DE69115567T2 - Teilchendispersionsartige amorphe Aluminiumlegierung mit guter Festigkeit - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Erfindungsbereich
• Die Erfindung betrifft eine amorphe Legierung, deren Festigkeit durch die Dispersion feiner kristalliner Teilchen verbessert wird.
2. Beschreibung des Stands der Technik
• Bisher sind verschiedene amorphe Aluminiumlegierungen aus der noch nicht geprüften japanischen Offenlegungsschrift Nr. 64- 47,831 bekannt. Es ist vorgesehen, daß jede dieser Aluminiumlegierungen eine einzige amorphe Phase bildet, um die Verbesserung der Festigkeit herbeizuführen. Gemäß der noch nicht geprüften japanischen Offenlegungsschrift Nr. 2-59,139 wird vorgeschlagen, die kristallinen Teilchen im amorphen Gefüge zu dispergieren und so die Festigkeit zu verbessern. Die Menge der dispergierten kristallinen Teilchen wird durch die Abkühlgeschwindigkeit und die Zusammensetzung der Stammlegierung und insbesondere durch das Verhältnis zwischen der Menge an einem oder mehreren Element(en) aus der Gruppe der seltenen Erden und dem Anteil an Fe, Co und Ni bestimmt. Die Dispersionsteilchen sollten nach Möglichkeit eine hohe Festigkeit besitzen und im Hinblick auf die Theorie der Gesetzmäßigkeit von Mischungen zwischen den Teilchen einen geringen Abstand aufweisen. Es ist daher wünschenswert, daß der Abstand zwischen den Teilchen durch Regelung der Abkühlgeschwindigkeit verkürzt wird. Obwohl eine solche
• Regelung zum Kontrollieren des Abstands zwischen den Teilchen nicht sehr effektiv ist, gibt es keine andere Möglichkeit als die Regelung der Abkühlgeschwindigkeit.
• Es gibt keine eindeutige und konkrete Theorie zur Erklärung der zu einer höheren Festigkeit führenden Mechanik beim amorphen Verbundmaterial, bei dem die kristallinen Teilchen in der amorphen Gefügegrundmasse dispergiert sind. Es hat jedoch den Anschein, daß bei den Teilchen die folgenden Voraussetzungen gegeben sind, die wesentlich zur Verbesserung der Festigkeit beitragen: (1) die Festigkeit der Dispersionsteilchen ist hoch; (2) zwischen den Dispersionsteilchen und der Gefügegrundmasse ist eine gute Haftung gegegeben; und (3) der Abstand (λ) zwischen den Teilchen ist gering.
• Der Abstand (λ) zwischen den Teilchen wird durch die nachstehenden geometrischen Parameter stark beeinflußt und durch die Gleichung λ = (2/3)d(1-VP)/VP zum Ausdruck gebracht, wobei:
• d =der Durchmesser eines Teilchens und
• Vp = das Volumen eines Teilchens (M. GENSAMER; Trans. ASM, 36(1946), 30). Es wird angenommen, daß die Verringerung von eine Verbesserung der Zugfestigkeit mit sich bringt. Die Streckgrenze δ0.2 wird wie folgt ausgedrückt: δ0.2 VP3/2 .
• Ein kleiner Wert (d) ist somit der Verbesserung der Streckgrenze zuträglich. Es gibt zwei Möglichkeiten, den Abstand (λ) zwischen Teilchen zu verringern, und zwar durch Reduzierung des Durchmessers eines Teilchens (d) und durch Vergrößerung des Volumens eines Teilchens (VP). Die letztgenannte Methode der Vergrößerung des
• Volumens eines Teilchens bringt jedoch eine Verringerung der Dehnung und somit eine Beeinträchtigung der Zähigkeit mit sich.
• Die Erfindung hat eine teilchendispersionsartige amorphe Aluminiumlegierung zum Gegenstand, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert ist, auf die Bezug genommen werden sollte.
• Die kristallinen Teilchen, die in der Gefügegrundmasse, d.h. in der amorphen Phase dispergiert sind, haben eine Al-x (Y bzw. eine oder mehrere seltene Erde(n))-M(Fe, Co bzw. Ni)-T(Mo, Mn, Cr, Zr bzw. V) und eine einphasige Gefügegrundmasse mit kubischflächenzentriertem Gitter, in der X, M und T in Al als die löslichen Atome übersättigt sind. Die aus Al-X (Y bzw. einer oder mehreren seltenen Erde(n))-M(Fe, Co bzw. Ni) bestehenden Bestandteile sind Grundelemente, die eine amorphe Legierung mit einer Zugfestigkeit von 50 kg/mm² oder mehr bilden. Bei der erfindungsgemäßen Legierung sind die kristallinen