DE102006024358B4

DE102006024358B4 - Hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen

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Publication number: DE102006024358B4
Application number: DE200610024358
Authority: DE
Inventors: Dr. Kühn Uta; Katarzyna Werniewicz; Prof. Dr. Schultz Ludwig
Original assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Festkorper und Werkstofforschung Dresden eV
Priority date: 2006-05-17
Filing date: 2006-05-17
Publication date: 2013-01-03
Anticipated expiration: 2026-05-18
Also published as: DE102006024358A1

Abstract

Hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen, die aus einem Werkstoff der Zusammensetzung gemäß der Formel bestehen, worin E1 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Cr, V, Mn, Co und Ni, E2 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Mo, Nb, Zr, Y, Hf, Ti, Ta und W, E3 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Sn, Al, Ga, Pb, E4 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Si, P und C sind, mit a = 100 – (b + c + d + e) b = 1 bis 12 c = 1 bis 12 d = 0 bis 12 e = 1 bis 25 (a, b, c, d, e in Atom-%), wobei geringe, herstellungstechnisch bedingte Zusätze und Verunreinigungen enthalten sein können und wobei das Gefüge der Formkörper zu 30–90 Vol.-% mindestens aus einer mikrokristallinen austenitischen kubisch flächenzentrierten (kfz) Phase...

