DE1817499A1

DE1817499A1 - Aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE1817499A1
Application number: DE19681817499
Authority: DE
Inventors: Howard Jones
Original assignee: TI Group Services Ltd
Current assignee: TI Group Services Ltd
Priority date: 1967-12-30
Filing date: 1968-12-30
Publication date: 1969-08-14
Also published as: US3625677A; FR1599990A; CH510126A; GB1192030A

Description

Aluminiumle g i e rungen

Die Erfindung betrifft eine Reihe von Aluminiumlegierungen und deren Herstellungsverfahren. Die Legierungen sind hauptsächlich "binär, wobei der geringere Bestandteil Eisen darstellt; jedoch kann, abgesehen von Verunreinigungen, ein dritter Bestandteil oder sogar mehr Bestandteile vorhanden sein, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Der zweite Bestandteil kann statt aus Eisen aus anderen Elementen bestehen, die eine ähnliche Wirkung haben, was weiter unten erläutert wird.

Frühere Untersuchungen umfaßten einen weiten Bereich von Eisen-Aluminium-Legierungen, und zwar sowohl welche mit überwiegendem Eisengehalt, als auch welche mit überwiegendem Aluminiumgehalt.- Eine der untersuchten Legierungen wies 7,6 Gew.tfa Eisen auf, der Rest war Aluminium. Towner hat gezeigt (Metal Progress 1958 Band 73(5), Seite 70 ff), daß bestimmte, aus feinstverteiltem Legierungspulver hergestellte Legierungen aus Aluminium und Übergangsmetallen ihre Festigkeit bis zu 400⁰O beibehalten können, wobei die Dehnbarkeit mit ansteigender Temperatur wächst. Die Festigkeit war von der Verteilung der davon erhaltenen harten, intermetallischen Partikeln innerhalb jedes zerstäubten Tropfens abhängig, gesehen in einem Maßstab unter 1 Mikron· Die·im Vergleich zu auf übliche Weise vergüteten Aluminiumlegierungen erhöhte Widerstandsfähigkeit wurde der geringen Löslichkeit und dem niedrigen Diffusionskoeffi-

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zienten von Eisen und bestimmten anderen Übergangsmetallen in Aluminium zugeschrieben, was eine Grobkörnigkeit von ausgefällten intermetallischen Partikeln verhindert, und außerdem den charakteristisch hohen Erweichungstemperaturen von aus Aluminium und Übergangsmetall bestehenden Verbindungen im allgemeinen. Es wurde erkannt, daß die Verfeinerung der intermetallischen Dispersion von einer starken Abkühlung und von einer schnellen Erstarrung abhängig war, was durch Luft erzielt wurde, welche die zerstäubten Partikeln abschreckte.

Die rasche Abkühlung von Aluminiumlegierungen ist bereits untersucht worden ("Aluminium" 31 Jahrg. 1955 No. 2, Seiten 51 bis 55), einschließlich von Aluminium-Eisen-Legierungen über einen Bereich von 1 bis 7 % Eisen, ohne irgendwelche unerwarteten Strukturen zu finden.

Das Ziel der Erfindung ist es, eine weitere Verbesserung in den Eigenschaften solcher Aluminiumlegierungen zu erreichen. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, eine verbesserte Eigenschaften aufweisende aluminiumreiche Legierung aus Aluminium und Eisen oder einem anderen Übergangselement durch äußerst rasches Abkühlen vom Flüssigzustand herzustellen, wobei die Abkühlung mit einer Geschwindigkeit erfolgt, die bisher bei solchen Legierungen nicht angewandt wurde« Erfindungsgemäße Experimente haben gezeigt, daß, vorausgesetzt daß die Geschwindigkeit der Abkühlung oder Erstarrung über einem kritischen Wert gehalten wird, die entstehende Struktur ganz anders und deutlich unterscheidbar von derjenigen ist, welche durch eine normal schnelle Abkühlung erhalten wird.

