Hochwarmfeste Aluminiumlegierung und Verfahren zur ihrer Herstellung

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine hochwarmfeste Aluminiumlegierung, bestehend im wesentlichen aus einer Aluminiummatrix, die ein Dispersionsgemisch von verfestigenden Al-Fe-Teilchen enthält, wobei ein Teil des Fe-Gehalts durch mindestens eines der feuerfesten Elemente Titan, Zirkon, Niob, Molybdän, Wolfram, Chrom und Vanadin incl. Nickel und Kobalt ersetzt werden kann. In der Aluminiumlegierung sind 2-16% Nickel und/oder Cobalt, 1-6% Kupfer und 1-3% Mangan enthalten, wobei das Gewichtsver­hältnis von Kupfer : Mangan im Bereich 2 : 1 bis 1 : 1 liegt und es sind intermetallische Phasen des Typs Al-Cu-Mb, Al₃Ni und/oder Al₉CO₂ in kugelförmiger Struktur anwesend und das Gesamtgehalt der verfestigenden Teilchen liegt zwischen 2O-4O Gew.-%.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine hochwarmfeste Aluminiumlegierung, bestehend im wesentlichen aus einer Aluminiummatrix, die ein Dispersionsgemisch von verfestigenden Al-Fe-Teilchen enthält, wobei ein Teil des Fe-Gehalts durch mindestens eines der feuerfensten Elemente Titan, Zirkon, Niob, Molybdän, Wolfram, Chrom und Vanadin incl. Nickel und Kobalt ersetzt werden kann.

[0002] Eine Aluminiumlegierung der genannten Art ist aus DE-OS 31 44 445 bekannt. Aus Figur 2 der Offenlegungsschrift ergibt sich, daß die mit Al8Fe2Mo bezeichnete Legierung eine RT-Festigkeit nach einer Kaltverformung von 39O N/mm² und eine Warmfestigkeit bei 3OO ° von 25O N/mm² aufweist. Zur Herstellung dieser Legierung ist es aber erforderlich, eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als O,O5 µm und eine hohe Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 1O⁵ °C pro Sekun­de einzuhalten. Ferner hat sich in der Praxis gezeigt, daß die Verarbeitbarkeit insbesondere bei hohen Gehalten an feuer­festen Elementen zu Wünschen übrig ließ.

[0003] Ferner ist aus der EP O1 37 18O eine warmfeste Aluminiumle­gierung mit 6-8 % Mangan, O,5-2 % Eisen, O,O3-O,5 % Zirkon und 2-5 % Kupfer bekannt, wobei eine Überhitzung des ge­schmolzenen Metalls bei der Herstellung des Pulvers auf 15O °C über den Schmelzpunkt der Ausgangsmetalle erfolgt (Anspruch 6). Die pulverförmigen Teilchen hatten eine Größe kleiner 12O mesh (Seite 7, Sp. 4). Versuche haben gezeigt, daß die danach hergestellten Legierungen keine gute Zerspanbarkeit und Duktilität aufwiesen.

[0004] Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, neue Aluminium-­Knetlegierungen zu entwickeln, die aus Pulverpartikeln real­tiv großer mittlerer Teilchengröße hergestellt und einfach verarbeitet werden können und dabei nicht nur eine gute Warm­festigkeit bei gleichzeitig hoher RT-Festigkeit besitzen sondern auch ein verbessertes Korrosionsverhalten und eine höhere Dauerfestigkeit zeigen.

[0005] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Patent­ansprüchen angegebenen Legierungen und Verfahren zur Her­stellung von Gegenständen aus bestimmten Legierungselemen­ten gelöst. Es war nicht zu erwarten, daß Kupfer und Mangan-­Zusätze in Gehalten von über 1 % zu einem guten Festigkeits­verhalten über der Temperatur führen, da dem Fachmann aus verschiedenen Literaturstellen bekannt war, daß bei AlCuMn-Legierungen eine Ausscheidungshärtung auftritt. Dies wäre bei einer Wiedererwärmung von Nachteil, da durch Auf­lösung der Subausscheidungen (Ostwald-Reifung) die Al₂Cu(Mn)-­Phasen vergröbern und die festigkeitssteigernde Wirkung ver­loren geht.

[0006] Die Versuchsauswertung zeigt, daß die Warmfestigkeit der entwickelten Legierungen durch die Bildung feiner stabiler intermetallischer Phasen vom Typ AlCuMn, Al₃Fe, Al₃Ni und Al₉Co₂ und deren Mischphasen bestimmt wird. Dabei konnte gleichzeitig eine hohe Raumtemperaturfestigkeit mit RT-Festig­keiten bis 6OO N/mm² erreicht werden.

