Title:
Hochfestes, hochzähes Al-Zn-Legierungsprodukt und Verfahren zum Herstellen eines solches Produkts
Kind Code:
A1


Abstract:

Die Erfindung betrifft ein geschmiedetes Al-Zn-Legierungsprodukt und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Produkts mit einer verbesserten Verbindung von hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit durch Wahrung guter Korrosionsbeständigkeit, wobei die Legierung Folgendes umfasst (in Gew.-%): Zn 6,0 bis 11,0, Cu 1,4 bis 2,2, Mg 1,4 bis 2,4, Zr 0,05 bis 0,15, Ti < 0,05, Hf und/oder V < 0,25 und wahlweise Sc und/oder Ce 0,05 bis 0,25 und Mn 0,05 bis 0,12, andere Elemente jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,50, Rest Aluminium, wobei eine solche Legierung eine im Wesentlichen vollständig unrekristallisierte Mikrostruktur wenigstens an der Position T/10 des Fertigprodukts aufweist.




Inventors:
Benedictus, Rinze (PJ Delft, NL)
Keidel, Christian Joachim (Montabaur, 56410, DE)
Heinz, Alfred Ludwig (Niederahr, 56414, DE)
Application Number:
DE102005045341A
Publication Date:
07/20/2006
Filing Date:
09/22/2005
Assignee:
Corus Aluminium Walzprodukte GmbH (Koblenz, 56070, DE)
International Classes:
Domestic Patent References:
DE68927149T2N/A



Foreign References:
6315842
EP1170394
WO2004001080A1
WO2003085145A2
JP2002241882A
Other References:
JP 2002241882 AA
Attorney, Agent or Firm:
Müller Schupfner Patentanwälte (München)
Claims:
1. Verfahren zum Herstellen eines hochfesten, hochzähen Al-Zn-Legierungsprodukts mit guter Korrosionsbeständigkeit, die folgenden Schritte umfassend:
a.) Gießen eines Blocks mit der folgenden Zusammensetzung (in Gew.-%): Zn6,0 bis 11,0 %Cu1,4 bis 2,2 %Mg1,4 bis 2,4 %Zr0,05 bis 0,15 %Ti< 0,05 %Hf und/oder V< 0,25 %,wahlweise Sc und/oder Ce 0,05 bis 0,25, %wahlweise Mn0,05 bis 0,12%, und
unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium,
b.) Homogenisieren und/oder Vorwärmen des Blocks nach dem Gießen,
c.) Warmumformen des Blocks zu einem vorbearbeiteten Produkt,
d.) Wiedererwärmen des vorbearbeiteten Produkts und entweder
d1.) Warmwalzen des wiedererwärmten Produkts auf das Endmaß, oder
d2.) Warmwalzen und Kaltwalzen des wiedererwärmten Produkts auf das Endmaß,
e.) Lösungsglühen und Abschrecken des lösungsgeglühten Produkts,
f.) wahlweise Strecken oder Pressen des abgeschreckten Legierungsprodukts, und
g.) wahlweise Altern des abgeschreckten und wahlweise gestreckten oder gepressten Produkts, um eine gewünschte Vergütung zu erreichen,
und wobei das Produkt in seiner Endvergütung eine im Wesentlichen vollständig unrekristallisierte Mikrostruktur wenigstens an der Position T/10 des Fertigprodukts aufweist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das wiedererwärmte Produkt auf ungefähr 150 bis 250 (in Endmaß-%) warmgewalzt wird und dann das warmgewalzte Produkt auf das Endmaß kaltgewalzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wiedererwärmte Produkt auf ungefähr 105 bis 140 (in Endmaß-%) warmgewalzt wird und dann das warmgewalzte Produkt auf das Endmaß kaltgewalzt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, Warmwalzen des wiedererwärmten Produkts bei niedrigen Temperaturen in dem Bereich von 300 °C bis 420 °C umfassend, um Rekristallisation des Legierungsprodukts zu verhindern.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das künstliche Altern während des Schritts g.) zu einer Vergütung, die aus der Gruppe bestehend aus T79 und T76 gewählt ist, und vorzugsweise mit Hilfe einer zweistufigen Alterungsbehandlung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das künstliche Altern während Schritt g.) aus einem ersten Alterungsschritt bei einer Temperatur in einem Bereich von 105 bis 135 °C für 2 bis 20 Stunden und einem zweiten Alterungsschritt bei einer Temperatur über 135 °C, jedoch unter 210 °C, für 4 bis 12 Stunden zu einer Vergütung, die aus T79- und T76-Vergütung gewählt ist, besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das künstliche Altern während Schritt g.) aus einem ersten Alterungsschritt bei einer Temperatur um 120 °C für 2 bis 20 Stunden und einem zweiten Alterungsschritt bei einer Temperatur über 135 °C, jedoch unter 210 °C, für 4 bis 12 Stunden zu einer Vergütung, die aus T79- und T76-Vergütung gewählt ist, besteht.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, wobei das künstliche Altern während Schritt g.) aus einem ersten Alterungsschritt bei einer Temperatur um 120 °C für 2 bis 20 Stunden und einem zweiten Alterungsschritt bei einer Temperatur um 155 °C für 4 bis 12 Stunden zu einer Vergütung, die aus T79- und T76-Vergütung gewählt ist, besteht.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Menge an Zn in einem Bereich von 7,4 bis 9,6 Gew.-% liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Menge an Zn in einem Bereich von 8,0 bis 9,6 Gew.-% und vorzugsweise in einem Bereich von 8,4 bis 8,9 Gew.-% liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Menge an Cu in einem Bereich von 1,7 bis 2,2 Gew.-% und vorzugsweise in einem Bereich von 1,8 bis 2,1 Gew.-% liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Menge an Mg in einem Bereich von 1,7 bis 2,2 Gew.-% und vorzugsweise in einem Bereich von 1,7 bis 2,1 Gew.-% liegt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Menge an Sc in einem Bereich von [Zr] + 1,5 [Sc] < 0,15 Gew.-% liegt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Menge an Sc in einem Bereich von 0,03 bis 0,06 % liegt und wobei die Menge an Ce in einem Bereich von 0,03 bis 0,06 liegt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Menge an unvermeidbaren Verunreinigungen jeweils < 0,05 Gew.-% und insgesamt < 0,5 Gew.-% ist.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei von dem fertigen Walzprodukt mehr als 80 % und vorzugsweise mehr als 90 % des Maßes eine im Wesentlichen unrekristallisierte Mikrostruktur aufweisen.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Al-Zn-Produkt eine dünne Platte mit einem Maß in dem Bereich von 20 bis 60 mm und vorzugsweise 30 bis 50 mm ist.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei das Al-Zn-Produkt ein Produkt ist, das aus der Gruppe bestehend aus dünnem Luftfahrzeugelement, einem Oberflügelelement, einem dünnen Außenhautelement eines Oberflügels oder einem Holm eines Luftfahrzeugs gewählt ist.

