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Verfahren zur Herstellung von hochfesten Aluminium-Kupferlegierungen
durch Glühen, Abschrecken und künstliches Altern Es sind bearbeitbare, abgeschreckte
Altaminium-Kupferlegierungen ohne einen nennenswerten Magnesiumgehalt bekannt. Sie
weisen aber nur eine unzureichende Zugfestigkeit auf. Ferner ist ein Verfahren bekannt
zum Glühen, Härten und Altern von Aluminiumlegierungen mit bis zu io "/" Kupfer
und geringen Zusätzen an anderen Metallen, unter denen aber Mangan und Chrom nicht
genannt sind. Es sind weiter Aluminium-Kupferlegierungen mit einem geringen, etwa
"j"igen Gehalt an Magnesium oder Lithium neben anderen Metallen bekannt, die sich
gegenüber den vorerwähnten, von Magnesium freien Legierungen dadurch auszeichnen,
daß sie sich nach der mechanischen Bearbeitung durch Glühen, Abschrecken und Lagermassen
bei "Zimmertemperatur vergüten lassen und dadurch eine wesentlich bessere Zugfestigkeit
aufweisen.
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Ein typisches Beispiel für die Zusammensetzung einer solchen Legierung
ist z. B. .I "J" Kupfer, o,5 ";" Magnesium und o.5 °°" Mangan, während der Rest
bestes, handelsübliches Aluminium ist, das geringe Mengen anderer Grundstoffe als
Verunreinigungen enthält. Wird diese Legierung in bekannter Weise thermisch vergütet.
so hat sie eine Zugfestigkeit von ungefähr 29 -bis 32 kg(qmm und eine Bruchdehnung
von 20 °/" und aufwärts. auf etwa 5 cm Länge. Nach dem Abschrecken vergütet sich
die Legierung bei Zimmertemperatur durch Altern und erreicht nach Verlauf von vier
Tagen .eine Zugfestigkeit von 39 bis 42 1g/qmm, besonders bei dünnen Blechen. Ihre
Bruchdehnung wird gewöhnlich nicht wesentlich beeinflußt. Sie kann aber je nach
den Umständen größer oder kleiner sein.
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Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Herstellung von
hochfesten Aluminium-Kupferlegierungen, das. darin besteht, daß eine Aluminiumlegierung
aus Aluminium mit 3,5 bis 5 "/" Kupfer und weniger als i "/" Mangan und/oder Chrom.
aber bis auf Verunreinigungen frei von Magnesium mechanisch bearbeitet und dann
dem für andere Aluminiumlegierungen bekannten thermischen Vergütungsverfahren unterworfen
wird, das aus einem Glühen bei etwa 5oo bis 59o' C, daran anschließendem Abschrecken
und einem nach beliebig langer Pause einige Zeit ausgeführten künstlichen Altern
bei etwa ioo bis Zoo' C besteht. Aus solchen Legierungen können Gegenstände derart
hergestellt werden, daß die endgültige Formgebung durch Walzen, Schmieden o. dgl.
zwischen dem Abschrecken und dem künstlichen Altern bei etwa ioo bis zoo' C vorgenommen
wird.
Zu Versuchszwecken wurde schon eine Aluminium1egierung 'triif
4"t" Kupfer und etwa l"/" Mangan hergestellt; es war aber nicht bekannt; diese Legierungen
in der den degenstand der Erfindung bildenden Weise zu vergüter.