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften und des Maschinenbaus und betrifft hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen. Derartige Formkörper sind einsetzbar als hochbeanspruchte Bauteile z. B. in der Flugzeugindustrie, der Raumfahrt, der Fahrzeugindustrie und allgemein im Maschinen- und Gerätebau, wenn hohe Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Oberflächenbeanspruchung insbesondere bei kompliziert geformten Bauteilen gestellt werden.
Bekannt ist, dass bestimmte mehrkomponentige metallische Werkstoffe, z. B. FeCuNbSiB (siehe Y. Yoshizawa, u. a., J. Appl. Phys. 64 (10), (1988) 6044–6046) durch rasche Erstarrung in einen metastabilen glasartigen Zustand überführt werde können (metallische Gläser), um vorteilhafte (z. B. weichmagnetische, mechanische, katalytische) Eigenschaften zu erhalten. Meist sind diese Werkstoffe wegen der erforderlichen Abkühlrate der Schmelze nur mit geringen Abmessungen in mindestens einer Dimension z. B. dünne Bänder oder Pulver herstellbar. Damit sind sie als massiver Konstruktionswerkstoff nicht geeignet (T. Masumoto, Mater. Sci. Eng. A179/180 (1994) 8–16).
Bekannt sind bestimmte Zusammensetzungsbereiche mehrkomponentiger Legierungen, in denen solche metallische Gläser auch in massiver Form, z. B. mit Abmessungen > 1 mm, durch Gießverfahren hergestellt werden können. Solche Legierungen sind z. B. Pd-Cu-Si, Pd₄₀Ni₄₀P₂₀, Zr-Cu-Ni-Al, La-Al-Ni-Cu (T. Masumoto, Mater. Sci. Eng. A179/180 (1994) 8–16; W. L. Johnson, Mater. Sci. Forum Vol. 225–227, S. 35–50, Transtec Publications 1996, Switzerland). Bekannt sind insbesondere metallische Fe-Basis Gläser mit Zusammensetzungen der chemischen Formeln Fe₆₀Co₈Zr₁₀Mo₅W₂B₁₅, (Fe_0,75B_0,15Si_0,1)₉₆Nb₄, Fe₇₇Ga₂P_9,5C₄B₄Si_2,5, Fe_65,5Cr₄Mo₄Ga₄P₁₂C₅B_5,5, Fe₇₄Nb₆B₁₇Y₃, [(Fe_0,5Co_0,5)_0,75B_0,2Si_0,05]₉₆Nb₄, welche > 1 mm hergestellt werden können (A. Inoue, u. a., Appl. Phys. Lett. 71, 4, (1997) 464–466; A. Inoue, u. a., J. Mater. Res. 18, 6, (2003) 1487–1492; M. Stoica, u. a., J. Metastab. Nanocryst. Mat. 12, (2002) 77–84; D. S. Song, u. a., J. All. Comp. 389, (2005) 159–164; A. Inoue, u. a., Acta Mater. 52, (2004) 4093–4099).
Weiterhin bekannt sind metallische Glas-Formkörper mit besonders hoher Glasbildungsbildungsfähigkeit (in Dimensionen bis 12 mm gießbar mit glasartiger Struktur) in den Zusammensetzungen Fe₄₈Cr₁₅Mo₁₄Er₂C₁₅B₆ und (Fe_44,3Cr₅Co₅Mo_12,8Mn_11,2C_15,8B_5,9)_98,5Y_1,5 (V. Ponnambalam, u. a., J. Mater. Res. 19, 5, (2004) 1320–1323; Z. P. Lu, u. a., Phys. Rev. Let. 92, 24, (2004) 245503-1–245503-4).
Es ist auch eine Zusammensetzung für eine mehrkomponentige berylliumhaltige Legierung mit der chemischen Formel (Zr_100-a-bTi_aNb_b)₇₅(Be_xCu_yNi_z)₂₅ bekannt. Dabei bezeichnen die Koeffizienten a, b die Elementanteile in Atom-% mit a = 18,34; b = 6,66 und die Koeffizienten x, y, z bezeichnen die Verhältnisanteile in Atom-% mit x:y:z = 9:5:4. Diese Legierung ist zweiphasig, sie besitzt eine hochfeste, spröde glasartige Matrix und eine duktile, plastisch verformbare dendritische kubisch raumzentrierte Phase. Dadurch tritt eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur ein, besonders im Bereich der makroskopischen Dehnung (C. C. Hays, u. a., Phys. Rev. Lett. 84, 13, p. 2901–2904, (2000)). Ein gravierender Nachteil dieser Legierung besteht jedoch in der Verwendung des hoch toxischen Berylliums.
Weiterhin bekannt sind nach der DE 102 37 992 B4 hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare berylliumfreie Formkörper aus Zirkonlegierungen der Zusammensetzung Zr_a(E1)_b(E2)_b(E3)_d(E4)_e mit E1 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Nb, Ta, Mo, Cr, W, Ti, V, Hf und Y, E2 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Cu, Au, Ag, Pd und Pt, E3 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Ni, Co, Fe, Zn und Mn und E4 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Al, Ga, Si, P, C, B, Sn, Pb und Sb, und mit a = 100 – (b + c + d + e), b = 5 bis 15, c = 5 bis 15, d = 0 bis 15, e = 5 bis 15, (a, b, c, d, e in Atom-%), wobei die Formkörper ein homogenes mikrostrukturelles Gefüge besitzen, das aus einer glasartigen oder nanokristallinen Matrix mit darin eingebetteter duktiler dendritischer kubisch raumzentrierten Phase besteht.
Gemäß der DE 102 24 722 A1 sind weiterhin hochfeste, plastisch verformbare Formkörper aus Titanlegierungen bekannt, mit der Zusammensetzung Ti_a(E1)_b(E2)_c(E3)_d(E4)_e mit E1 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Nb, Ta, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf und Y, E2 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Cu, Au, Ag, Pd und Pt, E3 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Ni, Co, Fe, Zn und Mn und E4 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Al, Ga, Si, P, C, B, Sn, Pb und Sb, und mit a = 100 – (b + c + d + e), b = 0 bis 20, c = 5 bis 30, d = 5 bis 30, e = 1 bis 15, (a, b, c, d, e in Atom-%), wobei die Formkörper ein homogenes mikrostrukturelles Gefüge besitzen, das aus einer glasartigen oder nanokristallinen Matrix mit darin eingebetteter duktiler dendritischer kubisch raumzentrierten Phase besteht.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochfeste und bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen zur Verfügung zu stellen, die gegenüber metallischen Gläsern makroskopische Plastizität sowie Verformungsverfestigung und gegenüber teilkristallinen oder kristallinen metallischen Legierungen eine signifikante Festigkeitssteigerung aufweisen.
Diese Aufgabe wird mit der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäßen hochfesten, bei Raumtemperatur plastisch verformbaren Formkörper aus Eisenlegierungen bestehen aus einem Werkstoff der Zusammensetzung gemäß der Formel Fe_aE1_bE2_cE3_dE4_e, worin
E1 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Cr, V, Mn, Co und Ni,
E2 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Mo, Nb, Zr, Y, Hf, Ti, Ta und W,
