DE69911086T2 - Aluminium-Kupfer-Gusslegierung - Google Patents

Aluminium-Kupfer-Gusslegierung Download PDF

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DE69911086T2 DE69911086T DE69911086T DE69911086T2 DE 69911086 T2 DE69911086 T2 DE 69911086T2 DE 69911086 T DE69911086 T DE 69911086T DE 69911086 T DE69911086 T DE 69911086T DE 69911086 T2 DE69911086 T2 DE 69911086T2
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Description

  • Diese Erfindung betrifft Aluminium-Kupfer-Gußlegierungen. Aluminium-Kupfer-Legierungen haben eine potentiell höhere Festigkeit als andere Aluminium-Gußlegierungssysteme, wie etwa Aluminium-Silicium-Legierungen. Die Verwendung von Aluminium-Kupfer-Legierungen für Hochleistungsanwendungen ist jedoch aufgrund ihrer relativ schlechten Gießbarkeit, verglichen mit Aluminium-Silicium-Legierungen, beschränkt gewesen.
  • J. V. Wood et al., "Casting and mechanical properties of a reactively cast AL-TiB2 alloy", Cast Metals, Band 8, Nummer 1, 1995, Seiten 57–64, offenbart eine Aluminium-Kupfer-Legierung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die in diesem Artikel untersuchte Legierung ist 2014 und diese enthält einen bewußten Legierungszusatz von Silicium im Bereich 0,5 bis 1,2% und Magnesium im Bereich 0,2 bis 0,8%. Die primäre Schlußfolgerung, die in diesem Artikel gezogen wird, ist, daß bis zu 10% TiB2-Dispersion gegossen werden kann, ohne Segregation des teilchenförmigen Materials zu erleiden.
  • Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung stellen wir eine Aluminium-Kupfer-Legierung bereit, wobei die Legierung umfaßt:
    Cu 4,0–5,0%
    Mg 0,2–0,5%
    Ag 0,0–1,0%
    Mn 0,2–0,6%
    Fe 0,0–0,15%
    Si 0,0–0,15%
    Zn 0,0–1,8%
    Sb 0,0–0,5%
    Zr 0,0–0,5%
    Co 0,0–0,5%
    unlösliche Teilchen 0,5–10%
    Al und übliche Verunreinigungen Rest,
    wobei die unlöslichen Teilchen die interdendritischen Regionen der Legierung besetzen.
  • Die unlöslichen Teilchen können eine Teilchengröße haben, die im Bereich 1–25 μm liegt.
  • Die Teilchengröße kann im Bereich 1–15 μm oder 1–5 μm liegen.
  • Die Legierung kann umfassen:
    Cu 4,0–5,0%
    Mg 0,2–0,5%
    Ag 0,4–1,0%
    Mn 0,2–0,6%
    Fe 0,0–0,15%
    Si 0,0–0,15%
    Zn 0,0–1,8%
    Sb 0,0–0,5%
    Zr 0,0–0,5%
    Co 0,0–0,5%
    unlösliche Teilchen 0,5–10%
    Al und übliche Verunreinigungen Rest
  • Die unlöslichen Teilchen können im Bereich 1,5% bis 9% oder 3% bis 9% oder 5% bis 9% vorliegen.
