DE3524276A1

DE3524276A1 - Aluminiumlegierung zur herstellung von ultra-feinkoernigem pulver mit verbesserten mechanischen und gefuegeeigenschaften

Info

Publication number: DE3524276A1
Application number: DE19853524276
Authority: DE
Inventors: Malcolm Dr. Ennetbaden Couper; Robert Dr. Untersiggenthal Singer
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1984-07-27
Filing date: 1985-07-06
Publication date: 1986-01-30

Description

Aluminiumlegierung zur Herstellung von ultra-feinkörnigem
Pulver mit verbesserten mechanischen und Gefügeeigenschaften Die Erfindung geht aus von einer Aluminiumlegierung zur Herstellung von ultra-feinkörnigem Pulver nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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 Pat. 2 963 780 und US Pat. 4 379 719).
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.
Obwohl zurzeit beachtliche Resultate, insbesondere erhöhte Warmfestigkeit im Temperaturbereich von 250 bis 3000C - 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 Duktilität und die Ermüdungsfestigkeit im Temperaturbereich von Raumtemperatur bis ca. 2500C.
Es besteht daher ein grosses Bedürfnis nach weiterhin verbesserten Legierungen zur Herstellung von geeigneten Pulvern.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Aluminiumlegierungen anzugeben, die sich für die Herstellung von ultrafeinkörnigen Pulvern mit verbesserten mechanischen und Gefügeeigenschaften gut eignen. Es sollen insbesondere Zusammensetzungen angestrebt werden, welche unter den vorgeschlagenen Abkühlungsbedingungen stabile intermetallische Verbindungen bilden.
Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele beschrieben.
Ausfuhrungsbeispiel I: Ein Aluminiumlegierungspulver auf der Basis von Al/Fe/Y wurde wie folgt hergestellt: Zunächst wurde aus den reinen Komponenten Al, Fe und Y im Induktionsofen unter Vakuum im Siliziumkarbidtiegel eine Legierung folgender Zusammensetzung erschmolzen und in eine wassergekühlte Kupferkokille abgegossen: Fe = 8 Gew.-°Ó Y = 4 Gew.-°Ó Al = Rest Der erstarrte Gussblock 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. 1,3 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 einer Temperatur von 10000C gehalten. 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 50 50yum, der Durchschnitt ca. 20/um. Allenfalls anfallende, das Mass von 50'im übersteigende Partikel wurden durch ein Sieb zurückgehalten. Bei dieser Art von Zerstäubungsprozess betrug die mittlere Abkühlungsgeschwindigkeit für die zu Partikeln zerstäubten Legierungströpfchen ca. 106°C/s.
Das Legierungspulver wurde nun in eine dünnwandige zylindrische Aluminiumdose von 77 mm Durchmesser und 300 mm Höhe abgefüllt. Die Dose wurde evakuiert, auf 4500C aufgeheizt und unter Vakuum bei dieser Temperatur während 2 h belassen. Der Restgasdruck betrug ca. 0,13 Pa. Die Dose wurde dann durch Zusammendrücken des Absaugstutzens vakuumdicht verschlossen und in eine Presse eingelegt.
Das eingekapselte Legierungspulver wurde bei 4500C auf 95 < 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 eingesetzt. Es wurde ein Stab von 20 mm Durchmesser bei einer Temperatur von 4500C gepresst (Reduktionsverhältnis 1:20) Die Untersuchungen ergaben Festigkeitswerte, die wesentlich über denjenigen entsprechender konventioneller Guss-und Knetlegierungen lagen. Insbesondere wurden auch die Warmfestigkeit, die Zeitstandfestigkeit (Kriechgrenze) und die Wechselfestigkeit verbessert.
Das gemäss diesem Ausführungsbeispiel hergestellte Pulver wies ein ausserordentlich feines Gefüge (Zellenstruktur mit einer Zellenweite von durchschnittlich 0,3 µm mit Ausscheidungen in der Grössenordnung von einigen 10 nm) auf. Die Mikrohärte nach Vickers betrug bis 260 (HV).
Im Vergleich dazu erreichen konventionelle Legierungen nur Werte von 90 bis 160 (HV).