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Die erfindungsgemäß hergestellten und vergüteten Legierungen haben
sehr wichtige praktische Vorteile. Wenngleich sie auch keine bessere Zugfestigkeit
als die bekannten magnesiumhaltigen Aluminium-Kupferlegierungen aufweisen, so sind
sie doch im Gegensatz zu diesen leichter zu bearbeiten, insbesondere bei erhöhten
Temperaturen. Die Gefahr der Haarrißbildung beim heißen Auswalzen oder Schmieden
ist wesentlich verringert, ja sie können überhaupt ganz allgemein ohne. Rißbildung
innerhalb eines viel größer Temperaturbereiches bearbeitet werden. Zum Beispiel
ist es praktisch unmöglich, durch ein einmaliges Erhitzen der bekannten magnesiumhaltigen
Aluminium - Kupferlegierung eine Pleuelstange warm auszuschmieden, ohne das Schmieden
zu unterbrechen und die Stange vor Beendigung des Schmiedens erneut zu erhitzen,
hingegen wird durch eine Legierung gemäß der Erfindung es ermöglicht, drei solcher
Pleuelstangen aus einem einzigen Werkstück auszuschmieden, ohne daß eine Wiedererwärmung
des Materials während des Schmiedevorganges notwendig ist. Diese Möglichkeit, das
Werkstück nur ein einziges Mal zu erhitzen und dann das Fertigprodukt vollständig
unter dem Hammer herzustellen, ohne daß die mechanische Bearbeitung unterbrochen
wird, ist in vielen Fällen von ganz außerordentlicher Bedeutung.
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Der Kupfergehalt beträgt in der Regel 3,5 bis 4,5 "l", er kann iedoch
unter Umständen 5 °/" erreichen. wie dies bekannt ist. Die Zusätze an Mangan oder
Chrom übersteigen nicht i °(", ebenso in der Regel auch nicht der Zusatz an Silicium.
Der Kupfergehalt der Legierungen kann auch über 5 °/" betragen, jedoch ist es dann
sehr schwierig, solche Legierungen zu walzen oder zu schmieden.
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Die Temperatur, von der die Legierung abgeschreckt wird. ändert sich
nach der Menge und der Art der vorhandenen Legierungsbestandteile im Rahmen des
angegebenen Bereichs. In allen Fällen werden jedoch die besten Resultate erzielt.
wenn die Legierung bei einer Teml)eratur abgeschreckt wird, bei welcher das Kupfer
und die anderen Legierungsbestandteile soviel wie möglich von dem Aluminium in Lösung
aufgenommen werden. Beträgt der Kupfergehalt ungefähr 4,5 "/n oder mehr. so soll
die Abschrecktemperatur 54o° C nicht überschreiten, um die besten Resultate zu erzielen.
Ist der Kupfergehalt geringer. so kann die Legierung auch ohne besonderen Nachteil
bei größerer Temperatur abgeschreckt werden, jedoch wird bei niedrigerer Abschrecktemperatur
ganz oder nahezu das Optimum der physikalischen Eigenschaften erreicht. Enthält
z. B. eine Legierung 3,5 °/" Kupfer, so kann sie ohne Nachteil bei einer Temperatur
von 59o° C abgeschreckt werden; aber einer solchen Legierung kann durch künstliches
Altern nahezu das Optimum der physikalischen Eigenschaften gegeben werden, wenn
die Abschrecktemperatur nur 5oo° C beträgt. Nach dem Abschrecken ist die Legierung
verhältnismäßig weich und daher leicht zu bearbeiten und behält ihre physikalischen
Eigenschaften im wesentlichen für eine unbegrenzte Zeitdauer unverändert bei. Dies
ist dann ein wichtiger Vorteil,, wenn die Legierung erst längere Zeit nach dem Abschrecken
gepreßt, gestanzt oder auf andere Weise bearbeitet werden soll. Diese Erscheinung
steht im Gegensatz zu den auf natürlichem Wege vergüteten Legierungen, welche durchweg
sofort nach dem Abschrecken bearbeitet werden müssen.
