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Dokumentenidentifikation DE69836569T2 03.01.2008
EP-Veröffentlichungsnummer 0001359232
Titel Verfahren zur Erhöhung der Bruchzähigkeit in Aluminium-Lithium-Legierungen
Anmelder Alcan Rolled Products Ravenswood LLC, Ravenswood, W.Va., US
Erfinder Cho, Alex, Cottageville, WV 25239, US;
Skillingberg, Michael, Richmond, VA 23225, US;
Greene, Richard, Hinsdale, IL 60521, US;
Niedzinski, Michael, Park Ridge, IL 60068, US
Vertreter BEETZ & PARTNER Patentanwälte, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69836569
Vertragsstaaten AT, BE, CH, DE, DK, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 30.01.1998
EP-Aktenzeichen 030150536
EP-Offenlegungsdatum 05.11.2003
EP date of grant 29.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.01.2008
IPC-Hauptklasse C22C 21/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C22C 21/12(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   C22F 1/057(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Methode zur Verbesserung der Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen Richtung bei Aluminium-Lithium-Legierungen sowie auf ein Produkt davon, und insbesondere auf eine Methode, welche das Kupfer-, Mangan-, Lithium- und Zirconiumniveau in den Legierungen kontrolliert, um die verbesserte Bruchzähigkeit zu erhalten.

Allgemeiner Stand der Technik

Es ist wohl bekannt, dass das Hinzufügen von Lithium als legierendes Element bei Aluminiumlegierungen vorteilhafte mechanische Eigenschaften mit sich bringt.

Aluminium-Lithium-Legierunge zeigen Verbesserungen bei Steifigkeit und Festigkeit bei gleichzeitiger Verringerung der Dichte. Folglich sind diese Arten von Legierungen als Konstruktionswerkstoffe bei Flugzeugsowie Luft- und Raumfahrtanwendungen von Nutzen. Zu den Beispielen bekannter Aluminium-Lithium-Legierungen gehören AA2097 und AA2197. Die chemischen Zusammensetzungen dieser Legierungen werden in der nachstehenden Tabelle 1 dargestellt.

Probleme mit Aluminium-Lithium-Legierungen gibt es hinsichtlich der Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung insbesondere bei Grobblech mit mehr als 3 Inches (76,2 mm) oder dicker.

Zähigkeitswerte in dieser Richtung neigen dazu, deutlich niedriger zu sein als Zähigkeitswerte in andere Richtungen wie etwa in longitudinaler (L-T) Richtung oder in langer transversaler (T-L) Richtung.

Angesichts der Nachteile bei Aluminium-Lithium-Legierungen hinsichtlich der Bruchzähigkeit, ergab sich die Notwendigkeit der Bereitstellung einer Methode zur Verbesserung der Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung für diese Arten von Legierungen. Als Antwort auf diese Notwendigkeit bietet die vorliegende Erfindung sowohl eine Methode als auch ein Produkt davon, welche die Bruchzähigkeit von Aluminium-Lithium-Legierungen in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung deutlich erhöhen, und dadurch ihre Eignung für mehr kommerzielle Anwendungen verbessern.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein erstes Ziel der Erfindung besteht darin, die Bruchzähigkeit von Aluminium-Lithium-Legierungen in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung zu verbessern.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Methode zur Herstellung einer Aluminium-Lithium-Legierung mit verbesserter Bruchzähigkeit in kurzer longitudinaler (S-L) Richtung.

Noch ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Nutzbarmachung einer Aluminium-Lithium-Legierung mit kontrollierten Mengen an Kupfer, Lithium, Mangan, Zink und Zirconium, um Verbesserungen der Bruchzähigkeit zu erreichen.

Und noch ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Aluminium-Lithium-Legierungsproduktes mit sowohl einer verbesserten Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung als auch einer annehmbaren Festigkeit in der kurzen transversalen Richtung.

Weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung zeigen sich, sobald eine Beschreibung davon erfolgt.

Um den vorhergehenden Zielen und Vorteilen Genüge zu tun, bietet die vorliegende Erfindung eine Methode zur Verbesserung der Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung bei einem Aluminium-Lithium-Legierungsartikel, wobei diese Methode die Schritte des Bereitstellens einer Aluminiumlegierung umfasst, im Wesentlichen bestehend aus, in Gewichtsprozent (alle nachfolgenden Niveaus der legierenden Elemente sind Gewichtsprozent, wenn nicht anders angegeben): 2,7 bis 3,0% Kupfer; 0,8 bis weniger als 1,3% Lithium; 0,05 bis 0,8% Mangan; 0,04 bis 0,18% Zirconium; mit Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen. Die Aluminiumlegierung kann ebenfalls Kornfeinungselemente beinhalten, wie zumindest eines aus Bor, Titan, Vanadium, Mangan, Hafnium, Scandium und Chrom. Vorzugsweise verfügt die Aluminiumlegierung nur über Verunreinigungsniveaus von Zink, so dass sie im Wesentlichen zinkfrei ist, beispielsweise weniger als 0,05 Gewichtsprozent Zink, noch besser wären weniger als oder bis zu 0,02%.

Der Lithiumgehalt wird vorzugsweise zwischen ungefähr 1,2 und 1,28 Gewichtsprozent gehalten, um ein Produkt mit geringer Dichte und mit guter Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen Richtung zu liefern. Mangan liegt vorzugsweise bei zwischen 0,30 und 0,32 Gewichtsprozent, wobei Zirconium bei über 0,10 Gewichtsprozent liegt. Es sei darauf hingewiesen, dass die Mengen der legierenden Elemente, außer den Mengen von Lithium und Kupfer, innerhalb der im vorherigen Absatz beschriebenen Bereiche liegen können.

