DE2233028A1

DE2233028A1 - Verbesserungen von aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE2233028A1
Application number: DE19722233028
Authority: DE
Inventors: Ronald William Elkington; Maurice Alfred Reynolds
Original assignee: Alcan Research and Development Ltd
Current assignee: Alcan Research and Development Ltd
Priority date: 1971-07-05
Filing date: 1972-07-05
Publication date: 1973-02-22
Also published as: SE388213B; NL7209387A; FR2145257A5; BE785856A; ES404523A1; IT962801B; DE2233028B2; GB1392722A

Description

DR. ING. E. HOFFMANN · DIPL. ING. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN

PATENTANWÄLTE O O O *5 Π O D-8000 MÖNCHEN 81 · ARABEUASTRASSE 4 · TELEFON (0811) 911087

Alcan Research and Development, Ltd., Montreal

Kanada

VERBESSERUNGEN VON ALUMINIUMLEGIERUNGEN

Die vorliegende Erfindung betrifft Aluminiumlegierungen, insbesondere Aluminiumlegierungen, die zum Gebrauch als Panzerplatten für gepanzerte Kampffahrzeuge vorgesehen sind.

Legierungen, die zum Gebrauch als Panzerplatten vorgesehen sind, müssen gewisse Eigenschaften aufweisen, die sie für ,jenen Zweck geeignet machen. Eine Panzerplattenlegierung

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muss sowohl hohe Zugfestigkeit als Zähigkeit aufweisen. Es muss einen hochprozentigen Ausdehnungswert besitzen, so dass es in der Lage ist, einen grossen Teil der kinetischen Energie des Projektils zu absorbieren. Gleichzeitig sollte die Neigung von der Rückseite der Platte, Splitter infolge des Aufpralls eines Projektils abzulösen, so gering als möglich sein. Die Entwicklung hoher Zugfestigkeit aller hochfesten Aluminiumlegierungen hängt von einer Lösungs-Wärme-Behandlung und nachfolgender Abschreckung ab, der sich gewöhnlich eine künstliche Vergütungs- bzw. Temperungs-Wärmebehandlung anschliesst.

Soll die Legierung in Form einer dicken Platte wärmebehandelt werden, wie es bei Panzerplatten der Fall ist, ist es wünschenswert, dass sie nicht abschreckungsempfindlich ist, so dass die entwickelte Zugfestigkeit über die Dicke der Platte relativ einheitlich sein kann. Es ist bekannt, dass die von einigen hochfesten Aluminiumlegierungen entwickelte mechanische Festigkeit in beträchtlichem Ausmass von der Abschreckungsgeschwindigkeit abhängt, und dass es demnach schwierig ist, den gesamten Nutzen der Festigkeit dieser Legierungen im dicken Querschnitt zu erlangen, da die Kühlungsgeschwindigkeit im Zentrum des Querschnitts unvermeidbarerweise geringer als an der Oberfläche ist. Eine Ausnahme ergibt sich bei Anwendung sehr geringer Abschreckungsgeschwindigkeiten.

Eine Aluminiumlegierung, die als Panzerplatte verwendet wird, sollte gute Belastungs-Korrosions-Widerstandseigenschaften und eine geringe Neigung zur Abblätterungskorrosion aufweisen.

Es ist bereits bekannt, Aluminiumpanzerplatten zu verwenden, die gemäss der Amerikanischen Anmeldung AA 7039, wie nachstehend angegeben, hergestellt sind:

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Fe %
0.4 max.

Cu

0.10 max.

Si %
0.3 max.

Mn fo

0..LO-0.40

2.3-3.3

Cr %

OJ. 5-0.25

Zn fa

3.5-4.5

0.1 max.

(andere maximal 0.05 pro Bestandteil)

Die für dieses Material angegebene Zugfestigkeit und die
Ausdehnungszahlen sind wie folgt:

Zugfestigkeit

0.2 % Prüf- Belastung (proof stress)

% Ausdehnung

12.5 - 50 mm Dicke 379-2 N/mm² .3 N/mm²

10.

Die ZugeJgenschaften der vorstehenden Legierung sind als ungeeignet angesehen worden und es sind erfolgreiche Versuche unternommen worden, um eine verbesserte oder optimierte Legierung grösserer Festigkeit zur Verfügung zu stellen. Mit einer verbesserten Legierung sind verbesserte Zugfestigkeit und Ausdehnung erhalten worden. Jedoch ist der Belastungs-Korrosions-Wi~derstand der Legierung gering.

