DE2532599C2 - Aluminium-Knetlegierungen - Google Patents
Aluminium-KnetlegierungenInfo
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Description
Aus der GB-PS 6 50905 sinrt Gußlegierungen für Bauteile bis zu Arbeitstemperaturen von 200 bis 300° C
bekannt wie für Kompressorgehänse und -schaufeln für
Gasturbinen. Sie lassen sich warm umformen und enthalten 13 bis 23 Mg, 0,75 bis 2% Zn, 1,5 bis 4,5% Cu,
0,1 bis 0,8% Ni(Co), 0,01 bis 0,25 Be und/odsr Ag, 0 bis
0,25 Ti, 0 bis 035 Mn, 0 bis 0,25 Cr, 0 bis 0,5 Fe, 0 bis
0,5 Si, Rest Aluminium.
Bekanntlich verwendet die Luftfahrtindustrie verschiedenste
Legierungen, die infolge ihrer sehr guten Warmfestigkeit vor allem in Überschallflugzeugen
angewandt sind. Zu diesen Legierungen gehört die in der FR-PS 9 78 805 beschriebene Legierung A - U2GN,
die in den letzteren Jahren eine bemerkenswerte Weiterentwicklung erfahren hat Ihre Zusammensetzung
lautet wie folgt:
Kupfer | 1,8 bis 2,5% |
Magnesium | U bis 2% |
Nickel | 03 bis 1,5% |
Eisen | 0,85 bis 1,5% |
Silicium | 0 bis 0,4% |
Titan | 0,02 bis 0,2% |
Rest | Aluminium |
Die Anteile Kupfer und Magnesium in dieser Legierung ermöglichen eine Ausscheidungshärtung
infolge submikroskopischer Ausfällung der S'-Phase Al-Cu-Mg.
Bekanntlich werden Eisen und Nickel zugesetzt, um gute Warmfestigkeit zu erhalten, insbesondere eine gute
Kriechbeständigkeit, und zwar infolge der Existenz einer Phase Al —Fe-Ni, die ein Fortschreiten von
Versetzungen erschwert. Aber diese Legierung besitzt eine Zähigkeit, bewertet durch den Faktor der Intensität
der Spannungen K\Q sowie Beständigkeit gegenüber Weiterreißen, die zwar nicht unzureichend sind, jedoch
nicht zu dem Besten auf diesem Gebiet gehören.
Der Faktor K\Q mit dessen Hilfe die Zähigkeit einer
Legierung charakterisiert werden kann, wird entsprechend der Methode ASTM E 399-72 bestimmt
Aufgabe der Erfindung ist eine Aluminium-Knetlegierung, die — verglichen mit der bekannten Legierung
AU2GN — eine vor allem in Dickenrichtung verbesserte Zähigkeit besitzt, einen günstigeren Faktor K\ C und
eine bessere Widerstandfähigkeit gegen das Fortschreiten von Ermüdungsrissen unter Beibehaltung der guten
Warmfestigkeit und der Korrosionsbeständigkeit unter Last hat
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1
, 5 angegebene Zusammensetzung gelöst
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Feststellung, daß die Wirkung der Phase Al-Fe-Ni
sowie der anderen intermetallischen Verbindungen Al-Cu-Ni und AI-Cu-Fe, die in der bekannten
Legierung vorliegen, nicht nur vorteilhaft ist Jede dieser drei (intermetallischen) Verbindungen übt nämlich eine
verhältnismäßig starke schädliche Wirkung aus und
zwar auf das Weiterreißen und auf den Faktor K\ C
Es hat sich nun überraschenderweise gezeigt, daß eine
spürbare Verrringerung des Gehaltes an Eisen und Nickel die Wirkung der Verbindung AI-Fe- Ni auf die
Warmfestigkeit der Legierung nicht wesentlich verändert; im Gegenteil — vorausgesetzt, daß das Gewichtsverhältnis Ni/Fe bei etwa 1 gehalten wird — werden die
Zähigkeit vor allem in Dickenrichtung, der Faktor K\C und die Widerstandsfähigkeit gegen Weiterreißen
deutlich verbessert
Das Nickel kann teilweise oder vollständig durch Kobalt ersetzt sein.
j5 Zirkonium, Mangan, Chrom, Vanadium und Molybdän,
können in Anteilen bis zu 0,4% enthalten sein.
