DE1608190C - Verfahren zur Erhöhung der Harte und Abriebfestigkeit einer AlZnMg Legierung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Härte und Abriebfestigkeit einer aus 2,6 bis 7,8% Zink, 0,6 bis 3,8% Magnesium, 0,2 bis 1,2% Eisen, 0,2 bis 1,2% Nickel und/oder Kobalt, 0,1 bis 1,2% Mangan, 0,5% oder weniger Chrom, 0,05 bis 1,2% Zirkonium (einschließlich Hafnium) oder Titan, 0,005 bis 0,3% Bor, 0,03 bis 0,85% Silicium, Rest Aluminium, bestehenden Aluminiumlegierung, die in gegossener Form oder nach der Verformung bei 450 bis 490° C lösungsgeglüht und bei einer Temperatur zwischen 85 und 130° C ausgelagert wurde, wobei sie gegebenenfalls vor der Erzielung der maximalen Härte bei der Auslagerung einer plastischen Verarbeitung unterworfen werden kann.'

Aus der deutschen Patentschrift 823 353 sind bereits Aluminiumlegierungen bekannt, die aus 4 bis 10% Zink, 0,5 bis 5% Magnesium, bis zu 0,5% Eisen, bis zu 1% Kobalt und/oder Nickel, bis zu 1% Mangan, bis zu 1% Chrom, 0,05 bis 0,3% Zirkonium und/oder bis zu 0,25% Titan, 0,02 bis 0,2% Bor, bis zu 0,5% Silicium, weiteren Wahlkomponenten und Rest Aluminium bestehen. Diese Legierungen werden nach den Angaben in dieser Patentschrift einer Wärmebehandlung unterzogen, die darin besteht, daß sie bei 46O⁰C lösungsgeglüht und dann bei 125° C ausgelagert werden.

Solche Legierungen haben jedoch den Nachteil, daß ihre Härte weit geringer ist als diejenige von Eisen- und Stahlmaterialien, sowie von anderen nicht eisenhaltigen Materialien, wie beispielsweise Kupferlegierungen, so daß ihre Oberflächen leicht zerkratzt und deformiert werden und einem hohen Abrieb unterliegen. Solche Legierungen können daher für bestimmte Anwendungszwecke, beispielsweise für Mutterschrauben oder für andere Maschinenteile, nicht verwendet werden.

Aus dem Aluminiumtaschenbuch, 12. Auflage (1963), S. 303, ist es ferner bekannt, daß Aluminiumlegierungen durch Durchleiten von Gas durch das flüssige Metall raffiniert werden können, wobei sich in der Praxis als Gase Stickstoff und Chlor besonders bewährt haben. Aus den Angaben in diesem Aluminiumtaschenbuch ist jedoch nicht zu entnehmen, daß durch diese Raffination die Härte und Abriebfestigkeit der behandelten Aluminiumlegierungen irgendwie beeinflußt werden kann.

In der folgenden Tabelle I ist die Härte von üblicherweise verwendeten typischen Baumetallen mit der Härte von üblicherweise verwendeten Aluminiumlegierungen mit hoher Zugbeanspruchbarkeit verglichen.

Tabelle I

Vergleich der Härte von typischen Baumetallen mit der Härte von üblicherweise verwendeten

Aluminiumlegierungen

Material und Bestandteil	Härte	130	Bemerkungen
Niedriggekohlter Stahl (C 0,012 — 0,2)	Brinnel 100 bis	200	normalisierter Zustand
Mittlerer Kohlenstoffstahl (C 0,4 —0,5)	Brinnel 160 bis	220	normalisierter Zustand
Eutektoidstahl (C 0,8 — 0,9)	Brinnel 180 bis		normalisierter Zustand
Messing 7/3 40% verarbeitet	Vickers 160		kaltverformt
8% Zinn-Phosphor-Bronze	Brinnel 170	175	kaltverformt
Monel-Metall	Brinnel 150 bis		heißverformt
Aluminiumlegierung mit hoher Zug
beanspruchbarkeit
2017	Vickers 105		lösungsgeglüht und abge
			schreckt
2014	Vickers 135		lösungsgeglüht, abgeschreckt
			und warmausgelagert
2024	Vickers 125		lösungsgeglüht und abge
		schreckt

