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WO2005045080A1 - Aluminiumlegierung - Google Patents

Aluminiumlegierung Download PDF

Info

Publication number
WO2005045080A1
WO2005045080A1 PCT/AT2004/000397 AT2004000397W WO2005045080A1 WO 2005045080 A1 WO2005045080 A1 WO 2005045080A1 AT 2004000397 W AT2004000397 W AT 2004000397W WO 2005045080 A1 WO2005045080 A1 WO 2005045080A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
weight
aluminum alloy
alloy according
less
manganese
Prior art date
Application number
PCT/AT2004/000397
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anja Hölzl
Valentin Konkevich
Helmut Kaufmann
Peter Uggowitzer
Original Assignee
Arc Leichtmetallkompe- Tenzzentrum Ranshofen Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Arc Leichtmetallkompe- Tenzzentrum Ranshofen Gmbh filed Critical Arc Leichtmetallkompe- Tenzzentrum Ranshofen Gmbh
Publication of WO2005045080A1 publication Critical patent/WO2005045080A1/de

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium

Definitions

  • the invention relates to an aluminum alloy.
  • the invention further comprises a method for producing starting material for components made of an aluminum alloy that can be produced by soldering.
  • Aluminum-manganese alloys have been used for many years for components of heat exchangers or the like components which are used at temperatures of up to 400 ° C. These alloys, also known as “3000 alloys" in technical jargon, are characterized by good thermal conductivity and consistently high corrosion resistance.
  • aluminum-manganese alloys continue to have good formability, and castings or primary materials made from such alloys can generally be easily formed into sheets, which in turn are processed into various objects such as heat exchangers.
  • aluminum-manganese alloy sheets can be plated on one or both sides with a layer which has a lower melting point than the aluminum-manganese alloy representing a base material.
  • Clad sheet metal parts can be placed in the area of the
  • Plating layers, subsequent melting of the plating layers and subsequent cooling of the sheet metal parts are bonded together. Since on the one hand mostly aluminum-silicon If alloys with a eutectic composition are used, i.e. alloys with a melting point of approx. 570 ° C and, on the other hand, melt aluminum-manganese alloys at temperatures above approx. 615 ° C, a material connection can be ensured at 600 "C without the base material melting ,
  • Corrosion resistance is of no use if a component is mechanical
  • tensile strength values of Rm ⁇ 50 MPa are common values for parts made of aluminum-manganese alloys.
  • precipitation hardening can be achieved by soldering: Due to the high thermal conductivity of aluminum-manganese alloys, the base material quickly heats up to approx. 600 ° C and this temperature is sufficient to dissolve copper, which is why at one subsequent increased cooling or quenching of the soldered parts and subsequent aging, the aforementioned Al-Mn-Cu phases are eliminated.
  • the tensile strengths Rm achieved with such an alloy after brazing are limited to 75 MPa.
  • the object of the invention is to provide an aluminum-manganese alloy which, in addition to good formability and corrosion resistance, can be tempered to high mechanical parameters and which is particularly suitable for use as a base material in clad sheets for the production of heat exchangers.
  • alloys according to the invention After heat treatment at 600 ° C, followed by aging, alloys according to the invention have high mechanical characteristics, which is why they are particularly suitable as base materials for clad sheets, which are used for the production of heat exchangers and which are hardened by means of a soldering process, optionally with subsequent hot aging become.
  • Manganese (Mn) In the content range from 0.6% to 1.5% by weight, manganese contributes significantly to corrosion resistance and strength, whereby the contribution of manganese to strength can be seen in connection with a given iron content.
  • Manganese is generally not very soluble in equilibrium in ⁇ -aluminum, but remains in solution when a poured melt cools down rapidly. However, the presence of iron in the alloy according to the invention counteracts this oversaturation with the formation of strength-increasing Al ⁇ CMnFe) precipitates.
  • Preferred levels of manganese are in the range of 0.8% to 1.1% by weight because the best mechanical properties can be observed in these ranges.
  • Scandium In an alloy according to the invention, scandium is mandatory in contents of 0.05% by weight to 0.5% by weight. Scandium works in several ways: First, when scandium and zircon are present, A Sc, AI 3 Zr and possibly mixed phases form during hardening, which contribute significantly to the material strength. Secondly, scandium has a grain-refining effect and thus further increases the strength. Finally, the alloying of scandium can also shift the recrystallization temperature to significantly higher temperatures.
  • Zirconium mainly forms an increase in strength through the formation of zirconium-containing precipitates such as A ⁇ Zr0 and has a positive effect in this regard in a content range from 0.025% by weight to 0.25% by weight. It is particularly favorable if the weight ratio scandium to zircon is more than 2 and less than 4, preferably more than 2.6 and less than 3.4. With such a ratio, there is mainly the formation of Al 3 (Sr ⁇ -x Zr x ), since zircon - with the weight ratios mentioned - can be completely incorporated into the Al 3 Sc crystal lattice.