In einer Abänderung der im vorherigen Absatz beschriebenen Zusammensetzung, reicht der Lithiumgehalt von ungefähr 0,8% bis weniger als 1,2 und der Kupfergehalt liegt bei zwischen ungefähr 2,8 und 3%. Diese Zusammensetzung sollte sogar noch höhere kombinierte Eigenschaften von Bruchzähigkeit und Festigkeit liefern, mit einer leicht höheren Dichte. In diesem Zusammensetzungsbereich würden zusätzliche theta' Ausscheidungsteilchen (Al2Cu) zusätzlich zu Tl Ausscheidungsteilchen (Al2CuLi) an den Korngrenzen ausgeschieden. Dies würde die kombinierten Eigenschaften von Festigkeit und Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen Richtung erhöhen.

Auf Wunsch kann Magnesium in einer Menge bis zu 0,25 Gewichtsprozent hinzugefügt werden. Kleine Mengen an Magnesium können vorteilhaft sein im Hinblick auf Festigkeit und Verringerung der Dichte. Überhöhte Mengen können jedoch eine Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion hervorrufen und bringen keine weiteren Vorteile hinsichtlich Festigkeit und Verminderung der Dichte.

Die Aluminiumlegierung wird in einen Barren gegossen und über einen bestimmten Zeitraum homogenisiert. Der homogenisierte Barren wird dann in eine Form, wie etwa ein Blech, warmbearbeitet und über einen bestimmten Zeitraum lösungsgeglüht. Die lösungsgeglühte Form wird dann vorzugsweise in Wasser abgeschreckt, vorzugsweise durch Dehnen kaltbearbeitet und über einen bestimmten Zeitraum ausgehärtet. Mit dieser Bearbeitung zeigt die kaltbearbeitete (gedehnte) und ausgehärtete Form gleichwertige Festigkeiten, aber eine höhere Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung als ähnliche Aluminiumlegierungen mit Lithiumgehalten von über 1,38.

Die Temperaturen beim Homogenisieren und Lösungsglühen liegen bei zwischen ungefähr 940°F (505°C) und 975°F (524°C), und vorzugsweise liegen die Temperaturen beim Lösungsglühen bei zwischen ungefähr 975°F (524°C) und 1000°F (538°C). Die bevorzugte Temperatur hängt häufig von der jeweiligen Legierungszusammensetzung ab, wie der Fachmann weiß. Das Homogenisieren kann zwischen 8 und 48 Stunden dauern, vorzugsweise etwa 24 bis 36 Stunden. Das Lösungsglühen kann zwischen 1 und 10 Stunden dauern, vorzugsweise zwischen 1 und 6 Stunden, und noch besser wären etwa 2 Stunden, sobald das Metall eine gewünschte Temperatur erreicht. Das Blech kann künstlich ausgehärtet werden, ohne jegliche Kaltbearbeitung. Es wird jedoch bevorzugt, etwa 4 bis 8 Kaltbearbeitung, vorzugsweise durch Dehnen, durchzuführen. Das Blech wird vorzugsweise bei zwischen ungefähr 300 und 350°F (149 und 177°C) etwa 4 bis 48 Stunden lang künstlich ausgehärtet, vorzugsweise etwa 12 bis 36 Stunden, wobei die Aushärtungszeit von der Aushärtungstemperatur abhängig ist.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Bearbeitung wird ein Aluminium-Lithium-Legierungsartikel mit erheblich verbesserter Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung hergestellt. Der Bruchzähigkeitswert in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung beträgt zumindest etwa 689 von der Bruchzähigkeit in der langen transversalen (T-L) Richtung. Während die erfindungsgemäßen Aluminium-Lithium-Legierungsartikel eine verbesserte Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung aufweisen, besitzen sie Dehngrenzen, die etwa 54 KSI überschreiten.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es wird nun auf die Zeichnungen der Erfindung verwiesen. Es zeigen:

1 einen vergleich der Erfindung mit dem Stand der Technik im Hinblick auf die Dehngrenze in der kurzen longitudinalen Richtung und die Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung;

2 einen Vergleich von Legierungsprodukten nach dem Stand der Technik mit erfindungsgemäßen Legierungsprodukten im Hinblick auf den Lithiumgehalt und die Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung; und

3 einen Vergleich der Legierungsprodukte nach dem Stand der Technik mit erfindungsgemäßen Legierungsprodukten im Hinblick auf den Kupfergehalt und die Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung.

Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Die vorliegende Erfindung löst ein bedeutendes Problem auf dem Gebiet der Aluminium-Lithium-Werkstoffe für strukturelle Anwendungen, wie sie etwa in der Luft- und Raumfahrtindustrie vorkommen. Das heißt, durch Steuern der Zusammensetzungsmengen von Kupfer, Lithium, Mangan und Zirconium in diesen Arten von Legierungen, wird eine akzeptable Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung mit einer akzeptablen Festigkeit in der kurzen transversalen (S-T) Richtung erzielt. Diese unerwartete Verbesserung der Bruchzähigkeit in der S-L Richtung ermöglicht die Verwendung von diesen Legierungsarten für ein breites Spektrum struktureller Anwendungen, die ein geringes Gewicht, eine hohe Festigkeit und Steifigkeit sowie eine gute Bruchzähigkeit erfordern.

