DE1922213A1

DE1922213A1 - Zink-Aluminium-Legierungen

Info

Publication number: DE1922213A1
Application number: DE19691922213
Authority: DE
Inventors: George Anthony Hare; Alan Ernest William Smith
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1968-05-03
Filing date: 1969-04-30
Publication date: 1969-11-20
Also published as: JPS4916701B1; FR2007807A1; US3676115A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf neue Zink-Aluminium-Legierungen, die 70 bis 82 Gew. -*% Zink und außerdem im wesentlichen Aluminium enthalten»

Binäre Zink-Aluminium-Legierungen mit ?8 Gew.-# Zink und 22 Gew.-J& Alximinium sind bekannt· Diese Legierungen können durch eine geeignete Wärmebehandlung eine lamellare oder nichtlamellare Struktur erhalten, werden jedoch industriell nicht verwendet, da sie folgende nachteiligen Eigenschaften aufweisen:

a) Die Reaktionsgeschwindigkeit während und nach dem Abschrecken ist groß, so daß sich Begrenzungen der Werkstückabmessungen und der Beeinflussung der erhaltenen Strukturen ergeben;

b) die mechanischen Eigenschaften sind unzureichend;

c) die Feuchtigkeitsbeständigkeit ist gering«

Es wurde nun gefunden* daß Zink-Äluminium-Legi er ungern mit besseren und unerwarteten Eigenschaften ohne die erwähnten Nachteile erhältlich sind* wenn man ihnen eines oder mehrere der Elemente Magnesium, Kupfer und Lithium zusetzt. Besondere Eigenschaften der neuen Legierungen gemäß der Erfindung lassen sich weiter durch den Zusatz geringer Mengen von Nickel und/oder Silber verbessern.

Die neuen Legierungen enthalten erfindungsgemäß 70 bis 82 Gew.-% Zink, mehr als 0,05 bis 0,25 Gew.-# Magnesium, bis zu 2 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Kupfer, Nickel und Silber, Rest im wesentlichen Aluminium.

Wenn der gewählte Zusatz Kupfer ist, können die Legierungen in passender Weise Magnesium im Bereich von mehr als 0,05 bis 0,2 Gew.-# enthalten, und die Kupfermenge liegt im Bereich von 0 bis 1,0 Gew.-%.

Das Magnesium in den vorstehend genannten Legierungen kann durch Lithium ersetzt werden.

Die Legierungen können nach üblichen metallurgischen Verfahren geschmolzen werden, wobei die nötige Aufmerksamkeit aüf^ v£ das Rühren zu lenken ist, da ein großer Unterschied der spezifischen Gewichte von Zink und Aluminium vorliegt, und die übrigen erforderlichen Elemente, wie Magnesium, Kupfer* Lithium, Nickel oder Silber, können als Vorlegierung zugesetzt werderi.,

Die Auswahl und Mengen der Zusatzelemenfce für diet Zink-Aluminium-Basislegierung richten sich in erster Linie nacht den in der erhaltenen Legierung gewünschten Eigenschaften. Bei

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allen neuen Legierungen gemäß der Erfindung wird die Reaktionsgeschwindigkeit des binären Zink/Aluminium-Eutektoids, d.h. die Geschwindigkeit der Umwandlung der sehr schnell abgekühlten metastabilen > -Phase in die ν -ß-Gleichgewichtsmischung verlangsamt. Obwohl Magnesium, Kupfer und Lithium in dieser Hinsicht wirksam sind, ist Magnesium 10 mal so wirksam wie Kupferj Magnesium über etwa 0,12$ mit oder ohne Kupfer ergibt eine Kornfeinung durch freie Teilchenbildung.

Die bekannte Anfälligkeit der binären Zink-Aluminium-Legierungen gegenüber Feuchtigkeitsangriff wird durch den Zusatz eines oder mehrerer der Elemente Magnesium und Kupfer merklich verringerte Diese Empfindlichkeit wird durch den Zusatz von etwa 0,lGew.-# Magnesium oder 1,0 Gew„-# Kupfer auf etwa 1/10 des Wertes gesenkt. Kombiniert verringert der Zusatz von Magnesium und Kupfer die Anfälligkeit auf ein praktisch vernachlässigbares Maß.

