DE2746813A1 - Haertemittel, insbesondere fuer aluminiumlegierungen - Google Patents

Description

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Patentanmeldung

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Titel: Härttaiitt·!, inebeeonder· für Aluminivmlegierungan ORIGINAL IW

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Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Härtungsmittel für Metallwerkstücke, insbesondere aus Aluminiumlegierungen.

Die nachfolgenden Erläuterungen beziehen sich zwar auf Aluminiumlegierungen, jedoch läßt sich das erfindungsgemäße Härtungsmittel auch auf jede Art von härtbaren Legierungen anwenden und zwar sowohl auf Struktur-härtbare Legierungen, als auch auf solche, die einer Martensithärtung zugänglich sind.

Die mechanischen Eigenschaften von Aluminiumlegierungen können durch eine Wärmebehandlung beträchtlich verbessert werden, die allgemein die folgenden drei Stufen umfaßt:

1) Lösungsglühen

2) Härten

3) Vergüten bzw. Auslagern.

Das Prinzip dieses Härtungsmechanisinus, den man als Strukturhärtung bezeichnet, setzt voraus, daß im Gleichgewichtszustand bei Raumtemperatur ausgeschiedene intermetallische Verbindungen vorhanden sind, d.h. außerhalb der festen Lösung. Das Lösungsglühen hat den Zweck, diese Phasen zumindest teilweise wieder in die feste Lösung zu bringen. Das Abschrecken bringt die Legierung mit ausreichend schneller Geschwindigkeit auf Raumtemperatur, so daß die intermetallischen Verbindungen keine Zeit haben, sich erneut auszuscheiden. Man erhält auf diese Weise eine übersättigte feste Lösung, die sich nicht im Gleichgewichtszustand befindet und daher metastabil ist.

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Durch Erwärmen auf eine Temperatur etwas niedriger als beim Lösungsglühen oder durch Altern bei Raumtemperatur oder Kaltauslagern bilden sich sehr feine "GUINIER-PRESTON-Bereiche", die örtliche Einzelerscheinungen in der Verteilung derAtome in Lösung darstellen. Setzt man das Erwärmen fort, so tritt eine sehr feine Ausscheidung von intermetallischen Verbindungen auf; die Ausscheidungen sammeln sich dann und werden zunehmend größer. Diese Gunier-Preston-Bereiche blockieren die Versetzungen und sind damit verantwortlich für die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Legierungen.

Die Maßnahmen des Härtens sind von fundamentaler Bedeutung: die Abschreckgeschwindigkeit muß ausreichend sein, damit die zuvor in Lösung gebrachten Verbindungen sich nicht wieder ausscheiden können. Man kann daher von einer kritischen Geschwindigkeit sprechen. Sie variiert selbstverständlich mit der Art der Legierung, d.h. eigentlich mit der Art der Phase, die die Härtung der Legierung hervorruft. Beispielsweise liegen bei Aluminium-Kupfer-Magnesium-Legierungen die kritischen Geschwindigkeiten niedriger als bei Aluminium-Zink-Magnesium-Legierungen .

In massiven Werkstücken ist die Abschreckgeschwindigkeit im Inneren natürlich geringer als an der Oberfläche. In Jedem Zeitpunkt des HärtungsVorganges existiert somit ein Temperaturgradient zwischen außen und innen, der zu Spannungen, manchmal Deformation oder sogar Härterissei oder Härtebrüchen führen kann.

Das Härten erfolgt meist als Tauchhärten, indem das Werkstück nach dem Lösungsglühen in kaltes Wasser getaucht wird. Dieses brutale Abschrecken läßt sich häufig nicht anwenden, weil obige Fehler auftreten können.

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In solchen Fällen wird mit sanfteren Härtungsmitteln gearbeitet, d.h. die einen weniger brutalen Temperaturabfall hervorrufen, beispielsweise siedendes Wasser, öl oder Wasser mit organischen Zusätzen wie Polyvinylalkohole, Äthylenglykol, Glycerin u.a.m.

