Aluminiumlegierung, geeignet für rasche Abkühlung aus einer an Legierungsbestandteilen übersättigten Schmelze

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Aluminiumlegierung, geeignet für rasche Abkühlung aus einer an Legierungs­bestandteilen übersättigten Schmelze nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

[0002] Aus der Pulvermetallurgie ist bekannt, dass die Eigen­schaften von gepressten und gesinterten bzw. heissge­pressten Körpern aus ALuminiumlegierungen weitgehend durch die Eigenschaften des verwendeten Pulvers bestimmt werden. Neben der chemischen Zusammensetzung spielen Partikelgrösse und Mikrostruktur eine wesentliche Rolle. Letztere beiden hängen nun wiederum wesentlich von der Abkühlungsgeschwindigkeit ab. Diese sollte so hoch wie möglich sein. Um zu höheren Warmfestigkeiten von Körpern aus Aluminiumlegierung zu gelangen sind schon verschie­dene Verfahren und Werkstoffzusammensetzungen vorgeschla­gen worden (Vergl. US-A-4 379 719; US-A-4 389 258; EP-A-­0 000 287). Durch hohe Abkühlgeschwindigkeiten werden Seigerungen vermieden und die Löslichkeitsgrenze für Legierungselemente erhöht, so dass durch geeignete Warm­behandlung oder thermomechanische Behandlung feinere Ausscheidungen mit höheren Festigkeitswerten erzielt werden können. Ausserdem besteht die Möglichkeit der Bildung vorteilhafter metastabiler Phasen, die sich unter konventionellen Abkühlungsbedingungen nicht einstellen lassen. Weitere günstige Eigenschaften, die sich durch hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten erzielen lassen, sind erhöhter Korrosionswiderstand und bessere Zähigkeit der Legierungen.

[0003] Die in obigen Veröffentlichungen zitierten Aluminium­legierungen gehören vorwiegend einem Typ mit verhältnis­mässig hohen Eisengehalten an. Diese haben im als Pulver, Flocken, Bänder nach rascher Abkühlung aus einer Schmelze vorliegenden primären Erstarrungszustand sehr hohe Festig­keiten und bereiten bei der nachfolgenden Verdichtung zu Presskörpern Schwierigkeiten. Entweder werden höhere Drücke oder höhere Temperaturen benötigt, was einerseits aufwendig ist, andererseits die Gefahr in sich schliesst, die optimale Mikrostruktur für das Enderzeugnis nicht zu erreichen (Vergl. J. Duszcuzyk and P. Jongenburger, TMS-AIME Meeting, New York, 24 - 28 Geb. 1985; R. J. Wanhill, PM Aerospace Materials Conference, Berne, Nov. 1984; G.J. Hildeman, D.J. Lege and A.K. Vasudevan, High Strength PM Aluminum Alloys, eds. Koczak and Hildeman, 1982, p. 249).

[0004] Chrom- und manganhaltige Aluminiumlegierungen, welche die Bildung von übersättigten festen Lösungen ermöglichen sind weicher und duktiler und demzufolge als Pulver bes­ser zu verdichten und zu verarbeiten (Vergl. P. Furrer and H. Warlimont, Mat. Sci. and Eng. 28, 1977, 127; R. Yearim and D. Schecktman, Met. Trans A., 13A, 1891-1898, 1982; EP-A-0 105 595; I.R. Hughes, G. J. Marshall and W. S. Miller, 5th Conference on Rapidly Quenched Metals, Würzburg, Sept. 1984).

[0005] Obwohl zurzeit beachtliche Resultate, insbesondere er­höhte Warmfestigkeit im Temperaturbereich von 250 bis 300°C - wo konventionelle Aluminiumlegierungskörper prak­tisch keine nennenswerten Festigkeitseigenschaften mehr anbieten konnten - erreicht werden konnten, lassen die Eigenschaften der vorgeschlagenen pulvermetallurgisch hergestellten Werkstücke noch zu wünschen übrig. Dies gilt insbesondere für die warmfestigkeit, die Zähigkeit die Duktilität und die Ermüdungsfestigkeit, im Tempera­turbereich von Raumtemperatur bis ca. 250°C.

