CH654332A5 - Aluminiumlegierung mit hohem elektrischem widerstand und ausgezeichneter formbarkeit. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, die im Vergleich mit bislang erhältlichen Aluminiumlegierungen nicht nur einen höheren elektrischen Widerstand aufweist, sondern ebenfalls eine ausgezeichnete Formbarkeit, wie beispielsweise Pressformbarkeit und Biegeformbarkeit.
Aluminiumlegierungen wurden bislang als gute Leiter verwendet, da sie im Vergleich zu Eisen und Eisenlegierungen einen niedrigen elektrischen Widerstand aufweisen. Jedoch sind in den letzten Jahren Aluminiumlegierungen in weitem Umfang in anderen Anwendungsgebieten eingesetzt worden.
Im Falle der Verwendung unter einem starken magnetischen Feld sind Aluminiumlegierungen mit einem erhöhten elektrischen Widerstand erforderlich. Die Verwendung von Aluminiumlegierungen unter derartigen Bedingungen verursacht einen induzierten Strom entsprechend der Änderung des magnetischen Feldes und die Aluminiumlegierungen werden durch die äussere Kraft beeinflusst, die sich aus den Wirkungen des magnetischen Feldes und des elektrischen Feldes ergibt. Da die äussere Kraft proportional zur Dichte des induzierten Stromes ist, ist es erforderlich, die Stromdichte zu minimieren. Aus diesem Grunde war es sehr wichtig, den elektrischen Widerstand zu erhöhen.
Herkömmliche praktische Aluminiumlegierungen vom Al-Mg-Typ besitzen einen spezifischen Widerstand unterhalb von 6,4 jifì- cm (IACS-Wert oberhalb von 27%).
Vorhergehende Untersuchungen, die in einer anhängigen Anmeldung beschrieben werden, zeigten, dass eine Zugabe von Lithium sehr wirksam ist zur Steigerung des elektrischen Widerstandes. Jedoch führt die Zugabe von Lithium in einer grossen Menge zu einer Abnahme der Duktilität und verringert entsprechend die Dehnung unter 10%. Aus diesem Grunde besteht eine lebhafte Nachfrage nach der Entwicklung von Aluminiumlegierungen mit hohem elektrischen Widerstand, die gleichzeitig eine stark verbesserte Duktilität und Formbarkeit aufweisen.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, verbesserte Legierungen zur Verfügung zu stellen, die sowohl einen hohen elektrischen Widerstand als auch eine gute Formbarkeit aufweisen, und insbesondere Aluminiumverbindungen mit ausgezeichneter Formbarkeit, die als Baumaterialien geeignet sind bei Strukturen, die der Wirkung eines starken magnetischen Feldes ausgesetzt sind.
Erfindungsgemäss werden Aluminiumlegierungen zur Verfügung gestellt, die einen hohen elektrischen Widerstand und eine ausgezeichnete Formbarkeit aufweisen, bestehend in Gewichtsprozenten im wesentlichen aus
1. Mg: 1,0 bis 8,0%, vorzugsweise 2,0 bis 7,0%, Li: 0,05 bis weniger als 1,0%,
zumindest ein Element aus der Gruppe von, angegeben in Gewichtsprozenten
Ti: 0,05 bis 0,20%,
Cr: 0,05 bis 0,40%,
Zr: 0,05 bis 0,30%,
V: 0,05 bis 0,35%,
W: 0,05 bis 0,30%,
Mn: 0,05 bis 2,0%
und dem Rest an Aluminium und zufälligen Verunreinigungen; oder
2. Mg: 1,0 bis 8,0%, vorzugsweise 2,0 bis 7,0%, Li: 0,05 bis weniger als 1,0%,
Bi: 0,05 bis 0,50%,
und mindestens einem Element aus der Gruppe von, angegeben in Gewichtsprozenten Ti: 0,05 bis 0,20%,
Cr: 0,05 bis 0,40%,
Zr: 0,05 bis 0,30%,
V: 0,05 bis 0,35%,
W: 0,05 bis 0,30%,
Mn: 0,05 bis 2,0%
und dem Rest an Aluminium und zufälligen Verunreinigungen.
