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Dokumentenidentifikation DE3247873C2 11.03.1993
Titel Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit verbesserter Beständigkeit gegen Schichtkorrosion
Anmelder Aluminum Company of America, Pittsburgh, Pa., US
Erfinder Ponchel, Basil Michael, Arnold, Pa., US;
Walsh, James Dodson, Cheswick, Pa., US
Vertreter Grünecker, A., Dipl.-Ing.; Kinkeldey, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing.; Stockmair, W., Dipl.-Ing. Dr.-Ing. Ae.E. Cal Tech; Schumann, K., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat.; Jakob, P., Dipl.-Ing.; Bezold, G., Dipl.-Chem. Dr.rer.nat.; Meister, W., Dipl.-Ing.; Hilgers, H., Dipl.-Ing.; Meyer-Plath, H., Dipl.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 8000 München
DE-Anmeldedatum 23.12.1982
DE-Aktenzeichen 3247873
Offenlegungstag 07.07.1983
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 11.03.1993
Veröffentlichungstag im Patentblatt 11.03.1993
IPC-Hauptklasse C22F 1/053
IPC-Nebenklasse C22C 21/10   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit verbesserter Beständigkeit gegen Schichtkorrosion bei gleichzeitig verbesserter mechanischer Festigkeit, die neben Aluminium Zink, Magnesium und Kupfer als Hauptlegierungsbestandteile enthält.

Aus der GB-PS 4 76 930 ist eine Aluminiumlegierung mit verbesserter Zugfestigkeit bekannt, welche 2,0 bis 8,0% Zink, 1,5 bis 5,0% Magnesium, 0,2 bis 5,5% Kupfer, 0,02 bis 3,0% Eisen, 0,05 bis 3,0% Silicium, Rest Aluminium enthält. Zirkonium ist in dieser bekannten Aluminiumlegierung lediglich gelegentlich als Verunreinigung enthalten.

Diese bekannte Legierung wird erst im Anschluß an eine Wärmebehandlung verformt und fällt nicht durch eine besondere Beständigkeit gegen Schichtkorrosion auf. In der genannten DE-PS ist lediglich von einer Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit im allgemeinen die Rede.

Ferner ist aus der US-PS 22 40 940 eine geschmiedete, lösungsgeglühte und warmausgelagerte Aluminiumlegierung bekannt, deren Mangangehalt bis zu 1% beträgt. Auch dieser letztgenannten Veröffentlichung ist kein Hinweis auf die Beständigkeit der dort beschriebenen Legierung gegen Schichtkorrosion zu entnehmen.

Herkömmliche Aluminiumlegierungen mit 3 bis 8% Zink, 1,5 bis 5% Magnesium und 0,75 bis 2,5% Kupfer können bei Temperaturen von etwa 100 bis 121°C durch Warmauslagern gealtert werden, um ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften zu erhalten, was als T6-Behandlung bekannt ist. Hohe Beständigkeiten gegen Abblätterung und Spannungskorrosion mit gewissen in Kauf zu nehmenden Einbußen bei der Festigkeit können durch eine nachfolgende Alterungsbehandlung der Legierung bei Temperaturen von 149 bis 177°C für einen hinreichenden Zeitraum erreicht werden, um das zu erreichen, was als T7-Behandlung bekannt ist.

In einigen Fällen haben sich Modifikationen der vorstehenden Wärmebehandlungen als erfolgreich erwiesen, indem die Mengen an Legierungskomponenten sorgfältig überwacht wurden, verbunden mit der Verwendung höherer Temperaturen. So beschreibt z. B. die US-Patentschrift 38 81 966 ein Verfahren zum Herstellen einer Al-Legierung mit hoher Festigkeit und hoher Beständigkeit gegen Spannungskorrosion unter Verwendung einer Auslagerungstemperatur von 149 bis 193°C zusammen mit sorgfältiger Überwachung des Verhältnisses der Legierungskomponenten.

Ein Auslagern bei niedrigeren Temperaturen zwecks Erzielung derselben Ergebnisse ist gleichfalls durchgeführt worden unter Verwendung anderer Legierungskomponenten. So beschreibt beispielsweise die US-Patentschrift 37 94 531 die Verwendung einer einstufigen Alterung bei einer Temperatur von 100 bis 139°C bei Substituierung von 2% Zink durch Cadmium.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Aluminiumlegierungen der aus der GB-PS 4 76 930 bekannten Gattung zu schaffen, welche sich durch eine verbesserte Beständigkeit gegen Schichtkorrosion bei gleichzeitig verbesserter mechanischer Festigkeit auszeichnen.

