DE69016241T2

DE69016241T2 - Legierung auf Aluminiumbasis mit einem hohen Modul und mit einer erhöhten mechanischen Festigkeit und Verfahren zur Herstellung.

Info

Publication number: DE69016241T2
Application number: DE69016241T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Faure
Original assignee: Pechiney Recherche GIE
Current assignee: Pechiney Recherche GIE
Priority date: 1989-04-05
Filing date: 1990-04-03
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-04-04
Also published as: NO901415L; ATE117734T1; EP0391815B1; DD293144A5; NO901415D0; FR2645546B1; JPH032345A; US5110372A; CA2013270A1; HU901848D0; US5047092A; IL93904A0; BR9001576A; DE69016241D1; HUT57281A; EP0391815A1; FR2645546A1

Description

Die Erfindung betrifft Aluminiumbasislegierungen der Serie 7000 nach der Bezeichnung von Aluminium Association (AA), die einen hohen Elasizitätsmodul und hohe mechanische Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften aufweisen, sowie ihr Herstellungsverfahren.
Die Aluminiumlegierungen der Serie 7000 unter den festesten besitzen allgemein einen Elastizitätsmodul E der Größenordnung von 70 GPa, der jedoch 72-73 GPa nicht übersteigt.
Jedoch macht sich im Hinblick auf eine Erleichterung der Bauteile, insbesondere auf den Aeronautik- und Raumgebieten, der Bedarf an leichten Legierungen mit höherem Elastizitätsmodul (E ≥ 74 Gpa) und höherer Festigkeit (R 0,2 ≥ 530 MPa in der Längsrichtung) bemerkbar, wobei diese Eigenschaften ohne merkliche Verluste bei anderen Verwendungseigenschaften, wie z.B. der Zähigkeit (KIC in Längsrichtung ≥ 20 Mpa [m]) oder der Beständigkeit gegenüber der Spannungskorrosion (Schwelle des Nichtbrechens in 30 Tagen ≥ 250 MPa in der kurzen Querrichtung und im betrachteten Versuchsmedium) erreicht werden müssen.
Sicher kennt man Aluminiumbasislegierungen mit Gehalt an Li, deren Elastizitätsmodul und mechanischen Eigenschaften hoch sind. Jedoch bringen diese komplizierte Herstellungsprobleme wegen der Reaktivität des Li, wodurch besondere und kostspielige Herstellungs- und Gießeinrichtungen benötigt werden. Die Legierungen gemäß der Erfindung können mit Hilfe herkömmlicher Einrichtungen hergestellt werden, die in der Metallurgie der üblichen Al-Legierungen bekannt sind. Außerdem sind die mechanischen Festigkeitseigenschaften der Al-Li allgemein denen der 7000-Legierungen unterlegen.
Legierungen des Typs 7000, die viel mehr mit Legierungselementen versetzt sind und durch Pulvermetallurgie erhalten werden, besitzen hohe mechanische Eigenschaften, eine gute Beständigkeit gegenüber der Spannungskorrosion, jedoch einen Modul unter 74 Gpa.
Man kennt auch aus der US-A-3563814 eine Legierung folgender chemischer Zusammensetzung (in Gew.%):
Zn: 6,8; Mg: 2,8; Cu: 2,1; Mn: 1,0; Cr: 0,5 und Zr: 0,1,
die durch Pulvermetallurgie und Warmpressen erhalten wird.
Die Anmeldung EP-A-0375571 beschreibt die Herstellung von Legierungen der Serie 7000 durch Sprühabscheidung, jedoch mit hohem Zn-Gehalt (Zn > 8,5 Gew%.).
Die Erfindung betrifft daher die Legierungen folgender Gewichtszusammensetzung (in %), die durch Zerstäubungs-Abscheidung hergestellt sind:
Zn: 5,5 - 8,45
Mg: 2,0 - 3,5
Cu: 0,5 - 2,5
Zr: 0,1 - 0,5
Cr: 0,3 - 0,8
Mn: 0,3 - 1,1
Fe: bis zu 0,5
Si: bis zu 0,5
andere Elemente: jedes ≤ 0,05
insgesamt: ≤ 0,15
Rest Al ,
Eine bevorzugte Zusammensetzung ist die folgende:
Zn: 7,0 - 8,4
Mg: 2,0 - 2,9
Cu: 0,8 - 2,0
Zr: 0,1 - 0,4
Cr: 0,3 - 0,6
Mn: 0,3 - 0,9,