Teilchen in einer Größe von wenigen Nanometern (nm) bis zu einigen Zehnteln eines Nanometers (nm) in der amorphen Legierung mit der vorgenannten Zugefestigkeit dispergiert. Somit dispergieren die kristallinen Teilchen in der amorphen Legierung, wobei deren Festigkeit durch die Dispersion verbessert wird. Die vorgenannten Elemente T (Mo, Mn, Cr, Zr bzw. V) sind Zusatzelemente, die der vorgenannten armophen Legierung mit den darin enthaltenen Grundelementen zugegeben werden und die bei Zugabe in einer bestimmten Menge die Festigkeit einer solchen amorphen Legierung stark verbessern. Als Ergebnis einer eingehenden Untersuchung des Werkstoffgefüges hat es den Anschein, daß die hervorragende Verbesserung der Festigkeit auf (1) die geringe Größe der kristallinen Teilchen in der Größenordnung von einigen Nanometern bis zu einigen Zehnteln eines Nanometers, (2) die gleichmäßige Dispersion der kristallinen Teilchen und (3) eine deutliche Verbesserung der Festigkeit der kristallinen Teilchen durch die Lösung zurückzuführen ist.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
• Figur 1 ist eine Graphik zur Darstellung des Verhältnisses zwischen dem erfindungsgemäßen X- und M-Bereich der Zusammensetzung.
• Figur 2 ist eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Herstellung einer amorphen Legierung.
• Figur 3 zeigt ein Beugungsbild einer als Beispiel C spezifizierten erfindungsgemäßen Legierung.
• Figur 4 ist eine Graphik zur Gegenüberstellung der Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen und einer anderen vergleichbaren amorphen Legierung.
• Die Gründe für die Einschränkung des Bereichs der erfindungsgemäßen Zusammensetzung sind nachstehend beschrieben.
• Liegt der Gehalt an Aluminium, das erfindungsgemäß das Hauptelement darstellt, bei unter 80 Atomprozent, so muß mit der Bildung von Aluminiumverbindungen wie zum Beispiel Al3Y und Al3Ni in der kristallinen Dispersionsphase oder der Bildung einer getrennten kristallinen Phase während der Herstellung der amorphen Legierung gerechnet werden. Die Folge ist eine Versprödung der amorphen Legierung. Beträgt demgegenüber der Aluminiumgehalt mehr als 94.5 Atomprozent, so wird es bei der normalen Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze schwierig, das Mischgefüge aus der kristallinen und der amorphen Phase zu erlangen. Wird die Abkühlgeschwindigkeit über den normalen Wert hinaus gesteigert, so sinkt nicht nur die Produktivität, sondern es wird auch die Wärmebeständigkeit der amorphen Legierung herabgesetzt. Der Aluminiumgehalt sollte daher bevorzugt zwischen 80 und 94.5 Atomprozent liegen.
• M und X sind erforderlich, um die Sinterung der Legierung auf Aluminiumbasis herbeizuführen. Bei X handelt es sich um ein oder mehrere Element(e) aus der Gruppe Y (Yttrium) und seltene Erden wie zum Beispiel La, Ce, Sm, Nd und Gd. Der Anteil an X beträgt 0.5 Atomprozent oder mehr, da bei einem Gehalt von weniger als 0.5 Atomprozent ein Nischgefüge der amorphen und kristallinen Phasen nur schwer zu erreichen ist. Der Gehalt an X beträgt 5 Atomprozent oder weniger, da sich bei einem Anteil von mehr als 5 Atomprozent Makrokristallite bilden. In diesem Fall versprödet die Legierung mit der Mischphase.
• Bei M handelt es sich um zur Bildung der amorphen Legierung erforderliche Elemente, und M ist sowohl in der amorphen als auch der kristallinen Phase enthalten. Die Festigkeit der Gefügegrundmasse und der kristallinen Teilchen wird durch M erhöht. Liegt der Anteil von M unter 5 Atomprozent, so ist das Sinterungsvermögen der Legierung so gering, daß eine industrielle Sinterung einer solchen Legierung schwierig ist. Bei einem Gehalt an M von mehr als 15 Atomprozent werden andererseits intermetallische Verbindungen gebildet und in der amorphen Phase ausgefällt.
• Die Figur 1 zeigt das Verhältnis zwischen den X- und M-Gehalten. Liegt der Anteil an X über der Linie X1X2, d.h. bleibt der Gehalt an M unter der Linie X1X2, so gestaltet sich die Ausfällung von Alpha-Aluminium als schwierig.