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden die Legierungselemente Kupfer, Lithium, Mangan und Zirconium in den folgenden Bereichen gehalten, um die Verbesserungen der Bruchzähigkeit zu erzielen: etwa 2,7 bis 3,0 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 0,8 bis weniger als etwa 1,2 oder 1,3 Gewichtsprozent Lithium, etwa 0,05 bis 0,8 Gewichtsprozent Mangan, etwa 0,04 bis 0,16 Gewichtsprozent Zirconium, mit Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen. Ein oder mehrere Kornfeinungselemente können ebenfalls zu der oben beschriebenen Aluminium-Lithium-Zusammensetzung hinzugefügt werden. Die Kornfeinungselemente können aus der Gruppe gewählt werden, bestehend aus Titan in einer Menge bis zu 0,2 Gewichtsprozent, Bor in einer Menge bis zu 0,2 Gewichtsprozent, Vanadium in einer Menge bis zu 0,2 Gewichtsprozent, Hafnium in einer Menge bis zu 0,2 Gewichtsprozent, Scandium in einer Menge bis zu 0,5 Gewichtsprozent und Chrom in einer Menge bis zu 0,3 Gewichtsprozent. Vorzugsweise ist das Aluminium zinkfrei. Mit anderen Worten, Zink ist lediglich als Verunreinigung und bis zu einem Niveau von weniger als 0,05 Gewichtsprozent vorhanden. Es wird angenommen, dass Zink in einem höheren als diesem Verunreinigungsniveau die mechanischen Eigenschaften dieser Arten von Aluminium-Lithium-Legierungen nachteilig beeinflusst.

Der Kupfergehalt sollte bei über 2,7 Gewichtsprozent gehalten werden, um eine hohe Festigkeit zu erreichen, aber bei weniger als 3,0 Gewichtsprozent, um nicht gelöste Teilchen beim Lösungsglühen zu vermeiden.

Höhere Kupferniveaus werden aufgrund geringerer Lithiumniveaus in der Legierung bevorzugt.

Der Lithiumgehalt sollte bei über 0,8 Gewichtsprozent gehalten werden, um eine gute Festigkeit und eine geringe Dichte zu erreichen, aber bei weniger als 1,3 Gewichtsprozent, um einen Verlust an Bruchzähigkeit in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung zu vermeiden. Der Mangangehalt sollt bei unter 0,8 Gewichtsprozent gehalten werden, um große nicht lösliche Teilchen zu vermeiden, die der Bruchzähigkeit abträglich wären. Mangan sollte über 0,05 Gewichtsprozent betragen, um die Korngröße und ein homogenes Gleitverhalten während des plastischen Verformungsprozesses zu kontrollieren.

Vorzugsweise sollte der Lithiumgehalt bei zwischen 1,2 und weniger als 1,3 Gewichtsprozent gehalten werden. Noch mehr zu bevorzugen wäre, in einer Ausführung, den Lithiumgehalt bei weniger als 1,2 Gewichtsprozent zu halten. Mangan beträgt vorzugsweise zwischen 0,3 und 0,32 Gewichtsprozent und gleichzeitig liegt das Kupferniveau bei zwischen ungefähr 2,7 und 3,0 Gewichtsprozent.

Auf Wunsch kann Magnesium vorzugsweise in einer Menge bis zu 0,25 Gewichtsprozent hinzugefügt werden. Kleine Mengen an Magnesium können vorteilhaft sein im Hinblick auf Festigkeit und Verringerung der Dichte. Überhöhte Mengen können jedoch eine Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion hervorrufen und bringen keine weiteren Vorteile hinsichtlich Festigkeit und Verminderung der Dichte.

In Verbindung mit der Angabe der Legierungszusammensetzung für die obige Aluminium-Lithium-Legierungszusammensetzung, wird die Legierung in den Schritten Gießen, Homogenisieren, Warmbearbeiten (zum Beispiel durch Walzen, Schmieden, Extrudieren und Kombinationen davon), Lösungsglühen, Abschrecken, Kaltbearbeiten (zum Beispiel durch Dehnen) und Aushärten bearbeitet, um einen Aluminium-Lithium-Artikel mit Verbesserungen bei der Bruchzähigkeit in der S-L Richtung zu bilden.

Als Teil dieser Bearbeitung wird die oben beschriebene Aluminium-Lithium-Legierung in einen Barren, Knüppel oder eine andere Form gegossen, um einen angemessenen Bestand für nachfolgende Bearbeitungsvorgänge bereitzustellen. Sobald die Form gegossen wurde, kann sie spannungsfrei geglüht werden, wie es an sich vor dem Homogenisieren bekannt ist. Die gegossene Form wird dann bei Temperaturen im Bereich von 940°F bis 975°F (505°C bis 524°C) über einen ausreichenden Zeitraum homogenisiert, um die löslichen Elemente aufzulösen und die interne Struktur des Metalls zu homogenisieren. Eine bevorzugte Verweildauer zum Homogenisieren liegt im Bereich zwischen 1 und 36 Stunden, wobei längere Zeiten den Artikel normalerweise nicht nachteilig beeinflussen. Das Homogenisieren kann bei einer Temperatur durchgeführt werden, oder in mehreren Schritten unter Verwendung unterschiedlicher Temperaturen.

Nach dem Homogenisieren wird die Form dann warmbearbeitet, um einen Bestand zu produzieren wie etwa Blech, Platten, Extrusionen oder anderes Lagermaterial, je nach gewünschtem Endverbrauch des Aluminium-Lithium-Legierungsartikels. Zum Beispiel, ein Barren mit rechteckig geformtem Querschnitt könnte zu einer Plattenform warmbearbeitet werden. Da dieser Schritt des Warmbearbeitens an sich gebräuchlich ist, wird eine nähere Beschreibung davon für das Verständnis der Erfindung nicht für notwendig erachtet.

