DD293144A5 - Aluminiumlegierung mit hohem modul und hoher mechanischer festigkeit und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft Aluminiumlegierungen mit hohem Modul und hoher mechanischer Festigkeit und ein Verfahren zu deren Herstellung. Erfindungsgemäße Aluminiumlegierungen der Serie 7000 besitzen einen hohen Modul (E * 74 GPa), eine hohe mechanische Festigkeit (R ind 0,2 * 530 MPa in Längsrichtung), eine gute Beständigkeit (KIC, Längsrichtung kleiner als 20 MPa/m sowie eine gute Korrosionsfestigkeit unter Spannung ( 0 * 250 MPa in kurzer Querrichtung, Lebensdauer * 30 Tage - ASTM-Norm G 38-73). Die erfindungsgemäße Legierung entspricht der folgenden gewichtsmäßigen Zusammensetzung: 5,5 bis 8,45% Zn, 2 bis 3,5% Mg, 0,5 bis 2,5% Cu, bis 0,5% Fe, bis 05% Si weitere Elemente jeweils * 0,05% und bis zu 0,15% insgesamt mit 0,01 * Zr * 0,5%, 0,3 * Cr * 0,6%, 0,3 * Mn * 1,1%. Sie wird vorzugsweise nach dem folgenden Verfahren hergestellt: a) Durch Pulverisieren-Auftragen wird ein massiver Körper geschaffen, der die oben beanspruchte Zusammensetzung besitzt, b) dieser Körper wird bei einer Temperatur zwischen 300 und 450 Grad C und dann möglicherweise kalt in ein bearbeitetes Erzeugnis umgewandelt, und c) das bearbeitende Erzeugnis wird durch Lösen, Tauchen und Vergüten wärmebehandelt, um in einen Zustand T6 und T7 zu gelangen. Fig. 1{Aluminiumlegierung; Verfahren; Herstellung}

Description

enthält.
2. Aluminiumlegierung, die 7,0 bis 8,45Gew.-% Zn, 2 bis 2,5% Mg, 0,8 bis 2,0% Cu, bis 0,5% Fe, bis 0,5% Si, an weiteren Elementen jeweils = 0,05% und bis zu 0,15% insgesamt enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie ebenfalls
0,1 bis 0,4% Zr 0,3 bis 0,6% Cu und 0,3 bis 0,9% Mn
enthält.
3. Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine homogene Dispersion von keramischen Teilchen enthält, deren Größe zwischen 1 und 50μιη liegen und die einen Volumenanteil (in bezug auf das Metall) zwischen 3 und 12% besitzen.
4. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
a) durch Pulverisieren-Auftragen ein massiver Körper geschaffen wird, der die oben beanspruchte Zusammensetzung besitzt,
b) dieser Körper bei einer Temperaturzwischen 300 und 4500C und dann möglicherweise kalt in ein bearbeitetes Produkt umgeformt wird,
c) das bearbeitete Produkt durch Lösen, Tauchen und Vergüten wärmebehandelt wird, um in einen Zustand T6 oderT7 zu gelangen.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper zwischen den Etappen a und b bei einer Temperatur zwischen 450 und 5200C und in einem Zeitraum zwischen 2 und 50 Stunden homogenisiert wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Lösen bei einer Temperatur zwischen 440 und 5200C stattfindet.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergütung bei einer Temperaturzwischen 90 und 1500C in einem Zeitraum von 2 bis 25 Stunden erfolgt.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Vergütung durch eine zweite Vergütung bei einer höheren Temperaturzwischen 150 und 170°C und in einem Zeitraum zwischen 0,5 und 20 Stunden ergänzt wird.
9. Geformtes Produkt mit einer Zusammensetzung, die einem der Ansprüche 1 bis 3 entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden mechanischen Eigenschaften besitzt:
E (Elastizitätsmodul) >: 74GPa
R0,2 (Elastizitätsgrenze, Längsrichtung) > 530MPa
KIC (Längsrichtung) > 20MPa Vm
Korrosionsfestigkeit unter Spannung (30 Tage) in kurzer Querrichtung δ > 250MPa.
Hierzu 1 Seite Zeichnungen
Die Erfindung betrifft Aluminiumlegierungen der Serie 7000 nach der Nomenklatur der Aluminium Association (AA), welche hohe mechanische Eigenschaften bei hoher mechanischer Beständigkeit und Festigkeit und einen hohen Elastizitätsmodul besitzen, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
Die Aluminiumlegierungen der Serie 7000, die zu den beständigsten gehören, besitzen im allgemeinen einen Elastizitätsmodul E der Größenordnung 70GPA, der 72-73GPa jedoch nicht übersteigt.