Lithium verbessert neben der Verminderung der Reaktionsgeschwindigkeit ebenfalls die Peuohtigkeitsbeständigkeit.

Nickel ergibt kombiniert mit Aluminium Teilchen einer unabhängigen Peinstrukturphase und kann verwendet werden, um insbesondere bei Legierungen mit einem niedrigen Magnesiumgehalt eine Kornverfeinerung zu bewirken.

Silber kann teilweise als Ersatz für Kupfer verwendet werden. Viele Legierungskombinationen gemäß der Erfindung, z.B. die mit sowohl Magnesium als auch Kupfer, lassen sich unter geeigneten Wärmebehandlungen herstellen, um Zugfestigkeitswerte im Bereich

von 39,4 bis 47,2 kg/mm bei Dehnungsgrenzen von 31,5 bis 39,4 kg/mm und Dehnungen über 15# zu erhalten. Bei solchen Kombina_r

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tionen verbessert der Zusatz von Kupfer die Sohlagfestigkeitswerte unter dem Gefrierpunkt.

Zink-Aluminium-Legierungen mit sowohl Magnesium als auch Kupfer besitzen hervorragende Gesamteigenschaften,»wenn die Gehalte an Magnesium und Kupfer im Bereioh von 0,125 + 0,025 bzw. 1,25 + 0,25 Gew.-# liegen. Abweichungen in der Zusammensetzung, sowohl hinsichtlich des Legierungselementes oder der Legierungselemente, die zugesetzt werden, als auch ihrer Mengen, können vorgenommen werden, um bestimmte Eigenschaften, wie z.B. die Steuerung der Reaktionsgeschwindigkeit, stärker zu betonen, und so eine Anpaßbarkeit bei der Herstellung eines gewünschten Endzustandes mittels besonderer Heretellungszyklen zu erreichen.

Abweichungen in den Gehalten an Zink und Aluminium von der Eutektoidzusammensetzung (78 Gew.-^ Zink, 22 Gew.-^ Aluminium) ergeben Legierungen mit geringfügig unterlegenen Eigenschaften, jedoch ohne schädliche unerwünschte Eigenschaften zu zeigen. Diese Eigenschaftsänderungen treten indessen schrittweise auf, und innerhalb des angenäherten Bereiches von 74 bis 82 Gew.-^ Zink und 26 bis 18 Gew.-Ji Aluminium ist die Verschlechterung der physikalischen Eigenschaften der Legierungen gemäß der Erfindung unschädlich, sofern die richtigen Wärmebehandlungen durchgeführt werden. So macht die chemische Segregation, die man normalerweise in großen Blöcken antrifft, keine Schwierigkeiten.

Legierungen mit geringeren Zink-Gehalten, bis herab zu 70 %_t sind nicht so fest. Ihre Ansprechgeschwindigkeit auf eine Vergröberungswärmebehandlung ist größer als die der eutektoiden Legierungen, und sie lassen sich daher wirtschaftlicher

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in den körnigen Zustand umwandeln. Diese Legierungen mit niedrigen Zinkgehalten können geeignet als mechanisch schwächere Legierungen mit guten Niedrigtemperatur-Schlagfestigkeitseigensohaften verwendet werden.

Die Wärmebehandlung der neuen Legierungen besteht im Homogenisieren der Legierung durch Erhitzen innerhalb des

x -Bereichs (280 - 58O⁰C) und in anschließender Abkühlung mit bestimmter Geschwindigkeit, woran sich ein nochmaliges Erhitzen auf Temperaturen bis au 275⁰G anschließen kann. Die bestimmte Abkühlungsgesohwindigkeit kann eine langsame Abkühlung durch den Sutektoidübergang oder eine ausreichend schnelle Kühlung bis auf Raumtemperatur oder noch darunter zur Unterdrückung der Sutektoidumwandlung oder eine schnelle Abkühlung bis nur zur Wiedererhitaungstemperatur bedeuten. Die genauen Abkühlungsbedingungen können duroh dia erfordernohe Peinstruktur bestimmt werden^ z.B. kann eine langsame Abkühlung eine lamellare Struktur ergeben.

