PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE69628922T2 29.01.2004
EP-Veröffentlichungsnummer 0000826072
Titel ALUMINIUM 6XXX-LEGIERUNG MIT VERBESSERTER BESCHÄDIGUNGSBESTÄNDIGKEIT
Anmelder Kaiser Aluminum & Chemical Corp., Pleasanton, Calif., US
Erfinder DORWARD, C., Ralph, Livermore, US
Vertreter Sobisch & Callies, 37581 Bad Gandersheim
DE-Aktenzeichen 69628922
Vertragsstaaten DE, FR, GB, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 24.04.1996
EP-Aktenzeichen 969138056
WO-Anmeldetag 24.04.1996
PCT-Aktenzeichen PCT/US96/05327
WO-Veröffentlichungsnummer 0096035819
WO-Veröffentlichungsdatum 14.11.1996
EP-Offenlegungsdatum 04.03.1998
EP date of grant 02.07.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.01.2004
IPC-Hauptklasse C22F 1/04

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung 1. Anwendungsgebiet der Erfindungs

Die Erfindung bezieht sieh auf Aluminiumlegierungen, die für eine Verwendung bei Luftfahrzeugen, Automobilen und anderen Anwendungsfällen geeignet sind und auf verbesserte Verfahren zur Herstellung solcher Legierungen. Sie bezieht sich im näheren Sinne auf ein Verfahren zur Herstellung eines verbesserten Aluminiumproduktes, welches insbesondere für eine Verwendung bei Luftfahrzeugen brauchbar ist, welches eine verbesserte Beschädigungsbeständigkeitscharakteristik aufweist einschließlich eines verbesserten Korrosionswiderstandes, einer verbesserten Formbarkeit, einer Bruchzähigkeit und verbesserter Festigkeitseigenschaften.

2. Beschreibung des einschlägigen Standes der Technik

In diesem Anwendungsgebiet tätige Verarbeiter haben wärmebehandlungsfähige Aluminiumlegierungen bei einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich solcher benutzt, bei denen es auf eine relativ hohe Festigkeit ankam, wie z.B. bei den Rumpfwerken von Flugzeugen, Fahrzeugteilen und anderen Anwendungsfällen. In den Vereinigten Staaten befinden sich die Aluminiumlegierungen 6061 und 6063 unter den populärsten wärmebehandlungsfähigen Aluminiumlegierungen. Diese Legierungen haben geeignete Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften sowohl bei den T4 als auch den T6 Wärmebehandlungen. Es fehlt ihnen jedoch an hinreichender Festigkeit für die meisten strukturellen Anwendungsfälle in der Luft- und Raumfahrt.

In neuerer Zeit sind die Legierungen 6009 und 6010 als Fahrzeugpaneele bei Kraftfahrzeugen und Booten verwendet worden. Diese Legierungen und ihre Produkte sind in dem US-Patent Nr. 4,082,578 beschrieben, welches am 04. April 1978 der Firma Evancho et al. erteilt wurde. Im Allgemeinen hält die Legierung 6010 0,8 Gew.-% bis 1,2 Gew.-% Si, 0,1 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Mg, 0,1 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Cu und 0,2 Gew.% bis 0,8 Gew.-% Mn, wobei der Rest im Wesentlichen aus Aluminium besteht. Die Legierung 6009 ist der Legierung 6010 ähnlich mit Ausnahme eines geringeren Siliziumgehalts von 0,6 Gew.-% bis 1,1 Gew.-% und eines niedrigeren Magnesiumgehalts von 0,4 Gew.% bis 0,6 Gew.-%

Trotz der Eignung der Legierungen 6009 und 6010 sind diese im Allgemeinen für die Konstruktion von kommerziellen Luftfahrzeugen ungeeignet, bei welchen für unterschiedliche Bauteilarten unterschiedliche Eigenschaftsgruppen gefordert werden. In Abhängigkeit von dem Konstruktionskriterium für eine bestimmte Luftfahrzeugkomponente führen Verbesserungen bei der Bruchzähigkeit und der Ermüdungsfestigkeit zu Gewichtseinsparungen, welche zu Treibstoffeinsparungen während der Lebensdauer des Luftfahrzeugs und/oder einem höheren Sicherheitsgrad führen.

