Aluminiumlegierung für die Herstellung von Pulver mit erhöhter Warmfestigkeit

Abstract

 Aluminiumlegierung für die Herstellung von Pulver mit erhöhter Warmfestigkeit durch schnelles Abkühlen, welche 1,5 bis 5 Gew.-% Li, 4 bis 11 Gew.-% Fe und 1 bis 6 Gew.-% mindestens eines der Elemente Mo, V, Zr, Rest Al oder 1,5 bis 5 Gew.-% Li, 4 bis 7 Gew.-% Cr und 1 bis 4 Gew.-% mindestens eines der Elemente V, Mn, Rest AI enthält. Niedrige Dichte und hohe Warmfestigkeit sowie gute thermische Stabilität bis zu 400°C bei Vickershärten von bis 180 (HV) werden erreicht. Härtende Dispersoide in Form der Phasen Al₃Zr sowie weiterer intermetallischer Verbindungen des Al mit Mo, V, Mn von höchstens 0,1 µm Partikeldurchmesser als hoher Volumenanteil vorhanden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung geht aus von einer Aluminiumlegierung für die Herstellung von Pulver mit erhöhter Warmfestigkeit 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. 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] Durch Zulegieren von Schwermetallen wird im allgemeinen die Dichte sowie andere physikalische Eigenschaften in ungünstiger Weise beeinflusst. Es ist daher vor allem für Anwendungen im Flugzeugbau vor einiger Zeit vorgeschlagen worden, im Zuge der konventionellen Herstellung das Element Lithium als wesentlichen Legierungsbestandteil zu benutzen. Dadurch kann die Dichte der Legierung herabgesetzt, deren Elastizitätsmodul dagegen erhöht werden, was für die Verwendung als Konstruktionsmaterial von Vorteil ist (Vergl. E.S. Balmuth & R. Schmidt, 1981, "A Perspective on the Development of Aluminium-Lithium Alloys", Proceedings of the Ist Int. Aluminium-Lithium Conf., ed. T.H. Sanders and E.A. Starke, Jr., p. 69-88). Derartige Legierungen ermangeln jedoch der für viele Verwendungszwecke geforderten Zähigkeit und Dehnbarkeit. Diese Problematik wurde eingehend diskutiert und führte auf Legierungen mit weiteren Zusätzen (Vergl. E.A. Starke, T.H. Sanders, Jr. & I.G. Palmer, 1981, "New Approaches to Alloy Development in the Al-Li System", J. of Metals, 33, No. 9, p. 24-32). Entsprechend den spezifischen Anforderungen wurden weitere Legierungssysteme entwickelt (Vergl. F.W. Gayle & J.B. Vander Sande, 1984, "Composite Precipitates in an Al-Li-Zr Alloy", Scripta Met., 18, p. 473-478; B. Noble, S.J. Harris & K. Harlow, 1984, "Mechanical Properties of Al-Li-Mg Alloys at Elevated Temperature", Proc. 2nd Int. Aluminium-Lithium Conference, ed. T.H. Sanders & E.A. Starke, p. 65-78; I.G. Palmer et al., 1984, "Effect of Processing Variables on Two Al-Li-Cu-Mg-Zr Alloys", ibid, p. 91-110).

[0004] Obwohl zurzeit beachtliche Resultate, insbesondere erhöhte Warmfestigkeit im Temperaturbereich von 250 bis 300°C erreicht werden konnten, lassen die Eigenschaften der bisher vorgeschlagenen pulvermetallurgisch hergestellten Werkstücke noch zu wünschen übrig. Dies gilt insbesondere für die Warmfestigkeit, die Duktilität und die Ermüdungsfestigkeit im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 250°C. Diese Legierungen weisen ausserdem im allgemeinen Dichten auf, die um ca. 10 % über denjenigen konventionellen Aluminiumlegierungen liegen. Andererseits haben Legierungen mit niedriger Dichte praktisch keine Warmfestigkeit.

[0005] Es besteht daher ein grosses Bedürfnis nach weiterhin verbesserten Legierungen zur Herstellung von geeigneten Pulvern, insbesondere von solchen mit niedriger Dichte.

[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Aluminiumlegierungen anzugeben, die sich für die Herstellung von Pulvern mit erhöhter Warmfestigkeit und verbesserten mechanischen und Gefügeeigenschaften bei gleichzeitig niedriger Dichte gut eignen. Es sollen insbesondere Zusammensetzungen angestrebt werden, welche unter den vorgeschlagenen Abkühlungsbedingungen als feine Dispersoide wirkende, stabile intermetallische Verbindungen bilden.

