CH673241A5

CH673241A5 -

Info

Publication number: CH673241A5
Application number: CH3231/86A
Authority: CH
Inventors: Malcolm James Dr Couper
Original assignee: Bbc Brown Boveri & Cie
Priority date: 1986-08-12
Filing date: 1986-08-12
Publication date: 1990-02-28
Also published as: DE3726447A1

Description

BESCHREIBUNG DESCRIPTION

Technisches Gebiet Technical field

Warmfeste Aluminiumlegierungen, welche aus mit hoher Abkühlungsgeschwindigkeit durch Zerstäuben einer Schmelze gewonnenen Pulvern hergestellt werden. Hoher Gehalt an unter sonst üblichen Erstarrungsbedingungen nicht zulässigen Legierungsbestandteilen wie z. B. Fe und Cr. Heat-resistant aluminum alloys which are made from powders obtained at high cooling rates by atomizing a melt. High content of alloy components not permissible under otherwise usual solidification conditions such as B. Fe and Cr.

Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Aluminiumlegierungspulvern und die Herstellung von Formkörpern aus diesen Pulvern. The invention relates to the production of aluminum alloy powders and the production of moldings from these powders.

Im engeren Sinne betrifft sie ein Verfahren zur pulvermetallurgi-5 sehen Herstellung eines Werkstücks auf der Basis einer warmfesten Aluminiumlegierung des Typs Al/Fe/X, wobei X mindestens eines der Elemente Zr, Ce, Mo, Cr, Y, V bedeutet. In the narrower sense, it relates to a method for powder metallurgy production of a workpiece based on a heat-resistant aluminum alloy of the type Al / Fe / X, where X means at least one of the elements Zr, Ce, Mo, Cr, Y, V.

Stand der Technik State of the art

10 10th

Aluminiumlegierungen, welche sich für die Erzeugung von Pulvern aus Schmelzen mittels Gasstrahlzerstäubung unter Anwendung sehr hoher Abkühlungsgeschwindigkeiten (105 °C/s und mehr) eignen und für die Herstellung warmfester Werkstücke verwenden I5 lassen, sind in zahlreichen Variationen bekannt geworden. Eine bedeutende Gruppe stellen die polynären Legierungen des Typs Al/Fe/X dar, wobei X mindestens eines der Elemente Zr, Cr, V, Y, Ce, Mo bedeutet (vgl. US 4 379 719; GB 2 088 409 A). Aluminum alloys, which are suitable for the production of powders from melts by means of gas jet atomization using very high cooling speeds (105 ° C./s and more) and can be used for the production of heat-resistant workpieces, have become known in numerous variations. An important group is represented by the polynary alloys of the Al / Fe / X type, where X denotes at least one of the elements Zr, Cr, V, Y, Ce, Mo (cf. US 4,379,719; GB 2,088,409 A).

Es wird ganz allgemein versucht, bei diesen Aluminiumlegierun-20 gen Ausscheidungs- und/oder Dispersionshärtung aufeinander abzustimmen und zu optimieren. Dabei spielen binäre und ternäre intermetallische Verbindungen eine wesentliche Rolle. Darunter fallen beispielsweise die dem Typ Al3FexXy angehörenden, als stabile Di-spersoide anwesenden Phasen. Während der Verdichtung der Pulver 25 — selbst bei vergleichsweise tiefen Temperaturen von 300 bis 350e C — neigen jedoch diese Phasen zur Vergröberung, wodurch sie bei Raumtemperatur nahezu unwirksam werden und keinen Beitrag zur Festigkeitssteigerung liefern. Man hat versucht, dem durch sehr tiefe Verdichtungstemperaturen und hohe Verformungen, was hohe Ver-30 setzungsdichte bewirkt, zu begegnen (vgl. C.M. Adam, in: Rapidly Solidified Amorphous and Crystalline Alloys, eds., B.H. Kear et al.; W.S. Miller et al., in: G.J. Hildeman u. M.S. Koczak, eds., High Strength Powder Metallurgy Aluminium Alloys //, 1985). Dies bedingt jedoch extrem hohe Verdichtungsdrücke. Ausserdem besteht 3J die Gefahr der Rissbildung, und das Endprodukt hat sehr niedrige Duktilität. In general, attempts are made to coordinate and optimize precipitation and / or dispersion hardening in these aluminum alloys. Binary and ternary intermetallic compounds play an important role in this. This includes, for example, the phases of the Al3FexXy type that are present as stable dispersoids. However, during the compression of the powder 25 - even at comparatively low temperatures of 300 to 350e C - these phases tend to coarsen, making them almost ineffective at room temperature and making no contribution to increasing the strength. Attempts have been made to counteract this with very low compression temperatures and high deformations, which results in a high density of cross-linking (cf. CM Adam, in: Rapidly Solidified Amorphous and Crystalline Alloys, eds., BH Kear et al .; WS Miller et al., in: GJ Hildeman and MS Koczak, eds., High Strength Powder Metallurgy Aluminum Alloys //, 1985). However, this requires extremely high compression pressures. In addition, 3J is at risk of cracking and the end product has very low ductility.