Für bestimmte Legierungen schließlich, die sich durch eine sehr niedrige kritische Abschreckgeschwindigkeit auszeichnen, oder wenn man eine gewisse Verschlechterung der Eigenschaften hinnimmt, kann man auch im Salznebel oder in pulsierender Luft abschrecken. Diese milderen Härtungsmittel weisen aber trotz ihrer Bedeutung und ihrer weit verbreiteten Anwendung eine Reihe von Nachteilen auf:

a) bei siedendem Wasser werden manchmal die mechanischen Eigenschaften stark beeinträchtigt. Dieses Verfahren bietet weiterhin das Risiko, daß es durch örtliche oder mehr oder weniger allgemeine Bildung einer beständigen Wasserdampfhaut am Werkstück zu Ungleichmäßigkeiten kommt. Diese Dampfhaut verringert beträchtlich den Wärmeübergang, was an nicht gehärteten Bereichen erkennbar ist, führt jedoch auch infolge unterschiedlicher Oberflächentemperatur vermehrt zu Spannungen, Rissen und Brüchen.

b) Mit mehr oder weniger heißem Wasser zeigen sich die gleichen Nachteile sowie zusätzlich eine noch größere Ungleichmäßigkeit der Eigenschaften. Ein Abschrecken zwischen kaltem und siedendem Wasser verspricht also keine Lösung dieser Probleme.

c) Beim Abschrecken mit ölen führt die Veränderung der Viskosität oder der Temperatur gleichfalls nicht zu einer brauchbaren Eihstell-Möglichkeit für die Abschreckgeschwindigkeit. Außerdem sind öle teuer, verunreinigen mit ihren Zersetzungs— produkten die Werkstücke und sind manchmal brennbar.

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Die Lösung dieser Probleme gelingt nun nach der Erfindung mit einem Härtungsmittel in Form einer Suspension von mineralischen Pulvern in Wasser. Diese Suspension oder Aufschlämmung ist vorzugsweise ziemlich konzentriert und hat eine schlammartige Konsistenz. Sie enthält in Wasser Bentonit als Bindemittel oder künstliche oder synthetische Dispergiermittel sowie gegebenenfalls einen oder mehrere pulverförmige Füllstoffe, die die Dichte der Suspension, ihre Viskosität oder auch ihre Wärmeleitfähigkeit modifizieren sollen,und verschiedene Zusätze, die die Theologischen oder grenzflächenaktiven Eigenschaften des Mittels einstellen₍oder Korrosionsinhibitoren oder Antiflockungsmittel, Antischaummittel u.a.m.

Der Gehalt an Bindemittel kann 3 bis 20 % des Schlammes.ausmachen, der Gehalt an Füllstoffen 2 bis 35 % und der Gesamtgehalt an mineralJs chen Stoffen der Suspension 5 bis 50 %. Man kann als Füllstoffe feine Pulver einsetzen, vorzugsweise mikrofeinen Magnetit Fe,0>, Ferrosilicium oder Bariumsulfat. Das Raumgewicht derartiger Schlämme kann im Bereich von 1,05 bis 1,6 g/cm liegen.

Derartige Mittel für das Abschrecken zum Härten weisen beträchtliche Vorteile gegenüber den nach dem Stand der Technik gebräuchlichen Mittel auf:

1) Indem man die Anteile an Bindemittel und Füllstoff variiert, kann man gegenüber dem Abschrecken mit kaltem Wasser eine gleichmäßige und fortschreitende Verlangsamung der Abkühlungskurven erreichen; dies ermöglicht, die Abkühlungskurve der idealen Kurve anzugleichen unter Berücksichtigung der Unterschiede der Werkstücke in Form und Querschnitt und einen besseren Kompromiß zwischen den erreichten mechanischen Eigenschaften und den Restspannungen. Die Verdampfung der Flüssigkeit wird nämlich begrenzt und geregelt durch die Verdünnung und durch die Diffusion der flüssigen Phase durch die umhüllende Schicht, die sich um das heiße Werkstück konzentriert. Ein einstellbarer Teil des Abkühlens kommt den suspendierten Feststoffen zu;

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2) die Feststoffe stören die Ausbildung oder Stabilisierung einer isolierenden Dampfhaut an der Oberfläche der Werkstücke;

3) die Intensität des Wärmeübergangs durch Konvektion wird bestimmt durch die Eigenschaften der Suspension, nämlich Viskosität und Raumgewichti sowie deren Relativbewegung zum Werkstück, die durch programmiertes Rühren modifiziert werden kann;

4) das erfindungsgemäße Härtemittel ist leicht und einfach herzustellen, problemlos anzuwenden und verglichen mit den üblichen Härtemitteln leicht regenerierbar und zur Wiederverwertung geeignet.

