CH641206A5 - Erzeugnis aus einer superplastischen aluminiumlegierung. - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Erzeugnis aus einer superplastischen Aluminiumlegierung, welche 2-8% Ca, 1,5-15% Zn enthält, und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Erzeugnisses.

Superplastische Legierungen weisen die Fähigkeit auf, unter Einwirkung von kleinen Kräften bei Temperaturen, die innerhalb eines Bereiches liegen, der durch die jeweilige Legierungszusammensetzung bestimmt ist, äusserst grosse Verformungen zuzulassen. Ein aus einer superplastischen Legierung hergestelltes Blech kann bei der entsprechenden, zweckdienlichen Temperatur mittels eines Blasverformens in vielfältige und verwickelte, komplexe Formen verformt werden, indem Druckluft mit einem verhältnismässig tiefen Druck verwendet wird, ähnlich eines Verformens von Kunststoffen oder Glas.

Die beste Norm, die zur Definierung der Superplastizität herangezogen ist, ist eine Bruchdehnung von mindestens 100% und vorteilhafter mindestens 200%. Es wird auch als erwünscht betrachtet, dass eine superplastische Legierung eine Querzahl (Poissonsche Konstante) m von mindestens 0,3 aufweist. Die Legierung sollte diese Eigenschaften bei einer vorbestimmten Verformungstemperatur innerhalb des Bereiches von 300-600 °C (üblicherweise 400-500 °C) aufweisen, wobei es nicht notwendig ist, dass die Legierung diese Werte im gesamten genannten Bereich aufweist. Allgemein kann gesagt werden, dass die Werte sowohl der Bruchdehnung als auch der Querzahl mit zunehmender Temperatur zunehmen.

Bekannte superplastische Legierungen sind zur Herstellung solcher metallener Gegenstände als zweckdienlich gefunden worden, die der Formgebung nach durch übliche Verfahren aus Blech äusserst schwer herstellbar sind. Eine bekannte superplastische Legierung ist eine Zinklegierung, die 22% Aluminium aufweist. Eine bekannte superplastische Aluminiumlegierung, die 6% Kupfer und 0,5% Zirkonium aufweist, ist für verschiedene Anwendungen vorteilhaft, weil es ein kleineres Gewicht aufweist, und weil es eine bessere Dauerstandfestigkeit und Oberflächengüte als die Zinklegierung aufweist, jedoch ist ihre Herstellung schwierig, und sie ist bis zu einem gewissen Ausmass korrosionsanfällig. Die binäre eutektische Aluminiumlegierung, die 7,6% Kalzium enthält, ist ebenfalls superplastisch, kann jedoch auf Grund ihrer Sprödigkeit nicht einfach kalt verformt werden.

Ziel der Erfindung ist, die angeführten Nachteile zu beheben.

Das erfindungsgemässe Erzeugnis ist durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruches 1 gekennzeichnet. Dabei bedeutet für den vorliegenden Zweck das Wort «Bearbeitet», dass die Legierung einem oder mehreren Arbeitsvorgängen von Walzen, Ziehen, Extrudieren oder Schmieden ausgesetzt worden ist. Die superplastischen Erzeugnisse aus diesen Legierungen können ein kleines spezifisches Gewicht, eine grosse Dauerstandfestigkeit und Oberflächeneigenschaften entsprechend anderer superplastischer Aluminiumlegierungen aufweisen (im Vergleich mit Zinklegierungen), können einfach hergestellt werden und einen besseren Korrosionswiderstand aufweisen und können sehr gut kalt bearbeitbar sein (im Vergleich mit bekannten AI-Legierungen).

Mit Vorteil wird das Bearbeiten (Walzen oder Extrudieren) mittels einer Kaltverformung durchgeführt, um eine Querschnittsverminderung von mindestens 60% zu erreichen. Mit den superplastischen Legierungserzeugnissen der Erfindung ist es möglich, ausgedehnte Verformungen (durch Blasverformen oder irgendwelche Verfahren) durchzuführen, wobei eine Arbeitstemperatur im Bereich von 300-600 °C, üblicherweise innerhalb eines Bereiches von 400-500 °C beibehalten wird.

Nachfolgend wird der Erfindungsgegenstand anhand der Zeichnung beispielsweise näher erläutert.

In der beiliegenden Zeichnung ist ein Diagramm gezeigt, das weite und bevorzugte Bereiche der Al-Ca-Zn-Zusam-mensetzung darstellt und auch das Verhältnis dieser Bereiche zur eutektischen Rinne des ternären Al-Ca-Zn-Systems.

Das Herstellungsverfahren für Erzeugnsise aus den bereits erwähnten Al-Ca-Zn-Legierungen, die superplasti-

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sehe Eigenschaften aufweisen, bedingt, dass an Legierungen, die diese Zusammensetzungen aufweisen, gewisse Verarbeitungen durchgeführt werden.

