CH646999A5 - OBJECT OF A HIGH-STRENGTH ALUMINUM ALLOY AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF. - Google Patents
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gegenstand aus einer hochfesten Aluminiumlegierung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung. Insbesondere kommen dabei Aluminiumlegierungen in Betracht, die durch eine metallurgische Pulvertechnik hergestellt werden können und die für die Herstellung von Gegenständen geeignet sind, welche bei erhöhten Temperaturen, mindestens bis zu 350 °C, gute mechanische Eigenschaften aufweisen. The present invention relates to an object made of a high-strength aluminum alloy and a method for its production. Aluminum alloys which can be produced by a metallurgical powder technology and which are suitable for the production of objects which have good mechanical properties at elevated temperatures, at least up to 350 ° C., are particularly suitable.
In der Vergangenheit wurden bereits Versuche unternommen, durch metallurgische Pulvertechniken verbesserte Aluminiumlegierungen herzustellen. Bei diesen Techniken werden höhere Verfestigungsgeschwindigkeiten verwendet, als sie üblicherweise beim herkömmlichen Giessen erzielt werden. Jedoch waren die Verfestigungsgeschwindigkeiten nicht ausreichend hoch, um in der begrenzten Anzahl von bisher untersuchten Legierungssystemen brauchbare metastabile Phasen zu erzeugen. Attempts have been made in the past to produce improved aluminum alloys using metallurgical powder techniques. These techniques use higher solidification rates than are usually achieved with conventional casting. However, the solidification rates were not sufficiently high to produce usable metastable phases in the limited number of alloy systems investigated to date.
Die folgenden Artikel befassen sich mit der raschen Verfestigung von Aluminiumlegierungen: The following articles deal with the rapid solidification of aluminum alloys:
«Exchance of Expérience and Information, Structures and Properties of Al-Cr and Al-Fe Alloys Prepared by the Atomization Technique». A.A. Bryukhovets, N.N. Barbashin, M.G. Stepanova, et I.N. Fridlyander. Moscow Aviation Technology Insitute. Übersetzt von Poroshkovaya Me-tallurgiya, Nr. 1 (85), SS. 108-111, Januar, 1970. "Exchance of Expérience and Information, Structures and Properties of Al-Cr and Al-Fe Alloys Prepared by the Atomization Technique". A.A. Bryukhovets, N.N. Barbashin, M.G. Stepanova, et I.N. Fridlyander. Moscow Aviation Technology Institute. Translated by Poroshkovaya Me-tallurgiya, No. 1 (85), pp. 108-111, January, 1970.
«On Aluminium Alloys with Refractory Elements, Ob-tained by Granulation» von V. I. Dobatkin und V. I. Elagin. Sov. J. NonFerrous Metals Aug. 1966, SS 89-93. "On Aluminum Alloys with Refractory Elements, Ob-tained by Granulation" by V. I. Dobatkin and V. I. Elagin. So V. J. NonFerrous Metals Aug. 1966, pp 89-93.
«Fast Freezing by Atomization for Aluminium Alloy Development» von W. Rostoker, R.P. Dudek, C. Freda und R.E. Russell. International Journal of Powder Metallurgy. SS. 139-148. "Fast Freezing by Atomization for Aluminum Alloy Development" by W. Rostoker, R.P. Dudek, C. Freda and R.E. Russell. International Journal of Powder Metallurgy. SS. 139-148.
US-PSen 4 002 502,4 127 426,4 139 400 und 4 193 822. Sie beziehen sich alle auf Aluminiumlegierungen, die Eisen als überwiegenden Legierungsbestandteil enthalten. Die US-PS 4 127 426 beschreibt ebenfalls die rasche Verfestigung einer Legierung, die bis zu 5% Eisen enthält. U.S. Patents 4,002,502,4,127,426,4,139,400 and 4,193,822. They all relate to aluminum alloys containing iron as the predominant alloying ingredient. U.S. Patent 4,127,426 also describes the rapid solidification of an alloy containing up to 5% iron.
Hauptaufgabe der Erfindung war die Schaffung von Gegenständen aus einer Aluminiumlegierung mit brauchbaren mechanischen Eigenschaften bei Temperaturen bis zu mindestens 350 C. The main object of the invention was to create objects made of an aluminum alloy with useful mechanical properties at temperatures up to at least 350 C.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung war es, eine Klasse von Aluminiumlegierungen zu beschreiben, die durch metallurgische Pulvertechniken hergestellt werden können, um Gegenstände mit hoher Festigkeit herzustellen. Another object of the invention was to describe a class of aluminum alloys that can be made by powder metallurgical techniques to produce high strength articles.