Diese erfindungsgemäßen Schlämme werden durch einfaches Einarbeiten der Feststoffe in Wasser hergestellt, sind bei der Anwendung überhaupt nicht riskant, stellen keine Verschmutzungsquellen dar, machen keine arbeitshygienischen Auflagen erforderlich und sind nicht brennbar.

Die erfindungsgemäß gehärteten Werkstücke müssen lediglich mit Wasser oder einem verträglichen fließfähigen Medium gespült werden, um von dem sie bedeckenden Schlamm befreit zu werden, und die abgewaschenen Produkte (mit Ausnahme der löslichen Stoffe) sitzen leicht ab und lassen sich wieder verwenden.

Außerdem sind Füllstoffe und Bindemittel billig und leicht verfügbar.

Die Erfindung wird in den folgenden Beispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Stäbe aus Aluminiumlegierung - 20 bis 50 mm 0, Länge 150 mm wurden in ihrer medianen Ebene (bei gleicher Entfernung von beiden Enden) mit zwei feinen Thermofühlern ausgestattet, wovon

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der eine in der Nähe der Oberfläche und der andere für die Stabachse vorgesehen war.

Es wurde ein Gemisch aus mikrofeinen Pulvern folgender Zusammensetzung bereitet: 30 % Ton, 10 % Magnetit, 60 % Ferrosilicium.

Dieses C/emisch wurde in Wasser suspendiert und zwar in einem Verhältnis von 10 bis 20 %, so daß man drei Suspensionen mit einer Dichte von 1,1, 1,2 und 1,3 g/cm erhielt.

Die Stäbe wurden auf 525 C erwärmt und dann in Wasser von Raumtemperatur und parallel in jede der oben beschriebenen Suspensionen, und zwar ebenfalls bei Raumtemperatur, getaucht.

Die Temperaturablesungen ergaben die in der beigefügten Zeichnung dargestellten Kurven.

In Fig. 1 ist die Zeit in s auf der Abszisse und die Temperatur auf der Ordinate angegeben; diese Figur zeigt fünf Abkühlungskurven für Stäbe mit 20 mm 0: die Kurven 1e und 1i stammen von der Abschreckung mit reinem Wasser. Die Kurven 2e und 2i stammen aus der Abschreckung mit einem Härtemittel, dessen Dichte 1,2 war. Die Kurve 3 (die Kurven für innen und außen fallen praktisch zusammen) stammt aus der Abschreckung in einem Kittel, dessen Dichte 1,3 war.

Fig. 2 zeigt analoge Kurven, jedoch für Stäbe mit einem Durchmesser 50 mm und zwar ke und 4i Abschreckung in reinem Wasser, 5e und 5i Abschreckung in einem Mittel mit Dichte 1,1, 6e und 6i mit Dichte 1,2 und 7e und 7i mit Dichte 1,3.

Für die Kurven 4e und 4i sowie 5e und 5i ist Δ® aufgetragen, d.i. der Maxiraalabstand zwischen der Außentemperatur und der Innentemperatur. Vergleicht man diese Kurven für erfindungsgemäße Härtung in Suspension gegenüber dem Stand der Technik

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so ergibt sich folgendes:

ein gleichmäßig allmähliches Absinken der Abkühlungskurven, verbunden mit einer Verkleinerung des Temperaturgradienten (in der Größenordnung von 40 bis 60 % für 0 40 mm) und eine Verlagerung des Punktes des Maximalabstands zwischen Innen- und Außentemperatur zu höheren Temperaturen (etwa um 60°C von 340 auf 400⁰C in den gleichen Fällen).

Gegenüber dem "milderen" Härten nach dem Stand der Technik (mit siedendem Wasser, Öl₍organischen Lösungen usw.) sind bei dem erfindungsgemäßen Härtemittel folgende Vorteile festzustellen:

Die Endeigenschaften, vor allem mechanischen Eigenschaften,werden sehr wenig beeinträchtigt, da die Abkühlung von den hohen Temperaturen, die für die gehärteten festen Lösungen bestimmend sind, nicht zu langsam ist. Die Restspannungen sind geringer, da der maximale Temperaturgradient wesentlich vermindert ist und dieser bei höheren Temperaturen liegt, wo die Legierung noch stark plastisch ist; auch sind die mit der Dampf haut verbundenen Probleme gelöst.

