DE1608148A1

DE1608148A1 - Legierungen auf Aluminiumbasis

Info

Publication number: DE1608148A1
Application number: DE19681608148
Authority: DE
Inventors: Brook Greville Bertram
Original assignee: Fulmer Research Institute Ltd
Current assignee: Fulmer Research Institute Ltd
Priority date: 1967-02-27
Filing date: 1968-02-22
Publication date: 1972-04-20
Also published as: NO122344B; DE1608148C3; BE711370A; DE1608148B2; DK130356B; AT305661B; US3561954A; NL6802648A; NL139564B; CH515997A; SE331584B; FR1602294A; DK130356C; GB1211563A

Description

Patentanwalt

lnf. Horst Watther 21,2.1968 M-

35 Kassel

H. Heine-Str. 16 · EAe Frankfurter Str.

¹¹ Legierungen auf Aluminiumbasis"

Die Erfindung bezieht sich auf Legierungen auf Aluminiumbasis, die ein Verstärkungselement, wie etwa Kupfer als den Hauptbestandteil der Legierung enthalten, insbesondere auch Legierungen auf Aluminiumbasis, die zusätzlich Magnesium enthalten.

Legierungen auf Aluminiumbasis, die ein Verstärkungseiegierungselement, wie etwa Kupfer, als Haupt legierungsbestandteil und sowohl Kupfer als auch Magnesium als Hauptlegierungsbestandteile enthalten, werden weitgehend wegen ihrer sehr erwünschten mechanischen und physikalischen Eigenschaften und der Einfachheit der Herstellung verwendet. Seit kurzem werden sie mehr und mehr als dauerstandfeste Materialien , benutzt.

Unt$fegen

209017/0093

Solche Legierungen'sprechen auf Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen^ je nach Zusammensetzung, von k^O - 550 C an, (normalerweise als Vergutungsglühen bezeichnet), worauf ein schnelles Abkühlen auf Temperaturen unter 250° folgt, . wonach die Legierungen entweder bei Zimmertemperatur (natürliches Altern) oder bei hoher Temperatur (künstliches Altern) gealtert werden können, um ihre Widerstandsfähigkeit zu erhöhen.

Künstliches Altern bewirkt ein schnelleres Härten und gestattet, die Höchstwiderstandsfähigkeit zu erreichen· Es kann notwendig sein, die Legierung zu verformen, z.B. zur Vereinfachung der Herstellung oder zum Unterstützen des Härtens, und dies wird vorzugsweise sobald als möglich nach einem schnellen Abkühlen durchgeführt, das auf das Vergütungsglühen folgt, und bevor die maximale Härte erreicht wurde»

Wir haben festgestellt, dass kleine Zusätze von Germanium bis zu mindestens ο ,5% günstige Wirkungen auf solche AIurainiumlegierungen haben·

Demgemäß bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine Legierung, die Aluminium als Grundlage, 0,01Ji bis 0,5Ji Germanium, 0,1?ί bis 5% Magnesium und mindestens eines der bekannten Verstärkungslegierungselemente für Aluminium enthält.

Geeignete Veraiärkungselemente umfassen Silizium» Zink und

209817/0093

Kupfer. Es wird bevorzugt, Kupfer in einer Menge von 2 -7% eu benutzen, insbesondere in Anwesenheit von 0,1% bis k% Magnesium.

Die Legierungen nach der vorliegenden Erfindung können weiterhin andere Elemente enthalten, beispielsweise SiLi ζ ium bis zu Ojiji für Legierungen« wenn das Altern bei Zimmertemperatur vermieden werden soll, oder über O,1J6 wo ein leichtes Verarbeiten nicht von großer Bedeutung ist, sondern Dauerstandfestigkeit nach dem künstlichen Altern gefordert wird.

Eine bevorzugte Aluminiumlegierung nach der Erfindung umfaßt 0,02s bis 0,25% Germanium, 0,1 - k% Magnesium und 4,0% bis 6,556 Kupfer mit, falls erwünscht, bis zu 0_t3% Silizium, bis zu IS Mangan und bis zu 0,5% Eisen.