Eine ungewöhnliche und vorteilhafte Eigensohaft der neuen Legierungen ist die, daß die erhaltenen Feingefüge bei Verwendungstemperaturen stabil sind. Eine Legierung mit 78 Teilen Zink, 22 Teilen Aluminium und 0,15 Teilen Magnesium wurde vier Stunden bei 250⁰G behandelt. Nach Stehenlassen bei Raumtemperatur während 77 Tagen ergab sich keine Härteänderung. In weiteren Versuohen wurden diese Magnesiumlegierung und die binäre 78/22 Zink-Aluminium-Legierung 24 Stunden bei 250⁰C behandelt. Die binäre Legierung «rweioht© hai Raumtemperatur innerhalb von 70 Tagen langsam von 73 bis 65 Hv (Vickers-Härte). Die Magnesium enthaltende Legierung wurde bei Raumtemperatur nioht weicher, sondern ihr höherer Härfc@werk_s 109 Hv, wurde duroh Halten während 20 Stunden bei 103°C nicht beeinträchtigt.

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Die plastische Verformung der Legierungen kann nach üblichen Verfahren, d„h. Walzen und Strangpressen vorgenommen werden. Nach dem Verformen können die Legierungen* wenn srwünseht,, wärmebehandelt werden, um ihre verbesserten mechanischen Eigenschaften

zu erzielen« In Einzelfällen kann es vorteilhaft sein,: die gerwünschte Strukturumwandlung gleichzeitig mit der Verformung vorzunehmen»

Die ungewöhnlioh hohen Dehnungswerte, die die als "Super»

plastizität" bekannte Eigenschaft kennzeichnen, werden" Fein» strukturen von besonders feinem Gefüge zugeschrieben· Dieses superplastische Verhalten, das die binären Legierungen von Zink und Aluminium zeigen, geht nicht verloren,, Vfesm das ©rfindungs« gemäSe Zusatzelement vorhanden istj tatsächlich läSt sich der Bereich der Brauohbarkeit durch Steuerung d@i- Legierungszusammenseta'iiig und der verwendeten Temperatur ausdeibnen. Zum Beispiel wurde eine Legierung mit ?8 Teilsn 2InIc* 22 Teilen Aluminium und 0,15 Teilen Magnesium zwei Stunden bei 5öö°ö vorbehandelt, und dann zwei Minuten bei l88°G isotherm behandelt· Als diese Legierung bei einer Belastungsgeschwlndiglcelt von 0*25 wn/min und einer Temperatur von 250°C geprüft wurde_a hatte sie eine' Dehnungsgrenze von 1,8 kg/mm und sine Dehnung von 450 %.

Die Legierungen gemäß der.Erfindung haben folgende Vor» teil©:

1) Die Reaktionsgeschwindigkeit des Eutaktoids wird verlangsamt» Diese Qeschwindlgkeitsverringerüng ermöglicht ©in wirksames Abschrecken dickeres* Querschnitte ©der geringere Äbkühlungsgesohwindigkeiten für gleiche Querschnitte« Zum Beispiel müssen Teile aus binären Legierungen von 12,7 asra Durohmesser in Wasser abgeschreckt werden« während schon d®x> Zusatz von 0,15 % Magnesium bei diesem Quersolmitt eine Luftabkühlung zulMflt.

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2) Verbesserte mechanische Eigenschaften, wie z.B. Zugfestigkeit« Härte, Kriechfestigkeit und Schlagfestigkeit im Verwendungsbereich von -4o°C bis +50⁰C.