Nach dem Schritt des Warmbearbeitens wird die warmbearbeitete Form dann lösungsgeglüht und abgeschreckt. Vorzugsweise wird die warmbearbeitete Form bei zwischen 975°F und 1000°F (524°C und 538°C) über eine Dauer von weniger als eine Stunde bis zu mehreren Stunden lösungsgeglüht. Diese lösungsgeglühte Form wird vorzugsweise rasch abgeschreckt, beispielsweise abgeschreckt in Wasser mit Raumtemperatur, um eine unkontrollierte Präzipitation der Festigungsphasen in der Legierung zu vermeiden oder minimieren.

Auf Wunsch kann das rasche Abschrecken ebenfalls einen nachfolgenden Luftkühlungsschritt beinhalten.

Die abgeschreckte Form wird dann vorzugsweise um bis zu 8% gedehnt und künstlich ausgehärtet, in einem Temperaturbereich von 150° bis 400°F (66° bis 204°C) und genügend lange, um die Dehngrenze weiter zu erhöhen, zum Beispiel bis zu 100 Stunden, je nach Temperatur, beispielsweise 24 Stunden bei 300°F (149°C). Die gedehnte und ausgehärtete Form ist dann für jedwede Anwendung gebrauchsfertig, insbesondere für Flugzeugsowie Luft- und Raumfahrtanwendungen. Alternativ dazu kann die Form vor dem Aushärten zu einem Artikel geformt und dann ausgehärtet werden.

Um die unerwarteten Verbesserungen verbunden mit der vorliegenden Erfindung darzustellen, wurde ein Vergleich zwischen Eigenschaften von Artikeln, hergestellt aus Aluminium-Lithium-Legierungen gemäß dem Stand der Technik, und von Artikeln, hergestellt aus Aluminium-Lithium-Legierungen gemäß der Erfindung, angestellt. Bei diesem Vergleich wurden vier chemische Zusammensetzungen nach dem Stand der Technik zusammen mit vier chemischen Zusammensetzungen gemäß der Erfindung ausgewählt. Eine Aluminium-Legierungsschmelze wurde von jeder der acht chemischen Zusammensetzungen erzeugt und durch Gießen, Homogenisieren, Lösungsglühen, Abschrecken und Aushärten bearbeitet, um einen Aluminium-Lithium-Legierungsartikel oder -produkt herzustellen. Die Aluminium-Lithium-Legierungsartikel wurden dann einem Zug- und Bruchzähigkeitsversuch unterzogen, um die mechanischen Eigenschaften der chemischen Zusammensetzungen nach dem Stand der Technik mit denen gemäß der vorliegenden Erfindung zu vergleichen.

Im Folgenden werden die zum Vergleich der mechanischen Eigenschaften von Aluminium-Lithium-Legierungsartikeln nach dem Stand der Technik mit jenen von erfindungsgemäßen Aluminium-Lithium-Legierungsartikeln verwendeten Bearbeitungen und Testmethoden ausführlich beschrieben. Bei diesem Vergleich werden die Artikel nach dem Stand der Technik als Beispiele 1–4 und die Artikel der Erfindung als Beispiele 5–8 bezeichnet.

Es versteht sich, dass die in den Beispielen 5–8 offenbarten Bearbeitungsgrößen und chemischen Zusammensetzungen die bevorzugteren Ausführungen der Erfindung sind. Tabelle 1 Si Fe Cu Mn Mg Zn Zr Ti Li AA2097 0,12 0,15 2,5-3,1 0,10-0,6 0,35 0,35 0,08-0,16 0,15 1,2-1,8 AA2197 0,10 0,10 2,5-3,1 0,10-0,5 0,25 0,05 0,08-0,15 0,12 1,3-1,7

Anmerkungen Tabelle 1

  • 1. Wenn nicht als Spanne angeführt, so werden die chemischen Zusammensetzungen in einem Gewichtsprozentmaximum angegeben.
  • 2. Zusätzlich zu den aufgezählten Elementen kann jede Legierung andere Elemente beinhalten, wobei die Höchstmenge jedes weiteren Elements 0,05 Gewichtsprozent und die Gesamtmenge der weiteren Elemente 0,15 Gewichtsprozent nicht überschreiten darf.

Beispiel 1

Eine Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 2,84 Cu – 1,36 Li – 0,32 Mn – 0,1 Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wurde in einen Barren mit einem Querschnitt von 16'' (406,4 mm) und 45'' (1143 mm) breit gegossen. Der Barren wurde bei 950°F (510°C) 36 Stunden lang homogenisiert, dann zu 4'' (101,6 mm) Grobblech warmbearbeitet. Das Blech wurde dann bei einer Temperatur von 990°F (532°C) 2 Stunden lang in einem Lösungsglühofen lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt. Das Blech wurde anschließend bei Raumtemperatur in der longitudinalen Richtung um 6% gedehnt. Zum künstlichen Aushärten wurden die gedehnten Proben in einem Ofen bei 320°F (160°C) 24 Stunden lang ausgehärtet. Zugeigenschaften wurden auf der T/4 Ebene in Übereinstimmung mit ASTM B-557 bestimmt. Bei Zugversuchen in der longitudinalen Richtung und der langen transversalen Richtung wurden runde Zugprüflinge mit 0,5'' (12,7 mm) Durchmesser und 1'' (25,4 mm) Maßlänge verwendet. Zugversuche in der kurzen transversalen Richtung wurden mit runden Zugprüflingen mit 0,160'' (4,1 mm) Durchmesser und 0,5'' (12,7 mm) Maßlänge durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde mittels der ASTM Standardpraktik E266 auf der T/4 Ebene bestimmt, wobei Compact Tension-Prüflinge mit B = 1,5'' (38,1 mm) für die kurze longitudinale Richtung und Compact Tension-Prüflinge mit B = 2'' (50,8 mm) für die L-T und T-L Richtungen verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in Tabelle 2 aufgelistet. Tabelle 2 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Cu Li Mn Zr 2,84 1,36 0,32 0,1
Mechanische Eigenschaften Test-richtung Bruch-festigkeit (KSI)* Streck-spannung (KSI) Dehnung % Test-richtung Bruchzähigkeit KSI √in** ST 62,7 54,3 3,6 S-L 18,4 LT 67,2 60,0 6,5 T-L 28 L 67,7 62,1 10 L-T 32

