DE69208320T2

DE69208320T2 - Hochfeste Legierung auf Aluminiumbasis mit hoher Zähigkeit

Info

Publication number: DE69208320T2
Application number: DE69208320T
Authority: DE
Inventors: Makoto Kawanishi; Kazuhiko Kita; Hidenobu Nagahama; Takeshi Terabayashi
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 1991-11-01
Filing date: 1992-11-02
Publication date: 1996-08-29
Anticipated expiration: 2012-11-03
Also published as: JP3205362B2; DE69208320D1; US5714018A; JPH05125474A; EP0540055A1; EP0540055B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und einer herausragenden Zähigkeit, die durch ein Abschreckerstarrungsverfahren hergestellt wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Bislang wurde eine Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Wärmebeständigkeit durch ein Flüssigkeitsabschreckverfahren hergestellt, welches insbesondere in dem Japanischen Patent mit der Offenlegungsnummer 275732/1989 offenbart ist. Die mit dem Flüssigkeitsabschreckverfahren erhaltene Legierung auf Aluminiumgrundlage ist eine amorphe oder mikrokristalline Legierung und ist eine herausragende Legierung mit einer hohen Festigkeit, einer hohen Wärmebeständigkeit und einer hohen Korrosionsbeständigkeit.
Wenngleich die vorstehend angegebene herkömmliche Legierung auf Aluminiumgrundlage eine herausragende Legierung ist, die eine hohe Festigkeit, eine hohe Wärmebeständigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit zeigt, und trotz der Tatsache, daß sie ein Material hoher Festigkeit ist, eine herausragende Bearbeitbarkeit zeigt, ermöglicht sie dennoch weitere Verbesserungen hinsichtlich der Zähigkeit, wenn sie als Material verwendet wird, von dem eine hohe Zähigkeit gefordert wird. Als allgemeine Regel kann gesagt werden, daß eine mit einem Abschreckerstarrungsverfahren hergestellte Legierung Probleme dahingehend mit sich bringt, daß sie für thermische Einflüsse während einer Bearbeitung empfänglich ist und aufgrund der thermischen Einflüsse abrupt ihre herausragenden Eigenschaften, wie etwa ihre hohe Festigkeit verliert. Die oben angegebene Legierung auf Aluminiumgrundlage ist keine Ausnahme der vorstehend erwähnten allgemeinen Regel und läßt immer noch Raum für weitere Verbesserungen in dieser Hinsicht.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Angesichts des Vorhergehenden besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer hochfesten Legierung auf Aluminiumgrundlage hoher Zähigkeit, der die Beibehaltung ihrer durch das Abschreckerstarrungsverfahren bereitgestellten herausragenden Eigenschaften sowie einer hohen Festigkeit und einer hohen Zähigkeit möglich ist, selbst wenn sie während ihrer Bearbeitung einem thermischen Einfluß ausgesetzt wird.
Die Erfindung liefert eine hochfeste Legierung auf Aluminiumgrundlage, die durch rasches Erstarren erhalten wird, mit einer durch die folgende allgemeine Formel dargestellten Zusammensetzung:
AlaNibXcMdQe
in der X mindestens ein aus der aus La, Ce, Mm (Mischmetall), Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist; M mindestens ein aus der aus V, Cr, Mn, Fe, Co, Y, Nb, Mo, Hf, Ta und W bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist; Q mindestens ein aus der aus Mg, Si, Cu und Zn bestehendn Gruppe ausgewähltes Element ist; und a, b, c, d und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 83 ≤ a ≤ 94,3, 5 ≤ b ≤ 10, 0,5 ≤ c ≤ 3, 0,1 ≤ d ≤ 2 und 0,1 ≤ e ≤ 2.