Beispiel 2

Es wurden rechteckige Stäbe 33 mm χ 35 mm χ 200 mm aus einem Blech der Legierung A-U^G₁ geschnitten (AA-Nr. 2024).

Die Stäbe wurden bei 495°C 1,5 h lösungsgelüht und anschließend mit einem der nachfolgend beschriebenen Mittel abgeschreckt und 4 Tage bei Raumtemperatur ausgelagert. Es wurde Zugfestigkeit tf B, die Dehngrenze ^J ₀ 2 ^unc* ^^{ie Brucnc}*ehnung D, die Brinelle-Härte HB und die Restspannung R bestimmt.

Die Restspannungen wurden in folgender Weise gemessen:

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Die Stäbe wurden in Längsrichtung durchgesägt und die Durchbiegung gemessen. R = 2,4 ■ , worin f = Durchbiegung in mm, M = Elastizitätsmodul in hbar, 1 = Länge in mm, h = Dicke in mm.

2,4 ist ein numerischer Koeffizient, der experimentell festgelegt wird.

Die untersuchten Härtungsmittel waren folgende:

1) kaltes Wasser ohne irgendeinen Zusatz,

2) siedendes Wasser,

3) handelsübliches Härteöl,

4) Wasser + 5 % handelsüblicher Härtezusatz,

5) Suspension von 40 % Feststoff aus 70 % Magnetit und 30 % Bentonit (Masse 5),

6) Suspension von 28,7 % Feststoff aus 18 % Magnetit, 55 % Ferrosilicium und 27 % Bentonit (Masse 6),

7) Suspension von 25,5 % Feststoff aus 30 % Magnetit, 30 % Ferrosilicium und 40 % Bentonit (Masse 7).

In der folgenden Tabelle sind die Ergebnisse wiedergegeben: in den fünf ersten Spalten finden sich die gemessenen Absolutwerte, in den fünf weiteren Spalten die Relativwerte, wobei die Abschreckung mit kaltem Wasser als Bezugswert = 100 galt. Man erkennt, daß ein Härtemittel umso wirksamer ist, Je höher die Werte für ·<τί, c^L _?, D und HB liegen und umso geringer R ist. Zugfestigkeiten, Streckgrenze und Restspannungen in hbar,

Tabelle:

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Tabelle

Härte	ges.	B	absolut	D	HB	R σ	j	100	relativ	D	HB	R
mittel	.Fest-	31,7	'0,2	20	137	16,2	83	^0,2	100	100	100
	stoffge-	26,4	46,9	15,6	121	0,9	96	100	78	88	6
	halt, %	30,7	42,4	18,6	132	3,5	91	90	93	96	22
1		29	46,4	18	125	5,6	102	99	90	91	35
2		32,3	44,5	17,9	133	5,3	97	95	89	97	33
3		,7 30,8	47,5	20	132	4,6	99	101	100	96	28
h		,5 31,5	46,2	19,2	131	6,5		99	96	96	40
5			46,9					100
6	40
7	28,
25,

Die Tabelle zeigt, daß zwar die geringsten Restspannungen durch Abschrecken in siedendem Wasser erreicht werden, Jedoch auf Kosten der anderen Eigenschaften.

Mit Härteöl wird ein guter Kompromiß erreicht mit lediglich 22 % Restspannungen und einem Relativwert der Eigenschaften von 96 %. Mit der Masse 6 wird eine fast ebenso geringe Restspannung von 28 % erreicht mit einem Mittelwert für die Eigenschaften von 98 % und ohne daß die weiter oben angegebenen Nachteile des Öls in Kauf genommen werden müssen.

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Claims (5)

Patentansprüche

1. Härtemittel für Netalle, insbesondere Aluminiumlegierungen gekennzeichnet durch eine wäßrige Suspension eines Tons und eines Füllstoffes zur linstellung der Dichte, der Viskosität und/oder 4«r VlrswleitfMhlgkeit, gegebenen/alle enthaltend üblich· iflsUeh· 2ustttae wie Korrosionsinhibitoren, Antischaummittel oder Antiflockungsaittel.

2. Mittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, da0 dar Tongahalt 3 bis 20 % ausmacht.

3. Mittel nach Anspruch 1 oder 2, dakrch gekennzeichnet , daß der Gehalt an Füllstoff 2 bis 35 % ausmacht.

U. Mittel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ton Bentonit ist.

5. Mittel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff Magnetit, Ferrosilicium und/oder Baryt ist.

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