DE2446933A1 - Verfahren zum waermebehandeln von gegenstaenden - Google Patents

Description

1 BERLIN Auguete-Viktoria-Strafle Pat.-Anw. Dr. Ing. Ruschks Pat.-Anw. Dipl.-lng. Olaf Ruechke

Telegramm-Adresse: Quadratur Berlin TELEX: 183786

Dr. RUSCHKE &. PARTNER PATENTANWÄLTE

BERLIN - MÖNCHEN

8 MÜNCHEN

PienzenauerstraSe 2 Pat.-Anw. Dipl.-lng. Hans E. Ruschke

.Telefon: 089/98 03

Telegramm-Adress·: Qudadratur München TELEX: 522767

1. Okt. 1974

A 1471

ALUMINUM COMPANY OF AMERICA

ALCOA BUILDING, PITTSBURGH, STATE PENNSYLVANIA,

U.S.A.

Verfahren zum Wärmebehandeln von Gegenständen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum

Wärmebehandeln von Gegenständen aus einer Aluminiumlegierung. !

Der Zustand der Ausscheidungshärtung einer Aluminiumlegierung - 7o75, welcher als der T6-Zustand der Legierung-7o75 bezeichnet wird, hat unter bestimmten Beanspruchungsbedingungen keine ausreichende Beständigkeit gegen Korrosion erge-

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ben. Der T 73-Zustand verbessert die Beständigkeit einer ausscheidungsgehärteten 7o75-Legierung gegen Spannungskorrosionsrisse, obwohl er die Festigkeit beträchtlich gegenüber dem To-Zustand herabsetzt.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Gegenstandes geschaffen, welcher aus einer Legierung besteht, die im wesentlichen aus Aluminium, 4 bis 8 % Zink, 1,5 bis 3,5% Magnesium, 1 bis 2,5 % Kupfer und wenigstens aus einem Element besteht, das von o,o5 bis o,3 % Chrom, o,1 bis o,5 % Mangan oder o,o5 bis o,3 % Zirkon umfaßt. Das Verfahren schließt das Lösungsglühen des Gegenstandes, anschliessendes Ausscheidungshärten des Gegenstandes bei 8o bis 163⁰C, danach ein Aussetzen des Gegenstandes einer Zeit und Temperatur innerhalb des Umfanges ABCD in Fig. 4 und dann nochmaliges Ausscheidungshärten bei 8o bis 163°C ein.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1-3 Elektronenmikroaufnahmen von Abschnitten in einer

Platte aus einer Aluminiumlegierung-7o75. Der o,1 Mikron entsprechende Abstand ist in den Aufnahmen eingetragen. Die dort gezeigten Metalloberflächen waren alle

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senkrecht zu der Walzrichtung der Platte.

Fig. 1 zeigt einen bekannten, lösungsgeglühten und spannungsentlasteten Zustand, der als W 51 -Zustand bezeichnet wird,

Fig. 2 einen bekannten ausscheidungsgehärteten Zustand, welcher als Τβ-Zustand bezeichnet wird,

Fig. 3 einen bekannten, gegen Spannungskorrosionsrisse beständigen Zustand, welcher als T 73-Zustand bezeichnet wird,

Fig. 4 ein Diagramm, welches die Merkmale der Erfindung zeigt.

Die Legierungen gemäß Erfindung haben eine Zusammensetzung von 4 - 8 % Zink, 1,5 bis 3,5 % Magnesium, 1 - 2,5 % Kupfer und wengistens 1 Element bestehend aus Chrom von o,o5 bis o,3 % Mangan von o,1 bis o,5 % oder Zirkon von o,o5 bis o,3 %. Der Rest der Zusammensetzung ist im wesentlichen Aluminium.