  • An AI 3 (Sr ⁇ . ⁇ Zr x ) phase is preferred in terms of elimination kinetics, because this phase tends to coagulate less in comparison with AI 3 Sc or AI 3 Zr and therefore favors a homogeneous microstructure.
  • Iron (Fe) In the alloy according to the invention, iron is mandatory and causes an excretion of Al ⁇ (MnFe.) In the intended contents.
  • An upper limit of 0.90% by weight of iron results due to disadvantageous forming properties at higher contents. For example, undesired cracking can occur when rolling if the iron content is greater than 0.90% by weight.
  • iron contents of 0.15% by weight to 0.7% by weight, preferably 0.25% by weight to 0.55% by weight, have proven successful.
  • Chromium contents of up to 0.25% by weight have a favorable effect on the strength of alloys according to the invention. At levels higher than 0.25% by weight, undesirable coarse intermetallic phases can form, which is why this chromium content represents an upper limit.
  • the chromium content should be at least 0.0125% by weight, it being particularly preferred if the weight ratio of zirconium to chromium is more than 0.5 and less than 2.5 and the weight ratio of scandium to zirconium is more than 2 and less than 4. According to current considerations and findings, fine precipitates of an AlmSc n Zr p Cr q phase are formed in this case.
  • Silicon can cause fine Al (MnFe) Si phases to form in aluminum-manganese alloys, but at higher contents, in particular higher than 0.7% by weight, hot cracking is frequently observed in continuous casting. It is therefore preferred to set the silicon content to less than 0.3% by weight, particularly preferably to less than 0.1% by weight, of silicon.
  • Magnesium has a strength-increasing effect in an alloy according to the invention and can be provided in contents of up to 1.5% by weight.
  • a magnesium concentration in the material it is preferred to provide magnesium at a content of at least 0.5% by weight, because then the amazing effect can be observed that the yield strength R p o, 2 is higher at 150 ° C, i.e. in the range of typical use temperatures than at room temperature. A plausible explanation for this effect is given by the formation of Mg-containing precipitates at these temperatures.
  • a maximum magnesium content it is preferred to provide magnesium with a maximum of 1.05% by weight because the tensile strength decreases at higher contents.
  • Copper can be present in contents of up to 1.5% by weight and can contribute to increasing the strength by forming ternary Al-Mn-Cu phases. For reasons of corrosion chemistry, however, it is preferred to limit the copper content to less than 0.15% by weight, preferably less than 0.10% by weight.
  • Zinc levels of up to 1.5% by weight can be present without a significant influence on the mechanical properties. However, lower contents of less than 0.5%, preferably less than 0.10% zinc are preferred.
  • titanium can be provided in an alloy according to the invention in a content of up to 0.10% by weight. It has proven to be advantageous to use titanium with contents of 0.01% by weight to 0.05% by weight: grain refinement effects are less pronounced below 0.01% by weight, and the grain refinement effect of titanium decreases above 0.05% by weight.
  • This goal is achieved in that a melt is created from an aluminum alloy according to the invention in a method of the type mentioned at the outset, after which the melt is poured into a wide-flat starting material and allowed to solidify.
  • the advantages achieved in terms of the process can be seen in particular in that, by casting an alloy according to the invention in wide-flat primary material, an advantageous cast structure with small size precipitates is achieved and the sheets produced from such panels or panel-shaped primary materials have excellent mechanical properties.
  • the preliminary material thus created can expediently be formed into a semi-finished product.
  • the process is advantageously carried out in such a way that the primary material is formed by hot rolling and then cold rolling. In this way, the primary material can be processed in a simple manner into sheets with a small sheet thickness.
  • Exemplary alloys A, B, C and D with chemical compositions according to Table 1 are cast in 2 cm by 23 cm by 23 cm plates. Furthermore, round bolts with a diameter of 7 cm and a height of 17 cm are created from these alloys.
  • Table 1 Chemical composition of alloys A, B, C and D according to the invention (all data in percent by weight)
  • the cast plates and round bolts are then rolled at a temperature of 550 ° C to 580 ° C to a thickness of 1 cm.
  • Table 2 shows the hardness values determined on rolled plates before and after a heat treatment consisting of solution annealing at a temperature of 630 ° C. to 635 ° C. for 10 minutes, a subsequent quenching to room temperature and a subsequent heat aging at 300 ° C. for 300 minutes , It can be seen that alloy D has the greatest hardness in the hardened state (the hardness values in Table 2 and also below are Brinell hardnesses 2.5 / 62.5 / 16).