wobei der Rest den obigen Zusammensetzungen identisch ist.
Ein Verfahren zur Herstellung besteht darin:
1 - Durch Sprühabscheidung einen massiven Körper mit einer in den oben angegebenen Grenzen liegenden Zusammensetzung zu bilden.
2 - Diesen Körper zu einem verarbeiteten Erzeugnis zwischen 300 und 450 ºC und danach evtl. kalt zu verformen.
3 - Es durch eine Lösungsbehandlung, ein Abschrecken und ein Anlassen zu einem Zustand T6 oder vorzugsweise T7 gemäß der Bezeichnung von AA wärmezubehandeln.
Unter Sprühabscheidung versteht man ein Verfahren, bei dem das Metall geschmolzen und durch einen Gasstrahl bei hohem Druck in Form feiner flüssiger Tröpfchen zersprüht wird, die anschließend auf ein Substrat gerichtet und auf diesem derart agglomeriert werden, daß eine massive und kohärente Abscheidung gebildet wird, die eine geringe geschlossene Porösität enthält. Diese Abscheidung kann eine Form von Barren, Rohren oder Platten aufweisen, deren Geometrie gesteuert wird.
Eine Technik dieser Art wird von den Angelsachsen mit dem Namen "Spray Deposition" bezeichnet und wird auch "OSPREY" genannt. Dieses letztere Verfahren wird hauptsächlich in den folgenden Patentanmeldungen (oder Patenten) beschrieben: GB-B-1379261; GB-B-1472939; GB-B-1548616; GB-B- 1599392; GB-A-2172827; EP-A-225080; EP-A-225732; WO-A-87-03012.
Dem Warmverformungsschritt kann eine Homogenisierungsbehandlung des massiven Körpers in einer oder zwei Stufen, die zwischen den Temperaturen von 450 und 520 ºC liegen, allgemein im Bereich von 2 - 50 Stunden vorausgehen.
Das so erhaltene Erzeugnis entspricht den angestrebten, weiter oben erwähnten Eigenschaften.
Man schreibt diese Eigenschaften einer feinen Verteilung von Phasen vom Typ (Al, Mn, Cr) und Al&sub3;Cr aufgrund der Kombination der Zusammensetzung der Legierung und ihres Herstellungsverfahrens zu; dieses Gefüge ermöglicht die Erzielung, u.a., einer guten Duktilität, Zähigkeit und einer hohen Elastizitätsgrenze.
Die Lösungsbehandlung wird im allgemeinen zwischen 450 und 520 ºC und die Behandlung des Typs T6 zwischen 90 und 150 ºC während einer ausreichenden Dauer vorgenommen, um im wesentlichen die Spitzenhärte zu erhalten (2 - 25 Stunden).
Die Behandlung T7 besteht in einer T6-Typbehandlung, die durch ein Anlassen bei höherer Temperatur, z.B. zwischen 150 und 170 ºC, während 0,5 - 20 Stunden vervollständigt wird.
Die Erfindung ist ebenfalls auf Verbundmaterialien anwendbar, die durch dispergierte keramische Teilchen des Typs von Oxiden, Karbiden, Nitriden, Siliziden, Boriden usw. gehärtet werden, die in die Legierung gemäß der Erfindung, die dafür die Matrix bildet, während des Schritts 1 z.B. durch Injektion des Pulvers in den flüssigen Strahl eingeführt werden.
Diese Teilchen haben eine Größe im Bereich von 1 - 50 um und stellen (bezüglich des Metalls) einen Volumenanteil im Bereich von 3 - 12 % dar.
Die Erfindung wird besser mit Hilfe der folgenden Versuche verstanden: Die Legierungen Nr 1-4 sind gemäß der Erfindung, die Legierungen 5 und 6 sind außerhalb der Erfindung, und die Legierung 7 ist eine herkömmliche Legierung (7075) des Standes der Technik zum Vergleich: Diese wurde halbkontinuierlich gegossen und wie die anderen Legierungen warmverformt und wärmebehandelt: Die Figur 1 zeigt die mechanischen Eigenschaften E und R0,2 der untersuchten Legierungen, die Figur 2 die Zähigkeitseigenschaften als Funktion von R0,2 und die Figur 3 die Spannungskorrosionseigenschaften als Funktion von R0,2.