  • * 1 KSI = 6,894757 MPa
  • ** KSI hin = 1,0988434 MPa √m

Beispiel 2

Eine Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 2,71 Cu – 1,37 Li – 0,32 Mn – 0,1 Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wurde in einen Barren mit einem Querschnitt von 16'' (406,4 mm) und 45'' (1143 mm) breit gegossen. Der Barren wurde bei 950°F (510°C) 36 Stunden lang homogenisiert, dann zu 4'' (101,6 mm) Grobblech warmbearbeitet. Das Blech wurde dann bei einer Temperatur von 990°F (532°C) 2 Stunden lang in einem Lösungsglühofen lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt. Das Blech wurde anschließend bei Raumtemperatur in der longitudinalen Richtung um 6% gedehnt. Zum künstlichen Aushärten wurden die gedehnten Proben in einem Ofen bei 320°F (160°C) 24 Stunden lang ausgehärtet. Zugeigenschaften wurden auf der T/4 Ebene in Übereinstimmung mit ASTM B-557 bestimmt. Bei Zugversuchen in der longitudinalen Richtung und der langen transversalen Richtung wurden runde Zugprüflinge mit 0,5'' (12,7 mm) Durchmesser und 1'' (25,4 mm) Maßlänge verwendet. Zugversuche in der kurzen transversalen Richtung wurden mit runden Zugprüflingen mit 0,160'' (4,1 mm) Durchmesser und 0,5'' (12,7 mm) Maßlänge durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde mittels der ASTM Standardpraktik E266 auf der T/4 Ebene bestimmt, wobei Compact Tension-Prüflinge mit B = 1,5'' (38,1 mm) für die kurze longitudinale (S-L) Richtung und Compact Tension-Prüflinge mit B = 2'' (50,8 mm) für die L-T und T-L Richtungen verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in Tabelle 3 aufgelistet. Tabelle 3 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Cu Li Mn Zr 2,71 1,37 0,32 0,1
Mechanische Eigenschaften Test-richtung Bruch-festigkeit (KSI)* Streck-spannung (KSI) Dehnung % Test-richtung Bruchzähigkeit KSI √in** ST 66,8 59,8 4,7 S-L 15,8 LT 68,1 61,9 6,5 T-L 29,1 L 70,4 65,8 9,5 L-T 32,7

  • * 1 KSI = 6,894757 MPa
  • ** KSI √in = 1,0988434 MPa √m

Beispiel 3

Eine Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 2,77 Cu – 1,33 Li – 0,32 Mn – 0,11 Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wurde in einen Barren mit einem Querschnitt von 16'' (406,4 mm) und 45'' (1143 mm) breit gegossen. Der Barren wurde bei 950°F (510°C) 36 Stunden lang homogenisiert, dann zu 4'' (101,6 mm) Grobblech warmbearbeitet. Das Blech wurde dann bei einer Temperatur von 990°F (532°C) 2 Stunden lang in einem Lösungsglühofen lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt. Das Blech wurde anschließend bei Raumtemperatur in der longitudinalen Richtung um 6% gedehnt. Zum künstlichen Aushärten wurden die gedehnten Proben in einem Ofen bei 320°F (160°C) 24 Stunden lang ausgehärtet. Zugeigenschaften wurden auf der T/4 Ebene in Übereinstimmung mit ASTM B-557 bestimmt. Bei Zugversuchen in der longitudinalen Richtung und der langen transversalen Richtung wurden runde Zugprüflinge mit 0,5'' (12,7 mm) Durchmesser und 1'' (25,4 mm) Maßlänge verwendet. Zugversuche in der kurzen transversalen Richtung wurden mit runden Zugprüflingen mit 0,160'' (4,1 mm) Durchmesser und 0,5'' (12,7 mm) Maßlänge durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde mittels der ASTM Standardpraktik E266 auf der T/4 Ebene bestimmt, wobei Compact Tension-Prüflinge mit B = 1,5'' (38,1 mm) für die kurze longitudinale Richtung und Compact Tension-Prüflinge mit B = 2'' (50,8 mm) für die L-T und T-L Richtungen verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in Tabelle 4 aufgelistet. Tabelle 4 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Cu Li Mn Zr 2,77 1,33 0,32 0,11
Mechanische Eigenschaften Test-richtung Bruch-festigkeit (KSI)* Streck-spannung (KSI) Dehnung % Test-richtung Bruchzähigkeit KSI √in** ST 65,6 56,7 3,5 S-L 15,5 LT 68,7 62,0 6,0 T-L 26,8 L 70,7 65,5 11 L-T 28,1