[0007] Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

[0008] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschrieben.

Ausführungsbeispiel 1:

[0009] Es wurde eine Legierung der nachfolgenden nominellen Zusammensetzung hergestellt:

[0010] Bei der Erschmelzung der Legierung wurde von entsprechenden Mengen von Vorlegieruhgen mit 10 Gew.-% Li, 10 Gew.-% Fe und 5 Gew.-% Zr ausgegangen. Diese Aluminium-Vorlegierungen wurden in einem Induktionsofen im Tonerdetiegel unter Vakuum geschmolzen und die Schmelze direkt in eine Kupferkokille abgegossen. Die totale Masse des Gussbarrens betrug 1 kg. 300 g dieses Barrens wurden in einer Vorrichtung induktiv geschmolzen und als Strahl unter hohem Druck in erster Gasphase gegen den Umfang einer mit 10 m/s Umfangsgeschwindigkeit vorliegenden, gekühlten Kupferscheibe geschleudert (sogenanntes "melt-spinning"-Verfahren). Durch die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit wurde ein ultra-feinkörniges Band von ca. 40µm Dicke erzeugt. Das Band wurde zerstossen und zu feinkörnigem Pulver zermahlen. Daraufhin wurde eine zylindrische Kapsel aus duktilem Aluminiumblech von 50 mm Durchmesser und 60 mm Höhe mit dem Pulver gefüllt, evakuiert und verschweisst. Dann wurde die gefüllte Kapsel bei 400°C unter einem Druck von 250 MPa zur vollen theoretischen Dichte heissgepresst. Die Kapsel wurde durch mechanische Bearbeitung entfernt und der gepresste Körper als Pressbolzen von 36 mm Durchmesser in eine Strangpresse mit einem Reduktionsverhältnis von 30:1 eingesetzt und bei 400°C zu einem Stab von 6,5 mm Durchmesser verpresst.

[0011] Aus dem Stab wurden Probekörper zur Untersuchung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften herausgearhpitpt. Ein Probekörper wurde einer Wärmebehandlung bei 400 °C während 2 h unterworfen. Die danach festgeslelllr Vickershärte bei Raumtemperatur betrug 180 (HV). Bei einer Dichte von nur 2,85 g/cm' erwies sich die Zugfestigkeit und Streckgrenze durchweg um 50 bis 80 % höher als dtejenige vergleichbarer konventioneller Legierungen.

Ausführungsbeispiel 2:

[0012] Cemäss Beispiel 1 wurde folgende Legierung erschmolzen:

[0013] Die sukzessive Weiterverarbeitung zu einem Band, einem Pulver und einem stranggepressten Stab erfolgte genau gleich, wie in Beispiel 1 beschrieben. Die ursprüngliche Vickershärte bei Raumtemperatur betrug 200 (HV), nach einer Wärmebehandlung bei 400°C/2 h noch 180 (HV). Dies lässt erkennen, dass eine ausgezeichnete Temperaturbeständigkeit erreicht wurde, welche auf eine hohe Warmfestigkeit schliessen lässt.

Ausführungsbeispiel 3:

[0014] Es wurde eine Legierung der nachfolgenden nominellen Zusammensetzung hergestellt:

[0015] Die Legierung wurde aus entsprechenden Al/Li-, Al/Cr-und Al/Zr-Vorlegierungen erschmolzen und ähnlich Beispiel 1 zu einem Barren vergossen. Der Barren wurde erneut aufgeschmolzen und auf eine Giesstemperatur von 1100°C gebracht. Nun wurde die Schmelze unter Inertgasatmosphäre von 6 MPa Druck zu einem Pulver von durchschnittlich 30µm Partikeldurchmesser zerstäubt. Das auf diese Weise erzeugte Pulver wurde in eine Aluminiumdose eingefüllt, welche daraufhin evakuiert und vakuumdicht verschlossen wurde. Aehnlich Beispiel 1 wurde der Körper verdichtet und heissgepresst. Nach Abdrehen des den Mantel bildenden Dosenteils wurde der Presskörper auf eine Temperatur von 450°C erwärmt und mit einem Reduktionsverhältnis von 30:1 bei dieser Temperatur zu einem Rundstab stranggepresst. Die gesamte Pulververarbeitung erfolgte unter Schutzgasatmosphäre.