[0007] Sehr stabile intermetallische Phasen, die sich durch den schnellen Erstarrungsprozeß der Schmelze fein ausscheiden, (mittlere Teilchengröße kleiner 1 µm) bilden sich aus den Legierungselementen Eisen, Nickel und Cobalt. Diese feinen stabilen intermetallischen Phasen des Aluminiums sind in Gehalten zwischen 2O-4O % in der Aluminiumlegierung verteilt und beeinflussen das Korrosionsverhalten positiv.

[0008] Die erfindungsgemäßen Aluminium-Knetlegierungen werden im Vergleich zum Stranggießen bei mittleren Abschreckgeschwin­digkeiten von 1O²-1O⁴ K/s hergestellt. Die mittlere Ab­schreckgeschwind¦igkeit der Legierung aus der Schmelze wird durch Gasverdüsung, Schmelzspinnen, Herstellung von Partikeln mit dem Schleuder-Kokillen-Verfahren u.a. erreicht. Diese rasch erstarrten Partikel können anschließend durch bekannte pulvermetallurgische Verfahren zu Halbzeug, wie Strang­preßerzeugnisse, durch Explosionsverdichten hergestellte Teile u.a. verarbeitet werden. Die Verdüsung der erfindungsge­mäßen Legierung führt zu feinen Dendritenabständen (Zell­größen), während eine durch Strangguß hergestellte AlCuMn-­Legierung eine Zellgröße von ca. 5O µm aufweist, ist die mittlere Zellgröße gemäß vorliegender Erfindung ca. O,5 µm.

[0009] Durch die Überhitzung von mindestens 3OO °C über Schmelz­temperatur und anschließender Abschreckgeschwindigkeit zwischen 1O²-1O⁴ K/sec wird die Löslichkeit der erfindungs­gemäßen Legierungselemente im Aluminium und damit der Le­gierungsgehalt der üblichen Al-Knetlegierungen wesentlich erhöht. Außerdem wird durch die Zulegierung sowohl von O,4-2,O % Titan, Zirkon und Chrom zur Aluminiumlegierung die Bildung sehr feiner Phasen < O,2 µm in einem Anteil von 8O % ermöglicht. Durch die Zugabe von Wolfram, Molybdän, Cerium und Vanadin wird die Warmfestigkeit wegen des nie­drigen Diffusionskoefizienten und den sich bildenden feinen stabilen intermetallischen Phasen von Aluminium mit diesen Elementen wesentlich erhöht.

[0010] TEM-Untersuchungen zeigen kugelförmige Partikel aus inter­metallischen Phasen des Typs Al-Cu-Mn neben den sie umge­benden Phasen von Al₃Fe, Al₃Ni und Al₉Co₂ und deren Misch­phasen. Diese Struktur der feinen stabilen intermetalli­schen Phasen des Aluminiums beeinflußten entscheidend die Verarbeitbarkeit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen.

[0011] Die kugelförmigen Teilchen bilden sich nur, wenn das Verhält­nis von Kupfer : Mangan im Bereich von 2:1 bis 1:1 liegt. Versuche haben gezeigt, daß bei anderen Gewichtsverhältnis­sen entweder die Festigkeit oder die Zerspanbarkeit abnimmt. Um diese kugelige Struktur auch bei der Weiterverarbeitung unverändert beibehalten zu können, ist es erforderlich, die Vorwärmtemperaturen und die Preßgeschwindigkeit innerhalb bestimmter Bereiche einzustellen. Danach hat es sich als günstig erwiesen - im Gegensatz zur bisher herrschenden Lehre - daß die pulverförmigen Partikel eine mittlere Teilchengröße größer 8O µm, vorzugsweise 1OO-2OO µm, auf­weisen, wenn die Verdichtung vor der Umformung zu einer Mindestdichte des Blockes von 7O-85 % führt. Trotz der groben Pulverfraktionen erreicht man hohe Strangpreß­geschwindigkeiten von 5-1O m/sec. Dies ist möglich, weil Pulverpartikel von 16O µm bei der erfindungsgemäßen Le­gierung noch ein sehr feines Gußgefüge (Zellgröße) be­sitzen. Aus dem Gußgefüge bilden sich während der Umfor­mung sehr feine rundliche Partikel durch heterogene Keimbildung und Einformung durch dem Umformprozeß. Diese feinen rundlichen Partikel erlauben eine hohe Strangpreß­geschwindigkeit der erfindungsgemäßen Legierungen. Durch die hohen Preßgeschwindigkeiten ist eine wirtschaftliche Herstellung gefährleistet, obwohl natürlich die Umform­kräfte für die P/M-Legierungen durch die hohen Legierungs­gehalte zunehmen.