Um diesen Bedürfnis zu begegnen, haben in diesem Anwendungsfeld tätige Verarbeiter versucht, Legierungen mit einem verbesserten Stoß- und Ausbeulwiderstand und gleichmaßen einer wesentlich verbesserten Zähigkeit zu entwickeln. Beispielsweise ist in dem am 20. Mai 1986 Park erteilten US-Patent 4,589,932 eine 6013-Legierung beschrieben, welche 0,4 Gew.-% bis 1,2-Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% bis 1,3 Gew.-% Mg, 0,6 Gew.-% bis 1,1 Gew.-% Cu und 0,1 Gew.-% bis 1 Gew.-% Mn umfasst, wobei der Rest im Wesentlichen aus Aluminium besteht. Gleichweise ist in der japanischen Patentanmeldung Kokai Nr. 60-82643 eine Legierung beschrieben, welche 0,4 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Si, 0,5 Gew.-% bis 1,5 Gew.-% Mg, 0,4 Gew.-% bis 1,8 Gew.-% Cu, 0,05 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Mn, 1,0 Gew.-% bis 6,0 Gew.-% Zn beschrieben, bei welcher ein Hinzufügen an Kupfer betont ist, um interkristalline Risse zu vermindern. Diese neue Generation an 6XXX Legierungen ist durch relativ hohe Kupfergehalte gekennzeichnet, welche einen Festigkeitsvorteil mit sich bringen. Unglücklicherweise führt der hohe Kupfergehalt auch zu einer erhöhten Empfindlichkeit für intergranulare Korrosion. Eine solche Korrosion verursacht im Betrieb eine Festigkeitsverschlechterung, wobei es, welches von größerer Bedeutung ist, es darüber hinaus zu einer erheblichen Beeinträchtigung der Ermüdungsfestigkeit kommt.

Korrosionsschäden sind bei heutigen Luftfahrzeugen ein dauerndes Problem, wobei das Rumpfwerk primär der Ort ist, an dem Korrosion auftritt. Es ist daher oft nach Verbesserungen hinsichtlich der Korrosionswiderstandsfähigkeit gesucht worden, und zwar mit oder ohne Gewichtseinsparungen. Die neue Generation von 6XXX-Legierungen ist somit für eine Anwendung bei Luftfahrzeugen im Allgemeinen ungeeignet, und zwar aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber intergranularer Korrosion, die durch hohe Kupfergehalte verursacht wird, wie im Einzelnen bei Chaudhuri et al., (Comparison of Corrosion-Fatigue Properties of 6013 Bare, Alclad 2024 and 2024 Bare Aluminum Alloy Sheet Materials, JMEPEG (1992) 1 : 91–96) diskutiert worden ist.

Ein anderer Lösungsansatz, der in dem US-Patent 4,231,817, welches am 04. November 1980 Takheuchi et al. erteilt worden ist und den japanischen Patentanmeldungen Kokai Nr. 55–8426 und 53–65209 entnehmbar ist, in welchen allgemein Legierungen des Typs 6061 und 6063 beschrieben worden sind, besteht darin, Zink hinzuzufügen. Obgleich von dem hinzugefügten Zink berichtet wird, dass es die Korrosionswiderstandsfähigkeit verbessert, fehlt es diesen Legierungen an hinreichender Festigkeit für die meisten strukturellen Anwendungen bei Luftfahrzeugen.

Hinsichtlich der Formbarkeit ist anzumerken, dass viele, bei Luftfahrzeugen benutzte Legierungen wie z.B. die Legierungen 2024 und 7075 in vergütetem Zustand nach Durchlaufen eines Wärmebehandlungsvertahrens O oder in frisch abgeschreckten Zustand nach Durchlaufen eines Wärmebehandlungsverfahrens W geformt werden. Eine Formgebung unter Zugrundelegung des Wärmebehandlungsverfahrens O macht jedoch einen anschließenden, auf ein Lösungsglühen gerichteten Verfahrensschritt erforderlich, wodurch üblicherweise Verzerrungsprobleme auftreten. Eine Formgebung unter Zugrundelegung des Wärmebehandlungsverfahrens W vermindert zwar das Verzerrungsproblem – bei einem Blech findet unter dieser Bedingung jedoch mit natürlicher Alterung eine Härtung statt, so dass entweder die Verzögerungszeit zwischen dem Lösungsglühen und der Formgebung minimiert werden muss oder der Werkstoff in einer Gefriereinrichtung so lange gelagert werden muss, bis er sich in einem zur Formgebung bereiten Zustand befindet. Mit einem Blech hingegen, welches sich in einem stabilen T4 Zustand befindet, werden sämtlich dieser potentiellen Probleme umgangen, weil der Hersteller dieses nur bis zu dem T6 Zustand nach Herstellung des Teiles altern muss. Es ist deshalb bei Legierungen, die bei Luftfahrzeugen eingesetzt werden wünschenswert, dass eine gute Formbarkeit unter Zugrundelegung eines stabilen T4 Zustands gegeben ist.

Zusammengefasst bleibt somit ein Bedürfnis nach einer Legierung, welche eine erhöhte Korrosionswiderstandsfähigkeit aufweist und gleichzeitig die erwünschte Festigkeit, Zähigkeit und die T4 Formgebungseigenschaften aufweist, welche die Legierungen des Typs 6013 zeigen. Es ist demzufolge ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine solche Legierung bereitzustellen.