Diese Aufgabe wird durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren führt zu der angestrebten Verbesserung der Werkstoffeigenschaften und ist wegen seiner Einstufigkeit besonders günstig anzuwenden. Ferner ergeben sich Vorteile daraus, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die Warmauslagerungstemperaturen niedriger sind als im Stand der Technik.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt

Fig. 1 eine graphische Darstellung der mit Hilfe von verschiedenen Alterungsbedingungen erreichbaren Festigkeitseigenschaften in Längsrichtung,

Fig. 2 ein graphisches Schaubild, welches die unter Verwendung verschiedener Alterungsbedingungen erreichten Streckgrenzen darstellt,

Fig. 3 ein graphisches Schaubild, welches die bei Verwendung unterschiedlicher Alterungsbedingungen erreichten Kompressions-Fließgrenzen zeigt,

Fig. 4 ein graphisches Schaubild, welches die Beständigkeit gegen Abblättern (Exfoliation) nach einem 24stündigen EXCO-Test bei Anwendung unterschiedlicher Alterungsbedingungen zeigt,

Fig. 5 ein graphisches Schaubild, welches bei Verwendung unterschiedlicher Alterungsbedingungen die Beständigkeit gegen Abblättern nach einem 48stündigen EXCO-Test zeigt,

Fig. 6 ein graphisches Schaubild, welches bei Anwendung unterschiedlicher Alterungsbedingungen den Gewichtsverlust nach einem 48stündigen EXCO-Test zeigt,

Fig. 7 eine fotographische Aufnahme, welche das Aussehen von 3,96-mm-Proben nach 12monatiger korrosiver Beaufschlagung zeigt, wobei es sich um zwei erfindungsgemäß behandelte Proben und eine Vergleichsprobe handelt, und

Fig. 8 eine fotographische Aufnahme, welche das Aussehen von 20,3-mm-Proben nach 12monatiger korrosiver Beaufschlagung zeigt, wobei zwei erfindungsgemäß behandelte Proben und eine Vergleichsprobe dargestellt sind.

Die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Legierung verfügt über eine deutlich verbesserte Beständigkeit gegen Schichtkorrosion als Folge ihrer chemischen Zusammensetzung sowie der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte. Insbesondere wirkt sich das erfindungsgemäße Warmauslagern bei Temperaturen von 132,6 bis 138°C vorteilhaft auf die Werkstoffeigenschaften aus. Diese Warmauslagerung erfolgt während eines 6- bis 30stündigen Zeitraumes. Die erzielte Verbesserung der Beständigkeit gegen Schichtkorrosion ergibt sich aus einer signifikanten Herabsetzung der Exfoliation im Vergleich zu nichterfindungsgemäßen Proben, wie in den Fig. 7 und 8 dargestellt.

Die Legierung nach der Erfindung ist nützlich für die Herstellung von extrudierten Erzeugnissen, gewalzten Materialien, wie Blechen oder Platten, oder in Form von Schmiedestücken, wobei sich der größte Nutzen in Form von extrudierten Erzeugnissen ergibt, insbesondere im Hinblick auf die Legierung gemäß (amerikanischer) Werkstoffnummer 7150. Die Legierung kann in Form dünner Erzeugnisse verwendet werden, wie in Form von Blechen, aber auch mit größeren Dickenabmessungen, wie als Grobblech (Platte) ohne nennenswerte Unterschiede hinsichtlich der Streckgrenze in Folge unterschiedlicher Abkühlgeschwindigkeiten.

Die Legierung nach der Erfindung mit gesteigerter Beständigkeit gegen Abblättern kann in verschiedenen Abmessungen und Formen unter Verwendung herkömmlicher Arbeitsweisen, wie in der bereits erwähnten US-Patentschrift 38 81 966 beschrieben, verwendet werden. So kann z. B. die Legierung in Form eines kontinuierlich direkt abgeschreckten Gußblockes erzeugt werden, welcher zunächst einer erhöhten Temperatur von etwa 454°C bis 482°C für einen hinreichenden Zeitraum zum Homogenisieren der inneren Struktur und zum gleichförmigen Verteilen der Legierungskomponenten darin, unterworfen wird. Das Material wird sodann warm verformt und, gegebenenfalls kalt verformt, um das angestrebte Erzeugnis herzustellen. Wie bereits erörtert, können diese Verformungsvorgänge ein Walzen, Extrudieren oder Schmieden sowie jegliche andere bekannten Materialverformungsmaßnahmen umfassen, die sich zur Herstellung von Aluminiumstrukturen als nützlich erwiesen haben. Ein Zwischenglühen oder Wiedererwärmen kann gleichfalls durchgeführt werden, falls während der Metallverarbeitungsschritte erforderlich, um zum angestrebten Endergebnis zu kommen. Das Endergebnis kann einen relativ dicken Querschnitt aufweisen, beispielsweise 50,8 bis 101,6 mm oder mehr (Dickenabmessung) oder es kann einen relativ dünnen Querschnitt mit einer weniger als 6,35 mm dicken Abmessung aufweisen. Unabhängig von der Dicke besitzt das Legierungserzeugnis eine sehr befriedigende Streckgrenze und eine gesteigerte Beständigkeit gegen Abblättern (Schichtkorrosion), wenn es erfindungsgemäß ausgelagert wurde, wobei praktisch keine Einbuße hinsichtlich Spannungskorrosionsbeständigkeit festzustellen ist.

