Pulvermetallurgische Herstellung eines Werkstücks aus einer warmfesten Aluminiumlegierung

Beschreibung

Technisches Gebiet:

[0001] Warmfeste Aluminiumlegierungen, welche aus mit hoher Abkühlungsgeschwindigkeit durch Zerstäuben einer Schmelze gewonnenen Pulvern hergestellt werden. Hoher Gehalt an unter sonst üblichen Erstarrungsbedingungen nicht zu­lässigen Legierungsbestandteilen wie z.B. Fe und Cr.

[0002] Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Alumi­niumlegierungspulvern und die Herstellung von Formkörpern aus diesen Pulvern.

[0003] Insbesondere betrifft sie die pulvermetallurgische Her­stellung eines Werkstücks aus einer warmfesten Alumini­umlegierung des Typs Al/Fe/X mit 5 bis 15 Gew.-% Fe, wobei X für das Element V und/oder Mn steht. (Vergl. GB-PS 2 088 409 A).

Stand der Technik:

[0004] Aluminiumlegierungen, welche sich für die Erzeugung von Pulvern aus Schmelzen mittels Gasstrahlzerstäubung unter Anwendung sehr hoher Abkühlungsgeschwindigkeiten (10⁵ °C/s und mehr) eignen und für die Herstellung warmfester Werk­stücke verwenden lassen, sind in zahlreichen Variationen bekannt geworden. Eine bedeutende Gruppe stellen die poly­nären, meist relativ hohe Eisengehalte aufweisenden Legie­rungen des Typs Al/Fe/X dar, wobei X mindestens eines der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, bedeutet. Dabei nimmt offenbar eine Legierung mit 8 Gew.-% Fe und 2 Gew.-% Mo eine Sonderstellung ein (Vergl. GB-PS 2 088 409 A).

[0005] Es wird ganz allgemein versucht, bei diesen Aluminiumle­gierungen Ausscheidungs- und/oder Dispersionshärtung auf­einander abzustimmen und zu optimieren. Dabei spielen binäre und ternäre intermetallische Verbindungen eine wesentliche Rolle. In diesem Zusammenhang wird oft auf die intermetallische Verbindung Al₃Fe als wichtige kon­stituierende Phase und auf ein im Pulverkorn bei hoher Abkühlungsgeschwindigkeit gebildetes Mikro-Eutektikum hingewiesen (Vergl. C.M. Adam and R.G. Bourdeau in: R. Mehrabian et al, eds., Rapid Solidification Processing, Batou Rouge, 1980, p. 246; C.M. Adam in: B.H. Kear et al, eds., "Rapidly Solidified Amorphous and Crystalline Alloys", 1982; W.J. Boettinger, L. Bendersky, J.G. Early, submitted to Met. Trans A (1985) und M.J. Couper and R.F. Singer in: M. Koczak and G. Hildeman (eds.), Conference procee­dings, High Strength PM Aluminium Alloys, 1985, in Press.).

[0006] Die Eigenschaften der bekannten Legierungen und der da­raus nach pulvermetallurgischen Methoden erzeugten Press- ­und Formkörper lassen noch zu wünschen übrig. Insbeson­dere ist die Zähigkeit und die Duktilität derartiger Werk­stücke für viele Verwendungen ungenügend.

[0007] Es besteht daher ein grosses Bedürfnis, bekannte Legie­ rungen weiterhin zu verbessern und die Herstellungsmetho­den für Fertigerzeugnisse zu verfeinern.

Darstellung der Erfindung:

[0008] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Werkstücks aus einer warmfesten Aluminiumlegierung unter Berück­sichtigung optimaler Legierungszusammensetzung und An­passung der Verfahrensschritte anzugeben, welches zu zäheren und duktileren Fertigerzeugnissen ohne Einbusse an Festigkeit führt. Dabei sollen bei der Pulverherstel­lung auch bei höheren Temperaturen stabile Phasen erzielt werden, welche - unabhängig von der Partikelgrösse - über das ganze Pulverkorn homogen verteilt sind und ihm eine hohe Verformbarkeit verleihen.

[0009] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beim eingangs erwähnten Verfahren eine Legierung gewählt wird, die 8 bis 14 Gew.-% Fe, 0,5 bis 2 Gew.-% V und 0,2 bis 1 Gew.-% Mn enthält, wobei die Legierung erschmolzen, die Schmelze unter einer Abkühlungsgeschwindigkeit von min­destens 10⁵ °C/s in einem Gasstrom zu Partikeln mit einem Durchmesser von 1 bis 40 µm zerstäubt wird, wobei die dabei gebildeten Dispersoide homogen verteilt und keine mikro-eutektische Zone innerhalb eines Pulverpartikels vorhanden ist, und dass das Pulver bei einer Temperatur von 350 bis 450°C unter einem Druck von 2000 bis 6000 bar dergestalt verdichtet wird, dass die intermetalli­sche, durch Mn stabilisierte Phase Al₆Fe in feiner Ver­teilung gebildet und die Phase Al₃Fe weitgehend unter­drückt wird.

Weg zur Ausführung der Erfindung:

[0010] Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungs­beispiels erläutert.