19. Geschmiedetes Al-Zn-Legierungsprodukt mit einer verbesserten Verbindung von hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit durch Wahrung guter Korrosionsbeständigkeit, wobei die Legierung aus Folgendem besteht (in Gew.-%): Zn6,0 bis 11,0Cu1,4 bis 2,2Mg1,4 bis 2,4Zr0,05 bis 0,15Ti< 0,05,Hf und/oder V< 0,25,wahlweise Sc und/oder Ce 0,05 bis 0,25, undwahlweise Mn0,05 bis 0,12,
andere Elemente jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,50, Rest Aluminium, wobei das geschmiedete Al-Zn-Legierungsprodukt eine im Wesentlichen vollständig unrekristallisierte Mikrostruktur wenigstens an der Position T/10 des Fertigprodukts aufweist.

Description:
GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochfestes hochzähes geschmiedetes Al-Zn-Legierungsprodukt mit erhöhten Mengen an Zn zur Wahrung guter Korrosionsbeständigkeit und ein Verfahren zum Herstellen eines solchen hochfesten hochzähen Al-Zn-Legierungsprodukts und ein Plattenprodukt solcher Legierung. Im Besonderen betrifft die vorliegende Erfindung eine hochfeste, hochzähe Al-Zn-Legierung, die durch die AA7000-Serie der internationalen Nomenklatur der Aluminium Association für strukturelle Anwendungen in der Luftfahrt spezifiziert wird. Noch spezifischer betrifft die vorliegende Erfindung ein neues Chemiefenster für eine Al-Zn-Legierung mit verbesserten Verbindungen von Festigkeit und Zähigkeit durch Wahrung guter Korrosionsbeständigkeit, die keine spezifischen Alterungs- o- der Vergütungsbehandlungen benötigt.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Auf dem Gebiet ist bekannt, wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen bei einer Reihe von Anwendungen zu verwenden, die relativ hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit beinhalten, wie Luftfahrzeugrümpfe, Fahrzeugelemente und andere Anwendungen. Die Aluminiumlegierungen AA7050 und AA7150 weisen hohe Festigkeit bei T6-Vergütungen auf. Außerdem weisen ausscheidungsgehärtete AA7x75-, AA7x55-Legierungsprodukte hohe Festigkeitswerte in der T6-Vergütung auf. Die T6-Vergütung ist dafür bekannt, die Festigkeit der Legierung zu verbessern, während die vorgenannten AA7x50-, AA7x75- und AA7x55-Legierungsprodukte, die hohe Mengen an Zink, Kupfer und Magnesium enthalten, für ihre hohen Festigkeit-Gewicht-Verhältnisse bekannt sind und daher im Besonderen in der Luft- und Raumfahrtindustrie Anwendung finden. Diese Anwendungen führen jedoch zu der Einwirkung einer breiten Vielfalt von klimatischen Bedingungen, was eine sorgfältige Steuerung der Umform- und Alterungsbedingungen erforderlich macht, um adäquate Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit, was sowohl Spannungskorrosion als auch Abblätterung umfasst, bereitzustellen.