Der Mindestwert der kritischen Abkühlungsgeschwindigkeit, der zur Erzielung der neuartigen Struktur erforderlich ist, kann nicht quantitativ definiert werden, weil ea einmal schwierig ist, die hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten unter Erfassung jeden Grades genau zu messen und weil zum anderen der

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kritische Wert auf jeden Fall von der Natur des Übergangselementes der Legierung und von dem Anteil dieser Komponente abhängt. Jedoch kann mit berechtigter Sicherheit gesagt wer-

den, daß die Abkühlungsgeschwindigkeit einen Wert von 10 bis 10 C pro Sekunde übersteigen muß. Die beste Methode, um festzustellen, ob die gewünschte Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht wurde, ist die Prüfung des entstehenden Materials. Die erfindungsgemäß gebildete feinere und härtere Kornstruktur ist mit dem Mikroskop von einem normal abgeschreckten Material leicht unterscheidbar.

Die erforderliche, äußerst große Abkühlungsgeschwindigkeit vom Flüssigzustand kann am besten durch Anwendung der bekannten Technik des "splaf'-Abkühlens erreicht werden, was weiter unten beschrieben wird.

Die Erfindung sei anhand der Figuren beispielsweise näher erläutert.

Fig. 1 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Härte und der Zusammensetzung der verschiedenen Strukturen zeigt, die durch schnelles Abschrecken und im Vergleich dazu durch Hartguß erreicht werden.

Fig. 2 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich für die verschiedenen Zonen die Härte mit der Aushärte- bzw. Anlaß~ temperatur ändert.

Wie oben angegeben wurde, liegt der Kern der Erfindung in der Abkühlung bestimmter Materialien mit solch einer ungewöhnlich großen Abkühlungsgeschwindigkeit, daß eine neue und bisher unerreichte feste Struktur erhalten wird, welche die gewünschten Eigenschaften aufweist. Die Materialien sind Aluminiumlegierungen, die hauptsächlich Aluminiu_m enthalten mit einem begrenzten Prozentsatz eines Übergangsmetalles, d.h. eines Me-

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talles, das von einem der Übergangselemente des periodischen Systems gebildet wird, wobei dieses Material durch eine sehr geringe feste löslichkeit in Aluminium gekennzeichnet ist. Die erste Wahl fällt auf Eisen, dessen maximale feste Löslichkeit 'in Aluminium ungefähr 0,05 °/o beträgt. Es können auch Kobalt und Nickel verwendet werden und andere Metalle, wie Zirkonium, Niobium, Molybdän, Tantal und Y/olfram. Die notwendige, ungewöhnlich hohe Abkühlungsgeschwindigkeit kann durch bekannte oder noch nicht bekannte Methoden erzielt werden.

Die am meisten bekannte Methode, mit welcher die Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht werden kann, ist das sogenannte "splaf'-Abkühlen, wobei das geschmolzene Material in kleinen Mengen von der Größenordnung weniger Milligramm mit hoher Geschwindigkeit schräg gegen eine kalte Oberfläche guter thermischer Leitfähigkeit geschleudert wird. Ein solches Verfahren ist auf den Seiten 362 bis 364 des Bandes 227 (April 1963) der Fachzeitschrift "Transactions of Metallurgical Society of AIME" beschrieben. Dieses Verfahren steht weiterhin zur Diskussion und eine Abänderung davon wurde auf den Seiten 1581 bis 1586 des Bandes 233 (August 1965) der gleichen Druckschrift veröffentlicht. Dabei wird durch eine Druckwelle, die durch das plötzliche Platzen einer unter Gasdruck stehenden Membran erzeugt wird^oder durch die Anwendung von Sprengstoff eine Masseneinheit des geschmolzenen Materials fast tangential gegen einen konkaven Kupferstreifen geschleudert, so daß das Material gegen den Streifen schlägt und sich in Form eines Belages darüber hinweg verteilt, der sehr dünn ist (von unter 1 Mikron bis 50 Mikron dick) und der rasch durch Wärmeableitung an das Kupfer gekühlt wird. Durch eine solche Verfahrensweise ist eine Abkühlungsgeschwindigkeit his zu 10 C pro Sekunde erzielbar. Eine kontinuierliche, für eine wirtschaftliche Verwendung geeignetere Verfahrensweise besteht darin, geschmolzenes Material durch Gasdruck nach unten durch eine kapillare Öffnung im Boden eines stationären Reservoirs zu zwingen, von wo es in einen

