Verfahren zur Herstellung eines warmfesten, aus pulvermetallurgisch erzeugtem Halbzeug gefertigten Werkstücks mit hoher Querduktilität aus einer Aluminiumlegierung

Abstract

 Verfahren zur Herstellung eines warmfesten, aus pulvermetal­lurgisch erzeugtem Halbzeug gefertigten Werkstücks mit hoher Querduktilität aus einer Aluminiumlegierung, wobei Legierungs­pulver zunächst unter einem Druck von 1500 bis 5000 bar kalt isostatisch gepresst werden und der auf diese Weise erzeugte Pressbolzen (2) heiss nachverdichtet und zu einem Strang (7) mit rechteckförmigem Querschnitt stranggepresst wird. Reduk­tionsverhältnis mindestens 6 : 1. Vom Strang (7) wird ein prismatischer Stangenabschnitt (8) abgetrennt und ohne weitere Warmverformung lediglich durch mechanische Bearbeitung in das Endprodukt übergeführt, derart, dass die mechanischen Hauptbeanspruchungsrichtungen des Endproduktes in eine Ebene zu liegen kommen, die parallel zur Ebene liegt, die durch die Strangpressrichtung und die Längsachse des Querschnitts des Stranges (7) aufgespannt wird.

Beschreibung

Technisches Gebiet

[0001] Körper aus warmfesten 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, Cr und V.

[0002] Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von Form­körpern mit verbesserten mechanischen Eigenschaften aus­gehend von Aluminiumlegierungen.

[0003] Insbesondere betrifft sie ein Verfahren zur Herstellung eines warmfesten, aus pulvermetallurgisch erzeugtem Halb­zeug gefertigten Werkstücks mit hoher Querduktilität aus einer Aluminiumlegierung, wobei Legierungspulver der End­zusammensetzung oder eine Mischung von Vorlegierungspulvern zunächst unter einem Druck von 1500 bis 5000 bar kalt iso­statisch gepresst wird und der auf diese Weise erzeugte Pressbolzen im Rezipienten einer Strangpresse durch Heiss­pressen nachverdichtet und gleich anschliessend zu einem Halbzeug stranggepresst wird, und vom Halbzeug ein Stück zur weiteren Formgebung abgeschnitten wird.

Stand der Technik

[0004] Zum Stand der Technik wird folgende Literatur zitiert:
- "High-strength powder metallurgy aluminium alloys", edited by M.J. Koczak and G.J. Hildeman, TMS-AIME, 1982, p. 63-86: M. Rafalin, A. Lawley and M.J. Koczak, "Fatigue of high-strength powder metallurgy aluminium alloys".

[0005] Im genannten Dokument ist vor allem Fig. 1 zu beachten.

[0006] Die Herstellung von Werkstücken pulvermetallurgischer Ferti­gung erfolgt üblicherweise durch Stauchen eines Presskörpers oder eines Strangabschnitts in der Richtung der Hauptachse (meist Rotationsachse) und nachfolgendem Schmieden. Ver­gleiche auch die Figuren 1 bis 4 in diesem Schriftstück!

[0007] Dabei zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Verdichtungs­prozesses,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Strangpress­prozesses,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Stauchprozesses,

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines Schmiedepro­zesses mit fertigem Werkstück.

[0008] In Fig. 1 ist eine perspektivische Darstellung eines Ver­dichtungsprozesses wiedergegeben. Das Aluminiumlegierungs­pulver wird in einer Presse zu einem kompakten Körper 1 verdichtet. Die aussen aufgebrachten Druckkräfte sind durch Pfeile angedeutet Meistens werden derartige Körper 1 durch Heisspressen hergestellt und haben in der Regel zylindrische Form. Ein erster Verfahrensschritt kann jedoch auch in einem Kaltpressen oder kaltisostatischen Verdichten (nicht gezeich­net!) bestehen.

[0009] Fig. 2 bezieht sich auf eine perspektivische Darstellung eines Strangpressprozesses. Die von aussen wirkenden Druck­kräfte sind wieder durch Pfeile angedeutet, welche mit der Strangpressrichtung und der Längsachse des Körpers zusammen­fallen. 2 ist der zum Teil bereits verpresste Strangpress­bolzen mit der üblichen zylindrischen Form. 3 ist der daraus hervorgehende gepresst Strang mit in der Regel kreisförmigem Querschnitt. 4 stellt einen zylindrischen Stangenabschnitt dar.