Zur Verbesserung von Beständigkeit gegenüber Spannungskorrosion und Abblätterung sowie von Bruchzähigkeit ist bekannt, diese Legierungen der AA7000-Serie künstlich zu überaltern. Bei künstlicher Alterung zu einer Vergütung des Typs T79, T76, T74 oder T73 verbessert sich ihre Beständigkeit gegenüber Spannungskorrosion, Schichtkorrosion und Bruchzähigkeit in der genannten Größenordnung (wobei T73 am besten ist und T79 nahe bei T6 liegt), jedoch auf Kosten von Festigkeit im Vergleich zu dem T6-Vergütungszustand. Ein akzeptablerer Vergütungszustand ist die Vergütung des Typs T74, die ein begrenzt überalterter Zustand, zwischen T73 und T76, ist, um ein akzeptables Niveau an Zugfestigkeit, Spannungskorrosionsbeständigkeit, Schichtkorrosionsbeständigkeit und Bruchzähigkeit zu erhalten. Eine solche T74-Vergütung wird durch Überaltern des Aluminiumlegierungsprodukts bei Temperaturen von 121 °C für 6 bis 24 Stunden und gefolgt von 171 °C für ungefähr 14 Stunden durchgeführt.

Je nach den Konstruktionskriterien für ein bestimmtes Luftfahrzeugbauteil führen selbst kleine Verbesserungen bei Festigkeit, Zähigkeit oder Korrosionsbeständigkeit zu Gewichtseinsparungen, die sich unter anderem als Kraftstoffeinsparungen über die Lebensdauer des Luftfahrzeugs auswirken. Um diesen Forderungen gerecht zu werden, wurden mehrere andere Legierungen der Serie 7000 entwickelt.

Zum Beispiel offenbaren EP-0377779, US-5.221.377 und US-5.496.426 jeweils Legierungsprodukte und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen einer 7055-Legierung für Blech- oder Dünnplattenanwendungen auf dem Gebiet der Luft- und Raumfahrt, wie Oberflügelelemente mit hoher Zähigkeit und guten Korrosionseigenschaften, das die folgenden Schritte umfasst: Bearbeiten eines Körpers, der eine folgende ungefähre Zusammensetzung (in Gew.-%) aufweist: Zn 7,6 bis 8,4, Cu 2,2 bis 2,6, Mg 1,8 bis 2,1 oder 2,2, und eines oder mehrere Elemente, die aus Zr, Mn, V und Hf gewählt sind, wobei die Elemente insgesamt 0,6 Gew.-% nicht überschreiten, Rest Aluminium plus unvermeidbare Verunreinigungen, Lösungsglühbehandeln und Abschrecken des Produkts und künstliches Altern des Produkts durch entweder dreimaliges Erwärmen des Produkts hintereinander auf eine oder mehrere Temperaturen von 79 °C bis 163 °C oder Erwärmen solchen Produkts zuerst auf eine oder mehrere Temperaturen von 79 °C bis 141 °C für zwei Stunden oder mehr und Erwärmen des Produkts auf eine oder mehrere Temperaturen von 148 °C bis 174 °C. Von diesen Produkten wird berichtet, dass sie eine verbesserte Schichtkorrosionsbeständigkeit von „EB" oder besser mit ungefähr 15 % größerer technischer Streckgrenze als 7x50-Gegenstücke ähnlicher Größe in dem T76-Vergütungszustand aufweisen. Sie besitzen immer noch eine wenigstens 5 % höhere Festigkeit als ihr 7x50-T77-Gegenstück ähnlicher Größe (7150-T77 wird hierin nachfolgend als eine Referenzlegierung verwendet).

ZUSAMMFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Al-Zn-Legierung vorzugsweise für Plattenprodukte mit hoher (Druck-)Festigkeit und hoher Zähigkeit bereitzustellen. Die Korrosionsbeständigkeit sollte sich nicht verschlechtern.