3) Sehr gute Oberflächenbeschaffenheiten lassen sich erreichen, wenn geeignete Verfahren zur Warmverformung und Wärmebehandlung ausgeführt werden.

4) Verbesserte Korrosionseigenschaften.

5} Die neuen Legierungen haben eine gute Bearbeitbarkeit.

Ale Beispiel für die neuen Legierungen gemäß der Erfindung wurde eine Legierung folgender Zusammensetzung hergestellt: 78 Teilen Zink und 22 Teilen Aluminium wurden 0,15 Teile Magnesium zugesetzt. Die Legierung wurde durch Schmelzen einer binären Zink-Aluminium-Legierung und Zusetzen unter Umrühren der erforderlichen Menge einer Vorlegierung aus 95# Aluminium und 5$ Magnesium hergestellt. Die Legierung wurde von 36O⁰C durch Eintauchen in Wasser von 20⁰C abgeschreckt. Die abgeschreckte Legierung wurde anschließend eine Stunde auf eine Temperatur von 250°C erhitzt. Die so wärmebehandelte Legierung hatte eine Härte von 114 Hv (Viokers) und eine Zugfestigkeit von 39* 3 kg/mm bei einer Dehnung von QfJd₀ Zum Vergleich wurde die binäre Legierung mit 78# Zink und 22# Aluminium ebenso wärmebehandelt, und sie hatte eine Härte von 75 Hv und eine Zugfestigkeit von 18,9 kg/mm . Die neue wärmebehandelte Legierung hatte einen Kerblos-HounsfÜd-Schlagfestigkeitswert von 4,15 mkg bei einer Ubergangstemperatur von etwa -8O⁰C. Sie war gegenüber Dampfeinfluß beständig und hatte eine elektrische Leitfähigkeit von 28,4$ I.A.C.S. (International Annealed Copper Standard (20⁰C)). Diese elektrische Leitfähigkeit ist mit der von 7O:j5O-Messung vergleichbar, das ebenso eine Leitfähigkeit von 28$ I.A.C.S. aufweist, wenn es zu diesem Härte-

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wert gewalzt ist (ll4 Hv).

Eine weitere Legierung wurde mit folgender Zusammensetzung hergestellt: 78 Teile Zink, 22 Teile Aluminium und 0,055 Teile Lithium, wobei das Lithium unter Umrühren in Form einer Vorlegierung aus 95$ Aluminium und 5% Lithium der binüren Zink-Aluminium-Legierung zugesetzt wurde. Die vorbereitete Legierung hatte nach Durchlaufen der vorstehend beschriebenen Wftrraebehand«= lungssohritte eine Härte von 95 Hv.

Die Eigenschaften weiterer Legierungen entsprechend der Erfindung sind in den folgenden Tabellen angegeben.

Tabelle I zi[egt die mechanischen Eigenschaften von Zink-Aluminium-Magnesium-Legierungen mit verschiedenen Zinkmengen.

Tabelle I

Zusammensetzung Teile	Aluminium	Andere Elemente	_o . . .Wärmebehandlung 2 η bei 3000c, vfMserAbschreckung und 1 h bei 260⁵C	Zugfestig keit kg/mm²	Dehnung %
Zink	22 18 50	+0,15 Mg +0,15 Mg +0,15 Mg	Dehnungsgrenze kg/mm²	44,6 39 18	28 19 etwa 10
78 82 70	44 57,8 26,8

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Tabelle II zeigt die Charpy-Sehlagfestigkeitswerte bei Raumtemperatur und·tieferen Temperaturen für Zink-Aluminium-Magnesium-Kupfer-Legierungen.

Tabelle II

Zusammensetzung	Aluminium	Teile	Charpy-Schlagwerte (ungekerbt) mkK	-28⁰C	-60⁰C	-195⁰C
Zink	22 30	Andere Elemente	Raum- Temperatur	11,751 11,06	2,35 12,166	0,276 0,138
78 70	0,15 Mg +0,5 Cu 0,15 Mg ⁺0,5 Ou	13,825 11,612

Tabelle III zeigt die raeohanisohen Eigenschaften von Legierungen mit einem Zink:Aluminium-V«rhältniö v#n 78:22 und verschiedenen Schalten an Magnesium und Kupfer.

