DE68909420T2 - Durch reibung aktivierte extrusion von rasch erstarrten hochtemperatur legierungen auf al-basis. - Google Patents
Durch reibung aktivierte extrusion von rasch erstarrten hochtemperatur legierungen auf al-basis.Info
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Description
- Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf dispersionsverstärkte Legierungen auf Aluminium-Basis und insbesondere auf ein Verfahren zur reibungsaktivierten Extrusion unter Verwendung von zerkleinertem, rasch erstarrten Pulver als Zufuhrmaterial für das Verfahren und die Bildung rasch erstarrter Legierungen auf Aluminium-Basis, die verbesserte mechanische Eigenschaften bei Umgebungs- und erhöhten Temperaturen besitzen.
- Bei einem "durch Reibung aktivierten" Extrusionsverfahren wird Metall in ein Ende eines zwischen einem ersten und einem zweiten Element gebildeten Durchlasses gefördert, wobei das zweite Element eine größere Oberfläche zur Anlage für das Metall besitzt als das erste Element. Der Durchlaß weist an dem von demjenigen Ende, in das das Metall gefördert wird, entfernten Ende eine Stauanordnung auf. Zumindest eine Matrizenöffnung des Durchlasses ist dem Stauende zugeordnet. Die den Durchlaß begrenzende Fläche des zweiten Elementes bewegt sich relativ zu der den Durchlaß begrenzenden Fläche des ersten Elementes in Richtung gegen die Matrizenöffnung vom ersten Ende zum Stauende. Der Reibungswiderstand der den Durchlaß begrenzenden Fläche des zweiten Elementes zieht das Metall durch den Durchlaß hindurch und erzeugt darin einen Druck, der ausreichend ist, um das Metall durch die Matrizenöffnung zu extrudieren. Das Stauende des Durchlasses kann im wesentlichen vollständig blockiert werden, wie in der britischen Patentschrift Nr. 1370894 beschrieben ist. In der herkömmlichen Praxis, wie in dem entsprechenden, in den US-Patenten Nr. 4552520 und 4566303 beschriebenen Verfahren, ist der Durchlaß bogenförmig, und das zweite Element ist ein Rad mit einer an seiner Oberfläche gebildeten Nut. Das erste Element ragt in die Nut, und das Stauende wird durch ein vom ersten Element vorspringendes Widerlager gebildet. Vorzugsweise ist das Widerlager von im wesentlichen geringeren Querschnitt als der Durchlaß, so daß es einen bedeutenden Spalt zwischen dem Widerlagerglied und der Nutoberfläche freiläßt. In diesem Falle haftet das Metall an der Nutoberfläche, wie im UK-Patent Nr. 2069389B beschrieben ist, wodurch ein Teil des Metalles durch den Freiraum hindurchgepreßt wird und als Auskleidung in der Nut verbleibt, um am Eintrittsende wieder in den Durchlaß einzutreten, während der Rest des Metalles durch die Matrizenöffnung extrudiert wird.
- Das entsprechende Verfahren wurde ursprünglich für die Extrusion von zugeführten Metallstäben entwickelt. Es wurden Versuche gemacht, um eine Speisung in Form von Granulaten vorzusehen. Die Möglichkeit, Aluminium und/oder Aluminiumlegierungen aus einer Granulatzufuhr zu extrudieren, hat sich als schwierig erwiesen, weil das Aluminiumpulver keine entsprechenden Fließeigenschaften besitzt, um das Verfahren aufrechtzuerhalten. Dies gilt besonders für Aluminiumlegierungen hoher Leistung, wie jenen, die aus dem mechanischen Legieren oder dem Legieren durch Versprühen in Inert- oder Rauchgas hergestellt wurden. Legierungsgranulate, die durch diese Verfahren hergestellt wurden, besitzen Morphologien, die die Speisung nicht fließfähig machen. Überdies erschwert die hohe Härte der Granulate die effektive reibungsaktivierte Extrusion. Um mit Granulaten aus Aluminiumlegierung hoher Härte verbundene Fließprobleme zu vermeiden, sind Anstrengungen unternommen worden, um eine Speisung anzupassen, die aus weicherem Aluminium und/oder Granulaten aus Aluminiumlegierung zusammengesetzt ist. In solchen Verfahren kleben die weichen Aluminiumgranulate rasch an der Vorrichtung, und das extrudierte Material neigt dazu, an der Oberfläche Blasen zu bilden und sich an der Partikeloberfläche auf Grund des Vorhandenseins einer Oxydschicht an den Granulaten zu verschlechtern (d.h. die Trennung zwischen den Partikeln).
- Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren, bei dem rasch erstarrte Legierungsgranulate auf Aluminium-Basis auf höchst wirksame Weise angepaßt werden.
- Allgemein festgestellt, wird beim vorliegenden durch Reibung aktivierten Extrusionsverfahren ein zerkleinertes, rasch erstarrtes Band aus Aluminiumlegierung als Zufuhrmaterial verwendet. Ankleben und Fließprobleme werden praktisch ausgeschaltet. Das erfindungsgemäße Produkt ist frei von Blasenbildung an der Oberfläche und besitzt verbesserte mechanische Eigenschaften bei Umgebungs- und erhöhten Temperaturen.
- Die Erfindung wird vollständiger verstanden, und weitere Vorteile werden offensichtlich, wenn auf die folgende ins einzelne gehende Beschreibung und die beigefügte Zeichnung Bezug genommen wird, worin die Figur eine Photographie ist, die drei unter Verwendung des durch Reibung aktivierten Extrusionsverfahrens der Erfindung hergestellte Drahtspulen abbildet.
- Das rasch erstarrte Band ist das Produkt eines Schmelzspinnverfahrens, das aus der aus Zerstäubungsgießen und Gießen aus einem ebenen Strom bestehenden Gruppe gewählt ist. Bei solchen herkömmlichen Verfahren wird das schmelzgesponnene Band durch Injizieren und Erstarren eines Stromes flüssigen Metalles auf ein sich rasch bewegendes Substrat erzeugt. Dadurch wird das Band durch Konduktionskühlungsraten im Bereiche von 10&sup5; bis 10&sup7; ºC/sec abgekühlt. Solche Verfahren erzeugen typischerweise homogene Materialien und gestatten die Kontrolle der chemischen Zusammensetzung, indem man den Einbau verstärkender Dispersoide in der Legierung mit Größen und Volumenanteilen vorsieht, die durch herkömmliche Ingot-Metallurgie nicht erreichbar war. Im allgemeinen vermindern die durch Schmelzspinnen erreichbaren Kühlgeschwindigkeiten die Größe der während des Erstarrens gebildeten intermetallischen Dispersoide. Ferner sind ausgeklügelte Legierungen, die wesentlich höhere Mengen an Übergangselementen enthalten, dazu imstande, durch Rasche Erstarrung mit mechanischen Eigenschaften erzeugt zu werden, die die zuvor durch herkömmliche Erstarrungsverfahren produzierten übertreffen. Das rasch erstarrte Band wird anschließend zur Teilchenform oder einem Pulver pulverisiert, das als entsprechende Speisung verwendet wird. Die Teilchen können hinsichtlich ihrer Partikelgröße von annähernd einem Viertel Zoll (0,635 cm) Durchmesser bis etwa einem Tausendstel eines Zolls (0,0025 cm) Durchmesser reichen. Das durch dieses Verfahren erzeugte Pulver ist fließfähig, was die Fähigkeit des Materiales entsprechend verbessert, mit Erfolg angepaßt zu werden. Der Begriff "fließfähig", wie er hierin gebraucht wird, bedeutet frei fließend und wird unter Bezugnahme auf jene physikalischen Eigenschaften eines Pulvers gebraucht, wie auf Zusammensetzung, Partikelfeinheit und Partikelform, welche es dem Pulver erlauben, frei in eine Formhöhlung zu fließen (siehe beispielsweise Metals Handbook, neunte Ausgabe, Band 7, Powder Metallurgy, American Society for Metals, S. 278). Insbesondere muß das Pulver dazu imstande sein, durch die Öffnung von 2,5 mm Durchmesser eines Hall-Durchflußmesser-Trichters mit oder ohne äußeren Impuls hindurchzugehen (ASTM B 213 und MPIF 3).
