DE102018123637A1

DE102018123637A1 - Aluminium-eisen-siliziumlegierungen mit optimierten eigenschaften

Info

Publication number: DE102018123637A1
Application number: DE102018123637.9A
Authority: DE
Inventors: Zhongyi Liu; Daad B. Haddad; Julie A. Swartz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2017-09-26
Filing date: 2018-09-25
Publication date: 2019-03-28
Also published as: CN109554586A; US20190093197A1

Abstract

Al-Fe-Si-Legierungen mit optimierten Eigenschaften durch die Verwendung von Additiven werden offenbart. In einigen Aspekten werden die mechanischen Eigenschaften durch mechanisch optimierende Additive, wie beispielsweise eine Kombination aus Bor, Zirkonium, Chrom und Molybdän, optimiert. In einigen Aspekten werden korrosionshemmende Eigenschaften durch korrosionshemmende Additive, wie beispielsweise Chrom, Molybdän und Wolfram, optimiert. In einigen Aspekten wird die Duktilität durch die Einbeziehung von Zwillingsadditiven wie Zink, Kupfer, Vanadium und Molybdän optimiert.

Description

EINFÜHRUNG
Die Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet der Aluminium-Eisen-Siliziumlegierungen („Al-Fe-Si“) und insbesondere auf Zusammensetzungen und Verfahren zur Optimierung der Eigenschaften von Al-Fe-Si-Legierungen.
Stahl- und Titanlegierungen wurden bei der Herstellung von Fahrzeugen verwendet. Diese Legierungen bieten eine hohe Warmfestigkeit, können jedoch schwer und/oder kostspielig sein. Komponenten aus Leichtmetallen wurden im Fahrzeugbau untersucht, wobei eine kontinuierliche Verbesserung der Leistung und des Kraftstoffverbrauchs wünschenswert ist. Einige Beispiele für Leichtmetalle sind Aluminium- und/oder Magnesiumlegierungen. Die Anforderungen an die mechanische Leistungsfähigkeit und die Grenzen des Entstehungsprozesses können jedoch bestimmen, welche Legierungsmaterialien und Legierungsbestandteile ausgewählt werden. So können zum Beispiel die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Verformbarkeit und Duktilität stark abnehmen, da legierte Komponenten die Dichte reduzieren.
KURZDARSTELLUNG
Es ist wünschenswert, leichte Al-Fe-Si-Legierungen mit optimierten Eigenschaften zu bilden. Vorteilhafterweise können bestimmte Additive verwendet werden, um die Festigkeit der Korngrenzen und die Festigkeit einzelner Körner zu verbessern (z. B. Gitterfestigkeit). Eine Al-Fe-Si-Legierung mit den Additiven Bor, Zirkonium, Chrom und Molybdän kann beispielsweise, wie hierin beschrieben, die mechanischen Eigenschaften optimieren und die Bildungsgrenzen von Al-Fe-Si-Legierungen reduzieren. Vorteilhafterweise können bestimmte Additive verwendet werden, um Korrosion von Al-Fe-Si-Legierungen zu verhindern. So hemmt beispielsweise eine Al-Fe-Si-Legierung mit einer Kombination aus Chrom, Molybdän und Wolfram, wie hierin beschrieben, die Korrosion der Al-Fe-Si-Legierung. Vorteilhafterweise können bestimmte Additive verwendet werden, um die Duktilität der Al-Fe-Si-Legierungen durch Zwillingsbildung zu verbessern. So reduziert beispielsweise eine Al-Fe-Si-Legierung, die wie hierin beschrieben Zink, Vanadium, Kupfer und Molybdän beinhaltet, die Bildungsgrenzen von Al-Fe-Si-Legierungen.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Legierung Aluminium in einer ersten Menge, Eisen in einer zweiten Menge, Silizium in einer dritten Menge und mechanisch optimierende Additive. Die mechanisch optimierenden Additive bestehen aus Bor in einer vierten Menge, Zirkonium in einer fünften Menge, Chrom in einer sechsten Menge und Molybdän in einer siebten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die vierte Menge mindestens doppelt so hoch wie die fünfte Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt die sechste Menge zwischen etwa 2 Atomprozent und etwa 6 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur siebten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beträgt die siebte Menge etwa 0,2 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur siebten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt die erste Menge zwischen etwa 59 Atomprozent und etwa 66 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur siebten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beträgt die zweite Menge etwa 24 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur siebten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt die dritte Menge zwischen etwa 9,5 Atomprozent und etwa 15 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur siebten Menge.