Die wichtigsten Eigenschaften der Zusammensetzungen können unter Bezugnahme auf die beigelegte Zeichnung erklärt werden. Es ist gefunden worden, dass für das ternäre System Al-Ca-Zn, d.h. das System von Legierungen, dessen grösster Anteil Aluminium ist und dem als hauptsächlichste Legierungselemente Kalzium und Zink zulegiert sind, eine eutektische Rinne besteht, die in der Figur mittels der Linie 10 dargestellt ist. Al-Ca-Zn-Legierungen, die eine Zusammensetzung aufweisen, die nahe der Zusammensetzung dieser eutektischen Rinne ist, können gegossen werden, um eine zellförmige, eutektische Struktur zu erzeugen, die in einer Aluminiummatrix einem beträchtlichen Volumenanteil (10-30 Volumenprozent, üblicherweise 18-23 Volumenprozent) feiner eutektischer Nadeln (Dendriten) von einer oder mehreren Ca-Zn-Al intermetallischen Zusammensetzungen aufweist, die während des Giessens aus der Schmelze gebildet wurden und einen durchschnittlichen Durchmesser von 0,05-1,5 Mikron aufweisen. Diese Nadeln (Dendriten) können in Teilchen aufgebrochen werden, die einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser (wie es weiter unten erläutert sein wird) im Bereich 0,05-2 Mikron aufweisen. Es ist angenommen, dass diese intermetallische Phase (CaZn) AI2 von der spröden CaAU-Phase, die in einer binären Al-Ca-Legie-rung vorhanden ist, verschieden ist.

Im breitesten Sinn können superelastische, geknetete Erzeugnisse von Legierungen gebildet werden, welche Anteile von Ca und Zn aufweisen, die innerhalb derjenigen Grenzwerte liegen, die vom Rechteck 12, das mit gestrichelten Linien gezeichnet ist, begrenzt sind, das heisst 2-8% Ca und 1,5-15% Zn. Obwohl die besten superplastischen Eigenschaften in Legierungserzeugnissen vorhanden sind, deren Zusammensetzungen nahe den der eutektischen Rille entsprechenden Werten entsprechen, sind weniger gute, jedoch immer noch brauchbare superplastische Eigenschaften bei Zusammensetzungen erhältlich, die innerhalb der breiten Grenzwerte des Rechteckes 12 links oder rechts von den Werten der Rinne liegen.

Das Ausmass der erhältlichen Superplastizität verkleinert sich fortschreitend mit einer Abnahme des Ca-Anteiles, bis zu einem Wert kleiner als 2% Ca, bei welchem der volumetrische Anteil der intermetallischen Al-Ca-Zn-Teilchen zu klein ist, um eine brauchbare superplastische Eigenschaft zu bilden. Eine Zunahme des Anteils Ca zur rechten Seite der eutektischen Rinne neigt dazu, dass eine unerwünschte Bildung von groben intermetallischen Primärkristallen auftritt. Grobe Primärkristalle können bis zu einem gewissen Mass verhindert werden, indem die Gusstemperatur erhöht wird, jedoch wird ein solches Vorgehen bei Zusammensetzungen, die mehr als 80% Ca aufweisen, sehr schwierig. Gemäss des gestrichelt gezeigten Rechteckes 14 ist ein bevorzugter oberer Grenzwert des Ca-Anteiles 7%.

Legierungen, die weniger als 1,5% Zn aufweisen, können superplastisch sein, sind jedoch sehr spröde und neigen dazu, während des Biegens und/oder Kaltwalzens zu reissen; Legierungen, die mehr als 10-15% Zn enthalten, können ebenfalls superplastisch sein, weisen jedoch eine ungenügende Korrosionsfestigkeit auf. Die Änderung der Superplastizität (in Werten der prozentualen Bruchdehnung bei der entsprechenden Arbeitstemperatur) begründet auf den Zinkanteil ist derart, dass die besten superplastischen Eigenschaften dann erhalten werden, wenn die Zusammensetzungen weniger als etwa 8,5% oder mehr als etwa 12,5% Zn aufweisen, und in Hinsicht der verminderten Korrosionsfestigkeit von Legierungen mit höheren Zinkanteilen erzeugt ein Zinkanteil im unteren Bereich des breiten Bereiches eine vorteilhafte Verbindung von Superplastizität und Korrosionsfestigkeit. Wie das Rechteck 14 weiter zeigt, ist 10% ein bevorzugter, oberer Grenzwert des Anteiles Zn.

Der beste, bevorzugte Bereich der Anteile von Ca und Zn, welche Anteilverhältnisse die beste Verbindung von superplastischen Eigenschaften, Korrosionsfestigkeit und Widerstand gegen Reissen beim Kaltbearbeiten oder Biegen ist derjenige, der in der Zeichnung durch die Figuren A, B, C, D dargestellt ist, d.h. solche Legierungen, deren Anteile von Ca und Zn innerhalb der Grenzwerte 2,0% Ca, 8,0% Zn; 6,0% Ca, 8,0% Zn; und 7,0% Ca, 3,0% Zn liegen.