Irgendwelche der bekannten Kornverfeinerungsmittel können ebenfalls den Legierungen nach der Erfindung züge- g fügt werden, beispielsweise Silber., Titan oder Chrom zum Zwecke der Veränderung der Korngröße oder ihrer Wirkungen auf das Rekristallisationsverhalten. Für gewisse Anwendungsgebiete^ insbesondere diejenigen, die einen Widerstand gegen hohe Temperaturen erfordern, kann es wünschenswert sein, bis zu 2,5% Nickel und/oder l_t5% Eisen hinzuzufügen.

Die vorstehend genannten" günstigen Wirkungen sind: 1.) daß

209817/0093

die Geschwindigkeit des Härtens und die maximale Harte, die beim natürlichen Altern erreicht wird, sehr stark verringert werden, so daß es nicht notwendig ist, Verf ortnungsarbeiten sofort nach dem Ansehrecken nach dem Vergütungsglühen durchzuführen«

2.) Daß die Geschwindigkeit des Härtens auf die größte Härte und die maximalen mechanischen Eigenschaften auf künstliches Altern beträchtlich höher ist als bei Legierungen, die frei von Magnesium oder Germanium sind, oder die entweder Magnesium oder Germanium alleine enthalten, und

3.) daß der Widerstand gegen ein Überaltern bei hohen Temperaturen insbesondere während des Wanderns des Materials besser ist als in vergleichbaren Legierungen ohne Magnesium plus Germanium.

Die Versuche der Erfinder haben gezeigt, daß Magnesium plus Germanium-Zuschläge den O-Niedersehlag des AluminiumKupfer syst ems wirksamer zur Kernbildung bringen als andere Spurenelemente, wie etwa Kadmium, Indium und Zinn, in Aluminiumlegierungen, die von 2 - 7% Kupfer enthalten, oder als Magnesium und Silizium zusammen in der wohlbekannten Legierung, die typiseherweise 5■-- 6% Cu, O_f^% Mg, O,15?Ä Si und 0,25% Ma enthält, und daß angenommen wird, daß dies der Grund für die vorstehend genannten günstigen Wirkungen ist.

2Q98t7/0ö§3

Als Beispiel, und um die Erfindung zu illustrieren, wurden die Eigenschaften von zwei Legierungen auf Aluminiumbasis verglichen, die Kupfer als einen Hauptlegierungsbestandteil enthalten, nämlich eine wohlbekannte Legierung, die auch Magnesium und Silizium enthält, und eine nach der Erfindung, die auch Magnesium und Germanium enthält. Diese Legierungen werden nachstehend als Legierung A bzw. Legierung B bezeichnet, und die Legierung A enthält 5% Kupfer, O,2% Magnesium, 0,15% Silizium, 0,5% Magnesium und 0,1% Eisenf und die Legierung B enthält 5% Kupfer, 0,2% Magnesium, 0,5% Germanium, 0,5% Mangan und 0,15% Eisen.

Geschmiedete Stangen aus beiden Legierungen wurden bei 53O°C vergutungsgeglüht, in kaltem Wasser abgeschreckt und dann bei 170 C gealtert. Die Legierung A erreichte die maximalen mechanischen Eigenschaften nach dem Altern während 24 Stunden, während die Legierung B sich schneller aushärtete und ihr Maximum in 9 1/2 Stunden erreichte.

Legie- Zeit bei 170°C 0,1% Prüf- Maximalbe- Dehnung %

rung beanspru- anspruchung ' bei 4 W A ä

chung to/f/ to/f/ZoIl^ ^{T f}

Zoll²

A	24 Stunden	20.0 20.5	28.4 28.4	17 17
B	7 1/2 Stunden	26.8 27.4	3I.2 31.8	16 14
B	l6 Stunden	27.7 26.5	32.O 32.2	.13 14

20 981 7

Die Wi.rku.ng des Magnesium plus Germaniumzuschlägen, war bei höheren Alterungstemperaturen stärker ausgeprägt, z.B. bei

19O°C.