  • Table 4 shows the yield strength (R p o, 2 ).
  • the tensile strength (R m ), the elongation at break (A5) and the constriction (Z) for tempered sheets of alloys A, B, C and D according to the invention are given in Table 1.
  • Table 4 The values given in Table 4 correspond to test pieces which were made from sheet metal which had been annealed at 600 ° C. to 605 ° C. for 10 minutes, then quenched to room temperature and then aged at 300 ° C. for 300 minutes.
  • Table 4 Yield strength R p o, 2 , tensile strength R m , elongation at break A 5 and constriction Z for sheets annealed at 600-605 ° C (L ... values in the rolling direction, Q ... values in the transverse direction)
  • Table 4 shows, inter alia, that sheets made from the alloy according to the invention can have a high tensile strength of over 100 MPa even at 300 ° C.
  • alloys A creep tests on sheets made from plate-shaped or broad-flat primary material, which were subjected to a heat treatment comprising solution annealing at 600 ° C. for 10 minutes, subsequent quenching and hot aging at 300 ° C. , B, C and D after 200 hours of tensile stress of 100 MPa at 150 ° C elongation values ⁇ of less than 0.3%, both lengthways and crossways to the rolling direction. Sheets made of alloys B, C and D showed particularly low elongation values ⁇ of less than 0.15%.
  • an alloy or sheet according to the invention can be subjected to the same alternative heat treatment method. It is thus possible to hot-roll broad-flat stock material in several passes at a temperature of over 200 ° C and then cold-roll it at ambient temperature, and finally to subject the sheets thus produced to soft annealing at 350 ° C for 90 minutes. Sheets made and treated accordingly from alloys B, C and D showed yield strength values R p0 , 2 of more than 280 MPa and tensile strength values R m of more than 300 MPa.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
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  • Metallurgy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
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Abstract

Um eine Aluminium-Mangan-Legierung bereitzustellen, die neben einer guten Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit hohe mechanische Kennwerte aufweist und die sich insbesondere zur Verwendung als Grundwerkstoff in plattierten Blechen für die Herstellung von Wärmetauschern eignet, ist gemäß der Erfindung vorgeschlagen, dass eine Aluminiumlegierung in (Gewichts-%) 0.6% bis 1,5% Mangan 0.05% bis 0,5% Scandium 0.025% bis 0.25% Zirkon 0.10% bis 0,90% Eisen bis 0.25% Chrom bis 0.7% Silicium bis 1.5% Magnesium bis 1.5% Kupfer bis 1.5% Zink bis 0.10% Titan, Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen, enthält. Daneben wird ein Verfahren zur Herstellung von Vormaterial für durch Löten erstellbare Bauteile aus einer Aluminiumlegierung angegeben, wobei eine Schmelze mit einer Zusammensetzung entsprechend einer vorstehend angegebenen Aluminiumlegierung erstellt wird, wonach die Schmelze zu einem Breit-Flach-Vormaterial abgegossen und erstarren gelassen wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann Halbzeug hoher Güte bereitgestellt werden.

Description

Alumimumlegierung
Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung.
Weiter umfasst die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung von Vormaterial für durch Löten erstellbare Bauteile aus einer Aluminiumlegierung.
Seit vielen Jahren werden für Komponenten von Wärmetauschern oder dergleichen Komponenten, welche bei Temperaturen von bis zu 400°C im Einsatz stehen, Aluminium-Mangan-Legierungen verwendet. Diese im Fachjargon auch als sogenannte „3000-er Legierungen" bekannten Legierungen zeichnen sich durch eine gute Wärmeleitfähigkeit aus und weisen durchwegs eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf.
Als zu den Knetlegierungen zählend, weisen Aluminium-Mangan-Legierungen weiter eine gute Umformbarkeit auf, und Gussstücke bzw. Vormaterialien aus solchen Legierungen können in der Regel problemlos zu Blechen umgeformt werden, die ihrerseits zu verschiedenen Gegenständen wie Wärmetauscher verarbeitet werden.
Im Rahmen einer Verarbeitung von Blechen oder Teilen davon, beispielsweise bei einer Herstellung von Wärmetauschern, kann es erforderlich sein, einzelne Bleche bzw. Blechteile miteinander durch Löten zu verbinden. Um dies auf einfache Weise zu ermöglichen, können Aluminium-Mangan-Legierungs-Bleche ein- oder beidseitig mit einer Schicht plattiert sein, welche einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als die einen Grundwerkstoff darstellende Aluminium- Mangan-Legierung.