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Legierung Aluminium in einer ersten Menge, Eisen in einer zweiten Menge, Silizium in einer dritten Menge und korrosionshemmende Additive. Die korrosionshemmenden Additive bestehen aus Chrom in einer vierten Menge, Molybdän in einer fünften Menge und Wolfram in einer sechsten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt die fünfte Menge zwischen etwa 0,2 Atomprozent und etwa 2 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur sechsten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt die sechste Menge zwischen etwa 0,2 Atomprozent und etwa 2 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur sechsten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt die vierte Menge zwischen etwa 2 Atomprozent und etwa 6 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur sechsten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt die erste Menge zwischen etwa 59 Atomprozent und etwa 66 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur sechsten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung beträgt die zweite Menge etwa 24 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur sechsten Menge.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt die dritte Menge zwischen etwa 9,5 Atomprozent und etwa 15 Atomprozent bezogen auf alle Atome in der ersten Menge bis zur sechsten Menge.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhaltet eine Legierung Aluminium in einer ersten Menge, Eisen in einer zweiten Menge, Silizium in einer dritten Menge und ein Zwillingsadditiv in einer vierten Menge. Das Zwillingsadditiv ist zur Herstellung einer Zwillingsstruktur innerhalb der Legierung konfiguriert. Die erste Menge, die zweite Menge, die dritte Menge und die vierte Menge produzieren eine Legierung mit einer stöchiometrischen Formel (Al_1-xM_x)₃Fe₂Si wobei M das Zwillingsadditiv ist.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung liegt x zwischen etwa 0,01 und etwa 0,1.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird das Zwillingsadditiv ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zink, Kupfer, Vanadium, Molybdän und Kombinationen derselben.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist das Zwillingsadditiv Zink.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung besteht das Zwillingsadditiv aus Atomen mit einem Zwischenradius.
Gemäß weiteren Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist das Zwillingsadditiv ein einzelnes Element mit einem Atomradius von etwa 0,1335 nm.
Die vorstehend genannten Funktionen und Vorteile sowie andere Funktionen und Vorteile der vorliegenden Offenbarung gehen aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bestmöglichen praktischen Umsetzung der dargestellten Offenbarung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Wie hierin beschrieben, können bestimmte Additive verwendet werden, um die Eigenschaften von Al-Fe-Si-Legierungen zu optimieren. So können beispielsweise bestimmte Additive verwendet werden, um die Festigkeit der Korngrenzen und die Festigkeit einzelner Körner zu verbessern (z. B. Gitterfestigkeit), wobei bestimmte Additive verwendet werden können, um die Korrosion von Al-Fe-Si-Legierungen zu verhindern, und bestimmte Additive zur Verbesserung der Duktilität von Al-Fe-Si-Legierungen durch Zwillingsbildung verwendet werden können. Vorteilhafterweise ermöglichen diese Optimierungen den Einsatz von leichten Al-Fe-Si-Legierungen, die im Vergleich zu anderen Leichtlegierungen, wie beispielsweise Titanlegierungen, den Herstellungsaufwand und die Produktinvestitionen reduzieren und Produktionshemmnisse, wie zum Beispiel die relativ geringe Duktilität von feinstrukturierten Komponenten, überwinden.