E3 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Sn, Al, Ga, Pb,
E4 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Si, P und C
sind, mit
a = 100 – (b + c + d + e)
b = 1 bis 12
c = 1 bis 12
d = 0 bis 12
e = 1 bis 25
(a, b, c, d, e in Atom-%),
wobei geringe, herstellungstechnisch bedingte Zusätze und Verunreinigungen enthalten sein können und wobei das Gefüge der Formkörper zu 30–90 Vol.-% mindestens aus einer mikrokristallinen austenitischen kubisch flächenzentrierten (kfz) Phase besteht und weiterhin mindestens eine weitere mikrokristalline Phase enthalten ist.
Vorteilhafterweise ist die mindestens weitere mikrokristalline Phase eine martensitische und/oder karbidische Phase.
Ebenfalls vorteilhafterweise besteht das Gefüge des Formkörpers aus einer mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase und einer martensitischen Phase und einer hexagonalen Phase.
Weiterhin vorteilhafterweise besteht das Gefüge des Formkörpers aus einer mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase und einer karbidischen Fe₃C-Phase.
Vorteilhaft ist es auch, wenn der Formkörper die Zusammensetzung Fe_aCr_bMo_cGa_dC_e mit a = 60–80, b = 3–5, c = 3–5, d = 3–5 und e = 9–20 oder auch die Zusammensetzung Fe_aCr_bMo_cGa_dSi_e mit a = 75–85, b = 4–6, c = 4–6, d = 4–6 und e = 2–8 aufweist.
Von Vorteil ist es auch, wenn der Volumenanteil der mikrokistallinen, austenitischen kfz-Phase 40 bis 80% beträgt.
Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn der Volumenanteil der mindestens weiteren mikrokristallinen Phase 20 bis 60% beträgt.
Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Korngröße der mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase im Bereich von 1–20 μm liegt.
Zur Herstellung der Formkörper wird durch Gießen der Eisen-Legierungsschmelze in eine Kupferkokille das fertige Gussteil hergestellt. Es ist von Vorteil, zunächst eine homogene Vorlegierung entsprechend der jeweiligen Zusammensetzung im Lichtbogenofen herzustellen. Um vollständige Homogenität zu gewährleisten, ist mehrmaliges Aufschmelzen erforderlich. Die im Lichtbogenofen hergestellte Vorlegierung wird für den nachfolgenden Gießprozess erneut, vorzugsweise induktiv, in einem inerten Tiegel unter Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen und mittels beispielsweise Druck- oder Schleudergussanlagen in eine Kupferkokille ausgepresst.
Das Gefüge der Formkörper weist eine homogene mikrometerskalige und mindestens zweiphasige, in Abhängigkeit von der Anzahl der eingesetzten Elemente häufig aber eine mehrphasige Struktur auf. Das Gefüge der Formkörper besteht immer aus einer mikrokristallinen austenitischen Phase, deren Kristalle kubisch flächenzentriert (kfz) sind und aus mindestens einer weiteren mikrokristallinen Phase, die in Abhängigkeit von der konkreten gewählten Ausgangszusammensetzung in verschiedenen Strukturen und Volumenanteilen vorliegen. Werden beispielsweise Mo und C eingesetzt, so enthält das Gefüge des Formkörpers auch martensitische und/oder karbidische Phasen. Andere Elemente aus der Gruppe der möglichen einsetzbaren Elemente führen zu einer oder mehreren Phasen auch anderer Struktur.
Der Nachweis der austenitischen kfz-Phase, der martensitischen und karbidischen Phase sowie anderer Phasen und die Bestimmung der Größe und des Volumenanteils dieser Phasen kann über Röntgenbeugung (XRD), Raster-(REM) oder Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erfolgen.
Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Formkörper besteht in ihrer hohen Festigkeit bei Raumtemperatur in Kombination mit plastischer Verformbarkeit. Diese Kombination aus Festigkeit und Plastizität ist extrem verbessert gegenüber Lösungen nach dem Stand der Technik und beruht auf der Bildung einer speziellen Mikrostruktur, die sich aus harten und weichen mikrometerskaligen Phasen zusammensetzt.
Die Erfindung ist nachstehend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Beispiel 1
Aus Fe, Cr, Mo, Ga und C wird eine Vorlegierung der Zusammensetzung Fe_76,9Cr_4,7Mo_4,7Ga_4,7C₉ (in Atom-%) im Lichtbogenofen hergestellt und 3 mal aufgeschmolzen. Nachfolgend wird die Legierung in einem inerten Tiegel unter Argonatmosphäre induktiv aufgeschmolzen und mittels einer Schleudergussanlage in eine zylinderförmige Kupferkokille mit einem Innendurchmesser von 3 mm abgegossen. Der erhaltene stabförmige Formkörper besteht aus einer mikrokristallinen, austenitischen kfz-Phase, aus einer hochfesten martensitischen Phase und aus einer hexagonalen Phase. Der Volumenanteil der kfz-Phase beträgt 41%, der Volumenanteil der martensitischen Phase beträgt 42% und der Volumenanteil der hexagonalen Phase beträgt 17%.
Im Druckversuch erreicht der Formkörper eine wahre Bruchdehnung von 36% (technische Bruchdehnung von 30%) bei einer wahren Bruchfestigkeit von 2868 MPa (technische Bruchfestigkeit von 4116 MPa). Die elastische Dehnung an der technischen Streckgrenze (0,2% Dehngrenze) beträgt 0,7% bei einer Festigkeit von 833 MPa (wahr) oder 844 MPa (techn.). Der Elastizitätsmodul beträgt 162 GPa.
Beispiel 2
Eine Legierung mit der Zusammensetzung Fe_70,1Cr_4,3Mo_4,3Ga_4,4C_16,9 (Zahlenangaben in Atom-%) wird in einem inerten Tiegel aufgeschmolzen und in einer Druckgussanlage in eine zylinderförmige Kupferkokille mit einem Innendurchmesser von 3 mm ausgepresst. Der erhaltene stabförmige Formkörper besteht aus einer mikrokristallinen, austenitischen kfz Phase und einer Fe₃C-Phase. Der Volumenanteil der kfz-Phase beträgt 80%.
Im Druckversuch erreicht der Formkörper eine wahre Bruchdehnung von 16% (technische Bruchdehnung von 15%) bei einer wahren Bruchfestigkeit von 3026 MPa (technische Bruchfestigkeit von 3561 MPa). Die elastische Dehnung an der technischen Streckgrenze (0,2% Dehngrenze) beträgt 0,9% bei einer Festigkeit von 1410 MPa (wahr) oder 1438 MPa (techn.). Der Elastizitätsmodul beträgt 208 GPa.