Plattierte Blechteile können durch Aneinanderlegen im Bereich der
Plattierschichten, anschließendes Aufschmelzen der Plattierschichten und nachfolgendes Abkühlen der Blechteile stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Da einerseits als Plattierschichten zumeist Aluminium-Silicium- Legierungen eutektischer Zusammensetzung eingesetzt werden, also Legierungen mit einem Schmelzpunkt von ca. 570°C, und andererseits Aluminium-Mangan-Legierungen bei Temperaturen über etwa 615°C schmelzen, kann bei 600"C eine stoffschlüssige Verbindung sichergestellt werden, ohne dass der Grundwerkstoff schmilzt.
Auf Grund der genannten Eigenschaften wie gute Umformeigenschaften, hohe Schmelzpunkte und gute Korrosionsbeständigkeit auch bei Verwendungstemperaturen von beispielsweise 300°C konnte sich eine Verwendung von Aluminium-Mangan-Legierungen für Wärmetauscher oder dergleichen bei erhöhter Temperatur arbeitenden Bauteilen bzw. Komponenten im Laufe der Jahre etablieren.
Es ist allerdings festzuhalten, dass diese Legierungen geringe Festigkeiten aufweisen und dass es beim Gebrauch von Teilen aus diesen Legierungen, insbesondere beim Einsatz bei höheren Temperaturen, nicht nur auf die
Korrosionsbeständigkeit, sondern wesentlich auch auf die mechanischen
Eigenschaften wie Härte und Zugfestigkeit sowie Kriechfestigkeit ankommt.
Gerade eine ungenügende mechanische Festigkeit kann vorzeitiges Versagen von Teilen bedingen. Anders ausgedrückt: Eine überragende
Korrosionsbeständigkeit ist ohne Nutzen, wenn ein Bauteil mechanischen
Schaden nimmt.
Bei einer bekannten Aluminium-Mangan-Legierung ist ein gewisser Spielraum zur Erhöhung der Festigkeit durch Nutzung der Erkenntnis gegeben, dass mit Erhöhung der Konzentration an Mangan bis zu 1.5 Gewichts-% eine Erhöhung der Zugfestigkeit (Rm) einhergeht. Die erreichte Zugfestigkeit beträgt jedoch auch bei 1.5 Gewichts-% Mangan zumeist nur ca.100 MPa. Noch größere Mangangehalte werden als nicht zweckmäßig erachtet, weil sich dann grobe AI6Mn-Kristalle ausbilden, welche eine Umformbarkeit verschlechtern. Die Zugfestigkeit kann noch geringer sein, wenn, wie bereits dargelegt, es notwendig ist, eine Aluminium-Mangan-Legierung im Rahmen eines Lötens auf eine Temperatur von etwa 600°C zu erwärmen. Bei solchen Temperaturen erweicht die Legierung und es kommt zu einer Abnahme der Zugfestigkeit im Vergleich mit der Legierung vor dem Löten. Nach einem Lötprozess stellen Zugfestigkeitswerte von Rm ~ 50 MPa übliche Werte für Teile aus Aluminium- Mangan-Legierungen dar.
Es wurden schon Ansätze gemacht, um die mechanischen Eigenschaften der auf Grund Ihrer guten Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit geschätzten Aluminium-Mangan-Legierungen zu verbessern. So wurde versucht, die an sich als nicht aushärtbaren geltenden Aluminium-Mangan-Legierungen durch Zulegieren bestimmter Elemente aushärtbar zu machen.
Beispielsweise schlagen A. Gray et al. in „Development of roll-clad sheets for automotive brazing applications (Materials of the International Congress Aluminium Brazing, Düsseldorf, 10-1201 May 2000)" ein Zulegieren von Kupfer vor. Mittels dieser Maßnahme soll in Aluminium-Mangan-Legierungen eine erhöhte Festigkeit resultieren, welche auf eine Mischkristallverfestigung sowie eine Ausscheidung ternärer Al-Mn-Cu-Phasen zurückgeführt werden kann.
Ein Ausscheidungshärten kann gemäß diesem Ansatz im Rahmen eines Lötens erreicht werden: Aufgrund der hohen Wärmeleitfähigkeit von Aluminium- Mangan-Legierungen erwärmt sich der Grundwerkstoff rasch auf ca. 600°C und diese Temperatur ist ausreichend, um Kupfer in Lösung zu bringen, weshalb bei einer nachfolgenden verstärkten Abkühlung bzw. einem Quenchen der gelöteten Teile und anschließender Auslagerung eine Ausscheidung der vorstehend genannten Al-Mn-Cu Phasen erfolgt. Die bei einer solchen Legierung nach einem Löten erreichten Zugfestigkeiten Rm sind jedoch mit 75 MPa limitiert. Die Erfindung stellt sich nun die Aufgabe, eine Aluminium-Mangan-Legierung anzugeben, die neben einer guten Umformbarkeit und Korrosionsbeständigkeit auf hohe mechanische Kennwerte vergütbar ist und die sich insbesondere zur Verwendung als Grundwerkstoff in plattierten Blechen für die Herstellung von Wärmetauschern eignet.