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kleinen Schmelztiegel fällt, der sich schnell um seine vertikale Achse dreht. Das geschmolzene Material wird zentrifugal vom Rand des Schmelztiegels auf eine umgehende, gekühlte zylindrische Kupferwand geschleudert, auf die es im flüssigen Zustand aufschlägt. Die Blättchen von rasch festgewordenem .Material, die sich an dieser Wand bilden, fallen durch die Schwerkraft nach unten und werden am Fuß der Kupferwand ge-.sammelt. Andere kontinuierliche Verfahrensweisen zur Erzielung des gleichen Ergebnisses betreffen andere Sprühmethoden einer · flüssigen legierung auf ein stationäres oder sich bewegendes Substrat» Dabei kann eine konventionelle oder auch eine Plasmabrenner-Zerstäubung Anwendung finden, wobei gewährleistet sein muß, daß das geschmolzene Material nicht vor dem Aufprall auf das Substrat erstarrt. Das Substrat kann die Form eines sich drehenden Rades oder einer Trommel oder eines sich bewegenden Bandes haben und wird normalerweise kontinuierlich gekühlt.

Eine andere mögliche Verfahrensweise, die dem "splat"-Verfahren ähnlich ist, ist in der britischen Patentschrift Ir. 1 067 657 (Deutsche Pat.-Anm. B 81 854 VIa/4-Ob) beschrieben, wobei das Metall in geschmolzenem Zustand suspendiert wird und dann plötzlich zwischen zwei konvergierenden ebenen Metallplatten thermisch hoher Leitfähigkeit eingeleitet und niedergeschlagen wird."

Obwohl diese Techniken an sich bekannt sind, wurden sie bisher nicht zur Erzielung der Struktur der erfindungsgemäßen Legierung verwendet, die sich durch einen viel größeren Härtegrad auszeichnet als Materialien derselben Zusammensetzung .

Ein anderer leg zur Erreichung der gewünschten Struktur durch rasches Abkühlen vom I'lüssigzuatand ist der, einen Laserstrahl oder di© Kapazitätsentladung von einer Punktelektrode

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zu verwenden, um in einem sehr kleinen Bereich (beispielsweise 1 mm ) in der Oberfläche eines aus dem Material bestehenden Körpers ein lokales Schmelzen zu erzeugen. Die Hitze wird nur eine kurze Zeit von der Größenordnung einer Millisekunde aufrechterhalten und nach Abstellung der Hitzezufuhr kühlt sich das eingeschmolzene Loch des Materiales rasch durch Wärmeableitung in den Rest des Körpers ab. Die Rechnungen und Messungen ergeben, daß auf diese Weise eine Abkühlungsgeschwindigkeit erreichbar ist, die größer als 10 ⁰C pro Sekunde ist; es ist jedoch schwierig, eine solche Methode zu einem kontinuierlichen, wirtschaftlich interessanten Verfahren zu entwickeln.

Sowohl beim "splat"-Abkünlungsverfahren als auch beim FLüssiglochverfahren kann eine mikroskopische Prüfung von geätzten Abschnitten, die aus Ebenen parallel zur Richtung der Wärmeabfuhr während des Abkühlens genommen wurden, zeigen, daß sich ein Teil des geschmolzenen Materials mit einer genug grossen Geschwindigkeit abgekühlt hat und die gewünschte Struktur aufweist und ein Teil aber nicht. Im allgemeinen zeigen jene Teile des geschmolzenen Körpers, die der kalten Oberfläche am nächsten gelegen sind,mit mehr Wahrscheinlichkeit die angestrebte Struktur wie die mehr entfernteren Teile; jedoch kann die gewünschte Struktur lokal auch an der exponierten Oberfläche auftreten. So kann beim "splat"-Abkühlungsverfahren der Belag zwei typische Hauptschichten aufweisen; jedoch kann die eine oder andere Schicht unter besonderen Umständen fehlen. Diese Schichten sind durch Ätzen eines polierten Schnittes mit beispielsweise Keller's Reagenz ohne weiteres erkennbar, welche die Bereiche mit den gewünschten Strukturen relativ unberührt läßt und die anderen Flächen aber deutlich dunkel macht. Keine Struktur wird durch optische Mikroskopie vollständig aufgelöst bzw. analysiert, die gewünschte Struktur überhaupt nicht. Zur Gewährleistung der Herstellung nur der gewünschten Struktur müf3te man die Geschwindigkeit der Wärmeabfuhr vergrößern (ein aus Argon oder einem anderen Inertgas bestehender Gebläsewind unmittelbar beim Aufprall des geschmolzenen Materials kann hier