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Tabelle III

*•ae««n«tzung**	Abgeschreckt von 360⁰C, wiedererhitzt	260 C und wassergekühlt	Zug- j Deh-	%	Schlag	Ofenabkühlung von	36O⁰C mit	-6O^WC 14,;	Dehnungs	Zug	Deh-< Schlag-	14,	7	keit	+	<	94
Zn;Al - 78$22	2 h auf ί		festlg-nung		festig	3O⁰C pro Stunde	-60⁰C 14	grenze	festig	nung; festig-	i 11,		mkg			67
		Dehnwugs-	kelt ₂	16,7	keit		-6O⁰C 8, \	kg/mm²	keit ₂	%			; I j 20⁰C	5,	<	64
	Härtezahl	grenze	kg/mm	mkg	jäärtezahl	58		kg/ram			2	-28⁰C	5,		60
	Hv	kg/um²	41,3	2o!c 9,3c	^r Hv	-51 96,5	31,8	35,6	18,		j 20⁰C	6,	47
				-28^WC 4,42		! ,30 94-100 !				2	!-28⁰C	7,	53
• 0,15 Ng		55,6							!	7	!-60⁰C i I	7,	50
	118-122		44,6	20⁰C 13,2	> 91-92	33,1	57	\|14,	-60⁰C I	5,
				) 1			I I	I ι 20⁰C j-28⁰C	k
*0,15 Ng** 1,056		40	43,5	π	51,5	55,6
Cu	ΙΙ9-Ι28			15,5-28^C 12,44 98-99	50,7	36,1
0,10 % Mg 0,5$ Cu		37,1
0,204) Mg 0,5/^ CU	118	38,1	19,8
117-121		17,9

+ Kerblose Charpy-Proben

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Tabelle IV zeigt den vergleichsweißen Effekt von Magnesium- und KupferZusätzen auf die Eigenschaften einer Legierung mit 78 Teilen Zink je 22 Teile Aluminium. Die Ergebnisse wurden bei Raumtemperatur mit stranggepreßtem Material erhalten, das einer Wärmebehandlung unterworfen war, die aus einem zweistündigen Halten bei 56O⁰C, überführen auf l86°C, einstündigem isothermen Halten auf l86°C und anschließender Wasserabschreokung bestand.

Tabelle IV

Zusatz elemente	Dehnungs- grenzep kg/nun	Zugfestig-₂ keit kg/mm	Dehnung	Houndsfi eld-S ohlag- festigkeitswerte (kerblos) mkg bei -40 C
+l,O#üCu +O,l# Mg 1,OJi Cu ⁺O,lg Mg	29,6 39 39,7	34,6 39,7 40,9	37 24 18	4,84 5,18 5,46

Tabelle V zeigt das Festigkeitsverhalten von stranggepreßten Legierungen bei erhöhten Temperaturen in einem Vorbehandlungszustand und bei einer Belastungsgeschwindigkeit von 0,25 mm/min. Diese Legierungen enthielten alle 78 Teile Zink je 22 Teile Aluminium, denen die erfindungsgemäßen Zusätze hinzugegeben wurden.

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Tabelle V

Zusatz elemente	Vorbehandlung	Prüf- Temperatur oc	Dehnungs grenze kg/mm	Dehnung %
O,1% Mg	2 h bei ?60°C +	150	12,1	90
⁺2,0# Cu	isotherm für 2 h bei 260⁰C	200	3,8	200
0,l# Mg	tt	150	9	110
^f2,0# Ni
0,l# Mg ^f0,5g Ag	!>	150	8,7	133
0,1Si Mg	2h bei j60°C,	150	8,6	166
^fl,0# Ni	Wasserabschreckungj dann 16 h bei 125°C + 4 h bei 260°C	200	3,6	200
+0,15% Mg	2 h bei ?60^oC + isotherm für 2 Min, bei 188°C	250 »	1,8	450

Legierungen gemäß der Erfindung wurden Dampf bei 100 C für bestimmte Zeitdauern ausgesetzt. Zum Schluß der Versuche wurden Schliffe der Proben unter 500-faoher Vergrößerung geprüft, um die Eindringtiefe des Dampfangriffβ festzustellen.

