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Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung
Die Erfindung beziehtsich auf ein Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung nach Patent Nr. 261651.
Gegenstand des Stammpatentes ist ein Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung mit 18 bis 31 Gew. -0/0 Aluminium und maximal 82 Gew.-% Eisen durch Einschmelzen von Eisen mit einem Kohlenstoffgehalt von höchstens 0, 02etc, Zulegieren von Aluminium, Vergiessen unter möglichster Vermeidung von Oxydation und langsames Abkühlen des Gussblockes, welches darin besteht, dass ausser dem Aluminium ein oder mehrere Elemente aus der Gruppe Zr, Nb, Ti, Y, Seltene Erden und B in kleiner, vorzugsweise je l% nicht übersteigender Menge zulegiert werden, dass ferner das Vergiessen der Legierung bei einer Temperatur nur wenig und vorzugsweise höchstens 500C überLiquidustemperatur erfolgt,
und dass schliesslich der Gussblock bei Temperaturen zwischen 1050 und 9500C unter Zerstörung der Gussstruktur mechanisch verformt wird.
Erfindungsgemäss wird nun ein Verfahren vorgeschlagen, durch das, im Vergleich zu den nach dem Verfahren des Stammpatentes hergestellten Legierungen, Legierungen mit einem feineren Korn vom Gusszustand an und einer besseren Bearbeitbarkeit durch die Festlegung des Gehaltes an Zusätzen von Yttrium oder Seltenen Erden (insbesondere von Lanthan) auf einen geeigneten Wert erzielt werden.
Erfindungsgemäss wird ein Verfahren zur Herstellung einer Eisen-Aluminium-Legierung nach dem österr. Patent Nr. 261651 vorgeschlagen, wobei man der geschmolzenen Masse ein zusätzliches Element oder mehrere zusätzliche Elemente aus der Gruppe der Seltenen Erden oder Yttrium in solchen Mengen zugibt, dass der Gesamtgehalt der erstarrten Legierung an diesen Zusätzen zwischen 0,4 und 4 Gew. -0/0 liegt.
Wenn die Legierung für die Anwendung im kerntechnischen Bereich bestimmt ist, wird das Zusatzelement selbstverständlich aus der Gruppe derjenigen Elemente ausgewählt, die den kleinsten Einfangsquerschnitt für Neutronen haben : In diesem Fall sollte im allgemeinen Yttrium eingesetzt werden. In den übrigen Fällen kann man zum Zweck der Wirtschaftlichkeit Mischungen der Seltenen Erden vom "Mischmetall"-Typ verwenden.
Die Hinzufügung des Zusatzes bzw. der Zusätze wird im Verlauf des Schmelzvorganges vorgenommen, u. zw. vorteilhaft, wie beim Aluminium, durch Einbringen in das Bad des geschmolzenen Eisens.
Während der nachfolgenden Herstellungsphasen (bis zur Erstarrung des Barrens) können Verluste auftreten ; man kann daher gezwungen sein, der geschmolzenen Masse eine Menge an Zusätzen zuzugeben, die über der gewünschten Menge liegt, um einen Endgehalt zwischen 0,5 und 4 Gel.-% zu erreichen.
Wenn das Giessen und Erstarren in gleicher Weise, wie in der Stammanmeldung beschrieben,
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ausgeführt wird, beobachtet man beim Gussblock eine merkliche Verringerung der mittleren Korngrössen sowie die sich daraus ergebenden Vorteile. Bei gleichen Arbeitsbedingungen ist beispielsweise die Korngrösse im rohen, gegossenen Zustand bei Zugabe von 1% Lanthan oder Yttrium um einen Faktor in der Grössenordnung von 10 verringert. Es resultiert daraus eine Verminderung der Sprödigkeit und eine Verbesserung der Bearbeitbarkeit des rohen Gussblocks ; eine Bearbeitung auf der Drehbank bei gewöhnlicher
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Qualität,pern erhalten, insbesondere, wenn diese durch Zieh- oder Strangpressen in der Wärme nach vorangehender Umhüllung vorgenommen wird.
Man kann insbesondere Komgrössen in der Grössenordnung von 10 u nach einem Zieh- oder Strangpressen bei 9500C erreichen, und ganz allgemein bleiben die Korngrössen unterhalb von 20/-I.
Man kann die Verringerung der Komgrösse und das Ausbleiben der Vergröberung etwa folgender-
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einem Aluminiumgehalt von 31 Gew.-%) unterschiedlichen Phase an den Komgrenzen. Während des Zieh- oder Strangpressens richten sich diese Ausscheidungen in Ziehrichtung aus, unter Bildung von Bahnen oder Adern, deren Stärke mit dem Gehalt der Legierung anSeltenenErdenzunimmt. DieKom- vergröberung wird dann durch diese Ausscheidungen gehemmt.