Wie hierin beschrieben, können beispielsweise Additive, einschließlich einer Kombination aus Bor, Zirkonium, Chrom und Molybdän, die mechanischen Eigenschaften optimieren und die Bildungsgrenzen von Al-Fe-Si-Legierungen reduzieren. Ebenso verhindern beispielsweise Additive wie die hierin beschriebene Kombination aus Chrom, Molybdän und Wolfram die Korrosion der Al-Fe-Si-Legierung. Darüber hinaus reduzieren beispielsweise Additive, einschließlich Zink, Vanadium, Kupfer und Molybdän, wie hierin beschrieben, die Bildungsgrenzen von Al-Fe-Si-Legierungen. Vorteilhafterweise können, wie hierin beschrieben, bestimmte Additive verwendet werden, um der daraus entstehenden Al-Fe-Si-Legierung mehr als einen dieser Vorteile zu verschaffen.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden die mechanischen Eigenschaften von Al-Fe-Si-Legierungen durch die Optimierung der Festigkeit der Korngrenzen und die Optimierung der Festigkeit des Kristallgitters einzelner Körner durch die Zugabe bestimmter mechanisch optimierter Additive verbessert. Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung beinhalten die mechanisch optimierenden Additive eine Kombination aus Bor, Zirkonium, Chrom und Molybdän. Obwohl nicht durch die Theorie gebunden, wird davon ausgegangen, dass Chrom und Molybdän in erster Linie die Gitterfestigkeit einzelner Körner verbessern, während Bor und Zirkonium in erster Linie die Korngrenzenfestigkeit der resultierenden Al-Fe-Si-Legierung verbessern.
Eine Legierung mit optimierten mechanischen Eigenschaften beinhaltet eine Kombination aus Aluminium, Eisen, Silizium, Bor, Zirkonium, Chrom und Molybdän. In einigen Aspekten weist die Legierung mit optimierten mechanischen Eigenschaften Aluminium von etwa 59 Atomprozent („at%“) bis etwa 66 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Eisen von etwa 24 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Silizium von etwa 9,5 at% bis etwa 15 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Chrom von etwa 2 at% bis etwa 6 at%, auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Molybdän von etwa 0,2 at%, auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, und Bor und Zirkonium, die den verbleibenden Teil in einem Verhältnis von mindestens zwei Atomen Bor für jedes Zirkonium-Atom ausfüllen.
In einigen Aspekten kann die Legierung Zirkonium mit etwa 0,1 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung und Bor in Mengen von mehr als etwa 0,2 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung beinhalten. So beträgt beispielsweise die Menge an Zirkonium etwa 0,1 at% und die Menge an Bor etwa 0,24 at%, auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung. In einigen Aspekten beträgt die Menge an Zirkonium etwa 0,1 at% und die Menge an Bor etwa 0,4 at%, auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung. In einigen Aspekten beträgt die Menge an Zirkonium etwa 0,1 at% und die Menge an Bor etwa 0,6 at%, auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung. Vorteilhafterweise können die mechanisch optimierenden Additive den Verarbeitungsaufwand reduzieren, da die mechanisch optimierenden Additive in die Al-Fe-Si-Legierung integriert werden können. Außerdem kann die Herstellung der Legierung mit optimierten mechanischen Eigenschaften optimiert werden, indem die Anzahl der Bearbeitungsschritte reduziert oder nicht erhöht wird, da die mechanisch optimierenden Additive vor dem Legieren mit den Aluminium-, Eisen- und Silizium-Basismetallen kombiniert werden können.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird die Korrosion von Al-Fe-Si durch den Zusatz bestimmter korrosionshemmender Additive reduziert. Nach der Herstellung werden Al-Fe-Si-Legierungen durch Bildung einer nativen Oxidschicht auf exponierten Oberflächen passiviert. Die native Oxidschicht wächst basierend auf der Reaktionsgeschwindigkeit an der Grenzfläche zwischen der Legierung und der nativen Oxidschicht, der Geschwindigkeit, mit der Sauerstoff durch das bereits gebildete Oxid diffundiert, und der Geschwindigkeit, mit der Sauerstoff an die äußere Oberfläche der Oxidschicht gelangt. Mit zunehmender Dicke der Oxidschicht verlangsamt sich die Geschwindigkeit der Sauerstoffdiffusion und begrenzt die Gesamtreaktionsgeschwindigkeit. Dementsprechend nähert sich die Oxidationsgeschwindigkeit nach einiger Zeit dem Nullpunkt und die Oxiddicke bleibt relativ stabil. Auch wenn die Sauerstoffdiffusion begrenzt ist, wenn sich die Oxiddicke stabilisiert, können Atome, wie beispielsweise Chlor-Ione, dennoch in die Oxidschicht eindringen und an die Grenzfläche zwischen der Legierung und dem Oxid diffundieren, wobei die Ionen die Korrosion der Legierung fördern.
