DE69304231T2

DE69304231T2 - Hochfeste Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE69304231T2
Application number: DE69304231T
Authority: DE
Inventors: Akihisa Inoue; Tsuyoshi Masumoto; Junichi Nagahora; Toshisuke Shibata; Mitsuru Watanabe
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 1992-03-18
Filing date: 1993-03-17
Publication date: 1997-03-13
Anticipated expiration: 2013-03-18
Also published as: EP0561375A3; JP2911673B2; EP0561375A2; JPH0641702A; US5458700A; DE69304231D1; EP0561375B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Alumiumlegierung hoher Festigkeit, bei der die Festigkeit verbessert ist, indem eine homogene, feine amorphe Phase in Netzwerkform von einer kristallinen Phase umgeben ist.

2. Beschreibung des Standes der Technik

In den japanischen Patentanmeldungen mit den Offenlegungsnummern 260037/1991 und JP-A-4041654 wurden bereits Aluminiumlegierungen hoher Festigkeit offenbart, bei denen eine amorphe Phase zusammen mit einer kristallinen Phase vorliegt.
Diese Legierungen stellen Legierungen hoher Festigkeit mit einer amorphen Matrix und darin verteilten feinen kristallinen Teilchen dar. Bei diesen Legierungen beträgt der Volumenprozentanteil der kristallinen Phase jedoch weniger als 40 % und es bleibt Raum für eine Behebung der Instabilität der die Matrix bildenden amorphen Phase und der dieser Phase eigenen Sprödigkeit. Weil derartige Legierungen eine hauptsächlich aus einer amorphen Phase gebildete Struktur aufweisen, enthalten sie ferner unvermeidbar eine große Menge an Übergangsmetalle und Elemente der seltenen Erden aufweisende Additivelemente, die zu einer Erhöhung der Dichte Anlaß geben.
Bei der herkömmlichen aus einer amorphen Phase und darin verteilten kristallinen Teilchen bestehenden Legierung hoher Festigkeit beträgt das Gesamtvolumen der kristallinen Phase bis zu 40 Volumen%, wobei der Hauptteil des Restes aus einer amorphen Phase besteht. Bei diesen Legierungen ist das Volumen der kristallinen Phase auf 40 % oder weniger beschränkt, weil schädliche intermetallische Verbindungen gebildet werden, wenn es 40 % überschreitet. Die EP-A-0 339 676 offenbart einige in den erfindungsgemäßen Zusammensetzungsbereich fallende Beispiele, es gibt darin jedoch keinerlei Offenbarung hinsichtlich der Größe und der Menge der amorphen Phase. Darüber hinaus gibt es keinerlei Hinweis auf das Vorliegen von Quasikristallen. Bei dieser Erfindung sind Quasikristalle, die einen Typ intermetallischer Verbindungen darstellen, fein in einer amorphen Phase verteilt, um das Auftreten anderer schädlicher intermetallischer Verbindungen in der kristallinen Phase zu verhindern, um dadurch ein Material mit einer exzellenten Zähigkeit und Festigkeit bereitzustellen.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung ist in Anspruch 1 angegeben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die einzige Figur ist eine einen bevorzugten Zusammensetzungsbereich für die Additivelemente bei der Erfindung darstellende Grafik.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Es wurde bereits über viele stabile, hauptsächlich aus Aluminium gebildete amorphe Legierungen berichtet. Es ist bekannt, daß diese Legierungen bei ihren den Legierungen eigenen Kristallisationstemperaturen Tx kristallisieren, wenn sie erwärmt werden. Die Kristallisation gibt jedoch Anlaß zur Bildung schädlicher intermetallischer Verbindungen gleichzeitig mit der Ausscheidung einer Aluminiummatrix, was eine Versprödung der Legierungen verursacht. Bei dieser Erfindung ist das Auftreten verschiedenartiger aus dem Grundelement und den Additivelementen bestehenden intermetallischen Verbindungen auf eine feine Verteilung der intermetallischen Verbindungen in Form von Quasikristallen in einer amorphen Phase beschränkt und eine große Menge aus einer Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase bestehender Teilchen werden ausgeschieden und in einer kristallinen Phase verteilt, die aus Kristallen des Grundelementes bestehen, wobei die Additivelemente in Form einer übersättigten Feststofflösung darin enthalten sind. Wenn ein geschmolzenes Metall mit einer geeigneten Zusammensetzung, das durch homogenes Schmelzmischen eines Grundelementes mit Additivelementen hergestellt