HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine hochfeste, wärmebeständige Legierung auf
Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und Verformbarkeit sowie einer herausragenden
Festigkeit bei hohen Temperaturen und ein verdichtetes und verfestigtes Material aus einer
Legierung auf Aluminiumgrundlage, das durch Verdichten und Verfestigen der Legierung
hergestellt wird, sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Eine Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und einer hohen
Wärmebeständigkeit wurde bislang mit dem Flüssigkeitsabschreckverfahren o. dgl. hergestellt.
Insbesondere liegt eine mit dem Flüssigkeitsabschreckverfahren hergestellte, in der japanischen
Patentoffenlegungsschrift Nr. 275732/1989 offenbarte Legierung auf Aluminiumgrundlage in
einem amorphen oder mikrokristallinen Zustand vor und ist eine herausragende Legierung mit
einer hohen Festigkeit, einer hohen Wärmebeständigkeit und einer hohen Korrosionsfestigkeit.
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Wenngleich die in der oben angegebenen japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr.
275732/1989 offenbarte Legierung auf Aluminiumgrundlage eine Legierung mit einer hohen
Festigkeit, einer hohen Wärmebeständigkeit und einer hohen Korrosionsfestigkeit ist und eine
herausragende Bearbeitbarkeit zeigt, wenn sie als Material hoher Festigkeit benutzt wird, gibt es
Raum für Verbesserungen, wenn die Legierung auf Aluminiumgrundlage als Material eingesetzt
wird, von dem eine hohe Zähigkeit und eine Hochtemperaturfestigkeit gefordert wird. Demgemäß
besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung einer hochfesten Legierung auf
Aluminiumgrundlage mit einer herausragenden Zähigkeit und einer Hochtemperaturfestigkeit, in
der Bereitstellung eines daraus hergestellten verdichteten und verfestigten Materials sowie in der
Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen desselben.
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Ferner offenbart die JP-A-3249148 A1, Ti-Legierungen, die mittels eines
Durckerstarrungsverfahrens erhalten werden und eine geringe Temperaturausdehnung
bereitstellen.
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Schließlich ist in der EP-A-136 508 offenbart, daß eine hohe Festigkeit bei erhöhten
Temperaturen von gemäß der Formel AlbalFeaXb gebildeten Legierungen auf Aluminiumgrundlage
bereitgestellt wird, wobei X mindestens ein aus der aus Zn, Co, Ni, Cr, Mo, V, Zr, Ti, Y, Si und
Ce bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, a im Bereich von etwa 7 bis 15 Gew.-% liegt
und b im Bereich von etwa 1,5 bis 10 Gew.-% liegt.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß ihrem ersten Gesichtspunkt richtet sich die Erfindung auf ein verdichtetes und
verfestigtes Material aus einer hochfesten und wärmebeständigen Legierung auf
Aluminiumgrundlage, das hergestellt wird durch Verdichten und Verfestigen eines rasch
erstarrten Materials mit einer durch die allgemeine Formel AlbalTiaMb oder AlbalTiaMbQc
dargestellten Zusammensetzung, in der M mindestens ein aus V, Cr, Mn, Co, Cu, Y, Zr, Nb, Mo,
Hf, Ta und W ausgewähltes Element darstellt; Q mindestens ein aus Mg und Si ausgewähltes
Element darstellt; und a, b und c Angaben in Gewichtsprozent sind, für die gilt 7 ≤ a ≤ 20,
0,2 ≤ b ≤ 20 und 0,1 ≤ c ≤ 5, wobei das Material besteht aus einer Matrix aus Aluminium
oder einer übersättigten Aluminiumfeststofflösung, deren mittlere Kristallkorngröße 40 bis 1000
nm beträgt sowie homogen in der Matrix verteilten Teilchen, die aus einer stabilen Phase oder
einer metastabilen Phase verschiedenartiger aus dem Matrixelement und anderen legierenden
Elementen gebildeter intermetallischer Verbindungen besteht und/oder aus verschiedenartigen aus
den anderen legierenden Elementen selbst gebildeten intermetallischen Verbindungen, wobei die
intermetallischen Verbindungen eine mittlere Teilchengröße von 10 bis 800 nm aufweisen.