  • Die Legierung kann umfassen:
    Cu 4,2–5,0%
    Mg 0,2–0,5%
    Ag 0,0–0,85%
    Mn 0,25–0,4%
    Fe 0,0–0,15%
    Si 0,0–0,15%
    Zn 0,0–1,8%
    Sb 0,0–0,5%
    Zr 0,0–0,5%
    Co 0,0–0,5%
    unlösliche Teilchen 1,5–10%
    Al und übliche Verunreinigungen Rest
  • Die Legierung kann umfassen:
    Cu 4,2–5,0%
    Mg 0,2–0,5%
    Ag 0,0–0,85%
    Mn 0,25–0,4%
    Fe 0,0–0,15%
    Si 0,0–0,15%
    Zn 0,0–1,8%
    Sb 0,0–0,5%
    Zr 0,0–0,5%
    Co 0,0–0,5%
    unlösliche Teilchen 5,0–9,0%
    Al und übliche Verunreinigungen Rest
  • Die Legierung kann umfassen:
    Cu 4,2–5,0%
    Mg 0,2–0,5%
    Ag 0,45–0,85%
    Mn 0,25–0,4%
    Fe 0,0–0,15%
    Si 0,0–0,15%
    Zn 0,0–1,8%
    Sb 0,0–0,5%
    Zr 0,0–0,5%
    Co 0,0–0,5%
    unlösliche Teilchen 1,5–9,0%
    Al und übliche Verunreinigungen Rest
  • Die Legierung kann umfassen:
    Cu 4,2–5,0%
    Mg 0,2–0,5%
    Ag 0,45–0,85%
    Mn 0,25–0,4%
    Fe 0,0–0,15%
    Si 0,0–0,15%
    Zn 0,0–1,8%
    Sb 0,0–0,5%
    Zr 0,0–0,5%
    Co 0,0–0,5%
    unlösliche Teilchen 5,0–9,0%
    Al und übliche Verunreinigungen Rest
  • Die unlöslichen Teilchen können eine Größe haben, die wenigstens 10-mal kleiner ist als der Dendritenarmabstand der festen Legierung, und die interdendritischen Regionen der Legierung besetzen.
  • Die Teilchen können Titandiborid-Teilchen umfassen.
  • Die Legierung kann 3% bis 7% Titandiborid-Teilchen umfassen.
  • Die Legierung kann 7% Titandiborid-Teilchen umfassen.
  • Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Gußstück bereit, hergestellt aus einer Legierung nach den ersten Aspekten der Erfindung.
  • Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Verfahren zur Herstellung eines Gußstückes bereit, welches die Schritte des Schmelzens einer Aluminium-Kupfer-Legierung, welche umfaßt:
    Cu 4,0–5,0%
    Mg 0,2–0,5%
    Ag 0,0–1,0%
    Mn 0,2–0,6%
    Fe 0,0–0,15%
    Si 0,0–0,15%
    Zn 0,0–1,8%
    Sb 0,0–0,5%
    Zr 0,0–0,5%
    Co 0,0–0,5%
    mit unlöslichen Teilchen, und des Gießens der resultierenden Legierung in eine Form umfaßt.
  • Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung stellen wir ein Gußstück bereit, hergestellt nach dem Verfahren des dritten Aspektes der Erfindung.
  • Zwei hauptsächliche Aspekte, die identifiziert worden sind als Faktoren, die zu Variabilität mechanischer Eigenschaften und struktureller Integrität führen, sind die Segregation von Legierungselementen und die Bildung interdentritischer Porosität, insbesondere derjenigen, die mit der Oberfläche verbunden ist.
  • Forschung an Aluminium-Kupfer-Gußlegierungen hat den Hinweis geliefert, daß ein signifikanter Faktor, der zur Variabilität der Materialeigenschaften solcher Legierungen beiträgt, der Fluß von an gelösten Substanzen reichem Material durch die Zwischenräume zwischen den Dendritenarmen ist, die während der Verfestigung geschaffen werden.
  • Um zu verhindern, daß dieses Phänomen auftritt, sind Zusätze von fein verteilten, im wesentlichen unlöslichen Teilchen gemäß der Erfindung vorgenommen worden. Man würde normalerweise erwarten, daß die Zugabe solcher Teilchen, die normalerweise hart und brüchig sind, zu einer unannehmbaren Verringerung in der Duktilität der Legierung führen wurde. Die durchgeführte Forschung hat jedoch gezeigt, daß gute Duktilität beibehalten wird, wie man aus dem unten angegebenen Beispiel sehen wird.