Gemäss Stand der Technik wird in der Regel der erste Verdichtungsschritt bei der tiefstmöglichen und die darauffolgenden Verarbeitungsschritte bei höheren Temperaturen durchgeführt. Damit sind die besagten Unzulänglichkeiten verknüpft. According to the state of the art, the first compression step is usually carried out at the lowest possible and the subsequent processing steps at higher temperatures. This is linked to the said shortcomings.

Es besteht daher das Bedürfnis, die bekannten Verfahren dahingehend zu verbessern, so dass das Fertigprodukt optimale Eigenschaften aufweist. There is therefore a need to improve the known methods so that the finished product has optimal properties.

45 Darstellung der Erfindung 45 Presentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Werkstücks aus einer Aluminiumlegierung anzugeben, welches sowohl bei Raumtemperatur wie bei 300° C eine hohe Festigkeit besitzt und gleichzeitig eine gute so Duktilität aufweist. The invention has for its object to provide a method for the powder metallurgical production of a workpiece made of an aluminum alloy, which has a high strength both at room temperature and at 300 ° C and at the same time has a good ductility.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beim eingangs erwähnten Verfahren eine Legierung erschmolzen, in einem Gasstrom zu einem Pulver mit einer maximalen Partikelgrösse von 50 (im zerstäubt und das Pulver bei einer Temperatur im Bereich zwischen 400 55 und 450° C unter einem Druck von 1000 bis 5000 bar verdichtet wird, und dass der auf diese Weise erzeugte Presskörper einer weiteren thermomechanischen Umformung bei einer Temperatur im Bereich zwischen 250 und 350° C und Verformungen bezogen auf diese Querschnittsabnahme von 15 bis 55% unterworfen wird. This object is achieved in that, in the process mentioned at the beginning, an alloy is melted, atomized in a gas stream to a powder with a maximum particle size of 50 μm and the powder is atomized at a temperature in the range between 400 55 and 450 ° C. under a pressure of 1000 is compressed up to 5000 bar, and that the pressed body produced in this way is subjected to a further thermomechanical deformation at a temperature in the range between 250 and 350 ° C. and deformations based on this reduction in cross section of 15 to 55%.

60 60

Weg zur Ausführung der Erfindung Way of carrying out the invention

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Ausführungsbeispiele erläutert. The invention is explained using the following exemplary embodiments.

65 65

Ausfiihrungsbeispiel I: Exemplary embodiment I:

Es wurde eine Legierung folgender Zusammensetzung erschmolzen: An alloy of the following composition was melted:

40 40

3 3rd

673 241 673 241

Fe =9 Gew.-% Fe = 9% by weight

V = 3,5 Gew.-% V = 3.5% by weight

AI = Rest AI = rest

Die Schmelze wurde in einer Vorrichtung unter einem inerten Gasstrom (Argon) zu einem Pulver mit einer maximalen Partikel- 5 grosse von 50 um zerstäubt. Der mittlere Partikeldurchmesser betrug ca. 20 um. Das Pulver wurde in eine Aluminiumkapsel abgefüllt und bei 425° C unter einem Druck von 3000 bar zu einem Pressbolzen verdichtet. Nach mechanischer Entfernung der Aluminiumhülle wurde der Pressbolzen in den Rezipienten einer Strangpresse 10 The melt was atomized in a device under an inert gas stream (argon) to a powder with a maximum particle size of 50 μm. The average particle diameter was approximately 20 µm. The powder was filled into an aluminum capsule and compressed at 425 ° C under a pressure of 3000 bar to form a press bolt. After mechanical removal of the aluminum casing, the press bolt was placed in the recipient of an extruder 10

eingesetzt und bei einer Temperatur von 425° C und einem Druck von 4000 bar zu einer Stange verpresst. Das Reduktionsverhältnis betrug 8:1. used and pressed to a rod at a temperature of 425 ° C and a pressure of 4000 bar. The reduction ratio was 8: 1.

Die Stange wurde nun in einem weiteren thermomechanischen Verfahrensschritt durch Rundhämmern bei einer Temperatur von 350° C im Querschnitt um 50% reduziert. In a further thermomechanical process step, the bar was reduced in cross-section by 50% at a temperature of 350 ° C.