BEISPIEL:

Verschiedene Legierungen mit der Bezeichnung 1-6, deren Gewichtszusammensetzungen (in %) in der Tabelle 1 aufgeführt sind, wurden geschmolzen und durch Sprühabscheidung (OSPREY-Verfahren) in Form von Barren verarbeitet.
- Gießtemperatur: 750 ºC
- Abstand Sprüher-Abscheidung: 600 mm, der während des Versuchs im wesentlichen konstant gehalten wurde
- Aufnehmer aus nichtrostendem Stahl, der in Drehbewegung angetrieben wurde
- Schwingung des Sprühers bezüglich der Rotationsachse des Aufnehmers
- Gasdurchsatz/Metalldurchsatz 2-3 m³/kg.
Nach Abkrusten auf einen Durchmesser von 140 mm wurden die Barren während 8 Stunden bei der Temperatur von 460 ºC homogenisiert.
Die Rohlinge wurden anschließend bei 400 ºC in einer Presse, deren Behälter einen Durchmesser von 143 mm hatte, zur Form von Platten eines Querschnitts von 50 x 22 mm, d.h. mit einem Preßverhältnis von 14,6, warmgepreßt.
Die so erhaltenen Platten erfuhren eine T7-Typ Wärmebehandlung unter den folgenden Bedingungen:
- Lösungsbehandlung 2 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 460 bis 485 ºC
- Abschrecken in kaltem Wasser
- Anlassen in 2 Stufen: 24 Stunden bei 120 ºC + 1 bis 20 Stunden zwischen 155 und 170 ºC.
Die erhaltenen mechanischen Eigenschaften sind in der Tabelle 2 aufgeführt.
Die Legierungen 1 - 4 sind im beanspruchten Bereich und weisen einen Modul ≥ 74 Gpa und eine Elastizitätsgrenze in Längsrichtung ≥ 530 Mpa auf, wobei sie gleichzeitig eine gute Duktilität in Längsrichtung (≥ 8%) und in Längsquerrichtung (≥ 6%) eine Zähigkeit in Richtung LT von wenigstens 20 Mpa [m] und ein gutes Spannungskorrosionsverhalten (nach der Norm ASTM G 3873) haben.
Die Legierung 5 ist außerhalb der Erfindung aufgrund ihres zu hohen Cr- und Mn-Gehalts, und sie ist, obwohl sie einen hohen Elastizitätsmodul und eine hohe Elastizitätsgrenze hat, sehr wenig duktil und für die Herstellung von Werkstükken unbrauchbar.
Die Legierung 6 ist ebenfalls außerhalb der Erfindung aufgrund ihres zu niedrigen Cr- und Mn-Gehalts, weist nicht die Vorteile der Legierungen gemäß der Erfindung auf, hat einen niedrigen Elastizitätsmodul und eine niedrige Elastizitätsgrenze und unterscheidet sich daher nicht von den herkömmlichen Legierungen wie die 7075.
Es wurden für Vergleichszwecke die Zusammensetzung und die Eigenschaften einer herkömmlichen Legierung 7075 aufgeführt, die herkömmlich gegossen und dann im gleichen Bereich wie die Legierungen 1 - 6 verformt und wärmebehandelt wurden.
Man stellt fest, daß der Elastizitätsmodul und die Elastizitätsgrenze dieser Legierung merklich niedriger als bei den Legierungen der Erfindung sind. TABELLE 1: ZUSAMMENSETZUNG DER GEPRÜFTEN LEGIERUNGEN Legierung Rest TABELLE 2 - EIGENSCHAFTEN DER GEPRÜFTEN LEGIERUNGEN (ZUSTAND T7) Legierung Zug in Längsrichtung Zug in Querlängsrichtung Modul Zahigkeit in Richtung Spannungskorrosion (kein Bruch in 30 Tagen (Mpa)
* Belastung in der Längsrichtung, Ausbreitung des Risses in der Querrichtung ** Versuche in der kurzen Querrichtung gemäß ASTM G 38 73.
Die Legierungen gemäß der Erfindung sind hauptsächlich zur Herstellung von Profilen oder geschmiedeten oder geprägten Konstruktionsteilen bestimmt.