Schliesslich war es eine Aufgabe der Erfindung, metallurgische Pulverfahren zu beschreiben, die bei einer Klasse von Aluminiumlegierungen verwendet werden können, um Gegenstände mit aussergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften bei erhöhten Temperaturen herzustellen. Finally, it was an object of the invention to describe metallurgical powder processes that can be used with a class of aluminum alloys to produce articles with exceptional mechanical properties at elevated temperatures.
Die Erfindung betrifft eine neue Klasse von Aluminiumlegierungen, die durch eine neuartige Fällung verfestigt sind. Durch Fällungen verfestigte Aluminiumlegierungen sind in der Technik bekannt. Typische solche Legierungen basieren auf dem Aluminium/Kupfer-System (wie z.B. die Legierung 2024). In einem solchen klassischen Fällungshärtungssystem wird die abnehmende Feststofflöslichkeit eines Elements in einem anderen ausgenützt, so dass durch eine thermische Behandlung eine erwünschte Fällung erzeugt werden kann. Im Falle des Aluminium/Kupfer-Systems macht es die abnehmende Feststofflöslichkeit von Kupfer und Aluminium möglich, Fällungsteilchen auf der Basis von CuA12 zu entwik-keln. Da die Feststofflöslichkeit von Kupfer und Aluminium mit der Temperatur zunimmt, besitzen diese Materialien nur eine beschränkte Fähigkeit, bei erhöhten Temperaturen Spannungen zu widerstehen, da nämlich die Tendenz besteht, dass die gefällte Phase siehe bei erhöhten Temperaturen auflöst. Eine andere Klasse von Legierungen, welche durch Teilchen verfestigt sind, wird durch die sog. SAP-Legierungen gebildet. Gegenstände aus SAP-Legierungen werden durch metallurgische Pulvertechniken hergestellt, wobei Aluminiumlegierungspulver oxydiert und dann verdichtet und stark kalt bearbeitet wird. Das Ergebnis dieser Behandlung ist die Entwicklung einer Struktur mit feinen diskreten Teilchen aus Aluminiumoxid. Da Aluminiumoxid in Aluminium praktisch unlöslich ist, ist diese Klasse von Legierungen bei erhöhten Temperaturen stabiler als die Fällungslegierungen, die durch ein richtiges Fällungsphänomen hergestellt worden sind. The invention relates to a new class of aluminum alloys, which are solidified by a novel precipitation. Aluminum alloys solidified by precipitation are known in the art. Typical such alloys are based on the aluminum / copper system (such as alloy 2024). In such a classic precipitation hardening system, the decreasing solubility of one element in another is used, so that a desired precipitation can be produced by a thermal treatment. In the case of the aluminum / copper system, the decreasing solubility of copper and aluminum makes it possible to develop precipitation particles based on CuA12. Since the solubility of copper and aluminum increases with temperature, these materials have only a limited ability to withstand stress at elevated temperatures, because the precipitated phase tends to dissolve at elevated temperatures. Another class of alloys that are solidified by particles is formed by the so-called SAP alloys. SAP alloy articles are manufactured using metallurgical powder techniques, whereby aluminum alloy powder is oxidized and then compacted and processed extremely cold. The result of this treatment is the development of a structure with fine, discrete particles of aluminum oxide. Because aluminum oxide is practically insoluble in aluminum, this class of alloys is more stable at elevated temperatures than the precipitation alloys that have been produced by a proper precipitation phenomenon.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klasse von Legierungen, welche in gewisser Hinsicht die Vorteile beider Typen vorstehend beschriebener Materialien vereinigen. Die er-findungsgemässen Legierungen sind durch eine Fällung auf der Basis von Eisen und ein oder mehreren feuerfesten Elementen aus der Gruppe umfassend Titan, Zirconium, Hafnium, Niob, Molybdän, Wolfram, Chrom und Vanadium verfestigt. Sowohl Eisen als auch die feuerfesten Elemente besitzen eine extrem kleine Feststofflöslichkeit in Aluminium und können für die meisten praktischen Zwecke als in Aluminium unlöslich angesehen werden. Als Folge sind Fällungsteilchen auf der Basis von Eisen und den feuerfesten Elementen in Aluminium auch bei erhöhten Temperaturen ziemlich stabil. Die Legierungen werden durch ein Verfahren The present invention relates to a class of alloys which, in some respects, combine the advantages of both types of the materials described above. The alloys according to the invention are solidified by precipitation on the basis of iron and one or more refractory elements from the group comprising titanium, zirconium, hafnium, niobium, molybdenum, tungsten, chromium and vanadium. Both iron and the refractory elements have extremely low solids solubility in aluminum and can be considered insoluble in aluminum for most practical purposes. As a result, precipitation particles based on iron and the refractory elements in aluminum are quite stable even at elevated temperatures. The alloys are made by a process