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helfen) oder man müßte den Niederschlag eines dünneren Belages bewerkstelligen. Man nimmt an, daß das "splat"-Verfahren im geschmolzenen Tropfen beim Aufprall einen beträchtlichen Druckstoß oder eine Druckwelle erzeugt? man ist aber nicht überzeugt, daß dies zur Bildung der gewünschten Struktur beiträgt.

Die erfindungsgemäße Struktur ist natürlich eine ITicht-Gleichgewicht-Struktur und unterscheidet sich von der nur durch mäßig schnelle Abkühlung erreichbare Struktur (auch eine Hicht-Gleichgewicht-Struktur) nicht nur durch ihre begrenzte Reaktion auf das Ätzen, sondern auch durch ihre verbesserten Eigenschaften, insbesondere durch ihre Härte? es besteht auch ein Unterschied im Röntgenstrahlen-Pulvermuster und die Elektronenmikroskopie zeigt ein viel feineres Ausmaß der erfindungsgemäßen Struktur. Bei einem Vergleich von Versuchsproben der zwei Strukturen, die durch Ätzen einer Aluminiumlegierung mit 8 Gew„$ Eisen erhalten wurden^ wurde gefunden, daß die durch übliches Abschrecken erhaltene Struktur- (Struktur oder Zone B genannt) eine durchschnittliche Härte von ungefähr 100 kg/mm aufwies, die gewünschte Struktur oder Zone A jedoch eine durchschnittliche Härte von 25G kg/mm , d.h. mehr als zweimal so groß. Das Röntgenstrahlen- Pulvermuster der Struktur B zeigte das Vorhandensein einer zweiten Phase, anscheinend Fe AIg, während das Ivfuster der Struktur A keine solche zweite Phase zeigte, aber asymmetrische Verbreiterungen oder Spaltungen der Reflexionen vom Aluminiumgitter, was einen Abbau bis zu 1 /» im Gitterparaneter anseilt. Die Prüfung von verdünnten Proben unter dem 31ektrone:uaikroskop zeigte ₉ daß die gewünschte Struktur A grundsätzlich dendritisch ist mit Kornkolonien, die einen Durchmesser von der Größenordnung eines Mikrons haben und einen Dendritenarmabstand von ungefähr 300 *$.. Demgegenüber wies die weniger harte Struktur B, die ähnliche große Kornkolonien hatte, einen etwa zehnmal größeren Zwischenphasenabstanä auf«

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SAD ORiGtNAL

Die gewünschte Struktur kann über einen Bereich von Legierungszusammensetzungen erhalten werden. Die hauptsächlichsten Untersuchungen erstreckten sich auf Aluminium, das 8 Gew.^ Eisen enthielt. Mit wachsendem Eisengehalt steigt die Härte. Fig. 1 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Härte mit dem in der Zone A vorhandenen Eisenprozentsatz ändert, wobei diese Härte steil mit wachsendem Eisengehalt ansteigt. Während der durch den hohen Eisengehalt erhaltene hohe Härtegrad eine Verbesserung der Eigenschaften darstellt, wird die kritische Mindestabkühlungsgeschwindigkeit vergrössert, so daß für ein gegebenes Kühlverfahren und andere Bedingungen die Ausbeute der gewünschten Struktur A kleiner wird. Eisengehalte von 30 $ können brauchbare Materialien ergeben, vorausgesetzt, daß die notwendige Kühltechnik verbessert werden kann, um wirtschaftlich lohnende Mengen herzustellen.