Die erfindungsgemässen Aluminiumlegierungen ermöglichten es, ihren elektrischen Widerstand auf ein höheres Niveau als den spezifischen Widerstand von 6,4 (ifì-cm, der von den bislang verwendeten Aluminiumlegierungen gezeigt wurde, durch Verwendung der oben aufgeführten Zusammensetzung zu erhöhen.
Wie zuvor kurz erwähnt wurde, schafft die vorliegende Erfindung Aluminiumlegierungen mit einem hohen elektrischen Widerstand und einer verbesserten Formbarkeit, bestehend in Gewichtsprozenten im wesentlichen aus
1. Mg: 1,0 bis 8,0%, vorzugsweise 2,0 bis 7,0%, Li: 0,05 bis weniger als 1,0%,
mindestens einem Element aus der Gruppe von, angegeben in Gewichtsprozenten
Ti: 0,05 bis 0,20%,
Cr: 0,05 bis 0,40%,
Zr: 0,05 bis 0,30%,
V: 0,05 bis 0,35%,
W: 0,05 bis 0,30%,
Mn: 0,05 bis 2,0%
und dem Rest an Aluminium und zufälligen Verunreinigungen; oder
2. Mg: 1,0 bis 8,0%, vorzugsweise 2,0 bis 7,0%, Li: 0,05 bis weniger als 1,0%,
Bi: 0,05 bis 0,50%,
mindestens einem Element aus der Gruppe von, angegeben in Gewichtsprozenten
Ti: 0,05 bis 0,20%,
Cr: 0,05 bis 0,40%,
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55.
60
65
3
654 332
Zr: 0,05 bis 0,30%,
V: 0,05 bis 0,35%,
W: 0,05 bis 0,30%,
Mn: 0,05 bis 2,0%
und dem Rest an Aluminium und zufälligen Verunreinigungen.
In der erfindungsgemässen Aluminiumlegierung ist Mg ein unerlässlicher Bestandteil, um die Festigkeit der Legierungen vom Al-Li-Typ auf einem bestimmten Niveau zu gewährleisten und zu diesem Zweck muss Mg in einer Menge von 1,0 bis 8,0 Gew.-%, vorzugsweise 2,0 bis 7,0 Gew.-%, zugesetzt werden. Die Zugabe von mehr als 8 Gew.-% verursacht Risse während der Herstellung des Gussblockes oder des Rollvorgangs und schafft Schwierigkeiten bei der Herstellung der vorgesehenen Legierungen.
Lithium ist ein wesentliches Element zur Steigerung des elektrischen Widerstandes. Wenn Lithium in einer Menge von 1,0 Gew.-% oder mehr zugesetzt wird, so sinkt die Dehnung unterhalb von 10% und dadurch wird die Formbarkeit beträchtlich unter ein annehmbares Niveau gesenkt, wenn auch die weitgehende Zugabe von Lithium zur Verbesserung der Festigkeit wirksam ist.
Andererseits gewährleistet Lithium in einer Menge von weniger als 1,0 Gew.-% eine Dehnung von nicht weniger als 10% und insbesondere bei Aussetzung der Legierung gegenüber einer Hitzebehandlung in Masse, ist ein weiteres hohes Dehnungsniveau von annähernd 20% leicht zu erhalten. Aufgrund der guten Dehnung kann ein Biegeformen und Druckformen erfolgreich durchgeführt werden. Jedoch kann die Zugabe von Lithium unterhalb von 0,05% nicht die Anforderung des höheren elektrischen Widerstandswertes im Verhältnis zu den bislang erhältlichen Legierungen erfüllen.
Ti, Cr, Zr, V und W dienen zur Erhöhung des elektrischen Widerstandes und haben ferner Einfluss auf die Aufarbeitung der Korngrösse (refining grain size) und die Steigerung der Festigkeit.