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hergestellt, bei dem eine Verfestigung aus der Schmelze mit einer hohen Geschwindigkeit erfolgt, die vorzugsweise 105 "C/s überschreitet. Diese hohe Verfestigungsgeschwindigkeit stellt sicher, dass die Fällungsteilchen, die sich bei einer Verfestigung aus der Schmelze bilden, klein und gleichförmig verteilt sind. Die kurze Zeit, die für die Verfestigung zur Verfügung steht, gestattet kein wesentliches Teilchenwachstum. Wenn die Verfestigungsgeschwindigkeit ausreichend hoch ist, dann ergibt sich die Bildung von amorphen oder nicht-kristallinen Bereichen, die reich an Eisen und den feuerfesten Elementen sind. Dies wird bevorzugt, da diese amorphen Bereiche durch thermische Behandlung kontrolliert zersetzt werden können, um eine aussergewöhnlich feine Dispersion von Fällungsteilchen zu erzielen. which solidifies from the melt at a high rate, preferably exceeding 105 "C / s. This high rate of solidification ensures that the precipitation particles which form from the melt upon solidification are small and uniformly distributed. The short time available for solidification does not allow substantial particle growth, and if the solidification rate is sufficiently high, amorphous or non-crystalline regions rich in iron and refractory elements will result, which is preferred , since these amorphous areas can be decomposed in a controlled manner by thermal treatment in order to achieve an exceptionally fine dispersion of precipitation particles.
Eine Kühlgeschwindigkeit, die ungefähr 105 "C/s überschreitet, ergibt Verbindungen aus Eisen und feuerfestem Metall, die eine nicht im Gleichgewicht stehende metastabile Struktur haben. Im Extremfall wird die Struktur amorph sein, während bei niedrigeren Abkühlungsgeschwindigkeiten eine Reihe von verschiedenen nicht im Gleichgewicht stehenden kristallinen Fällungsstrukturen auftreten wird. Es wird angenommen, dass beim Halten auf höheren Temperaturen die Fällungen diese verschiedenen Strukturen in Richtung auf eine Gleichgewichtsstruktur durchlaufen. A cooling rate exceeding approximately 105 "C / s will result in iron and refractory metal compounds that have an unbalanced metastable structure. In extreme cases, the structure will be amorphous, while at lower cooling rates a number of different unbalanced ones crystalline precipitation structures will occur, and it is believed that when held at higher temperatures, the precipitations will go through these different structures towards an equilibrium structure.
Das Aluminiumlegierungspulver, das auf diese Weise hergestellt wird, wird in einen festen Gegenstand verdichtet. Es können die verschiedensten Verdichtungstechniken verwendet werden, solange die Legierungstemperatur nicht eine beträchtliche Zeit wesentlich über 350 °C steigt. The aluminum alloy powder produced in this way is compacted into a solid object. Various densification techniques can be used as long as the alloy temperature does not rise significantly above 350 ° C for a considerable time.
Die beigefügten Zeichnungen erläutern die Vorteile der Erfindung. The accompanying drawings illustrate the advantages of the invention.
In den Zeichnungen zeigen: The drawings show:
Figur 1 die Reissfestigkeit als Funktion der Temperatur verschiedener herkömmlicher Aluminium- und Titanlegierungen und einer erfindungsgemässen Legierung. 1 shows the tensile strength as a function of the temperature of various conventional aluminum and titanium alloys and an alloy according to the invention.
Figur 2 die Streckfestigkeit als Funktion der Temperatur verschiedener herkömmlicher Aluminium- und Titanlegierungen und einer erfindungsgemässen Legierung. Figure 2 shows the tensile strength as a function of the temperature of various conventional aluminum and titanium alloys and an alloy according to the invention.
Figur 3 die Spannungsrisseigenschaften als Funktion der Temperatur verschiedener herkömmlicher Aluminium- und Titanlegierungen und einer erfindungsgemässen Legierung; und FIG. 3 shows the stress crack properties as a function of the temperature of various conventional aluminum and titanium alloys and an alloy according to the invention; and
Figur 4 eine Mikrofotografie einer erfindungsgemässen Legierung, nachdem sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt worden ist. FIG. 4 shows a microphotograph of an alloy according to the invention after it has been exposed to elevated temperatures.