Diese Aufgabe löst eine Aluminiumlegierung nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 11.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass durch eine ausgewogene Legierungszusammensetzung Bleche mit hoher Härte, hoher Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie mit exzellenter Kriechfestigkeit erhältlich sind. Im Hinblick auf eine Verwendung von Komponenten aus Aluminium-Mangan-Legierungen bei Temperaturen von bis zu 300°C, beispielsweise beim Betrieb von Wärmetauscher, ist es als besonders wichtiger Vorteil zu sehen, dass Bleche aus einer erfindungsgemäßen Legierung auch bei hohen Temperaturen gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Zugfestigkeit und geringe Kriechneigung, aufweisen.
Nach einer Wärmebehandlung bei 600°C, gefolgt von einer Auslagerung weisen erfindungsgemäße Legierungen hohe mechanische Kennwerte auf, weshalb sie sich insbesondere als Grundwerkstoffe für plattierte Bleche eignen, welche zur Herstellung von Wärmetauschern verwendet werden und die über einen Lötprozess, gegebenenfalls mit anschließender Warmauslagerung, gehärtet werden.
Die Einzelwirkungen der Elemente in der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung und ihr Zusammenwirken sowie ihre wechselseitige Beeinflussung können wie folgt erklärt werden. Mangan (Mn): Im Gehaltsbereich von 0.6 Gewichts-% bis 1.5 Gewichts-% trägt Mangan wesentlich zur Korrosionsbeständigkeit und Festigkeit bei, wobei der Beitrag von Mangan zur Festigkeit im Zusammenhang mit einem gegebenen 5 Eisengehalt zu sehen ist.
Grundsätzlich ist Mangan in α-Aluminium im Gleichgewicht wenig löslich, bleibt aber bei rascher Abkühlung einer abgegossenen Schmelze in Lösung. Die Anwesenheit von Eisen in der erfindungsgemäßen Legierung wirkt dieser o Übersättigung jedoch unter Ausbildung von festigkeitssteigemden AlβCMnFe)- Ausscheidungen entgegen.
Bevorzugte Gehalte an Mangan liegen im Bereich von 0.8 Gewichts-% bis 1.1 Gewichts-%, weil in diesen Gehaltsbereichen die besten mechanischen5 Eigenschaften beobachtbar sind.
Scandium (Sc): In einer erfindungsgemäßen Legierung ist Scandium zwingend in Gehalten von 0.05 Gewichts-% bis 0.5 Gewichts-% vorgesehen. Scandium wirkt in0 mehrfacher Hinsicht: Erstens bilden sich bei Anwesenheit von Scandium und Zirkon bei einem Aushärten A Sc-, AI3Zr- und gegebenenfalls gemischte Phasen, welche wesentlich zur Materialfestigkeit beitragen. Zweitens wirkt Scandium kornfeinend und trägt so weiter zur Festigkeitssteigerung bei. Schließlich kann durch Zulegieren von Scandium auch die5 Rekristallisationstemperatur zu wesentlich höheren Temperaturen verschoben sein.
Zirkon (Zr): Zirkon trägt durch eine Bildung von zirkonhältigen Ausscheidungen wie A^Zr0 hauptsächlich zur Festigkeitserhöhung bei und übt diesbezüglich in einem Gehaltsbereich von 0.025 Gewichts-% bis 0.25 Gewichts-% eine positive Wirkung aus. Besonders günstig ist es, wenn das Gewichtsverhältnis Scandium zu Zirkon mehr als 2 und weniger als 4, vorzugsweise mehr als 2.6 und weniger als 3.4 beträgt. Bei einem derartigen Verhältnis kommt es ausscheidungsmäßig hauptsächlich zur Ausbildung von Al3(Srι-xZrx), da Zirkon - bei dem genannten Gewichtsverhältnissen - vollständig in das AI3Sc-Kristallgitter eingebaut werden kann. Eine AI3(Srι.χZrx)-Phase ist ausscheidungskinetisch bevorzugt, weil diese Phase im Vergleich mit AI3Sc bzw. AI3Zr weniger zur Koagulation neigt und deswegen eine homogene Gefügeausbildung begünstigt.
Eisen (Fe): In der Legierung nach der Erfindung ist Eisen zwingend vorgesehen und bewirkt in den vorgesehenen Gehalten eine Ausscheidung von Alβ(MnFe.)