[0006] Es besteht daher ein grosses Bedürfnis nach weiterhin verbesserten Legierungen zur Herstellung von geeigneten Pulvern, insbesondere bezüglich ihrer kombinierten Eigen­schaften.

[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Aluminiumlegie­rungen anzugeben, die sich für die Herstellung von ultra­feinkörnigen Pulvern aus an Legierungsbestandteilen über­sättigten Schmelzen mit verbesserten mechanischen und Gefügeeigenschaften gut eignen. Es sollen insbesondere Zusammensetzungen angestrebt werden, welche unter den vorgeschlagenen Abkühlungsbedingungen duktile, leicht verarbeitbare Strukturen und Phasen bilden, welche sich durch geeignete Wärmebehandlungen in ihren Festigkeits­eigenschaften und ihrer Zähigkeit noch steigern lassen.

[0008] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0009] Der Leitgedanke der Erfindung besteht darin, die Eigen­schaften der binären Al/Cr-Legierungen (übersättigte feste Lösung, Bildung von Al₁₃Cr₂-Dispersoiden durch Zulegieren von Vanadium und gegebenenfalls von geringen Mengen weiterer Zusätze zu verbessern. Durch die Möglich­keit der Bildung der intermetallischen Verbindung Al₁₀V, welche eine niedrige Dichte, also ein grosses spezifi­sches Volumen aufweist, wird im Endprodukt der Volumen­anteil an festigkeitssteigenden fein verteilten Disper­soiden drastisch erhöht. Ausserdem wirkt sich die gleich­zeitige Anwesenheit von Chrom und Vanadium durch gegen­seitige unterstützende Wirkung günstig auf die thermische Stabilität, die Warmfestigkeit und die Zähigkeit bei gleichzeitig guter Duktilität der Legierung aus.

[0010] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungs­beispiele beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1:

[0011] Es wurde eine Aluminiumlegierung der nachfolgenden Zu­sammensetzung hergestellt:
Cr = 5 Gew.-%
V = 2 Gew.-%
Al = Rest

[0012] Zunächst wurde aus den reinen Komponenten Al, Cr und V im, Induktionsofen unter Vakuum im Siliziumkarbidtiegel eine Legierung erschmolzen und in einen wassergekühlte Kupferkokille abgegossen. Der erstarrte Gussbarren wog ca. 1,5 kg. Er wurde mechanisch in kleinere Stücke zer­teilt, welche in einen Siliziumkarbidtiegel der Zerstäu­bungsvorrichtung gegeben wurden. Der Behälter dieser Vorrichtung wurde hierauf bis auf einen Restdruck von ca. 1,5 Pa evakuiert, mit Stickstoff geflutet, nochmals evakuiert, wieder mit Stickstoff geflutet und ein weiteres Mal evakuiert. Unter diesen Bedingungen wurde die Charge mittels einer induktiven Heizvorrichtung geschmolzen und auf eine Temperatur von 1150 °C gebracht. Nun wurde der Behälter mit Stickstoff gefüllt und die induktive Heizung abgestellt. Durch Anheben des Graphitstopfens im Tiegel wurde dessen Bodenöffnung freigegeben und die Schmelze der darunter befindlichen Zerstäubungsdüse zu­geführt. Diese, mit einer zentralen, axial in der Höhe verschiebbaren Hülse ausgerüsteten Düse wurde nun mit Stickstoff unter einem Druck von 8 MPa beaufschlagt. Das im Stickstoffstrom suspendierte Pulver wurde anschlies­send in einem Zyklon ausgeschieden. Nach ca. 3 min war die Zerstäubung beendet. Die Betriebsparameter - geringe Zuflussgeschwindigkeit der Schmelze, hohe Gasgeschwin­digkeit des zerstäubenden Stickstoffs - wurden so einge­stellt, dass ein Pulver von sehr feiner Körnung erzeugt wurde. Der grösste Partikeldurchmesser des Pulvers war 40 µm, der Durchschnitt ca. 25 µm. Allenfalls anfallende, das Mass von 40 µm übersteigende Partikel wurden durch ein Sieb zurückgehalten. Bei dieser Art von Zerstäubungs­prozess betrug die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit für die zu Partikeln zerstäubten Legierungströpfchen über 10⁶°C/s.