[0010] In Fig. 3 ist eine perspektivische Darstellung eines Stauch­prozesses wiedergegeben. Der gestrichelt gezeichnete längliche zylindrische Stangenabschnitt 4 wird durch axiale Druck­kräfte (durch Pfeile angedeutet) zu einem geschmiedeten zylindrischen Rohling 5 in Form einer flachen Scheibe ver­formt.

[0011] Fig. 4 bezieht sich auf eine perspektivische Darstellung eines Schmiedeprozesses. Der nicht eingezeichnete Rohling 5 (Fig. 3) wird durch weitere Verfahrensschritte (Druck­kräfte durch gestrichelte Pfeile angedeutet) zu einem gesenk­geschmiedeten fertigen Rotationskörper 6 verformt.

[0012] Bei dieser Technik erfolgt die Verformung in allen Verfahrens­schritten praktisch einachsig, d.h. in Richtung der ursprüng­lichen Druckkräfte bei der ersten Verdichtung (Fig. 1) bzw. in Strangpressrichtung (Fig. 2). Das hat zur Folge, dass das fertige Werkstück stark anisotrop ausfällt und in den verschiedenen Richtungen stark unterschiedliche mechanische Eigenschaften hat. Pulvermetallurgisch hergestellte hoch­warmfeste Legierungen sind in der Regel schwierig zu verfor­men. Wegen ihrer geringen Duktilität bei der vergleichsweise niedrigen Schmiedetemperatur ist das Formfüllungsvermögen schlecht und die Rissanfälligkeit hoch. Verzichtet man auf den Schritt des Strangprozesses, ist die Verformung unge­nügend. Die Duktilität in allen Richtungen fällt sehr niedrig aus. Wird ein Schritt des Strangpressens eingeführt, so genügt zwar die Duktilität in Längsrichtung (Strangpress­richtung) den Anforderungen, quer zur Strangpressrichtung fällt sie jedoch sehr niedrig aus. Nun fällt aber bei Rota­tionskörpern die Hauptbeanspruchung im Betrieb ausgerechnet in die auf der Strangpress- und Stauchrichtung senkrecht stehende Ebene. Ausserdem variiert die Duktilität von Kern zu Rand beträchtlich. Der Körper verhält sich anisotrop, was seiner maximalen Ausnutzung im Betrieb hinderlich ist. Zwei Beispiele mögen dies demonstrieren:

Beispiel A zum Stand der Technik:

[0013] Als Ausgangsmaterial diente durch Zerstäubung gewonnenes Pulver einer Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung mit einer Partikelgrösse von bis 70 µm:
Fe = 8 Gew.-%
Zr = 2 Gew.-%
Al = Rest

[0014] Das Pulver wurde in eine Aluminium-Kapsel eingefüllt, durch Erhitzen unter Vakuum entgast und durch einachsiges Heiss­pressen in einer Form verdichtet. Die Aluminiumkapsel wurde mechanisch entfernt und das Werkstück durch Stauchen im Gesenk zu einer flachen pfannkuchenartigen Scheibe von 120 mm Druchmesser und 50 mm Höhe umgeschmiedet.

[0015] Aus der Scheibe wurden Probestücke herausgeschnitten und einer mechanischen Prüfung bei Raumtemperatur unterworfen.

[0016] Der Zugversuch erbrachte folgende Ergebnisse:

Streckgrenze in allen drei Richtungen:	425 MPa
Dehnung axial, Kern (Zentrum):	0 %
Dehnung axial, Kern (Umfang):	2,5 %
Dehnung radial, Kern:	1 %
Dehnung radial, Rand:	4 %
Dehnung tangential, Kern:	2,5 %
Dehnung tangential, Rand:	5 %

[0017] Die Dehnungswerte im Kern sind in allen drei Richtungen ungenügend, was umso schwerer wiegt, als das Zentrum eines Rotationskörpers bei drehender Bewegung im Betrieb bekanntlich am höchsten beansprucht wird.