Ausführungsbeispiel II: Nach den im Beispiel I angegebenen Verfahren wurde eine Aluminiumlegierung erschmolzen und zu feinkörnigem Pulver zerstäubt. Die Legierung wurde aus einer Grundlegierung des Typs Al/Cu/Mg mit weiteren Zusätzen hergestellt und hatte folgende Zusammensetzung: Fe = 9 Gew.-tÓ Cu = 2,5 Gew.-°Ó Mg = 1,5 Gew.-°Ó Ni = 1,0 Gew.-°Ó Ce = 4 Gew.-°Ó Al = Rest Die an eingebetteten Pulverpartikeln von 10 bis 20 um Durchmesser durchgeführten Mikrohärtemessungen ergaben Werte von durchschnittlich 360 (HV).
Ausführungsbeispiel III: Analog Beispiel 1 wurde eine Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung erschmolzen und zerstäubt: Ni = 8 Gew.-S Ce = 4 Gew.-°Ó Al = Rest An eingebetteten Pulverpartikeln von ca. 20 µm Durch- messer wurden Vickers-Mikrohärteprüfungen durchgeführt.
Die gemessenen Werte lagen durchschnittlich bei 185 Einheiten (HV).
Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt. Es wurden unter anderem noch folgende Aluminiumlegierungen untersucht, deren Zusammensetzung sich für die Herstellung von ultra-feinkörnigem Pulver mit verbesserten mechanischen und Gefügeeigenschaften als vorteilhaft erwies: A). Cu = 2 - 7 Gew.-°Ó Mg = 0,1 - 2 Gew.-°Ó Ce = 1 - 6 Gew.-m Me = 2 - 12 Gew.-°Ó Al = Rest, wobei Me = Fe, Mo, Co oder Ni einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamttotal von 12 Gew.-°Ó sein kann.
Diese Legierungsklasse soll als dispersionshärtende Zusätze die je eine oder mehrere intermetallische Verbindungen bildenden Elemente Fe/Ce oder Mo/Ce oder Co/Ce oder Ni/Ce enthalten, wobei die intermetallische Verbindung der allgemeinen Formel Alx Mey Cez genügt.
B). Cu = 4 - 12 Gew.-% Mg = 0,4 - 5 Gew.-°Ó Al = Rest C). Cu = 2 - 7 Gew.-°Ó Mg = 0,1 - 2 Gew.-% Y = 1 - 7 Gew.-% Al = Rest D). Cu = 2 - 7 Gew.-,°Ó Mg = 0,1 - 1 Gew.-% Ma = 0,1 - 3 Gew.-°Ó Al = Rest, wobei Ma = Cs, Rb oder Sr einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamttotal von 3 Gew.-°Ó sein kann.
E). Fe = 2 - 12 Gew.-% Mi = 1 - 7 Gew.-°Ó Al = Rest, wobei Mi = Y, Zr oder Ti einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamttotal von 7 Gew.-°Ó sein kann.
F). Cu = 2 - 7 Gew.-°Ó Mg = 0,1 - 2 Gew.-% Mu = 0,5 - 6 Gew.-% Al = Rest, wobei Mu = B, Ti oder Zr einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamt total von 6 Gew.-% sein kann.
Die über die Grundzusammensetzung des Legierungstyps Al/Cu, Al/Ni, A1/Cu/Mg oder Al/Fe hinausgehenden Zusätze in Form der Elemente Fe, Co, Ni, Y, Ce, Mo, Cu, Cs, Rb, Sr, Zr, Ti oder B bilden spezielle Phasen, unter anderem intermetallische Verbindungen von Aluminium mit einem oder mehreren der besagten Elemente Bei der ausseror-5 dentlich hohen Abkühlungsgeschwindigkeit von 10 bis 106°C/s bewirken diese Phasen eine Ausscheidungs- und/ oder Dispersionshärtung, da sie in sehr feiner Verteilung in den Kristalliten enthalten bleiben. Dies erklärt auch die beachtliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften, vor allem der Warmfestigkeit des Materials.
Durch geeignete Auswahl der Legierungskomponenten und sehr hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten (Grössenordnung 106°C/s) konnte ein ultra-feinkörniges Aluminiumpulver mit hervorragenden Eigenschaften erzeugt werden, welches die pulvermetallurgische Herstellung hochfester, insbesondere warmfester Körper gestattet. Durch die hohe Abkühlungsgeschwindigkeit können normalerweise grob ausgeschiedene Phasen, insbesondere intermetallische Verbindungen, in Lösung gehalten bzw. in ultra-feiner Partikelform zur Ausscheidungs- und Dispersionshärtung der Matrix herangezogen werden, was durch die konventionellen Giess-, Knet- und gewöhnlichen Pulverherstellungsverfahren nicht möglich ist. Die sehr hohen erzielbaren Vickershärten lassen auf eine beträchtliche Ausweitung des Anwendungsgebietes der Aluminium-Pulvermetallurgie schliessen.