Die Exposition der Komponente durch Wasser kann einen Elektrolyten an der Außenseite der nativen Oxidschicht bilden. So kann beispielsweise das Spritzwasser in Bereichen, in denen sich die Temperatur dem Gefrierpunkt nähert, besonders schädlich für die Al-Fe-Si-Legierung sein, da Lösungen auf die Straße aufgebracht werden, welche die Bildung von Eis verhindern. Diese Lösungen funktionieren im Allgemeinen durch ionische Auflösung, und die im Spritzwasser mitgeführten Ionen, wie beispielsweise Chlorid, werden auf den Oberflächen der Al-Fe-Si-Legierungen abgeschieden, mit denen sie in Kontakt kommen.
Eindringen von Chlor-Ionen in die Grenzfläche zwischen der Legierung und der nativen Oxidschicht fördert die Lochfraßbildung der Legierung, was zu großflächigen Ausfällen der Komponente führen kann. Lochfraß ist besonders bei Komponenten, wie zum Beispiel Turboladern, ein Problem, da das relativ hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen einen größeren Teil der Legierung der Lochfraßbildung aussetzt. Darüber hinaus bietet die Anzahl der Komponenten innerhalb eines Turboladers Bereiche, in denen sich Wasser ansammeln kann, das auch nach Beendigung der Exposition durch Spritzwasser eine beträchtliche Zeit in Anspruch nehmen kann. So kann beispielsweise Wasser durch Kapillarwirkung in die Zwischenräume zwischen Wastegate-Stiften und Schaufeln gesaugt werden, während die Entnahme des Wassers aus diesen Zwischenräumen auch unter trockenen Bedingungen aufgrund der fehlenden Luftströmung relativ langsam erfolgt.
In einigen Aspekten beinhalten die korrosionshemmenden Additive eine Kombination aus Chrom, Molybdän und Wolfram. Obwohl nicht durch die Theorie gebunden, wird angenommen, dass die Kombination von Chrom, Molybdän und Wolfram das Eindringen von Chlor-Ionen in die native Oxidschicht verhindert.