Die erfindungsgemässen Legierungen basieren auf Aluminium und enthalten 5 bis 15 Gew.-% Eisen und 1 bis 5 Gew.-% mindestens eines der feuerfesten Metalle Niob, Zirconium, Hafnium, Titan, Molybdän, Chrom, Wolfram und Vanadium. Vorzugsweise ist das feuerfeste Metall in einer Menge von 15 bis 35%, bezogen auf den Eisengehalt, anwesend. Diese feuerfesten Elemente vereinigen sich mit Eisen unter Bildung einer verfestigenden Fällungsphase auf der Basis von Al3Fe, wobei das feuerfeste Metall einen Teil des Eisens ersetzt. The alloys according to the invention are based on aluminum and contain 5 to 15% by weight of iron and 1 to 5% by weight of at least one of the refractory metals niobium, zirconium, hafnium, titanium, molybdenum, chromium, tungsten and vanadium. Preferably the refractory metal is present in an amount of 15 to 35% based on the iron content. These refractory elements combine with iron to form a solidifying precipitation phase based on Al3Fe, the refractory metal replacing part of the iron.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Auffindung dieser neuen nützlichen verfestigenden Phase. Es können viele weitere Elemente zu dieser Legierung für verschiedene Zwecke zugegeben werden, beispielsweise zum Zwecke einer verbesserten Feststofflösungsverfestigung und einer verbesserten Korrosionsbeständigkeit, ohne dass der verfestigende Effekt wesentlich beeinflusst wird, der durch die neue Fällung gemäss der Erfindung erzielt wird. Die Erfindung kann deshalb allgemein beschrieben werden als Aluminiumfest-stofflösungsmatrix, welche bis zu 5 Gew.-% eines Feststoff-lösungsverfestigungselements enthalten kann und welche auch ungefähr 5 bis ungefähr 30 Vol.-% einer Verfestigungsfällung auf der Basis von Eisen und mindestens einem der vorstehend erwähnten feuerfesten Metalle enthält. Diese verfestigenden Teilchen besitzen durchschnittliche Durchmesser von weniger als 0,05 jxm und vorzugsweise weniger als 0,03 |im und haben typischerweise einen Abstand von weniger als 0,2 um. The present invention is based on the discovery of this new useful solidifying phase. Many other elements can be added to this alloy for various purposes, for example for the purpose of improved solid solution strengthening and improved corrosion resistance, without significantly affecting the strengthening effect which is achieved by the new precipitation according to the invention. The invention can therefore generally be described as an aluminum solid solution matrix which can contain up to 5% by weight of a solid solution strengthening element and which also contains approximately 5 to approximately 30% by volume of an iron-based solidification precipitate and at least one of the above contains refractory metals mentioned. These solidifying particles have average diameters less than 0.05 µm and preferably less than 0.03 µm and are typically less than 0.2 µm apart.
Eine solche Struktur kann durch eine rasche Verfestigung erreicht werden. Um eine solche Struktur zu erreichen, ist es nötig, die Legierung in einer geschmolzenen Form beträchtlich zu überhitzen und hierauf die Legierung in Teilchenform mit einer Geschwindigkeit von mehr als 105 "C/s zu verfestigen. Wenn die Gehalte an Eisen und feuerfestem Metall erhöht werden, dann ist eine höhere Abkühlungsgeschwindigkeit nötig, um die gleiche nicht im Gleichgewicht befindliche Struktur zu erzielen. Es gibt zwar verschiedene Techniken, mit denen solche hohe Verfestigungsgeschwindigkeiten erzielt werden können, aber diese Techniken sind überwiegend für die Laborherstellung von kleinen Materialmengen geeignet. Die Technik, die vorzugsweise zur Herstellung von technischen Mengen dieses Materials verwendet wird, ist als die RSR-Technik bekannt. Bei dieser Technik wird eine horizontal angeordnete Scheibe verwendet, die sich mit einer Geschwindigkeit von ungefähr 20 000-30 000 U/ min dreht, während das zu atomisierende Material auf die Scheibe gegossen wird. Die rotierende Scheibe wirft das flüssige Material ab, wobei es durch Heliumgasstrahlen abgekühlt wird. Das Verfahren ist in den US-PSen 4 025 249, 4 053 264 und 4 078 873 beschrieben, auf welche hier Bezug genommen wird. Dies ist zwar das bevorzugte Verfahren, wesentlich ist jedoch nur die Abkühlungsgeschwindigkeit und nicht die Art und Weise, wie bei dem verwendeten Verfahren diese Abkühlungsgeschwindigkeit erreicht wird. Ein anderer Vorteil des bevorzugten Verfahrens ist die Sauberkeit des erhaltenen Pulvers. Aluminium ist ein reaktives Element. Es ist deshalb erwünscht, dass die Oxydation des Pulvers geringgehalten oder gar vermieden wird. Dies erfordert eine saubere Verarbeitungsvorrichtung. Die verschiedenen vorstehend beschriebenen Verfahren erfüllen diese Notwendigkeit. Such a structure can be achieved by rapid solidification. In order to achieve such a structure, it is necessary to significantly overheat the alloy in a molten form and then to solidify the alloy in particulate form at a rate of more than 105 "C / s. When the iron and refractory metal contents are increased , then a higher cooling rate is required to achieve the same unbalanced structure. While there are several techniques that can achieve such high solidification rates, these techniques are primarily suitable for the laboratory production of small quantities of material. which is preferably used for the production of technical quantities of this material is known as the RSR technique, which uses a horizontally arranged disc which rotates at a speed of approximately 20,000-30,000 rpm while that atomizing material is poured onto the disc ibe throws off the liquid material, which is cooled by helium gas jets. The method is described in U.S. Patents 4,025,249, 4,053,264 and 4,078,873, which are incorporated herein by reference. Although this is the preferred method, the only thing that is important is the cooling rate and not the manner in which this cooling rate is achieved in the method used. Another advantage of the preferred method is the cleanliness of the powder obtained. Aluminum is a reactive element. It is therefore desirable that the oxidation of the powder be kept low or even avoided. This requires a clean processing device. The various methods described above meet this need.