[0013] Das Legierungspulver wurde nun in eine dünnwandige zylin­drische Aluminiumdose von 70 mm Durchmesser und 250 mm Höhe abgefüllt. Die Dose wurde evakuiert, auf 450°C auf­geheizt und unter Vakuum bei dieser Temperatur während 2 h belassen. Der Restgasdruck betrug ca. 0,15 Pa. Die Dose wurde dann durch Zusammendrücken des Absaugstutzens vakuumdicht verschlossen und in eine Presse eingelegt. Das eingekapselte Legierungspulver wurde bei 450°C auf 96 % der theoretischen Dichte des kompakten Werkstoffs verdichtet. Der verdichtete und abgekaltete Rohling wurde durch mechanische Bearbeitung von seiner Aluminiumhülle befreit und als Pressbolzen in eine Strangpresse einge­ setzt. Es wurde ein Stab von 15 mm Durchmesser bei einer Temperatur von 460°C gepresst (Reduktionsverhältnis 1:22).

[0014] Während der Durchführung des Verfahrens sowie am Endpro­dukt wurden die Festigkeits- und Duktilitätswerte über­wacht. Am frisch aus der Schmelze erstarrten Material ohne jegliche Wärmebehandlung konnte unter anderem eine Vickershärte von 120 (HV) gemessen werden, woraus sich auf gute Duktilität schliessen liess. An einem fertigen stranggepressten Probekörper wurde die Vickershärte bei Raumtemperatur nach einer Wärmebehandlung bei einer Tempe­ratur von 400°C und einer Dauer von 1 h mit 190 (HV) bestimmt. Dieser Anstieg zeigt nicht nur die markante Wirkung der härtenden Dispersoide sondern auch deren hervorragende thermische Stabilität.

Ausführungsbeispiel 2:

[0015] Die zu untersuchende Aluminiumlegierung hatte folgende Zusammensetzung:
Cr = 4,5 Gew.-%
V = 2,5 Gew.-%
Al = Rest

[0016] Aus passenden Al/Cr- und Al/V-Vorlegierungen wurde im Tonerdetiegel unter Inertgasatmosphäre im Induktionsofen eine Legierung erschmolzen und ein Barren von ca. 1 kg Masse gegossen. 400 g dieses Barrens wurden in einer Vorrichtung induktiv geschmolzen und als Strahl unter hohem Druck in erster Gasphase gegen den Umfang einer mit 12 m/s Umfangsgeschwindigkeit vorliegenden, gekühlten Kupferscheibe geschleudert sogenanntes "melt-spinning"-­Verfahren). Durch die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit wurde ein ultra-feinkörniges Band von ca. 30µm Dicke erzeugt. Das Band wurde zerstossen und zu feinkörnigem Pulver zermahlen. Daraufhin wurde eine zylindrische Kap­sel aus duktilem Aluminiumblech von 60 mm Durchmesser und 60 mm Höhe mit dem Pulver gefüllt, evakuiert und verschweisst. Dann wurde die gefüllte Kapsel bei 420°C unter einem Druck von 200 MPa zur vollen theoretischen Dichte heissgepresst. Die Kapsel wurde durch mechanische Bearbeitung entfernt und der gepresste Körper als Press­bolzen von 40 mm Durchmesser in eine Strangpresse mit einem Reduktionsverhältnis von 25:1 eingesetzt und bei 400°C zu einem Stab von 8 mm Durchmesser verpresst.

[0017] Die Prüfung ergab folgende Resultate: Das primär aus der übersättigten Schmelze durch schnelle Abkühlung er­starrte Band wies eine Vickershärte von 135 (HV) auf. Der fertige stranggepresste Körper wurde einer Wärme­behandlung bei einer Temperatur von 400°C und einer Dauer von 2 h unterzogen. Er zeigte eine Vickershärte von 205 (HV), was auf hohe Festigkeit schliessen liess.

Ausführungsbeispiel 3:

[0018] Es wurde zunächst eine Aluminiumlegierung der folgenden Zusammensetzung hergestellt:
Cr = 5,1 Gew.-%
V = 3,0 Gew.-%
Al = Rest

[0019] Die Legierung wurde nach dem unter Beispiel 1 angegebenen Verfahren zu einem ultrafeinkörnigen Pulver von 20 µm mittlerer Partikelgrösse zerstäubt, verdichtet, gepresst und zu einem Rundstab weiterverarbeitet.