- Die rasch erstarrte Legierung auf Aluminium-Basis besitzt eine Zusammensetzung, die gemäß der Formel aus AlbalFeaSibXc besteht, worin X zumindest ein aus der aus Mn, V, Cr, Mo, W, Nb und Ta bestehenden Gruppe gewähltes Element ist, "a" von 2,0 bis 7,5 Atom-% reicht, "b" von 0,5 bis 3,0 Atom-% reicht, "c" von 0,05 bis 3,5 Atom-% reicht und der Rest Aluminium plus nebensächlicher Verunreinigungen unter der Voraussetzung ist, daß das Verhältnis [Fe+X]:Si von etwa 2,0:1 bis 5,0:1 reicht. Beispiele umfassen Legierungen aus Aluminium-Eisen-Vanadium- Silicium, wobei der Eisenanteil von etwa 1,5 - 8,5 Atom-% reicht, der Vanadiumanteil von etwa 0,25 - 4,25 Atom-% reicht, und der Siliziumanteil reicht von etwa 0,5 - 5,5 Atom-%.
- Alternativ besitzt die rasch erstarrte Legierung auf Aluminium-Basis eine Zusammensetzung, die gemäß der Formel aus AlbalFeaSibXc besteht, worin X zumindest ein aus der aus Mn, V, Cr, Mo, W, Nb und Ta bestehenden Gruppe gewähltes Element ist, "a" von 1,5 bis 7,5 Atom-% reicht, "b" von 0,75 bis 9,0 Atom-% reicht, "c" von 0,25 bis 4,5 Atom-% reicht und der Rest Aluminium plus nebensächlicher Verunreinigungen unter der Voraussetzung ist, daß das Verhältnis [Fe+X]:Si von etwa 2,0:1 bis 1,0:1 reicht.
- Eine alternative rasch erstarrte Legierung auf Aluminium- Basis besitzt einen Zusammensetzungsbereich von etwa 2 - 15 Atom-% zumindest eines aus der aus Zirkon, Hafnium, Titan, Vanadium, Niob, Tantal und Erbium bestehenden Gruppe gewählten Elementes, etwa 0 - 5 Atom-% an Calcium, etwa 0 - 5 Atom-% an Germanium und etwa 0 - 2 Atom-% an Bor, wobei der Rest Aluminium plus nebensächlicher Verunreinigungen ist.
- Noch eine weitere alternative rasch erstarrte Legierung geringer Dichte auf Aluminium-Basis besitzt eine Zusammensetzung, die gemäß der Formel aus AlbalZraLibMgcTd besteht, worin T zumindest ein aus der aus Cu, Si, Sc, Ti, B, Hf, Be, Cr, Mn, Fe, Co und Ni bestehenden Gruppe gewähltes Element ist, "a" von 0,05 bis 0,75 Atom-% reicht, "b" von 9,0 - 17,75 Atom-% reicht, "c" von 0,45 - 8,5 Atom-% reicht, "d" von etwa 0,05 - 13 Atom-% reicht und der Rest Aluminium plus nebensächlicher Verunreinigungen ist.
- Beim Gebrauch des Verfahrens der Erfindung, wie sie hierin oben beschrieben ist, wurde gefunden, daß gewisse Nachteile, wie die Blasenbildung an der Metalloberfläche, das Ankleben an der Vorrichtung und die Unfähigkeit, Aluminiumlegierungen reibungsaktiviert mit verbesserten Eigenschaften zu extrudieren, überwunden wurden. Wenn man eine Aluminiumlegierung aus Aluminiumlegierungspulver durch ein herkömmliches Verfahren extrudiert, muß das Aluminiumlegierungspulver durch Vakuum bei erhöhten Temperaturen entgast werden, um jegliches Gas von der Pulveroberfläche zu entfernen, das während der Konsolidierung, der Herstellung oder dem Gebrauch austreten und Blasen an der Metalloberfläche erzeugen kann.