Nachdem das Material in einer Teilchenform erhalten worden ist, wird es in einen Gegenstand mit brauchbaren Abmessungen verdichtet. Diese Verdichtung kann unter Verwendung der verschiedensten in der Metallurgie bekannten Verfahren erfolgen. Eine notwendige Bedingung ist jedoch, dass das Material nicht eine wesentliche Zeit auf eine Temperatur beträchtlich über 350 C erhitzt wird. Wenn das Material über 350 "C erhitzt wird, dann entsteht eine übermässige Vergröberung der Verfestigungsfällung und eine Verringerung der mechanischen Eigenschaften. Eine erfolgreich verwendete Verdichtungstechnik ist die Extrusion bei Temperaturen von ungefähr 300 °C. Eine andere Verdichtungstechnik, die praktikabel erscheint, ist eine dynamische Verdichtung unter Verwendung einer Schockwelle, um die Pulverteilchen miteinander zu verbinden, ohne dass ein wesentlicher Temperaturanstieg hervorgerufen wird. After the material is obtained in a particulate form, it is compacted into an article of useful dimensions. This compression can be carried out using a wide variety of processes known in metallurgy. A necessary condition, however, is that the material is not heated to a temperature significantly above 350 C for a substantial time. If the material is heated above 350 "C, there is excessive coarsening of the solidification precipitate and a reduction in mechanical properties. A successfully used compression technique is extrusion at temperatures of approximately 300 ° C. Another compression technique that appears practical is a dynamic one Compression using a shock wave to bond the powder particles together without causing a significant increase in temperature.
Wie bereits festgestellt, kann diese Klasse von Legierungen eine Reihe von Fällungsstrukturen zeigen, und zwar von amorph bis zur Gleichgewichtskristallstruktur. Wenn extrem hohe Verfestigungsgeschwindigkeiten verwendet worden sind, so dass eine beträchtliche Menge amorpher Phase vorliegt, dann kann es erwünscht sein, diese Phase in eine andere stabilere kristalline Phase zu überführen, bevor der Gegenstand in Gebrauch genommen wird. Dies kann leicht dadurch erreicht werden, dass man den verdichteten Gegenstand auf eine Temperatur zwischen ungefähr 50 und 300 C während einer Zeit erhitzt, die ausreicht, die gewünschte Umwandlung zustande zu bringen. As stated earlier, this class of alloys can show a number of precipitation structures, from amorphous to equilibrium crystal structure. If extremely high solidification rates have been used so that there is a substantial amount of amorphous phase, then it may be desirable to convert this phase to another more stable crystalline phase before the article is put into use. This can easily be accomplished by heating the compacted article to a temperature between about 50 and 300 ° C for a time sufficient to accomplish the desired conversion.
Die vorstehend beschriebenen Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei Betrachtung der Figuren besser The features of the present invention described above become better as the figures are viewed
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verständlich. Die Figuren 1,2 und 3 erläutern die mechanischen Eigenschaften einer bestimmten erfindungsgemässen Zusammensetzung im Vergleich mit verschiedenen bekannten hochfesten Aluminiumlegierungen und zwei üblichen Titanlegierungen. Die Zusammensetzungen der Aluminiumlegierungen sind in der folgenden Tabelle 1 gezeigt. understandable. FIGS. 1, 2 and 3 explain the mechanical properties of a specific composition according to the invention in comparison with various known high-strength aluminum alloys and two conventional titanium alloys. The compositions of the aluminum alloys are shown in Table 1 below.
