5 |
| Cu | 2.5 | bis | 7 |
| Mg | O | bis | 0.5 |
| Cu | 3.5 | bis | 5.5 |
| Mg | 0.25 | bis | 1.25 |
| Si | 0.25 | bis | 1 |
| Mn | 0.25 | bis | 1 |
| Zn | 2 | bis | 8 |
| Mg | 0.75 | bis | 4 |
| Cu | 0 | bis | 2 |
209885/0953
| θ- | ; Ζη | 3 | bis | 5. | 5 | % |
| Mg | 1 | bis | 2 | % | ||
| ■■ | Cu | O | bis | O. | 3 | % |
| f. | Zn | 4 | bis | 7. | 5 | % |
| Mg | 2 | bis | 3 | % | ||
| Cu | 1 | bis | 2 |
g. Si 0.4 bis 0.9 %
Mg 0.5 bis 1 %
h. Zn 1 bis 15 %, vorzugsweise 2-12 %
Mg O bis 0.5 % .
Cu O bis 0.5· %
i. Mg 5 bis 10 %, vorzugsweise min
destens 6 %
Cu O bis 0.5 %
Aus dem vorstehend Gesagten wird klar, dass die zusätzlichen Elemente der Gruppen h oder jL beim Legieren mit Aluminium
nicht vergütbare Legierungen ergeben, während die zusätzlichen Elemente aller verbleibenden Kombinationen vergütbare
Legierungen ergeben, wenn sie mit Aluminium legiert werden. Legierungen, die die zusätzlichen Elemente der Gruppe h enthalten,
können zur Erzielung optimaler Ergebnisse einen höheren Verformungstemperaturbereich benötigen, beispielsweise
bis zu 550 0C.
Es ist klar, dass die erfindungsgemässen Legierungen diejenigen
Verunreinigungen enthalten können, die man normalerweise in vergütbaren und nicht vergütbaren Aluminiumlegie-
- 8 20988S/09S3
rungen findet, sowie eines oder mehrere der Nebenelemente, von denen bekannt ist, dass man sie Aluminiumlegierungen
zusetzt. Zu diesen Nebenelementen gehören (in Gewichts%):
| Ti | O | bis | 0.2 | |
| B | O | bis | 0.05 | |
| Be | O | bis | 0.01 | |
| Cr | O | bis | 0.2 | |
| Ge | O | bis | 0.5 | |
| Cd | O | bis | 0.25 | |
| Ag | O | bis | 0.6 | |
| Pb | O | bis | 0.6 | |
| Bi | O | bis | 0.6 | |
| Metalle der Seltenen Erden |
O | bis | 0.25 | |
| und | Mn | O | bis | 0.4. |
0.4, falls nicht als vorgeschriebener Bestand· teil enthalten.
Der Gesamtanteil der Legierungselemente der Kombinationen ji bis ;L soll vorzugsweise 10 % nicht überschreiten. Kleine
Mengen der Nebenelemente, wie z. B. Ti, Cr und Mn, können in die vorstehend aufgeführten Mengen einbezogen werden, um
die Gußstruktur zu beeinflussen oder die Rekristallisation während der abschliessenden Wärmebehandlung zu unterdrücken.
Die Gesamtmenge dieser wahlfreien Nebenelemente soll rit Ausnahme von Pb und Bi 0.75 % nicht überschreiten. Zur Verbesserung
der Bearbeitbarkeit der Legierungen können kleine Zusätze von Pb und/oder Bi in Mengen bis zu je 0.6 % und
in einer Gesamtmenge bis zu 1 % erfolgen. Wenn die Legierung Pb und/oder Bi enthält, soll der Gesamtgehalt der Nebenelemente
einschliesslich Pb und/oder Bi 1.25 % nicht überschrei· ten.