Durch die vorliegende Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumprodukts bereitgestellt, welches die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellung eines Ausgangsmaterials, das eine Aluminiumlegierung ist, die im Wesentlichen aus ungefähr 0,6 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% Silizium, nicht mehr als ungefähr 0,5 Gew.-% Eisen, nicht mehr als ungefähr 0,6 Gew.-% Kupfer, ungefähr 0,6 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% Magnesium, ungefähr 0,4 Gew.-% bis 1,4 Gew.-. Zink und aus wenigstens einem Element besteht, welches aus der folgenden Gruppe ausgewählt ist, nämlich 0,2 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mangan und ungefähr 0,05 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Chrom, wobei der Rest im Wesentlichen aus Aluminium, zufälligen Elementen und Verunreinigungen besteht, Homgenisierung des Ausgangsmaterials, Warmbearbeitung, Lösungsglühen und Abschrecken. Das Produkt kann anschließend entweder natürlich gealtert werden, um eine verbesserte Legierung herzustellen, die eine gute Formbarkeit nach Maßgabe des T4 Zustands oder künstlich gealtert werden, um eine verbesserte Legierung mit hoher Festigkeit und Bruchzähigkeit zu erreichen und die darüber hinaus eine verbesserte Korrosionswiderstandsfähigkeit zeigt.

Das vorstehende Ziel und weitere Ziele, Elemente und Vorteile der Erfindung werden leicht verständlich werden anhand der nachstehenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels, welches unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert werden wird.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

1 ist eine grafische Darstellung welche den Verformbarkeitsverlust als Funktion der Menge an Kupfer in den Legierungen zeigt, die entweder Mangan oder Chrom und Zink enthalten, und zwar im Vergleich zu der Legierung 6013.

2 ist eine grafische Darstellung, welche den Einfluss von Kupfer und Zink auf die Festigkeit von Legierungen zeigt, die entweder Mangan oder Chrom enthalten.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Die hohe Formbarkeit, die hohe Bruchzähigkeit, die hohe Festigkeit und verbesserte Korrosionswiderstandseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung sind abhängig von einer chemischen Zusammensetzung, die innerhalb spezifischer, im Folgenden dargelegter Grenzen kontrolliert wird und von einer sorgfältig kontrollierten Wärmebehandlung. Falls die Grenzen der Zusammensetzung, der Herstellung und der Wärmebehandlungsverfahren, die zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung notwendig sind, von den unten dargelegten Grenzen abweichen, wird die gewünschte Kombination an Formbarkeit, Bruchzähigkeit, Festigkeit und Korrosionswiderstandsfähigkeit nicht erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung besteht aus 0,6 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% Silizium, nicht mehr als 0,5 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 0,6 Gew.-% Kupfer, 0,6 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% Magnesium, 0,4 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% Zink, wenigstens einem Element, welches aus der aus 0,2 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Mangan und 0,5 Gew.-% bis 0,3 Gew.-% Chrom bestehenden Gruppe ausgewählt ist, wobei der Rest aus Aluminium, zufälligen Elementen und Verunreinigungen besteht.

Der bevorzugte Bereich an Silizium beträgt 0,7 Gew.-% bis 1,0 Gew.-% Wenigstens 0,6 Gew.-% werden benötigt, um eine hinreichende Festigkeit bereitzustellen, wobei Mengen oberhalb von 1,2 Gew.-% dazu tendieren, eine Legierung zu bilden, die in dem T6 Zustand spröde ist. Eisen kann bis zu 0,5 Gew.-% vorhanden sein und ist vorzugsweise unterhalb von ungefähr 0,3 Gew.-% gegenwärtig. Höhere Anteile an Eisen tendieren dazu, eine Legierung zu bilden, die eine niedrigere Zähigkeit aufweist. Der bevorzugte Bereich an Magnesium beträgt ungefähr 0,8 Gew.-% bis 1,1 Gew.-% Zumindest ungefähr 0,6 Gew.-% Magnesium werden benötigt, um eine hinreichende Festigkeit bereitzustellen, wohingegen Mengen oberhalb von ungefähr 1,2 Gew.-% es schwierig machen, eine hinreichende Menge an Stoffen zu lösen, um eine ausreichende Menge an infolge Kaltaushärtung gebildetem Fällprodukt zu erreichen, um eine hohe T6 Festigkeit zu erzeugen.