Tabelle 1 Table 1
2014 4,4% Cu, 0,8% Si, 0,8% Mn, 0,4% Mg 2014 4.4% Cu, 0.8% Si, 0.8% Mn, 0.4% Mg
2219 6,3% Cu, 0,3% Mn, 0,1% V, 0,15% Zr 2219 6.3% Cu, 0.3% Mn, 0.1% V, 0.15% Zr
2618 2,3% Cu, 1,6% Mg, 1,0% Ni, 1,1% Fe 2618 2.3% Cu, 1.6% Mg, 1.0% Ni, 1.1% Fe
7075 5,6% Zn, 1,6% Cu, 2,5% Mg, 0,3% Cr 7075 5.6% Zn, 1.6% Cu, 2.5% Mg, 0.3% Cr
Solche Titan- und Aluminiumlegierungen werden üblicherweise dort verwendet, wo eine hohe Festigkeit und eine niedrige Dichte erforderlich sind. Titanlegierungen sind im allgemeinen fester und behalten ihre Festigkeit bei höheren Temperaturen bei, als dies bei Aluminiumlegierungen der Fall ist. Jedoch ist Titan viel teurer als Aluminium, weshalb ein grosser Bedarf für hochfeste Aluminiumlegierungen besteht, und zwar insbesondere für solche, die ihre Festigkeit bei erhöhten Temperaturen beibehalten können. Die erfindungsgemässen Legierungen überbrücken diese Kluft in den Eigenschaften zwischen herkömmlichen Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen. Such titanium and aluminum alloys are commonly used where high strength and low density are required. Titanium alloys are generally stronger and retain their strength at higher temperatures than is the case with aluminum alloys. However, titanium is much more expensive than aluminum, which is why there is a great need for high-strength aluminum alloys, especially those that can maintain their strength at elevated temperatures. The alloys according to the invention bridge this gap in the properties between conventional aluminum alloys and titanium alloys.
Bei Anwendungen in rotierenden Maschinen, wo also die auf ein Bauteil ausgeübten Spannungen weitgehend das Ergebnis von auf dieses Bauteil wirkenden Zentrifugalkräften sind, ist die absolute Festigkeit nicht so wichtig wie das Verhältnis von Festigkeit zu Dichte. Aus naheliegenden Gründen entwickeln Gegenstände mit einer hohen Dichte grössere innere Spannungen als identische Gegenstände niedrigerer Dichte. Titanlegierungen sind etwas dichter als Aluminiumlegierungen. Die Figuren 1, 2 und 3 enthalten jeweils eine gestrichelte Linie, welche eine theoretische Aluminiumlegierung repräsentiert, die bei der Dichte einer typischen Aluminiumlegierung das Festigkeit/Dichte-Verhältnis einer üblichen Titanlegierung (TÌ-6A1-4V) aufweist. Wenn eine Aluminiumlegierung entwickelt werden könnte, welche die durch die gestrichelte Linie festgelegten Eigenschaften erreichte oder gar überschritte, dann entspräche eine solche Legierung bei Hochleistungsanwendungen, insbesondere rotierenden Maschinen, in vielen Hinsichten dem Titan. For applications in rotating machines, where the stresses exerted on a component are largely the result of centrifugal forces acting on this component, absolute strength is not as important as the ratio of strength to density. For obvious reasons, objects with a high density develop greater internal tensions than identical objects with a lower density. Titanium alloys are somewhat denser than aluminum alloys. Figures 1, 2 and 3 each contain a dashed line, which represents a theoretical aluminum alloy, which has the strength / density ratio of a conventional titanium alloy (TÌ-6A1-4V) at the density of a typical aluminum alloy. If an aluminum alloy could be developed that achieved or even exceeded the properties defined by the dashed line, then such an alloy would correspond in many respects to titanium in high-performance applications, in particular rotating machines.
Eine erfindungsgemässe Legierung wurde hergestellt, und an dieser Legierung wurden die mechanischen Eigenschaften bestimmt. Die Legierung war eine einfache, welche 8 Gew.-% Eisen, 2 Gew.-% Molybdän und im übrigen Aluminium enthielt. Sie wurde unter Verwendung des vorstehend beschriebenen raschen Verfestigungsverfahrens mit einer Abkühlungsgeschwindigkeit von mehr als ungefähr 10® C/s hergestellt. Das Ergebnis dieses Abkühlungsverfahrens war ein Pulvermaterial, das verdichtet und heiss extru-diert wurde, um ein Material herzustellen, aus dem Proben herausgearbeitet werden konnten. An alloy according to the invention was produced and the mechanical properties of this alloy were determined. The alloy was a simple one, which contained 8% by weight of iron, 2% by weight of molybdenum and the rest of aluminum. It was made using the rapid solidification process described above with a cooling rate greater than about 10 ° C / s. The result of this cooling process was a powder material that was compacted and hot extruded to produce a material from which samples could be worked out.