[0012] Die besonderen erfindungsgemäßen Legierungsgehalte gewähr­leisten auch höhere Strangpreßtemperaturen bis 5OO °C ohne stärkere Beeinträchtigung der mechanischen Eigenschaften, als dies für vergleichbare metastabil übersättigte P/M-­Legierungen in US 44 64 199 beschrieben wird.

[0013] Außerdem wird bei der erfindungsgemäßen Legierung durch das sehr feine homogene Gefüge von rundlichen Partikeln gewähr­leistet, daß keine pik up's (Rattermarken durch örtliche Ausschmelzungen) auftreten. Die Strangpreßprofile zeigen besonders gute glatte Oberflächen, die fast ohne irgend­welche Fehler und einwandfrei eloxierbar sind.

[0014] Die Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen warmfesten Legie­rungen ist besser als 25O N/mm² und damit nicht nur besser als konventionelle Al-Legierungen mit besonders guten Er­müdungsfestigkeiten sondern auch besser als vergleichbare warmfeste Al-P/M-Legierungen. Diese hohe Dauerfestigkeit gilt sowohl bei RT als auch bei 15O °C.

[0015] Besonders kennzeichnend für die erfindungsgemäßen warmfesten Al-P/M-Legierungen ist weiterhin der besonders hohe E-Modul. Der E-Modul beträgt 85-1OO G Pa gegenüber 72 G Pa für die konventionelle warmfeste Al-Legierung AA 2618.

[0016] Im folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh­rungs- und Vergleichsbeispiele näher erläutert:

[0017] Eine konventionelle warmfeste Aluminium-Knetlegierung, die über das Stranggießen hergestellt wurde, enthält 2,7 % Kup­fer, O,2 % Mangan und 1,2 % Magnesium. Die nach einer Aus­scheidungshärtung erreichbaren mechanischen Eigenschaften sind in Tab. 1 zusammengefaßt.

[0018] In Tabelle 2 werden 2 auf dem pulvermetallurgischen Verfah­rensweg über die rasche Erstarrung mit ca.1O⁴ K/sec hergestell­te Legierungen Al6Fe und Al8Fe zum Vergleich herangezogen. Die Verarbeitungstemperatur lag bei 48O °C Dabei wiesen die Teilchen eine Größe von ca. O,3 µm auf. Die Struktur der intermetallischen Phasen war mehr plattenförmig.

[0019] Ein wesentliches Ergebnis der Erfindung ist, daß das Zulegieren von Kupfer und Mangan zu den Legierungen mit Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Molybdän, Vandium, Cerium u.a. (welche die sehr stabilen intermetallischen Phasen bilden) zu sehr guten RT-Festigkeiten führt und da­bei die Warmfestigkeit gegenüber den Kupfer-Mangan-freien Legierungen nicht oder kaum feststellbar abfällt, siehe Tabelle 3. Die etwa gleichen Warmzugfestigkeiten bei 3OO °C nach 2OO h Vorbehandlung bei 3OO °C bestätigen, daß keine Oswald-Reifung der Al-Cu-Mn-Phasen auftritt.

[0020] Außerdem wurde durch weitere Untersuchungen bestätigt, daß erst beim Zulegieren beider Legierungselemente Kupfer und Mangan die guten RT-Festigkeiten und die guten Warmfestig­keiten erreicht werden, siehe Tabelle 4. Wird zu der Legie­rung Al4Fe4Ni nur Mangan zulegiert, so besitzt diese Legie­rung nicht die gewünschte RT-Festigkeit, siehe Tabelle 4. Ein Zulegieren von Kupfer zu Al4Fe4Ni führt zwar zu rela­tiv guten RT-Festigkeiten, aber die Warmfestigkeit die­ser Legierung ist bei höheren Temperaturen schlechter als die Cu + Mn haltige Legierungen, siehe Tabelle 4. Enthält die Legierung Al4Fe4Ni nun Kupfer und Mangan, so wird wieder eine gute RT-Festigkeit und eine gute Warmzugfestigkeit er­reicht, siehe Tabelle 4. Eine Auslagerungsbehandlung zwi­schen 12O bis 22O °C zeigte keine Anzeichen eines Festig­keitseinflusses durch thermische Aushärtung. Die im TEM zu findenden AlCuMn-Ausscheidungsphasen müssen während der Pulverherstellung und/oder pulvermetallurgischen Ver­arbeitung auftreten. Die Ausscheidungskinetik dieser sta­bilen Phasen wird scheinbar durch die hohen Gehalte an Eisen, Nickel etc. beeinflußt.

[0021] Das gute Korrosionsverhalten der erfindungsgemäßen Legie­rung wurde anhand folgender Testversuche beurteilt:
Die erfindungsgemäßen Legierungen zeigen nicht nur ein gutes Verhalten geger'über allgemeiner Korrosion sondern sind auch besonders gut teständig gegenüber Korrosion unter Spannung bzw. Spannungsrißkorrosion. Die Spannungsrißkorrosion wurde in der kritischen Querrichtung (LT) in 2 % NaCl + O,5 % Na₂CrO₄/pH 3 unter konstanter Spannung getestet.