- Das vorliegende Verfahren ist besonders dadurch vorteilhaft, daß vor der durch Reibung aktivierten Extrusion kein Entgasen der Pulverzufuhr erforderlich ist und das extrudierte Produkt keine Gasaustreibung erfordert.
- Chargen von dreißig Kilogramm eines Pulvers von -40 mesh (US-Normsieb) einer Zusammensetzung, bei einem Ausgleich an Aluminium, von 4,33 Atom-% Eisen, 0,33 Atom-% Vanadium und 1,72 Atom-% Silizium wurden durch Zerkleinern eines rasch erstarrten Bandes hergestellt, das mit ebenem Strom gegossen worden war. Das zerkleinerte Band wurde reibungsaktiviert zu einem Band von annähernd 3 mm Durchmesser extrudiert, indem eine angepaßte Maschine der im UK-Pat. Nr. 2,069,389B beschriebenen Art verwendet wurde. Der sich ergebende extrudierte Draht ist in Figur 1 gezeigt. Die Oberfläche des Drahtes ist glänzend und zeigt keinen Hinweis auf eine oberflächliche Blasenbildung. Der Draht ist gleichmäßig und im wesentlichen porenfrei.
- Eine Charge einer pulverisierten Aluminiumlegierung, die unter Verwendung der in Beispiel I dargelegten Vorgangsweise gebildet worden war, wurde in herkömmlicher Weise zu einem Draht verarbeitet. Während dieses herkömmlichen Verfahrens wurde die Charge in üblicher Weise verarbeitet, indem sie entgast, unter Vakuum zu einem Knüppel von 9 cm Durchmesser heißverpreßt und bei 385ºC zu einem Rechteck von 5 cm x 1 cm extrudiert wurde. Aus der Extrusion wurde ein Draht von 3 mm Durchmesser (dem Meßquerschnitt einer Zugfestigkeitsprobe) herausgearbeitet. Die Zugfestigkeitseigenschaften wurden an dem erfindungsgemäßen, wie in Beispiel I beschrieben, verarbeiteten Draht von 3 mm und an dem in herkömmlicher Weise kompaktierten und extrudierten Draht gemessen. Die sich ergebenden Zugfestigkeitseigenschaften sind unten aufgelistet. Material Erfindungsgemäßer Draht Herkömmlicher Draht
- Der erfindungsgemäße Draht zeigt eine deutlich höhere Festigkeit als der herkömmlich verarbeitete Draht.
- Der in Beispiel I hergestellte erfindungsgemäße Draht von 3mm Durchmesser wurde 24 und 100 Stunden lang verschiedenen Temperaturen bis 600ºC ausgesetzt. Nur bei der höchsten Temperatur zeigte das Material eine sporadische Blasenbildung. Eine Liste der Wärmebestrahlungen und der sich ergebenden Zugfestigkeitseigenschaften ist unten angegeben. Wärmebestrahlung (ºC/Std.)
- Chargen von dreißig Kilogramm eines Pulvers von -40 mesh (US-Normsieb) einer Zusammensetzung, bei einem Ausgleich an Aluminium, von 2,73 Atom-% Eisen, 0,27 Atom-% Vanadium und 1,05 Atom-% Silizium wurden durch Zerkleinern eines rasch erstarrten Bandes hergestellt, das mit ebenem Strom gegossen worden war. Das zerkleinerte Band wurde reibungsaktiviert zu einem Band von annähernd 3 mm Durchmesser extrudiert, indem eine angepaßte Maschine der im UK-Pat. Nr. 2,069,389B beschriebenen Art verwendet wurde. Die Oberfläche des Drahtes ist glänzend und zeigt keinen Hinweis auf eine oberflächliche Blasenbildung. Der Draht ist gleichmäßig und im wesentlichen porenfrei.