  • * 1 KSI = 6,894757 MPa
  • ** KSI √in = 1,0988434 MPa √m

Beispiel 4

Eine Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 2,89 Cu – 1,36 Li – 0,32 Mn – 0,1 Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wurde in einen Barren mit einem Querschnitt von 16'' (406,4 mm) und 45'' (1143 mm) breit gegossen. Der Barren wurde bei 950°F (510°C) 36 Stunden lang homogenisiert, dann zu 4'' (101,6 mm) Grobblech warmbearbeitet. Das Blech wurde dann bei einer Temperatur von 990°F (532°C) 2 Stunden lang in einem Lösungsglühofen lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt. Das Blech wurde anschließend bei Raumtemperatur in der longitudinalen Richtung um 6% gedehnt. Zum künstlichen Aushärten wurden die gedehnten Proben in einem Ofen bei 320°F (160°C) 24 Stunden lang ausgehärtet. Zugeigenschaften wurden auf der T/4 Ebene in Übereinstimmung mit ASTM B-557 bestimmt. Bei Zugversuchen in der longitudinalen Richtung und der langen transversalen Richtung wurden runde Zugprüflinge mit 0,5'' (12,7 mm) Durchmesser und 1'' (25,4 mm) Maßlänge verwendet. Zugversuche in der kurzen transversalen Richtung wurden mit runden Zugprüflingen mit 0,160'' (4,1 mm) Durchmesser und 0,5'' (12,7 mm) Maßlänge durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde mittels der ASTM Standardpraktik E266 auf der T/4 Ebene bestimmt, wobei Compact Tension-Prüflinge mit B = 1,5'' (38,1 mm) für die kurze longitudinale (S-L) Richtung und Compact Tension-Prüflinge mit B = 2'' (50,8 mm) für die L-T und T-L Richtungen verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in Tabelle 5 aufgelistet. Tabelle 5 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Cu Li Mn Zr 2,89 1,36 0,32 0,10
Mechanische Eigenschaften Test-richtung Bruch-festigkeit (KSI)* Streck-spannung (KSI) Dehnung % Test-richtung Bruchzähigkeit KSI √in** ST 63,6 56,3 2,1 S-L 20,4 LT 64,7 57,2 8,0 T-L 30,8 L 76,5 60,7 10 L-T 32,2

  • * 1 KSI = 6,894757 MPa
  • ** KSI √in = 1,0988434 MPa √m

Beispiel 5

Eine Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 2,78 Cu – 1,21 Li – 0,31 Mn – 0,1 Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wurde in einen Barren mit einem Querschnitt von 16'' (406,4 mm) und 45'' (1143 mm) breit gegossen. Der Barren wurde bei 950°F (510°C) 36 Stunden lang homogenisiert, dann zu 4'' (101,6 mm) Grobblech warmbearbeitet. Das Blech wurde dann bei einer Temperatur von 990°F (532°C) 2 Stunden lang in einem Lösungsglühofen lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt. Das Blech wurde anschließend bei Raumtemperatur in der longitudinalen Richtung um 8% gedehnt. Zum künstlichen Aushärten wurden die gedehnten Proben in einem Ofen bei 320°F (160°C) 24 Stunden lang ausgehärtet. Zugeigenschaften wurden auf der T/4 Ebene in Übereinstimmung mit ASTM B-557 bestimmt. Bei Zugversuchen in der longitudinalen Richtung und der langen transversalen Richtung wurden runde Zugprüflinge mit 0,5'' (12,7 mm) Durchmesser und 1'' (25,4 mm) Maßlänge verwendet. Zugversuche in der kurzen transversalen Richtung wurden mit runden Zugprüflingen mit 0,160'' (4,1 mm) Durchmesser und 0,5'' (12,7 mm) Maßlänge durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde mittels der ASTM Standardpraktik E266 auf der T/4 Ebene bestimmt, wobei Compact Tension-Prüflinge mit B = 1,5'' (38,1 mm) für die kurze longitudinale (S-L) Richtung und Compact Tension-Prüflinge mit B = 2'' (50,8 mm) für die L-T und T-L Richtungen verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in Tabelle 6 aufgelistet. Tabelle 6 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Cu Li Mn Zr 2,78 1,21 0,31 0,1
Mechanische Eigenschaften Test-richtung Bruch-festigkeit (KSI)* Streck-spannung (KSI) Dehnung % Test-richtung Bruchzähigkeit KSI √in** ST 62,5 54,7 3,6 S-L 26,6 LT 65,1 58 8,5 T-L 31,5 L 64,4 59,1 11,5 L-T 37,5

  • * 1 KSI = 6,894757 MPa
  • ** KSI √in = 1,0988434 MPa √m

Beispiel 6

Eine Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 2,86 Cu – 1,28 Li – 0,3 Mn – 0,1 Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wurde in einen Barren mit einem Querschnitt von 16'' (406,4 mm) und 45'' (1143 mm) breit gegossen. Der Barren wurde bei 950°F (510°C) 36 Stunden lang homogenisiert, dann zu 4'' (101,6 mm) Grobblech warmbearbeitet. Das Blech wurde dann bei einer Temperatur von 990°F (532°C) 2 Stunden lang in einem Lösungsglühofen lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt. Das Blech wurde anschließend bei Raumtemperatur in der longitudinalen Richtung um 6% gedehnt. Zum künstlichen Aushärten wurden die gedehnten Proben in einem Ofen bei 320°F (160°C) 24 Stunden lang ausgehärtet. Zugeigenschaften wurden auf der T/4 Ebene in Übereinstimmung mit ASTM B-557 bestimmt. Bei Zugversuchen in der longitudinalen Richtung und der langen transversalen Richtung wurden runde Zugprüflinge mit 0,5'' (12,7 mm) Durchmesser und 1'' (25,4 mm) Maßlänge verwendet. Zugversuche in der kurzen transversalen Richtung wurden mit runden Zugprüflingen mit 0,160'' (4,1 mm) Durchmesser und 0,5'' (12,7 mm) Maßlänge durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde mittels der ASTM Standardpraktik E266 auf der T/4 Ebene bestimmt, wobei Compact Tension-Prüflinge mit B = 1,5'' (38,1 mm) für die kurze longitudinale (S-L) Richtung und Compact Tension-Prüflinge mit B = 2'' (50,8 mm) für die L-T und T-L Richtungen verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in Tabelle 7 aufgelistet. Tabelle 7 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Cu Li Mn Zr 2,86 1,28 0,30 0,10
Mechanische Eigenschaften Test-richtung Bruch-festigkeit (KSI)* Streck-spannung (KSI) Dehnung % Test-richtung Bruchzähigkeit KSI √in** ST 64 57,3 4,1 S-L 26,3 LT 66,4 59,4 7,5 T-L 34,2 L 66,4 61,3 9,5 L-T 40,1