wurde durch rasches Abkühlen zum Erstarren gebracht wird, wird eine Mischphase erhalten, die aus einer kristallinen Phase in Netzwerkform, die aus einem Grundelement und darin in Form einer übersättigten Lösung enthaltenen Additivelementen zusammengesetzt ist, und einer feinen, Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase besteht. Wenngleich das rasche Abkühlen den Erhalt feiner Kristallkörner und die Einbeziehung von Additivelementen in Form einer übersättigten Lösung in einer Matrix ermöglicht, selbst in einer kristallinen Phase, besteht die erfindungsgemäße Legierung aus einer Mischphase, die aus einer kristallinen Phase und einer Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase zusammengesetzt ist, und der Anteil der Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase in Volumenprozent beträgt 60 bis 90 %. Ferner weisen die Quasikristalle eine Korngröße von einigen Nanometern oder weniger auf und sind homogen in den amorphen Teilchen verteilt. Diese Kombinationswirkung ist ein den erfindungsgemäßen Legierungen eine hohe Festigkeit verleihender Faktor.
Bei dieser Erfindung ist das erste Additiv mindestens ein aus den Elementen der seltenen Erden, einschließlich Yttrium ausgewähltes Element oder Mm und das zweite Additivelement ist mindestens ein Element, ausgewählt aus Eisen, Mangan, Chrom und Vanadium.
Eine geeignete Zusammensetzung besteht aus Aluminium als Grundelement und Additivelementen, die so zugegeben sind, daß der Anteil (y Atom%) des ersten Additivelements und derjenige (x Atom%) des zweiten Additivelements in den schraffierten Bereich in der Figur fallen, welcher die Beziehung zwischen x und y darstellt, die bestimmt ist durch Linien, welche darstellen: x = 0,5; x = 8, y = 0,5 und y = 6, eine durch Verbinden eines Punktes (x = 0,5; y = 6,5) mit einem Punkt (x = 10, y = 0) gebildete Linie und eine durch Verbinden eines Punktes (x = 0, y = 4) mit einem Punkt (x = 7, y = 0) gebildete Linie. Eine geeignetere Zusammensetzung wird dadurch gebildet, daß die Werte für x und y in einen in der Figur mit strichpunktierten Linien bedeckten Bereich fallen, der durch Linien bestimmt wird, welche darstellen: x = 3 und y = 7, eine durch Verbinden eines Punktes (x = 0, y = 5,5) mit einem Punkt (x = 10, y = 0) gebildete Linie und eine durch Verbinden eines Punktes (x = 0, y = 4,5) mit einem Punkt (x = 8,5; y = 0) gebildete Linie.
Die Anteile des ersten Additivelementes und des zweiten Additivelementes liegen vorteilhafterweise innerhalb des Bereiches, der bestimmt wird durch: 0,5 ≤ x ≤ 8, 0,5 ≤ y ≤ 6, y ≤ -(13/20)x + 6,5 und y ≥ -(4/7)x + 4. Wenn gilt: y > 6, x > 8 und y > -(13/20)x + 6,5, besteht die Legierung aus einer amorphen Phase oder einer aus einer amorphen und einer kristallinen Phase bestehenden Mischphase, aber die Sprödigkeit ist erhöht und die spezifische Schwere ist erhöht, was zur Nichterfüllung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe führt. Wenn gilt: y < 0,5, x < 0,5 und y < -(4/7)x + 4 kann die Legierung ferner keine amorphe Phase aufweisen, was in einer Verringerung der Festigkeit resultiert. Die ersten Additivelemente, d.h. die Elemente der seltenen Erden einschließlich Yttrium und Mm erhöhen die Fähigkeit zur Ausbildung einer amorphen Phase und dienen zur stabilen Beibehaltung der amorphen Phase bis zu einer hohen Temperatur. Eisen, Mangan, Chrom und Vanadium liegen als zweite Additivelemente zusammen mit den ersten Additivelementen vor und dienen zur Erhöhung der Fähigkeit zur Ausbildung einer amorphen Phase und lösen sich gleichzeitig übersättigend in Feststofflösungsform in der kristallinen Phase zur Erhöhung der Festigkeit der Matrix und verbinden sich mit Aluminium zur Ausbildung von Quasikristallen. Ein geeigneterer Bereich für x und y ist der in der Figur mit strichpunktierten Linien bedeckte Bereich (3 ≤ x ≤ 7, y ≤ -(11/20)x + 5,5, y ≥ -(9/17)x + 4,5). In diesem Bereich überschreitet die Festigkeit der Legierung 950 MPa, aufgrund einer Wechselwirkung des Grundelementes mit den Additivelementen. Die mittlere Korngröße der Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase der erfindungsgemäßen Legierung, die in der kristallinen Phase homogen verteilt ist, liegt im Bereich von 10 bis 500 nm.
