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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.
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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.
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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.
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Die unlöslichen Teilchen können eine
Teilchengröße haben,
die im Bereich 1–25 μm liegt.
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Die Teilchengröße kann im Bereich 1–15 μm oder 1–5 μm liegen.
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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 |
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Die unlöslichen Teilchen können im
Bereich 1,5% bis 9% oder 3% bis 9% oder 5% bis 9% vorliegen.
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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 |
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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 |
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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 |
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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 |
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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.
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Die Teilchen können Titandiborid-Teilchen
umfassen.
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Die Legierung kann 3% bis 7% Titandiborid-Teilchen
umfassen.
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Die Legierung kann 7% Titandiborid-Teilchen
umfassen.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der
Erfindung stellen wir ein Gußstück bereit,
hergestellt aus einer Legierung nach den ersten Aspekten der Erfindung.
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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.
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Gemäß einem vierten Aspekt der
Erfindung stellen wir ein Gußstück bereit,
hergestellt nach dem Verfahren des dritten Aspektes der Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ein Beispiel der Erfindung wird nunmehr
beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben
werden, in denen:
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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
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2 eine
schematische Ansicht eines "Stufenplattengusses" ist und auch eine
Vorrichtung zur Durchführung
solch eines Gusses zeigt und
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3 ein
Querschnitt entlang der Linie 3-3 von 2 ist
und
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4 eine
schematische Ansicht des Stufenplattengusses der 2 und 3 ist,
die die Stelle der Teststellen a–q zeigt.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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1 zeigt,
in durchgezogener Linie, diese Variation im Kupfergehalt.
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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.
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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.
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Ein Zugtest wurde anschließend an
den zwei Teststücken
durchgeführt.
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Das herkömmliche Teststück, das
keinerlei Titandiborid-Teilchen enthielt, erzeugte die Zugtestergebnisse,
die in Tabelle 1 dargestellt sind.
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Ähnliche
Zugtests wurden an dem Teststück
durchgeführt.
das die Erfindung verkörpert,
und die Zugtestergebnisse dieses Tests sind in Tabelle 2 dargestellt
worden.
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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.
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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.
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Die Zugtestergebnisse, die im Nur-Lösungs-Zustand
erhalten wurden, sind unten in Tabelle 3 angegeben.
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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.
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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.
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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.
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Das Teststück wurde dann in ultraviolettem
Licht betrachtet, um zu bewirken, daß der Farbstoff fluoreszierte,
und die Fotografien der 5a und 5b wurden aufgenommen.
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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.
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Der Teststückabschnitt, hergestellt unter
Verwendung derselben Zusammensetzung, aber mit TiB2-Teilchen,
wie oben beschrieben, hat keine wahrnehmbaren hell gefärbten Bereiche
fluoreszierenden Farbstoffs.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.