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Das verdichtete und verfestigte Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage
kann hergestellt werden durch Schmelzen eines gemäß der oben angegebenen
Legierungszusammensetzung gebildeten Materials, rasches Erstarren der Schmelze zu einem
Pulver oder zu Flocken; Verdichten des resultierenden Pulvers bzw. der resultierenden Flocken
und Unterziehen des verdichteten Pulvers bzw. der verdichteten Flocken einer Preßformung und
Verfestigung mittels einer herkömmlichen plastischen Bearbeitung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die erfindungsgemäße Legierung auf Aluminiumgrundlage kann hergestellt werden, in
dem ein geschmolzenes Metall einer die oben angegebene Zusammensetzung aufweisenden
Legierung einem Flüssigkeitsabschreckverfahren unterzogen wird. Das
Flüssigkeitsabschreckverfahren ist ein Verfahren, bei dem eine geschmolzene Legierung rasch
abgekühlt wird. Beispielsweise sind das Einzelrollenschmelzspinnverfahren, das
Doppelrollenschmelzspinnverfahren, das Schmelzspinnverfahren in rotierendem Wasser
besonders nützlich. Bei diesem Verfahren kann eine Abkühlgeschwindigkeit von etwa 10² bis
10&sup8;
K/sek erhalten werden. Beim Herstellen eines Materials in Form eines dünnen Streifens
mittels des Einzelrollenschmelzspinnverfahrens, Doppelrollenschmelzspinnverfahrens o. dgl. wird
ein geschmolzenes Metall durch eine Düse ausgestoßen auf beispielsweise eine Kupfer- oder
Stahlrolle mit einem Durchmesser von 30 bis 300 mm, die mit einer konstanten Geschwindigkeit
im Bereich von etwa 300 bis 10.000 U/Min gedreht wird. So können verschiedenartige
Materialien in Form dünner Bänder mit einer Breite von etwa 1 bis 300 mm und einer Dicke von
etwa 5 bis 500 µm auf einfache Weise hergestellt werden. Andererseits kann, falls ein feines
Drahtmaterial mittels des Schmelzspinnverfahrens in rotierendem Wasser hergestellt wird, dieses
feine Drahtmaterial auf einfache Weise hergestellt werden durch Ausstoßen eines geschmolzenen
Metalls unter Anlage eines Argongas-Rückdruckes durch eine Düse in eine flüssige
Kühlmittelschicht mit einer Tiefe von etwa 1 bis 10 cm, die mittels der Zentrifugalkraft innerhalb
einer sich mit 50 bis 500 U/Min drehenden Trommel gehalten wird. In diesem Fall liegt der
Winkel zwischen dem durch die Düse ausgestoßenen, geschmolzenen Metall und der
Kühlmitteloberfläche vorzugsweise bei etwa 60 bis 90º, während das
Relativgeschwindigkeitsverhältnis des ausgestoßenen, geschmolzenen Metalls zur Oberfläche des
flüssigen Kältemittels vorzugsweise 0,7 bis 0,9 beträgt.
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Anstelle des Einsatzes des oben beschriebenen Verfahrens kann ein dünner Film mittels
Sputtern hergestellt werden und ein abgeschrecktes Pulver kann mittels verschiedenartiger
Zerstäubungsverfahren, wie etwa dem Hochdruckgassprühverfahren und einem Sprühverfahren,
hergestellt werden.
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Die erfindungsgemäße Legierung kann hergestellt werden mittels des oben beschriebenen
Einzelrollenschmelzspinnverfahrens, Doppelrollenschmelzspinnverfahrens; mittels des
Schmelzspinnverfahrens in rotierendem Wasser, mittels Sputterns, mittels verschiedenartiger
Zerstäubungsverfahren, Sprühverfahren, mechanischer Legierungsverfahren, mittels
mechanischer Mahlverfahren usw. Ferner können, falls notwendig, die mittlere Kristallkorngröße
und die mifliere Teilchengröße der intermetallischen Verbindungen durch geeignete Auswahl der
Herstellungsbedingungen reguliert werden.