Um insbesondere in den Bereichen Flugzeugbau und Raumfahrt Aufbauten leichter zu machen, werden jedoch leichte Legierungen mit noch höherem Elastizitätsmodul (E > 74GPa) und noch höherer Festigkeit (R0-2 S; 530MPa in Längsrichtung) notwendig, wobei diese Eigenschaften ohne nennenswerten Nachteil für die übrigen Verwendungseigenschaften, wie zum Beispiel die Beständigkeit (KIC, Längsrichtung > 20MPa m) oder die Korrosionsfestigkeit unter Spannung (Bruchschwelle bei 30 Tagen > 250 MPa in kurzer Querrichtung und in der betrachteten Versuchsumgebung) erreicht werden müssen. Natürlich sind Legierungen auf Al-Basis bekannt, die Li enthalten und deren Elastizitätsmodul und mechanische Eigenschaften hoch sind. Diese bringen jedoch durch das Reaktionsvermögen des Li komplexe Herstellungsprobleme mit sich, und das wiederum setzt spezielle und kostspielige Anlagen zur Herstellung und zum Gießen voraus. Die erfindungsgemäßen Legierungen können mit Hilfe der üblichen in der Metallurgie der herkömmlichen Aluminiumlegierungen bekannten Anlagen hergestellt werden. Außerdem liegen die Eigenschaften der mechanischen Festigkeit von Aluminium-Litium-Legierungen im allgemeinen unter denen der Legierungen 7000.
Legierungen vom Typ 7000, die viel mehr Legierungselemente enthalten und die durch Pulvermetallurgie gewonnen werden, besitzen hohe mechanische Eigenschaften und eine gute Korrosionsfestigkeit unter Spannung, jedoch einen Modul unter 74GPa. Folglich betrifft die Erfindung Legierungen mit folgender Gewichtszusammensetzung (in %)
Zn: 5,5-8,45
Mg: 2,0-3,5
Cu: 0,5-2,5
Zr: 0,1-0,5
Cr: 0,3-0,8
Mn: 0,3-1,1
Fe: bis 0,5
Si: bis 0,5
weitere jedes < 0,05
Elemente gesamt£0,15
Rest Al
Eine bevorzi ugte Zusammen:
Zn: 7,0-8,4
Mg: 2,0-2,9
Cu: 0,8-2,0
Zr: 0,1-0,4
Cr: 0,3-0,6
Mn: 0,3-0,9
wobei der Rest mit den obengenannten Zusammensetzungen identisch ist
Ein Herstellungsverfahren besteht darin:
1 - durch Pulverisieren-Auftragen einen massiven Körper zu bilden, der eine Zusammensetzung besitzt, die in den oben
aufgeführten Grenzwerten liegt;
2 - diesen Körper in ein bei einerTemperaturzwischen 3000C und 4500C warm bearbeitetes und dann eventuell kalt bearbeitetes
Erzeugnis umzuwandeln;
3 - dieses Erzeugnis durch Lösung, Härten und Vergüten thermisch zu behandeln, um ihn in einem Zustand T6 oder
vorzugsweise T7 nach der Nomenklatur der AA zu bringen.
Unter Pulverisieren-Auftragen ist ein Verfahren zu verstehen, in welchem das Metall geschmolzen und durch einen Gasstrahl bei hohem Druck in Form von feinen, flüssigen Tropfen zerstäubt wird, die danach auf ein Substrat gelenkt und dort angehäuft werden, um einen massiven und kohärenten Auftrag zu bilden, der eine geringe geschlossene Porosität besitzt. Dieser Auftrag kann in Form von Barren, Rohren oder Platten erscheinen, deren Geometrie kontrolliert wird.
Ein Verfahren dieser Art wird von den Engländern mit dem Namen „Spray Deposition" bezeichnet und auch „OSPREY-Verfahren" genannt.
Das letztgenannte Verfahren wird im wesentlichen in den folgenden Patentanmeldungen (oder Patenten) beschrieben:
GB-B-1379261; GB-B-1472939; GB-B-154861; GB-B-1599392; GB-A-2172827; EP-A-225080; EP-A-225732; WO-A-87-03012.