• T, d.h. Mo, Mn Cr, Zr bzw. V bewirkt eine Verringerung des Durchmessers der Dispersionsteilchen und eine lösungsbedingte Verbesserung der Festigkeit der Dispersionsteilchen. Liegt der Anteil an T unter 0.2 Atomprozent, so fallen das Feinen und die Lösungsverfestigung der Dispersionsteilchen nicht zufriedenstellend aus. Beträgt andererseits der T-Gehalt mehr als 3.0 Atomprozent, so ist das Sinterungsvermögen der Legierung so stark beeinträchtigt, daß sich ein Produktivitätsverlust ergibt. Darüberhinaus wird es schwierig, die Legierung durch Regelung der Abkühlgeschwindigkeit zu sintern, was industriell notwendig ist.
• Die kristallinen Teilchen haben bevorzugt einen durchschnittlichen Durchmesser von 1 nm bis 100 nm. Die kristallinen Teilchen sind nach Möglichkeit in einer Menge von zwischen 5 bis 40 Volumenprozent und speziell zwischen 10 und 30 Volumenprozent vorhanden.
• Das komplexe kristalline und amorphe Gefüge kann durch Wärmebehandlung der vollständihg amorphen Legierung ausgebildet werden. Die Wachstumsgeschwindigkeit der Kristalle ist bei der Wärmebehandlung jedoch höher als bei der Abkühlung der geschmolzenen Legierung. Daher werden die Kristalle während der Wärmebehandlung gröber als der bevorzugte Durchmesser und Volumengehalt. Außerdem ergibt sich eine ungleichmäßige Dispersion und Ausfällung der Kristalle, so daß Festigkeit und Zähigkeit der wärmebehandelten Legierung gering sind.
• Die Erfindung sei nunmehr im Nachstehenden anhand von Beispielen beschrieben.
Beispiel
• Figur 2 zeigt eine Vorrichtung zur Herstellung der amorphen Legierungen. Diese Vorrichtung ist eine Einwalzenausführung und umfaßt die Kühlwalze 1, die Düse 2 und die Hochfrequenz-Induktionsheizspule 3. Die Kühlwalze 1 ist aus Chromkupfer hergestellt und dreht im Uhrzeigersinn, wie dies aus der Zeichnung ersichtlich ist. Die Düse 2 besteht aus Quarz und besitzt eine Austrittsöffnung 2. Die Düse 2 ist feststehend, wobei die Austrittsöffnung 2 in der Nähe des äußeren Umfangs der Kühlwalze 1 zu liegen kommt. Die Düse 2 wird durch die Hochfreguenz- Induktionsheizspule 3 erhitzt. Für die Bauteile 1, 2 und 3 kann eine Schutzatmosphäre vorgehalten werden.
• Im vorliegenden Beispiel wurden eine Kühlwalze 1 mit einem Durchmesser von 200 mm und eine Düse 2 mit einem Austrittsdurchmesser von 0.3 mm verwendet. Der Abstand zwischen dem Austritt der Düse und dem äußeren Umfang der Kühlwalze 1 wurde auf 1.5 mm eingestellt. Als Schutzgas um die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung herum wurde Argon verwendet, das im allgemeinen für die Herstellung von amorphen Aluminiumlegierungen zum Einsatz kommt.
• Zunächst wurden Blöcke aus Stammlegierungen mit diesen speziellen Eigenschaften vorbereitet. Der Block wurde dann auf ein bestimmtes Gewicht abgewogen und in die Düse 2 eingesetzt. Danach wurde der Block durch die HochfreguenzInduktionsheizspule 3 geschmolzen, um die in Figur 2 mit "m" bezeichnete flüssige Legierung zu erhalten. Die flüssige Legierung m wurde danach durch den Austritt der Düse 2 auf den äußeren Umfang der Kühlwalze 1 durch Argongas mit einem typischen Druck von 0.4 kg/cm² aufgebracht. Die so aufgebrachte flüssige Legierung wurde dann auf dem äußeren Umfang der Kühlwalze 1 abgekühlt und in Form eines Bandes 4 herausgezogen. Die Banddicke betrug 0.015 mm. Sobald das Band 4 gebildet worden war, wurde es schnell abgekühlt. Nachdem die Abkühlgeschwindigkeit durch Änderung der Drehzahl der Kühlwalze 1 auf unter den zur Erlangung der einphasigen amorphen Legierung, d.h. der Legierung mit 100 Volumenprozent amorphen Bestandteilen herabgesetzt worden war, zeigte sich die teilweise kristalline Phase in der Legierung während der Erstarrung der amorphen Legierung. Dies hat zur Folge, daß das so erhaltene Band ein komplexes Gefüge aufweist dergestalt, daß die Gefügegrundmasse der Aluminiumlegierung amorph ist und aus Al, X, M und T besteht, während die Minoritätsphase sich aus den fein verteilten Teilchen des Alpha- Aluminiums zusammensetzt (Aluminium mit kubisch-flächenzentriertem Gitter). Auf diese Weise wird die Festigkeit der Aluminiumlegierung beträchtlich erhöht.