Ausführungsbeispiel:

[0011] Es wurde eine Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung erschmolzen:

Fe = 10 Gew.-%
V = 1 Gew.-%
Mn = 0,5 Gew.-%
Al = Rest

[0012] Die Schmelze wurde in einer Vorrichtung mittels eines Gasstromes (Stickstoff) unter Wahrung einer Abkühlungs­geschwindigkeit von mindestens 10⁵ °C/s zu einem Pulver zuerstäubt. Der mittlere Partikeldurchmesser betrug ca. 20 µm, der maximale ca. 40 µm. Die Struktur der Partikel war durch eine gleichmässige Verteilung der Dispersoide gekennzeichnet, während das sonst bei herkömmlichen Legie­rungen auftretende störende Mikro-Eutektikum fehlte.

[0013] Ca. 160 g des Pulvers wurden durch Heisspressen in einer Form unter einem Druck von 3000 bar bei einer Temperatur von 400°C zu einem Pressbolzen von ca. 99 % theoretischer Dichte verdichtet. Die Aufheizzeit in der Form betrug dabei ca. 45 min. Der Pressbolzen hatte einen Durchmesser von 40 mm und eine Höhe von 60 mm. Dieser Pressbolzen wurde in den Zylinder einer Strangpresse eingesetzt und unter einem Druck von 5000 bar bei einer Temperatur von 400°C zu einer Stange von 13 mm Durchmesser verpresst. Das Reduktionsverhältnis betrug ca. 9:1.

[0014] Aus der Stange wurden Probestücke herausgeschnitten und die mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und bei 300°C gemessen. Die Streckgrenze bei Raumtemperatur betrug 450 MPa. Eine metallographische Untersuchung er­gab das Vorhandensein beträchtlicher Volumenanteile der Phase Al₆Fe während praktisch kein Al₃Fe festgestellt werden konnte. Ferner waren keine nicht-deformierten, Al₃Fe enthaltenden Pulverpartikel im verdichteten Mate­rial vorhanden.

[0015] Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel be­schränkt. Die Aluminiumlegierung kann grundsätzlich fol­gende Zusammensetzung haben:

Fe = 8 bis 14 Gew.-%
(vorzugsweise 10 bis 14 Gew.-%)
V = 0,5 bis 2 Gew.-%
Mn = 0,2 bis 1 Gew.-%
Al = Rest.

[0016] Die Abkühlungsgeschwindigkeit bei der Pulverherstellung soll mindestens 10⁵ °C/s betragen. Der Partikeldurch­messer des durch Gasstrahl-Zerstäubung hergestellten Pulvers soll sich innerhalb der Grenzen 1 bis 40 µm be­wegen. Die Verdichtung des Pulvers kann bei Temperatu­ren zwischen 350 und 450°C unter Drücken von 2000 bis 6000 bar erfolgen. Bevorzugte Werte sind 400°C für die Pulververdichtung.

[0017] Weitere vorteilhafte Legierungszusammensetzungen sind:

Fe = 10 bis 12 Gew.-%
V = 1 Gew.-%
Mn = 0,4 bis 1,0 Gew.-%
Al = Rest,

oder:

Fe = 12 Gew.-%
V = 1,5 Gew.-%
Mn =1,0 Gew.-%
Al = Rest.

Ansprüche

1. Pulvermetallurgische Herstellung eines Werkstücks aus einer warmfesten Aluminiumlegierung des Typs Al/­Fe/X mit 5 bis 15 Gew.-% Fe, wobei X für das Element V und/oder Mn steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 8 bis 14 Gew.-% Fe, 0,5 bis 2 Gew.-% V und 0,2 bis 1 Gew.-% Mn enthält, wobei die Legierung erschmolzen, die Schmelze unter einer Abkühlungsge­schwindigkeit von mindestens 10⁵ °C/s in einem Gasstrom zu Partikeln mit einem Durchmesser von 1 bis 40 µm zerstäubt wird, wobei die dabei gebildeten Dispersoide homogen verteilt und keine mikro-eutektische Zone innerhalb eines Pulverpartikels vorhanden ist, und dass das Pulver bei einer Temperatur von 350 bis 450°C unter einem Druck von 1000 bis 5000 bar dergestalt verdichtet wird, dass die intermetallische, durch Mn stabilisierte Phase Al₆Fe in feiner Verteilung gebildet und die Phase Al₃Fe weitgehend unterdrückt wird.

2. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung einen Fe-Gehalt von 10 bis 14 Gew.-% aufweist.

3. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Pulver­verdichtung 400°C beträgt.

4. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung folgende Zusammen­setzung aufweist:

Fe = 10 bis 12 Gew.-%
V = 1 Gew.-%
Mn = 0,4 bis 1,0 Gew.-%
Al = Rest.

5. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:

Fe = 10 Gew.-%
V = 1 Gew.-%
Mn = 0,5 Gew.-%
Al = Rest

6. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung folgende Zusammen­setzung aufweist:

Fe = 12 Gew.-% V = 1,5 Gew.-%
Mn = 1,0 Gew.-%
Al = Rest.