Im Besonderen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Legierungsprodukt, das für Oberflügelanwendungen in der Luft- und Raumfahrt verwendet werden kann, mit einer verbesserten Quetschgrenze und einer hohen Einheitsausbreitungsenergie mit Eigenschaften, die besser als die Eigenschaften einer herkömmlichen AA7055-Legierung in der T77-Vergütung sind, bereitzustellen.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Aluminiumlegierung der AA7000-Serie zu erzielen, die Festigkeit in dem Bereich von T6-Vergütungen und Zähigkeits- und Korrosionsbeständigkeitseigenschaften in dem Bereich von T73-Vergütungen aufweist.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen des Aluminiumlegierungsprodukts nach dieser Erfindung bereitzustellen.

Die vorliegende Erfindung erfüllt eine oder mehrere dieser Aufgaben durch die charakterisierenden Merkmale der Nebenansprüche. Weitere bevorzugte Ausführungen werden in den Unteransprüchen beschrieben und spezifiziert.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Wie hier im Folgenden ersichtlich ist, beziehen sich Legierungsbezeichnungen und Vergütungsbezeichnungen, soweit nicht anders angegeben, auf die Bezeichnungen der Aluminium Association in den Aluminium Standards and Data (Aluminiumnormen und -daten) und den Registration Records (Registrierungsnachweisen), die sämtlich von der US-amerikanischen Aluminium Association veröffentlicht wurden.

Eine oder mehrere der oben genannten Aufgaben der Erfindung werden erfüllt durch Verwendung eines Al-Zn-Legierungsprodukts mit einer verbesserten Verbindung von hoher Zähigkeit und hoher Festigkeit durch Wahrung guter Korrosionsbeständigkeit, wobei die Legierung Folgendes umfasst und vorzugsweise aus Folgendem besteht (in Gew.-%):

Zn6,0 bis 11,0Cu1,4 bis 2,2Mg1,4 bis 2,4Zr0,05 bis 0,15Ti< 0,05,Hf und/oder V< 0,25,wahlweise Sc und/oder Ce0,05 bis 0,25, und
wahlweise Mn 0,05 bis 0,12,
und unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium, vorzugsweise andere Elemente jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,50, und wobei das Legierungsprodukt eine im Wesentlichen vollständig unrekristallisierte Mikrostruktur an der Position T/10 des Fertigprodukts aufweist.

Ein solches Chemiefenster für eine Legierung der AA7000-Serie weist ausgezeichnete Eigenschaften auf, wenn sie zu relativ dünnen Plattenprodukten produziert wird, und ist vorzugsweise bei Oberflügelanwendungen der Luft- und Raumfahrt mit Maßen in dem Bereich von 20 mm bis 60 mm verwendbar.

Die oben definierte Chemie weist Eigenschaften auf, die mit bestehenden Legierungen der AA7x50- oder AA7x55-Serien in der T77-Vergütung vergleichbar oder besser sind, ohne die oben beschriebenen umständlichen und komplizierten dreistufigen T77-Alterungszyklen zu verwenden. Die Chemie führt zu einem Aluminiumprodukt, das kostengünstiger ist und das außerdem einfacher zu produzieren ist, da weniger Verarbeitungsschritte erforderlich sind. Zusätzlich ermöglicht die Chemie neue Herstelltechniken wie Alterungsumformen oder Alterungskriechumformen, das nicht machbar ist, wenn eine T77-Vergütungs-Legierung angewendet wird. Noch besser ist der Umstand, dass die oben definierte Chemie außerdem zu der T77-Vergütung gealtert werden kann, wobei sich die Korrosionsbeständigkeit weiter verbessert.

Nach der Erfindung wurde festgestellt, dass ein ausgewählter Bereich von Elementen, der eine größere Menge Zn und eine spezifische Verbindung eines bestimmten Bereichs von Mg und Cu verwendet, im Wesentlichen bessere Verbindungen von Festigkeit und Zähigkeit aufweist und ein gutes Korrosionsverhalten, wie Schichtkorrosionsbeständigkeit und Spannungskorrosionsrissbildungsbeständigkeit, wahrt.