Figur 1 zeigt neben der Reissfestigkeit als Funktion der Temperatur von verschiedenen herkömmlichen Aluminium-und Titanlegierungen auch eine Kurve, welche die Eigenschaften der vorstehend beschriebenen Al-8Fe-2Mo-Legie-rung erläutert, wie auch eine gestrichelte Linie, welche die Reissfestigkeit einer theoretischen Legierung mit dem Festig-keits/Dichte-Verhältnis von TÌ-6A1-4V und der Dichte von Aluminium aufweist. Eine Aluminiumlegierung mit dieser Kombination von Festigkeit und Dichte könnte direkt anstelle von TÌ-6A1-4V in rotierenden Maschinen eingesetzt werden. Es ist ersichtlich, dass hinsichtlich der Reissfestigkeit bei höheren Temperaturen die erfindungsgemässe Legierung wesentlich besser ist als die herkömmlichen hochfesten In addition to the tensile strength as a function of the temperature of various conventional aluminum and titanium alloys, FIG. 1 also shows a curve which explains the properties of the Al-8Fe-2Mo alloy described above, and also a dashed line which shows the tensile strength of a theoretical alloy with the strength / density ratio of TÌ-6A1-4V and the density of aluminum. An aluminum alloy with this combination of strength and density could be used directly in rotating machines instead of TÌ-6A1-4V. It can be seen that with regard to the tensile strength at higher temperatures, the alloy according to the invention is significantly better than the conventional high-strength alloy
Aluminiumlegierungen. Von Temperaturen von 100 C aufwärts ist die erfindungsgemässe Legierung fester als die bekannten Legierungen. Bei höheren Temperaturen, wie z. B. bei 290 C, ist die Überlegenheit der erfindungsgemässen Legierung beträchtlich, da bei 290 "C die festeste herkömmliche Aluminiumlegierung eine Reissfestigkeit von ungefähr 137,9 MPa aufweist, während die erfindungsgemässe Legierung die doppelte Festigkeit von 275,8 MPa besitzt. Im Vergleich hierzu hätte die theoretische Aluminiumlegierung mit dem Festigkeit/Dichte-Verhältnis von Titan eine Reissfestigkeit von 413,7 MPa. Hinsichtlich der Reissfestigkeit als Funktion der Temperatur überbrückt also die erfindungsgemässe Legierung die Kluft zwischen herkömmlichen Aluminiumlegierungen und Titanlegierungen. Aluminum alloys. From temperatures of 100 C upwards, the alloy according to the invention is stronger than the known alloys. At higher temperatures, such as. B. at 290 C, the superiority of the alloy according to the invention is considerable, since at 290 "C the strongest conventional aluminum alloy has a tensile strength of approximately 137.9 MPa, while the alloy according to the invention has twice the strength of 275.8 MPa. In comparison the theoretical aluminum alloy with the strength / density ratio of titanium would have a tensile strength of 413.7 MPa. With regard to the tensile strength as a function of temperature, the alloy according to the invention bridges the gap between conventional aluminum alloys and titanium alloys.