Beispiel B zum Stand der Technik:

[0018] Als Ausgangsmaterial diente durch Zerstäubung gewonnenes Pulver einer Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung mit einer Partikelgrösse von bis 70 µm: Fe = 8 Gew.-%
Zr = 2 Gew.-%
Mo = 1 Gew.-%
Al = Rest

[0019] Das Pulver wurde gemäss Beispiel A in eine Aluminiumkapsel abgefüllt und unter Vakuum heiss gepresst. Das Werkstück wurde als Pressbolzen in eine Strangpresse eingesetzt und mit einem Reduktionsverhältnis von 10:1 zu einer Stange verpresst. Ein Stangenabschnitt wurde im Gesenk zu einer pfannkuchenartigen Scheibe von 100 mm Durchmesser und 45 mm Höhe umgeschmiedet.

[0020] Die aus der Scheibe herausgeschnittenen Zugproben ergaben bei Raumtemperatur folgende Werte:

Streckgrenze in allen drei Richtungen:	410 MPa
Dehnung axial, Kern:	1 %
Dehnung axial, Rand:	4 %
Dehnung, radial, Kern:	1,5 %
Dehnung radial, Rand:	6 %
Dehnung tangential, Kern:	2 %
Dehnung tangential, Rand:	8 %

[0021] Die Dehnungswerte im Kern sind in allen drei Richtungen immer noch schlecht. Lediglich am Rand genügt die Duktili­tät den Anforderungen.

Darstellung der Erfindung

[0022] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines warmfesten Werkstücks aus einer Alu­miniumlegierung pulvermetallurgischer Fertigung anzugeben, wobei das Werkstück eine hohe Querduktilität und möglichst gleichmässige Festigkeitseigenschaften in allen drei Haupt­richtungen aufweisen soll. Dabei soll die im Zugversuch als Dehnung gemessene Duktilität in der Hauptspannungsebene (Ebene der Hauptbeanspruchungsrichtungen im Betrieb) minde­stens 5 % betragen. Das Verfahren soll womöglich ohne die heiklen, in Anbetracht der Rissanfälligkeit des Werkstoffs kritischen Schmiedeoperationen auskommen.

[0023] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass im eingangs erwähn­ten Verfahren als Halbzeug ein Strang mit rechteckförmigem Querschnitt unter Wahrung eines Reduktionsverhältnisses von mindestens 6:1 gepresst wird, von dem ein scheibenförmiger prismatischer Stangenabschnitt ohne weitere Warmverformung lediglich durch mechanische Bearbeitung in das Endprodukt übergeführt wird, wobei darauf geachtet wird, dass die mecha­nischen Hauptbeanspruchungsrichtungen des Endproduktes in eine Ebene zu liegen kommen, die parallel zur Ebene liegt, die durch die Strangpressrichtung und die Längsachse des Querschnitts des Stranges aufgespannt wird.

Weg zur Ausführung der Erfindung

[0024] Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiele beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung eines Verdichtungs­prozesses,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung eines Strangpress­prozesses,

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer mechanischen Grobbearbeitung (Schruppen),

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer mechanischen Feinbearbeitung (Schlichten).

[0025] In Fig. 5 ist eine perspektivische Darstellung eines Ver­dichtungsprozesses wiedergegeben. Zunächst erfolgt die Kalt- und/oder Heissverdichtung des Aluminiumlegierungspulvers in einer Presse zu einem kompakten Körper 1. Die Druckkräfte sind durch Pfeile angedeutet. Die Verdichtung wird in der Regel unter Vakuum und meist in einer dünnwandigen Aluminium­kapsel als Ummantelung vorgenommen.

[0026] Fig. 6 bezieht sich auf eine perspektivische Darstellung eines Strangpressprozesses. Die Druckkräfte sind durch Pfeile angedeutet. Ihre Richtung fällt mit der Längsachse des Strangs und der Strangpressrichtung zusammen. Der Strangpressbolzen 2 ist zum Teil schon verpresst. 7 ist der gepresste Strang mit rechteckförmigem Querschnitt, 8 ein prismatischer Stangen­abschnitt des Stranges 7.

[0027] Fig. 7 zeigt eine perspektivische Darstellung einer mecha­nischen Grobbearbeitung (Schruppen). Der prismatische Stangen­abschnitt 8 ist durch gestrichelte Linien angedeutet.