Claims

Patentansprüche 1. Aluminiumlegierung zur Herstellung von ultra-feinkörnigem Pulver mit verbesserten mechanischen und Gefügeeigenschaften, wobei die Grundzusammensetzung dem Legierungstyp Al/Cu, Al/Ni, Al/Cu/Mg oder Al/Fe angehört, dadurch gekennzeichnet, dass weitere Zusätze in Form mindestens eines der Elemente Fe, Co, Ni, Y, Ce, Mo, Cu, Cs, Rb, Sr, Zr, Ti oder B vorgesehen sind, welche bei sehr rascher Abkühlung der Schmelze eine Dispersions- und/oder Ausscheidungshärtung bewirken.
2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2 bis 7 Gew.-°Ó Cu und gegebenenfallsr 0,1 bis 2 Gew.-S Mg enthält und dass sie als dispersionshärtende Zusätze die je eine oder mehrere intermetallische Verbindungen bildenden Elemente Ce in einer Menge von 1 bis 6 Gew.-Ó sowie Me in einer Menge von 2 bis 12 Gew.-°Ó enthält, wobei Me = Fe, Mo, Co oder Ni bedeutet und einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamttotal von 12 Gew.-,°Ó vorliegen kann und die intermetallische Verbindung der allgemeinen Formel Al Me Ce x y z genügt.
3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 9 Gew.-% Fe, 2,5 Gew.-% Cu, 1,5 Gew.-% Mg, 1 Gew.-% Ni, 4 Gew.-% Ce, Rest Al enthält.
4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 4 bis 12 Gew.-% Cu, 0,1 bis 5 Gew.-% Mg, Rest Al enthält.
5. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2 bis 7 Gew.-% Cu, 0,1 bis 2 Gew.-% Mg, 1 bis 7 Gew.-% Y, Rest Al enthält.
6. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2 bis 7 Gew.-% Cu, 0,2 bis 2 Gew.-% Mg, 0,1 bis 3 Gew.-,% Ma, Rest Al enthält, wobei Ma = Cs, Rb, Sr bedeutet und einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamttotal von 3 Gew.-% vorliegen kann.
7. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2 bis 12 Gew.-% Fe, 1 bis 7 Gew.-°Ó Mi, Rest Al enthält, wobei Mi = Y, Zr, Ti bedeutet und einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamttotal von 7 Gew.-% vorliegen kann.
8. Aluminiumlegierung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass sie 8 Gew.-°Ó Fe, 4 Gew.-°Ó Y, Rest Al enthält.
9. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 2 bis 7 Gew.-°Ó Cu, 0,1 bis 2 Gew.-°Ó Mg, 0,5 bis 6 Gew.-°Ó Mu, Rest Al enthält, wobei Mu = B, Ti, Zr bedeutet und einzeln oder in Kombination bis zu einem Gesamttotal von 6 Gew.-% vorliegen kann.
10. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 8 Gew.-% Ni, 4 Gew.-% Ce, Rest Al enthält.