Die von der Aluminiumindustrie mit 7o75 bezeichneten Legierungen sind für die vorliegende Erfindung bevorzugt und haben eine Zusammensetzung von 5,1 bis 6,1 % Zink, 2,1 bis 2,9 %. Magnesium, 1,2 bis 2 % Kupfer, o,18 bis o,35 % Chrom, maximal

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o,3o % Mangan, maximal o,4o % Silizium, maximal o,5o % Eisen, maximal o,2o %-Titan, andere je maximal o,o5 % und insgesamt maximal o,15 %, Rest Aluminium.

Die erfindungsgemäß verwendeten Legierungen können ebenfalls eine oder mehrere der Gruppe das Korn verfeinernder Elemente enthalten einschließlich Titan von o,o1 bis o,2 % und Bor ;n o,ooo5 bis o,oo2 %. Diese Elemente erzeugen eine feine Korngröße in dem Gußgefüge der Legierung. Dies ist im allgemeinen für die mechanischen Eigenschaften vorteilhaft.

Zusätzlich kann es nützlich sein, o,oo1 bis o,oo5 ^r/> Beryllium hinzuzufügen, um die Oxydation zu Zeiter, auf ein Minimum herunterzusetzen, wenn die Legierung geschmolzen ist.

Eisen und Silizium sind im allgemeinen als Verunreinigungen vorhanden.

Bis zu o,5 /ο Eisen kann toleriert werden, und der Siliziumgehalt sollte o,4 % nicht übersteigen, um die Ausbildung einer wesentlichen Menge der intermetallischen Verbindung Si zu vermeiden.

Eine bevorzugte Wärmebehandlung gemäß Erfindung zum Erzielen einer verbesserten Beständigkeit gegen Spannungskorrision be-

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steht darin, die Legierung, wie sie oben definiert ist, in dem -ausscheidungsgehärteten T6-Zustand in geschmolzenes Metall während einer Zeit und Temperatur innerhalb des Umfanges des Rechteckes EFGH in Fig. 4 einzutauchen und dann nochmals eine Ausscheidungshärtung durchzuführen.

Weitgehend definiert kann ein T6-Zustand durch Ausscheidungshärten einer lösungsgeglühten Legierung bei 8o bis 163°C erhalten werden. Typische Bedingungen können sein:

a) für Legierungen, welche weniger als 7,5 % Zink enthalten, Erwärmen eines lösungsgeglühten Gegenstandes auf 93 bis 135 C und Halten während einer Periode von 5 - 3o Stunden;

b) für Legierungen, welche mehr als 7,5 % Zink enthalten, Erwärmen eines lösungsgeglühten Gegenstandes auf 8o bis 135⁰C und Halten während einer Periode von 3 - 3o Stunden.

Gewöhnlich wird der T6-Zustand erhalten, indem eine Probe in einem Luftumwälzofen während 24 Stunden auf 121 C erwärmt wird.

Gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Legierung lösungsgeglüht, dann bei einer Temperatur von 8o bis 163°C ausscheidungsgehärtet, dann einer Zeit und Temperatur innerhalb des Umfanges ABCD vorzugsweise EFGH ausgesetzt und dann wiederum während einer Zeit von 2 -

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Stunden bei einer Temperatur von 132 bis 1oo°c ausscheidungsgehärtet.

Der "rtikel von J.T. Staley, "Heat Treating Characteristics Of High Strength Al-Zn-Mg-Cn-Alloys with and without Silver Additions ", welcher auf Seiten 191 bis 199 in der Ausgabe Januar 1972 von "Metallurgical Transactions erschienen ist, veröffentlicht von ASM/AIME, zeigt, daß die Erwärmungs-/ Abschreckgeschwindigkeit, der Zeitablauf zwischen dem Erwärmen/Abschrecken und dem Beginn des Erwärmens für das Ausscheidungshärten und die Erwärmungsgeschwindigkeit für das Ausscheidungshärten die maximale Streckgrenze beeinflussen können, welche bei 7o75 - Aluminiumlegierungen erzielbar ist. Es ist innheralb des Kernes der Erfindung beabsichtigt, die Lehren von Staley zwecks Optimieren der Ergebnisse zu verwenden. Somit kann es zwecks Verbesserns der Festigkeit vorteilhaft sein, Proben,, welche ihre Lösungsglüh- und Abschreckbehandlung beispielsweise 11/2 Jahr früher erfahren haben, in geschmolzenes Woodmetall gemäß Erfindung einzutauchen.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 bis 3 sind Elektronenaufnahmen verschiedener Mikrostrukturen gezeigt, welche für die Betraohung der Erfindung wesentlich sind.