Bei einem besonderen Zinkanteil innerhalb des Bereiches 1,5-15% Zn und insbesondere innerhalb des Bereiches von 3-8% Zn ist es vorzuziehen, dass der Ca-Anteil innerhalb 0,5% des Ca-Anteiles des Systems Al-Ca-Zn in der eutektischen Rinne beträgt.

Mit der Ausnahme von Si, M, Cr, Cu, Zr und Sr, neigen Verunreinigungen und kleine Zusätze anderer Elemente dazu, die gegossene, eutektische Struktur zu vergröbern und sind daher nicht wünschenswert. Wieder sind im allgemeinen die oberen Grenzwerte von Zusätzen und Verunreinigungen in Legierungen, die zur Durchführung der Erfindung zweckdienlich sind, jeweils-2,0% Mg, Si, Mn und Cu; von anderen Elementen jeweils 1,0%, wobei insgesamt 2% dieser anderen Elemente vorhanden sein dürfen. Mit Vorteil werden jedoch die folgenden maximalen Werte beibehalten:

Si, Mn: bis zu jeweils 1,0%

Cu, Mg: bis zu jeweils 0,2%

Fe, Ti, V, Cr, Sr: jeweils bis zu 0,5%, jedoch insgesamt maximal 1,0%

Andere: jeweils bis zu 0,25%, jedoch insgesamt maximal 1,0%

Die oberen, bevorzugten Grenzwerte sind für Cu und Mg gesetzt, weil Anteile von Mg höher als 0,25% zu einem Reissen während des Kaltwalzens oder Kaltreckens führen, währenddem Cu-Anteile über 0,2% die Korrosionsfestigkeit vermindern.

Eine insbesonders zu bevorzugende Legierungszusammensetzung ist eine solche, die hauptsächlich Ca und Zn innerhalb der Bereichsanteile aufweist, welche durch die Figuren A, B, C, D begrenzt sind, wobei alle Zusätze und Verunreinigungen unterhalb der oben angeführten, bevorzugten Höchstwerte sind, und der Rest Aluminium ist.

Wie bereits erwähnt wurde, sind die Al-Ca-Zn-Legierungen, deren Zusammensetzungen innerhalb der breiten oder bevorzugten Grenzwerte liegen, die oben erwähnt wurden, im Stande eine Gussstruktur aus feinen, eutektischen, intermetallischen Ca-Zn-Al-Nadeln zu bilden, welche bei einer nachfolgenden Bearbeitung in Teilchen zerbrochen werden, die dem Legierungserzeugnis eine Superplastizität erteilen. Beim Verfahren wird die Al-Ca-Zn-Legierung derart gegossen, dass die notwendige Gussstruktur erhalten wird, und dann wird die gegossene Masse bearbeitet, um die Nadeln in die erwünschten Teilchen zu zerbrechen, indem Verfahren verwendet werden, die allgemein in der CH-PS 618216 beschrieben sind.

In der genannten Schrift ist offenbart, dass das einfachste Verfahren zur Herstellung nadeiförmiger, intermetallischer Phasen in einer Aluminiummasse darin besteht, dass eine eutektische oder beinahe eutektische Legierung gegossen wird, dass Legierungselemente beigefügt werden, die beim Erstarren bei vorgewählten Gussbedingungen mit Aluminium intermetallische Phasen bilden, um ein feines gemeinsames Wachstum zu erzeugen. Diese Erscheinung ist bekannt und ist in einem Aufsatz von J.D. Livingston in Material Science Engineering Volumen 7 (1971), Seiten 61-70 erklärt.

Wenn das eutektische Al-Ca-Zn mittels eines Stranggussverfahrens mit unmittelbarer Kühlung oder irgendwelchen

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anderen Stranggussverfahren zu Blöcken gegossen wird, wobei eine hohe Erstarrungsgeschwindigkeit vorherrscht,

wird eine nadeiförmige, eutektische Struktur gebildet. Zum Zwecke der vorliegenden Erfindungen ist es bevorzugt, dass die nadeiförmigen Phasen nicht mit der Achse der gegossenen Masse ausgerichtet sind. Folglich können Gussblöcke erzeugt werden, indem ein Stranggussverfahren mit unmittelbarer Kühlung bei ausgewählten Bedingungen durchgeführt wird, um ein gemeinsames Wachstum der intermetallischen Phase aus feinen Nadeln in einer Matrix sicherstellt, die aus duktilerem Aluminium zusammengesetzt ist. Unter der Voraussetzung, dass die gegossene Masse derart erzeugt wird, dass die intermetallische Phase in der Form von feinen, nahe beieinanderliegenden Nadeln wächst, welche Nadeln bei einer nachfolgenden Bearbeitung zerbrochen werden können, um eine gleichförmige Verteilung von feinen intermetallischen Teilchen zu erhalten, deren Durchmesser weniger als 2 Mikron ist, können sehr zufriedenstellende, superplastische Erzeugnisse gewonnen werden. Während der superplastischen Verformung können diese Teilchen etwas gröber werden, das heisst, bis zu einem durchschnittlichen Korndurchmesser von 3 Mikron oder mehr anwachsen.