Die vorliegende Erfindung verwendet die Chemie außerdem in Verbindung mit einem Verfahren zum Herstellen eines Walzprodukts aus dieser Chemie, wie hierin im Folgenden erläutert, um eine im Wesentlichen vollständig unrekristallisierte Mikrostruktur wenigstens an der Position T/10 des Fertigprodukts zu erzielen. Es ist stärker zu bevorzugen, dass das Produkt über die gesamte Dicke unrekristallisiert ist. Mit unrekristallisiert meinen wir, dass mehr als 80 %, vorzugsweise mehr als 90 des Maßes des fertigen Walzprodukts im Wesentlichen unrekristallisiert ist. Daher offenbart die vorliegende Erfindung ein Legierungsprodukt, das im Besonderen für Oberflügel-Außenhaut-Anwendungen für Luftfahrzeuge geeignet ist und eine Dicke in dem Bereich von 20 bis 60 mm, vorzugsweise 30 bis 50 mm, aufweist.

Es wurde festgestellt, dass es nicht erforderlich ist, das Walzprodukt langsam abzuschrecken oder das Maß des Walzprodukts zu erhöhen, um bessere Quetschgrenz- und Zähigkeitseigenschaften zu erzielen.

Kupfer und Magnesium sind wichtige Elemente, um der Legierung Festigkeit hinzuzufügen. Zu geringe Mengen an Magnesium und Kupfer führen zu einer Abnahme der Festigkeit, während zu hohe Mengen an Magnesium und Kupfer zu einem schlechteren Korrosionsverhalten und Problemen mit der Schweißbarkeit des Legierungsprodukts führen. Techniken nach dem Stand der Technik verwendeten spezielle Alterungsverfahren zur Verbesserung der Festigkeit, während niedrige Mengen an Magnesium und Kupfer verwendet werden, um ein gutes Korrosionsverhalten zu erreichen. Um einen Kompromiss zwischen Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsverhalten zu erzielen, wurde festgestellt, dass Kupfer- und Magnesiummengen (in Gew.-%) zwischen 1,7 und 2,2 %, vorzugsweise zwischen 1,7 und 2,1 % für Mg und 1,8 und 2,1 für Cu, eine gute Ausgewogenheit für dünne Plattenprodukte ergeben. Über die beanspruchte Chemie der vorliegenden Erfindung ist es nun möglich, Festigkeitsniveaus in dem Bereich einer T6-Vergütungs-Legierung zu erreichen und gleichzeitig Korrosionsverhaltenscharakteristiken ähnlich jenen von T74-Vergütungs-Legierungen zu wahren.

Neben den Mengen an Magnesium und Kupfer offenbart die Erfindung eine Ausgewogenheit von Magnesium- und Kupfermengen gegenüber Zink, im Besonderen die Ausgewogenheit von Magnesium gegenüber Zink, die der Legierung diese Verhaltenscharakteristiken verleiht. Die verbesserte Korrosionsbeständigkeit der Legierung nach der Erfindung besitzt Schichtkorrosionseigenschaften („EXCO") von EB oder besser, vorzugsweise EA oder besser.

Die Menge (in Gew.-%) an Zink liegt vorzugsweise in einem Bereich von 7,4 bis 9,6 %, wobei ein Bereich von 8,0 bis 9,6 stärker zu bevorzugen ist und ein Bereich von 8,4 bis 8,9 % am stärksten zu bevorzugen ist. Durch Prüfung ergab sich ein optimales Zinkniveau von ungefähr 8,6 %. Weitere Einzelheiten werden in den Beispielen angegeben, die hierin im Folgenden ausführlicher beschrieben werden.

Es wurde des Weiteren nachgewiesen, dass nach einer bevorzugten Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Schaltige Legierung ein ausgezeichneter Kandidat für das Erzielen hoher Festigkeit gegenüber hohen Kerbzähigkeitsniveaus ist. Durch Hinzufügen von Sc zu einer Legierung, die Kupfer, Magnesium, Zink, Zirkonium und Titan enthält, wurde festgestellt, dass die Mikrostruktur unrekristallisiert bleibt, wodurch bessere Eigenschaften in Bezug auf Festigkeit und Zähigkeit gezeigt werden. Daher liegen die bevorzugten Mengen an Sc (in Gew.-%) in einem Bereich von [Zr] + 1,5 [Sc] < 0,15 %. Bevorzugte Mengen (in Gew.-%) an Sc oder Ce liegen in einem Bereich von 0,03 bis 0,06 %, wenn die Menge an Zn ungefähr 8,70 % beträgt und Mg und Cu ungefähr 2,10 % betragen. Die Niveaus der Einheitsausbreitungsenergie sind beachtlich gut für eine Legierung mit zusätzlichen Sc-, Ce- oder Mn-Legierungselementen.

Ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines hochfesten, hochzähen Al-Zn-Legierungsprodukts mit guter Korrosionsbeständigkeit nach der vorliegenden Erfindung umfasst die folgenden Schritte:

  • a.) Gießen eines Blocks mit der folgenden Zusammensetzung (in Gew.-%): Zn6,0 bis 11,0Cu1,4 bis 2,2Mg1,4 bis 2,4Zr0,05 bis 0,15Ti< 0,05,Hf und/oder V< 0,25,wahlweise Sc und/oder Ce 0,05 bis 0,25, undwahlweise Mn0,05 bis 0,12,
    und unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Aluminium, vorzugsweise andere Elemente jeweils weniger als 0,05 und insgesamt weniger als 0,50,
  • b.) Homogenisieren und/oder Vorwärmen des Blocks nach dem Gießen,
  • c.) Warmumformen des Blocks zu einem vorbearbeiteten Produkt,
  • d.) Wiedererwärmen des vorbearbeiteten Produkts und entweder
    d1.) Warmwalzen des wiedererwärmten Produkts auf das Endmaß, oder
    d2.) Warmwalzen und Kaltwalzen des wiedererwärmten Produkts auf das Endmaß,
  • e.) Lösungsglühen und Abschrecken des lösungsgeglühten Produkts,
  • f.) wahlweise Strecken oder Pressen des abgeschreckten Legierungsprodukts oder anderweitiges Kaltumformen zum Entspannen, und
  • g.) wahlweise Altern des abgeschreckten und wahlweise gestreckten oder gepressten Produkts, um eine gewünschte Vergütung zu erreichen, und wobei das Legierungsprodukt eine im Wesentlichen vollständig unrekristallisierte Mikrostruktur an der Position T/10 des Fertigprodukts aufweist.

Es wurde festgestellt, dass die Mikrostruktur des Legierungsprodukts unter seiner Oberfläche im Wesentlichen vollständig unrekristallisiert bleibt, wenn der erfinderische Verfahrensschritt des Vorbearbeitens des Produkts und Warmwalzen und/oder Kaltwalzen des vorbearbeiteten Produkts angewendet werden.

Nach einer Ausführung der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren ein erstes Warmwalzen des Blocks, der zu einem vorbearbeiteten Produkt homogenisiert wurde, Warmwalzen des wiedererwärmten Produkts auf ungefähr 150 bis 250 (in Endmaß-%) und dann Kaltwalzen des warmgewalzten Produkts auf das Endmaß oder Warmwalzen des wiedererwärmten Produkts auf ungefähr 105 bis 140 (in Endmaß-%) und dann Kaltwalzen des warmgewalzten Produkts auf das Endmaß. „Endmaß-%" bedeutet ein Prozentsatz an Dicke im Vergleich zu der Dicke des Endprodukts. 200 Endmaß-% bedeutet eine Dicke, die doppelt so groß ist wie die Dicke des endbearbeiteten Produkts. Das bedeutet, dass festgestellt wurde, dass es vorteilhaft ist, das vorgewärmte Produkt zuerst zu einer Dicke, die ungefähr doppelt so groß wie die Dicke des Endprodukts ist, warmzuwalzen und dann das warmgewalzte Produkt zu der Enddicke kaltzuwalzen oder das vorgewärmte Produkt zu einer Dicke, die ungefähr 20 % höher als die Dicke des Endprodukts ist, warmzuwalzen und dann das Produkt kaltzuwalzen, wodurch eine weitere ungefähr 20%ige Reduzierung des Maßes des warmgewalzten Produkts erzielt wird.

Nach einer anderen Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, das wiedererwärmte Produkt bei niedrigen Temperaturen in dem Bereich von 300 °C bis 420 °C warmzuwalzen, so dass die Legierung nicht rekristallisiert. Wahlweise ist es möglich, das bearbeitete und wärmebehandelte Produkt mit einer zweistufigen T79- oder T76-Vergütung künstlich zu altern oder eine dreistufige T77-Vergütung zu verwenden, wenn das Spannungskorrosionsrissverhalten verbessert werden soll.

Die vorliegende Erfindung ist nützlich zum Warmumformen des Blocks nach dem Gießen und wahlweise Kaltumformen zu einem umgeformten Produkt mit einem Maß in dem Bereich von 20 bis 60 mm.

Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem ein Plattenprodukt aus hochfester, hochzäher Al-Zn-Legierung der vorgenannten Zusammensetzung, wobei das Plattenprodukt vorzugsweise ein dünnes Luftfahrzeugelement und noch bevorzugter ein gestrecktes Strukturformelement wie ein Oberflügelelement, ein dünnes Außenhautelement eines Oberflügels oder von einem Holm von einem Luftfahrzeug ist.