Wenn diese Elemente in Mengen unterhalb der entsprechenden oben angegebenen oberen Grenzen zugesetzt werden, bilden diese Elemente intermetallische Verbindungen mit AI und bewirken die Kristallisation der sich ergebenden intermetallischen Verbindungen während der Verfestigung. Da die intermetallischen Verbindungen in nachträglicher Weise die Zähigkeit und Bruchdehnung (elongation) beeinträchtigen, sollte die übermässige Zugabe dieser Elemente oberhalb der oberen Grenzwerte vermieden werden. Diese fünf Elemente wirken entweder allein oder in Kombination zweier oder mehrerer dieser Elemente.
Ferner ist Mn ebenfalls wirksam zur Steigerung des elektrischen Widerstandes, zur Verfeinerung (refine) der Korngrösse und zur Steigerung der Festigkeit, wie auch die oben erwähnten Ti, Cr, Zr, V und W. Da eine Zugabe von mehr als 2,0% eine gegenteilige Wirkung auf die Zähigkeit ausübt,
sollte die obere Grenze von 2,0% für Mn eingehalten werden.
Wenn spezielle Überlegungen erforderlich sind hinsichtlich der Restradioaktivität, wie im Falle von Materialien, die in Kernfusionsreaktoren gebraucht werden, kann Mn nachteilig wirken. Wenn Mn beispielsweise in den Aluminiumlegierungen in einer Menge von 1% vorhanden ist, verringert sich die Restradioaktivität nach der D-T-Entladung auf lediglich 10~1 mrem/Std. nach Ablauf eines Jahres und sogar nach Ablauf von fünf Jahren nach der D-T-Entladung ist die Restradioaktivität auf ein Zehntel verringert. Somit sollte bei derartigen Anwendungen die Zugabe von Mn vermieden werden.
Bi wird zugegeben, um Risse des Blockes zu vermeiden, die von einem Mg-Gehalt von mehr als 6,5% herrühren.
Die erfindungsgemässen Aluminiumlegierungen, die aus der oben angegebenen Zusammensetzung hergestellt worden sind, besitzen einen hohen Wert für den elektrischen Widerstand von nicht weniger als 6,4 ^lQ-cm (IACS: weniger als
27%), eine gesteigerte Festigkeit von aß: nicht weniger als 15 kg/mm2 und ferner aß: nicht weniger als 20 kg/mm2, hinsichtlich der Zugfestigkeit, und ferner eine verbesserte Bruchdehnung von nicht weniger als 10% und ferner nicht weniger 5 als 20%. Die erwünschte Kombination der Eigenschaften macht die erfindungsgemässen Legierungen wertvoll für die Anwendung als beispielsweise Baumaterialien für Gehäusefahrzeuge (liner motorcars), die in einem starken magnetischen Feld von Kernfusionsreaktoren und ähnlichen Anlagen io verwendet werden. Unter den erfindungsgemässen Aluminiumlegierungen sind von Mn freie Aluminiumlegierungen bevorzugt für die Verwendung als Strukturmaterialien von Kernfusionsreaktoren, da die von Mn freien Legierungen bei der Verringerung von Rest-Radioaktivitäten wirksam sind, 15 während sie einen erhöhten elektrischen Widerstand aufweisen. (
Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung und der daraus abgeleiteten Vorteile sind die nachfolgenden erläuternden Beispiele angegeben.