Wie aus der vorstehenden Tabelle hervorgeht, ist die Härte einer üblichen Aluminiumlegierung mit hoher Zugbeanspruchbarkeit im allgemeinen auf einen Wert von 120 bis 135 beschränkt, während die Härte von Kupferlegierungen wesentlich höher ist. Auch die Härte von nicht legierten Stählen liegt beträchtlich höher, wenn die Stähle einer Wärmebehandlung unterzogen worden sind. Diese geringe Härte der bisher bekannten Aluminiumlegierungen ist ein Nachteil, der ihre Verwendbarkeit in der Praxis stark einschränkt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Erhöhung der Härte und Abriebfestigkeit einer Aluminiumlegierung an sich bekannter Zusammensetzung, die einer üblichen Lösungsglühung und Auslagerung unterworfen worden ist, anzugeben, mit dessen Hilfe es möglich ist, die Nachteile der bisher bekannten Aluminiumlegierungen, insbesondere ihre geringe Härte und Abriebfestigkeit, zu überwinden.

Es wurde gefunden, daß diese Aufgabe dadurch gelöst werden kann, daß die Schmelze der speziellen Aluminiumlegierung einer Stickstoffbehandlung unterzogen wird.

Gegenstand der Erfindung ist nun ein Verfahren zur Erhöhung der Härte und Abriebfestigkeit einer Aluminiumlegierung der eingangs genannten Zusammensetzung, die in gegossener Form oder nach der Verformung bei 450 bis 490⁰C lösungsgeglüht und bei einer Temperatur zwischen 85 und 130° C ausgelagert wurde, wobei sie gegebenenfalls vor der Erzielung der maximalen Härte bei der Auslagerung einer plastischen Verarbeitung unterworfen werden kann, das dadurch gekennzeichnet ist, daß durch die geschmolzene Legierung Stickstoff oder ein Stickstoff enthaltendes oder abspaltendes Gas geleitet wird.

Nach dem Verfahren der Erfindung erhält man Aluminiumlegierungen, die eine wesentlich höhere Härte und Abriebfestigkeit als die bisher bekannten Aluminiumlegierungen entsprechender Zusammensetzung aufweisen, so daß sie nun auch für die Herstellung von beispielsweise Schrauben, Klemmen, Muttern, Federn oder anderen Maschinenteilen, die eine ähnlich hohe Abriebbeständigkeit wie beispielsweise Eisen und Stahl haben müssen, geeignet sind.

Die nach dem Verfahren der Erfindung herstellbaren Aluminiumlegierungen können heiß- und kaltverformt werden und weisen eine derart hohe Härte auf, wie sie mit den bisher bekannten Aluminiumlegierungen niemals erzielt worden ist.

Das Wesen des beanspruchten Verfahrens besteht darin, daß die geschmolzene Aluminiumlegierung nach dem Schmelzen unter Aufrechterhaltung der Schmelztemperatur einer Stickstoffbehandlung unterzogen wird, wobei Stickstoff oder ein Stickstoff enthaltendes Gas, beispielsweise Ammoniak, durch die geschmolzene Legierung geleitet wird. Man kann aber auch so verfahren, daß man eine Stickstoff enthaltende Verbindung, z. B. eine Ammonium enthaltende Verbindung oder ein Nitrat, zusetzt, die Stickstoff abspaltet. Dadurch wird das in der Legierung enthaltene Zirkonium, das in einigen Fällen durch Titan oder Hafnium ersetzt sein kann, als Zirkonnitrid dispersionsgehärtet. Auch das darin enthaltene Bor bildet teilweise Bornitrid und begünstigt die Verfestigung der Dispersion. In ähnlicher Weise wirken die Legierungsbestandteile Eisen, Nickel und Kobalt, während der Zusatz von Chrom die Feinheit der Kristallkorngröße sowie die Zähigkeit verbessert und kleine Mengen an Silicium die durch Auslagerung erzielbare Härte verbessern.

In der folgenden Tabelle II sind zwei Beispiele für nach miniumlegierungen angegeben.

Tabelle II

dem Verfahren der Erfindung herstellbare Alu-

Zusammensetzungen der Al-Legierungen in den erfindungsgemäßen Beispielen

	Zn	Zn	Mg	Ni	Zr	Fe	B	Si	Mn	Al
Beispiel 1	5,0	5,2	2,0	0,4	0,35	0,4 '	0,006	0,4	0,6	Rest
	Mg	Ni	Zr	Fe	B	Si	Mn	Co	Al
Beispiel 2	2,0	0,2	0,35	0,8	0,1	0,18	0,3	0,6	Rest

Die Al-Legierungen der vorstehend angegebenen Zusammensetzungen werden nach Beendigung der Stickstoffbehandlung des geschmolzenen Metalls zu einem Block vergossen und anschließend zur Heißverformung oder anschließend an die Kaltverformung vorerhitzt. Danach werden die Legierungen der Lösungsglühung bei Temperaturen von 450 bis 490° C unterzogen, zur Durchführung der Warmauslagerung auf Temperaturen von 85 bis 130° C schnell abge-. kühlt und wie oben angegeben warm ausgehärtet.