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Durch Änderung der Dauer und der Temperatur des künstlichen Alterns
können verschiedene Festigkeiten und Härten erzeugt werden, welche zwischen denjenigen
der abgeschreckten Legierung und den höchsten durch geeignetes künstliches Altern
erreichbar en liegen. Vorzugsweise wird das künstliche Altern der Legierungen bei
Temperaturen zwischen ioo und i75° C vorgenommen. Wenn die Legierung nach dem Abschrecken
nicht kalt bearbeitet werden soll, kann sie anstatt bis auf Zimmertemperatur auch
bis auf die gewünschte Temperatur des künstlichen Alterns abgeschreckt werden. Wird
eine Legierung bei höheren Temperaturen, z. B. 2oo° C, künstlich gealtert, ist die
erste Wirkung eine Härtung, die Härte ist jedoch etwas geringer als die, die man
durch künstliches Altern bei i5o° C erreicht. Ein länger dauerndes künstliches Altern
bei Temperaturen um 2oo° C herum vermindert die Zugfestigkeit und Härte und verringert
gewöhnlich auch die Geschwindigkeit der Legierung. Vorteilhafte Legierungen können
jedoch auch erhalten werden durch künstliches Altern bei einer Temperatur von 2oo°
C, wenn dieses nicht zu lange ausge?, führt wird. Die Zunahme an Härte erfolgt desto
schneller, je höher die Temperatur des künstlichen Alterns ist, obgleich das Optimum
an Härte und Festigkeit. welches durch künstliches Altern bei 2oo° C erreichbar
ist, nicht so groß ist wie das bei i 5o° C erreichbare.
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Die so kurz beschriebene Erfindung möge nun noch weiter an Hand einiger
Ausführungsbeispiele mit Prüfungsergebnissen erläutert werden.
Legierungen,
die 4,5 °/" Kupfer und ungefähr o,5 bis 1 % Mangan enthalten, mögen als Beispiel
für Legierungen angeführt werden, die neben dem Kupfer auch Mangan enthalten. Nach
Schmieden oder anderweitiger heißer Bearbeitung wurden solche Legierungen während
einer halben Stunde bei 53o° C geglüht und dann abgeschreckt, sie hatten dann eine
Zugfestigkeit zwischen 28 bis 30,7kg/qmm und eine Bruchdehnung von 2o bis 25 "/o
auf etwa 5 cm Länge. Die physikalischen Eigenschaften derartiger Legierungen ändern
sich nicht merkbar, wenn sie bei Zimmertemperatur sogar monatelang lagern. Wenn
sie aber bei Temperaturen zwischen ioo bis 13o° C eine künstliche Alterung erfahren,
nimmt ihre Festigkeit merklich zu, hingegen ihre Bruchdehnung kann sowohl abnehmen
als auch zunehmen oder praktisch unverändert bleiben. Eine solche geschmiedete Legierung
kann leicht eine Zugfestigkeit von 39 kg/qmm und eine Bruchdehnung von 25 °/" erhalten,
wenn sie 24 bis 48 Stunden bei einer etwas unterhalb 13o° C liegenden Temperatur
künstlich gealtert wird, wobei die Härte gleichzeitig zunimmt. Wird die abgeschreckte
- Legierung bei einer Temperatur zwischen ungefähr 130 und 175° C während einer
Zeitdauer von 15 bis 24 Stunden einer künstlichen Alterung unterworfen, so beträgt
die Zugfestigkeit ungefähr 42 kg/qmm, die Bruchdehnung i8 "/" auf etwa 5 cm Länge
und die Härtezahl ungefähr 12o Brinell.
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Als Beispiel diene folgendes. Geschmiedete Versuchsstäbe aus einer
4,68 0/" Kupfer und o,68 0/" Chrom enthaltenden Legierung haben unmittelbar nach
dem Abschrecken eine Zugfestigkeit von 31,6 kg/qmm und eine Bruchdehnung von 24
0/" auf etwa 5 cm Länge. Andere Stäbe von demselben abgeschreckten Gußblock, die
nach einer einjährigen Lagerung bei Zimmertemperatur geprüft wurden, wiesen eine
Zugfestigkeit von 33,2 kg/qmm und eine Bruchdehnung von ?,6'/" auf etwa 5 cm Länge
auf. Wieder andere Prüfstäbe aus demselben abgeschreckten Gußblock hatten nach einer
künstlichen Alterung bei 15o° C eine Zugfestigkeit- zwischen 39 bis 41 kg/qmm und
eine Bruchdehnung von 20'1" auf etwa 5 cm Länge.