Claims

Hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen, die aus einem Werkstoff der Zusammensetzung gemäß der Formel Fe_aE1_bE2_cE3_dE4_e bestehen, worin E1 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Cr, V, Mn, Co und Ni, E2 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Mo, Nb, Zr, Y, Hf, Ti, Ta und W, E3 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Sn, Al, Ga, Pb, E4 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Si, P und C sind, mit a = 100 – (b + c + d + e) b = 1 bis 12 c = 1 bis 12 d = 0 bis 12 e = 1 bis 25 (a, b, c, d, e in Atom-%), wobei geringe, herstellungstechnisch bedingte Zusätze und Verunreinigungen enthalten sein können und wobei das Gefüge der Formkörper zu 30–90 Vol.-% mindestens aus einer mikrokristallinen austenitischen kubisch flächenzentrierten (kfz) Phase besteht und weiterhin mindestens eine weitere mikrokristalline Phase enthalten ist.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die mindestens weitere mikrokristalline Phase eine martensitische und/oder karbidische Phase ist.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem das Gefüge des Formkörpers aus einer mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase und einer martensitischen Phase und einer hexagonalen Phase besteht.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem das Gefüge des Formkörpers aus einer mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase und einer karbidischen Fe₃C-Phase besteht.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der Formkörper die Zusammensetzung Fe_aCr_bMo_cGa_dC_e mit a = 60–80, b = 3–5, c = 3–5, d = 3–5 und e = 9–20 aufweist.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der Formkörper die Zusammensetzung Fe_aCr_bMo_cGa_dSi_e mit a = 75–85, b = 4–6, c = 4–6, d = 4–6 und e = 2–8 aufweist.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der Volumenanteil der mikrokistallinen, austenitischen kfz-Phase 40 bis 80% beträgt.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der Volumenanteil der mindestens weiteren mikrokristallinen Phase 20 bis 60% beträgt.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Korngröße der mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase im Bereich von 1–20 μm liegt.