Im Gegensatz zu diesen Teilchen, die durch ein Zerbrechen der nadeiförmigen Al-Ca-Zn eutektischen Phase entstehen, sind grobe, intermetallische Primärteilchen allgemein in der Form von facettierten Polyedern, welche dadurch entsteht, dass die Kristallkernbildung während des Giessens vor der Erstarrungsgrenze auftritt, und diese Kristallkerne eine Grösse von mehr als etwa 3 Mikron und üblicherweise mehr als 10 Mikron aufweisen. Beim Durchführen der vorliegenden Erfindung wird die gegossene Legierung als weitgehend frei von solchen groben Primärteilchen beurteilt, wenn ihr ' gesamtes Volumen nicht mehr als 2% beträgt.

Der durchschnittliche Durchmesser der Teilchen, die durch das Zerbrechen der Nadeln erzeugt werden, wird bestimmt, indem bei einer Mikrophotographie eines Schliffbildes eine Querschnittfläche die Anzahl von in einer Flächeneinheit vorhandenen Teilchen gezählt wird, wobei die groben, intermetallischen Primärteilchen und feine Teilchen, die aus der festen Lösung ausgeschieden worden sind, nicht mitgezählt werden. Solche groben und feinen Teilchen sind von einem erfahrenen Metallurgist einfach erkennbar. Der durchschnittliche Durchmesser der Teilchen wird dann mittels folgender Beziehung beschrieben:

d = 1,13^/WNp wobei:

d = Teilchendurchmesser, gemessen anhand von Mikro-photos

Np = Anteil von Teilchen pro Flächeneinheit

V = Volumenanteil von intermetallischem Stoff gemessen durch Punktzählung eines metallographischen Schnittbildes, wobei eine von Auge erfolgende Betrachtung durch ein Mikroskop durchgeführt wird, bei dem beim Okular ein feinmaschiges, quadratisches Netz angeordnet ist. Siehe Seiten 165, 168 und 109 der nachstehend beschriebenen Veröffentlichung von Modin und Modin.

Diese Beziehung, die von H. Modin und S. Modin, Metallurgical Microscopy, trans. G.G. Kinnane London: Butterworths (1973) Seite 164 entnommen ist, drückt die Grösse der Teilchen in der Form des Durchmessers einer Kugel mit gleichem Volumen aus. Der Durchmesser eines länglichen Teilchens, das durch ein Zerbrechen einer zylindrischen Nadel erzeugt ist, ist, wenn er in dieser Weise dargestellt ist, üblicherweise grösser als der Durchmesser der Nadel, aus welchem es gebildet ist.

Weil es nicht notwendig ist, dass die verbundenen Phasen

(intermetallischer Nadeln) in einer einzigen Richtung ausgerichtet sein müssen, ist es nicht notwendig, die Bildung eines zellförmigen, eutektischen Wachstums zu unterdrücken (welches durch die Ausscheidung von Verunreinigungen erzeugt wird), und daher kann zur Herstellung der gegossenen Legierung Aluminium mit einer haldelsüblichen Reinheit verwendet werden. Diese zellförmige oder «kolonieförmige» Weise der Erstarrung erzeugt nicht ausgerichtete intermetallische Nadeln. Beim Erzeugen der gegossenen Legierung sollte das Metall unter solchen Zuständen gegossen werden, dass vor dem Grenzbereich zwischen dem flüssigen Metall und dem erstarrten Metall annähernd keine Kristallkernbildung von intermetallischen Teilen im geschmolzenen Metall erfolgt, das heisst, derart, dass in der gegossenen Legierung beinahe keine groben Primärteilchen vorhanden sind. Die Erstarrungsgeschwindigkeit (d.h. die Vorschubgeschwindigkeit des festen Metalles in einer Richtung, die im wesentlichen mit der Erstarrungsfront einen rechten Winkel einschliesst) sollte mindestens einen cm/min betragen, um das Wachstum der nadeiförmigen intermetallischen Phase zu erreichen. Daher können Gussstücke, die die erwünschten Eigenschaften aufweisen, mittels eines herkömmlichen Stranggussverfahrens hergestellt werden, bei welchem das Kühlmittel unmittelbar auf die Oberfläche des Gussstückes aufgebracht wird sobald dieses von einer offenen Gussform austritt, oder kann mittels Stranggussverfahren, die mit 2 Walzen arbeiten, beispielsweise dem «Hunter-Engineering»-Verfahren hergestellt werden, bei welchem geschmolzenes Metall aus einem Mundstück abgezogen und mittels eines Paares äusserst stark gekühlter Walzen zum Erstarren gebracht wird. Nicht zufriedenstellende Strukturen werden dann erzeugt, wenn ein Gies-sen in Sand oder ein Glessen in feste Gussformen und andere Verfahren verwendet werden, die eine ungleichförmige Mikrostruktur erzeugen. Das Stranggussverfahren, insbesondere wenn eine Gussform verwendet wird, die einen unge-kühlten oberen Abschnitt aufweist und zusammen mit einem Glassleinenverteiler verwendet wird, bewirkt, dass im Bereich der Erstarrungsfront verhältnismässig stabile Zustände vorherrschen, währenddem mittels eines Aufbringens eines Kühlstoffes auf der Oberfläche des an der Gussform (Kokille) austretenden Gussstückes eine äusserst starke Kühlung auf das erstarrte Metall aufgebracht wird. Dieses ermöglicht, dass die erwünschte hohe Erstarrungsgeschwindigkeit erzielt wird, welche notwendig ist, um das gemeinsame Wachstum der metallenen Matrix und der intermetallischen Phase zusammen mit dem Auftreten eines feinen thermischen Gradienten unmittelbar bei der Erstarrungsfront zu erhalten, um das Wachstum von groben intermetallischen Primärteilchen zu unterdrücken.