Aus der stranggepressten Stange und aus dem rundgehämmerten Stab wurden Proben zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften herausgearbeitet. Die Resultate ergaben folgendes Bild: Samples for determining the mechanical properties were worked out from the extruded rod and from the round hammered rod. The results gave the following picture:

Werte bei Raumtemperatur Values at room temperature

Brinellhärte (HB) Brinell hardness (HB)

Streckgrenze (MPa) Yield strength (MPa)

Bruchfestigkeit (MPa) Breaking strength (MPa)

Dehnung • (%) Strain • (%)

Stranggepresste Stange: Rundgehämmerter Stab (350° C) : Extruded rod: Round hammered rod (350 ° C):

152 148 152 148

421 470 421 470

498 498 498 498

7,9 11,0 7.9 11.0

Es fällt dabei auf, dass bei ungefähr gleichbleibender Brinellhärte durch das Rundhämmern die Streckgrenze und auch die Dehnung beträchtlich gesteigert werden konnte. Die Brinellhärte gibt somit kein verlässliches Bild der tatsächlich für den Konstrukteur massgebenden Festigkeitseigenschaften. It is striking that with roughly constant Brinell hardness, round-hammering significantly increased the yield strength and the elongation. The Brinell hardness therefore does not give a reliable picture of the strength properties that are actually decisive for the designer.

20 Ausführungsbeispiel II: 20 embodiment II:

Gemäss Beispiel I wurde eine Legierung erschmolzen, zu Pulver zerstäubt und in gleicher Weise weiterverarbeitet. Das Rundhämmern mit 50% Querschnittsabnahme wurde jedoch bei einer Temperatur von 250° C vorgenommen. According to Example I, an alloy was melted, atomized into powder and processed in the same way. Round hammering with a 50% reduction in cross-section was carried out at a temperature of 250 ° C.

25 Die Resultate der Zugproben stellten sich wie folgt: 25 The results of the tensile tests were as follows:

Werte bei Raumtemperatur Values at room temperature

Brinellhärte (HB) Brinell hardness (HB)

Streckgrenze (MPa) Yield strength (MPa)

Bruchfestigkeit (MPa) Breaking strength (MPa)

Dehnung (%) Strain (%)

Rundgehämmerter Stab (250° C): Round hammered rod (250 ° C):

150 150

520 520

553 553

5,6 5.6

Gegenüber dem nur stranggepressten Material konnte somit die Streckgrenze um 23 % gesteigert werden bei immer noch genügend 35 hoher Dehnfahigkeit. Compared to the only extruded material, the yield strength could be increased by 23% with still enough high elasticity.

Ausführungsbeispiel III: Working example III:

Es wurde folgende Legierung erschmolzen: The following alloy was melted:

Fe =8 Gew.-% 40 Fe = 8% by weight 40

V =2 Gew.-% V = 2% by weight

Zr = 2,5 Gew.-% Zr = 2.5% by weight

AI = Rest AI = rest

Analog Beispiel I wurde die Schmelze im inerten Gasstrom zu einem Pulver von maximal 50 um Partikelgrösse zerstäubt und zunächst bei einer Temperatur von 400° C unter einem Druck von 3500 bar heissgepresst. Der Presskörper wurde dann bei 400° C in einer Strangpresse zu einer Stange von 15 mm Durchmesser weiterverarbeitet. Anschliessend wurde diese Stange durch Rundhämmern bei 300° C im Querschnitt um 30% reduziert. Analogously to Example I, the melt was atomized in an inert gas stream to give a powder with a maximum particle size of 50 μm and was first hot-pressed at a temperature of 400 ° C. under a pressure of 3500 bar. The compact was then further processed at 400 ° C. in an extrusion press into a rod with a diameter of 15 mm. This bar was then reduced in cross-section by 30% by circular hammering at 300 ° C.

Es ergaben sich folgende Festigkeitswerte: The following strength values resulted:

Werte bei Raumtemperatur Values at room temperature

Streckgrenze (MPa) Yield strength (MPa)

Bruchfestigkeit (MPa) Breaking strength (MPa)

Dehnung (%) Strain (%)

Stranggepresste Stange: Rundgehämmerter Stab (300° C): Extruded rod: Round hammered rod (300 ° C):

435 500 435 500

510 520 510 520

4,5 4,0 4.5 4.0

Der rundgehämmerte Stab wurde ausserdem einem Langzeitversuch unterworfen. Die Kriechfestigkeit stellt sich wie folgt: The round hammered rod was also subjected to a long-term test. The creep resistance is as follows:

Betriebstemperatur: 200° C Operating temperature: 200 ° C

Lebensdauer bis zum Bruch: 1000 h Lifetime until break: 1000 h

Belastung (Spannung) : 210 MPa Load (tension): 210 MPa

Damit zeigt sich die Kriechfestigkeit um ca. 25% höher als diejenige herkömmlicher vergleichbarer Legierungen der Serien Al X 2000 (US-Norm) mit vergleichsweise 170 MPa Belastung. This shows that the creep resistance is approx. 25% higher than that of conventional comparable alloys from the Al X 2000 series (US standard) with a comparatively 170 MPa load.