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Die physikalischen Eigenschaften der Legierungen gemäß der Erfindung
können noch weiter durch Hinzufügen von Silicium, und zwar in größeren Mengen als
sie bisher lediglich als Verunreinigung in handelsüblichem Aluminium zu finden sind,
verbessert werden, und kann der Siliciumgehalt von o,5 bis i °/" betragen. Eine
Legierung mit einem derartigen Siliciumgehalt besitzt eine erhöhte Zugfestigkeit
sowohl nach dem Abschrecken als auch nach dem künstlichen Altern, außerdem ist sie
verhältnismäßig schmiegsam, besonders dann, wenn sie bei ungefähr ioo-bis i75°
C
eine künstliche Älterung erfahren hat. Es wurde gefunden, daß eine solche
Legierung in Form von Walzblechen eine Zugfestigkeit von mehr als 46 kg/qmm und
eine Bruchdehnung -von mehr als 20 '/" auf etwa 5 cm Länge nach dem Abschrecken
von einer Temperatur über 500° C und einem 48stündigen künstlichen Altern bei ungefähr
i25° C bekommt.
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Als spezielles Beispiel einer Kupfer, Mangan und Silicium enthaltenden
Legierung werde angeführt, daß eine Legierung mit 3,5 °/" Kupfer, o,93 0/" Mangan
und o,6 °/" Silicium nach Abschrecken bei einer Temperatur von 53o° C eine Zugfestigkeit
von 30,3 kg/qmm und eine Bruchdehnung von 21 °/" auf etwa 5 cm Länge hatte.
Erfährt die Legierung bei i5o° C während 22 Stunden eine künstliche Alterung, so
hatte sie eine Zugfestigkeit von 41,3 kg/qmm und eine Bruchdehnung von 20 °/" auf
etwa 5 cm Länge. Die zweckmäßigste Legierung, d. h. diejenige, der die besten physikalischen
Eigenschaften gegeben werden können, enthält ungefähr 4,5 "/" Kupfer,
0,75 "/" Mangan und 0,75 % Silicium, sie wird von Temperaturen von 5oo bis
54o° C abgeschreckt und bei einer Temperatur von loo bis 175° C künstlich gealtert.
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Es ist weiter gefunden worden, daß eine Legierung, die 3,95 0/" Kupfer,
1,22 °/" Eisen und o,3i % Silicium enthält, wobei also das Silicium in einer Menge
vorhanden ist, wie es- bei der Aluminiumherstellung als Verunreinigung von selbst
in das Aluminium kommt, im Maximum eine Zugfestigkeit von 22,2 kg/qmm und eine Bruchdehnung
von 2o;5 "/" auf etwa 5 cm Länge nach dem Abschrecken und künstlichen Altern aufweist.
Es ergibt sich hieraus, daß ein verhältnismäßig hoher Prozentsatz an Eisen in der
Legierung die sonst erreichbare Festigkeit verringert. Dasselbe wurde ermittelt
bei Anwesenheit von Calcium, ohne daß Magnesium zugegen war. Z. B. hatte eine 3,98
°/" Kupfer, o,64 0/" Calcium und 0,29 0/" Silicium enthaltende Legierung eine maximale
Zugfestigkeit von 22,6 kg/qmm bei einer Bruchdehnung von 2o-0/" auf etwa 5 cm Länge.
Die schlechten Wirkungen des Eisens können- jedoch weitgehend, -wenn nicht gänzlich,
durch Zufügen von Silicium beseitigt werden.
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Die Hinzufügung von Chrom zu der mehr als 3,5 0/" Kupfer enthaltenden,
magnesiumfreien Legierung ist vorteilhaft. Z. B. hatte eine Legierung in Form eines
Walzbleches von etwa 3 mm Dicke mit 4,72 `/" Kupfer und o,68 0/" Chrom eine Zugfestigkeit
von 45,1 kg/qmm und eine Bruchdehnung von
20 °% auf etwa 5 cm hänge,
nachdem sie bei 530° C abgeschreckt und 22 Stunden bei i5o° C künstlich gealtert
worden war.