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die einzige Figur ist eine der Erläuterung dienende Darstellung, in der ein Beispiel eines zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierungen gut geeigneten Gerätes gezeigt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bei der oben angegebenen erfindungsgemäßen Legierung besitzt das Element Ni eine herausragende Fähigkeit zur Ausbildung einer amorphen Phase oder einer übersättigten Feststofflösung und dient zur Raffinierung der kristallinen Struktur der intermetallische Verbindungen enthaltenden Legierung und zur Herstellung einer hochfesten Legierung mit einem Abschreckerstarrungsverfahren. Der Ni-Anteil in der oben angegebenen Legierung ist auf 5 bis 10 Atom-% eingeschränkt, weil ein Ni-Anteil von weniger als 5 Atom-% zu einer ungenügenden Festigkeit der durch rasches Abschrecken erhaltenen Legierung führt, während ein Ni-Anteil von mehr als 10 Atom-% zu einem plötzlichen Abfall der Zähigkeit (Duktilität) der so erhaltenen Legierung führt.
Das Element X ist mindestens ein aus der aus La, Ce, Mm, Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Element und dient zur Verbesserung der thermischen Stabilität der amorphen Struktur, der übersättigten Feststofflösung oder der mikrokristallinen Struktur und auch zur Verbesserung der Festigkeit der Legierung. Der Anteil des X-Elementes in der oben angegebenen Legierung ist auf 0,5 bis 3 Atom-% eingeschränkt, weil ein Anteil davon von weniger als 0,5 Atom-% zu Unzulänglichkeiten hinsichtlich der oben erwähnten Wirkungen führt, während ein 3 Atom-% überschreitender Anteil einen plötzlichen Abfall der Zähigkeit (Duktilität) der so erhaltenen Legierung zum Ergebnis hat.
Das Element M ist mindestens ein aus der aus V, Cr, Mn, Fe, Co, Y, Nb, Mo, Hf, Ta und W bestehenden Gruppe ausgewähltes Element und dient zur Verbesserung der thermischen Stabilität der rasch erstarrten Struktur, wie etwa der amorphen Struktur, der übersättigten Feststofflösung oder der mikrokristallinen Struktur und zur Beibehaltung der oben beschriebenen Eigenschaften, selbst wenn die Legierung einem thermischen Einfluß ausgesetzt wird. Die Zugabe des Elementes M zu der Legierung in einer geringen Menge übt keinen nachteilhaften Einfluß auf die herausragende Zähigkeit (Duktilität) der Legierung auf Al-Ni-X-Grundlage aus. Der Anteil des Elementes M in der oben angegebenen Legierung ist auf 0,1 bis 2 Atom-% eingeschränkt, weil ein Anteil davon von weniger als 0,1 Atom-% zu Unzulänglichkeiten hinsichtlich der oben angegebenen Wirkungen führt, während ein 2 Atom-% überschreitender Anteil die Wirkung der Verhinderung der Raffinierung der oben angegebenen rasch erstarrten Struktur zum Ergebnis hat und einen nachteilhaften Einfluß auf die Zähigkeit (Duktilität) der so erhaltenen Legierung ausübt.
Das Element Q ist wirksam, wenn eine mikrokristalline Struktur, insbesondere ein Zustand einer übersättigten Feststofflösung oder eine zusammengesetzte Struktur mit intermetallischen Verbindungen erhalten wird und ermöglicht eine Verfestigung der Matrixstruktur, eine Erhöhung der thermischen Stabilität und eine Verbesserung der spezifischen Steifheit sowie der spezifischen Festigkeit der Legierung, weil das oben angegebene Element eine Feststofflösung mit dem kristallinen Al bildet oder in Körnern als Verbindung davon verteilt wird. Der Anteil des Elementes Q in der oben angegebenen Legierung ist auf 0,1 bis 2 Atom-% eingeschränkt, weil ein Anteil davon von weniger als 0,1 % zu Unzulänglichkeiten hinsichtlich der oben beschriebenen Wirkungen führt, während ein 2 Atom-% überschreitender Anteil in der Wirkung einer Veränderung der Raffinierung der rasch erstarrten Struktur resultiert und einen nachteilhaften Einfluß auf die Zähigkeit (Duktilität) der Legierung ausübt, wie im Fall des oben angegebenen Elementes M.
Die erfindungsgemäße Legierung auf Aluminiumgrundlage wird durch rasches Erstarren der Schmelze der Legierung mit der oben angegebenen Zusammensetzung durch ein Flüssigkeitsabschreckverfahren erhalten. In diesem Fall ist eine Kühlgeschwindigkeit von 10&sup4; bis 10&sup6; K/sek besonders wirksam.
Nachstehend wird die Erfindung in weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf das Beispiel beschrieben.