Legie- Zeit bei I90 C. rung

0,1% Prüf- maximale Dehnung %

beanspru- Beanspruchung bei

chung „ to. f/ZoIl^ k>f~~A to.fT/Zoll

A	16	Stunden	19.5 I8.9	28.1 27.6	13 11
B	7	1/2 Stunden	28.4 28.2	3I.9 3I.9	12 13

Weiterhin, wurden Huster von 530 C in. Wasserabgeschreckt und bei Umgebungstemperatur Ik Tage lang gealtert. Die Legierung A erhöhte ihre Härte von 83 D.P.N. auf 92 D.P.N., während die Härte der Legierung B bei 8l D.P.N. konstant blieb. Nach 23 Tagen war die Härte der Legierung A auf angestiegen, und die der Legierung B auf 99 D.P.N.

Die geringere Geschwindigkeit des Härtens der Legierung, die Magnesium plus Germanium enthält, wird auch Arch das Messen von mechanischen Eigenschaften von geschmiedeten Stangen gezeigt, die bei 53O⁰C vergütungsgeglüht, in kaltem Wasser abgeschreckt und 32 Tage bei 2 immertemperatur gealtert wurden.

203817/0083

Legier Z.eit bei Um- O_fl% Prüf- Maximalbe- Dehnung % bei

rung gebungstempe- widerstand anspruchung ^ tf""""A

ratur to.f/Zoll to,f/Zoll² *

A 32 Tage 14.O 2G.4 3O

D 32 Tage 9,7 22.6 29

So hat die Legierung B, die Germanium mit Magnesium enthält, nicht nur bessere mechanische Eigenschaften, die in einer kürzeren Alterungszeit bei 170⁰G oder 190⁰C erreicht werden, sondern sie altert langsamer bei Raumtemperatur nach Lösungsbehandlung»

Bie Alterungskurven für die Legierung A und B bei I65 C sind auch in Fig. 1 gezeigt. Ähnliche Wirkungen sind mit etwas niedrigerem Kupfergehalt gezeigt und mit Legierungen, die aus Aluminium hoher Reinheit hergestellt werden.

Fig. 2 zeigt die Härte-Alterungskurven bei 165 C für Le- Λ

gierungen, die ungefähr 4,O% Kupfer und Zuschläge von Magnesium oder Germanium oder Magnesium plus Germanium enthalten. Es ist offensichtlich, daß Magnesium- oder Germaniumzuschläge an sich beträchtlich weniger wirksam sind als kombinierte Zuschläge von Magnesium und Germanium, wobei diese letzteren sowohl beschleunigtes als auch verbessertes Alterungshärten bei dieser Temperatur erzeugen.

Die Legierung B zeigt auch mehr Widerstandsfähigkeit gegen

das Wandern des Materials bei Temperaturen im Bereich von
150⁰C. Geschmiedete Stangen der Legierung A und Legierung

B wurden von 530 C in Wasser abgeschreckt und 24 Stunden

1
und l6 Stunden bei I70 C gealtert. Sie wurden danach einer

Wanderung bei 150 C unter einer Beanspruchung von 12 to/f/

2
Zoll mit den folgenden Ergebnissen unterworfen:

Legierung Prozent plastische Verformung nach 1000 Stunden

A 0,110

B O,O45

Die Überlegenheit der Legierung B mit Germanium bei Materialwandern wird auch durch die höhere Widerstandsfähigkeit gezeigt, dienach verlängertem Aussetzen bei 150⁰C erzielt wurde.

- 8

209817/0093

Zugfestigkeitseigenschaften

wie gealtert nach 100 Stunden bei 150 C Nach 1000 Std. bei 150 C

0,1% Prüf- Maxi- Dehnung ο,1% Prüf- MaKi- Dehfestigkeit malbe- % bei festigkeit malbean- nung to/Zoll anspru- 4 A to/Zoll spruchg_o bei

chung , to/Zoll' to/Zoll* 4 A

0,1% Prüf- Maxi- Dehfestigkfiit malbe- nung to/Zoll anspru- bei

chung ,η»

Legie- Wärmebehandlung rung

O O CD

Zk Std.bei 17O°C 20*3 28.4

16 Std.bei 19O⁰C 19.2 2?.9

16 Std.bei 170⁰C 27.I 32.I

7 1/2 " " 190⁰C 28.3 31.9

17	21.	3	28.	7	14	19	.1
12	18.	8	27.	2	13	18	.3

27.6
27.O

31.4
30.8

11

14

24.1

22.8

27,0

29.4

29.2

27.9 , ,13

VD

in

Da Silizium eine natürlich vorkommende Verunreinigung in

Aluminium ist, wurden auch Legierungen nach der Erfindung untersucht, die verschiedene Mengen an Silizium enthalten, zusammen mit Veränderungen des Magnesium- und Germaniumgehaltes.