209885/0953
Die erfindungsgemässen Legierungen können in einigen Fällen
nach längerem Glühen bei superplastischen Verformungstemperaturen unter isothermen Bedingungen superplastisch verformt
werden. Als vorteilhaft hat sich jedoch ergeben, die Legierung rasch auf die superplastische Verformungstemperatür zu
erhitzen und/oder die Temperatur während des Fortschreltens der Verformung ansteigen zu lassen. Unter letzteren Bedingungen
wurden an Al-6%Cu-O.5%Zr-Legierungen Dehnbarkeitswerte zwischen 800 % und 1200 % erzielt, während diese vorher
nach Glühen bei der Temperatur für plastische Verformung
und isotherme Verformung nur Dehnbarkeitswerte zwischen 500 % und 700 % ergeben hatten. Die folgende Tabelle zeigt
die durch die beiden Verformungstechniken an vier weiteren Legierungszusammensetzungen erhaltenen Unterschiede in den
Ergebnissen zusammen mit isothermen Daten zweier weiterer Zusammensetzungen.
| Tabelle A | Dehnbarkeit bei der Verformungsteraperatur in % |
|
| Legierungs- typ |
Isothermer Rasches Er Versuch nach hitzen und/ Glühen bei od. Tempera-' entspr. Tem- turerhöhung perätur während des Versuchs |
|
| BA 733 BS L88 BS 2L70 AA 2219 |
Ungefähre Zu sammensetzung +) |
150 330 540 170 300 140 540 - 10 - |
| Al;4.5%Zn;O.8Mg Al;6%Znj 3 %Mg;1.5 %Cu Al;5%Cu;0.9%Si; 0.8%Mn;0.4%Mg Al; 6.5%Cu; 0.3%Mn; 0.1 % V |
||
209885/0953
| BS | M20 | Al; 0.2 |
0.7%Mg; 0.6%Si; | 200 | 288 |
| BS | M20 | Al; | 7%Mg | 250 | — |
| - | Al; | 10%Zn | 600 | - | |
| — | Al; | 3 %Zn | 360 | ||
| +) | Mit Ausnahme | des Zirkons, dessen | ca. | ||
| 0.5 %,bei der | Al-Legierung mit 7 | 8 % | |||
| betrug. | |||||
| Anteil jeweils | |||||
| % Mg jedoch 0. | |||||
Alle Legierungen wurden von Temperaturen oberhalb 850 0C
rasch gegossen.
Versuche, den Gehalt an gelöstem Zirkon in den Legierungen gemäss der Erfindung mit naßcliemischen Verfahren zu bestimmen,
sind noch nicht zufriedenstellend verlaufen. Kin brauchbarer Gehalt kann jedoch sichergestellt werden, indem man
von sehr viel höheren Temperaturen vergiesst als sie bei der Herstellung von Halbzeug aus Aluminium-Knetlegierungen
üblich sind, in Verbindung mit einer rascheren Verfestigung der flüssigen Legierung. Während die Gußtemperaturen der
bekannten Aluminium-Knetlegierungen im Bereich 665 C bis
725 0C liegen, wird eine Legierung gemäss der Erfindung
bei Temperaturen im Bereich 775 0C bis 925 0C, vorzugsweise
oberhalb 800 0C, gegossen. Für optimale Ergebnisse wird eine
Giesstemperatur im Bereich 825 0C bis 900 0C bevorzugt, ähnlich
werden, während die beim semikontinuierlichen direkten Kokillenguß erzielten normalen Erstarrungsgeschwindigkeiten
eine mittlere Zellengrösse bzw. einen Armabstand sekundärer
Dendriten von 40 bis 70 um ergeben, die Erstarrungsge-
- 11 -
209885/0953
schwindigkeiten der erfindungsgejnässen Legierungen so ausgelegt,
dass die mittlere Zellengrösse 30 um, vorzugsweise 25 ^m,- nicht überschreitet. Auf diese Weise stellt der erforderliche
Mindestgehalt an gelöstem Zirkon, vermutlich 0.25 %, einen Überschuss von 0.2 % in bezug auf die Gleichgewichts
löslichkeit des Zirkons bei 500 0C dar.