Eine Legierung mit optimierten korrosionshemmenden Eigenschaften beinhaltet eine Kombination aus Aluminium, Eisen, Silizium, Chrom, Molybdän und Wolfram. In einigen Aspekten weist die Legierung mit optimierten korrosionshemmenden Eigenschaften Aluminium von etwa 59 at% bis etwa 66 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Eisen von etwa 24 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Silizium von etwa 9,5 at% bis etwa 15 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Chrom von etwa 2 at% bis etwa 6 at%, auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Molybdän von etwa 0,2 at% bis etwa 2 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, und Wolfram von etwa 0,2 at% bis etwa 2 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung auf. Vorteilhafterweise können die korrosionshemmenden Additive den Verarbeitungsaufwand reduzieren, da die korrosionshemmenden Additive in die Al-Fe-Si-Legierung integriert werden können. Außerdem kann die Herstellung der Legierung mit korrosionshemmenden Eigenschaften optimiert werden, indem die Anzahl der Bearbeitungsschritte reduziert oder nicht erhöht wird, da die korrosionshemmenden Additive vor dem Legieren mit den Aluminium-, Eisen- und Silizium-Basismetallen kombiniert werden können.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung werden die mechanischen Eigenschaften von Al-Fe-Si-Legierungen, wie die Duktilität, durch den Zusatz bestimmter Zwillingsadditive M optimiert, um eine Legierung mit einer Zwillingsstruktur herzustellen. Eine Zwillingsbildung tritt auf, wenn sich zwei gleichartige Kristalle so verflechten, dass nur eine geringe Fehlausrichtung zwischen ihnen besteht. Die Grenzfläche der Zwillingsbegrenzung ist eine hochsymmetrische Grenzfläche, in der die Atome in regelmäßigen Abständen von den beiden Kristallen geteilt werden. Die Grenzfläche der Zwillingsbegrenzung ist ebenfalls eine Grenzfläche mit geringerer Energie als die Korngrenzen, die beim Zusammenwachsen von Kristallen beliebiger Ausrichtung entstehen.
Al-Fe-Si-Legierungen mit einer Legierung aus Al₃Fe₂Si gehören zur NiTi₂-Struktur (96 Atome pro Einheitszelle), wobei Silizium die Ti1-Stellen (16 Atome pro Einheitszelle), Eisen die Ni-Stellen (32 Atome pro Einheitszelle) und Aluminium die Ti2-Stellen (48 Atome pro Einheitszelle) belegt.
Eine Legierung mit einer Zwillingsstruktur beinhaltet eine Kombination aus Aluminium, Eisen, Silizium und einem Zwillingsadditiv M. In einigen Aspekten beinhaltet das Zwillingsadditiv M oder ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zwischenradius-Atomen, die so konfiguriert sind, dass sie Aluminium an den gewünschten Stellen im Untergitter ersetzen. Zwischenradiusatome, wie sie hierin verwendet werden, sind Atome mit einem Atomradius, der kleiner ist als der Atomradius von Aluminium (0,143 nm), jedoch größer ist als der Atomradius von Eisen (0,124 nm). In einigen Aspekten sind die Zwischenradius-Atome ein einzelnes Element mit einem Atomradius von etwa 0,1335 nm. In einigen Aspekten beinhalten die Zwischenradius-Atome eine Gruppe von mehr als einem Element, und die Elemente sind so gewählt, dass der durchschnittliche Atomradius der Gruppe etwa 0,1335 nm beträgt.
Die Legierung mit Zwillingsstruktur folgt der stöchiometrischen Formel (Al₁ _xM_x)₃Fe₂Si wobei M das Zwillingsadditiv ist. In einigen Aspekten liegt x zwischen etwa 0,01 und etwa 0,1. In einigen Aspekten beinhaltet das Zwillingsadditiv M irgendeinen aus der Gruppe bestehend aus Zink, Kupfer, Vanadium, Molybdän und Kombinationen derselben, oder wird aus dieser ausgewählt. Zink weist einen Atomradius von 0,133 nm auf, was dem Durchschnitt von 0,1335 nm nahe kommt. Vanadium weist einen Atomradius von 0,132 nm, Kupfer einen Atomradius von 0,128 nm und Molybdän einen Atomradius von 0,136 nm auf. In einigen Aspekten ist das Zwillingsadditiv M nur Zink, das aufgrund seiner besonderen Dichte und seines Atomradius Vorteile mit sich bringt. Obwohl nicht durch die Theorie gebunden, wird angenommen, dass Zink, Kupfer, Vanadium und Molybdän die mechanischen Eigenschaften von Al-Fe-Si-Legierungen verbessern, indem sie Aluminium an bestimmten Stellen des Aluminiumuntergitters ersetzen, um das freie Volumen des Kristallgitters zu erhöhen. Obwohl nicht durch die Theorie gebunden, wird angenommen, dass die Zwischenradius-Atome von Zink, Kupfer, Vanadium und Molybdän über den Synchroshear-Mechanismus eine ausgedehnte Zwillingsbildung fördern, sodass auf benachbarten Atomebenen zwei Scheren in verschiedenen Richtungen vorhanden sind.