Die Härteentwicklung der Al-Legierungen gemäß den Beispielen 1 und 2, nach der Lösungsglühung sowie bei der Warmauslagerung sind in der folgenden Tabelle III zusammengefaßt.

Tabelle III

Auslagerungshärtung der erfindungsgemäß

erhältlichen Legierungen

Mikro-Vickers-Härte

Beispiel 1...
Beispiel 2...

Lösungsglühung

93,6
92,8

Auslagerüngszeit (Std.)
18 ' 36 55

157
148

176
172

181 177

Wie aus der vorstehenden Tabelle III hervorgeht, erreicht die Härte nach der Warmauslagerung einen

Wert von 180. Dies ist die höchste Härte einer üblichen Aluminiumlegierung. Diese Härte entspricht der Härte eirler gehärteten Phosphorbronze oder der Härte eines Stahls mit mittlerem Kohlenstoffgehalt. Wird die Warmaüslagerung der erfindungsgemäß behandelten Legierung abgestoppt, bevor die höchstmögliche Härte durch diese Behandlung erzielt worden ist, dann ist es möglich, eine Vickers-Härte von 200 oder darüber zu erzielen, indem diese Legierung um ungefähr 50% kaltverformt wird. Beispielsweise wird danach eine Legierung mit einer Vickers-Härte von 205 gemäß Beispiel 1 und einer Vickers-Härte von 201 gemäß Beispiel 2 erhalten, wobei diese Härten ungefähr doppelt so hoch sind wie die Härte von Duralumin 2017 und der Härte einer Kupferlegierung oder sogar derjenigen eines Eisenmaterials entsprechen.

Erfindungsgemäß behandelte Al-Legierungen besitzen, wie vorstehend erläutert, nach der angegebenen Wärmebehandlung sowohl im gegossenen als auch im gekneteten Zustand eine hohe Härte.

In der folgenden Tabelle IV sind die Zusammensetzungen des Beispiels 3 sowie die Härteentwicklung unter derartigen Behandlungsbedingungen, wie sie vorstehend beschrieben wurden, zusammengefaßt.

Tabelle IV
Zusammensetzung und Auslagerungshärtung einer erfindungsgemäß hergestellten gegossenen Legierung

Metallform, gegossen

Zn

Mg

Zr

Fe

Cr

Si

Mn

Beispiel 3

5,0

2,0

Auslagerungshärtung
(Mikro-Vickers-Harte: wie vorstehend)

Gegossener
Zustand

127

Lösungsbehandlung

84

Auslagerungszeit (Std.)

157

40

169

45

181

Die erfindungsgemäß hergestellte AI-Legierung besitzt, wie vorstehend gezeigt wird, bereits nach dem Guß eine beträchtliche Härte (Vickers-Härte von 127); durch die angegebene Wärmebehandlung erreicht die Härte der erfindungsgemäß hergestellten Al-Legierung eine Vickers-Härte, die einen Wert von bis zu 180 erreichen kann, so daß die Aluminiumlegierung in Form eines vergossenen Produktes eine ausgezeichnete Abriebbeständigkeit besitzt.

Die erfindungsgemäß, erhältliche Aluminiumlegierung mit hoher Härte besitzt ausgezeichnete Eigenschaften, welche auf ihre Zusammensetzung sowie, wie vorstehend gezeigt wurde, auf verschiedenen Behandlungen, welche für die Zusammensetzung geeignet sind, zurückgehen.