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Ferner ist abhängig von der Zusammensetzung auch die Herstellung einer amorphen
Struktur möglich. Die amorphe Struktur zerfällt beim Erwärmen oberhalb einer speziellen
Temperatur in eine kristalline Struktur. Die erfindungsgemäße Legierung kann mittels dieses
Wärmezerfalls der amorphen Struktur hergestellt werden. In diesem Fall kann die mittlere
Kristallkorngröße durch geeignete Wahl der Erwärmungsbedingungen so geregelt werden, daß sie
in den mit dieser Erfindung festgelegten mittleren Kristallkorngrößenbereich fällt.
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Das erfindungsgemäße verdichtete und verfestigte Material aus einer Legierung auf
Aluminiumgrundlage kann hergestellt werden mittels eines Verfahrens, das umfaßt das
Schmelzen eines Materials mit der oben angegebenen Zusammensetzung, das rasche Erstarren
der Schmelze, das Verdichten des resultierenden Pulvers bzw. der resultierenden Flocken und das
Unterziehen des so verdichteten Pulvers bzw. der so verdichteten Flocken einer Preßformung und
Verfestigung mittels herkömmlicher Techniken für eine plastische Bearbeitung. In diesem Fall
sollte das Pulver oder die Flocken als Rohmaterial eine amorphe Phase, eine übersättigte
Feststofflösung oder die oben angegebene feine kristalline Phase mit einer mittleren
Kristallkorngröße von 1000 nm oder weniger und eine mittlere Teilchengröße intermetallischer
Verbindungen von 10 bis 800 nm oder eine die oben beschriebenen Phasen aufweisende
Mischphase aufweisen. In dem Fall des amorphen Materials kann die feine kristalline Phase oder
eine den oben beschriebenen Anforderungen genügende Mischphase durch Erwärmen des
amorphen Materials während des Schrittes des Verdichtens auf 50 bis 400ºC gebildet werden.
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Die oben angegebene herkömmliche Technik für eine plastische Bearbeitung sollte in
breitem Sinn interpretiert werden und umfaßt Preßformungs- und pulvermetallurgische
Techniken.
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In der durch die oben angegebene allgemeine Formel dargestellten Legierung auf
Aluminiumgrundlage und dem verdichteten und verfestigten Material aus einer Legierung auf
Aluminiumgrundlage, die durch die oben angegebene allgemeine Formel dargestellt wird, sind die
Werte von a, b und c auf 7 bis 20 Gew.-%, 0,2 bis 20 Gew.-% bzw. 0,1 bis 5 Gew.-%
eingeschränkt, weil das Material eine höhere Festigkeit bei Raumtemperatur bis zu 400ºC
aufweist, als die herkömmliche (käuflich erhältliche) Legierung auf Aluminiumgrundlage hoher
Festigkeit, sowie eine Duktilität, mit der sie einer praktischen Bearbeitung widerstehen kann,
wenn a, b und c jeweils in den oben beschriebenen Bereichen liegen.
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Bei der erfindungsgemäßen Legierung auf Aluminiumgrundlage und dem
erfindungsgemäßen verdichteten und verfestigtem Material aus einer Legierung auf
Aluminiumgrundlage ist das Ti-Element ein Element mit einer geringen Dispergierfähigkeit in einer
Al-Matrix und wenn Ti als intermetallische Verbindung fein in der Al-Matrix dispergiert wird, hat
es die Wirkung einer Verfestigung der Matrix und einer Regelung des Kristallkornwachstums. Es
kann insbesondere die Härte und Festigkeit der Legierung und des verfestigten Materials
verbessern sowie die feine kristalline Phase nicht nur bei Raumtemperatur sondern auch bei
hohen Temperaturen stabilisieren, so daß davon die Eigenschaft einer Wärmebeständigkeit
verliehen wird.
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Das M-Element ist mindestens ein Element ausgewählt aus V, Cr, Mn, Co, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Hf,
Ta und W. Diese Elemente besitzen eine geringe Dispergierfähigkeit in der Al-Matrix und bilden
verschiedenartige metastabile oder stabile intermetallische Verbindungen, die zur Stabilisierung
der feinen kristallinen Struktur beitragen.