In einigen Aspekten beinhaltet die Legierung Aluminium von etwa 40 at% bis etwa 55 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Eisen von etwa 30 at% bis etwa 36 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Silizium von etwa 16 at% bis etwa 17 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung und ein Zwillingsadditiv von mehr als etwa 0,2 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung. In einigen Aspekten beinhaltet die Legierung Aluminium von etwa 45 at% bis etwa 49,5 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Eisen von etwa 33,3 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung, Silizium von etwa 16,7 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung und ein Zwillingsadditiv von etwa 0,5 at% bis etwa 5 at% auf der Grundlage aller Atome innerhalb der Legierung. Vorteilhafterweise können die Zwillingsadditive M den Verarbeitungsaufwand reduzieren, da die Festkörperverarbeitung zur Kombination der Zwillingsadditive M in der Al-Fe-Si-Legierung eingesetzt werden kann. Außerdem kann die Herstellung der Legierung mit Zwillingseigenschaften optimiert werden, indem die Anzahl der Bearbeitungsschritte reduziert oder nicht erhöht wird, da die Zwillingsadditive M vor dem Legieren mit den Aluminium-, Eisen- und Silizium-Basismetallen kombiniert werden können.
Gemäß den Aspekten der vorliegenden Offenbarung wird zur Durchführung der Festkörperreaktion Kugelfräsen verwendet. Das Kugelfräsen trifft die Ausgangsmaterialien energetisch zwischen schnell bewegten Fräsmedien (z. B., Fräskugeln) oder zwischen einem Fräsmedium und der Wand des Fräsbehälters zusammen, um eine atomare Vermischung und/oder mechanische Legierung zu erreichen.
Ein Beispiel zum Bilden der Legierungen beinhaltet das Bereitstellen von Aluminium, Eisen, Silizium und beliebigen Additiven als Ausgangsmaterialien. Jedes der Ausgangsmaterialien kann in Pulverform vorliegen und aus elementaren oder legierten Materialien bestehen. So kann beispielsweise das Aluminium-Ausgangsmaterial elementares Aluminium, Aluminiumlegierungspulver wie Aluminium und Eisen oder Aluminium und Silizium und dergleichen sein. Die Pulver können der Kugelmühle separat oder als Kombinationen und Teilkombinationen aus der Ziellegierung zugesetzt werden. Obwohl die Ausgangs- oder Legierungsmaterialien im Wesentlichen rein sein können, können die daraus entstehenden Legierungen noch Spuren (z. B., ≤ 5 at%) anderer Legierungselemente beinhalten.
Das Kugelfräsen kann mit jeder geeigneten Hochleistungs-Kugelfräsvorrichtung durchgeführt werden. Beispiele für Hochleistungs-Kugelfräsvorrichtungen beinhalten Kugelmühlen und Attritoren. Kugelmühlen bewegen die gesamte Trommel, den Tank, das Glas oder einen anderen Fräsbehälter, das die Fräsmedien und die Ausgangsmaterialien enthält, in einer rotierenden oder oszillierenden Bewegung, während Attritoren die Fräsmedien und Ausgangsmaterialien in einem stationären Behälter mit einer Welle und angebrachten Armen oder Scheiben durchrühren. Ein Beispiel für eine herkömmliche Kugelmühle ist die SPEX SamplePrep 8000M MIXER/MILL®. Die Trommel, der Tank, das Glas oder ein anderer Fräsbehälter der Kugelfräsvorrichtung kann aus rostfreiem Stahl, gehärtetem Stahl, Wolframkarbid, Aluminiumoxidkeramik, Zirkonoxidkeramik, Siliziumnitrid, Achat oder einem anderen entsprechend harten Material bestehen. In einem Beispiel kann die Kugelmühlentrommel, der Tank, das Glas oder ein anderer Fräsbehälter aus einem Material bestehen, an dem die Ausgangsmaterialien nicht haften bleiben.