Ich habe herausgefunden, dass ich ein verbessertes Legierungsblech herstellen kann, welches für die Außenhaut des Rumpfwerkes von Luftfahrzeugen geeignet ist, welches insbesondere gegenüber Korrosion widerstandsfähig ist und gleichzeitig eine hohe Festigkeit, eine hohe Bruchzähigkeit und eine gute Formbarkeit aufweist. Dies erreiche ich, indem ich eine Legierung des Typs 6013 nehme und deren Kupfergehalt beträchtlich vermindere, wobei auch beträchtliche Mengen an Zink hinzugefügt werden. Wenn bei meinem verbesserten Produkt der Kupfergehalt 0,6 Gew.-% überschreitet, sind die Produkte Korrosionsproblemen stärker ausgesetzt. Ich ziehe es daher vor, das Kupferniveau unterhalb von ungefähr 0,5 Gew.-% zu halten. Indem beispielsweise wie in 1 gezeigt, der Kupfergehalt von 0,5 Gew.-% auf 0,9 Gew.-% erhöht wird, nimmt eine allgemeine Korrosionsbeschädigung (als Verformbarkeitsverlust gemessen) zu, und zwar um etwa 50 %. Etwas Kupfer unterhalb dieser Grenzen ist jedoch wünschenswert, um die Festigkeit zu verbessern, wobei die Korrosiionswiderstandsfähigkeit nicht beträchtlich im negativen Sinne beeinflusst wird.

Eine Verminderung des Kupfergehaltes der neuen Legierung hat den Nachteil, dass die Festigkeit in 2 gezeigt vermindert wird. Unerwarteterweise habe ich entdeckt, dass ich den Verlust an Kupfer ausgleichen kann indem ich ungefähr 0,4 Gew.-% bis 1,4 Gew.-% Zink und vorzugsweise ungefähr 0,5 Gew.-% bis 0,8 Gew.-% Zink hinzufüge. Überraschenderweise erzeugt das zusätzliche Zink in der neuen Legierung eine ausreichende Festigkeit, wohingegen kein nachteiliger Einfluss auf die Korrosionsfestigkeit, die Zähigkeit oder die Formbarkeit erzeugt wird. Durch Hinzufügung von Zink in Mengen unterhalb 0,4 Gew.-% erreiche ich keine ausreichende Festigkeit für hochspezialisierte Anwendungsfälle bei Luftfahrzeugen wie z.B. die Außenhaut des Rumpfwerkes, wohingegen ein Zinkgehalt nach Maßgabe von Mengen oberhalb von 1,4 Gew.% dazu tendiert, eine Legierung zu bilden, die eine unerwünscht höhere Dichte aufweist.

Um das bevorzugte Aluminiumprodukt herzustellen, homogenisiere ich zunächst das Legierungsausgangsprodukt, um eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung der Legierungselemente zu erreichen. Im Allgemeinen homogenisiere ich dadurch, dass das Ausgangsprodukt auf eine Temperatur erwärmt wird, die von ungefähr 950°F bis 1050°F (510°C bis 566°C) reicht, und zwar während einer Zeitspanne, die von 2 Stunden bis 20 Stunden dauert, um lösbare Elemente aufzulösen und die innere Struktur des Metalls zu homogenisieren. Ich beachte jedoch, dass Temperaturen oberhalb von 1060°F das Metall wahrscheinlich schädigen und ich vermeide diese erhöhten Temperaturen aus diesem Grunde falls möglich. Im Allgemeinen homogenisiere ich während wenigstens 10 Stunden in dem Temperaturbereich der Homogenisierung. Am meisten bevorzuge ich eine Homogenisierung während ungefähr 8 Stunden bis 16 Stunden bei einer Temperatur von ungefähr 1030°F (554°C).

Anschließend unterziehe ich das Ausgangsprodukt einer Warmbearbeitung. In Abhängigkeit von der Art des Produktes, welches ich herstellen möchte, werde ich dieses entweder durch Warmwalzen, Extrudieren, Schmieden verarbeiten oder ein anderes ähnliches Warmbearbeitungsvertahren verwenden. Ich kann beispielsweise bei einer Temperatur extrudieren, die von 800°F bis 950°F reicht (421°C bis 510°C). Meine neue Legierung ist gut geeignet, um ein Blech von hoher Qualität herzustellen welches für eine Verwendung bei der Außenhaut von Luftfahrzeugen geeignet ist, so dass mein bevorzugter Warmbearbeitungsschritt ein Warmwalzen ist.

Zur Durchführung eines Warmwalzens erwärme ich das Ausgangsmaterial auf eine Temperatur, die von 750°F bis 950°F (399°C–510°C) reicht, und zwar während einer Zeitspanne, die von ungefähr zwei Stunden bis zehn Stunden reicht. Ich ziehe es im Allgemeinen vor, das Warmwalzen bei einer Anfangstemperatur durchzuführen, die von 750°F bis 900°F (399°C–482°C) reicht oder sogar höher, und zwar solange kein Schmelzen oder eine andere Schädigung des Gussstücks auftritt. Falls die Legierung beispielsweise für die Außenhaut eines Rumpfwerkes benutzt werden soll, führe ich das Warmwalzen an einem Gussstück oder einem Ausgangsmaterial von 15 bis 20 oder mehr Inch an Dicke aus, um ein Zwischenprodukt herzustellen, welches eine Dicke von 0,15 bis 0,3 Inch (3,8–7,8 mm) aufweist.