[0028] Der Stangenabschnitt 8 wird mit dem mechanischen Bearbei­tungswerkszeug 9 einem ersten Formgebungsschritt (dargestellt durch Drehen) unterzogen. Dabei wird die Bearbeitung so vorgenommen, dass die Achse beim Drehvorgang senkrecht auf der Strangpressrichtung steht: Radialebene parallel zur Haupt-Symmetrieebene (Ebene der grössten Fläche des Prismas) des Stangenabschnittes 8. Auf diese Weise entsteht zunächst ein mechanisch bearbeiteter zylindrischer Rohling 10.

[0029] In Fig. 8 ist eine perspektivische Darstellung einer mecha­nischen Feinbearbeitung (Schlichten) wiedergegeben. Das mechanische Bearbeitungswerkzeug 9 (im vorliegenden Fall ein Drehstahl) gibt dem Rohling (10 in fig. 7) die endgültige Form. 11 ist der durch mechanisches Bearbeiten (Schlichten) hergestellte fertige abgesetzte Rotationskörper.

Ausführungsbeispiel 1:

[0030] Siehe Figuren 5 bis 8!
Aus einer warmfesten Aluminiumlegierung wurde ein rotations­symmetrisches Werkstück für einen Verdichter hergestellt. Die Aluminiumlegierung hatte folgende Zusammensetzung:
Fe = 8 Gew.-%
Zr = 1 Gew.-%
Al = Rest

[0031] Die Legierung wurde erschmolzen und zu Pulver mit einer Korngrösse von 5 bis 70 µm zerstäubt. Das Pulver wurde in einen Gummischlauch abgefüllt, entgast und unter einem Druck von 3000 bar isostatisch verdichtet. Der kaltverdichtete Presskörper 1 hatte einen Durchmesser von 380 mm und eine Höhe von 500 mm. Er wurde unter einem Druck von 4000 bar heiss nachverdichtet und daraufhin als Strangpressbolzen 2 verwendet. Es wurde ein gepresster Strang 7 mit rechteck­förmigem Querschnitt (Breite = 160 mm; Höhe = 80 mm) herge­stellt. Das Reduktionsverhältnis betrug ca. 9:1. Aus dem Strang 7 wurde ein prismatischer Stangenabschnitt 8 von 160 mm Länge herausgeschnitten. Daraus wurde zunächst durch Schruppen mit dem mechanischen Bearbeitungswerkzeug 9 ein zylindrischer Rohling 10 und dann durch Schlichten ein ferti­ger, abgesetzter Rotationskörper 11 hergestellt. Es ergaben sich die nachfolgenden, an Zugproben bei Raumtem­peratur festgestellten mechanischen Werte:

Streckgrenze in allen drei Richtungen:	415 MPa
Dehnung axial (senkrecht zur Strangpressrichtung und senkrecht zur Hauptebene des Strangs):	3 %
Dehnung radial (senkrecht zur Strangpressrichtung und in der Hauptebene des Strangs):	6 %
Dehnung radial (parallel zur Strangpressrichtung):	8 %
Dehnung tangential (parallel zur Strangpressrichtung):	8 %
Dehnung tangential (senkrecht zur Strangpressrichtung und in der Hauptebene des Strangs):	6 %

[0032] Es konnte kein Unterschied der Duktilität zwischen Kern und Rand des Rotationskörpers 11 festgestellt werden. Die für den Betrieb massgebenen Duktilitätswerte des Kerns für radiale wie für tangentiale Richtung bewegen sich somit im Bereich von 6 bis 8 %.

Ausführungsbeispiel 2:

[0033] Siehe Figuren 5 bis 8!
Aus einer warmfesten Aluminiumlegierung wurde ein rotations­symmetrisches Werkstück für eine thermische Maschine ge­fertigt. Die Aluminiumlegierung hatte folgende Zusammen­setzung:
Fe = 10 Gew.-%
Mo = 2 Gew.-%
Al = Rest

[0034] Die Legierung wurde erschmolzen und zu Pulver mit einer Partikelgrösse von 4 bis 65 µm zerstäubt. Das Pulver wurde in eine dünnwandige Kapsel aus weichem Aluminium von 275 mm Durchmesser und 300 mm Höhe abgefüllt und ohne zu entgasen durch einachsigen Druck zu einem Presskörper 1 heiss ver­dichtet. Danach wurde die Aluminiumkapsel durch Abdrehen mechanisch entfernt und der Körper als Pressbolzen 2 in eine Strangpresse von 280 mm Rezipientdurchmesser einge­setzt und zu einem Strang 7 von rechteckförmigem Querschnitt (Breite = 120 mm; Höhe = 50 mm) verpresst. Das Reduktions­verhältnis betrug 10:1. Aus dem Strang 7 wurde ein pris­matischer Stangenabschnitt 8 von 120 mm Länge herausgeschnit­ten und daraus gemäss Beispiel 1 ein Rohling 10 und schliess­lich ein fertiger Rotationskörper 11 hergestellt. Die bei Raumtemperatur durchgeführten Zugversuche ergaben folgendes Bild:

Streckgrenze in allen drei Richtungen:	420 MPa
Zugfestigkeit in allen drei Richtungen:	470 MPa
Dehnung senkrecht zur Strangpressrichtung und senkrecht zur Hauptebene des Strangs:	3 %
Dehnung senkrecht zur Strangpressrichtung und in der Hauptebene des Strangs:	9 %
Dehnung parallel zur Strangpressrichtung:	15 %

[0035] Die Duktilität war im Kern wie im Randgebiet des Werkstücks praktisch gleich gross. Die für den Betrieb massgebenden Duktilitätswerte in der Hauptebene (Radialebene) des Ro­tationskörpers 11 fielen somit in den Bereich von 9 bis 15 % und sind für derartige Werkstoffe als hervorragend zu klassifizieren.

[0036] Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele be­schränkt. Prinzipiell lässt sie sich auf jede pulvermetallur­gisch erzeugte warmfeste Aluminiumlegierung anwenden. Legierungspulver der Endzusammensetzung oder eine Mischung von Vorlegierungspulvern werden zunächst unter einem Druck von 1500 bis 5000 bar kalt isostatisch gepresst und der auf diese Weise erzeugte Pressbolzen (2) im Rezipienten einer Strangpresse durch Heisspressen nachverdichtet und anschliessend zu einem Halbzeug stranggepresst. Dann wird vom Halbzeug ein Stück zur weiteren Formgebung abgeschnitten. Als Halbzeug wird ein Strang (7) mit rechteckförmigem Quer­schnitt unter Wahrung eines Reduktionsverhältnisses von mindestens 6:1 gepresst, von dem ein scheibenförmiger prisma­tischer Stangenabschnitt (8) abgetrennt und ohne weitere Warmverformung lediglich durch mechanische Bearbeitung in das Endprodukt übergeführt. Es wird darauf geachtet, dass die mechanischen Hauptbeanspruchungsrichtungen des Endpro­duktes in eine Ebene zu liegen kommen, die parallel zur Ebene liegt, die durch die Strangpressrichtung und die Längs­achse des Querschnitts des Stranges (7) aufgespannt wird.

[0037] Der Vorteil des Verfahrens liegt vor allem in einer beträcht­lichen Erhöhung der Duktilität in der Ebene, in die die Hauptbeanspruchung im Betrieb fällt.

Ansprüche

Verfahren zur Herstellung eines warmfesten, aus pulvermetal­lurgisch erzeugtem Halbzeug gefertigten Werkstücks mit hoher Querduktilität aus einer Aluminiumlegierung, wobei Legierungs­pulver der Endzusammensetzung oder eine Mischung von Vor­legierungspulvern zunächst unter einem Druck von 1500 bis 5000 bar kalt isostatisch gepresst wird und der auf diese Weise erzeugte Pressbolzen (2) im Rezipienten einer Strang­presse durch Heisspressen nachverdichtet und gleich anschlies­send zu einem Halbzeug stranggepresst wird, und vom Halb­zeug ein Stück zur weiteren Formgebung abgeschnitten wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Halbzeug ein Strang (7) mit rechteckförmigem Querschnitt unter Wahrung eines Reduk­tionsverhältnisses von mindestens 6:1 gepresst wird, von dem ein scheibenförmiger prismatischer Stangenabschnitt (8) abgetrennt und ohne weitere Warmverformung lediglich durch mechanische Bearbeitung in das Endprodukt übergeführt wird, wobei darauf geachtet wird, dass die mechanischen Hauptbeanspruchungsrichtungen des Endproduktes in eine Ebene zu liegen kommen, die parallel zur Ebene liegt, die durch die Strangpressrichtung und die Längsachse des Querschnitts des Stranges (7) aufgespannt wird.

Zeichnung