Bei siliziumfreien Legierungen haben sich nur geringe Vorteile bei den Alterungsmerkmalen gezeigt oder bei den mechanischen Eigenschaften beim Hinzufügen von mehr als 0,2Ji Germanium. Das Vorhandensein des Siliziums stört die Wirkung des kombinierten Magnesiums plus Germaniumzusätzen nicht. Selbst bei, Vorhandensein von Silizium bewirkt eine so geringe Menge von Ο,Ο29ί Germanium eine bedeutsame Verbesserung in der Maximalfestigkeit, und wie bei ailiziuaifreien Legierungen ist nur ein geringer Vorteil vorhanden, wenn mehr als ungefähr O,2?4 Germanium hinzugefügt werden.

Dies wird in den Eigenschaften der folgenden Legierungen illustriert, wobei geschmiedete Stangen davon von 530 C in kaltem Wasser abgeschreckt und bei 170 C während der gezeigten Zeiten gealtert wurden.

- 10 -

203017/0093

Legierung

Zusammensetzung in Ji

Cu Mg Si Ge Mc Fe

Alterungszeit je bei 170⁰C 0,156 Prüf be- Maximalbe- Dehnung % «nspruchung to/Zoll

anspruchung bei to/Z.oll² ktT" A

4.96 O.29 0,15 - 0,50 0.29 40 Stunden 20.5
20.9

27.6 27.4

16 15

5.II O.3O 0.12 0.12 0.46 0.25 24 Stunden 26.4
26.7

31.8 3I.8

15 16

5.00 0,27 0.10 0.21 O.51 O.29 16 Stunden 28.2
27.9

32.9 32.7

16 15

5«13 O.18 0.02 0.21 O.5I O.27 16 Stunden 26.7
26.4

3I.2 31.1

16 15

5.O8 0.20 0.02 O.32 0.50 0.27 8 Stunden 26.I

26.5

31.2 3I.3

18 16

Κ*

σο

CO

Ein Vergleich der Leigerungen C, D und E zeigt, daß das Vorhandensein von Silizium die günstige Wirkung von Magnesium plus Germanium nicht stört. Ein Vergleich der Legierung F und G zeigt, daß die einzige Wirkung zusätzlicher Zuschläge von Germanium eine weitere Beschleunigung des Härtens ohne irgendwelche besonderen Erhöhungen ist.

Höhere Festigkeiten können durch Erhöhen des Kupfergehaltes der Legierung erzielt werden, beispielsweise können mit 6% Kupfer, 0,1% Prüfbeanspruchungen über 30 Tonnen

f/Zoll erzielt werden, wie das aus einem Vergleich der Legierungen H, I und J hervorgeht.

Wie vorher wurden geschmiedete Stangen in kaltem Wasser von 53Ο ^c abgeschreckt und bei I70 C gealtert.

- 12 -

209817/0093

t f

	υ sä-	r4	.H
Cu E	a	D	"S
		iS3	JSJ
	«	O	⁴S.
	to	4?	O
I φ	Ö
	!3

f	i3« i> H
Ck

Ä	ft
	m	O
♦·	ß	Q-
O		Iv
	•rf	Ή
i	Φ
Sl
	«Β
{j	•Ο
h
<o	ψ>
+»	Ή
	3)

	«
	Cd

ο)