Falls erforderlich, kann der ungefähre Anteil des gelösten
Zirkons in einer Legierung mit bekanntem Gesamtzirkongehalt
mit Hilfe der HikrosondenanaIyse bestimmt werden. Andererseits
kann mit Hilfe der optischen Mikroskopie rasch überprüft werden, ob ein wesentlicher Teil des Zirkons aus
der Lösung ausgeschieden ist oder nicht, da die ZrAl3-Phase
leicht zu erkennen ist.
Wenn die Legierung anstelle des Zr Nb oder Ta enthält,
sind eine hohe Gießtemperatur und eine feine Zellengrösse
erforderlich; mit Ni anstelle des Zr ist eine hohe Gießtemperatur nicht wesentlich.
Um die Aufrechterhaltung eines hohen Niveaus an übersättigtem Zirkon zu unterstützen, können die erfindungsgemässen
Legierungen in bekannter Weise durch splat-Kühlung (splat
cooling) oder Spritzguß oder durch Verdichten von geblasenem Pulver hergestellt werden.
Zur Erläuterung der Erfindung werden in den folgenden Beispielen Aluminiumlegierungen beschrieben, die Kupfer als
wesentliches Legierungselement enthalten, darüber hinaus ggf. wie angegeben andere Legierungselemente.
- 12 -
209885/0953
Für die Herstellung der Legierungen kann von normalem handelsüblichem
Aluminium mit einer Mindestreinheit von 99.5 % ausgegangen werden. Günstigere Ergebnisse werden durch Begrenzung
des Eisen- und Siliziumgehalts erzielt, d. h. durch Herstellen der Legierung aus hochreinem Aluminium mit einem
Reinheitsgrad von ungefähr 99.85 %. Jedoch hat auch ein Metall mit einer Reinheit unter 99.5 % (z. B, 99,3 %) annehmbare
Ergebnisse gebracht;
Bei vorgegebenem Reinheitsgrad werden die ungünstigen Effekte von Eisen und Silizium auf ein Minimum zurückgeführt, wenn
beide in etwa äquiatoraaren Verhältnissen anwesend sind. So werden gleich gute Ergebnisse mit einem 99.8 %,
reinen Aluminium erzielt, das Eisen und Aluminium in ausgeglichenen Atomverhältnissen enthält, wie mit 99.9 % reinem
Aluminium, in dem das atomare Verhältnis zwischen Fe und Si 1 : 2 oder 2 : 1 beträgt. Ein atomares Verhältnis von 1 : 1
entspricht fast einem Gewichtsverhältnis von Fe : Si wie 2:1, das Gewichtsverhältnis Fe :. Si soll daher vorzugsweise
zwischen 1.5 : 1 und 2.5 : 1 liegen.
Der Kupfergehalt liegt vorzugsweise im Bereich 2.5 % bis 7 % und besonders im Bereich 3.5 % bis 6.5 %. Zur Erzielung
hoher Festigkeiten in den verformten oder gestalteten Gegenständen nach der sich anschliessenden vollen Wärmebehandlung
in Kombination mit einer guten Walzbarkeit kann ein Kupfergehalt von 5.75 % bis 6.25 %~angewendet werden. Ein 7 %
wesentlich übersteigender Kupfergehalt, beispielsweise bis zu 10 %, kann toleriert werden, wenn die Legierung eher stranggepresst
als gewalzt werden soll oder vor dem Walzen stranggepresst werden kann.
- 13 -
209885/0953
Kleinere Anteile einiger Elemente können toleriert werden oder zugesetzt werden um den entsprechenden Legierungen bestimmte Eigenschaften zu verleihen. Magnesium kann in Anteilen
bis zu ungefähr 0.5 % zugesetzt werden; Mangan und Kadmium können beide in Mengen zugesetzt werden, die 0.25 %
vorzugsweise nicht überschreiten, während kleine Mengen, zwischen 0 und 0.2' % eines oder mehrerer der kornverfeinernden
Elemente Ti, Ta und Sc beigemischt werden können, um die Bildung einer feinkörnigen Gußstruktur zu unterstützen.
Zur Regelung des Alterungsverhaltens kann auch Germanium in Mengen bis zu 0.5 % zugesetzt werden.
