DE2532599C2

DE2532599C2 - Aluminium-Knetlegierungen

Info

Publication number: DE2532599C2
Application number: DE2532599A
Authority: DE
Inventors: Jean Coublevie par Voiron Coupry; Roger Seyssinet-Pariset Develay
Original assignee: Cegedur Societe de Transformation de lAluminium Pechiney SA
Current assignee: Cegedur Societe de Transformation de lAluminium Pechiney SA
Priority date: 1974-07-23
Filing date: 1975-07-21
Publication date: 1982-09-23
Also published as: IE41631B1; GB1511702A; JPS5611740B2; NL180023B; IT1039853B; BE831642A; IL47704A0; FR2279852A1; LU73042A1; CA1057981A; DE2532599A1; SE417111B; DK327275A; JPS5137018A; IL47704A; SE7508327L; FR2279852B1; IE41631L; ES439541A1; NL180023C

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

, 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.

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

MPa MPa

A₁C

Dickcnrichliinj; MPa /m

Vergleich

erf. gem.
I

416

410
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

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.

130 (
MPa

275

270
264
272

Die Kriechfestigkeit oder Dauerstandfestigkeit der Legierungen 1,2 und 3 (erfindungsgemäß) ist vollständig jo vergleichbar der der Vergleichslegierung.

Beispiel 2

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

Patentansprüche:

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%.