Das Erzeugnis, also eine Platte, ein Blech oder ein Extrusionsstrang, wird typischerweise bei einer Temperatur von 460°C oder höher einer Lösungsglühung unterworfen, und zwar für einen für die Lösungseffekte ausreichenden Zeitraum, um Gleichgewichtsbedingungen herzustellen, worauf das Material abgeschreckt (abgekühlt) wird. Abkühlen oder Abschrecken (quenching) kann auf mancherlei Weise im Hinblick auf den überraschenden Mangel an Abschreckempfindlichkeit ausgeführt werden, durch welchen sich die bevorzugten Legierungen, d. h. die Legierungen gemäß Werkstoffreihe 7150 auszeichnen. So kann das Erzeugnis beispielsweise durch Besprühen mit kaltem Wasser oder durch Eintauchen in Wasser mit Raumtemperatur abgekühlt (abgeschreckt) werden.

Das wärmebehandelte und abgekühlte Erzeugnis wird sodann warmausgelagert, um seine Festigkeit und seine verbesserte Beständigkeit gegen Schichtkorrosion zu entwickeln. Dieses Auslagern erfolgt über einen Zeitraum von 6 bis 30 Stunden bei einer Temperatur von 132°C bis 140°C, vorzugsweise 132,6°C bis 138°C, am günstigsten bei 135±0,5°C. Das bedeutet, daß das Altern einstufig unter isothermischen Bedingungen erfolgt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Beispielen noch näher erläutert.

Beispiel 1

Extrusionsstränge mit Dickenabmessungen von 3,96; 6,35 und 20,32 mm wurden hergestellt und unterschiedlichen Auslagerungstemperaturen und -zeitdauern unter Einschluß eines zweistufigen Alterungsprozesses nach dem Stande der Technik unterworfen, wobei die Probe bis zu 20 Stunden lang bei einer Temperatur von 121°C oder niedriger gealtert und anschließend eine zweite Stufe bei einer Temperatur von 163 Grad für einen Zeitraum von etwa 5 Stunden durchgeführt wird. Die benutzte Legierung enthielt (Gewichtsteile) 5,9 bis 6,9 Teile Zink, 2,0 bis 2,7 Teile Magnesium, 1,9 bis 2,5 Teile Kupfer, 0,1 Teil Mangan, weniger als 0,04 Teile Chrom, 0,08 bis 0,15 Teile Zirkonium, weniger als 0,06 Teile Titan, weniger als 0,12 Teile Silicium, weniger als 0,15 Teile Eisen und weniger als 0,15 Teile an nicht identifizierten Verunreinigungen, Rest Aluminium. Die Extrusionsstränge waren alle bei 477 bis 482°C lösungsgeglüht worden, dann mit kaltem Wasser abgeschreckt und sodann vor dem Auslagern um 1,5 bis 2,0% gestreckt worden. Nach dem Auslagern wurden die Proben hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit und Druckfestigkeit geprüft und sodann dem EXCO-Exfoliationstest gemäß ASTM G 34-79 unterworfen. Die Ergebnisse sind in den Tafeln I, II, III zusammengestellt, welche zwischen den drei Dicken der Proben differenzieren und in den Fig. 1 bis 6 veranschaulicht sind, in welchen die Ergebnisse für die drei Proben gemittelt wurden. Die Ergebnisse zeigen deutlich, daß die Proben 3 bis 6, welche erfindungsgemäß gealtert worden sind, unabhängig von ihrer Dicke ihre Festigkeitseigenschaften wenigstens in dem Maße beibehalten, wie die mit Hilfe des herkömmlichen zweistufigen Alterungsverfahrens behandelten Proben, wohingegen deutlich verbesserte Beständigkeiten gegen Schichtkorrosion erreicht werden, wie sowohl durch die Sichtprüfungen des EXCO-Versuchs als auch durch die Gewichtsverlustbestimmungen unter Beweis gestellt.