Der Etappe der Warmverformung, die im allgemeinen zwischen 2 und 50 Stunden liegt, kann eine Homogenisierungsbehandlung des massiven Körpers in einer oder mehreren Stufen bei Temperaturen zwischen 4500C und 5200C vorausgehen.
Das so erhaltene Produkt entspricht den weiter oben erwähnten angestrebten Eigenschaften.
Diese Eigenschaften werden einer feinen Dispersion von Typenphasen (Al, Mn, Cr) und AI3Zr verliehen, bedingt durch die Kombination der Legierungszusammensetzung und durch das Herstellungsverfahren der Legierung; diese Struktur ermöglicht es, unter anderem eine gute Dehnbarkeit und Beständigkeit sowie eine höhere Elastizitätsgrenze zu erreichen.
Die Lösung erfolgt im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen 4500C und 5200C und die Behandlung Typ T6 bei einer Temperatur zwischen 900C und 1500C, und zwar über einen Zeitraum hinweg, der ausreicht, um annähernd das Härtemaximum zu erreichen (2 bis 25 Stunden).
Die Behandlung T7 besteht in einer Behandlung vom Typ T6, die durch eine Vergütung bei höherer Temperatur, zum Beispiel zwischen 1500C und 1700C, mit einer Dauer von 0,5 bis 20 Stunden ergänzt wird.
Die Erfindung gilt ebenfalls für die Verbundwerkstoffe, die durch zerstäubte Keramikteilchen vom Typ Oxide, Kohlenstoffverbindungen, Nitratverbindungen, Siliziumverbindungen, Borverbindungen usw. gehärtet wurden, wobei diese in
die erfindungsgemäße Legierung eingebracht wurden, die während des Arbeitsganges 1 die Matrize darstellt, zum Beispiel durch Einspritzen von Pulver in den Liquidfluß.
Diese Teilchen besitzen eine Größe zwischen 1 und 50 μπι und stellen (in bezug auf das Metall) einen Volumenanteil zwischen 3 und 12% dar.
Mit Hilfe der folgenden Versuche wird die Erfindung besser verständlich: Die Legierungen 1 bis 4 entsprechen der Erfindung, die Legierungen 5 und 6 gehören nicht zur Erfindung, und die Legierung 7 ist eine klassische Legierung (7075) der höher üblichen Technik zum Vergleich; diese wurde halbkontinuierlich gegossen, warm verformt und wie die übrigen Legierungen wärmer behandelt; Figur 1 stellt die mechanischen Eigenschaften E und R0,2 der untersuchten Legierungen dar, Figur 2 die Festigkeitseigenschaften in Abhängigkeit von R0,2 und Figur 3 die Korrosionseigenschaften unter Spannung in Abhängigkeit von
Beispiel
Verschiedene Legierungen, gekennzeichnet mit 1 bis 6, deren Gewichtszusammensetzungen (in %) in Tabelle 1 zusammengefaßt sind, wurden geschmolzen und durch Pulverisieren-Auftragen (OSPREY-Verfahren) in Form von Barren verarbeitet
- Temperatur des Abstichs: 750°C
- Abstand Zerstäuber-Auftrag: 600mm, während des Versuches deutlich konstant gehalten
- Auffanggefäß aus rostfreiem Stahl, das sich in Drehbewegung befindet
- Schwingung des Zerstäubers in bezug auf die Rotationsachse des Auffanggefäßes
- Ausströmmenge/Metall 2 bis 3m3/kg.
Nach dem Schälen auf 0 140 mm werden die Barren 8 Stunden lang bei der Temperatur von 4600C homogenisiert. Danach werden die Rohlinge bei 4000C in einer Presse warm fließgepreßt, deren Zuführbehälter einen Durchmesser von 143 mm hat, und zwar in Form von Flachteilen mit einem Querschnitt von 50mm x 22 mm, was einen Fließpreßfaktor von 14,6 ergibt. Die so erhaltenen Flachteile erfahren eine Wärmebehandlung vom TypT7 unter den folgenden Bedingungen:
- 2 Stunden Lösen bei einer Temperatur von zwischen 4600C und 485°C
- Kaltwassertauchen
- Vergütung in zwei Stufen: 24 Stunden bei 1200C + 1 bis 20 Stunden zwischen 155°C und 17O0C
Die erzielten mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 2 zusammengefaßt.