Zirkonium (in einigen Fällen auch Titan oder Hafnium) und Bor bilden, wie vorstehend bereits erläutert, Dispersionsteilchen in Form von Nitriden dieser Elemente durch die Lösungsglühung, wobei durch Blockierung der Bewegung der Versetzungslinie eine Dispersionsverfestigung erfolgt. Die geeignete Zirkoniummenge oder die Menge eines Metalls einer Gruppe, in dem dieses Element vorkommt, beträgt 0,05 bis 1,2%, während- die Bormenge bei 0,005 bis 0,3% liegt. Liegt die Meng_e eines dieser Elemente unterhalb der unteren Grenze, dann wird keine Wirkung festgestellt, übersteigt andererseits die Menge dieser Elemente die obere Grenze, dann wird die Verarbeitbarkeit verschlechtert, wobei die 0,35

0,7'

0,1

0,1

0,35

0,7

Legierung unter Umständen brüchig werden kann. Die Ubergangsmetalle Eisen, Nickel und Kobalt der Gruppe VIII des periodischen Systems besitzen in Aluminium nur eine sehr geringe Löslichkeit und konzentrieren sich um die Kristallkorngrenze, wodurch die Nachbarschaft der Korngrenze durch Erhöhung der Versetzungsdichte verfestigt wird und die Verarbeitungshärtung begünstigt wird. Werden diese Metalle einzeln verwendet, dann kann, wie vorstehend erwähnt, die Auslagerungshärtung in nachteiliger Weise beeinflußt werden, während die gleichzeitige Verwendung von wenigstens zwei derartigen Elementen die Auslagerungshärtung nicht beeinflußt, so daß diese Elemente aus diesen Gründen gleichzeitig zugesetzt werden. In diesem Falle beträgt die geeignete Menge eines jeden dieser Bestandteile 0,2 bis 1,2%. Ist die Menge geringer als die untere Grenze, dann tritt keine Wirkung auf. übersteigt die Menge die obere Grenze, dann wird die Korrosionsbeständigkeit in nachteiliger Weise beeinflußt, wobei außerdem die Zähigkeit vermindert wird.

Chrom und Mangan als Vertreter der Gruppen VI und VII verhindern eine nachteilige Beeinflussung der Korngrenze dadurch, daß die Kristallkörner, ähnlich wie bei der Einwirkung von Eisen, kleiner gemacht werden, was zur Folge hat, daß die Korrosionsbeständigkeit erhöht wird. Beide Elemente sind sehr geeignet, insbesondere dann, wenn Chrom in einer Menge von 0,5% oder darunter enthalten ist. 0,1 bis 1,2% Mangan üben eine Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Verformbarkeit aus. Silicium begünstigt die Auslagerungshärtung und hat, ähnlich wie Eisen und die anderen Ubergangsmetalle, eine Wirkung hinsichtlich der Verhinderung einer nachteiligen Beeinflussung der Korngrenze. Die Zugabe einer großen Siliciummenge verschlechtert jedoch die Verarbeitbarkeit. Die geeignete Menge liegt zwischen 0,05 und 0,88%.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung der Härte und Abriebfestigkeit einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 2,6 bis 7,8% Zink, 0,6 bis 3,8% Magnesium, 0,2 bis 1,2% Eisen, 0,2 bis 1,2% Nickel und/oder Kobalt, 0,1 bis 1,2% Mangan, 0,5% oder weniger Chrom, 0,05 bis 1,2% Zirkonium (einschließlich Hafnium) oder Titan, 0,005 bis 0,3% Bor, 0,03 bis 0,85% Silizium, Rest Aluminium, die in gegossener Form oder nach der Verformung bei 450 bis 490⁰C lösungsgeglüht und bei einer Temperatur zwischen 85 und 130° C ausgelagert wird, wobei sie gegebenenfalls vor der Erzielung der maximalen Härte bei der Auslagerung einer plastischen Verarbeitung unterworfen werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß durch die geschmolzene Legierung Stickstoff oder ein Stickstoff enthaltendes oder abspaltendes Gas geleitet wird.

2. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung, bestehend aus 5,0% Zink" 2,0% Magnesium, 0,4% Nickel, 0,35% Zirkonium, 0,4% Eisen, 0,006% Bor, 0,4% Silicium, 0,6% Mangan, Rest Aluminium.

3. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung, bestehend aus 5,0% Zink, 2,0% Magnesium, 0,2% Nickel, 0,35% Zirkonium, 0,8% Eisen, 0,6% Kobalt, 0,1% Bor, 0,18% Silicium, 0,3% Mangan, Rest Aluminium.

4. Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 1 auf eine Legierung, bestehend aus 5,0% Zink, 2,0% Magnesium, 0,55% Nickel, 0,35% Zirkonium, 0,7% Eisen, 0,1% Chrom, 0,1% Bor, 0,35% Silicium, 0,7% Mangan, Rest Aluminium.