In Abhängigkeit von der Art des Bleches, welches ich produziere, kann zusätzlich ein Kaltwalzen im Anschluss an das Warmwalzen stattfinden, um die Blechdicke weiter zu vermindern. Vorzugsweise lasse ich es zu, dass sich das Blech auf weniger als 100°F abkühlt und vorzugsweise bis auf Raumtemperatur, bevor ich mit dem Kaltwalzen beginne. Vorzugsweise führe ich ein Kaltwalzen durch, um eine Reduzierung der Blechdicke von wenigstens 40 % zu erreichen, wobei ich ein Kaltwalzen vorzugsweise bis zu einer Dicke durchführe, die von ungefähr 50% bis 70% des Warmwalzmaßes reicht.

Im Anschluss an ein Kaltwalzen (oder nach einem Warmwalzen, nämlich dann, wenn sich kein Kaltwalzen anschließt) unterziehe ich das Blech einem Lösungsglühen. Vorzugsweise führe ich eine Lösungsglühbehandlung bei einer Temperatur von ungefähr 1000°F bis 1080°F (530°C bis 582°C) durch, und zwar während einer Zeitspanne, die von ungefähr fünf Minuten bis eine Stunde dauert. Es ist wichtig, dass das Ausgangsmaterial rasch erwärmt wird, und zwar vorzugsweise mit einer Erwärmungsgeschwindigkeit von ungefähr 100°F bis 2000°F (38°C bis 1093°C)pro Minute. Vorzugsweise führe ich das Lösungsglühen bei einer Temperatur von ungefähr 1020°F bis 1050°F (549°C bis 566° C) während ungefähr zehn Minuten bis zwanzig Minuten durch, wobei eine Erwärmungsgeschwindigkeit von ungefähr 1000°F (538°C) pro Minute verwendet wird.

Falls die Temperatur, bei welcher das Lösungsglühen stattfindet, wesentlich unterhalb von 1020°F (549°C) liegt, gehen die löslichen Elemente, nämlich Silizium, Kupfer und Magnesium nicht in eine feste Lösung über, welches zwei unerwünschte Konsequenzen haben kann:

  • 1. Es liegen zu wenig gelöste Elemente vor, um eine entsprechende Festigkeit im Anschluss an eine Kaltaushärtung zu erzielen; und
  • 2. Silizium, Kupfer und magnesiumhaltige intermetallische Verbindungen, die ungelöst bleiben, vermindern die Bruchzähigkeit, die Ermüdungs- und Korrosionswiderstandsfähigkeit.

Falls dementsprechend die Zeit, zu der der Verfahrensschritt des Lösungsglühens bei der Temperatur durchgeführt ist, zu kurz ausfällt, haben diese intermetallischen Verbindungen keine Zeit dazu, in Lösung zu gehen. Das Verhältnis der Erwärmungsgeschwindigkeit zu der Lösungstemperatur ist von Bedeutung, weil infolge hoher Geschwindigkeiten eine feine Korngröße (Kristallite) erzeugt wird, welches aus Gründen einer guten Bruchzähigkeit und einer hohen Festigkeit wünschenswert ist.

Nach dem Verfahrensschritt des Lösungglühens kühle ich das Ausgangsprodukt rasch ab, um ein unkontrolliertes Ausfallen sekundärer Phasen z. B. Mg2 Si zu minimieren. Vorzugsweise schrecke ich nach Maßgabe einer Geschwindigkeit von 1000°F/Sekunde (538°C/Sekunde) ab, und zwar über den Temperaturbereich von 750°F bis 550°F (399°C–288°C), nämlich von der Lösungstemperatur bis auf eine Temperatur von 100°F (38°C) oder niedriger. Am meisten bevorzuge ich ein Abschrecken unter Verwendung von Wasser, das unter erhöhtem Druck bei Raumtemperatur gesprüht wird oder durch Eintauchen in ein Wasserbad bei Raumtemperatur, im Allgemeinen innerhalb eines Temperaturbereichs von ungefähr 60°F bis 80°F (16°C–27°C).

An dieser Stelle kann ich entweder ein, ein T4 Gefüge aufweisendes Produkt erreichen, indem dieses einer natürlichen Alterung unterzogen wird oder ich kann ein, ein T6 Gefüge aufweisendes Produkt durch künstliches Altern erreichen. Zur künstlichen Alterung ziehe ich es vor, das Produkt auf eine Temperatur in dem Bereich von ungefähr 300°F bis 400°F (149°C bis 204°C) während einer Zeitspanne wiederzuerwärmen, die von zwei Stunden bis zwanzig Stunden reicht.