Ein oberer Grenzwert von 0.90 Gewichts-% Eisen ergibt sich auf Grund nachteiliger Umformeigenschaften bei höheren Gehalten. So kann es bei einem Walzen zu einer unerwünschten Rissbildung kommen, wenn ein Eisengehalt größer als 0.90 Gewichts-% ist.
Im Hinblick auf sowohl gute mechanische Eigenschaften als auch eine gute Umformbarkeit haben sich Eisengehalte von 0.15 Gewichts-% bis 0.7 Gewichts- %, vorzugsweise 0.25 Gewichts-% bis 0.55 Gewichts-%, bewährt.
Chrom (Cr):
Chromgehalte von bis zu 0.25 Gewichts-% wirken sich günstig auf die Festigkeit erfindungsgemäßer Legierungen aus. Bei höheren Gehalten als 0.25 Gewichts-% kann es zur Bildung unerwünscht grober intermetallischer Phasen kommen, weshalb dieser Chromgehalt eine obere Grenze darstellt.
Ist eine möglichst hohe Härte gefordert, so sollte der Chromgehalt zumindest 0.0125 Gewichts-% betragen, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn das Gewichtsverhältnis von Zirkon zu Chrom mehr als 0.5 und weniger als 2.5 beträgt und das Gewichtsverhältnis Scandium zu Zirkon mehr als 2 und weniger als 4 beträgt. Nach zur Zeit vorliegenden Überlegungen und Erkenntnissen bilden sich in diesem Fall feine Ausscheidungen einer AlmScnZrpCrq-Phase aus.
Silicium (Si): Silicium kann in Aluminium-Mangan-Legierungen eine Ausbildung von feinen AI(MnFe)Si-Phasen bewirken, es wird aber bei höheren Gehalten, insbesondere höher als 0.7 Gewichts-%, bei einem Stranggießen häufig eine Warmrissneigung beobachtet. Es ist deshalb bevorzugt, den Siliciumgehalt auf weniger als 0.3 Gewichts-%, besonders bevorzugt auf weniger als 0.1 Gewichts-%, Silicium festzulegen.
Magnesium (Mg):
Magnesium wirkt in einer erfindungsgemäßen Legierung festigkeitssteigernd und kann in Gehalten von bis zu 1.5 Gewichts-% vorgesehen sein. In Bezug auf eine Magnesiumkonzentration im Werkstoff ist es bevorzugt, Magnesium mindestens in Gehalten von 0.5 Gewichts-% vorzusehen, weil dann der erstaunliche Effekt beobachtbar ist, dass die Streckgrenze Rpo,2 bei 150°C, also im Bereich typischer Verwendungstemperaturen, höher ist als bei Raumtemperatur. Eine plausibel erscheinende Erklärung für diesen Effekt ist durch die Bildung Mg-hältiger Ausscheidungen bei diesen Temperaturen gegeben. In Bezug auf einen Magnesiumhöchstgehalt ist bevorzugt, Magnesium höchstens mit 1.05 Gewichts-% vorzusehen, weil bei höheren Gehalten die Zugfestigkeit abnimmt.
Kupfer (Cu):
Kupfer kann in Gehalten von bis zu 1.5 Gewichts-% vorhanden sein und kann in diesen Gehalten durch Bildung ternärer Al-Mn-Cu Phasen zur Erhöhung der Festigkeit beitragen. Aus korrosionschemischen Gründen ist es jedoch bevorzugt, den Kupfergehalt mit als weniger als 0.15 Gewichts-%, vorzugsweise weniger als 0.10 Gewichts-%, zu begrenzen. Zink (Zn):
Zink kann in Gehalten von bis zu 1.5 Gewichts-% anwesend sein, ohne dass ein signifikanter Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften feststellbar ist. Bevorzugt sind jedoch geringere Gehalte von weniger als 0.5 %, vorzugsweise weniger als 0.10 % Zink.
Titan (Ti):
Um ein möglichst feines Korn bzw. eine kleine mittlere Korngröße zu erreichen, kann in einer erfindungsgemäßen Legierung Titan in einem Gehalt von bis zu 0.10 Gewichts-% vorgesehen sein. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, Titan mit Gehalten von 0.01 Gewichts-% bis 0.05 Gewichts-% einzusetzen: Unter 0.01 Gewichts-% sind Kornfeinungseffekte wenig ausgeprägt, über 0.05 Gewichts-% nimmt die Kornfeinungswirkung von Titan ab.
Es hat sich bei umfangreichen Erprobungen überraschend gezeigt, dass bei einer erfindungsgemäßen Legierung besonders hohe mechanische Kennwerte nach einem Aushärten beobachtbar sind, wenn als Vormaterial für Bleche plattenförmige Gussstücke bzw. Breit-Flach-Vormaterial, worunter plattenförmiges Vormaterial mit einem Verhältnis von Breite zu Dicke größer als 10 verstanden wird, eingesetzt werden.