Wenn die gegossene Legierung mittels einer Bearbeitung verformt wird, neigen die intermetallischen Nadeln dazu, in Längs aus dehnung gleichmässig zu brechen, womit in gewissem Ausmass längliche Teilchen von etwa gleichförmiger Abmessung erzeugt werden. Diese Teilchen dispergieren während der nachfolgenden Verformung des Gussstückes gleichförmig innerhalb der duktilen Metallmatrix. Das Verhältnis Länge zu Durchmesser des grössten Teiles der Teilchen, die durch eine Aufteilung der intermetallischen Nadeln gebildet wird, liegt im Bereich von 1:1 bis 5:1. Im Gegensatz dazu ist die durchschnittliche Länge der nadeiförmigen, zwischenmetallischen Nadeln in der gegossenen Legierung durchschnittlich wesentlich höher als das lOOfache ihres Durchmessers.

Nachdem eine gegossene Legierung mit der notwendigen Struktur erzeugt worden ist, kann das Zerbrechen der spröden, intermetallischen Phase in dispergierte Teilchen mit einem durchschnittlichen Durchmesser von weniger als 2 Mikron (durch die oben erwähnte Beziehung berechnet)

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dadurch erzeugt werden, indem die gegossene Legierung in verschiedenen Weisen entweder heiss und/oder kalt bearbeitet wird: Um die notwendige Dispergierung der Teilchen, die durch das Zerbrechen der intermetallischen Nadeln erzeugt werden, sicherzustellen, ist eine Querschnittverminderung von mindestens 60% notwendig. Beim Herstellen von Blechen, die zur nachfolgenden, superplastischen Verformung bestimmt sind, ist es vorzuziehen, dass der grössere Teil der Querschnittverminderung des ursprünglichen Gussstückes mittels einem Heisswalzen durchgeführt wird, jedoch ist es ebenfalls vorzuziehen, ein nachfolgendes Kaltwalzen, d.h. Kaltrecken, durchzuführen. Es könnte in der Tat allgemein gesagt werden, dass es vorzuziehen ist, dass das Bearbeiten ein letztes, kaltes Bearbeiten beinhaltet, bei welchem eine Querschnittverminderung bis wenigstens zu ungefähr 60% Kalt erzeugt wird. Der Begriff «Kaltbearbeitung» umfasst dass die Legierung einer Bearbeitung ausgesetzt worden ist, die bei einer Temperatur erfolgt, die beträchtlich unterhalb 250 °C liegt.

Ein Vorwärmen vor dem Heisswalzen sollte auf einem Minimum gehalten werden. Es ist gefunden worden, dass Temperaturen beim Heisswalzen von 400-500 °C zufriedenstellend sind; tiefere Temperaturen beim Heisswalzen (innerhalb dieses Bereiches) neigen dazu, zu bewirken, dass die Teilchen gröber werden. Ein nachfolgendes Kaltwalzen kann ohne ein Zwischenglühen oder Anlassen erfolgen, und nach dem Kaltwalzen ist keine weitere Behandlung notwendig,

weil das dabei hergestellte Blechband die notwendige, superplastische Mikrostruktur aufweist.

Übliche Bedingungen zum superplastischen Bilden von Formstücken aus einer Blechlegierung, die mittels der vorliegenden Erfindung hergestellt worden ist, sind die folgenden: Blechdicke 1 mm, Temperatur 450 °C, Druck 5,25 kg/cm2, Zeitspanne 2 Minuten. Die Rohlinge (die herzustellenden Bleche) werden üblicherweise vorgewärmt (beispielsweise bis 450 °C), um eine gleichförmige Temperaturvereilung sicherzustellen, jedoch ist auch eine zufriedenstellende Verformung erzeugt worden, indem mit kalten Rohlingen gearbeitet wurde, welche innerhalb der Verformvorrichtung erwärmt wurden.

Die Legierungserzeugnisse der Erfindung, d.h. Bleche, können mittels eines Blasverformens superplastisch verformt werden, indem Apparate und Vorgehen verwendet werden, die bereits bekannt sind und zum Verformen anderer superplastischer Legierungen verwendet werden, wobei innerhalb des oben angeführten Bereiches zweckdienliche Temperaturen eingehalten werden. Die mechanischen Eigenschaften der somit erzeugten Gegenstände sind bei Raumtemperatur etwas unterschiedlich, und hängen von der Zeitspanne und Temperatur des Verformens ab (eine Vergrösserung der Zeitspanne und Erhöhung der Temperatur vermindert die Streckgrenze und die Zugfestigkeit und vergrössert die Dehnung), jedoch sind übliche Zahlenwerte die folgenden: 0,2% Streckgrenze 1480-1900 kg/cm2; Zugfestigkeit 1760-1970 kg/cm2; Dehnung (5 cm) 13-19%. Diese Zahlenwerte erlauben nach dem superplastischen Verformen eine herkömmliche Kaltverformung.