Die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsbeispiele begrenzt. Die Aluminiumlegierung kann grundsätzlich vom Typ Al/Fe/X mit X = Zr, Ce, Mo, Cr, Y, V sein oder insbesondere die nachfolgende Zusammensetzung aufweisen: The invention is not limited to the exemplary embodiments. The aluminum alloy can basically be of the Al / Fe / X type with X = Zr, Ce, Mo, Cr, Y, V or in particular have the following composition:

Fe =6 bis 15 Gew.-% Fe = 6 to 15% by weight

Zr = 0,5 bis 1 Gew.-% Zr = 0.5 to 1% by weight

V = 1 bis 2 Gew.-% V = 1 to 2% by weight

AI = Rest AI = rest

Die Verdichtung des Pulvers kann im Temperaturbereich von 400 bis 450° C unter einem Druck von 1000 bis 5000 bar erfolgen. Die weitere thermomechanische Behandlung des Presskörpers bzw. 55 des stranggepressten Materials erfolgt im Bereich von 250 bis 350° C, wobei im Falle des Walzens, Pressens, Warmziehens, Rund-hämmerns etc. Verformungen von 15 bis 55% bezogen auf die Querschnittsabnahme einzuhalten sind. Für den Fall des Stauchens des Werkstücks beträgt die Verformung als Dehnung s gemessen vor-60 zugsweise —0,5 bis —1,0, wobei s wie folgt definiert ist; The powder can be compressed in the temperature range from 400 to 450 ° C under a pressure of 1000 to 5000 bar. The further thermomechanical treatment of the pressed body or 55 of the extruded material takes place in the range from 250 to 350 ° C, whereby in the case of rolling, pressing, hot drawing, round hammering etc., deformations of 15 to 55% related to the decrease in cross-section must be observed. In the case of upsetting the workpiece, the deformation measured as elongation s before-60 is preferably -0.5 to -1.0, where s is defined as follows;

65 h0 = Höhe des Werkstücks vor dem Stauchen hf = Höhe des Werkstücks nach dem Stauchen 65 h0 = height of the workpiece before upsetting hf = height of the workpiece after upsetting

Bevorzugte Werte für die Verfahrensparameter gehen aus den Ausführungsbeispielen hervor. Preferred values for the process parameters are evident from the exemplary embodiments.

R R

Claims

673 241

1. A method for powder metallurgical production of a workpiece based on a heat-resistant aluminum alloy of the type Al / Fe / X, where X means at least one of the elements Zr, Ce, Mo, Cr, Y, V, characterized in that the alloy is melted, in a gas stream to a powder with a maximum particle size of 50 (in atomized and the powder is compressed at a temperature in the range between 400 and 450 '' C under a pressure of 1000 to 5000 bar, and that the compact produced in this way another thermomechanical forming at a temperature in the range between 250 and 350 ° C is subjected.

2. The method according to claim 1, characterized in that the further thermomechanical forming consists in hot rolling, pressing, hot drawing or round hammering with a reduction in cross-section of the workpiece of 15 to 55%.

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 1, characterized in that the further thermomechanical deformation consists in an upsetting with an elongation e of -0.5 to -1.0, where s is defined as follows:

h „= height of the workpiece before upsetting hr = height of the workpiece after upsetting

4. The method according to claim 1, characterized in that the compression of the powder by extrusion at a temperature of 425 ° C and the subsequent thermomechanical shaping of the compact by rotary hammers at a temperature of 250 ° C.

5. The method according to claim 1, characterized in that an aluminum alloy is used with the following composition:

Fe = 6 to 15% by weight

Zr = 0.5 to 1% by weight

V = 1 to 2% by weight

AI = rest

6. The method according to claim 1, characterized in that an aluminum alloy with the following composition is used:

Fe = 10 to 14% by weight

Zr = 0.5% by weight

V = 1% by weight

AI = rest

7. The method according to claim 1, characterized in that an aluminum alloy of the following composition is used:

Fe = 9% by weight

V = 3.5% by weight

AI = rest

8. The method according to claim 1, characterized in that an aluminum alloy of the following composition is used:

Fe = 8% by weight

V = 2% by weight

Zr = 2.5% by weight

AI = rest