Die geprüften Legierungen enthielten bei einem Gewlohtsverh&ltnie Zink: Aluminium von 78:22 Zusätze von 0,103ε Magnesium; 0,5$ Cu + 0,10 bis 0,20$ Mg; 1,0$ Cu + 0,1$ Mg; 1,0$ Cu + Mg; 2,0% Cu + 0, VfL Mg; und 2,0£ Cu + 0,15£ Mg.

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Diese Legierungen wurden alle zwei Stunden bei 36Q⁰G, außerdem isotherm eine Stunde bei l88°C sowie eine Stunde bei 26O⁰C vorbehandelt und dann 48 Stunden Dampf bei 100⁰C ausgesetzt. Die Ergebnisse sind in der Tabelle VI wiedergegeben.

Tabelle VI

Zusatzelemente	Angenäherte Eindringtiefe mm
Nichts 0,lOJi Mg	0,4 0,038
( 0,5# Cu ( + 0,10 - 0,20Ji Mg	0,006
( 1,0Ji Cu ( + 0,1Ji Mg	vernaohlässi gbar
( 1·,0# Cu ( + 0,15# Mg	ti
( 2,0Ji Cu ( + 0,1Ji Mg	Il
( 2,0# Cu ( + 0, 15Ji Mg	IJ

Weitere Versuche, die auf 96 Stunden ausgedehnt wurden, bestätigen diese vergleichsweisen Ergebnisse«

Im Vergleioh dazu zeigte eine Legierung mit 0, lOji Mg, wenn sie ein Jahr im Freien aufbewahrt wurde, einen äuSerst geringen Angriff, d.h. angenähert 0,025 mm Eindringtiefe.

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Claims

1. Legierungen des 70 bis 82 Gew.-^ Zink und außerdem im wesentlichen Aluminium aufweisenden Typs« gekennzeichnet durch zusätzliche Gehalte von mehr als 0,03 bis 0,25 Gew.-^ Magnesium und bis zu 2 Gew.-# eines oder mehrerer der Elemente Kupfer, Nickel und Silber.

2« Legierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Gehalte von mehr als 0,05 bis 0,2 Gew.-% Magnesium und 0 bis 1 Gew.-^ Kupfer'.

3· Legierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Magnesiumgehalt von 0,10 bis 0,15 Gew.~#.

4. Legierung naoh Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Magnesiumgehalt von 0,125 + 0,025 Gew.-% und durch einen Kupfergehalt von 1,25 + 0,25 Gew.-#.

5* Legierung des 70 bis 82 Gew.-^ Zink und außerdem im wesentlichen Aluminium aufweisenden Typs, gekennzeichnet durch einen zusätzlichen Gehalt von 0,05 bis 0,2 Gew.-Ji Lithium·

6. Verfahren zur Wärmebehandlung einer Zink-Aluminium-Legierung naoh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung auf eine Temperatur im Bereich von 280 bis J58O°C erhitzt und mit bestimmter Geschwindigkeit abgekühlt wird.

7* Verfahren naoh Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß öle Legierung anschließend auf ein«
Temperatur wiedererhitzt wird.

Legierung anschließend auf eine 275°C nicht übersteigende

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8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7* dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung von dem Temperaturbereich 280 bis 58O⁰C abgeschreckt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7# dadurch gekennzeichnet« daß die Legierung vor dem Abkühlen auf Raumtemperatur bei einer zwisohen dem Bereich von 280 bis 58O⁰C und Raumtemperatur liegenden Temperatur gehalten wird.

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