Weiterhin können Cadmium, Indium und Zinn in Mengen bis jeweils zu 0,2% vorliegen sowie Beryllium
in einem Anteil von 1 bis 2000 ppm.
Die Wärmebehandlung dieser neuen Legierung unterscheidet sich nicht von derjenigen der bekannten
Legierung A — U2 — GN, d. h. sie setzt sich aus folgenden
Stufen zusammen:
Lösungsglühen bei 520 bis 535°C;
Abschrecken mit kaltem, lauwarmen oder siedendem Wasser;
Warmauslagern bei 150 bis 230° C.
Warmauslagern bei 150 bis 230° C.
Zwischen Abschrecken und Warmauslagern kann noch eine Kaltverformung z. B. ein Abwälzen vorgenommen
werden. Dies hat den Vorteil, daß die Härte-Spannungen aufgehoben bzw. ausgeglichen und
damit die mechanischen Eigenschaften der Legierung — vor allem die Streckgrenze — verbessert werden.
Man kann das Lösungsglühen auch bei einer Temperatur oberhalb des beginnenden Schmelzens der
Legierung durchführen. Dieses Lösungsglühen soll ausreichend lang dauern, daß die auftretenden flüssigen
bo Phasen praktisch vollständig im Zeitpunkt des Abschreckens
resorbiert sind, Das Abschrecken und das Warmauslagern erfolgen wie oben angegeben. Beispielsweise
verbessert ein Lösungsglühen bei 5550C (anstatt 520 bis 535°C) die mechanischen Eigenschaften:
man erreicht eine um etwa 10 bis 20MPa höhere Bruchfestigkeit
Zur Erleichterung des Verständnisses der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend eine kurze Darstellung
der Meßmethode und der Bedeutung des Paktors K\C
sowie der Messung der Geschwindigkeit des Weiterreissens
oder Fortschreitens der Ermüdungsrisse gegeben.
Der Faktor K\C wird entsprechend der Methode
ASTM-E 398/72 ermittelt. Danach wird ein Prüfkörper nach F i g. 1 hergestellt Die Verbindungslinie zwichen
den Mittelpunkten der beiden Löcher gibt die Dickenrichtung an; der Scheitel der Kerbe verläuft in
der Breitenrichtung.
Mit dem Prüfkörper wird eine Reihe von Dauerschwingversuchen durchgeführt, wobei der Prüfkörper
mit Hilfe einer Spindel eines Doms oder einer Nadel,
die durch die öffnungen gehen, auf einer Schwingprüfmaschine befestigt ist.
Die Versuche werden abgebrochen, sobald ein Ermüdungsriß mit einer Länge von etwa 13 mm,
gemessen an der Oberfläche des Prüfkörpers ausgehend vom Ke.'bende, auftritt. Der Prüfkörper wird dann —
immer noch mit Hilfe von durch die Öffnung geführten Dornen — auf einer Zugprüfmaschine befestigt und
zunehmend bis zum Bruch belastet wobei die Zugkraft in Abhängigkeit vom Abstand der Kerbk. inten des
Prüfkörpers aufgezeichnet wird. Man erhält eine Kurve, wie sie in F i g. 2 gezeigt ist Die linke Gerade ist eine
Tangente an die Kurve vom Ursprung aus und die rechte Gerade besitzt eine Neigung von <5%. Beide
sind zur Bestimmung von KiCnötig.