[0022] Die konventionelle warmfeste I/M-Al-Legierung AA 2618 wurde zum Vergleich mit geprüft, siehe Tabelle 5.

[0023] Es zeigt sich, daß die AA 2618 I/M nicht SRK-beständig ist, während die Al2Cu1,5Mn4Fe4Ni-P/M-Legierung SRK-beständig ist.

[0024] Eine nochmalige Verbesserung der Warmfestigkeit der beschriebenen Legierungs­einflüsse wird dann erreicht, wenn die erfindungsgemäße Legierung O,5-1,5 % Magnesium enthält. Der Magnesiumzu­satz führt nicht zu einer Verbesserung durch Ausscheidungs­härtung, denn eine Auslagerungsbehandlung zwischen 12O °C und 22O °C führt nicht zu einer Erhöhung der F-Werte bzw. es ist keine Abhängigkeit der F-Werte von den Auslagerungs­bedingungen feststellbar. Der Magnesium-Zusatz führt durch die Bildung von feinem Magnesiumoxid im P/M-Halbzeug - was wie intermetallische Phasen festigkeitssteigernd wirken kann -, durch eine Verminderung der Fehlstellen der abge­schreckten Legierungen - als Fehlstellen - "Senke" etc. - zu einer Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Al-­P/M-Legierung. Ein Zusatz von O,55 % Magnesium zu der er­findungsgemäßen Legierung Al3Cu1,5Mn4Fe4NiO,5Ti steigert die Warmzugfestigkeit, siehe Tabelle 6. Die Warmzug-Festigkei­ten der Tab. 6 wurden nach 5OOO h Temperatur-Warmauslagerung gemessen. Hiermit wird die thermische Stabilität der Legie­rung nochmals bestätigt.

Ansprüche

1. Hochwarmfeste Aluminiumlegierung, bestehend im wesent­lichen aus einer Aluminiummatrix, die ein Dispersions­gemisch von verfestigenden Al-Fe-Teilchen enthält, wo­bei ein Teil des Fe-Gehalts durch mindestens eines der feuerfesten Elemente Titan, Zirkon, Niob, Molybdän, Wolfram, Chrom und Vanadinersetzt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aluminiumlegierung 2-16 % Nickel und/oder Cobalt, 1-6 % Kupfer und 1-3 % Mangan enthalten sind, wobei das Gewichtsverhältnis von Kupfer : Mangan im Bereich von 2:1 bis 1:1 liegt, daß intermetallische Phasen des Typs Al-Cu-Mn, Al₃Ni und/oder Al₉Co₂ in kugelförmiger Struktur anwesend sind, und daß der Gesamtgehalt der verfestigenden Teilchen zwischen 2O-4O Gew.-% liegt.

2. Hochwarmfeste Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, da­durch gekennzeichnet, daß die verfestigenden Teilchen eine mittlere Teilchengröße zwischen O,2 und 1 µm auf­weisen.

3. Hochwarmfeste Aluminiumlegierung nach einem der vorher­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aluminiumlegierung O,4-2 Gew.-% Chrom, Titan und/oder Zirkon in Form feiner Phasen zu einem Anteil von größer 8O %, kleiner O,2 µm vorliegen.

4. Hochwarmfeste Aluminiumlegierung nach einem der vorher­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß O,5-­1,5 Gew.-% Wolfram, Cer, Molybdän und/oder Vanadium, überwiegend an den Phasengrenzen der intermetallischen Verbindung vorliegen.

5. Hochwarmfeste Aluminiumlegierung nach einem der vor­hergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Aluminiumlegierung O,5-1,5 % Magnesium ent­halten sind und der Anteil der Mg-Phasen unter O,5 Vol.-% liegt.

6. Verfahren zur Herstellung einer hochwarmfesten Alu­miniumlegierung aus einer Legierungsschmelze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­zeichnet, daß die Schmelze auf mindestens 3OO ° über Schmelztemperatur der jeweiligen Legierung erhitzt wird und mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von 1O²-1O⁴ K pro Sekunde in pulverförmige Partikel über­führt wird, deren Teilchengröße zu mindest 5O % über 8O µm liegt, wobei das Pulver eine mittlere Zellgröße kleiner 1 µm aufweist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgegenstandes unter Verwendung einer Legierung nach einem der vorher­gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Block aus Legierungspulverteilchen bei Raumtemperatur mit einer Dichte von 7O-8O% hergestellt wird, der Block auf 35O-48O °C angewärmt und mit einer Preßgeschwin­digkeit von 2-1O m pro Minute umgeformt wird.