Die Legierungen 1 bis 4 liegen in dem geforderten Bereich und weisen einen Modul > 74GPa und eine Elastizitätsgrenze Längsrichtung S 530 MPa auf, wobei immer eine gute Dehnbarkeit in Längsrichtung (S: 8%) und Quer-Längsrichtung (> 6%), eine Festigkeit in Längs-Querrichtung von mindestens 20MPa m und ein gutes Korrosionsverhalten unter Spannung (gemessen nach ASTM-Norm G 3873) vorhanden sind.
Die Legierung 5 liegt aufgrund ihres zu hohen Gehaltes an Cr und Mn außerhalb der Erfindung, und obwohl sie einen hohen Modul und eine hohe Elastizitätsgrenze besitzt, ist sie sehr wenig dehnbar und für die Herstellung von Werkstücken ungeeignet.
Die Legierung 6 liegt aufgrund ihres zu niedrigen Gehaltes an Cr und Mn ebenfalls außerhalb der Erfindung, sie weist nicht die Vorteile der erfindungsgemäßen Legierungen auf, hat einen niedrigen Modul und eine niedrige Elastizitätsgrenze und unterscheidet sich folglich nicht von den klassischen Legierungen wie der Legierung 7075.
Als Vergleich wurden die Zusammensetzung und die Eigenschaften einer klassischen Legierung 7075 angegeben, die konventionell gegossen und dann nach dem gleichen Plan wie die Legierungen 1 bis 6 umgeformt und wärmebehandelt wurde.
Es ist festzustellen, das der Modul und die Elastizitätsgrenze dieser Legierung merklich niedriger liegen als bei den erfindungsgemäßen Legierungen.
Die erfindungsgemäßen Legierungen sind im wesentlichen für die Herstellung von Profilteilen oder von Teilen mit geschmiedeten oder geprägten Strukturen bestimmt.
Übersetzung zu den Tabellen TABELLE 1: ZUSAMMENSETZUNG DER GEPRÜFTEN LEGIERUNGEN
Legierung Zn Mg Cu Cr Mn Zr Fe Si Rest
1 7,8 2,3 1,4 0,35 0,85 0,16 «VI <0,1 Al
2 8,0 2,4 1,35 0,45 0,50 0,17 <0,1 <0,1 Al
3 6,5 2,2 1,5 0,50 0,60 0,20 <0,1 <0,1 Al
4 7,0 2,3 1,4 0,35 0,40 0,18 <0,1 <0,1 Al
5 7,5 2,2 1,35 0,9 1,2 0,25 <0,1 <0,1 Al
6 6,0 2,2 1,5 0,15 0,18 0,12 <0,1 <0,1 Al
7075 5,5 2,3 1,6 0,23 — _ <0,05 <0,04 Al
konven
tionell
TABELLE 2: EIGENSCHAFTEN DER GEPRÜFTEN LEGIERUNGEN (Zustand T7)
Legierung Zugfestigkeit Rm A% Zugfestigkeit Rm A% Modul Beständigkeit* Korrosion**
Längsrichtung (MPa) (MPa) Q-L-Richtung unterSpannung
620 9,0 Quer-Längsrichtung 590 7,0 ohne Bruch nach
630 8,5 595 6,5 30 Tagen
Ro,2 600 12,0 570 9,2 (GPa) (MPaVm) (MPa)
(MPa) 610 10,0 Ro,2 580 8,5
1 580 612 3,0 (MPa) 555 1,5 76 22,5 310
2 590 550 13,1 550 525 8,2 75,5 21,8 310
3 535 536 14,5 560 501 14,2 76,4 30,8 310
4 575 520 74,5 35,2 280
5 582 550 78,2 12,0 240
6 520 540 72,5 35,9 310
7075 470 500 72,0 45,0 310
konven 428
tionell
* Beanspruchung in Längsrichtung, Rißausbreitung in Querrichtung ** Versuche in kurzer Querrichtung nach ASTM G 3873.

Claims (1)

1. Aluminiumlegierung, die 5,5 bis 8,45Gew.-% Zn, 2 bis 3,5% Mg, 0,5 bis 2,5% Cu, bis 0,5% Fe, bis 0,5% Si, an weiteren Elementen jeweils < 0,05% und bis 0,15% insgesamt enthält, dadurch gekennzeichnet, daß sie ebenfalls
0,1 bis 0,5% Zr,
0,3 bis 0,6% Cr und
0,3 bis 1,1% Mn
DD90339152A 1989-04-05 1990-03-28 Aluminiumlegierung mit hohem modul und hoher mechanischer festigkeit und verfahren zu deren herstellung DD293144A5 (de)

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