Es ist gefunden worden, dass die Dauerstandfestigkeit der Legierungserzeugnisse der vorliegenden Erfindung gleich derjenigen anderer Aluminiumlegierungen ist, d.h. viel besser als bei Zinklegierungen. Zusätzlich weisen die Erzeugnisse eine gute Korrosionsbeständigkeit auf, wie es mittels Prüfungen durch Verwendung eines Sprühstrahles von neutralem Salz und Lochbildungen durch Leitungswasser bestimmt wird.

Nachfolgend werden einige Beispiele zur Erläuterung der Erfindung beschrieben.

Beispiel 1

Aus einem hochreinen AI und Ca und Zn mit handelsüblicher Reinheit wurde eine Legierung hergestellt, die 5,0% Ca und 4,8% Zn aufweist, und mittels eines Stranggie'ssverfah-rens in ein Gussstück mit Abmessungen von 95 x 229 mm gegossen wurde, wobei in der Gussform ein Glassleinensieb verwendet wurde. Die Gussgeschwindigkeit (d.h. Absenkgeschwindigkeit) war 102 mm pro Minute und die Gusstemperatur 700 °C. Bei jeder Oberfläche des Gussblockes wurde eine Oberflächenhautentfernung von 6 mm durchgeführt, und dann würde er bei 490 °C auf eine Dicke von 6 mm heissge-walzt und dann zu einer Dicke von 1 mm oder 0,6 mm Enddicke kaltgewalzt. Das daraus hervorgehende Blech war im Temperaturbereich von 450-500 °C superplastisch gemäss nachfolgenden Messungen:

(1) Querzahl m; sowohl bei 450°C als auch bei 500°C wurden Zahlenwerte von 0,3 erhalten, wobei bei hoher Temperatur Zugversuche an einem Blechmuster von 51 mm Länge und mit einer Zuggeschwindigkeit von 2 x10-3 s~1 durchgeführt wurden.

(2) Bruchdehnung: Es wurden bei 450°C 232% und bei 500 °C 267% gemessen, indem Blechproben mit einer Länge von 50 mm verwendet wurden, die bei einer Zuggeschwindigkeit von 3 x 10_ 1 geprüft wurden.

(3) Formen, beispielsweise halbkugelförmige Gewölbe, wurden mittels Druckluft mit einem kleinen Druck bei 450 °C gebildet; beispielsweise wurde ein Blech mit einer Dicke von 0,6 mm bei einem Druck von 1,4 kg/cm2 und 450 °C innerhalb einer Zeitspanne von 50 Sekunden zu einer Halbkugel beziehungsweise zu einem gewölbeförmigen Stück verformt.

Beispiel 2

Aus Aluminium mit handelsüblicher Reinheit, das 0,16% Fe und 0,07% Si aufweist sowie Kalzium und Zink mit handelsüblicher Reinheit, wurde eine Legierung vorbereitet, die 4,94% Ca und 5,25% Zn aufweist. Diese Legierung wurde in der Form eines Gussstückes mit Abmessungen von 127 x 508 x 1016 mm mittels eines Stranggiessens gegossen, wobei die Zustände beim Giessen gleich denjenigen waren, die im Beispiel 1 beschrieben sind. An jeder Seite wurde beim Gussstück eine Oberflächenhautentfernung bis zu einer Tiefe von 9 mm durchgeführt, dann wurde es bis zu einem Durchmesser von 6 mm heissgewalzt und abschliessend kaltgewalzt, um verschiedene Durchmesser im Bereich von 1,5 mm bis 0,38 mm zu erhalten. Das daraus hervorgehende Blech wies superplastische Eigenschaften auf. Die Querzahl m wurde mittels einses Blasformverfahrens gemessen, welches gemäss der Beschreibung von Belk, Ing. J. Mech. Sei., Band 17, Seite 505 (1975), beschrieben wurde. Innerhalb des Bereiches der Prüftemperaturen von 375-525 °C betrugen die Werte von m zwischen 0,26 und 0,37.

Nach dem superplastischen Verformen bei einer Temperatur von 450 °C hatte diese Legierung bei Raumtemperatur folgende mechanische Eigenschaften

0,2% Streckgrenze 1620 kg/cm2

Zugfestigkeit 1830 kg/cm2

Dehnung 19%

Beispiel 3

Legierungen, die etwa 5% Ca, 5% Zn und verschiedene Zusätze dritter Elemente enthielten (Rest AI handelsüblicher Reinheit), wurden in Form von Gussstücken mit Abmessungen von 89 x 229 mm mittels Stranggusses gegossen und in der Weise, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist, zu Blechen ausgewalzt. Die Zusammensetzungen und Werte der Dehnung in Prozent und m bei 450 °C dieser Legierungen sind in der Tabelle I gezeigt.