  • Es wird anerkannt werden, daß in der vorliegenden Erfindung der Zusatz von fein verteilten, im wesentlichen unlöslichen Teilchen die Verfestigungsmerkmale der Legierung verändert, und sie werden nicht als ein direkter Härtungsmechanismus für die Legierung angewendet.
  • Dispergierte interdendritische Porosität ist auch ein Merkmal dieser Legierungen aufgrund von Problemen der Beschickungsverfestigungsschrumpfung durch die Dendritenzwischenräume. Dieser Porositätstyp bewirkt auch eine Verminderung der mechanischen Eigenschaften des Materials, d. h. Zugfestigkeit und Dehnung.
  • Ein Beispiel der Erfindung wird nunmehr beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, in denen:
  • 1 eine graphische Darstellung ist, die die Variation des Kupfergehaltes entlang eines "Stufenplattengusses" zeigt, wobei mit der gestrichelten Linie eine herkömmliche Aluminium-Kupfer-Legierung dargestellt ist und mit der durchgezogenen Linie eine Legierung, die die Erfindung verkörpert, und
  • 2 eine schematische Ansicht eines "Stufenplattengusses" ist und auch eine Vorrichtung zur Durchführung solch eines Gusses zeigt und
  • 3 ein Querschnitt entlang der Linie 3-3 von 2 ist und
  • 4 eine schematische Ansicht des Stufenplattengusses der 2 und 3 ist, die die Stelle der Teststellen a–q zeigt.
  • 5a und 5b sind Fotografien des 9-mm-Schnittes eines Stufenplattengusses, der 0% bzw. 7% TiB2-Teilchen enthält, betrachtet während eines Farbstoffpenetratienstestes unter ultraviolettem Licht.
  • Bezugnehmend auf 1 wurde eine Schmelze einer herkömmlichen Aluminium-Kupfer-Legierung mit einer Zusammensetzung, welche umfaßt:
    Cu 4,60%
    Mg 0,32%
    Ag 0,80%
    Mn 0,31%
    Fe 0,03%
    Si 0,04%
    Zn 0,01%
    Sb 0,01%
    Zr 0,01%
    Co 0,01%
    TiB2 0,00%
    in herkömmlicher Weise hergestellt.
  • Die Legierung wurde anschließend in herkömmlicher Weise in eine keramische Investment-Mantelform gegossen. Die Form hatte die Konfiguration einer "Stufenplatte" d. h. die in den 2 und 3 dargestellte Konfiguration. Ein Stufenplattenguß ist bei 10 in den 2 und 3 gezeigt und umfaßt zwei rechtwinklige Abschnitte, jeder 80 mm breit und 110 mm lang, wobei einer von diesen eine Dicke von 3 mm besitzt und der andere von diesen eine Dicke von 9 mm besitzt, mit einem 5-mm-Radius an den Ecken der Schulter dazwischen. Das Teststück wird hergestellt durch Gießen der zu testenden Legierung in ein Gießbecken 11, von wo das Metall über einen Angußkegel 12 und einen Durchlaß 13, der einen Filter 14 enthält, zum Teststück fließt. Eine Zuführung mit einem Sammelrohrvolumen 16 wird für das Teststück bereitgestellt.
  • Die resultierende Platte 10 wurde anschließend nach Verfestigung analysiert, an den Punkten a–q, unter Verwendung eines Funkenemissionsspektrometers, und die resultierende Variation von Kupfer entlang des Stufenplattengusses ist in 1 mit der gestrichelten Linie dargestellt. Die Punkte a–q sind im gleichen Abstand voneinander entlang jedes Plattenabschnitts angeordnet.
  • Eine Legierung mit einer ähnlichen Zusammensetzung, welche umfaßt:
    Cu 4,61%
    Mg 0,35%
    Ag 0,89%
    Mn 0,33%
    Fe 0,04%
    Si 0,05%
    Zn 0,01%
    Sb 0,01%
    Zr 0,01%
    Co 0,01%
    TiB2 7,00%
    wurde auf dieselbe herkömmliche Art und Weise hergestellt.