20
Beispiel
Aluminiumlegierungen des Al-Mg-Li-Typs mit verschiedenen Legierungszusammensetzungen, die in der nachfolgen-25 den Tabelle I angegeben sind, wurden unter Verwendung eines Hochfrequenzofens (high frequency furnace) unter einer Argonatmosphäre gelöst und zu einem Block mit einer Dicke von 30 mm und einem Durchmesser von 175 x 175 mm, der auszurollen war, gegossen. Danach wurden die entstehen-3o den Blöcke homogenisiert bei einer Temperatur von 450 bis 500 °C in einer bezüglich der Atmosphäre angepassten Ofen, zu 4 mm Dicke heissgewalzt bei einer Temperatur von 350 bis 450 °C und zu 2 mm Dicke kaltgewalzt. Das so kaltgewalzte Blech wurde einer Erweichungsbehandlung bei einer Tempe-35 ratur von 300 bis 400 ° C unterworfen, um Testproben zur Verfügung zu stellen. Die so erhaltenen Formstücke mit unterschiedlichen Legierungszusammensetzungen wurden hinsichtlich ihres elektrischen Widerstandes (spezifischer Widerstand) und hinsichtlich der Zugfestigkeitseigenschaften 40 untersucht und die Testergebnisse sind in Tabelle II zusam-mengefasst. Der elektrische Widerstand wurde nach dem Wirbelstromverfahren (eddy current method) gemäss ASTM-B-342 gemessen. Die gemessenen Werte sind in IACS angegeben und ferner wurden zum Vergleich die gemessenen Werte 45 für den Widerstand umgerechnet in uQ- cm. Beispielsweise ist der Wert 27% in IACS das Äquivalent für den Widerstandswert von 6,4 jifì • cm.
Wenn Mg als Legierungselement in den Legierungen in einer Menge oberhalb der oberen Grenze, die oben angege-50 ben wurde, vorhanden war, tauchten während des Heisswalzens Risse auf, und die oben erwähnten Formstücke konnten nicht erhalten werden. Da ferner Ti, Mn, Cr, Zr, V und W in Mengen, welche die angegebenen Bereiche überschreiten, zur Kristallisation einer sekundären Dispersionsphase, nämlich 55 Al-Ti, AI-Mn, Al-Cr, Al-Zr, Al-V und Al-W vom Typ der Riesenkristalle führten, wurden Legierungen mit derartigen überschüssigen Mengen dieser Elemente nicht hergestellt.
Der Biegearbeitstest wurde durchgeführt über die Untersuchung der Grenze des Biegeradius, d.h. durch die Untersu-60 chung, um wieviele Male der Dicke des Bleches die Testformstücke gebogen werden können. Ferner wurde eine Bewertung der Restradioaktivität durch Messung des radioaktiven Niveaus jeder Probe nach Ablauf eines Monats ausgehend von der D-T-Reaktion durchgeführt. In Tabelle II 65 bedeutet das Zeichen «0» das Niveau (10~2 mrem/Std.) welches gegenüber dem Menschen nahezu unschädlich ist, die Bezeichnung «A» zeigt das Niveau (10_l bis 10-2 mrem/Std.) an, welches einige Vorsicht erfordert, und das Zeichen «X» zeigt das Niveau an (> 10_1 mrem/Std.) unter dem sich ein Mensch fast nicht nähern kann.
654 332
4
Tabelle I
Legierung Zusammensetzung der Legierung (Gew.-%)
Nr. Mg Li Mn Ti Cr Zr V Bi W AI
Legierungen gemäss der vorliegenden Erfindung
1
1,6
0,6
0,30
0,06
0,10
0,12
0,10- - Rest
2
4,5
0,5
-
0,06
0,10
0,11
0,10 - - Rest
3
4,7
0,8
-
0,06
0,11
0,11
0,10 - Rest
4
4,7
0,6
-
0,06
0,11
0,12
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5
4,6
0,6
0,32
0,07
0,10
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0,6
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0,06
-
0,15
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7
4,8
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0,31
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9
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-
-
0,14
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10
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-
-
-
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11
4,6
0,5
-
-
0,20
-
- - - Rest
12
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-
-
-
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13
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-
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0,10
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- Rest
14
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15
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-
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0,12
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- - - Rest
16
6,5
0,8
-
0,05
0,10
0,11
- 0,10 - Rest
17
4,8
0,8
-
0,05
0,10
0,12
0,10 Rest
Vergleichslegierungen
18
5,1
0,8
-
0,05
0,10
0,11
- - - Rest
19
8,5
0,6
- "
0,05
0,10
0,12
0,15- Rest
20
5,8
0,04
-
0,05
0,10
0,12
- Rest
21
4,7
1,4
-
0,06
0,11
0,15
- - - Rest
22
4,7
-
-
0,06
0,10
0,15
- - - Rest
Tabelle II
Legie- Auftreten von Rissen Elektrischer Widerstand Zugfestigkeit Dehnung Grenze des Restradio-
rung während des Walzens Beugungsradius aktivität
Nr. IACS (%) ufi-cm kg/mm2 % Z = Blechdicke
Erfindungsgemässe Legierungen
1
Kein
21,6
7,98
34,6
21
1,2 t
A
2
Kein
22,5
7,66
33,4
22
1,2 t
0
3
Kein
23,8
7,24
32,5
25
1,11
0
4
Kein
22,4
7,70
33,1
22
1,2 t
0
5
Kein
21,5
8,02
34,5
21
1,2 t
A
6
Kein
21,8
7,91
34,1
22 .