Figur 2 zeigt einen ähnlichen Vergleich der Festigkeit gegenüber der Temperatur, ausser dass der Festigkeitsparameter die Streckfestigkeit ist (gemessen bei einer Streckung von 0,2%). Auch hier sind wiederum Kurven für herkömmliche hochfeste Aluminium- und Titanlegierungen und eine gestrichelte Linie eingetragen, welche die Streckfestigkeit einer Legierung mit dem Streckfestigkeit/Dichte-Verhältnis von Ti-6A1-4V repräsentiert. Hinsichtlich der Streckfestigkeit liegt die erfindungsgemässe Legierung (Al-8Fe-2Mo) sehr nahe an der theoretischen Legierung und ist wesentlich besser als die herkömmlichen hochfesten Aluminiumlegierungen. Ein wesentliches Merkmal, das aus Figur 2 hervorgeht, liegt darin, dass die herkömmlichen hochfesten Aluminiumlegierungen im Temperaturbereich von ungefähr 125 bis ungefähr 250 °C einen beträchtlichen Abfall der Streckfestigkeit aufweisen. Die erfindungsgemässe Legierung zeigt bis zu einer Temperatur in der Nähe von 350 "C keine scharfe Abnahme der Streckfestigkeit. Dies bedeutet eine Erhöhung von ungefähr 100 °C der üblichen Betriebstemperatur bei Anwendung des erfindungsgemässen Materials. Die erhöhte Erweichungstemperatur der erfindungsgemässen Legierung ist ein Anzeichen für eine grössere Stabilität der Legierung. Figure 2 shows a similar comparison of strength versus temperature, except that the strength parameter is the yield strength (measured at 0.2% stretch). Again, curves for conventional high-strength aluminum and titanium alloys and a dashed line are shown, which represent the tensile strength of an alloy with the tensile strength / density ratio of Ti-6A1-4V. With regard to the tensile strength, the alloy according to the invention (Al-8Fe-2Mo) is very close to the theoretical alloy and is considerably better than the conventional high-strength aluminum alloys. An essential feature that emerges from FIG. 2 is that the conventional high-strength aluminum alloys exhibit a considerable drop in the tensile strength in the temperature range from approximately 125 to approximately 250 ° C. The alloy according to the invention shows no sharp decrease in the tensile strength up to a temperature in the vicinity of 350 ° C. This means an increase of approximately 100 ° C. of the usual operating temperature when using the material according to the invention. The increased softening temperature of the alloy according to the invention is an indication of a greater stability of the alloy.
Figur 3 zeigt die Spannungsrisseigenschaften von verschiedenen hochfesten Aluminium- und Titanlegierungen als Funktion der Temperatur. Auch hier sind die Eigenschaften einer theoretischen Aluminiumlegierung mit dem Festigkeit/ Dichte-Verhältnis von TÌ-6A1-4V gezeigt. Die gezeigten Kurven bedeuten die Spannung, die bei einer gegebenen Temperatur erforderlich ist, um in einer Probe nach 1000 h einen Riss zu erzeugen. Auch hier erweist sich die erfindungsgemässe Legierung den herkömmlichen hochfesten Aluminiumlegierungen überlegen. Figure 3 shows the stress cracking properties of various high-strength aluminum and titanium alloys as a function of temperature. The properties of a theoretical aluminum alloy with the strength / density ratio of TÌ-6A1-4V are also shown here. The curves shown represent the stress required at a given temperature to produce a crack in a sample after 1000 hours. Here, too, the alloy according to the invention proves to be superior to the conventional high-strength aluminum alloys.
Figur 4 zeigt eine Aufnahme mit einem Elektronenmikroskop des vorher beschriebenen Materials Al-8Fe-2Mo nach einer Erhitzung während 4 h auf 290 "C. Das wesentliche Merkmal, das aus dieser Mikrofotografie ersichtlich ist, besteht darin, dass die ausgefallene Phase auch dann extrem fein ist, wenn das Material eine solche Zeit einer erhöhten Temperatur ausgesetzt wird, welche bei allen herkömmlichen Aluminiumlegierungen eine beträchtliche Erweichung hervorrufen würde. Die Fällung besitzt nach dieser Behandlung einen Durchmesser in der Grössenordnung von 0,01 (im. FIG. 4 shows an image with an electron microscope of the material Al-8Fe-2Mo described above after heating for 4 h to 290 ° C. The essential feature that can be seen from this photomicrograph is that the phase which has precipitated is extremely fine even then is when the material is exposed to an elevated temperature for a period of time which would cause considerable softening in all conventional aluminum alloys. The precipitation after this treatment has a diameter of the order of 0.01 (in.
Die erfindungsgemässen Legierungen besitzen auch höhere Elastizitätsmoduln als herkömmliche Aluminiumlegierungen. Der Elastizitätsmodul bezieht sich auf die Steifheit der Legierung; hohe Modulwerte sind für eine Anzahl von Bauteilen erwünscht. Herkömmliche Aluminiumlegierungen besitzen Modulwerte von ungefähr 68 950 MPa und herkömmliche Titanlegierungen besitzen Modulwerte von 96 430- 110 320 MPa. Der gemessene Wert für den Modul der vorstehend beschriebenen Al-8Fe-2Mo-Legierung ist 85 498 MPa. Der Bereich der Modulwerte für die erfindungsgemässen Legierungen beträgt 82 740-110 320 MPa. The alloys according to the invention also have higher moduli of elasticity than conventional aluminum alloys. The modulus of elasticity relates to the rigidity of the alloy; high module values are desirable for a number of components. Conventional aluminum alloys have module values of approximately 68 950 MPa and conventional titanium alloys have module values of 96 430-110 320 MPa. The measured value for the modulus of the Al-8Fe-2Mo alloy described above is 85 498 MPa. The range of module values for the alloys according to the invention is 82 740-110 320 MPa.
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