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Das Q-Element ist mindestens ein Element ausgewählt aus Mg und Si. Es vereinigt sich
mit Al oder einem anderen Q-Element zur Bildung einer Verbindung. Wenn diese Elemente in einer
geringen Menge zurückgegeben werden, verfestigt die so gebildete Verbindung die Matrix,
verbesserte die Festigkeit und kann gleichzeitig die Wärmebeständigkeit, spezifische Festigkeit
sowie die spezifische Elastizität verbessern.
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Bei dem erfindungsgemäßen verfestigten Material aus einer Legierung auf
Aluminiumgrundlage ist die mittlere Kristallkorngröße der Matrix auf 40 bis 1000 nm
eingeschränkt, weil die Duktilität unzureichend ist, obwohl die Festigkeit hoch ist, wenn sie
weniger als 40 nm beträgt, während die Festigkeit abnimmt, wenn sie 1000 nm überschreitet.
Die mittlere Teilchengröße der intermetallischen Verbindungen ist auf 10 bis 800 nm
eingeschränkt, weil die intermetallischen Verbindungen nicht als Elemente zum Verfestigen der
Al-Matrix wirken, wenn sie außerhalb des oben angegebenen Bereiches liegen. Insbesondere
tragen die intermetallischen Verbindungen nicht zur Verfestigung der Al-Matrix bei, wenn die
mittlere Teilchengröße geringer als 10 nm ist. In diesem Fall besteht die Möglichkeit, daß das
Material spröde werden kann, wenn die intermetallischen Verbindungen übermäßig in der
Feststofflösungsform in der Matrix gelöst sind. Andererseits wird die Größe der dispergierten
Teilchen übermäßig groß, wenn die mittlere Teilchengröße 800 nm überschreitet. Folglich kann
die Festigkeit nicht aufrechterhalten werden und die intermetallischen Verbindungen können nicht
als Verfestigungselemente dienen. Wenn die mittlere Teilchengröße im oben angegebenen Bereich
liegt, wird eine Verbesserung des Young-Moduls, der Hochtemperaturfestigkeit und der
Ermüdungsfestigkeit möglich.
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In dem erfindungsgemäßen verfestigten Material aus einer Legierung auf
Aluminiumgrundlage kann die mittlere Kristallkorngröße und der Dispersionszustand der
intermetallischen Verbindungen durch eine geeignete Wahl der Herstellungsbedingungen reguliert
werden. Wenn auf die Festigkeit Wert gelegt wird, werden die mittlere Kristallkorngröße der
Matrix und die mittlere Teilchengröße der intermetallischen Verbindungen verringert, während,
wenn auf die Duktilität Wert gelegt wird, die mittlere Kristallkorngröße der Matrix und die mittlere
Teilchengröße der intermetallischen Verbindungen erhöht werden, um so für verschiedenartige
Zwecke geeignete verfestigte Materialien herzustellen.
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Wenn die mittlere Kristallkorngröße der Matrix so geregelt wird, daß sie in dem Bereich
von 40 bis 1000 nm liegt, ist ferner der Erhalt herausragender Eigenschaften möglich, die für ein
eine superplastische Bearbeitung in einem Umformungsgeschwindigkeitsbereich von 10&supmin;² bis
10² s&supmin;¹ erlaubende Materialien notwendig sind.
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Elemente, wie etwa B und C, verschlechtern nicht die Festigkeitseigenschaften und die
Wärmebeständigkeit, so lange sie in einer Menge von 1 % oder weniger enthalten sind.
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Die Erfindung wird nachstehend detaillierter unter Bezugnahme auf die folgenden
Beispiele beschrieben.
Beispiele
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Ein Pulver aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer vorgegebenen
Zusammensetzung wurde mittels einer Gaszerstäubungsvorrichtung hergestellt. Das so
hergestellte Pulver aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage wurde in eine Metallkapsel gefüllt
und mittels einer Vakuum-Heißpressung wurde unter Entgasung ein Preßling für eine Extrusion
hergestellt. Dieser Preßling wurde mittels einer Extrusionsvorrichtung bei einer Temperatur von
200 bis 550ºC extrudiert.
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Unter den oben beschriebenen Bedingungen wurden zwanzig Arten verfestigter
Materialien (extrudierter Materialien) mit in der linken Spalte der Tabelle 1 angegebenen
Zusammensetzungen (Gew.-%) hergestellt.