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Zahlenwerte der Superplastizität, Dehnung in Prozent und m bei 450 °C für die Legierungen des Beispiels 3

Tabelle 1 Zusammensetzung (Gewichts-%)

Beispiel

Ca

Zn

Andere

Reste

% Dehnung

A

4,73

4,81

0,500 Mn

AI 338

0,29

B

4,78

5,00

0,260 Mn

AI 408

0,33

C

5,23

5,00

0,100 Zr

AI 300

0,28

D

5,13

4,88

0,450 Cr

AI 323

0,22

E

5,33

4,97

0,073 Mg

AI 478

0,32

F

5,00

5,00

0,200 Mg

AI 345

0,51

G

5,00

4,98

0,210 Cu

AI 395

0,34

Beispiel 4

Eine Legierung, die 5% Ca und 5% Zn (Rest AI von handelsüblicher Reinheit) aufwies, wurde in der Form eines zylindrischen Gussstückes mit einem Durchmesser von 178 mm mittels Strangguss gegossen, indem diejenigen Zustände beibehalten wurden, die in der Fig. 1 beschrieben sind.

Das Gussstück wurde bis zu einer Temperatur von ungefähr 500 °C vorgewärmt und dann zu einer rohrförmigen Querschnittsform extrudiert, wobei der äussere Durchmesser 33 mm und der innere Durchmesser 25 mm betrug. Dieser Rohrabschnitt wurde dann kaltgezogen, bis er eine rohrför-mige Form mit einem Aussendurchmesser von 25 mm und einem Innendurchmesser von 21 mm aufwies. Dieses kaltgezogene Rohr weist bei einer Temperatur von 450 °C eine superplastische Form auf, wobei es in einer Gussform mittels Druckluft mit einem Druck von nur 5,6 kg/cm2 während einer Zeitspanne von 15 Minuten aufgebläht werden konnte.

Beispiel 5

Eine Legierung, die 4,0% Ca und 4,0% Zn (Rest AI von handelsüblicher Reinheit) aufwies, wurde mittels Stranggies-sens zu einem Gussstück mit Abmessungen 89 x 229 mm gegossen, und dann zu einem Blech ausgewalzt, wobei wieder derart vorgegangen wurde, wie es in Beispiel 1 beschrieben ist. Es wurden bei einer Temperatur von 450 °C Zugversuche durchgeführt, wobei Prüfstücke mit einer Länge von 25,4 mm verwendet wurden. Bei einer Dehnungsgeschwindigkeit von 1,67 x 10-3 s-1 wurde eine Dehnung von 226% aufgezeichnet, womit die vollkommen superplastische Eigenschaft der Legierung belegt ist.

Beispiel 6

Eine Legierung, die 4,94% Ca, 5,25% Zn aufwies, wurde aus AI mit handelsüblicher Reinheit hergestellt, welches AI 0,16% Fe und 0,07% Si aufwies, wobei Kalzium und Zink mit handelsüblicher Reinheit zulegiert waren. Diese Legierung wurde mittels Stranggiessens in ein Gussstück mit Abmessungen von 127 x 508 x 1016 mm gegossen, wobei wieder dieselben Gusszustände vorherrschen, die im Beispiel 1 beschrieben sind. Bei jeder Seite de Gussstückes wurde eine Oberflächenhautentfernung bis zu einer Tiefe von 9 mm durchgeführt, und das Gussstück wurde dann bis zu einem Durchmesser von 6 mm warmgewalzt. Es wurden Proben zur Durchführung eines Zugversuches aus diesem Blech geschnitten, und bei 450 &C mit einer Dehnungsgeschwindigkeit von 3 x 10_25_1 geprüft, wobei eine Dehnung von 408% ohne Bruch erreicht wurde, wobei wieder die superplastische Eigenschaft dieses warmgewalzten Erzeugnisses bewiesen ist.

Beispiel 7

Aus den Proben des 6 mm dicken, warmgewalzten Bleches, das im Beispiel 6 beschrieben worden ist, wurden Rohlinge mit einem Durchmesser von 31,8 mm ausgestanzt. Diese wurden bei Raumtemperatur in zylinderförmige Becher von 31,8 mm Durchmesser und einer Höhe von ungefähr 100 mm tiefgezogen. Diese Becher zeigten ein superplastisches Verhalten auf, welches dadurch bewiesen ist, dass sie in komplexe Formen aufgebläht werden konnten, wobei eine Temperatur von 450 °C vorherrschte und Druckluft mit einem Druck 4,2 kg/cm2 verwendet wurde.

Beispiel 8

Die in der Tabelle II aufgezeichneten Legierungen wurden mittels Stranggiessens zu Gussstücken mit Abmessungen von 89 x 229 mm gegossen. Diese wurden dann bis zu einer Dicke von 6 mm warmgewalzt und nachfolgend bis zu einer Dicke von 1 mm kaltgewalzt. Bei einer Temperatur von 450°C und einer Dehnungsgeschwindigkeit von 5 x 10-3 s~1 wurden Zugversuche durchgeführt, und die in der Tabelle II gezeigten Dehnungen gemessen.