  • Wie man aus der obigen Zusammensetzung sehen kann, enthielt diese Legierung erfindungsgemäß 7% Titandiborid-Teilchen. Diese Teilchen hatten einen Größe, die im Bereich 1 bis 15 Mikron lag. Die Legierung wurde anschließend in eine ähnliche Stufenplattengußform in derselben Art und Weise, wie oben im Zusammenhang mit der herkömmlichen Legierung beschrieben, gegossen. Die resultierende Variation des Kupfergehaltes entlang der Stufenplattengusses wurde auf dieselbe Weise analysiert und
  • 1 zeigt, in durchgezogener Linie, diese Variation im Kupfergehalt.
  • Man wird sehen, daß die herkömmliche Legierung eine allmähliche Abnahme in der Kupferkonzentration entlang der Platte zeigt, bis die entsprechende 3-mm-zu-9-mm-Übergangsstelle (Stelle h–i) erreicht ist.
  • Im Gegensatz dazu zeigte die Testplatte, die aus der die Erfindung verkörpernden Legierung, die Titandiborid-Teilchen enthielt, hergestellt worden war, keine Neigung, sich auf diese Weise zu verhalten. Der Kupfergehalt variierte von im wesentlichen 4,8% bis zu einem Maximum von etwa 5,7% an der 3-mm-zu-9-mm-Übergangsstelle.
  • Ein Zugtest wurde anschließend an den zwei Teststücken durchgeführt.
  • Das herkömmliche Teststück, das keinerlei Titandiborid-Teilchen enthielt, erzeugte die Zugtestergebnisse, die in Tabelle 1 dargestellt sind.
  • Tabelle 1
    Figure 00120001
  • Ähnliche Zugtests wurden an dem Teststück durchgeführt. das die Erfindung verkörpert, und die Zugtestergebnisse dieses Tests sind in Tabelle 2 dargestellt worden.
  • Tabelle 2
    Figure 00130001
  • Aus dem Vergleich der Tabellen 1 und 2 kann man sehen, daß die Zugabe von Titandiborid-Teilchen zu einem signifikanten Anstieg der Zugfestigkeit, insbesondere an der h-Stelle, führt. Eine Abnahme der 0,2%-Dehngrenze an der a-Stelle und eine Zunahme an der h-Stelle und eine im wesentlichen konstante prozentuale Dehnung an den a- und h-Stellen standen einer verminderten Dehnung an der a-Stelle und einer erhöhten Dehnung an der h-Stelle, erhalten mit einer herkömmlichen Legierung, gegenüber.
  • Die Zugabe harter Teilchen, wie etwa Titandiborid, gemäß der Erfindung zu Aluminium-Legierung führt normalerweise zu einer Verminderung der Duktilität. Man kann jedoch sehen, daß gute Duktilität, d. h. prozentuale Dehnung, im Falle einer Aluminium-Kupfer-Legierung mit dem Zusatz solcher Teilchen aufrechterhalten wird.
  • Die Zugtestergebnisse, die im Nur-Lösungs-Zustand erhalten wurden, sind unten in Tabelle 3 angegeben.
  • Tabelle 3
    Figure 00140001
  • Zusätzlich wurde festgestellt, daß das interne und externe Porositätsniveau extrem niedrig waren, wenn das Teststück von Tabelle 2 in herkömmlicher Weise durch Röntgenradiographie und Farbstoffpenetrationstechniken untersucht wurde.
  • Bei der Farbstoffpenetrationstechniken wurde der hier zuvor erwähnte Teststückabschnitt mit einer Dicke von 9 mm in einem Bad eines geeigneten flüssigen Farbstoffs, im vorliegenden Beispiel eines fluoreszierenden Farbstoffs, für etwa 5 bis 10 Minuten eingetaucht, um zu ermöglichen, daß der Farbstoff in jegliche Porosität im Teststück eindringt, die mit der Oberfläche des Teststücks verbunden ist.