- Eine Charge einer gemäß dem in Beispiel I dargelegten Verfahren hergestellten pulverisierten Aluminiumlegierung wurde in herkömmlicher Weise zu einem Draht verarbeitet. Während dieses herkömmlichen Verfahrens wurde die Charge in üblicher Weise verarbeitet, entgast, unter Vakuum zu einem Knüppel von 9 cm Durchmesser heißverpreßt und bei 385ºC zu einem Rechteck von 5 cm x 1 cm extrudiert. Aus der Extrusion wurde ein Draht von 3 mm Durchmesser (dem Meßquerschnitt einer Zugfestigkeitsprobe) herausgearbeitet. Die Zugfestigkeitseigenschaften wurden am erfindungsgemäßen, wie in Beispiel I verarbeiteten Draht von 3 mm und am in herkömmlicher Weise kompaktierten und extrudierten Draht gemessen. Die sich ergebenden Zugfestigkeitseigenschaften sind unten aufgelistet. Material Erfindungsgemäßer Draht Herkömmlicher Draht
- Der erfindungsgemäße Draht zeigt eine deutlich höhere Festigkeit als der herkömmlich verarbeitete Draht.
- Der in Beispiel I hergestellte erfindungsgemäße Draht von 3mm Durchmesser wurde 24 und 100 Stunden lang verschiedenen Temperaturen bis zu 600ºC ausgesetzt. Nur bei der höchsten Temperatur zeigte das Material eine sporadische Blasenbildung. Eine Liste der Wärmebestrahlungen und der sich ergebenden Zugfestigkeitseigenschaften ist unten angegeben. Wärmebestrahlung (ºC/Std.)
- Die Auswirkungen einer Aussetzung an Kräfte sind annähernd dieselben sowohl nach 24 als auch nach 100 Stunden. In dem Maße, als die Aussetzungstemperatur steigt, steigt auch die Stärke und erreicht ein Maximum bei 400ºC. Nach einer Aussetzung an eine Temperatur von 500ºC fällt die Stärke auf einen Wert zwischen dem Maximalwert und dem Wert der nicht ausgesetzten Legierung, während die Stärke nach dem Aussetzen an 600ºC auf etwa den halben Wert dessen fällt, der nach dem Extrudieren auftritt.
- Diese Ergebnisse beweisen die ausgezeichnete Stabilität von "durch Reibung aktivierten" Extrusionsprodukten. Überdies zeigen die Resultate, daß durch das Verfahren nach der Erfindung hochstabile Aluminiumlegierungen ohne Notwendigkeit des Entgasens und der Heißkonsolidierungs-Vorgänge gebildet werden.