Auf Grundlage dieser Erkenntnis, stellt es in einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Ziel dar, ein Verfahren zur Herstellung von Vormaterial für durch Löten erstellbare Bauteile aus einer Aluminiumlegierung, mit welchem Halbzeug hoher Güte bereitstellbar ist, anzugeben.
Dieses Ziel wird dadurch gelöst, dass bei einem Verfahren der eingangs genannten Art aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung eine Schmelze erstellt wird, wonach die Schmelze zu einem Breit-Flach-Vormaterial abgegossen und erstarren gelassen wird. Die verfahrensmäßig erzielten Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass durch Abgießen einer erfindungsgemäßen Legierung in Breit-Flach-Vormaterial ein vorteilhaftes Gussgefüge mit Ausscheidungen kleiner Größe erzielt wird und die aus derartigen Platten bzw. plattenförmigem Vormateriai erstellten Bleche hervorragende mechanische Eigenschaften aufweisen.
Das so erstellte Vormaterial kann zweckmäßigerweise zu einem Halbzeug umgeformt werden. Mit Vorteil wird dabei so verfahren, dass das Umformen des Vormateriales durch Warmwalzen und anschließendes Kaltwalzen erfolgt. Das Vormaterial ist derart in einfacher Weise zu Blechen mit geringer Blechstärke verarbeitbar.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Beispielen noch weiter dargelegt.
Beispielhafte Legierungen A, B, C und D mit chemischen Zusammensetzungen gemäß Tabelle 1 werden in Platten von 2 cm mal 23 cm mal 23 cm abgegossen. Ferner werden aus diesen Legierungen jeweils Rundbolzen mit einem Durchmesser von 7 cm und einer Höhe von 17 cm erstellt.
Tabelle 1 : Chemische Zusammensetzung erfindungsgemäßer Legierungen A, B, C und D (alle Angaben in Gewichtprozent)
Figure imgf000010_0001
Die gegossenen Platten und Rundbolzen werden anschließend bei einer Temperatur von 550°C bis 580°C auf eine Dicke von 1 cm gewalzt.
Gefügeuntersuchungen an Schliffbildern der gewalzten Platten und Bolzen zeigen jeweils ein Gefüge mit homogen verteilten Ausscheidungen für beide Vormaterialien. Die mittlere Größe der Ausscheidungen hängt vom Vormaterial ab. Bei Vergleich der mittlere Größe von Ausscheidungen in Platten und mit jener in Bolzen als Vormaterial wurde gefunden, dass bei Platten die Ausscheidungen eine um bis zu 10-mal kleinere mittlere Größe aufweisen.
Tabelle 2 zeigt die an gewalzten Platten vor und nach einer Wärmehandlung bestehend aus einem Lösungsglühen bei einer Temperatur von 630°C bis 635°C für 10 Minuten, einem nachfolgenden Abschrecken auf Raumtemperatur und einer daran anschließenden Warmauslagerung bei 300°C für 300 Minuten ermittelten Härtewerte. Es ist ersichtlich, dass im ausgehärteten Zustand Legierung D die größte Härte aufweist (die Härtewerte in Tabelle 2 als auch im Folgenden sind Brinell-Härten 2.5/62.5/16).
Tabelle 2: Brinell-Härte von Blechen aus erfindungsgemäßen Legierungen
Figure imgf000011_0001
Wie aus einer zweiten Untersuchung, deren Ergebnisse in Tabelle 3 ersichtlich sind, hervorgeht, können auch bei einem Lösungsglühen bei 600°C bis 605°C, einem nachfolgenden Abschrecken auf Raumtemperatur mit anschließender Warmauslagerung hohe Härten erzielt werden. Somit eignen sich die erfindungsgemäße Legierungen vorzüglich für einen Einsatz als Grundwerkstoff für plattierte Bleche: Ein Lösungsglühen von Blechen ist nicht notwendig, weil das erforderliche in-Lösung-bringen von Legierungselementen im Rahmen eines Lötens erfolgen kann. Tabelle 3: Brinell-Härte von Blechen aus erfindungsgemäßen Legierungen
Figure imgf000012_0001
In Tabelle 4 sind die Streckgrenze (Rpo,2). die Zugfestigkeit (Rm), die Bruchdehnung (A5) sowie die Einschnürung (Z) für vergütete Bleche aus erfindungsgemäßen Legierungen A, B, C und D nach Tabelle 1 angegeben.
Die in Tabelle 4 angegebenen Werte korrespondieren zu Erprobungsstücken, die aus Blechen, welche bei 600°C bis 605°C für 10 Minuten lösungsgeglüht, danach auf Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend bei 300°C 300 Minuten lang ausgelagert wurden.