  • * 1 KSI = 6,894757 MPa
  • ** KSI √in = 1,0988434 MPa √m

Beispiel 7

Eine Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 2,73 Cu – 1,28 Li – 0,3 Mn – 0,1 Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wurde in einen Barren mit einem Querschnitt von 16'' (406,4 mm) und 45'' (1143 mm) breit gegossen. Der Barren wurde bei 950°F (510°C) 36 Stunden lang homogenisiert, dann zu 4'' (101,6 mm) Grobblech warmbearbeitet. Das Blech wurde dann bei einer Temperatur von 990°F (532°C) 2 Stunden lang in einem Lösungsglühofen lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt. Das Blech wurde anschließend bei Raumtemperatur in der longitudinalen Richtung um 6% gedehnt. Zum künstlichen Aushärten wurden die gedehnten Proben in einem Ofen bei 320°F (160°C) 24 Stunden lang ausgehärtet. Zugeigenschaften wurden auf der T/4 Ebene in Übereinstimmung mit ASTM B-557 bestimmt. Bei Zugversuchen in der longitudinalen Richtung und der langen transversalen Richtung wurden runde Zugprüflinge mit 0,5'' (12,7 mm) Durchmesser und 1'' (25,4 mm) Maßlänge verwendet. Zugversuche in der kurzen transversalen Richtung wurden mit runden Zugprüflingen mit 0,160'' (4,1 mm) Durchmesser und 0,5'' (12,7 mm) Maßlänge durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde mittels der ASTM Standardpraktik E266 auf der T/4 Ebene bestimmt, wobei Compact Tension-Prüflinge mit B = 1,5'' (38,1 mm) für die kurze longitudinale (S-L) Richtung und Compact Tension-Prüflinge mit B = 2'' (50,8 mm) für die L-T und T-L Richtungen verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in Tabelle 8 aufgelistet. Tabelle 8 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Cu Li Mn Zr 2,73 1,28 0,30 0,1
Mechanische Eigenschaften Testrichtung Bruchfestigkeit (KSI)* Streckspannung (KSI) Dehnung Testrichtung Bruchzähigkeit KSI √in** ST 64,4 55,9 3,6 S-L 22,7 LT 65,4 58,8 7,5 T-L 33,1 L 64 59 12 L-T 38,5

  • * 1 KSI = 6,894757 MPa
  • ** KSI √in = 1,0988434 MPa √m

Beispiel 8

Eine Aluminiumlegierung bestehend aus, in Gewichtsprozent, 2,83 Cu – 1,26 Li – 0,32 Mn – 0,11 Zr, Rest Aluminium und Verunreinigungen, wurde in einen Barren mit einem Querschnitt von 16'' (406,4 mm) und 45'' (1143 mm) breit gegossen. Der Barren wurde bei 950°F (510°C) 36 Stunden lang homogenisiert, dann zu 4'' (101,6 mm) Grobblech warmbearbeitet. Das Blech wurde dann bei einer Temperatur von 990°F (532°C) 2 Stunden lang in einem Lösungsglühofen lösungsgeglüht und dann in Wasser abgeschreckt. Das Blech wurde anschließend bei Raumtemperatur in der longitudinalen Richtung um 6% gedehnt. Zum künstlichen Aushärten wurden die gedehnten Proben in einem Ofen bei 320°F (160°C) 24 Stunden lang ausgehärtet. Zugeigenschaften wurden auf der T/4 Ebene in Übereinstimmung mit ASTM B-557 bestimmt. Bei Zugversuchen in der longitudinalen Richtung und der langen transversalen Richtung wurden runde Zugprüflinge mit 0,5'' (12,7 mm) Durchmesser und 1'' (25,4 mm) Maßlänge verwendet. Zugversuche in der kurzen transversalen Richtung wurden mit runden Zugprüflingen mit 0,160'' (4,1 mm) Durchmesser und 0,5'' (12,7 mm) Maßlänge durchgeführt. Die Bruchzähigkeit wurde mittels der ASTM Standardpraktik E266 auf der T/4 Ebene bestimmt, wobei Compact Tension-Prüflinge mit B = 1,5'' (38,1 mm) für die kurze longitudinale (S-L) Richtung und Compact Tension-Prüflinge mit B = 2'' (50,8 mm) für die L-T und T-L Richtungen verwendet wurden. Die Ergebnisse dieser Versuche werden in Tabelle 9 aufgelistet. Tabelle 9 Zusammensetzung (Gewichtsprozent) Cu Li Mn Zr 2,83 1,26 0,32 0,11
Mechanische Eigenschaften Test-richtung Bruch-festigkeit (KSI)* Streck-spannung (KSI) Dehnung % Test-richtung Bruchzähigkeit KSI √in** ST 63,9 55,9 3,6 S-L 22,7 LT 65,4 58,8 7,5 T-L 33,1 L 64,0 59 12 L-T 38,5