Eine graphische Methode ermöglicht die Bestimmung
der Last P, die das WeiterreiQen des Ermüdungsrisses
um 2% des ursprünglichen Wertes bewirkt. Der Koeffizient K\ C ist proportional P; der Proportionaiitätsfaktor
wird in Abhängigkeit von den geometrischen Abmessungen des Prüfkörpers aus der Länge des
Ermüdungsrisses berechnet und hat die Dimension MPa · i/m.
Je größer der Faktor K\C für einen gegebenen
ίο Prüfkörper ist, umso größer ist P, d. h. umso mehr Kraft
muß aufgewendet werden, um den Riß um 2% zu verlängern.
Die Geschwindigkeit des Weiterreißens dsr Ermüdungsrisse
wird in folgender Weise gemessen:
In der Mitte eines rechteckigen Prüfkörpers — Länge 250 mm, Breite 100 mm und Dicke 1,6 mm — wird
zentral ein Loch mit Durchmesser 2 mm gebohrt Dieser Prüferkörper wird Däuerschwingversuchen unterworfen
und auf in regelmäßigen Abständen gemachten Photographien die Länge der Risse gemessen und diese
in Abhängigkeit von der Anzahl rif>r Lastwechsel in
einem Diagramm aufgezeichnet
Die Beispiele dienen zur Erläuterung der Erfindung. Sie betreffen eine Reihe von Behandlungen und
Messungen von Eigenschaften von 5 Legierungen, deren Zusammensetzung wie folgt lautet (jeweils Rest
Aluminium):
Cu | Mg | Fe | Ni | Si | Ti | Zr | |
Vergleich | 2,65 | 1,64 | 1,07 | 1,19 | 0,22 | 0,10 | - |
Legierung | |||||||
1 | 2,63 | 1,60 | 0,30 | 0,35 | 0,22 | 0,10 | - |
erf. gem. | |||||||
2 | 2,63 | 1,60 | 0,15 | 0,17 | 0,22 | 0,10 | - |
3 | 2,65 | 1,64 | 0,29 | 0,36 | 0,22 | 0,20 | 0,12 |
4 | 2,65 | 2,04 | 0,15 | 0,17 | 0,23 | 0,11 | - |
Die zum Vergleich herangezogene Legierung entspricht der FR-PS 9 78 805.
Beispie1 1
Die Vergleichslegierung und die erfindungsgemäßen Legierungen 1, 2 und 3 wurden in halbkontinuierlicher
Weise zu Platten mit einem Querschnitt 120 χ 380 mm gegossen, die dann 20 h bei 5200C homogenisiert
wurden.
Nach Teilung und Schälen wurden die Platten auf 480°C erwärmt und um jeweils 10 mm bei einem
Durchzug bis auf 45 mm heruntergewalzt. Die Wärmebehandlung umfaßte folgende Schritte:
10 h Lösungsglühen f.ei 53O0C;
Abschrecken mit Wasser;
Ziehen zwischen Abschrecken und Warmauslagern auf eine permanente Dehnung von 2% und
Warmauslagern 20 h bei 190° C.
Es wurden Prüfkörper für Zugversuche in Breiten- und Dickenrichtung, für die Bestimmung des Koeffizienten
K.\ C, der Geschwindigkeit des Weiterreißens und für Kriechversuche aus J?n Blechen geschnitten.
Die mechanischen Eigenschaften sowie der Faktor K\ Csind der folgenden Tabelle zusammengefaßt:
Zugversuch Hreitenrichlung ο 0.2 π n
MPa MPu
Dickenrichlung
ί'0.2 "if
ί'0.2 "if
MPa MPa
A1C
Dickcnrichliinj;
MPa /m
Vergleich
erf. gem.
I
I
416
410
405
412
405
412
459
450 446
452
8.5
408
463
8.7
22,59
8,4 | 402 | 451 | 7,9 | 26.58 |
7.9 | 391 | 443 | 7,1 | 31,20 |
ί>,9 | 401 | 452 | 7,8 | 27,50 |
Der Vergleich zeigt, daß die Koeffizienten Ki C der
Legierungen I, 2 und 3 (erfindungsgemäß) deutlich höher sind (im besten Falle um 38%) als die der
Vergieicnsiegieruiig, (linie daß dies auf Kusien der
Streckgrenze und Bruchfestigkeit ginge.