Tabelle 4: Streckgrenze Rpo,2, Zugfestigkeit Rm, Bruchdehnung A5 und Einschnürung Z für bei 600-605°C lösungsgeglühte Bleche (L...Werte in Walzrichtung, Q... Werte quer zur Walzrichtung)
Figure imgf000013_0001
Aus Tabelle 4 ist unter anderem ersichtlich, dass Bleche aus erfindungsgemäße Leierung auch bei 300°C eine hohe Zugfestigkeit von über 100 MPa aufweisen können.
Bei Blechen, welche nicht aus plattenförmigen sondern aus bolzenförmigem Vormaterial gefertigt wurden, wurden bei gleicher Wärmebehandlung jeweils niedrigere Werte der Streckgrenze Rp0,2, Zugfestigkeit Rm, Bruchdehnung A5 und Einschnürung Z gefunden.
Kriechversuche an aus plattenförmigen bzw. Breit-Flach-Vormaterial gefertigten Blechen, welche einer Wärmebehandlung umfassend ein Lösungsglühen bei 600°C für 10 Minuten, ein darauf folgendes Abschrecken und eine Warmauslagerung bei 300°C für 300 Minuten, unterworfen wurden, zeigten für Legierungen A, B, C und D nach 200 Stunden andauernder Zugbelastung von 100 MPa bei 150°C Dehnungswerte ε von weniger als 0.3 %, und zwar sowohl längs als auch quer zur Walzrichtung. Besonders geringe Dehnungswerte ε von weniger als 0.15 % zeigten Bleche aus den Legierungen B, C und D.
Es versteht sich für den Fachmann, dass eine erfindungsgemäße Legierung bzw. Bleche aus derselben alternativen Wärmebehandlungsverfahren unterworfen werden kann. So ist es möglich, Breit-Flach-Vormaterial in mehreren Stichen bei einer Temperatur von über 200°C Warmzuwalzen und anschließend bei Umgebungstemperatur Kaltzuwalzen und die so erstellten Bleche schließlich einem Weichglühen bei 350°C für 90 Minuten zu unterwerfen. Demgemäß erstellte und behandelte Bleche aus Legierungen B, C und D zeigten Werte der Streckgrenze Rp0,2 von mehr als 280 MPa und Zugfestigkeitswerte Rm von mehr als 300 MPa.

Claims

Patentansprüche
1. Aluminiumlegierung enthaltend (in Gew.-%) 0.6 % bis 1.5 % Mangan
0.05 % bis 0.5 % Scandium
0.025 % bis 0.25 % Zirkon
0.10 % bis 0.90 % Eisen bis 0.25 % Chrom bis 0.7 % Silicium bis 1.5 % Magnesium bis 1.5 % Kupfer bis 1.5 % Zink bis 0.10 % Titan, Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 , wobei das Gewichtsverhältnis von Scandium zu Zirkon mehr als 2 und weniger als 4 beträgt.
3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Gewichtsverhältnis von Scandium zu Zirkon mehr als 2.6 und weniger als 3.4 beträgt.
4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, enthaltend (in Gew.- %) 0.8 % bis 1.1 % Mangan.
5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend (in Gew.- %) 0.15 % bis 0.7 %, vorzugsweise 0.25 % bis 0.55 %, Eisen.
6. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, enthaltend (in Gew.- %) zumindest 0.0125 % Chrom.
7. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Gewichtsverhältnis von Zirkon zu Chrom mehr als 0.5 und weniger als 2.5 beträgt.
8. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, enthaltend (in Gew.- %) weniger als 0.3 %, vorzugsweise weniger als 0.1 %, Silicium.
9. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, enthaltend (in Gew.- %) 0.5 % bis 1.05 % Magnesium.
9. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, enthaltend (in Gew.- %) weniger als 0.15 %, vorzugsweise weniger als 0.10 %, Kupfer.
10. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, enthaltend (in Gew.-%) weniger als 0.5 %, vorzugsweise weniger als 0.10 %, Zink.
11. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, enthaltend (in Gew.-%) 0.01 % bis 0.05 % Titan.
12. Verfahren zur Herstellung von Vormaterial für durch Löten erstellbare
Bauteile aus einer Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schmelze mit einer Zusammensetzung entsprechend einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 erstellt wird, wonach die Schmelze zu einem Breit-Flach-Vormaterial abgegossen und erstarren gelassen wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Breit- Flach-Vormaterial zu einem Halbzeug umgeformt wird.
14. Verfahren nach Ansprüche 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Umformen des Breit-Flach-Vormaterials durch Warmwalzen und/oder anschließendes Kaltwalzen erfolgt.
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