Alle Fig. 1-3 wurden aus einer 6,3 mm dicken 7o75 - AIu-

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miniumlegierungsplatte der Zusammensetzung A in Tabelle 1 genommen. Fig. 1 bis 3 sind Mikrostrukturen bekannter Zustände einer 7o75-Legierung. In Fig. 1 ist ein Beispiel des W51-Zustandes (lösungsgeglüht) wiedergegeben. Eine W51-Mikrostruktur wird in einer 7o75-Aluminiumlegierungsplatte erhalten, indem auf 482⁰C erhitzt und dann in Wasser bei Raumtemperatur abgeschreckt wird. Das Plattenmaterial wird dann auf 1,5 bis 3 % bleibende Dehnung zwecks Spannungsentlastung gestreckt. Dies ergibt die MikroStruktur, die in Fig. 1 gezeigt ist und E-Phasenpartikel einer Al-Mg-Cr-Ausscheidung, Matrixbereiche R von einphasigem Aluminium fester Lösung, Korngrenzen B und Versetzungen D aufweist. Der Aderungseffekt, der in dem Matrixbereich in Fig. 1 erscheint, ist Gegenstand der Wirkung der Verdünnungslösung, die zum Zubereiten von verdünntem Material für die Übermikroskopie verwendet worden ist.

Tabelle I

Zusammensetzung der Legierungen in Gewichts%.

Element	Legierung	A	B
Cu	1.45	1.63
Fe	0.19	o.3o
Si	o.o9 .	0.12 .
Mn	o.o2	o.o7
Mg	2.4o	2.48
Zn	5.92	5.68 '
Ni	0.00	0.00
Cr	0.18	0.19
Ti	o.o2	ο. o5
Be	o.oo1	O.OO1.

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Fig. 2 zeigt die 7o75-Legierung nach Fig. 1, nachdem sie auf dem T 6, insbesondere T 651-Zustand durch Erwärmen des W51-Materials in einem Luftumwälzofen während 24 Stunden auf 121⁰C gebracht worden is1;. Die Ε-Phase verbleibt im wesentlichen unverändert. Versetzungen D und eine Korngrenze B sind gezeigt. Hier sind in der Matrix viele kleine schwarze Punkte erschienen, welche als G.T.-Zonen bezeichnet werden und Anhäufungen von Magnesium und Zinkatomen im allgemeinen in einem Verhältnis von 2 Zinkatomen pro Magnesiumatom sind.

In Fig. 3 ist eine Probe gezeigt, welche aus der gleichen Platte nach Fig. 1 und 2 in dem T 73-Zustand entnommen worden ist, welcher aus W 51-Material durch Erwärmen in Luftumwälzöfen zunächst während 24 Stunden auf 121⁰C und dann während 8 Stunden auf 177⁰C erzeugt sind. Ein Komgrenzenpräzipitat 1o ist erschienen, und die G.P.-Zonen sind auf eine größere Größe gewachsen. Die G.P.-Zonen haben begonnen, Kristallinität nachzuweisen, indem sie Röntgenstrahl-Beugungsfiguren ergeben und werden vom Fachmann als M¹- und M-Phase bezeichnet. Lösungspotential-Studien zeigen an, daß die M¹- und M-Phasen einige Kupferatome enthalten. Es wird angenommen, daß die G.P.Zonen zur Kristallinität fortschreiten, indem sie zunächst zur M¹-Phase werden, welche noch teilweise zusammenhängend mit der Matrixkristallstruktur ist. Die M'-Phase ändert sich dann zur M-Phase, welche eine Kristallstruktur aufweist, die von

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der Matrix unterschiedlich ist. Es wird auch angenommen, daß das Fortschreiten durch die M¹-Phase zur M-Phase die ursprünglichen G.P.-Zonen bezüglich der Matrix zunehmend anodisch macht und daß die sich ergebenden anodischen Partikel in der Matrix gegen Spannungskorrosionsrisse schützen.