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Zink in Mengen bis zu etwa 5 "/" kann in der Legierung vorhanden sein,
ohne ihren Charakter wesentlich zu ändern, jedoch können hierdurch Nachteile hervorgerufen
werden, so daß es im allgemeinen vorzuziehen ist, kein Zink zu verwenden. Es soll
nur zum Ausdruck gebracht werden, daß Zink auch wohl vorhanden sein kann und daß
die Erfindung nicht auf Legierungen beschränkf ist, die frei von Zink sind.
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Die Legierungen gemäß der Erfindung haben sehr wesentliche Vorteile,
von denen einige bereits erwähnt sind. Die bisher bekannten handelsüblichen, hochfesten
magnesiumhaltigen Aluminiumlegierungen sind verhältnismäßig schwierig zu bearbeiten:
Erstens sind die Gußblöcke bei ihnen umständlicher vorzuwalzen als bei den Legierungen
gemäß der Erfindung. Zweitens ist kein Weg bekannt, die bearbeiteten magnesiumhaltigen
Legierungen nach dem Abschrecken von einer verhältnismäßig hohen Temperatur an einem
sofortigen, selbsttätigen Altern zu verhindern, außer durch Abkühlung auf eine sehr
niedrige Temperatur, z. B. auf diejenige der flüssigen Luft. Die Folge davon ist,
daß ihre Härtung und die damit verbundene verminderte Geschmeidigkeit nicht kontrollierbar
ist. Im wesentlichen sind daher nur die physikalischen Eigenschaften erreichbar,
die durch genügend langes Altern der Legierungen eintreten, obgleich diese Eigenschaften
durch künstliches Altern bei höherer Temperatur etwas verbessert werden können.
Im Gegensatz hierzu bleiben die Legierungen gemäß der Erfindung ?lach dem Abschrecken
weich und plastisch bei Zimmertemperatur, und ihre Festigkeit und Härte können durch
Regelung der Zeit und Temperatur des künstlichen Alterns derart beeinflußt werden,
daß jeder Festigkeits- und Härtegrad erreicht werden kann, der zwischen dem sofort
nach dem Abschrecken erreichten und demjenigen Maximum liegt, welches durch das
wirkungsvollste künstliche Altern den aus den Legierungen hergestellten Gegenständen
gegeben werden kann. Es ist häufig bei der Fabrikation gewisser Gegenstände aus
bearbeiteten Aluminiumlegierungen notwendig, gie in die endgültige Gestalt durch
Deformierung bei Zimmertemperatur, z. B. Pressen, Stanzen o. dgl., zu bringen. Bei
den bekannten magnesiumhaltigen Legierungen ist es nun im allgemeinen - notwendig,
diese Bearbeitung innerhalb weniger Stunden, manchmal sogar innerhalb i Stunde,
nach dem Abschrecken auszuführen, weil ihr natürliches Altern bei Zimmertemperatur
die Geschmeidigkeit so verringern kann, daß eine kalte mechanische Bearbeitung unmöglich
wird. Bei den Legierungen gemäß der Erfindung kann die Bearbeitung jederzeit nach
dem Abschrecken der Legierungen stattfinden, und hinterher können die Gegenstände
zu beliebiger Zeit @ dem künstlichen Altern unterworfen werden, um die Härte und
Festigkeit zu vergrößern.
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In der Beschreibung sind die Legierungen gemäß der Erfindung als frei
von Magnesium hingestellt. Damit soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die Legierungen
kein absichtlich zugefügtes Magnesium enthalten. Sie können natürlich zufällig Spuren
von Magnesium enthalten, die das natürliche Altern der Legierung nicht oder nicht
wesentlich beeinträchtigen. Wenn beispielsweise zum Teil Magnesium enthaltende Abfälle
unbewußt bei der Herstellung der Legierung verwendet werden, so könnten in dem Endprodukt
Spuren von Magnesium enthalten sein. Letzteres soll aber vermieden werden, da ein
natürliches Altern im vorliegenden Falle nicht in Betracht kommt.