Beispiel 1

Um die vorliegende Erfindung zu demonstrieren, bereitete ich zunächst Legierungen vor, die die in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen aufwiesen, und zwar als DC-Schmelzblöcke (direct chill), welche ich anschließend bei 1025°F (552°C) während 12 Stunden homogenisierte, auf Raumtemperatur abkühlte, erneut auf 900°F (482°C) erwärmte, bis auf ein Maß von 0,160 Inch (4,06 mm) warmwalzte und anschließend auf ein Maß von 0,06 Inch (1,52 mm) kaltwalzte. Ich unterzog anschließend einen Teil eines jeden Bleches einem Lösungsglühen während zwanzig Minuten bei 1040°F (560°C), schreckte dieses in einem Wasser von 70°F (21°C) ab und alterte dieses bei 375°F (191°C) während 6 Stunden (T6 temper).

Ich untersuchte die künstlich gealterten, einem T6 Härtungsverfahren unterzogenen Materialien, deren Querzug-Eigenschaften vor und im Anschluss an eine dreißigtägige korrosive Beaufschlagung mittels einer dreieinhalbprozentigen NaCl Lösung untersucht wurden (abwechselndes Eintauchen wie in ASTM G-44 beschrieben). Wie im Corrosion Handbook (herausgegeben durch H. H. Uhlig, John Wiley & Sons, Seite 956) empfohlen, stellte ich Korrosionsschäden als Verformungsverlust quantitativ fest. Dieses Verfahren ist besonders bei Werkstoffen geeignet, die gegenüber Grübchenbildung und intergranularer Korrosion empfindlich sind. Ich untersuchte die Materialien mit Hinblick auf die Kahn Reißeigenschaften (Ausbreitungsenergie pro Einheit und das Verhältnis Reißfestigkeit – Streckgrenze), von denen bekannt ist, dass sie mit der Bruchzähigkeit korreliert sind.

Ich wertete anschließend die natürlich gealterten (T4 temper) Bleche mit Hinblick auf, Formbarkeit aus, und zwar unter folgenden Bedingungen: (1) einachsige Dehnung gemessen in einem Standard-Zugversuch, (2) zweiachsige Dehnung, dadurch gemessen, dass das Blech mit einer, einen Durchmesser von 1 Inch (25,4 mm) aufweisenden Stahlkugel (auch als Olsen Tassentiefe bekannt) eingebeult wurde und (3) Deformation durch ebene Beanspruchung, gemessen als Dehnung eines schmalen Streifens mittels einer, einen Durchmesser von 2 Inch (51 mm) aufweisenden Stahlkugel. Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse der in diesem Sinne behandelten, einem T6 Härtungsverfahren unterzogenen Materialien.

Die Daten zeigen dass eine Legierung mit ungefähr 0,50% Kupfer und ungefähr 1,15% Zink eine der Legierung 6013 entsprechende Streckgrenze aufweist. Es ist ebenfalls offensichtlich, dass die Hinzufügung von ungefähr 1,15 % Zink zu einer Basislegierung, die ungefähr 0,25% Kupfer enthält, deren Festigkeit um ungefähr 2 bis 2,5 ksi (13,8 bis 17,2 MPa) erhöht.

Tabelle 3 zeigt Ergebnisse der an den korrodierten T6 Blechen durchgeführten Zugversuche.

Die Legierungen, die ungefähr 0,25% bis 0,5% Kupfer und 1,15% Zink enthielten, zeigten eine viel bessere Korrosionswiderstandsfähigkeit als eine 6013 Legierung mit 0,88% Kupfer.

Tabelle 4 zeigt die Kahn Reißeigenschaften der T6 Bleche, die ich benutzte, um die Bruchzähigkeit der Materialien zu charakterisieren.

Diese Daten zeigen dass die Legierungen mit ungefähr 0,25% bis 0,5% Kupfer und 1,15% Zink eine der Legierung 6013 entsprechende Zähigkeit aufweisen.

Tabelle 5 zeigt die Ergebnisse der an den T4 Materialien vorgenommenen Formbarkeitsversuche.

Die Formbarkeit der Legierungen mit ungefähr 0,25% bis 0,5% Kupfer und 1,15% Zink waren derjenigen, der 0,28% Kupfer enthaltenden Basislegierung überlegen und ungefähr derjenigen der Legierung 6013 gleichwertig.

Die vorstehenden Ergebnisse zeigen, dass Legierungen mit ungefähr 0,25% bis 0,5% Kupfer und 1,15% Zink eine Festigkeit, Zähigkeit und Formbarkeit haben, die mit derjenigen der Legierung 6013 vergleichbar ist, jedoch gegenüber dieser eine bedeutend erhöhte Korrosionswiderstandsfähigkeit aufweisen.

Beispiel 2 Um eine alternative Ausführungsform einer Erfindung vorzustellen, habe ich Legierungen mit der in Tabelle 6 gezeigten Zusammensetzung zubereitet, und zwar in einer dem Beispiel 1 ähnlichen Weise, mit der Ausnahme lediglich, dass sie alle ungefähr 0,15% Chrom anstelle von Mangan enthielten.