1,2 t
A
7
Kein
21,7
7,94
34,2
21
1,2 t
A
8
Kein
21,8
7,91
34,0
21
1,2 t
A
9
Kein
21,8
7,91
33,2
22
1,2 t
0
10
Kein
22,0
7,84
34,0
21
1,2 t
A
11
Kein
22,1
7,80
33,0
24
1,1t
0
12
Kein
22,1
7,80
33,1
24
1,1t
0
13
Kein
23,0
7,50
23,7
30
1,0 t
0
14
Kein
25,2
6,84
21,5
32
1,0 t
X
15
Kein
21,3
8,09
34,4
21
1,2 t
0
16
Kein
20,9
8,25
39,6
20
1,2 t
0
17
Kein
21,9
7,90
33,4
21
1,2 t
0
Vergleichslegierungen
18
•Kein
21,8
7,91
33,5
21
1,2 t
0
19
Heissrissspalten
-
-
—
—
_
20
Kein
28,0
6,14
30,5
26
1,0 t
0
21
Kein
18,0
9,58
37,8
14
2,5 t
0
22
Kein
30,2
5,71
27,7
28
1,0 t
0
Wie zuvor erwähnt wurde, besitzen die erfindungsgemässen Legierungen nicht nur einen höheren elektrischen Widerstand, sondern auch eine ausgezeichnete Formbarkeit.
G
Claims (4)
1. Aluminiumlegierung mit hohem elektrischen Widerstand und ausgezeichneter Formbarkeit, bestehend in Gewichtsprozenten im wesentlichen aus
Mg: 1,0 bis 8,0%
Li: 0,05 bis weniger als 1,0%,
mindestens einem Element aus der Gruppe von, angegeben in Gewichtsprozenten
Ti: 0,05 bis 0,20%,
Cr: 0,05 bis 0,40%,
Zr: 0,05 bis 0,30%,
V: 0,05 bis 0,35%,
W: 0,05 bis 0,30%,
Mn: 0,05 bis 2,0%,
und dem Rest an Aluminium und zufälligen Verunreinigungen.
2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,0 bis 7,0 Gew.-% Mg enthält.
2
PATENTANSPRÜCHE
3. Aluminiumlegierung mit hohem elektrischen Widerstand und ausgezeichneter Formbarkeit, bestehend in Gewichtsprozenten im wesentlichen aus
Mg: 1,0 bis 8,0%,
Li: 0,05 bis weniger als 1,0%,
Bi: 0,05 bis 0,50%,
mindestens einem Element aus der Gruppe von, angegeben in Gewichtsprozenten
Ti: 0,05 bis 0,20%,
Cr: 0,05 bis 0,40%,
Zr: 0,05 bis 0,30%,
V: 0,05 bis 0,35%,
W: 0,05 bis 0,30%,
Mn: 0,05 bis 2,0%
und dem Rest an Aluminium und zufälligen Verunreinigungen.
4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,0 bis 7,0 Gew.-% Mg enthält.
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