Zur Erzielung der Superplastizität scheint es erforderlich
zu sein, dass die gegossene Legierung eine Mindestmenge an Zirkon in übersättigter fester Lösung enthält, sodass das
Zirkon während des Warraverformungsprozesses für eine Ausscheidung in einer Weise zur Verfugung steht, die zur Erzeugung
oder Beibehaltung einer sehr feinkörnigen Struktur mit einer mittleren Korngrösse unter 15 um, ähnlich der in
anderen superplastischen Materialien, beiträgt. Dieser Mindestgehalt
an gelöstem Zirkon wird nicht erreicht, wenn nicht der Gesaratgehalt an Zirkonmetall wenigsten 0.30 %
und vorzugsweise wenigstens 0.40 % beträgt.
Zur Erzielung von superplastischera Verhalten sollte der Gehalt
an Kupfer bevorzugt grosser sein als der Löslichkeit in fester Phase bei der Warmverformungstemperatur entspricht.
So beträgt der erforderliche Mindestgehalt an Kupfer für eine Verformung bei Temperaturen von 400 - 425 0C etwa 2 %.
- 14 -
2 098 85/09 5 3
-14- 223SIGt
Eine Warmverformung erfolgt im allgemeinen im Temperaturbereich 300 - 500 C, vorzugsweise im Bereich 350 - 475 °C.
Obgleich die niedrige Diffusionsgeschwindigkeit des Zirkons in Aluminium die Warmverformung der gegossenen Legierung
durch Walzen oder Strangpressen in beträchtlichem Umfang ohne eine übermässige Ausscheidung des Zirkons aus der übersättigten
Lösung erlaubt (die Möglichkeit für die nachfolgende superplastische Verformung beruht ja auf der Anwesenheit
von überschüssigem Zirkon), sollte überflüssiges Erhitzen der Legierung vor der Warmverformung eindeutig ver-
mieden werden. Die Verformung sollte bei Temperaturen unterhalb denjenigen durchgeführt werden, bei denen die Aus-
o scheidung des Zirkons rasch erfolgt, d. h. im Bereich 300 C
bis 500 0C. Falls erforderlich, kann das Gußmetall ohne
Nachteil und zuweilen mit Vorteil für die endgültigen superplastischen Verformungseigenschaften vor der Warmverformung
für einige Zeit bei Temperaturen im Bereich 300 0C bis 400 0C gehalten werden.
Die warmverformten Gegenstände können zur Entwicklung maximaler Festigkeitseigenschaften vergütet werden, z. B. können
die Teile 40 Minuten bei 535 0C lösungsgeglüht, rasch abgeschreckt
und danach für 6 Stunden bei 170 0C künstlich gealtert (ausscheidungsgehärtet) werden. Andererseits können
die Gegenstände, wenn auch mit einigen Einbußen bezüglich ihrer endgültigen Eigenschaften, auch nach der Warmverformung
rasch abgeschreckt und danach künstlich gealtert werden.
Die Legierungen sind schmelzschweissbar, vorausgesetzt, dass
ihr Magnesiumgehalt etwa 0.25 % nicht wesentlich übersteigt.
- 15 -
20988 5/0953
Aus hochreinem Aluminium hergestellte Legierungen können chemisch geglänzt und eloxiert oder anderen Arten der dekorativen
anodischen Behandlung unterworfen werden. Für anodisches Glänzen soll der Kupfergehalt zweckmässig ungefähr
2.5 % betragen, der Gesamtgehalt an Eisen und Silizium sollte 0.2 % nicht überschreiten. Andererseits können die
Legierungen zur Verbesserung ihrer Korrosionswiderstandsfähigkeit
plattiert werden, z. B. mit reinem Aluminium.
Infolge ihres superplastischen Verhaltens können die Legierungen
durch einige Minuten lange Einwirkung von Luftdruck auf
die auf eine Temperatur im Bereich 300 0C bis 500 0C erhitzte Legierung in komplexe Formen mit spitzen Winkeln verformt
werden.
Es wird auf die nachstehenden spezifischeren Beispiele und Versuche verwiesen.