  • Das Teststück wurde dann aus dem Bad entnommen und gewaschen und getrocknet im vorliegenden Beispiel in einem Ofen bei etwa 100°C für etwa 5 bis 10 Minuten.
  • Das Teststück wurde dann in ultraviolettem Licht betrachtet, um zu bewirken, daß der Farbstoff fluoreszierte, und die Fotografien der 5a und 5b wurden aufgenommen.
  • Der Teststückabschnitt, hergestellt unter Verwendung der oben erwähnten Zusammensetzung ohne die TiB2-Teilchen, besaß einen beträchtlichen Umfang an mit der Oberfläche verbundener Porosität. wie man an den hell gefärbten Flächen fluoreszierenden Farbstoffs in 5a sehen kann.
  • Der Teststückabschnitt, hergestellt unter Verwendung derselben Zusammensetzung, aber mit TiB2-Teilchen, wie oben beschrieben, hat keine wahrnehmbaren hell gefärbten Bereiche fluoreszierenden Farbstoffs.
  • Somit zeigt die Farbstoffpenetrationsuntersuchung, die in den 5a und 5b gezeigt ist, die Wirkung des Vorhandenseins der beschriebenen Teilchen. Man kann sehen, daß der Zusatz von Teilchen die Verfestigungs- und Strukturmerkmale vollständig verändert hat, was zur Eliminierung einer Oberflächenindikation von Porosität führte.
  • Im die Erfindung verkörpernden, oben beschriebenen Beispiel wurde festgestellt, daß der Dendritenarmabstand im Bereich 40 bis 200 μm lag, und die Titandiborid-Teilchen hatten eine Größe, die im Bereich 1 bis 15 μm lag, und somit waren die Teilchen ungefähr eine Größenordnung (d. h. 10-mal) kleiner als der Dendritenarmabstand.
  • Der Abstand der Dendritenarme wird von verschiedenen Parametern abhängen, wie etwa der Form des herzustellenden Gusses und der Verfestigungsgeschwindigkeit, die mit der Größe der Gusses variieren wird.
  • In dieser Beschreibung:
    Alle Zusammensetzungen sind ausgedrückt in Gewichtsprozentanteilen.
    Mit dem Ausdruck "unlösliche Teilchen", mit "unlöslich" meinen wir Teilchen, die wenigstens im wesentlichen unlöslich in der Legierung sind; mit "Teilchen" meinen wir Teilchen aus Metall oder aus intermetallischer Verbindung oder aus keramischem Material. Die Teilchen können zum Beispiel Titandiborid oder Siliciumcarbid, Aluminiumoxid, Zirconiumdiborid, Borcarbid oder Bornitrid umfassen.
    Obgleich nur eine spezifische Legierungszusammensetzung, die die Erfindung verkörpert, oben beispielhaft beschrieben worden ist, kann eine Legierung, die die Erfindung verkörpert, eine Legierungszusammensetzung, eine Teilchenzusammensetzung, eine Teilchengröße, einen Teilchengehalt, etc. aufweisen, wie in irgendeinem Teil dieser Beschreibung beschrieben.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung oder den folgenden Ansprüchen oder den beigefügten Zeichnungen offenbarte Merkmale, in ihren spezifischen Formen oder als ein Mittel zur Durchführung der offenbarten Funktion, oder eine Methode oder ein Verfahren zum Erzielen des offenbarten Ergebnisses, können, wie angemessen, getrennt oder in irgendeiner Kombination solcher Merkmale, für die Verwirklichung der Erfindung in ihren unterschiedlichen Formen eingesetzt werden.

Claims (15)

  1. Aluminium-Kupfer-Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung umfaßt: Cu 4,0–5,0% Mg 0,2–0,5% Ag 0,0–1,0% Mn 0,2–0,6% Fe 0,0–0,15% Si 0,0–0,15% Zn 0,0–1,8% Sb 0,0–0,5% Zr 0,0–0,5% Co 0,0–0,5% unlösliche Teilchen 0,5–10% Al und übliche Verunreinigungen Rest,
    wobei die unlöslichen Teilchen die interdendritischen Regionen der Legierung besetzen.