  • * KSI = 6,894757 Ma
  • ** KSI √in = 1,0988434 MPa √m

Der Vorteil der vorliegenden Erfindung wird in 1 dargestellt, welche die Bruchzähigkeitswerte in S-L Richtung der Tabellen 2–9 in Wechselbeziehung mit den Dehngrenzen in S-T Richtung bringt. Wie aus 1 ersichtlich ist, gibt es zwischen den Beispielen nach dem Stand der Technik und den Beispielen gemäß der Erfindung keine Übereinkunft bei den Dehngrenzen. Genauer gesagt reichen die Werte der Dehngrenzen nach dem Stand der Technik von etwas über 54 KSI bis nahezu 60 KSI. Im Vergleich dazu reichen die Werte der Dehngrenzen der Beispiele gemäß der Erfindung von etwas unter 55 KSI bis etwas über 57 KSI. 1 zeigt, dass die aus der vorliegenden Erfindung hergestellten Artikel eine deutlich verbesserte Bruchzähigkeit in S-L Richtung aufweisen und gleichzeitig annehmbare Dehngrenzen in S-T Richtung beibehalten.

2 zeigt die unerwarteten Verbesserungen der Bruchzähigkeit in S-L Richtung verglichen mit dem Stand der Technik. Die in 2 dargestellten Werte zeigen, dass die Bruchzähigkeit in S-L Richtung bei den Beispielen 5–8 erheblich höher ist als bei den Beispielen 1–4. Diese Verbesserung, die mit dem Lithiumgehalt zusammenhängt, ist angesichts des Stands der Technik ziemlich unerwartet.

3 unterstreicht die Tatsache, dass die Verbesserungen der Bruchzähigkeit mit dem Lithiumgehalt der Legierungen zusammenhängen. 3 zeigt, dass der Kupfergehalt die Bruchzähigkeit nicht entscheidend beeinflusst. In den Beispielen 5–8 bleibt die Bruchzähigkeit bei zunehmenden oder abnehmenden Mengen an Kupfer anscheinend relativ gleich. Ähnlich verhält es sich mit der Bruchzähigkeit in den Beispielen 1-4, die sich bei zunehmenden oder abnehmenden Mengen an Kupfer nicht entscheidend ändert.

Neuerlich bezogen auf 2, ist anzunehmen, dass der Lithiumgehalt auf 0,8 Gewichtsprozent gesenkt werden kann und dabei noch immer Verbesserungen der Bruchzähigkeit erzielt werden und eine annehmbare Festigkeit in der kurzen transversalen Richtung beibehalten wird. Des Weiteren ist anzunehmen, dass die gleichen Ergebnisse erzielt werden können, wenn die erfindungsgemäße Bearbeitung in Übereinstimmung mit den oben offenbarten, breiten Bearbeitungsgrößenbereichen ausgeführt wird.

Dementsprechend wurde eine Erfindung in Form von bevorzugten Ausführungen offenbart, die jeweils jedes der oben dargelegten Ziele der vorliegenden Erfindung erfüllen, und wobei die Erfindung eine neue und verbesserte Methode zur Verbesserung der Bruchzähigkeit bei Aluminium-Lithium-Legierungen in der kurzen longitudinalen Richtung liefert.


Anspruch[de]
Methode der Herstellung eines Aluminium-Lithium-Legierungs-Artikels, umfassend folgende Schritte:

a) Bereitstellen einer Aluminiumlegierung, bestehend aus, in Gewichtsprozent: 2,7 bis 3,0% Kupfer; 0,8 bis weniger als 1,3% Lithium; 0,05 bis 0,8% Mangan; bis zu 0,25% Magnesium; 0,04 bis 0,18% Zirconium; optional ein oder mehrere Kornfeinungselemente, die aus der Gruppe gewählt werden, welche aus bis zu 0,2% Titan; bis zu 0,2% Bor; bis zu 0,2% Vanadium; bis zu 0,2% Hafnium; bis zu 0,5% Scandium; und bis zu 0,3% Chrom besteht;

Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen;

b) Gießen der Aluminiumlegierung in einen Barren;

c) Homogenisieren des Barrens bei zwischen 940°F und 975°F (505°C bis 524°C);

d) Warmbearbeiten des homogenisierten Barrens in eine warmbearbeitete Form;

e) Lösungsglühen der warmbearbeiteten Form bei zwischen 975° und 1000°F (524° bis 538°C);

f) Abschrecken der lösungsgeglühten Form; und

g) Kaltbearbeiten und Aushärten der abgeschreckten Form.
Methode nach Anspruch 1, wobei die Form zwischen 4 und 8% gedehnt und dann bei zwischen 150° und 400°F (66° bis 204°C), und vorzugsweise bei zwischen ungefähr 300° und 350°F (149° bis 177°C) ausgehärtet wird. Methode nach den Ansprüchen 1 oder 2, wobei der Lithiumgehalt weniger als 1,2% vom Gewicht beträgt. Methode nach Anspruch 1, wobei sich der Lithiumgehalt zwischen 1,2 und 1,28% bewegt. Methode nach Anspruch 1, wobei der Lithiumgehalt weniger als 1,2% vom Gewicht und der Kupfergehalt mehr als 2,8% vom Gewicht beträgt. Methode nach Anspruch 4, wobei sich der Zirkoniumgehalt zwischen 0,04 und 0,16% bewegt. Methode nach den Ansprüchen 1 bis 6, wobei die Aluminiumlegierung im Wesentlichen zinkfrei ist. Methode nach den Ansprüchen 1 bis 7, wobei der besagte Aluminium-Lithium-Artikel ein Grobblech ist. Methode nach Anspruch 1, wobei die Bruchzähigkeit des Blechs in der kurzen longitudinalen (S-L) Richtung zumindest etwa 68,5% der Bruchzähigkeit des Blechs in der langen transversalen (T-L) Richtung beträgt.






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