Claims

1. Aluminiumbasislegierung, die durch Sprühabscheidung hergestellt ist, 5,5 bis 8,45 (Gew.-)% Zn, 2 - 3,5 % Mg, 0,5 - 2,5 % Cu, bis zu 0,5 % Fe, bis zu 0,5 % Si, 0,1 - 0,5 % Zr, 0,3 - 0,6 % Cr und 0,3 - 1,1 % Mn sowie andere Elemente: jedes ≤0,05 % und insgesamt bis zu 0,15 %, Rest Aluminium enthält und die folgenden mechanischen Eigenschaften aufweist:

E (Elastizitätsmodul) ≥ 74 GPa

R 0,2 (elastische Grenze in Längsrichtung) ≥ 530 Mpa

KIC (in Längsrichtung) ≥ 20 Mpa [m]

Beständigkeit gegenüber der Spannungskorrision (30 Tage) in der kurzen Querrichtung ≥ 250 Mpa.

2. Aluminiumbasislegierung, die 7,0 - 8,4 (Gew.)% Zn, 2 - 2,9 % Mg, 0,8 - 2,0 % Cu, bis zu 0,5 % Fe, bis zu 0,5 % Si, 0,1 - 0,4 % Zr, 0,3 - 0,6 % Cr und 0,3 - 0,9 % Mn sowie andere Elemente: jedes ≤ 0,5 % und insgesamt bis zu 0,15 %, Rest Aluminium enthält.

3. Verbundmaterial, dessen Matrix aus der Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 besteht und eine homogene Dispersion keramischer Teilchen enthält, deren Größe im Bereich von 1 - 50 um liegt und deren Volumenanteil (relativ zum Metall) 3 - 12 % beträgt.

4. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 - 3, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Man bildet durch Sprühabscheidung einen massiven Körper mit der oben beanspruchten Zusammensetzung,

b) man verformt diesen Körper zwischen 300 und 450 ºC und danach evtl. kalt zu einem verarbeiteten Erzeugnis,

c) man wärmebehandelt das verarbeitete Erzeugnis durch eine Lösungsbehandlung, ein Abschrecken und ein Anlassen zum Zustand T6 oder T7.

5. Verfahren nach dem Anspruch 4,

bei dem der Körper zwischen den Schritten a) und b) zwischen 450 und 520 ºC während einer Dauer von 2 bis 50 Stunden homogenisiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 - 5,

bei dem die Lösungsbehandlung zwischen 440 und 520 ºC stattfindet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 - 6, bei dem das Anlassen zwischen 90 und 150 ºC während 2 bis 25 Stunden vorgenommen wird.

8. Verfahren nach dem Anspruch 7,

bei dem dieses Anlassen durch ein zweites Anlassen bei höherer Temperatur zwischen 150 und 170 ºC während einer Dauer von 0,5 bis 20 Stunden vervollständigt wird.