Wie in den Ansprüchen erläutert, besitzt die erfindungsgemäße Legierung eine Konzentration gelöster Stoffe, die auf einen geringeren Wert geregelt ist, als diejenige der herkömmlichen amorphen Legierungen auf Al-Grundlage. Eine höhere Konzentration gelöster Stoffe, als diejenige der erfindungsgemäßen Legierung ist für die Herstellung einer stabileren amorphen Phase vorteilhaft. In diesem Fall können jedoch schädliche zwischen dem Grundelement und den Additivelementen oder zwischen den Additivelementen selbst gebildete intermetallische Verbindungen ausgeschieden werden und das resultierende Material wird spröde. Bei der erfindungsgemäßen Legierung wird eine Quasikristalle enthaltende amorphe Phase durch die Zersetzung der amorphen Phase aufgrund der Erstarrung durch rasches Abkühlen während der Herstellung einer Legierung oder des thermischen Verlaufs danach gebildet und es wird Aluminium in einer kristallinen Phase (FCC-Phase) in der Netzwerkform ausgeschieden, so daß diese kristalline Phase die Außenfläche der amorphen Phase umgibt. Faktoren, die zur Ausbildung der Quasikristalle führen, bestehen hauptsächlich im gemeinsamen Vorliegen von Aluminium als Grundelement und dem zweiten Additivelement, während Faktoren, die zur Ausbildung der amorphen Phase führen, hauptsächlich im gemeinsamen Vorliegen von Aluminium, dem ersten Additivelement und dem zweiten Additivelement bestehen. Ein Merkmal der erfindungsgemäßen Legierung besteht darin, daß die mittlere Korngröße der Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase auf 500 nm oder weniger eingestellt ist, obwohl sie vom Legierungstyp abhängt. Der Quasikristall ist ein Teilchen, das aufgrund seiner Eigenschaften im geringeren Ausmaß einer Verformung unterliegt und ist eine Art einer intermetallischen Verbindung. Die Legierung (Material) dieser Erfindung ist nicht brüchig, wobei angenommen wird, daß der Grund dafür darin besteht, daß die Quasikristalle homogen in der amorphen Phase verteilt sind.
Der Volumenprozentanteil der Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase ist auf 60 bis 90 % eingeschränkt, weil, wenn er im erfindungsgemäß angegebenen Zusammensetzungsbereich 90 % überschreitet, die Konzentration der gelösten Stoffe der amorphen Phase einen Bereich überschreitet, in dem keine intermetallischen Verbindungen kristallisieren oder ausgeschieden werden, während, wenn er weniger als 60 % beträgt, die Wirkung der Verfestigung durch die Verteilung der feinen Körner aus der amorphen Phase verringert wird.