Die Eigenschaften der beanspruchten Legierung können weiter verbessert werden durch einen Schritt künstlichen Alterns, der eine erste Wärmebehandlung bei einer Temperatur in einem Bereich von 105 °C bis 135 °C, vorzugsweise um 120 °C für 2 bis 20 Stunden, vorzugsweise um 8 Stunden, und eine zweite Wärmebehandlung bei einer höheren Temperatur als 135 °C, jedoch unter 210 °C, vorzugsweise um 155 °C für 4 bis 12 Stunden, vorzugsweise 8 bis 10 Stunden, umfasst.

Das Vorgenannte und andere Merkmale und Vorteile der Legierungen nach der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung bevorzugter Ausführungen gut ersichtlich.

Beispiel 1

Auf Laborebene wurden 14 unterschiedliche Aluminiumlegierungen zu Blöcken gegossen, homogenisiert, mehr als 6 Stunden bei ungefähr 410 °C vorgewärmt und zu 4mm-Platten warmgewalzt. Es erfolgte Lösungsglühbehandlung bei 475 °C und danach Abschreckung mit Wasser. Danach wurde das abgeschreckte Produkt mit einem zweistufigen T76-Alterungsverfahren gealtert. Die chemischen Zusammensetzungen werden in Tabelle 1 dargelegt. Tabelle 1. Chemische Zusammensetzungen von Legierungen in Dünnplattenform, in Gew.-%, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen, Fe 0,06, Si 0,05, Ti 0,04 und Zr 0,12.

Die Legierungen von Tabelle 1 wurden unter Verwendung von drei Verarbeitungsvarianten (siehe Schritt 5) verarbeitet:

  • 1. Homogenisierung erfolgte durch Erwärmen bei einer Temperaturrate von 40 °C/h auf eine Temperatur von 460 °C, dann Ausgleichglühen für 12 Stunden bei 460 °C und ein weiterer Anstieg mit 25 °C/h auf eine Temperatur von 475 °C mit einem weiteren Ausgleichsglühen für 24 Stunden bei 475 °C und Luftkühlen auf Raumtemperatur.
  • 2. Vorwärmen erfolgte bei 420 °C für 6 Stunden mit einer Wärmrate von 40 °C/h.
  • 3. Die Blöcke auf Laborebene wurden von 80 auf 25 mm warmgewalzt, wodurch das Maß um ungefähr 6 bis 8 mm pro Durchgang reduziert wurde.
  • 4. Die 25 mm dicken Produkte wurden ungefähr 30 min auf 420 °C wiedererwärmt.
  • 5. Variante 1: Das wiedererwärmte Produkt wurde auf 4,0 mm warmgewalzt.
    Variante 2: Das wiedererwärmte Produkt wurde auf 8,0 mm warmgewalzt und danach auf 4,0 mm kaltgewalzt.
    Variante 3: Das wiedererwärmte Produkt wurde auf 5,0 mm warmgewalzt und dann auf 4,0 mm kaltgewalzt.
  • 6. Es erfolgte Lösungsglühbehandlung für 1 Stunde bei 475 °C und danach Abschreckung mit Wasser.
  • 7. Strecken erfolgte mit 1,5 bis 2,0 % innerhalb von ungefähr 1 Stunde nach Abschrecken.
  • 8. Danach wurden die gestreckten Produkte nach einem T76-Alterungsverfahren gealtert, wobei Anheben der Temperatur mit einer Rate von 30 °C/h auf 120 °C und Halten der Temperatur für 5 Stunden auf 120 °C, Anheben der Temperatur mit einer Rate von 15 °C/h auf eine Temperatur von 160 °C und Ausgleichsglühen für 6 Stunden und Luftkühlen des gealterten Produkts auf Raumtemperatur erfolgte.

Die Festigkeit wurde unter Verwendung kleiner Euronorm gemessen und die Zähigkeit wurde nach ASTM B-871 (1996) gemessen. Die Ergebnisse der drei vorgenannten Varianten werden in Tabelle 2a bis 2c gezeigt.

Tabelle 2a. Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der in Tabelle 1 gezeigten Legierungen in MPa und Kerbzähigkeit (TYR) nach Variante 1.
Tabelle 2b. Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der in Tabelle 1 gezeigten Legierungen in MPa und Kerbzähigkeit (TYR) nach Variante 2.
Tabelle 2c. Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der in Tabelle 1 gezeigten Legierungen in MPa und Kerbzähigkeit (TYR) nach Variante 3.

Aus den in den Tabellen 2a bis 2 c dargelegten Ergebnissen wird deutlich, dass ein geringer Grad (10 bis 20 %) an Kaltwalzen für eine optimale Ausgewogenheit von Zähigkeit gegenüber Festigkeit von Vorteil ist. Das rein warmgewalzte Material nach Variante 1 (Tabelle 2a) liegt nahe dem Optimum, aber im Allgemeinen sind die Legierungen der Variante 3 besser.