  2. Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unlöslichen Teilchen eine Teilchengröße haben, die im Bereich 1–25 μm liegt.
  3. Legierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchengröße im Bereich 1 –15 μm oder 1–5 μm liegt.
  4. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung umfaßt: Cu 4,0–5,0% Mg 0,2–0,5% Ag 0,4–1,0% Mn 0,2–0,6% Fe 0,0–0,15% Si 0,0–0,15% Zn 0,0–1,8% Sb 0,0–0,5% Zr 0,0–0,5% Co 0,0–0,5% unlösliche Teilchen 0,5–10% Al und übliche Verunreinigungen Rest,
  5. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unlöslichen Teilchen im Bereich 1,5% bis 9% oder 3% bis 9% oder 5% bis 9% vorliegen.
  6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung umfaßt: Cu 4,2–5,0% Mg 0,2–0,5% Ag 0,0–0,85% Mn 0,25–0,4% Fe 0,0–0,15% Si 0,0–0,15% Zn 0,0–1,8% Sb 0,0–0,5% Zr 0,0–0,5% Co 0,0–0,5% unlösliche Teilchen 1,5–10% Al und übliche Verunreinigungen Rest
  7. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung umfaßt: Cu 4,2–5,0% Mg 0,2–0,5% Ag 0,0–0,85% Mn 0,25–0,4% Fe 0,0–0,15% Si 0,0–0,15% Zn 0,0–1,8% Sb 0,0–0,5% Zr 0,0–0,5% Co 0,0–0,5% unlösliche Teilchen 5,0–9,0% Al und übliche Verunreinigungen Rest
  8. Legerung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung umfaßt: Cu 4,2–5,0% Mg 0,2–0,5% Ag 0,45–0,85% Mn 0,25–0,4% Fe 0,0–0,15% Si 0,0–0,15% Zn 0,0–1,8% Sb 0,0–0,5% Zr 0,0–0,5% Co 0,0–0,5% unlösliche Teilchen 1,5–9,0% Al und übliche Verunreinigungen Rest
  9. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung umfaßt: Cu 4,2–5,0% Mg 0,2–0,5% Ag 0,45–0,85% Mn 0,25–0,4% Fe 0,0–0,15% Si 0,0–0,15% Zn 0,0–1,8% Sb 0,0–0,5% Zr 0,0–0,5% Co 0,0–0,5% unlösliche Teilchen 5,0–9,0% Al und übliche Verunreinigungen Rest
  10. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unlöslichen Teilchen eine Größe haben, die wenigstens 10-mal kleiner ist als der Dendritenarmabstand der festen Legierung, und die interdendritischen Regionen der Legierung besetzen.
  11. Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen Titandiborid-Teilchen umfassen.
  12. Legierung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung 3% bis 7% oder 7% Titandiborid-Teilchen umfaßt.
  13. Gußstück, hergestellt aus einer Legierung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
  14. Verfahren zur Herstellung eines Gußstückes, welches die Schritte des Schmelzens einer Aluminium-Kupfer-Legierung, welche umfaßt: Cu 4,0–5,0% Mg 0,2–0,5% Ag 0,0–1,0% Mn 0,2–0,6% Fe 0,0–0,15% Si 0,0–0,15% Zn 0,0–1,8% Sb 0,0–0,5% Zr 0,0–0,5% Co 0,0–0,5% unlösliche Teilchen bis zu 10% Al und übliche Verunreinigungen Rest
    mit 0,5 bis 10% unlöslichen Teilchen, und des Gießens der resultierenden Legierung in eine Form umfaßt.
  15. Gußstück, hergestellt nach dem Verfahren von Anspruch 14.
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