Die erfindungsgemäße Legierung kann unter Verwendung eines Flüssigkeitsabschreckgerätes hergestellt werden, beispielsweise eines Schmelzspinngerätes, eines Hochdruck-Gaszerstäubers und anderer allgemein bekannter Mittel zur Herstellung einer amorphen Legierung der Abschreckmittel. Ferner kann sie hergestellt werden, indem die durch Einsatz eines Flüssigkeitsabschreckgerätes hergestellte, erfindungsgemäße amorphe Legierung einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen wird, die zum Herstellen einer Masse oder zum Formen der Legierung ausgeführt wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1
Jede der Vorlegierungen mit einer in Tabelle 1 (in Atom%) angegebenen Zusammensetzung wurde in einem Bogenschmelzofen hergestellt und daraus wurde mit einem gemeinhin eingesetzten Einzelrollen-Flüssigkeitsabschreckgerät (Schmelzspinngerät) ein dünnes Band (Dicke: 20 µm, Breite: 1,5 mm) hergestellt. In diesem Fall war die Rolle eine Kupferrolle mit einem Durchmesser von 200 mm, die Umdrehungsgeschwindigkeit betrug 4000 U/min. und die Umgebung bestand aus Argon mit einem Druck von 10&supmin;³ Torr. Tabelle 1
* außerhalb des Schutzbereichs des Anspruchs 1 liegende Legierung
Jedes der so hergestellteh dünnen Bänder wurde einer Strukturanalyse mit einem herkömmlichen Röntgenbäugungsgerät (mit einem Diffraktometer), der Messung des Volumenprozentanteils einer kristallinen Phase unter einem Transmissionselektronenmikroskop, der Härte (DPN) mit einem Wickers-Mikrohärtemeßgerät (Last: 20 g), der Festigkeit (MPA) mit einem Zugfestigkeitsprüfgerät vom Instrontyp und der Zersetzungstemperatur (K) einer rasch abgekühlten Phase mit einem differentiell abtastenden Thermoanalysegerät unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Gemäß den Ergebnissen der Röntgendiffraktometrie besaßen alle dünnen Bänder eine allein aus einer Al-Phase (FCC-Phase) bestehende kristalline Phase. Die Beobachtung unter einem Transmissionselektronenmikroskop offenbarte, daß die mittlere Korngröße der Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase bei allen dünnen Bändern 100 nm oder weniger betrug und die einzelnen amorphen Körner aus einer unabhängige Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase gebildet waren und in Abständen in der Größenordnung von Nanometern von einer kristallinen Phase (FCC-Al-Phase) umgeben waren, wobei der Volumenprozentanteil der Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase etwa 80 % betrug.
Durch Elektronenstrahldiffraktrometrie wurde bestätigt, daß die amorphen Teilchen Quasikristalle auf Al-Mn Grundlage enthalten. Alle Bänder besaßen eine Härte von 350 (DPN) oder mehr. Alle Bänder zeigten eine Festigkeit von mindestens 780 MPa, insbesondere Al&sub9;&sub2;Ce&sub2;Mn&sub6; besaß eine Festigkeit in einer Höhe 1360 MPa. Ferner wurde die Zersetzungstemperatur der rasch abgekühlten Phase differentialkalorimetrisch vermessen und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 angegeben. Die Zersetzungstemperatur ist die Anstiegstemperatur des ersten Peaks, wenn die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 40 K/Min. erhöht wurde. Alle dünnen Bänder zeigten eine Anstiegstemperatur von 500 K oder mehr, das heißt sie sind offensichtlich bis zu einer hohen Temperatur stabil.
Wie vorstehend beschrieben, liegen die erfindungsgemäßen Materialien in einer solchen Form vor, daß feine Quasikristalle enthaltende amorphe Körner mit einer Größe von 100 nm oder weniger von einer kristallinen Phase umgeben sind und sie besitzen offensichtlich eine exzellente Härte, Festigkeit und thermische Stabilität.