Bei Verwendung von Lanthan als Zusatz wird dabei die Ausscheidung einer Zusammensetzung Fe-Al-La beobachtet Diese Ausscheidung ist zwar spröde, jedoch sind die mechanischen Eigenschaften der Legierung verbessert. Es ist möglich, dass die günstige Wirkung des Lanthans in diesem besonderen Fall nicht nur allein auf einer Verkleinerung des Korns beruht, sondem dass die Matrix selbst infolge einer Reinigung durch die Ausscheidung oder durch das Lanthan duktiler wird.
Die komverkleinemde Wirkung bleibt bei Wärmebehandlungen selbst bis zu hohen Temperaturen erhalten. So führt ein einstündiger Aufenthalt bei 11500C zu keiner merklichen Vergrösserung der Kristallkömer, die durch die Ausscheidungen stabilisiert werden.
Diese Stabilisierung bringt einen besonders bemerkenswerten Vorteil bei Schweissvorgängen ; ein Schweissen von Eisen-Aluminium-Legierungen mit hohem Aluminiumgehalt (beispielsweise mit
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Atom-% Al) nach klassischen Verfahren, wie dem Schweissen im Lichtbogen in Argon - Atmosphäre,rung.
Um das Schmelzen der Legierung zu vermeiden, kann man eine Schweissverbindung durch Diffusion im festen Zustand herbeiführen, aber um die Oxydschicht zu durchbrechen und eine gute Verschweissung zu gewährleisten, ist es notwendig, die zu vereinigenden Teile für einige Minuten auf wenigstens 11000C aufzuheizen : Diese Behandlung führt bei den nach den Beispielendes Stammpatentes erhaltenen Legierungen zu einer bedeutenden Vergröberung des Korns, während Legierungen mit 0,4 bis 4% Gehalt an Seltenen Erden das feine Kom und die mit diesem Zustand verbundenen guten Eigenschaften beibehalten.
Schliesslich behält die erfindungsgemäss hergestellte Legierung ihre verbesserte Bearbeitbarkeit und die besseren mechanischen Eigenschaften nach dem Zieh- oder Strangpressen bei.
Beispiel 1: Das Beispiel 1 bezieht sich auf eine Legierung mit Lanthan, die nach der Groboformung eine Bruchdehnung von 11% durch Zug bei normaler Geschwindigkeit und Umgebungstemperatur zeigt
Die Zusammensetzung der Legierung ist im wesentlichen der im Beispiel 1 des Stammpatentes angegebenen vergleichbar, es wird jedoch in diesem Fall Lanthan zugegeben :
Die zu giessende Masse wurde ausgehend von
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<tb>
<tb> Elektrolyteisen <SEP> 3 <SEP> kg
<tb> 99, <SEP> 99% <SEP> Aluminium <SEP> 0,960 <SEP> kg
<tb> Lanthan <SEP> 40 <SEP> g
<tb>
hergestellt a) Schmelzen und Giessen
Die Bedingungen für das Schmelzen und Giessen entsprechen denjenigen des Stammpatentes, d. h. das Eisen wurde geschmolzen und auf eine Temperatur von 16000C unter Vakuum gebracht,
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Aluminium und Lanthan wurden gleichzeitig zugegeben und die Temperatur auf 14500C gesenkt und das Schmelzgemisch in eine auf 6200C vorgeheizte Gussform gegossen. Schliesslich wurde die Abkühlungsgeschwindigkeit auf etwa 500C/h begrenzt.
Das in diesem Fall angewendete Giessen unter Vakuum führte zu einem Verlust an Lanthan, und die Analyse des Gussblocks erbrachte nur 0,7 Gel.-% Lanthan und ausserdem übliche Spurenmengen an Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor und SchwefeL b) Herstellung von Rohkörpem
Die Herstellung des Rohkörpers kann aus einer Reihe von Operationen bestehen, die denjenigen des Beispiels 2 des Stammpatentes ähnlich sind.
Der Gussblock wird gegebenenfalls auf einer Drehbank unter Verwendung sehr harter Werkzeuge bearbeitet Das bearbeitete Stück wird mit einer einige Millimeter dicken Stahlhülle umgeben. Das so erhaltene, zusammengesetzte Stück wird in der Presse stranggepresst und die Stahlhülle dann, beispielsweise durch chemisches Auflösen in einer Lösung von 50% Wasser und 50% Salpetersäure, entfernt Wie bereits weiter oben allgemein angegeben wurde, ist es dabei nicht mehr nötig, die Legierung auf 4000C bei der Bearbeitung zu halten. c) Kaltbearbeitung
Der Zustand der Oberfläche des so erhaltenen, gezogenen bzw. stranggepressten Produktes ist besser als derjenige des Produktes nach Beispiel 2 des Stammpatentes.