Tabelle II

Legierung

% Ca

% Zn

% Dehnung

1

1,0

5,0

65

2

3,5

5,0

198

3

5,0

5,0

300

Diese Ergebnisse zeigen, dass währenddem 1% Ca nicht genügt, um superplastische Eigenschaften zu erzeugen, Zusätze von 3,5% und 5,0% Ca, zusammen mit 5% Zn beide superplastische Eigenschaften ergeben, wobei die letztere Zusammensetzung besser ist und Werte der Zusammensetzung aufweist, die näher der eutektischen Rinne 10 der Zeichnung liegt.

Beispiel 9

Es wurden Legierungen gegossen, die eine Zusammensetzung aufwiesen, wie sie in der nachfolgenden Tabelle dargestellt ist (Rest AI mit handelsüblicher Reinheit), welche gemäss in Zuständen des Beispiels 1 gegossen wurden, und die zu einem 1-mm-Blech ausgewalzt wurden. Dieses Blech wurde dann bei einer Temperatur 450 °C Biegeproben und Zugversuchen ausgesetzt. Die Dorne mit kleinstem Durchmesser, über die die Proben gebogen werden konnten, ohne dass Risse auftraten, sind nachstehend aufgezeichnet. Diese zeigen, dass höhere Gehalte von Zink kleineren minimalen Biegeradien zugeordnet sind, das heisst, dass sie weniger spröde sind. Die Zugversuche bei hoher Temperatur zeigten Dehnungswerte, aus denen hervorgeht, dass diese Legierungen superplastisch sind.

Tabelle III

Legierung

% Ca

% Zn

Minimaler Biegeradius (cm) bei Raumtemperatur

% Dehnung bei 450 °C

A

6,2

2,0

0,371

470

B

5,0

5,0

0,1017

408

C

3,9

8,5

0,04575

155

D

3,6

10,0

0,04575

133

E

3,2

15,0

0,0661

230

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

G

1 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

1. 641 206

   2

   PATENTANSPRÜCHE

   1. Erzeugnis aus einer superplastischen Aluminiumlegierung, welche 2-8% Ca, 1,5-15% Zn enthält, dadurch gekennzeichnet, dass es mindestens 10 Vol-% intermetallischer Ca-Zn-Al-Teilchen mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser im Bereich von 0,05-2 Mikron aufweist, welche Teilchen Bruchstücke von feinen eutektischen Al-Ca-Zn intermetallischen Nadeln sind.
2. 2. Erzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2-7% Ca und 1,5-10% Zn enthält.
3. 3. Erzeugnis nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2-7% Ca und 3-8% Zn enthält, wobei der Gesamtanteil von Ca und Zn 6-14% beträgt.
4. 4. Erzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mengenanteil Ca relativ zum Mengenanteil Zn ± 0,5% des Mengenanteils Ca bei der eutektischen Rinne des Al-Ca-Zn-Systems beträgt (Fig.).
5. 5. Erzeugnis nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zusätzlich zu AI, Ca und Zn mindestens eines der Elemente Mg, Si, Mn, Cu in einem Mengenanteil von jeweils maximal 2% und bis zu jeweils 1%, insgesamt nicht mehr als 2% weiterer Elemente enthält.
6. 6. Erzeugnis nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der folgenden Elemente mit dem angegebenen maximalen Mengenanteil enthalten ist:

   Mg: 0,2%

   Cu: 0,2%

   Si: 1,0%

   Mn: 1,0%

   Fe, Ti, V, Cr, Zr und Sr jeweils: 0,5%, insgesamt maximal 1,0%

   Andere: jeweils 0,25%, insgesamt maximal 1,0%.
7. 7. Verfahren zum Herstellen des Erzeugnisses aus der superplastischen Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Legierung derart gegossen wird, dass ein Gussstück gebildet wird, das in einer Aluminiummatrix feine eutektische Ca-Zn-Al intermetallische Nadeln aufweist,

   b) das Gussstück bearbeitet wird, um die eutektischen Ca-Zn-Al-Nadeln zu zerbrechen.
8. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mittels eines Stranggiessverfahrens mit einer Erstarrungsgeschwindigkeit von 1 cm/min an der Erstarrungsfront unter solchen Zuständen gegossen wird, dass das Wachstum von groben primären intermetallischen Teilchen unterdrückt wird.
9. 9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitung eine Kaltverformung mit einer Querschnittsverminderung von mindestens 60% ist.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kaltverformung ein Walzen des Gussstückes zur Erzeugung einer superplastischen Blechlegierung in Form eines Blechbandes ist.
11. 11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verformte Gussstück zu einer superplastischen Verformungstemperatur im Bereich von 300-600 °C erwärmt und darauf einem Fluiddruck ausgesetzt wird, um es gegen die Oberfläche einer Gussform zu drücken.