Umgekehrt bedeutet eine Verringerung des Eisengehaltes unter 8 Gew.#, daß die gewünschte Struktur mit kleineren Abkühlungsgeschwindigkeiten erreicht werden kann oder für eine gegebene Abkühlungsgeschwindigkeit wird die Ausbeute höher; gleichzeitig weist die erzeugte Struktur die gewünschten Charakteristiken in einem weniger merklichen Maße auf.

In Fig. 1 ist auch die Beziehung zwischen der Härte und dem Eisengehalt für die Struktur B gezeigt und auch für eine Struktur C, die durch Kokillenguß zwischen Kupferkokillen bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von ungefähr 10 C pro Sekunde erhalten wird. Es ist zu bemerken, daß die Zone B um einen Faktor von zwei härter ist als die Hartgußstruktur C und daß die Zone A um einen Faktor von vier härter ist als die Struktur C. Darin drückt sich der Effekt der Erhöhung der Abkühlungsgeschwindigkeit aus.

Aushärte- bzw. Anlaßstudien zeigen, daß die gewünschte Struktur A, welche durch ein sehr feines dendritisches Ge-

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füge gekennzeichnet ist, Härtecharakteristiken ähnlich wie normal ausgehärtete Legierungen aufweist, jedoch ihre höhere Härte bis zu einer höheren !Temperatur beibehält als es . bei einer ausgehärteten bzw. vergüteten legierung mit der gleichen Raumtemperatur-Festigkeit möglich wäre» Das weichere Material B verliert seine festigkeit über ca» 400⁰C. Diese Härtecharakteristiken sind in Mg. 2 dargestellt, die für beide Zonen ein Diagramm von Raumtemperaturhärten zeigt, gemessen nach einem einstündigen Aushärten bzw. Anlassen bei jeder Temperatur, wobei die Härtewerte über dieser Anlaßtemperatur aufgetragen wurden.

Das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellte Material, "vorzugsweise nach dem kontinuierlichen Zentrifugal-"splat"-Abschreckverfahren, kann gesammelt und zu Pulver verarbeitet werden und dann gemäß bekannten Pulvermetallurgie-Techniken zu nützlichen Gegenständen geformt werden.

Eine mögliche, direkte Verwendung der Erfindung ohne nachträgliche Verarbeitung besteht in der Bildung einer harten Haut auf einer oder beiden Oberflächen eines Schichten- oder Streifen-Legierungsmaterials durch IPlammschmelzen der Oberfläche und somit durch Bildung einer ununterbrochenen Haut oder eines Belages der gewünschten Struktur durch rasches Abkühlen in den Rest der Schicht.

Es versteht sich, daß die neuartige, erfindungsgemäße Aluminiumlegierung, d.h. Struktur A, nicht genau mit Prozentsätzen oder anderen qualitativen Angaben definiert werden kann; es ist jedoch unter Bezugnahme auf die Diagramme und die anderen oben genannten Einzelheiten möglich, zu bestimmen, ob ein Material die erfindungsgemäße Struktur hat oder nicht.

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Claims

- ίο - Patentansprüche

1. Legierung, gekennzeichnet durch einen überwiegenden Aluminiumgehalt und durch einen kleineren Anteil eines oder mehrerer Übergangsmetalle, mit einer einen hohen Härtegrad aufweisenden Struktur, die durch Abkühlung vom Flüssigzustand bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mindestens 10 C pro Sekunde erhalten wird und die das Verhalten der in der Beschreibung erläuterten Zone A aufweist und deren Härte etwa viermal so groß ist wie die Härte des gleichen Materials, wenn dieses hart gegossen ist.

2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Aluminium und Eisen besteht.

3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenanteil nicht mehr als 30 Gew.^ "beträgt.

4· Legierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Eisenanteil 8 Gew.% beträgt.

5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4» dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch das ^Mspla"tⁿ -Verfahren erzielt wird.

6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung durch ein lokales Schmelzen und Wiedererstarren eines kleinen Volumens der Legierung innerhalb eines größeren Körpers dieser Legierung erzielt wird.

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