Beispiel

Mit einem Hochfrequenz-Schmelzofen wurde eine geschmolzene Legierung 3 mit einer vorgegebenen Zusammensetzung hergestellt, in ein Quarzrohr 1 mit einer kleinen Öffnung 5 mit einem Durchmesser von 0,5 mm an einem Ende davon, wie in der Figur dargestellt, gegeben und durch Erwärmen geschmolzen. Danach wurde das Quarzrohr 1 unmittelbar oberhalb einer Kupferrolle 3 angeordnet. Dann wurde die geschmolzene Legierung 3 im Quarzrohr 1 aus dem kleinen Loch 5 des Quarzrohrs 1 auf die Rolle 2 ausgestoßen, und zwar bei einer hohen Geschwindigkeit der Rolle 2 von 3000 bis 5000 U/Min, unter einem Argongas-Druck von 0,7 kg/cm² und zum Erhalt einer rasch erstarrten Legierung in Form eines dönnen Bandes 4 in Kontakt mit der Oberfläche der Rolle 2 gebracht.
Unter den obengenannten Herstellungsbedingungen wurden 29 Arten dünner Bänder mit einer Breite von 1 mm und einer Dicke von 20 µm erhalten, deren Zusammensetzungen in Atom-% in Tabelle 1 angegeben sind. Als Ergebnis einer Röntgenbeugungsuntersuchung wurde für jedes der Bänder bestätigt, daß sowohl amorphe Legierungen als auch Kompositlegierungen, die aus einer amorphen Phase und einer mikrokristallinen Phase gebildet sind, erhalten wurden, wie in der rechten Spalte in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse einer Beobachtung der Proben der oben angegebenen Kompositlegierungen unter einem TEM (Transmissionselektronmikroskop) zeigten eine Mischphasenstruktur, in der eine FCC (face-centered cubic) Kristallphase homogen und fein in einer amorphen Phase verteilt war. In Tabelle 1 bezeichnet "amorph" eine amorphe Phase und "mikrokrist" bezeichnet eine mikrokristalline Phase. Tabelle 1 Zusamensetzung (Atom-%) Pharsenstruktur erfindungsgem. Bsp. Vergleichsbeispiel amorph. + mikrokrist. Tabelle 1 (Fortsetzung) Zusamensetzung (Atom-%) Pharsenstruktur erfindungsgem. Bsp. Vergleichsbeispiel amorph. + mikrokrist. Tabelle 1 (Fortsetzung) Zusamensetzung (Atom-%) Pharsenstruktur erfindungsgem. Bsp. Vergleichsbeispiel amorph. + mikrokrist.
Jede der oben angegebenen Proben in Form dünner Bänder, die unter den vorstehend beschriebenen Herstellungsbedingungen erhalten wurden, wurde hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit 6 B (MPA) sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei 473K (200ºC) und hinsichtlich ihrer Zähigkeit (Duktilität) untersucht. Die Ergebnisse sind in der rechten Spalte der Tabelle 2 angegeben. Die Zugfestigkeit in der 473K-Umgebung wurde bei 473K geprüft, nachdem die Proben in Form dünner Bänder über einen Zeitraum von 100 Stunden bei 473K gehalten wurden. Tabelle 2 Zimmertemperatur (MPa) erfindungsgem. Beispiel Vergleichsbeispiel Tabelle 2 (Fortsetzung) Zimmertemperatur (MPa) erfindungsgem. Beispiel Vergleichsbeispiel Tabelle 2 (Fortsetzung) erfindungsgem. Beispiel Vergleichsbeispiel
Aus Tabelle 2 geht hervor, daß die erfindungsgemäße Legierung auf Aluminiumgrundlage sowohl bei Zimmertemperatur als auch bei einer erhöhten Temperatur eine hohe Festigkeit aufweist, das heißt, eine Festigkeit von 850 MPA oder mehr bei Zimmertemperatur und eine Festigkeit von 500 MPa oder mehr bei 473K, ohne einen großen Abfall der Festigkeit bei einer erhöhten Temperatur. Daneben weist sie bei Zimmertemperatur eine Dehnbarkeit von 1 % oder mehr auf, was sie als Material mit einer herausragenden Zähigkeit ausweist.
Wie vorstehend beschrieben, besitzt die erfindungsgemäße Legierung auf Aluminiumgrundlage eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit und kann ihre durch ein Abschreckerstarrungsverfahren bereitgestellten herausragenden Eigenschaften selbst dann beibehalten, wenn sie während einer Bearbeitung einen thermischen Einfluß erfährt. Zusätzlich kann durch Zugabe minimierter Mengen von Elementen mit einer hohen spezifischen Schwere zu der Legierung ein Legierungsmaterial mit einer hohen spezifischen Festigkeit bereitgestellt werden.

Claims

Hochfeste Legierung auf Aluminiumgrundlage mit hoher Zähigkeit, die durch rasches Erstarren erhalten wird, mit einer durch die folgende allgemeine Formel dargestellten Zusammensetzung:

AlaNibXcMdQe,

in der X mindestens ein aus der aus La, Ce, Mm (Mischmetall), Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist;

M mindestens ein aus der aus V, Cr, Mn, Fe, Co, Y, Nb, Mo, Hf, Ta und W bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist;

Q mindestens ein aus der aus Mg, Si, Cu und Zn bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist; und

a, b, c, d und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt 83 ≤ a ≤ 94,3; 5 ≤ b ≤ 10; 0,5 ≤ c ≤ 3; 0,1 ≤ d ≤ 2 und 0,1 ≤ e ≤ 2.