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Wie in der rechten Spalte der Tabelle 1 dargestellt, wurden die verfestigten Materialien
Messungen hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit bei Zimmertemperatur, hinsichtlich ihres Young-
Moduls (Elastizitätsmodul), hinsichtlich ihrer Härte und hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit bei einer
hohen Temperatur von 300ºC unterzogen.
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Aus den in Tabelle 1 angegebenen Ergebnissen geht hervor, daß die erfindungsgemäßen
verfestigten Materialien im Vergleich zu herkömmlichen (käuflich erhältlichen) hochfesten Al-
Legierungen (Ultraduralumin), die eine Zugfestigkeit von 500 MPa bei Raumtemperatur und eine
Zugfestigkeit von 100 MPa oder weniger bei einer Temperatur von 300ºC aufweisen, überlegene
Eigenschaften aufweisen. Ferner ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen verfestigten
Materialien auch hinsichtlich ihres Young-Moduls (Elastizitätsmodul) im Vergleich zu
herkömmlichen (käuflich erhältlichen) hochfesten Al-Legierungen (Duralumin) mit einem Young-
Modul von etwa 7000 kgf/mm² überlegen sind. Weil die erfindungsgemäßen verfestigten
Materialien einen hohen Young-Modul aufweisen, zeigen sie solche Eigenschaften, daß das Maß
einer Auslenkung und das Maß einer Verformung vorteilhafterweise gering ist, wenn die gleiche
Last aufgebracht wird. Daher ist ersichtlich, daß das erfindungsgemäße verfestigte Material
hinsichtlich seiner Zugfestigkeit bei einer Temperatur im Bereich von Raumtemperatur bis zu einer
hohen Temperatur von 300ºC, hinsichtlich seiner Härte und seines Young-Moduls herausragend
ist.
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Die Härte wurde mit einem Vickers-Mikrohärte-Testgerät unter einer Last von 25 g
gemessen.
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Die in Tabelle 1 angegebenen Materialien wurden einer Messung ihrer Dehnbarkeit bei
Raumtemperatur unterzogen, um herauszufinden, daß die Dehnbarkeit oberhalb eines Wertes
liegt, der für eine allgemeine Bearbeitung notwendig ist, d.h. oberhalb von 2%. Von jedem der
unter den oben angegebenen Herstellungsbedingungen erhaltenen verfestigten Materialien
(extrudierten Materialien) wurde ein Teststück für eine Untersuchung unter einem TEM
abgeschnitten und die Untersuchung wurde hinsichtlich der Kristallkorngröße der Matrix und der
Teilchengröße der intermetallischen Verbindungen ausgeführt.
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Jede der Proben zeigte eine Matrix aus Aluminium oder einer übersättigten Aluminium-
Feststofflösung mit einer mittleren Kristallkorngröße von 40 bis 1000 nm und aus einer stabilen
Phase oder einer metastabilen Phase verschiedenartiger intermetallischer Verbindungen, die aus
den Matrixelementen und anderen legierenden Elementen gebildet waren und/oder
verschiedenartigen intermetallischen Verbindungen, die aus den anderen legierenden Elementen
gebildet sind bestehende Teilchen, die homogen in der Matrix verteilt sind. Die intermetallischen
Verbindungen besitzen eine mittlere Teilchengröße von 10 bis 800 nm.
Tabelle 1
Zusammensetzung
Zugfestigkeit
Young-Modul
Härte
erfindungsgemäßes Beispiel
Rest
Tabelle 1 (Fortsetzung)
erfindungsgemäßes Beispiel
Rest
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Wie vorstehend beschrieben weisen die erfindungsgemäßen Legierungen auf
Aluminiumgrundlage und das verdichtete und verfestigte Material daraus eine herausragende
Festigkeit in einem Bereich von Raumtemperatur bis zu einer hohen Temperatur auf und zeigen
eine Kombination aus hoher Zähigkeit und hoher Elastizität, so daß sie als Baumaterial verwendet
werden können, von dem eine herausragende Bearbeitbarkeit und eine hohe Zuverlässigkeit
gefordert wird. Ferner ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Herstellung eines
verdichteten und verfestigten Materials mit herausragenden Eigenschaften möglich.