Tabelle 6 Chemische Zusammensetzungen von chromhaltigen Legierungen

Ich wertete anschließend die Legierungen hinsichtlich der Formbarkeit (T4 Härtungsverfahren), der Zugeigenschaften, des Korrosionswiderstandes und der Zähigkeit nach Maßgabe der gleichen, in dem Beispiel 1 benutzten Verfahren aus. Tabelle 7 zeigt die Zugeigenschaften für die nach dem T6 Verfahren gehärteten Legierungen.

Ausgehend – von dem Umstand, dass die Legierungen 6 und 8 einen geringeren Magnesium und Siliziumgehalt als die entsprechenden manganhaltigen Legierungen 2 und 3 (Tabelle 2) aufwiesen, hatten diese Werkstoffe im Wesentlichen entsprechende Festigkeiten. Es ist offensichtlich, dass eine Zinkkonzentration von ungefähr 0,7 Gew.-% nahezu gleichermaßen wirksam ist wie eine solche mit einer Konzentration von 1,1 Gew.-% Dies ist von Bedeutung, weil die Zinkkonzentration auf dem niedrigst möglichen Niveau gehalten werden sollte, um einen Festigkeitsvorteil zu erreichen, nachdem höhere Konzentrationen die Dichte der Legierung erhöhen, welches für Anwendungen bei Luftfahrzeugen unerwünscht ist.

Tabelle 8 zeigt die Ergebnisse der Zugversuche, die an korrodierten T6 Blechen durchgeführt worden sind.

Ein Vergleich dieser Ergebnisse mit denjenigen der Tabelle 3 zeigt, dass die chromhaltigen Legierungen im Vergleich zu den manganhaltigen Legierungen einen beträchtlich erhöhten Korrosionswiderstand aufweisen.

Tabelle 9 zeigt die Kahn Reißeigenschaften (Zähigkeit) der T6 Bleche.

Anhand eines Vergleichs mit der Tabelle 4 ist es offensichtlich, dass die chromhaltigen Legierungen eine niedrigere Bruchzähigkeit als die manganhaltigen Materialien aufweisen.

Tabelle 10 listet die Ergebnisse der Formbarkeitsversuche an den T4 Materialien auf.

Anhand eines Vergleichs mit der Tabelle 5 ist es offensichtlich, dass die chromhaltigen Legierungen bessere Längsdehnungseigenschaften als die Legierung 6013 und die anderen manganhaltigen Legierungen aufweisen. Die Stempeltiefen in Längsrichtung (ebene Dehnung) sind ungefähr gleich, wohingegen die Olsen-Tassentiefen (zweiachsige Dehnung) geringfügig niedriger ausfallen.

Überraschenderweise hatten die Al-Mg-Si-Cu Legierungen, in denen ich das Kupfer teilweise durch Zink ersetzte, eine erheblich verbesserte Korrosionswiderstandsfähigkeit, wobei Festigkeitsniveaus beibehalten wurden, die denjenigen der Legierungen des Typs 6013 vergleichbar sind.

Die 1 und 2 zeigen diese Ergebnisse.

Insbesondere ist in den 1 und 2 die Korrosionswiderstandsfähigkeit und die Festigkeit solcher Legierungen mit der einen relativ hohen Kupfergehalt aufweisenden Legierung 6013 verglichen worden. Die erfindungsgemäßen Legierungen, welche Mangan als Kontrollmittel für die Kornstruktur enthalten, weisen auch entsprechende Zähigkeits- und Formbarkeitseigenschaften auf. Die erfindungsgemäßen Legierungen, welche Chrom als Kontrollmittel für die Kornstruktur enthalten, haben eine sogar erhöhte Korrosionswiderstandsfähigkeit und eine verbesserte einachsige Dehnungsfähigkeit unter Zugrundelegung des T4 Härtungsverfahrens.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumprodukts mit folgenden Schritten:

    (a) Es wird ein Ausgangsmaterial geschaffen, das eine Aluminiumgrundlegierung aufweist, die aus 0,6 bis 1,4 Gew.-% Silizium, nicht mehr als 0,5 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 0,6 Gew.-% Kupfer, 0,6 bis 1,4 Gew.-% Magnesium, 0,4 bis 1,4 Gew.-% Zink, wenigstens einem aus der aus 0,2 bis 0,8 Gew.-% Mangan und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Chrom bestehenden Gruppe ausgewählten Element, Rest Aluminium, zufällige Elemente und Verunreinigungen, besteht;

    (b) das Ausgangsmaterial wird homogenisiert;

    (c) Warmbearbeitung;