Die Erfindung wird weiter an den nachfolgenden Beispielen erläutert.

Beispiele 1 bis 8

Für jedes Beispiel wurden zwei Zugstäbe von 9,5 mm χ 9,5 mm χ 63,5 mm aus einem Stück einer 63,5 mm dicken 7o75-T-651-Legierungsplatte (metallurgische Entwicklung wie in Fig. 2 beschrieben) geschnitten, so daß ihre Längen in Richtung der Kurzseite sind, d.h. in der Richtung senkrecht zu der Oberfläche der Platte.

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- 1ο -

Tabelle II

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Zeiten und Temperaturen in Woodmetall für Beispiele 1-8 und die Koordinaten der Punkte A bis H.

Beispiel-Nummer	Zeit,	Temperatur
oder Punkt.	min.	0F
1	0.5	475
2	1.0	475 -
3	1.5	445
4	4.0	445.
5	7.0	4oo
6	15.0	4oo
7	7.0	375
8	15.0	375
A	2o.o	36 ο
B	0.2	5oo
C	1.0	5oo
D	15o.o	36o
E	2o.o	38o
F	0.8	48o
G	1.2	48o
H	4o.o	38o

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Die chemische Zusammensetzung der Legierung ist wie für die Legierung B in Tabelle I dargestellt. Die Zugproben für jedes Beispiel wurden in geschmolzenes Woodmetall mit einer Zusammensetzung von 5o% Wismuth, 25% Blei, 12,5% Zinn und 12,5% Cadmium eingetaucht. Die Eintauchtemperaturen und -zeiten sind tabellarisch in Tabelle II wiedergegeben und in Fig. 4 eingezeichnet. Nach dem Eintauchen in das geschmolzene Woodmetall wurden die gekühlten Proben dann ausscheidungsgehärtet, indem sie in einem Luftumwälzofen während einer Zeit von 24 Stunden auf 121⁰C erhitzt wurden. In jedem der Beispiele 1 bis 8 wurde eine Zugprobe in einem Zugstab mit einem Durchmesser von 3,18 mm gearbeitet, um ihn einer 3,5 %igen Natriumchloridlösung mittels abwechselnden Eintauchens bei einem Spannungsniveau von 42, ksi gemäß der "Military Specification MIL-A-22771B" auszusetzen. Die Proben wurden bis zum Bruch mit aufeinanderfolgendem Eintauchen während 1o Minuten in die Salzlösung und anschließend 5o Minuten in Luft gehalten. Die Anzahl der Tage bis zum Bruch unter einer solchen Behandlung ist in Fig. 4 oberhalb des Zeit-Temperatur-Punktes für jedes Beispiel wiedergegeben. Die verbleibende Probe eines jeden Beispiels wurde auf die Streckgrenze geprüft. Die Streckgrenzendaten für Beispiel 1 bis 8 sind in Fi.g 4 unterhalb den Zeit-Temperatur-Punkten in %-Angaben einer Streckgrenze von 62,3 ksi für den T 651-Zustand wiedergegeben.

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Es folgen weitere Beispiele einer bevorzugten Ausführungsform gemäß der Erfindung, wobei die zweite Ausscheidungshärtestufe während 2 bis 3o Stunden bei einer Temperatur von 132 und i6o°C durchgeführt wird.