[0016] Aus dem Stab herausgearbeitete Probekörper ergaben eine Dichte von 2,80 g/cm'. Nach einer Wärmebehandlung bei 400°C während einer Dauer von 2 h betrug die Vickershärte bei Raumtemperatur 170 (HV), nach einer weiteren Wärmebehandlung bei der gleichen Temperatur während zusätzlichen 50 h noch immer 160 (HV). Dies lässt auf eine grosse thermische Stabilität des Gefüges schliessen. Die Verbesserung der Festigkeitswerte gegenüber konventionellen Legierungen gleicher Dichte betrug ca. 100 %.

[0017] Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Grundsätzlich kann die Aluminiumlegierung aus 1,5 bis 5 Gew.-% Li, 4 bis 11 Gew.-% Fe sowie 1 bis 6 Gew.-% mindestens eines der Elemente Mo, V, Zr, Rest A1 oder aus 1,5 bis 5 Gew.-% Li, 4 bis 7 Gew.-% Cr sowie 1 bis 4 Gew.-% mindestens eines der Elemente V, Mn, Zr, Rest Al bestehen.

[0018] Bevorzugte Aluminiumlegierungen enthalten:

1,5 bis 4,5 Gew.-% Li, 5 bis 10 Gew.-% Fe und mindestens eines der Elemente Mo, V, Zr in einem Höchstgehalt von je 2 Gew.-%, wobei der totale Gehalt dieser 3 letzteren Elemente 4 Gew.-% nicht überschreitet.

[0019] Oder:

1,5 bis 4,5 Gew.-% Li, 4 bis 7 Gew.-% Fe und mindestens eines der Elemente Mn, Zr, Mo in einem Höchstgehalt von je 2 Gew.-%, wobei der totale Gehalt dieser 3 letzteren Elemente 4 Gew.-% nicht überschreitet.

[0020] Die Aluminiumlegierungen weisen einen verhältnismässig grossen Volumenanteil an Phasen - insbesondere intermetallische Verbindungen - auf, die sich bei konventionellen Herstellungsmethoden nicht erzeugen lassen. Diese, als Dispersoide wirkende Partikel sind hauptsächlich für die hervorragenden Eigenschaften der Legierungen verantwortlich. Im vorliegenden Fall sollen mindestens 15 Gew.-% der Phase Al₃Li und mindestens 2,6 Gew.-% der Phase Al₃Zr oder einer anderen intermetallischen Verbindung des Aluminiums mit Mo, V oder Mn als fein verteiltes Dispersoid von höchstens 0,l µm Partikeldurchmesser in der Legierung vorliegen.

Ansprüche

1. Aluminiumlegierung für die Herstellung von Pulver mit erhöhter Warmfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus 1,5 bis 5 Gew.-% Li, 4 bis 11 Gew.-% Fe sowie 1 bis 6 Gew.-% mindestens eines der Elemente Mo, V, Zr, Rest A1 oder aus 1,5 bis 5 Gew.-% Li, 4 bis 7 Gew.-% Cr sowie 1 bis 4 Gew.-% mindestens eines der Elemente V, Mn, Zr, Rest Al besteht.

2. Aluminiumlegierunq nach Anspruch 1, dadurch qekennzeichnet, dass sie 1,5 bis 4,5 Gew.-% Li, 5 bis 10 Gew.-% Fe und mindestens eines der Elemente Mo, V, Zr in einem Höchstgehalt von je 2 Gew.-% enthält, wobei der totale Gehalt dieser 3 letzteren Elemente 4 Gew.-% nicht überschreitet.

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2 Gew.-% Li, 8,5 Gew.-% Fe und 1 Gew.-% Zr enthält.

4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2,5 Gew.-% Li, 8 Gew.-% Fe und 1 Gew.-% Mo enthält.

5. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 1,5 bis 4,5 Gew.-% Li, 4 bis 7 Gew.-% Fe und mindestens eines der Elemente Mn, Zr, Mo in einem Höchstgehalt von je 2 Gew.-% enthält, wobei der totale Gehalt dieser 3 letzteren Elemente 4 Gew.-% nicht überschreitet.

6. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 3 Gew.-% Li, 5,5 Gew.-% Cr und 1 Gew.-% Zr enthält.

7. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens 15 Gew.-% der Phase Al₃Li und mindestens 2,6 Gew.-% der Phase Al₃Zr oder anderer intermetallischer Verbindungen des Al mit Mo, V, Mn als fein verteiltes Dispersoid von höchstens 0,1 µm Partikeldurchmesser enthält.