Beispiel 1
• Die amorphe Legierung der Zusammensetzung Al88Y2Ni9Mn1 wurde nach vorstehendem Verfahren hergestellt. Die in Tabelle 1 aufgeführten Legierungen A bis D wurden unter Veränderung der Drehzahl der Kühlwalze 1 produziert, um das Verhältnis zwischen der Drehzahl und dem Anteil der amorphen Phase untersuchen zu können. Die Ergebnisse sind aus Tabelle 1 ersichtlich. Tabelle 1 Amorphe Legierungen Drehzahl der Kühlwalze (UPM) Phase Anteil der kristallinen (Volumenprozent)
• Bei den kristallinen Teilchen handelte es sich um eine übersättigte Feststofflösung von Aluminium.
• Die Figur 3 zeigt das Röntgenbeugungsdiagramm der amorphen Legierung C. Die verwendete Anode der Röntgenrähre bestand aus Kupfer, wobei die Linie K benutzt wurde. Aus Figur 3 ist ersichtlich, daß die amorphe Legierung C ein Gefüge aufweist, wie es vom kristallinen Alpha-Aluminium in der amorphen Gefügegrundmasse ausgefällt wird.
Beispiel 2
• Die erfindungsgemäße Zusammensetzung AL88Y2Ni9Mn1 und die Vergleichszusammensetzung Al88Y2Ni120 wurden entsprechend dem Beispiel 1 geschmolzen und zur Erstarrung gebracht, wobei die Drehzahl der Kühlwalze verändert wurde. In der Figur 4 ist das Verhältnis zwischen der Zugfestigkeit und dem Volumenanteil der kristallinen Phase des Alpha-Aluminiums für die als "S2" bezeichnete erfindungsgemäße Zusammensetzung Al88Y2Ni9Mn1 und die als "S1" bezeichnete Vergleichszusammensetzung Al88Y2Ni10 dargestellt.
• Wie aus Figur 4 zu ersehen, ist die Festigkeit der komplexen amorph-kristallinen Legierung höher als die der Legierung mit der allein amorphen Phase. Die Festigkeit der amorphen Legierung Al88Y2Ni9Mn1 ohne kristalline Phase ist buchstäblich die gleiche wie bei der Vergleichslegierung Al88Y2Ni10 ohne Mn. Demgemäß bringt die Zugabe von Mn zur vollständig amorphen Legierung keine Erhöhung der Festigkeit mit sich. Demgegenüber ergibt die Zugabe von Mn zur erfindungsgemäßen Zusammensetzung bei Ausfällung der kristallinen Phase eine höhere Festigkeit. Dies bedeutet: die Zugfestigkeit der Vergleichslegierung ohne Mn und mit kristalliner Phase liegt bei 110 kg/mm², während die Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung mit Mn und kristalliner Phase einen Wert von 130 kg/mm² erreicht.
• Ungefähr 40 Volumenprozent der kristallinen Phase des Alpha- Aluminiums gehörigen zu der Zusammensetzung, bei der aufgrund der kristallinen Phase sowohl bei der erfindungsgemäßen Legierung Al88Y2Ni9Mn1 als auch bei der Vergleichslegierung Al88Y2Ni10 die Versprödung einsetzt.
• Durch Untersuchung der Legierung Al88Y2Ni9Mn1 mit einem komplexen Gefüge mittels Transmissionselektronenmikroskop (TEM - 200 kV) konnte festgestellt werden, daß das Alpha-Aluminium mit einem Teilchendurchmesser von einigen Nanometern bis zu einigen Zehntel Nanometer in der amorphen Gefügegrundsmasse in Form einzelner Stellen vorhanden war. Ebenfalls zeigte sich bei der mittels TEM durchgeführten Untersuchung der Legierung Al88Y2Ni10 mit einem komplexen Gefüge, daß das Alpha-Aluminium mit einem Teilchendurchmesser von einigen Zehntel Nanometer bis zu einigen Hundertstel Nanometer in der amorphen Gefügegrundmasse stellenweise anzutreffen war.
Beispiel 3
• Die Legierungen mit der in Tabelle 2 aufgeführten Zusammensetzung wurden nach dem in Beispiel 1 beschriebenen Verfahren geschmolzen und zur Erstarrung gebracht. Angaben zu Gefüge und Zugfestigkeit der Legierungen sind aus der Tabelle 2 ersichtlich. Tabelle 2 Chemische Zusammensetzung (Atomprozent) Rest Gefüge amorph, Zugfestigkeit Gefüge amorph + kristallin, Zugfestigkeit (a) = Vergleichslegierung (b) = Erfindungsgemäße Legierung