Um den Einfluss des Zirkons auf die superplastischen Eigenschaften
von Al-6%Cu-Zr-Legierungen zu demonstrieren, wurden, wie in Tabelle B angegeben, Schmelzen mit unterschiedlichen
Zirkon-Gehalten hergestellt und in flache Gußformen gegossen. Die gegossene Legierung wurde dann bei ungefähr 300 C gewalzt,
bei 450 0C geglüht und bei dieser Temperatur gedehnt,
um damit einen Verformungsprozess zu simulieren. Fliesswiderstandswerte wurden zur Bestimmung der m-Werte bei verschiedenen
Dehnungsgeschwindigkeiten im Bereich 6.7XlO-5SeC"1 bis
2.3xlO""^sec~l gemessen, wora-uf die Proben mit 2.54 mm/min,
bis zum Bruch gedehnt wurden. Die erhaltenen Ergebnisse werden in Tabelle B aufgeführt.
- 16 -
209886/0953
| Tabelle B | Gesamtgehalt an Zirkon (Gew.-%) |
Maximaler m-Wert |
% Dehnung |
| 0 | 0.21 | 127 | |
| 0.20 | 0.13 | 88 | |
| 0.26 | 0.26 | 154 | |
| 0.33 | 0.40 | 438 | |
| 0.42 | 0.38 | 612 | |
| 0.52 | 0.42 | 315 | |
| Kriterien für super plastisches Verhalten |
^ 0.30 | -^200 | |
Der Tabelle B kann entnommen werden, dass für superplastic
sches Verhalten ein Gesamtgehalt an Zirkon von mindestens
ca. 0.3 % erforderlich ist.
In einer Reihe von Ausbeulversuchen wurden einige 0.762 mm starke Bleche der Zusammensetzung Al-6%Cu-0.4%Zr bei Temperaturen
von 440 0C und 455 0C mit Hilfe von Druckluft so
durch eine offene kreisförmige Form geblasen, dass eine frei· tragende Ausbeulung gebildet würde, wie in den Ergebnissen
der Tabelle C gezeigt wird.
- 17 -
2 09885/09 53
| 1S | Tabelle C | Verhältnis | - | Angewandte |
| Verformungs- | Angewandter | Höhe durch | Zeit (min) | |
| temperatur | Druck (kg/cm2) | messer der | ||
| ro | Ausbeulung | |||
| t 0.515 |
7.3 | |||
| 440 | 5.08 | 0.515 | 3.7 | |
| 455 | 5.08 | |||
In anderen Versuchen wurden Bleche der Legierung gemöss der
Erfindung superplastisch dadurch in komplexe scharfeckige Gebilde verformt, dass das Blech jeweils mit Hilfe von Pressluft
in eine Matrize der gewünschten Form getrieben wurde. Bei grossen Yferkstücken ist der erforderliche Luftdruck geringer;
beispielsweise wurden vertiefte Werkstücke mit einer
Pressfläche von 18.6 1.4 kg/cm2 geblasen.
mit so niedrigen Drucken wie
In anderen Versuchen wurde eine Legierung dsr Zusammensetzung
Al-6%Cu-0.5%Zr gewalzt und bei 400 0C mit einer Geschwindigkeit
von 1,27 mm/min um 200 % isotherm verformt. Zugversuche mit den in der Tabelle D gezeigten Ergebnissen wurden an
Proben durchgeführt, die von den verformten Legierungen und auch nach vollständiger Vergütung der verformten Legierungen
erhalten worden waren.
18 -
2Ü9885/0953
2235138
| Tabelle D | Bedingungen | Festigkeitseigenschaften bei Raumtemperatur |
Zerreiß festigkeit MNm-2 (tsl) |
% Deh nung (bei 50mm) Meßlän ge |
Härte HV |
| Wie verformt Nach vollständiger Vergütung; 40 min. bei 525 0C, Abschrek- ken in Wasser, 6 Std. bei 170 oc |
0.1%-Dehn- grenze MNm-2(tsI) |
190 (12.3) 437 (28.3) |
16 12 |
62 140 |
|
| 99.(6.4) 304 (19.7) |
Hieraus kann ersehen werden, dass eine Legierung gemäss der
Erfindung derart superplastisch verformt und anschliessend vergütet werden kann, dass sie sehr attraktive Festigkeitseigenschaften aufweist. Durch Abwandlung des Aushärtungsprogramms
können sogar noch höhere Festigkeitswerte bei einem gewissen Rückgang der Dehnung erzielt werden. Die Legierung
hat darüber hinaus eine hohe Kriechfestigkeit und eine hohe Dauerfestigkeit.