Ein typisches Beispiel der optimierten Legierung, auf Grundlage der AA 7039* besitzt folgende Zusammensetzung:

Mp$	Mn	%	Cr	%	Fe^
?.5	O.	3	0.	1	G. ?5

0.15 (max.)

Andere % 0.05 jedes 0.15 total

Al

Rest (balance)

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Diese verbesserte Legierung besitzt eine Neigung zur Abschreckungsempfindlichkeit. Man glaubt, dass dies auf die Anwesenheit von Chrom in der Legierung zurückzuführen sei.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Aluminium-Zink-Magnesium-Legierung zur Verfügung zu stellen, die wärmebehandelt werden kann, um vergleichbare Festigkeitseigenschaften und überlegene Belastungs-Korrosions-Eigenschaften gegenüber der vorstehend erwähnten verbesserten Legierung zu erzielen.

Gemäss vorliegender Erfindung besitzt eine verbesserte Legierung für den Gebrauch als Panzerplatte die folgende Zusammensetzung:

Zn 5-0 - 6.0 %

Mg 1.7 - 2.1 %

Zr . 0.05 - 0.2 %

Mn 0 - 0.4 %

Cu bis zu 0.15 %

Ti 0.1 % (max.)

Pe 0.5 % (max.)

Si 0.3 % (max.)

Andere 0.15 % (total)(0.05 % jedes)

(max.)

Al Rest (balance)

Es wird festgestellt, dass Ti, Pe und Si Unreinheiten und nicht absichtliche Zusätze darstellen, die bis zu den in der Zusammensetzung angegebenen Mengen toleriert werden können.

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Mn stellt in einer Menge bis zu 0.4 % einen wahlfreien bzw. optionalen Zusatz dar. Kupfer kann in Mengen, die 0.15 % überschreiten nicht toleriert werden, da das Material mit einem höheren Kupfergehalt nicht ohne Gefahr von Schweissrissen geschweisst werden kann. Es wird bevorzugt, dass Kupfer in Mengen von 0.10 bis 0.15 % vorliegt, da dies eine Verbesserung des Belastungs-Korrosions-Widerstandes ergibt, ohne dass die Empfindlichkeit gegenüber "hot short" Reissens (cracking) während des Schweissens auf ein nicht akzeptables Ausmass erhöht wird. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die Legierung 0.3 bis 0.4 % Mangan enthält, da dies die Zähigkeit der Legierung erhöht, wenngleich dessen Anwesenheit die Abschreckungsempfindlichkeit leicht erhöht .

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist eine Panzerplatte für gepanzerte Kampffahrzeuge dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke weniger als 25 mm beträgt und dass sie einer Lösungs-Wärme-Behandlung, Abschreckung und Temperung während eines ausgedehnten Zeitraums bei erhöhter Temperatur, wie z.B. für einen Zeitraum von nicht weniger als 12 Stunden bei 135°C, ausgesetzt worden ist. Während eine noch länger ausgedehnte Temperungs- bzw. Vergütungsbehandlung die Zugfestigkeit verringert, erhöht es den prozentualen Ausdehnungswert und verringert die Tendenzen des Metalls zur Zersplitterung unter dem Aufprall des Projektils und kann demnach unter gewissen Umständen wünschenswert sein,

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung, ist ein gepanzertes Kampffahrzeug durch eine Aluminiumlegierungs-Panzerplatte gekennzeichnet, die gemäss der Erfindung hergestellt und auf den Aufbau des Fahrzeugs geschweisst wurde. Es.wurde gefunden,

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dass die erfindungsgemässe Aluminiumlegierungs-Platte geschweisst werden kann, ohne dass ausgedehnte Rissbildung an den Schweissnähten auftritt.

