DE60019803T2

DE60019803T2 - Hochresistente aluminiumbasis-legierungen und daraus hergestellte artikel

Info

Publication number: DE60019803T2
Application number: DE60019803T
Authority: DE
Inventors: Iosif Naumovich Fridlyander; Evgeny Nikolaevich Kablov; Evgeniya Anatolievna Tkachenko; Vladimir Nikolaevich Samonin; Viktor Yakovlevich Valkov
Original assignee: FEDERALNOE GOSUDARSTVENNOE UNITARNOE PREDPRIYATIE "VSEROSSIYSKY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT AVIATSIONNYKH MATERIALOV"; JOINT STOCK CO SAMARA METALLUR; JOINT-STOCK Co "SAMARA METALLURGICAL PLANT"; Federalnoe Gosudarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie Izhevsky Mekhanichesky Zavod
Current assignee: FEDERALNOE GOSUDARSTVENNOE UNITARNOE PREDPRIYATIE "VSEROSSIYSKY NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT AVIATSIONNYKH MATERIALOV"; JOINT STOCK CO SAMARA METALLUR; JOINT-STOCK Co "SAMARA METALLURGICAL PLANT"; Federalnoe Gosudarstvennoe Unitarnoe Predpriyatie Izhevsky Mekhanichesky Zavod
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 2000-09-28
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: WO2001025498A1; RU2165995C1; EP1241275B1; ATE294253T1; EP1241275A4; EP1241275A1; US6726878B1; DE60019803D1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Nicht-Eisen-Metallurgie, und insbesondere betrifft sie hochfeste Legierungen auf Aluminiumbasis des Al-Zn-Mg-Cu-Systems. Die aufgefundene Legierung ist zum Herstellen extrudierter, gewalzter und geschmiedeter Halbprodukte (hauptsächlich Gegenstände mit großen Querschnitten) geeignet, die zur Herstellung belasteter Bauteile von Flugzeugen, Lastkraftwagen und Autos, Hochsee- und Flußschiffen, Landwirtschaftsmaschinerie verwendet werden.
Hintergrund der Erfindung
Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen werden weitläufig in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet. Gut bekannt ist die russische Legierung des Systems, welches umfaßt (Massen-%):
Diese Legierung liefert keine hohen Eigenschaften (UTS, YTS) und Bruchfestigkeit (K_1C). Die Gegenstände, die aus dieser Legierung hergestellt werden, weisen eine begrenzte Effizienz bezüglich des Gewichts und eine unzufriedenstellende Lebensdauer auf (Handbuch, Aluminiumlegierungen, 1984, Moskau, publ. „Metallurgy".
Die amerikanischen Legierungen des Al-Zn-Mg-Cu-Systems (7.000-Reihe), die von ALCOA entwickelt worden sind, sind ebenfalls gut bekannt. Beispielsweise umfaßt die Legierung, die in U.S. 4.828,631 beschrieben wird (in Massen-%):
Diese Legierung ist zur besonderen Verwendung in Luft- und Raumfahrtgegenständen entwickelt worden. Sie weist eine überlegene Abblätterungs-Korrosionswiderstandsfähigkeit auf, jedoch ist ihre Härtbarkeit geopfert worden. Im Falle, wo das Halbprodukt die Dicke von mehr als 100 mm aufweist, werden die Betriebseigenschaften (Bruchfestigkeit, Festigkeit, Plastizität, Korrosionsbeständigkeit und Einheitlichkeit der Eigenschaften im Volumen des Halbprodukts) schlechter. Alle diese Nachteile erlauben es nicht, großbemessene Gegenstände aus dieser Legierung herzustellen.
Die in US 4,832,758 beschriebene Legierung umfaßt (in Masssen-%):

Zn 4,0–8,0

Mg 1,5–3,0

Cu 1,0–2,5

wenigstens ein Element aus der Gruppe:

Cr 0,05–0,3

Mn 0,1–0,5

Zr 0,05,–,03

Rest Al
Diese Legierung ist beabsichtigt, um zum Herstellen von Halbprodukten (Platten) begrenzter Dicke (nicht mehr als 64 mm) verwendet zu werden, da, wenn die Dicke eines Halbprodukts erhöht wird, seine mechanischen Eigenschaften, Bruchfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit wesentlich reduziert werden.
Die in EP 0 829 552 offenbarte Legierung umfaßt (in Massen-%):
Diese Legierung kann zur Herstellung von Flügelbauteilen von Düsenflugzeugen, hauptsächlich Holme, untere Häute, etc., verwendet werden. Der Nachteil dieser Legierung ist ihre hohe Empfindlichkeit gegenüber einer Quenchrate, was zu einer starken Verminderung der Festigkeit und der Bruchfestigkeit in dem Falle führt, wo das Halbprodukt eine Dicke von mehr als 60 mm aufweist. Wenn daher unregelmäßig geformte Bauteile (Anschlußstücke, Landevorrichtungselemente, etc.) aus der Legierung herzustellen sind, treten große Schwierigkeiten in dem Verfahren des mechanischen Bearbeitens auf.
Pechiney aus Frankreich hat ebenfalls mehrere Legierungen des Al-Zn-Mg-Cu-Systems beansprucht. Die in EP 0 391 815 beschriebene Legierung umfaßt (in Massen-%):
Diese Legierung ist beabsichtigt, um zum Herstellen klein bemessener Halbprodukte (Bögen, Platten, extrudierte Gegenstände) verwendet zu werden, die durch ein Pulvermetalllurgieverfahren hergestellt werden.
Der Nachteil solcher Produkte ist das geringe Niveau an Bruchfestigkeit (K_1C) und geringer technologischer Eigenschaften.
Die in PCT/FR 97/00144 beschriebene hochfeste Aluminium-Legierung umfaßt (in Massen-%):
Die technologischen Eigenschaften (Fließfähigkeit, technologische Plastizität) dieser Legierung sind unzureichend, und ferner weist sie ein vermindertes Niveau an Bruchfestigkeit (K_1C) auf.
Die aus dieser Legierung hergestellten Gegenstände (z. B. Anschlußstücke, Rahmen) weisen nicht einheitliche Festigkeitseigenschaften und Bruchfestigkeit über die Dicke auf, insbesondere im Falle von großen Querschnitten.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Legierung auf Aluminiumbasis des Al-Zn-Mg-Cu-Systems mit der verbesserten Kombination von Eigenschaften, wie Fließfähigkeit, technologische Plastizität, erhöhte Bruchfestigkeit, bereitzustellen und ebenfalls die Einheitlichkeit der mechanischen Eigenschaften und der Bruchfestigkeit mit der Dicke des Produkts zu gewährleisten, während hohe Niveaus der Festigkeitseigenschaften bewahrt werden, und die Gegenstände bereitzustellen, die aus der Legierung mit diesen Eigenschaften hergestellt werden.
Demzufolge wird eine Al-Zn-Mg-Cu-Legierung bereitgestellt, die (in Massen-%) umfaßt:

Zn 6,35 – 8,0 Si 0,01 – 0,2

Mg 0,5 – 2,5 Fe 0,06 – 0,25

Cu 0,8 – 1,3 Zr 0,07 – 0,2

Cr 0,001 – 0,05 Ti 0,03 – 0,1

Mn 0,001 – 0,1 Be 0,0001 – 0,05

wenigstens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Alkali-Erdmetallen:

K 0,0001 – 0,01

Na 0,0001 – 0,01

Ca 0,0001 – 0,01

Rest Al

Zr+2Ti ≤ 0,3 und Si:Be ≤ 2

und den Gegenstand, der daraus hergestellt wird.
Eine Legierungsbildung der beanspruchten Legierung mit zusätzlichen Elementen -Be und wenigstens ein Element aus der Gruppe bestehend aus Alkali-Erdmetallen -K, Na, Ca, führt zu einer Zunahme der Schmelzfließfähigkeit beim Gießen aufgrund ihrer Wechselwirkung mit Blasen und Wasserstoff, die in dem Metall vorhanden sind, was es wiederum ermöglicht, eine Schmelzfiltration und eine Entgasung wirksamer durchzuführen, was bedeutet, ihre Reinheit zu erhöhen und, als ein Ergebnis, die technologische Plastizität von Ingots zu verbessern.
Das optimale Verhältnis von Zr und Ti, kombiniert mit kleineren Mengen an Cu und in der Gegenwart von wenigstens einem der Alkali-Erdmetalle -K, Na, Ca, liefert erhöhte Niveaus an Bruchfestigkeit, während ein hohes Niveau an Festigkeitseigenschaften aufgrund der Verminderung des Volumengehalts von Hauptphasen und ihrer Raffination bewahrt wird, und liefert ebenfalls eine große Einheitlichkeit der mechanischen Eigenschaften und der Bruchfestigkeit mit der Dicke des Produkts aufgrund der einheitlicheren Verteilung der Sekundärphasenpartikel in dem Volumen der Mikrokörner, was eine bessere Härtbarkeit der vorliegenden Legierung gewährleistet.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun beispielhaft beschrieben werden.
Beispiele
Aus experimentellen Gründen wurden die Ingots aus den Legierungen gegossen, deren Zusammensetzungen in Tabelle 1 angegeben sind.
Die Legierungen 2–9 sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung (die vorliegenden Legierungen oder die beanspruchten Legierungen), und die Legierung 1 beruht auf der Erfindung PCT/FR97/00144.
Die Handschmiedestücke von 60, 100, 150, 200 mm Dicke (t) wurden aus homogenisierten Ingots durch das Verfahren des Aufstellens auf einer vertikalen Presse hergestellt, und die Streifen von 50 und 130 mm Dicke (t) wurden durch Extrusion auf einer horizontalen Presse hergestellt.
Halbprodukte wurden wie folgt wärmebehandelt: Lösungswärmebehandlung bei einer Temperatur von 470°C, Zeit (abhängig von der Dicke des Halbprodukts) variierte von 1 bis 3 Stunden; und Wasserquenchen einschließlich zweier Schritte, der erste Schritt bei einer Temperatur von 115°C für 6 Stunden, und der zweite Schritt bei einer Temperatur von 170°C für 10 Stunden.
Die Fließfähigkeit der Legierungen wurde durch ein herkömmliches Verfahren durch die Länge einer geraden Gießstange in eine metallische Form bestimmt.
Die technische Plastizität wurde durch zwei Verfahren bestimmt: Durch Aufstellen der zylindrischen Proben auf einer Presse bis ein Seitenriß auftrat, und durch Zugtesten der herkömmlichen zylindrischen Proben.
Die Festigkeitseigenschaften und die Bruchfestigkeit der Legierungen wurden auf herkömmlichen Probenschnitten aus unterschiedlichen Zonen mit der Dicke (t) der Halbprodukte (1/4 t und ½ t) in Längs-(L oder L-T) und kurzen Quer-(S oder S-L)-Richtungen relativ zu der Faserrichtung bestimmt.
Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des Testens zur Bestimmung der technologischen Eigenschaften der Legierungen der vorliegenden Erfindung und des Stands der Technik.
Die in dieser Tabelle angegebenen Ergebnisse zeigen offensichtlich, daß die vorliegende Legierung (Zusammensetzungen 2–9) 1,2–1,4-mal die bekannte Legierung bzgl. der Fließfähigkeit und der technologischen Plastizität übertrifft.
Tabelle 3 zeigt die Eigenschaften eines Mittelbereichs der Schmiedestücke mit 150 mm Dicke, hergestellt aus der vorliegenden Legierung und der bekannten Legierung. Man kann offensichtlich aus Tabelle 3 erkennen, daß die vorliegende Legierung 1,4–1,7-mal die bekannte Legierung bezüglich der Bruchfestigkeit in L-T-Richtung und 1,2,–1,4-mal in S-T-Richtung übersteigt, während die Festigkeitseigenschaften beider Legierungen nahezu gleich sind. Die besten Werte der Bruchfestigkeit werden auf den Legierungen 3–5, 7, 9 definiert, welche Verhältnisse von Ti+2Z≤0,3 und Si:Be≥2 aufwiesen.
Tabelle 4 zeigt die mechanischen Eigenschaften der Halbprodukte mit unterschiedlichen Dicken, die aus der vorliegenden Legierung und der Legierung aus dem Stand der Technik hergestellt worden sind. Die Daten der Tabelle 4 zeigen, daß die vorliegende Legierung, verglichen mit der bekannten Legierung, einheitlichere mechanische Eigenschaften und Bruchfestigkeit mit der Dicke des Halbprodukts liefert, was insbesondere erkannt werden kann auf größeren Querschnittsproben mit Dicken von größer ≥ 150 mm; die Proben zeigen eine 1,5–2-fache geringere Verminderung der Festigkeitseigenschaften und der Bruchfestigkeit, verglichen mit der bekannten Legierung.
Die vorliegende Legierung mit verbesserter Fließfähigkeit, technologischer Plastizität, Bruchfestigkeit und ebenfalls einheitlicheren Festigkeitseigenschaften und Bruchfestigkeit mit der Dicke ermöglicht es, einen größeren Bereich an Halbprodukten (geschmiedet, extrudiert und gewalzt) praktisch jeder Form und Abmessungen, insbesondere eines großen Querschnitts, herzustellen.
Die groß bemessenen Integralgegenstände mit einheitlichen Eigenschaften, die aus der vorliegenden Legierung hergestellt werden, ermöglichen es, die Gewichtseffizienz der Struktur um 10–20 % aufgrund der Verminderung der Nietverbindungszahlen zu erhöhen, und werden eine 15–20-%ige Erhöhung der Betriebsverläßlichkeit aufgrund der verbesserten Bruchfestigkeit gewährleisten.
Die Verbesserung der technologischen Eigenschaften der vorliegenden Legierung wird eine Verminderung der Fehlproduktion aus der Legierung gewährleisten, und die Verwendung groß bemessener Halbprodukte in einer Luftfahrzeugstruktur wird die Arbeitsintensität zum Zusammensetzen reduzieren und wird das Luftfahrzeug um 30–40 % ökonomischer machen.
Die Herstellung und Verwendung der vorliegenden Legierung und von Gegenständen derselben verschlechtern nicht die Umgebung aus ökologischen Gesichtspunkten.
Tabelle 2 Technologische Eigenschaften der experimentellen Legierungen
Tabelle 3 Eigenschaften der Handschmiedestücke mit 150 mm Dicke im Mittelbereich (1/2t)