Ein weiterer Vorteil der hier diskutierten Al-Cu-Legierungen
liegt darin, dass das superplastische Verhalten nicht
auf einen engen Temperaturbereich beschränkt ist. Typische
auf einen engen Temperaturbereich beschränkt ist. Typische
- 19 -
209885/0953
ORIGINAL fNSPECTED
ORIGINAL fNSPECTED
Ergebnisse zweier Legierungsgüsse werden in Tabelle Έ gezeigt.
| Tabelle E | Verformungs- temperatur (°C) |
Maximaler m-Wert |
%Dehnung | |
| ! Guß j Nr.. ι i |
Zusammensetzung ; |
i Al-6%Cu-O.52%Zr j 400 |
0.45 | 210 |
| ι 3 ι i |
ί 425 | 0.45 | 300 | |
| ί 450 | 0.42 | , 320 | ||
| Äi-6%Cu-O.5Ö%Zr j 400 | 0.41 | 410 | ||
| 2 | ! 425 | 0.41 | 300 | |
| 0.40 | 250 | |||
| 450 | ||||
Der Effekt von Titan- oder Chromzusätzen anstelle des Zirkons zu einer Al-6%Cu-Legierung ist untersucht worden ,
jedoch wurde auch mit vielen zehntel Prozent Cr und/oder Ti im Walzmetall bestenfalls die Grenze des superplastischen
Verhaltens erreicht. Es hat daher den 'Anschein, als ob ein
Zusatz, der das Korn der Gußstruktur verfeinert oder das
Kornwächstum nach einer Wärmebehandlung zurückdrängt, nicht
ausreicht und dass die Bewerkstellxgung beider Funktionen durch zwei Zusätze ebenfalls nicht ausreicht, Superplastizi·
tat bei Fehlen der feinen sub-optischen Ausscheidung, wie
sie mit Zr, Nb, Ta und Ni, nicht jedoch durch Cr und Mn hervorgerufen wird, zu erzeugen.
- Patentansprüche -
- 20 -
209885/0953
Claims (25)
1. Superplastisch verformbare Aluminiumlegierung, bestehend aus einer Aluminiumlegierung aus der Gruppe der nicht vergütbaren
Aluminiumlegierungen, die mindestens 5 % Mg oder mindestens 1 % Zn enthalten, und der vergütbaren Aluminiumlegierungen,
die eines oder mehrere der Elemente Cu, Mg, Zn, Si, Li und Mn in bekannten Kombinationen und Mengen enthalten,
sowie mindestens eines der Elemente Zr, Nb, Ta und Ni in einer Gesamtmenge von 0.30 %, das im wesentlichen vollständig
in fester Lösung vorliegt, während der Rest aus normalen Verunreinigungen und aus Nebenelementen besteht, wie
sie üblicherweise in die genannten Aluminiumlegierungen eingearbeitet werden.
2. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend
1.75 bis 10 Gew.-% Cu
0 bis 2 Gew.-% Mg
0 bis l,5Gew.-% Si.
0 bis 2 Gew.-% Mg
0 bis l,5Gew.-% Si.
3. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 1,
enthaltend
2.5 bis 7 Gew.-% Cu
0 bis 0.5 Gew.-% Mg.
0 bis 0.5 Gew.-% Mg.
4. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die normalen Verunreinigungen
Eisen und Silizium umfassen, wobei der Eisengehalt das 1.5-bis 2.5-fache Gewicht des Siliziumgehalts ausmacht.