Beispiel 1

In einer Folge von Prüfversuchen wurden die Eigenschaften •einer Legierung, die gemäss der Erfindung hergestellt wurde, mit den Eigenschaften der verbesserten Legierung auf Grundlage von AA 7039* die vorstehend beschrieben wurde, verglichen. Die Legierung der vorliegenden Erfindung besass in diesen Prüfversuchen die folgende Zusammensetzung:

Zn$ Mg$ Zr$ Fe$ Al

5.5 1.8 0.15 0.2 Rest (unter Einsehlues der erlaubten Verunreinigungen)

Die Prüfstück· stellten j58 mm dick gewalzte Platten dar, die bei 465⁰C Lösungs-Hitze-behandelt, mit kaltem Wasser abgeschreckt, um 1 1/2 # gestreckt und anschliessend der Temperungs- bzw. Vergütungabehandlung auegesetzt wurden, die in der nachstehenden Tabelle veranschaulicht ist.

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Temperungsbedingungen

"Legierung etc.	Stunden bei	135°C	$ Ausdeh	8 Stunden 8 Stunden	bei 90°C bei 150⁰C	$ Ausdeh	N N α	> ) ) )
Bekannte Le	0.2$ Prüf-	Endzugfestig-	nung	0.2$ PrUf-	Endzugfestig-	nung
gierung	Belastung	keit(U.T.S)		Belastung	keit(U.T.S)
Zugeigenschaf ten Belastungs-Ko- rosfc-ions-Lebens- dauer in Tagen	N/mm ei	N/mm^	13 1/2	N/mmci	N/mm^	13 1/2
Legierung ge-	426.3 1, 1,	472.6	% Ausdeh	410.8	466.4	$ Ausdeh
mäss vorliegen	0.2$ PrUf-	Endzugfestig	nung	0.2$ Früf-	Endzugfestig	nung
der Erfindung	Belastung	keit (U.T.S)		Belastung	keit (U.T.S)
Zugeigenschaf ten Belastungs-Ko- ros-ions-Lebens- dauer in Tagen	N/mm 2	N/mm^	¹^ (43)	N/mm ^	N/mm^	12 1/2 12
435.5 15, 22	478.8 22 26	418.6 8,	460.3 6, 6, 11

( ) Probe ungebrochen in (43) 43 Tagen

O N) CX?

Belastungs-Korrosions-Prüfung

Proben, die in kurzer transversaler Richtung entnommen wa-

ren, wurden mit 241.3 N/mm belastet und völlig in J>%-ige NaCl-Lösung eingetaucht. Bei einer Prüfung zum Vergleich der Abschreckungsempfindlichkeit der bekannten Legierung,gegenüber der Legierung gemäss vorliegender Erfindung, wurden die folgenden Ergebnisse erhalten:

309808/076?

Abschreckungsme-	Legierung	gemäss vorliegender	<?o Ausdeh	Bekannte Legierung	Endzugfestig-	% Ausdeh
dium und Kühlge	Erfindung		nung		keitiU.T.SJ	nung
schwindigkeit					N/mm²
	0.2$ PrUf-	Endzugfestig-	13	0.2^ PrUf-	485.0	13 1/2
	Belastung	keitCU.T.S.;	13 1/2	Belastung	478.8	14
	N/ram^	N/mm^	13 1/2		461.8	8 1/2
Kaltes Wasser (50°C/sec.)	435-5	478.8	13	434.O	319.7	18
8O⁰C Wasser (l6.5°C/sec.)	423-2	477.3	426.3
95°C Wasser (5.5°C/sec.)	43O.9	475.7	4o6.2
Luft (0.125 C/sec>	336.7	364.5	186.9

Proben der bekannten Legierung und der Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung wurden stufenweise maschinell bearbeitet um offene Oberflächen bei wechselnden Tiefen innerhalb der Dicke zu liefern. (Es ist früher gefunden worden, dass das Abblätterungsverhalten beträchtlich mit der Dicke der Metallproben variieren kann). Die Proben wurden 168 Stunden lang in einer Salzsprühkammer einer 5 ^-igen Natrium-» chloridlösung ausgesetzt, die mit Essigsäure bis zum pH 2.8 •angesäuert war.. Nach der Entfernung wurden die Proben mit Salpetersäure gesäubert, gespült und geprüft.

Bekannte Legierung: Deutliche Abblätterungs-Korro-

sion auf allen Stufen, bei den maschinell bearbeiteten Oberflächen.

Vorliegende Erfindung: Vernachlässigbare Abblätterung.

Mit der Verbindung gemäss der vorliegenden Erfindung wurde annehmbares ballistisches Verhalten erreicht, dass zumindest jenem der bekannten Legierung äquivalent ist.