IAtSD

• ♦

.«ο

ο ο

PJ O

CO

co

ON

COCO «I C4

OI

OJ

ο ο

■Γ»·

CM

CVOJ

to

cn O

O O

ON

ca

ON

09317/009

- .13 -

Eine Wirkung des Siliziums besteht darin, den Wert des Härtens zu erhöhen_t der bei Zimmertemperatur nach dem Ab-¹schrecken nach dem Vergütungsglühen auftritt. Während dies unerwünscht ist, wenn das Material vor dem Altern bei höheren Temperaturen verf ormt werden soll, gibt es Umstände, unter denen ein solches Härten wünschenswert ist, ζ »8. nach dem Schweißen von vergütungs geglühtem und gealtertem Material, wenn eine gewisse Verstärkung der erneut Vergütungsgeglühten und Abschreckzone erforderlich ist, ohne ein darauffolgendes künstliches Altern des gesamten Aufbaus.

Typische Eigenschaften für geschmiedete Stangen aus den Legierungen C_t D, E| F, G und H nach dem Vergütungsglühen bei 53O Cj Abschrecken in Wasser und Altern bei Umgebungstemperatur während 21 Tagen sind nachstehend angegeben:

209817/0933

Legie- ____
rung _Cu

Zusammensetzung in %

Mg Si Ge Ma

0,1% Prüf- Höchstbean-

beanspruchung spruchung

^to/Zoll² to/Zoll²

Dehnung %

•bei , ■

4„96 0.29 0.15

0.50 0.29 16.1
16.1

28.1
27.6

28

3.0

5.11 ß,30 0.12 0.12 0.46 0.25 16.0

16. ι

28.0
28.2

29

26

5.00 0.27 Ooio 0.21 0.51 0.29 5
.15.4

27.6
27-8

30 31

5.13 O.l8 0.02 0.21 Ο.51 O.27 12.5
12.6

24,5
24.7

31 26

5οθ8 0₀20 0.02 Ο.32 Ο.5Ο 0.27 12.0
11.9

24.5
24.3

30 31

4.98 Ο.28 0.02 0.40 0.53 Ο.27 12.0
12.0

24.4
24.6

31

28

Ul

1608U8

Ein Vergleich zwischen den Legierungen E und F zeigt, daß • eine so geringe Menge wie 0,1% Silizium plus 0,1% Magnesium ein gewisses Härten bei Raumtemperatur verursacht, selbst in Anwesenheit von 0,2% Germanium.

Die Legierungen nach der Erfindung werden, wenn sie zur Verarbeitung oder zum Schweißen genommen werden sollten, bei 53Ο C vergütungsgeglüht und in Wasser abgeschreckt, bevor die Bearbeitung oder das Schweißen erfolgt. Für Anwendungsgebiete, die maximale mechanische Eigenschaften erfordern, können die Legierungen beim Temperaturen im Bereich von 150 C bis 210 C nach dem Vergütungsglühen gealtert werden.

209817/0093

Claims

1. Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Aluminium cils Grundbestandteil, 0,01Jo bis O,5/o Germanium"," 0,1% bis 5/ά Magnesium und mindestens eines der bekannten Verstärkungslegiorungselemente für Aluminium enthält. ■ · ■.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkungslegierungselement Silizium, Kupfer und/oder Zink ist.

3· Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 2- 7% Kupfer als Verstärkungslegierungselement verwendet werden und Magnesium in einer Menge von 0_s 1% bis ^lt% vorhanden ist.

^li. Legierung nach einem beliebigen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Silizium in einer Menge von nicht mehr als 0,1% vorhanden ist.

5. Legierung nach einem beliebigen der Ansprüche 1 - 3» dadurch gekennzeichnet, daß Silizium in einer Menge vorhanden ist, die über 0,15ο hinausgeht.

6. Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Aluminium

- 17

209817/0093

1608U8

als Grundbestandteil, 0,02% bis 0,4% Germanium, 0,1% bis 0,5/4 Magnesium und 4% bis 6,5% Kupfer enthält.

7. Legierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie weiter Silizium in einer Menge enthält, die nicht über 0,5/6 hinausgeht»

8. Legierung nach den Ansprüchen 6 oder 7» dadurch gekennzeichnet, daß sie weiterhin Mangan in einer Menge enthält, die nicht über 1,0% hinausgeht.