Darüber hinaus kann es In der Kälte bearbeitet werden, und diese Behandlung (die bereits bei der Legierung nach Beispiel 2 des Stammpatentes möglich ist), ist hier durch die geringere Grösse der Kömer, die nach dem Strangpressen bei 10 li liegt, noch erleichtert.
Das bearbeitete Stück kann ohne nennenswerte Vergröberung der Körner einer einstündigen Wärmebehandlung bei 11500C unterzogen werden.
Das stranggepresste Produkt zeigt nach einer einstündigen Behandlung bei 8000C mit nachfolgender langsamer Abkühlung (300C/h) die folgenden charakteristischen Eigenschaften :
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<tb>
<tb> Temperatur <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Elastizitätsgrenze <SEP> Bruchdehnung <SEP> (bei <SEP> normaler
<tb> oc <SEP> kg/mm2 <SEP> kg/mm2 <SEP> Deformationsgeschwindigkeit) <SEP> %
<tb> 20 <SEP> 85 <SEP> -95 <SEP> 33-40 <SEP> 11 <SEP>
<tb> 200 <SEP> 100 <SEP> 32 <SEP> 16
<tb> 400 <SEP> 73 <SEP> 35 <SEP> 30
<tb> 600 <SEP> 35 <SEP> 34 <SEP> 75
<tb>
Das vorstehende (rein erläuternde) Beispiel zeigt im Vergleich mit den Beispielen des Stammpa- tentes, dass die Eisen-Aluminium-Legierungen mit einem Aluminiumgehalt, der über 18 Gel.-% hinausgeht, durch das erfindungsgemässe Verfahren in einem Masse verbessert werden können,
welches die Bearbeitung sehr stark erleichtert und eine Verringerung des Werkzeugverschleisses und Erniedrigung der Kosten und der Dauer der Bearbeitung bewirkt
Beispiel 2: Der Eisen-und Aluminiumgehalt dieser Legierung ist der gleiche wie bei der vorangehenden Legierung, aber der endgültige Gehalt an Lanthan beträgt 3,75 Gew. -0/0 : die nacheinander- folgenden Schritte (Schmelzen, Giessen, Herstellung des Vorkörpers, Kaltbearbeitung) waren die gleichen. Das stranggepresste Produkt zeigte bei 200C die folgenden Kennwerte :
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<tb>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 66 <SEP> kg/mm2
<tb> Elastizitätsgrenze <SEP> 58 <SEP> kg/mm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> 1%
<tb>
Die Dehnbarkeit der Legierung ist durch die Zunahme des Lanthangehaltes stark vermindert, aber die Elastizitätsgrenze bedeutend heraufgesetzt.
Beispiel 3 : Der Eisen- und Aluminiumgehalt ist der gleiche wie im Beispiel 1, nur das Lanthan wurde durch Yttrium mit einem Endgehalt von etwa 0, 4% ersetzt. Die nacheinanderfolgenden Schritte der Herstellung bleiben die gleichen wie im Beispiel 1, und das Endprodukt zeigt folgende charakteristische Eigenschaften :
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<tb>
<tb> Temperatur <SEP> Zugfestigkeit <SEP> Elastizitätsgrenze <SEP> Bruchdehnung
<tb> oc <SEP> kg/mm2 <SEP> kg/mm2 <SEP> 0/0
<tb> 20 <SEP> 84 <SEP> 29 <SEP> 10
<tb> 200 <SEP> 91 <SEP> 29 <SEP> 15
<tb> 400 <SEP> 72 <SEP> 32 <SEP> 35
<tb> 600 <SEP> 41 <SEP> 38 <SEP> 65
<tb>
Beispiel 4 :
Der Eisen- und Aluminiumgehalt ist der gleiche wie in den vorangehenden Beispie- len ; ebenso bleiben die Herstellungsschritte unverändert; der Yttriumgehalt beträgt 3, 150/0. Das erhaltene Produkt zeigt bei 200C die folgenden Kennwerte :
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<tb>
<tb> Zugfestigkeit <SEP> 80 <SEP> kg/mm2
<tb> Elastizitätsgrenze <SEP> 55,8 <SEP> kg/mm2
<tb> Bruchdehnung <SEP> 2%
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