- 21 -
20988B/095 3
5. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend
3.5 bis 5.5 Gew.% Cu 0.25 bis 1.25 Gew.% Mg
0.25 bis 1 Gew.% Si 0.25 bis 1 Gew.% Mn.
6. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend
2 bis 8 Gew.% Zn 0.75 bis 4 Gew.% Mg 0 bis 2 Gew.% Cu.
7. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend
3 bis 5.5 Gew.% Zn 1 bis 2 Gew.% Mg 0 bis 0.3 Gew.% Cu.
8. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend
4 bis 7.5 Gew.% Zn 2 bis 3 Gew.% Mg 1 bis 2 Gew.% Cu.
9. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 1,
enthaltend
0.4 bis 0.9 Gew.% Si 0.5 bis 1 Gew.% Mg.
- 22 -
209885/09 ORIGINAL INSPECTED
10. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch enthaltend
1 bis 15 Gew.% Zn
0 bis 0.5 Gew.% Mg
0 bis 0.5 Gew.% Cu.
11. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend
5 bis 10 Gew.% Mg
0 bis 0.5 Gew.% Cu.
12. Superplastische Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 0.30 % Zr enthält.
13. Superplastische Aluminiumlegierung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sie wenigstens 0.40 % Zr enthält.
14. Superplastische Aluminiumlegierung nach einem der vor·
hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eines oder mehrere der folgenden Nebenelemente in einer Gesamtmenge
bis zu 1.25 % Gewichts% enthält:
Ti 0 bis 0.2
B 0 bis 0.05
Be 0 bis 0.01
Cr 0 bis 0.2
- 23 -
209885/0953
Ge O bis 0.5 Cd 0 bis 0,25 Ag O bis 0.6
Pb O bis 0.6 Bi O bis 0.6 Metalle der Seltenen Erden 0 bis 0.25
und Mn 0 bis 0.4, falls nicht als
vorgeschriebener Bestandteil enthalten.
15. Verfahren zur Herstellung einer superplastisch verformbaren
Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle Bestandteile der
Aluminiumlegierung und wenigstens eines der genannten Elemente zusammen erhitzt werden.
16. Verfahren zur Verwendung einer superplastisch verformbaren
Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung von Halbzeug,
dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Legierung bei
einer Temperatur von wenigstens 775 C gegossen wird, wobei
in der gegossenen Legierung eine Zellengrösse nicht über 30 um erzeugt wird, und die gegossene Legierung bei
einer Temperatur plast:
wesentlich übersteigt.
wesentlich übersteigt.
einer Temperatur plastisch verformt wird, die 550 0C nicht
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bei einer Temperatur zwischen 775 0C und
925 0C gegossen wird.
- 24 -
209885/0953
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur oberhalb 800° C
gegossen wird.
19. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einer Temperatur im Bereich 825° C
bis 900 C gegossen wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die gegossene Legierung bei einer
Tempe
wird.
wird.
Temperatur im Bereich 300° C bis 500° C plastisch verformt
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die gegossene Legierung bei einer Temperatur im
Bereich 350° C bis 475° C plastisch verformt wird.
22. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche bis 12 zur Herstellung eines Gegenstandes durch plastische
Verformung.
23. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche
1 bis 12 zur Herstellung eines Gegenstandes durch plastische
Verformung, dessen Mikrostruktur aus gerichtetem Korn mit einem mittleren Durchmesser unter 15 um besteht.
24. Verwendung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,
daß der hergestellte Gegenstand eine 0.2%-Dehngrenze von
2
mindestens 23.6 kg/mm und eine Zerreißfestigkeit von
mindestens 23.6 kg/mm und eine Zerreißfestigkeit von
ο
mindestens 31,5 kg/mm aufweist.
mindestens 31,5 kg/mm aufweist.
25. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 3, 5, 7, 10 und 11, die Eisen und Silizium als normale
Verunreinigungen in solchen Mengen enthält, daß ihr Gesamtgehalt 0.20 % nicht übersteigt zur Herstellung eines Gegenstandes
durch plastische Verformung, der einer Behandlung zur Oberflächenaufhellung unterzogen wurde.
209885/0953
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