Claims (7)
1. Durch Reibung aktiviertes Extrusionsverfahren, bei
dem Metall in einen reibungsaktivierten Extender an einem Ende
eines zwischen einem ersten und einem zweiten Element
gebildeten Durchlasses eingespeist wird, von denen das zweite
Element eine größere Oberfläche zum Anlegen des Metalles
besitzt als das erste Element, wobei der Durchlaß an dem von
einem ersten Ende, in welches das Metall eingespeist wird,
entfernten Ende eine Staustelle aufweist, welchem Stauende
mindestens eine Matrizenöffnung des Durchlasses zugeordnet ist,
und wobei sich die den Durchlaß begrenzende Fläche des zweiten
Elementes relativ zu der den Durchlaß begrenzenden Fläche des
ersten Elementes in Richtung gegen die Matrizenöffnung vom
ersten Ende zum Stauende hin bewegt und der Reibungswiderstand
der den Durchlaß begrenzenden Fläche des zweiten Elementes das
Metall durch den Durchlaß hindurchzieht und damit einen Druck
erzeugt, der ausreicht, um das Metall durch die Matrizenöffnung
hindurch zu extrudieren, dadurch gekennzeichnet, daß das
Verfahren kontinuierlich ist und das als Speisung für den
Extruder dienende Metall ein teilchenförmiges Material ist, das
frei fließfähig ist und nicht unter Vakuum entgast wurde,
welches teilchenförmige Material aus einem Band aus einer
Aluminiumlegierung zerkleinert wurde, das in einem
Schmelzspinnverfahren, das aus der aus Zerstäubungsgießen und Gießen
aus einem ebenen Strom bestehenden Gruppe gewählt ist, mit
einer von 10&sup5; bis 10&sup7; ºC/sec reichenden Kühlgeschwindigkeit
rasch erstarrt wird, und daß das extrudierte Produkte nicht
entgast wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das
teilchenförmige Material eine von etwa 0,0025 bis 0,635 cm Durchmesser
reichende Partikelgröße besitzt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die rasch
erstarrte Legierung auf Aluminium-Basis eine Zusammensetzung
gemäß der Formel AlbalFeaSibXc besitzt, worin X zumindest ein
aus der aus Mn, V, Cr, Mo, W, Nb und Ta bestehenden Gruppe
gewähltes Element ist, "a" von 2,0 bis 7,5 Atom-% reicht, "b"
von 0,5 bis 3,0 Atom-% reicht, "c", von 0,05 bis 3,5 Atom-%
reicht und der Rest Aluminium plus nebensächlicher
Verunreinigungen unter der Voraussetzung ist, daß das Verhältnis
[Fe+X]:Si von etwa 2,0:1 bis 5,0:1 reicht.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die rasch
erstarrte Legierung auf Aluminium-Basis aus etwa 1,5 - 8,5 Atom-%
Eisen, etwa 0,25 - 4,25 Atom-% Vanadium und etwa 0,5 - 5,5
Atom-% Silizium enthält, wobei der Rest aus Aluminium plus
nebensächlicher Verunreinigungen besteht.
5. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die rasch
erstarrte Legierung auf Aluminium-Basis eine Zusammensetzung
gemäß der Formel AlbalFeaSibXc besitzt, worin X zumindest ein
aus der aus Mn, V, Cr, Mo, W, Nb und Ta bestehenden Gruppe
gewähltes Element ist, "a" von 1,5 bis 7,5 Atom-% reicht, "b"
von 0,75 bis 9,0 Atom-% reicht, "c" von 0,25 bis 4,5 Atom-%
reicht und der Rest Aluminium plus nebensächlicher
Verunreinigungen unter der Voraussetzung ist, daß das Verhältnis
[Fe+X]:Si von etwa 2,0:1 bis 1,0:1 reicht.
6. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die rasch
erstarrte Legierung auf Aluminium-Basis eine Zusammensetzung
besitzt, die 2. - 15 Atom-% zumindest eines aus der aus Zirkon,
Hafnium, Titan, Vanadium, Niob, Tantal und Erbium bestehenden
Gruppe gewähltes Element enthält, 0 - 5 Atom-% an Calcium, 0 -
5 Atom-% an Germanium und 0 - 2 Atom-% an Bor, wobei der Rest
Aluminium plus nebensächlicher Verunreinigungen ist.
7. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die rasch
erstarrte Legierung auf Aluminium-Basis eine Zusammensetzung
gemäß der Formel AlbalZraLibMgcTd besitzt, worin T zumindest
ein aus der aus Cu, Si, Sc, Ti, B, Hf, Be, Cr, Mn, Fe, Co und
Ni bestehenden Gruppe gewähltes Element ist, "a" von 0,05 bis
0,75 Atom-% reicht, "b" von 9,0 bis 17,75 Atom-% reicht, "c"
von 0,45 - 8,5 Atom-% reicht, "d" von etwa 0,05 - 13 Atom-%
reicht und der Rest Aluminium plus nebensächlicher
Verunreinigungen ist.
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