Die mittlere Weiterreißgeschwindigkeit in mm/ 1000 Lastwechsel, gemessen zwischen 5 und 20 mm,
waren:
Vergleich 0,87
erfindungsgemäß
erfindungsgemäß
1 0,69
2 0,64
3 0,79
Der Vergleich zeigt, daß bei den Legierungen 1,2 und
3 (erfindungsgemäß) die Weiterreißgeschwindigkeit geringer ist als bei der Vergleichslegierung.
Die Kriechlast <χ^ο,° wurde ebenfalls bestimmt: σοΤ
gibt die Last an, die in 100 h bei gleichbleibender Temperatur zu einer Dehnung um 0,1% führt.
Die Ergebnisse der bei 1300C und 135° C durchgeführten
Kriechversuche sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefaßt:
Vergleich
erf. gem.
erf. gem.
130 (
MPa
MPa
275
270
264
272
264
272
Die Kriechfestigkeit oder Dauerstandfestigkeit der Legierungen 1,2 und 3 (erfindungsgemäß) ist vollständig
jo vergleichbar der der Vergleichslegierung.
Nach Beispiel 1 erhaltene Bleche aus der Vergleichsj)
legierung und den erfindungsgemäßen Legierungen 2 und 4 wurden 10 h bei 530°C lösungsgeglüht und
anschließend mit kaltem Wasser abgeschreckt.
Darauf wurde — und diesmal ohne Ziehen zwischen
Abschrecken und Warmauslagern — 20 h warmausgelagen
bei 2030C, um den Zustand T6 zu erreichen, der
allgemein für geschmiedete und gesenkgeschmiedete
Produkte gebraucht wird.
Legierung | Breitenrichtung | MPa | D | Dickenrichtung | OB | D |
η 0.2 | 428 | % | σ 0,2 | MPa | % | |
MPa | 69 | MPa | 435 | 68 | ||
Vergleich | 373 | 425 | 383 | |||
erf. gem. | 443 | 66 | 422 | 53 | ||
2 | 383 | 62 | 382 | 440 | 50 | |
4 | 403 | 402 | ||||
Im Zustand T6 waren die mechanischen Eigenschaf- Vergleichslegierung.
ten der Legierung 2 vergleichbar den Eigenschaften der Der Faktor K\C betrug 25,95MPa ]fm für die
Vergleichslegierung. Die Legierung 4 erreichte eine 60 Vergleichslegierung, 32,28 MPa fm für Zustand T6 2
bessere Streckgrenze und eine höhere Bruchlast als die 32,59 MPa j/m für die Legierung 4.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Aluminium-Knetlegierung aus 1,80 bis 3,00% Kupfer, 1,20 bis 2,70% Magnesium, 0,01 bis 0,2%
Titan, 0 bis 0,30% Silicium, Eisen sowie Nickel und/oder !Cobalt, Rest Aluminium, gekennzeichnet
durch 0,10 bis 0,40% Eisen, 0,10 bis 0,40% Nickel+ Kobalt, wobei das Verhältnis
(Ni+Co)/Fe 0,9 bis U beträgt
2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus 2,10 bis 2,70% Kupfer, 1,40 bis
2,00% Magnesium, 0,01 bis 0,2% Titan, 0,15 bis 0,25% Silicium, 0,10 bis 035% Eisen, 0,10 bis 035%
Ni+ Co besteht und das Verhältnis (Ni + Co)/Fe 0,9 bis 13 beträgt
3. Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch zusätzlich mindestens eines
der Elemente Zirkonium, Mangan, Chrom, Vanadium, Molybdän, jeweils in einer Menge bis zu 0,4%.
4. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zusätzlich mindestens eines
der Elemente Cadmium, Indium, Zinn, Beryllium, jeweils in einer Menge bis zu 0,2%.
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