Claims (2)

1. Teilchendispersionsartige amorphe Aluminiumlegierung in der Zusammensetzung Al100-a-b-cXaMbTc, wobei:

X mindestens ein aus der aus Y (Yttrium) und seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist;

es sich bei M um mindestens ein Element aus der aus Fe, Co und Ni bestehenden Gruppe handelt;

T mindestens ein Element aus der aus Mn, Mo, Cr, Zr und V bestehenden Gruppe ist;

der Gehalt "a" an X zwischen 0.5 und 5 Atomprozent ausmacht;

der Gehalt "b" an M zwischen 5 und 15 Atomprozent liegt;

der Gehalt "c " an T zwischen 0.2 und 3.0 Atomprozent beträgt;

und die Gehalte an X und M innerhalb des schraffierten Bereiches in beigefügter Figur 1 liegen;

wobei die Legierung ein komplexes amorph-kristallines Gefüge mit einer das Aluminium, X, M und T enthaltenden amorphen Gefügegrundmasse und eine kristalline Minoritätsphase umfaßt, die aus in der Gefügegrundmasse verteilten Alpha- Aluminiumteilchen besteht und über-sättigte X, M und T als Lösungsprodukte enthält, wobei die Teilchen einen mittleren Durchmesser von zwischen 1 nm bis 100 nm haben und in einer Menge von zwischen 5 und 40 Volumenprozentz vorhanden sind.

2. Teilchendispersionsartige amorphe Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, die im gegossenen Zustand die Form eines schnell abgekühlten Bandes hat.