[0020] Die Probekörper zeigten folgende Festigkeitswerte:
- Unbehandelt, Raumtemperatur:
Zugfestigkeit = 520 MPa
Bruchdehnung = 10 %
- Nach einer Wärmebehandlung bei 250°C/100 h, geprüft bei einer Temperatur von 250°C:
Warmzugfestigkeit = 300 MPa
Bruchdehnung = 25 %

[0021] Die letzteren Werte lassen die ausgezeichneten Festig­keits-, Zähigkeits- und Duktilitätseigenschaften dieser Legierung erkennen. Sie liegen bei einer Temperatur von 250°C immer noch so hoch wie diejenigen konventioneller, nach üblichen Methoden hergestellter Aluminiumlegierungen bei Raumtemperatur.

Ausführungsbeispiel 4:

[0022] Die erschmolzene Legierung hatte folgende Zusammensetzung:
Cr = 4,5 Gew.-%
V = 2,0 Gew.-%
Mo = 1,0 Gew.-%
Al = Rest

[0023] Bei der Herstellung wurde genau gleich wie unter Bei­spiel 2 angegeben, vorgegangen.

[0024] Das aus der Schmelze direkt erstarrte Band hatte eine Vickershärte von 140 (HV). Der fertige Probekörper wies nach einer Wärmebehandlung bei 400°C während einer Dauer von 1 h eine Vickershärte (bei Raumtemperatur gemessen) von 185 (HV) auf.

[0025] Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Die Aluminiumlegierung kann prinzipiell uas 2 bis 5,5 Gew.-% Cr, 2 bis 5,5 Gew.-% V sowie gegebenen­falls einem oder mehreren der Metalle Mo, Zr Ti oder Fe in einem Gehalt von total höchstens 1 Gew.-%, Rest Al bestehen, wobei der totale Gehalt an allen Legierungs­elementen höchstens 10 Gew.-% beträgt.

[0026] Die Aluminiumlegierung soll vorzugsweise mindestens 1,2 Gew.-% der Phase Al₁₃Cr₂ und mindestens 1,1 Gew.-% der Phase Al₁₀V eingelagert in eine feste Lösung enthalten.

[0027] Das Gefüge der Aluminiumlegierung soll ferner vorzugs­weise mindestens 1,2 Gew.-% der Phase Al₁₃Cr₂ und minde­stens 1,1 Gew.-% der Phase Al₁₀V als fein verteiltes Dispersoid von höchstens 0,1 µm Partikeldurchmesser ent­halten.

Ansprüche

1. Aluminumlegierung, geeignet für rasche Abkühlung aus einer an Legierungsbestandteilen übersättigten Schmelze, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus 2 bis 5,5 Gew.-% Cr, 2 bis 5,5 Gew.-% V, Rest Al oder dass sie aus 2 bis 5,5 Gew.-% Cr, 2 bis 5,5 Gew.-% V, sowie einem oder mehreren der Metalle Mo, Zr, Ti oder Fe in einem Gehalt von total höchstens 1 Gew.-%, Rest Al besteht, und dass der totale Gehalt an allen Le­gierungselementen höchstens 10 Gew.-% beträgt.

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass sie 5 Gew.-% Cr und 2 Gew.-% V ent­hält.

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass sie 4,5 Gew.-% Cr und 2,5 Gew.-% V enthält.

4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass sie 4,5 Gew.-% Cr, 2 Gew.-% V und 1 Gew.-% Mo enthält.

5. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass sie 5,1 Gew.-% Cr und 3,0 Gew.-% V enthält.

6. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­zeichnet, dass sie mindestens 1,2 Gew.-% der Phase Al₁₃Cr₂ und mindestens 1,1 Gew.-% der Phase Al₁₀V eingelagert in eine feste Lösung enthält.

7. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass sie mindestens 1,2 Gew.-% der Phase Al₁₃Cr₂ und mindestens 1,1 Gew.-% der Phase AL₁₀V als fein verteiltes Dispersoid von höchstens 0,1 µm Partikeldurchmesser enthält.