Beispiel 2

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wurden entsprechend Beispiel 1 hergestellte und erfindungsgemäß während unterschiedlicher Zeitdauern von 8-24 Stunden bei 135°C gealterte Proben 12 Monate lang einer Meeresküstenatmosphäre am Point Judith, Rhode Island (USA) unterworfen. Wie in Beispiel 1 wurden Vergleichsproben aus derselben Legierung, jedoch auf herkömmliche zweistufige Weise gealtert, wie in Beispiel 1 beschrieben, zusätzlich verwendet. Als weitere Kontrollmaßnahme wurden 6,35 mm und 20,38 mm dicke Proben der Legierung 7075-T 6511 gleichfalls der Meeresküstenatmosphäre ausgesetzt. Diese Legierung ist, obwohl sie nicht die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß behandelten Legierung besitzt, wegen ihrer guten Beständigkeit gegen Schichtkorrosion bekannt. Die als Proben verwendeten Paneele wurden unter einem Winkel von 45° geneigt und mit ihrer Testoberfläche der Erde zugewandt angeordnet, da bekannt ist, daß die Schichtkorrosion besonders gern auf geschützten Oberflächen auftritt. Die Sichtprüfung der Paneele nach 12 Monaten zeigte Schichtkorrosionsangriffe an den auf herkömmliche Weise zweistufig gealterten Paneelen entsprechend den Bewertungskategorien E-C oder E-D, wohingegen die auf erfindungsgemäße Weise ausgelagerten Paneele einen deutlich schwächeren Schichtkorrosionsangriff gemäß Bewertungskategorien E-A oder E-B zeigten.

Die Fig. 7 bzw. 8 zeigen die Resultate dieser 12monatigen korrosiven Beaufschlagung an den 3,96 mm und 20,32 mm dicken Proben. Die in Fig. 7 gezeigten Proben sind in Tafel I als Probe Nr. 4, Probe Nr. 5 und Vergleich-1 bezeichnet. Die in Fig. 8 dargestellten Proben entsprechen den in Tafel III angegebenen Proben Nr. 4, Nr. 5 und Vergleich-1. Die gesteigerte Beständigkeit gegen Abblättern geht sehr deutlich aus den Fig. 7 und 8 hervor.

Folglich besagen die Versuchsergebnisse, daß die Legierungen erfindungsgemäß in einem einzigen Schritt bei einer Temperatur von oberhalb 132°C bis 140°C ausgelagert werden können, wodurch ein Erzeugnis mit mechanischen Eigenschaften und gesteigerter Beständigkeit gegen Schichtkorrosion geschaffen wird, welches mit den Produkten des herkömmlichen zweistufigen Alterungsverfahrens vergleichbar ist.


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung mit verbesserter Beständigkeit gegen Schichtkorrosion (Exfoliation), bei gleichzeitig verbesserter mechanischer Festigkeit, die neben Aluminium Zink, Magnesium und Kupfer als Hauptlegierungsbestandteile enthält, dadurch gekennzeichnet, daß
    1. (a) eine Aluminiumlegierung aus (in Gew.-%)

      5,9 bis 8,2% Zink

      1,5 bis 4,0% Magnesium

      1,5 bis 3,0% Kupfer

      0,08 bis 0,15% Zirkonium

      höchstens 0,10% Mangan

      höchstens 0,04% Chrom

      Rest Aluminium mit unvermeidlichen Verunreinigungen hergestellt wird,
    2. (b) diese Legierung zu einem Formkörper verformt wird,
    3. (c) der Formkörper einer Lösungsglühung unterzogen wird,
    4. (d) der lösungsgeglühte Formkörper abgeschreckt und
    5. (e) danach bei einer Temperatur von oberhalb 132 bis 140°C 6 bis 60 Stunden lang einer Warmauslagerung unterzogen wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Warmauslagerung bei einer Temperatur von 132,6 bis 138°C durchgeführt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Warmauslagerung bei einer Temperatur von 135±0,5°C durchgeführt wird.
  4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lösungsglühung in der Stufe (c) bei einer Temperatur von 454°C durchgeführt wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Warmauslagerung 6 bis 30 Stunden lang durchgeführt wird.
  6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Stufe (a) eine Aluminiumlegierung aus (in Gew.-%)

    5,9 bis 6,9% Zink

    1,9 bis 2,5% Kupfer

    2,0 bis 2,7% Magnesium

    0,08 bis 0,15% Zirkonium

    höchstens 0,1% Mangan

    höchstens 0,04% Chrom

    höchstens 0,06% Titan

    höchstens 0,12% Silicium

    höchstens 0,15% Eisen

    höchstens 0,05% nicht identifizierte Verunreinigungen, wobei die Summe der nicht identifizierten Verunreinigungen nicht mehr als 0,15% beträgt und

    Rest Aluminium hergestellt wird, so daß eine Aluminiumlegierung mit einer Fließgrenze bei Druckbeanspruchung von mindestens 541,4 N/mm² erhalten wird.






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