Beispiele 9 bis 14

Das Verfahren war wie für Beispiel 1 bis 8 beschrieben mit der Ausnahme, daß alle Proben vor dem zweiten Ausscheidungshärten in ein geschmolzenes Woodmetall während 9o Sekunden bei 23o°C eingetaucht wurden. Andere Parameter und Ergebnisse sind wie in Tabelle III angegeben. Die Beispiele 9 bis 11 bilden eine Gruppe von Vergleichsbeispielen, welche sich durch 3 Stunden auf Temperatur in der zweiten Ausscheidungshärtestufe auszeichnen, wobei die Beispiele 12 bis 14 eine zweite Gruppe bilden, welche in der zweiten Ausscheidungshärtestufe während 24 Stunden auf Temperatur gehalten wurden. Die überlegene Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, die erzielt wird, wenn das zweite Ausscheidungshärten während 2 bis 3o Stunden bei 132 bis i6o°C durchgeführt wird, ergeben sich durch Vergleiche der Beispiele innerhalb der Gruppen. '

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oo oo

Tabelle III

Parameter und Daten für Beispiele 9 bis 14, eingeschlossen ein Eintauchen einer Aluminiumlegierung 7o75-T651 in geschmolzenes Woodmetall während

9o Sekunden bei 23o°C, danach eine zweite Ausscheidungshärtestufe,

Beispiel Nr.	Zeit (Stunden) & Temperatur ( F) der zweiten Aus- s ehe idungshärtung	Bruchfestigkeit	Streckgrenze ksi	Tage bis	> Bruch
9	3 Std./ 25o°F	67.2	58.5	42 ksi Lastniveau	35 ksi Lastniveau
1o	3 Std./ 275°F	68.8	58.8	27	8o
11	3 Std./ 3oo°F	66.8	58.1	43	62
12	24-Std./ 25o°F	7o.5	62.9	6o	84 £
13	24 Std./ 2750F	69.5	61. ο	49	5o
14 '	24 Std./ 3oo°F	69.6	61.4	47	61
56	63
>TvT»

CP) <D CO LJ

Die folgenden Definitionen wurden gegeben:

a) Der Ausdruck "ksi" ist äquivalent zu kilopounds pro inch ;

b) wenn Prozente angegeben sind, sind dies Gewichtsprozente, wenn nichts anderes erwähnt ist;

c) die Buchstaben "G.T." stehen für Guinier-Preston.

Die oben wiedergegebene Beschreibung der Erfindung kann auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden, ohne sich Jedoch dabei vom Kern der Erfindung zu entfernen.

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Claims (5)

Patentansprüche

1.) Verfahren zum Wärmebehandeln eines Gegenstandes aus einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gegenstand behandelt wird, welcher aus einer Legierung zusammengesetzt ist, die im wesentlichen aus Aluminium, 4 bis 8 % Zink, 1,5 bis 3,5 #.Magnesium, 1 bis 2,5 % Kupfer und wenigstens aus einem Element bestehend aus o,o5 bis o,3 % Chrom, o,1 bis o,5% Mangan oder o,o5 bis o,5 % Zirkon besteht, daß der Gegenstand lösungsgeglüht und dann bei 8o bis 163⁰C ausscheidungsgehärtet wird, daß dann dieser Gegenstand einer Zeit und einer Temperatur innerhalb des Umfanges ABCD in Fig. 4 unterworfen wird und anschließend wiederum bei 8o bis 163⁰C ausscheidungsgehärtet wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wiederholte Ausscheidungshärten bei einer Temperatur von 132 bis i6o°C während 2 bis 3o Stunden durchgeführt wird.

3.) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Aussetzen während einer Zeit und einer Temperatur innerhalb des Umfanges EFGH in Fig. 4 erfolgt.

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4.) Verfahren nach einem der-vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß dieses Aussetzen ein Eintauchen des Gegenstandes in eine Flüssigkeit umfaßt, welche diese Temperatur aufweist.

5.) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkeit ein geschmolzenes Metall ist.

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