Beispiel 2

In einer weiteren Prüfversuchsfolge, die init einer Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung durchgeführt wurde, die gegenüber der Legierung des Beispiel* 1 eine leicht unterschiedliche Zusammensetzung dadurch aufwies, dass sie einen Manganzusatz und einen absichtlichen Kupferzusatz in einer nahe der Schweissbav'kö'ltagrense liegenden Menge enthielt, und im wesentlicher· v?r. Chrom frei war_fwa»cte prozentuale Zusammensetzung

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der Legierung:

- ii -

Cu
0.12

Mn	M	g	Zn	5	Zr	Cr	01	Pe
0.4	2	.0	5.	0.15		0.2

Rest (unter Einschluss erlaubter Verunreinigungen)

Aus dieser Legierung wurden Platten einer Dicke von 30 mm und 45 mm hergestellt. Diese wurden wie folgt wärmebehandelt: Die Platten wurden bei 45O°C während 30 Minuten Lösungs-Wärme-behandelt, in kaltem Wasser abgeschreckt, während 5 Tagen bei Raumtemperatur natürlich Vergüten gelassen und anschliessend langsam mit einer Geschwindigkeit von 20°C/Std. bis auf 150⁰C erhitzt, bei dieser Temperatur für 8 Stunden gehalten und anschliessend abkühlen gelassen . Die folgenden Zugeigenschaften wurden erhalten:

Dicke	0.2$ PrUf-	Endzugfe	% Ausdeh	Härte bzw.	Belastungs-
mm	Belastung	stigkeit	nung	•Festigkeit	KorroBions-Le-
	N/mm^	N/mm ^	11.0 11.5	76 76	bensdauer (Ta-
45 30	442 456	488 496	ge)

Um die Endzugfestigkeit zu verringern und die Zähigkeit zu erhöhen wurden die Platten einer weiteren künstlichen Vergütung während 7 Stunden bei l6o^fC unterzogen. Die folgenden Eigenschaften wurden erhalten:

- 12 -

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Dicke	0.2 fo PrUf-	Endzugfe	fo Ausdeh	Härte bzw.	BelastunR-
mm	Belastung	stigkeit	nung	Festigkeit	Korrosionß-
	N/mm 2	N/mm 2	11.5 12.5	70 71	LebensdanfiiL
45 30	399 402	454 458	(Tage)

Der geringe Unterschied zwischen den Eigenschaften, die für Platten zweier verschiedener Dicken erhalten wurden, veranschaulicht, dass diese Legierung nur eine geringe Abschreckungsempfindlichkeit besitzt.

Nachdem diese Legierung der Abblätterungsprüfung, die in Beispiel 1 veranschaulicht ist, unterzogen wurde, zeigt sich, dass eine vernachlässigbare Abbläferung auftrat.

Das ballistische Verhalten der Legierung des Beispiels 2 wurde bei beiden Wärmebehandlungsverhältnissen als überlegen gegenüber dem der Legierung des Beispiels 1 ermittelt. Bei Unterwerfung unter die vorstehend detailliert beschriebene BeIastungs-Korrosions-Prüfung hatten Proben, die den beschriebenen Wärmebehandlungsverfahren ausgesetzt worden waren, eine Belastungs-Korrosions-Lebensdauer von mehr als 15 Tagen, ohne Rücksicht auf weitere künstliche Vergütung bei l6o C.

Die Legierung gemäss der vorliegenden Erfindung kann in Form von Metallpressungen, (extrusions) Schmiedungen und sogar Guss sowie Blech verwendet werden. Es wird angenommen, dass sie auch im Bereich der Tieftemperatur-Technik Verwendung finden wird.

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Claims

— IJ? — Patentansprüche

1. Eine Aluminiumlegierung zur Herstellung von Panzerplatten, die

Zn 5.0 - 6.0 $> Mg 1.7 - 2.1 ^ Zr 0.05 - 0.2 # Mn 0 - 0.4 % Cu bis zu 0.15 $> Ti, Pe und Si

unter den folgenden maximalen Verunreinigungshöhen von 0.1 %, 0.5 % und 0.3 %, andere Verunreinigungen jeweils unter 0.05 % und insgesamt unter 0.15 % und Rest Aluminium enthält.

2. Eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung OJ. bis 0.15 % Cu und

0.3 bis 0.4 % Mn enthält.

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