Des Weiteren ist ersichtlich, dass die Schaltige Legierung 14 vorteilhaft ist, wenn hohe Festigkeit gegenüber hoher Kerbzähigkeit benötigt wird. Geringe Mengen an Mangan erhöhen zwar die Festigkeit, jedoch auf Kosten von etwas Zähigkeit.

Beispiel 2

Zusätzliche Chemien wurden nach den vorgenannten Verarbeitungsschritten 1 bis 8 verarbeitet, wobei die Variante 3 von Schritt 5 des vorgenannten Beispiels 1 und eine T76-Alterung verwendet wurden.

Tabelle 3. Chemische Zusammensetzungen von Dünnplatten-Legierungen, in Gew.-%, für alle Legierungen, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen, Fe 0,06, Si 0,05.

Die Eigenschaften der in Tabelle 3 genannten Legierungen wurden in der L-Richtung auf Festigkeit und in der L-T-Richtung auf Zähigkeit geprüft.

Tabelle 4. Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der in Tabelle 3 gezeigten Legierungen in MPa und Kerbzähigkeit (TS/Rp) nach Variante 3.

Die Zähigkeit gegenüber der technischen Streckgrenze (Rp), gezeigt in Tabelle 4, zeigt deutlich, dass der beste Wert für Zähigkeit gegenüber technischer Streckgrenze bei Legierungen erzielt wird, die ungefähr 8,6 bis 8,7 Gew.-% Zink aufweisen. Legierungen mit niedrigeren Niveaus an Zink zeigen ähnliche Zähigkeitswerte, aber die Zugfestigkeit ist – allgemein gesagt – niedriger, während hohe Niveaus an Zink höhere Festigkeitsniveaus, aber niedrigere Zähigkeitsniveaus zur Folge haben. Kleine Mengen an Mangan erhöhen die Festigkeit auf Kosten von Zähigkeit.

Beispiel 3

Weitere Prüfungen wurden mit Zinkniveaus von 8,6 und 8,7 durchgeführt, wobei die Kupfer- und Magnesiumniveaus variierten. Es kann nachgewiesen werden, dass die Zähigkeitsniveaus bei denselben Festigkeitsniveaus erhöht werden können. Es wurden manche zusätzliche Legierungen ähnlich wie diejenigen in Beispiel 2 verarbeitet, wobei die Verarbeitungsschritte 1 bis 8, wie oben beschrieben, und Variante 3 von Schritt 5 des Beispiels 1 verwendet wurden.

Tabelle 5. Chemische Zusammensetzungen von Dünnplatten-Legierungen, in Gew.-%, für alle Legierungen, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen, Fe 0,06, Si 0,05.
Tabelle 6. Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften der in Tabelle 5 gezeigten Legierungen in MPa und Kerbzähigkeit (TS/Rp) nach Variante 3.

Wie in Tabelle 6 gezeigt, ist es vorteilhaft, Magnesiumniveaus von weniger als 2,4 % zu haben, wobei ein Optimum bei ungefähr 1,7 % liegt. Wenn Magnesiumniveaus bei ungefähr 1,7 % liegen, werden ausgezeichnete Zähigkeitseigenschaften erreicht, aber die Festigkeitsniveaus sinken. Bei Magnesiumniveaus von ungefähr 2,1 % werden die besten Festigkeitsniveaus erzielt. Somit liegt Magnesium am besten zwischen 1,7 und 2,1 %.

Alle oben angegebenen Legierungen wurden auf Schichtkorrosion nach ASTM G-34 geprüft. Sie zeigten alle ein Verhalten von EB oder besser.

Des Weiteren wurde nachgewiesen, dass das Hinzufügen von Ce oder Sc die Mikrostruktur der Legierung verbessert, wodurch Erholungsprozesse reduziert werden. Da die Erholung innerhalb des Legierungsmaterials niedrig ist, erfolgt nahezu keine Rekristallisation, obwohl eine Lösungsglühbehandlung nach dem Standard-Weg verwendet wird. Sc hemmt Rekristallisation, so dass normalerweise mehr als 90 % der Dicke des dünnen Plattenprodukts unrekristallisiert bleibt.

Nachdem die Erfindung nun vollständig beschrieben wurde, ist für eine Person mit gewöhnlicher Erfahrung auf dem Gebiet offensichtlich, dass viele Änderungen und Modifizierungen vorgenommen werden können, ohne von dem Umfang oder Geist der hierin beschriebenen Erfindung abzuweichen.