Claims

Hochfeste Legierung eines Aluminium-Zink-Magnesium-Kupfer-Systems, welche umfaßt (in Massen-%): Zn 6,35 – 8,0 Si 0,01 – 0,2 Mg 0,5 – 2,5 Fe 0,06 – 0,25 Cu 0,8 – 1,3 Zr 0,07 – 0,2 Cr 0,001 – 0,05 Ti 0,03 – 0,1 Mn 0,001 – 0,1 Be 0,0001 – 0,05

und wenigstens ein Element aus der Gruppe von Alkali-Erdmetallen: K 0,0001 – 0,01 Na 0,0001 – 0,01 Ca 0,0001 – 0,01 Rest Al.
Hochfeste Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe Zr+2Ti ≤ 0,3% ist.
Hochfeste Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1, 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis Si:Be ≥ 2 ist.
Gegenstand, hergestellt aus der hochfesten Legierung auf Aluminiumbasis, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung die folgende Zusammensetzung (Massen-%) aufweist: Zn 6,35 – 8,0 Si 0,01 – 0,2 Mg 0,5 – 2,5 Fe 0,06 – 0,25 Cu 0,8 – 1,3 Zr 0,07 – 0,2 Cr 0,001 – 0,05 Ti 0,03 – 0,1 Mn 0,001 – 0,1 Be 0,0001 – 0,05

und wenigstens ein Element aus der Gruppe von Alkali-Erdmetallen: K 0,0001 – 0,01 Na 0,0001 – 0,01 Ca 0,0001 – 0,01 Rest Al.