    (d) Vergütungsglühen; und

    (e) Abschrecken.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Legierung gemäß Schritt (a) 0,7 bis 1,0 Gew.-% Silizium, nicht mehr als 0,3 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 0,5 Gew.-% Kupfer, 0,8 bis 1,1 Gew.-% Magnesium und 0,5 bis 0,8 Gew.-% Zink aufweist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Legierung 0,3 bis 0,4 Gew.-% Mangan aufweist.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Legierung 0,1 bis 0,2 Gew.-% Chrom aufweist.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (c) aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Warmwalzen bei einer Temperatur von 750 bis 950° F (399 bis 510° C), Strangpressen bei einer Temperatur von 800 bis 950° F (427 bis 510° C) und Schmieden besteht.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem eine natürliche Alterung aufweist, um eine verbesserte Legierung mit guter Formbarkeit in einer natürlich gealterten T4-Härte herzustellen.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das außerdem eine künstliche Alterung aufweist, um eine verbesserte Legierung mit guter Festigkeit, Zähigkeit und gutem Korrosionswiderstand herzustellen.
  8. Verfahren nach Anspruch 1 mit folgenden Schritten:

    (a) Es wird ein Ausgangsmaterial geschaffen, das eine Aluminiumgrundlegierung aufweist, die aus 0,7 bis 1,0 Gew.-% Silizium, nicht mehr als 0,3 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 0,5 Gew.-% Kupfer, 0,8 bis 1,1 Gew.-% Magnesium, 0,3 bis 0,4 Gew.-% Mangan und 0,5 bis 0,8 Gew.-% Zink, Rest Aluminium, zufällige Elemente und Verunreinigungen, besteht;

    (b) das Ausgangsmaterial wird bei einer Temperatur von 950 bis 1050°F (510 bis 566°C) während einer Zeitdauer von 2 bis 20 Stunden homogenisiert;

    (c) es wird bei einer Temperatur von 750 bis 950°F (399 bis 510°C) warmgewalzt;

    (d) es wird bei einer Temperatur von 1000 bis 1080°F (538 bis 582°C) während einer Zeitdauer von 5 Minuten bis zu 1 Stunde vergütungsgeglüht;

    (e) es wird durch Abschrecken mit einer Geschwindigkeit von 1000°F/s (538o C/s) auf eine Temperatur von 100°F (38°C) oder niedriger abgekühlt; und

    (f) es wird künstlich gealtert durch Wiedererwärmen auf eine Temperatur von 300 bis 400°F (149 bis 204°C) während einer Zeitdauer von 2 bis 20 Stunden, um in dem Aluminiumprodukt eine T6-Härte zu erzeugen.
  9. Ein Produkt, das gemäß dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt wurde.
  10. Produkt nach Anspruch 9, das außerdem eine natürliche Alterung aufweist, um eine verbesserte Legierung mit guter Formbarkeit in einer natürlich gealterten T4-Härte zu erzeugen.
  11. Produkt nach Anspruch 9, das außerdem eine künstliche Alterung aufweist, um eine verbesserte Legierung mit guter Festigkeit, Zähigkeit und gutem Korrosionswiderstand zu erzeugen.
  12. Außenhaut eines Flugzeugrumpfes, die gemäß dem Verfahren nach Anspruch 8 hergestellt wurde.
  13. Produkt mit einer Aluminiumgrundlegierung, die 0,6 bis 1,4 Gew.-% Silizium, nicht mehr als 0,5 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 0,6 Gew.-% Kupfer, 0,6 bis 1,2 Gew.-% Magnesium, 0,4 bis 1,4 Gew.-% Zink, wenigstens ein aus der aus 0,2 bis 0,8 Gew.-% Mangan und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Chrom bestehenden Gruppe ausgewähltes Element, Rest Aluminium, zufällige Elemente und Verunreinigungen, aufweist, wobei das Produkt gegenüber der Legierung 6013 einen um wenigstens 5% verbesserten Korrosionswiderstand aufweist.
  14. Produkt gemäß Anspruch 13, bei dem die Legierung 0,7 bis 1,0 Gew.-% Silizium, nicht mehr als 0,3 Gew.-% Eisen, nicht mehr als 0,5 Gew.-% Kupfer, 0,8 bis 1,1 Gew.-% Magnesium und 0,5 bis 0,8 Gew.-% Zink aufweist.
  15. Produkt nach Anspruch 13, bei dem die Legierung 0,3 bis 0,4 Gew.-% Mangan aufweist.
  16. Produkt nach Anspruch 13, bei dem die Legierung 0,1 bis 0,2 Gew.-% Chrom aufweist.
  17. Produkt nach Anspruch 13, das gegenüber der Legierung 6013 einen um wenigstens 25% verbesserten Korrosionswiderstand aufweist, wobei dies nachweisbar ist durch einen Verlust an Dehnbarkeit, nachdem das Produkt einer salzhaltigen Umgebung ausgesetzt wurde.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com