Beispiel 2

Genau so wie im Beispiel 1 wurden dünne Bänder aus Legierungen der Zusammensetzungen Al&sub9;&sub3;Ce&sub3;Mn&sub4; und Al&sub9;&sub2;Mm&sub2;Fe&sub6; hergestellt und zur Herstellung eines Pulvers mit einer Teilchengröße von 10 µm oder weniger mechanisch pulverisiert. Das Pulver wurde in eine Aluminiumhülse mit einem Außendurchmesser von 25 mm, einer Länge von 40 mm und einer Dicke von 1 mm gegeben, mit einer Heißpresse bei einer Temperatur von 523 K unter einem Druck 10&supmin;² Torr entlüftet und zur Bildung eines Extrusionspreßling mit einem Flächendruck von 40 kgf/mm² gepreßt. Jeder Preßling wurde in einem Heizofen auf 603 K erhitzt und bei derselben Temperatur unter einer Geschwindigkeit von 20 mm pro Minute (einer Geschwindigkeit des extrudierten Materials) zum Erhalt eines extrudierten Stabes mit einem Durchmesser von 10 mm extrudiert. Das extrudierte Material wurde auf einer Drehbank zu einem Zugfestigkeitsprobenstück mit einem Durchmesser von 6 mm im Meßbereich und 25 im Parallelbereich bearbeitet. Das Prüfstück wurde einer Messung der Zugfestigkeit bei Raumtemperatur unterzogen.
Als Ergebnis betrug die Zugfestigkeit des extrudierten Materials 935 MPa für Al&sub9;&sub3;Ce&sub3;Mn&sub4; und 960 mPa für Al&sub9;&sub2;Mm&sub2;Fe&sub6;.
Die Beobachtung des extrudierten Materials unter einem Transmissionselektronenmikroskop offenbarte, daß es keinen deutlichen Unterschied hinsichtlich der Mikrosturktur zwischen dem extrudierten Material und dem dünnen Band gab.
Erfindungsgemäß kann eine Alumiumlegierung hoher Festigkeit hergestellt werden.

Claims

1. Aluminiumlegierung hoher Festigkeit bestehend aus einer Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase, die gebildet ist aus Aluminium als Grundelement, einem ersten aus mindestens einem aus den Elementen der seltenen Erden, einschließlich Yttrium, ausgewählten Element oder Mischmetall (Mm) bestehenden ersten Additivelement und einem aus mindestens einem aus der aus Eisen, Mangan, Chrom und Vanadium bestehenden Gruppe ausgewählten Element bestehenden zweiten Additivelement, sowie einer aus dem Grundelement bestehenden und darin das erste Additivelement sowie das zweite Additivelement in Form einer übersättigten Feststofflösung enthaltenden kristallinen Phase, wobei die Quasikristalle enthaltende amorphe Phase in einem Volumenprozentanteil von 60 bis 90 % in der Aluminiumlegierung enthalten ist, wobei die Quasikristalle enthaltende amorphe Phase homogen in der kristallinen Phase verteilt ist, die kristalline Phase so in Form eines Netzwerks vorliegt, daß die kristalline Phase die Quasikristalle enthaltende amorphe Phase im wesentlichen umgibt, der Anteil (y-Atom%) des ersten Additivelements und derjenige (x-Atom%) des zweiten Additivelements innerhalb eines schraffierten Bereichs in der diese Beschreibung begleitenden Fig. 1 liegt, welche die Beziehung zwischen x und y darstellt, die durch die die folgenden Beziehungen darstellenden Linien bestimmt sind: x = 0,5, x = 8, y = 0,5 und y = 6, eine durch Verbinden eines Punktes (x = 0, y = 6,5) mit einem Punkt (x = 10, y = 0) gebildete Linie und eine durch Verbinden eines Punktes (x = 0, y = 4) mit einem Punkt (x = 7, y = 0) gebildete Linie und bei der die Teilchengröße der Quasikristalle enthaltenden amorphen Phase im Bereich von 10 bis 500 nm liegt.

2. Aluminiumlegierung hoher Festigkeit nach Anspruch 1, bei der die Werte x und y innerhalb eines mit strichpunktierten Linien bedeckten Bereiches in der dieser Beschreibung beiliegenden Fig. 1 liegen, welcher bestimmt ist durch Linien, die die folgenden Beziehungen darstellen: x = 3 und y = 7, eine durch Verbinden eines Punktes (x = 0, y = 5,5) mit einem Punkt (x = 10, y = 0) gebildete Linie und eine durch Verbinden eines Punktes (x = 0, y = 4,5) mit einem Punkt (x = 8,5, y = 0) gebildete Linie.