Das Kugelfräsen kann mit jedem geeigneten Fräs- oder Schleifmedium, wie beispielsweise Mahlkugeln, durchgeführt werden. Das Fräsmedium können Edelstahlkugeln, gehärtete Stahlkugeln, Wolframkarbidkugeln, Aluminiumoxidkeramikkugeln, Zirkonoxidkeramikkugeln, Siliziumnitridkugeln, Achatkugeln oder ein anderes geeignetes hartes Fräsmedium sein. Das Fräsmedium kann mindestens eine kleine Kugel (mit einem Durchmesser von etwa 3 mm bis etwa 7 mm) und mindestens eine große Kugel (mit einem Durchmesser von etwa 10 mm bis etwa 13 mm) beinhalten. In einigen Aspekten ist das Verhältnis von großen Kugeln zu kleinen Kugeln 1:2. Als ein Beispiel beinhaltet der Mahlkörper zwei kleine Kugeln mit einem Durchmesser von jeweils ca. 6,2 mm und eine große Kugel mit einem Durchmesser von ca. 12,6 mm. Die Anzahl der großen und kleinen Kugeln sowie die Größe der Kugeln können beliebig angepasst werden. Die Fräsmedien können vor oder nach der Zugabe des Ausgangsmaterials der Kugelmühlentrommel, dem Tank, dem Glas oder einem anderen Fräsbehälter zugegeben werden.
Das Kugelfräsen kann in einer Umgebung durchgeführt werden, die ein nichtreaktives Gas enthält. In einigen Aspekten ist das nicht-reaktive Gas ein Inertgas, wie beispielsweise Argon-, Helium-, Neon- oder Stickstoffgas. Sauerstoffhaltige Gase, wie beispielsweise Luft, sind möglicherweise nicht geeignet, da diese Gase auf der Oberfläche der Ausgangsmaterialien leicht Oxide bilden können, insbesondere wenn das Fräsen bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird.
Das Kugelfräsen kann mit einer Geschwindigkeit und für eine ausreichende Zeit durchgeführt werden, um die gewünschte Legierung zu erzeugen. In einem Beispiel kann die Geschwindigkeit des Kugelfräsens etwa 1060 Takte/Minute (115 V Fräse) oder 875 Takte/Minute (230 V Fräse) betragen. In einem Beispiel liegt die Zeit zum Ausführen des Kugelfräsen im Bereich von ca. 8 Stunden bis ca. 32 Stunden. Die Zeit kann abhängig von der Menge der verwendeten Ausgangsmaterialien und der Menge der zu bildenden Legierung variieren.
In einigen Aspekten wird beim Kugelfräsen ein flüssiges Medium verwendet. Das flüssige Medium kann der Kugelmühle mit dem Mahlkörper und den Ausgangsmaterialien zugegeben werden oder es kann nach dem Mahlkörper und den Ausgangsmaterialien zugegeben werden. Das flüssige Medium kann zugegeben werden, um zu verhindern, dass verformbare Metalle, wie beispielsweise Aluminium, dauerhaft an die Wände des Mahlbehälters gepresst werden oder anhaften. Geeignete flüssige Medien sind nichtoxidierende Flüssigkeiten. In einigen Aspekten wird ein wasserfreies flüssiges Medium verwendet. Beispiele für das wasserfreie flüssige Medium sind lineare Kohlenwasserstoffe, wie beispielsweise Pentan, Hexan, Heptan oder ein anderer einfacher flüssiger Kohlenwasserstoff. Es können auch wasserfreie zyklische oder aromatische Kohlenwasserstoffe verwendet werden. Wasserfreie flüssige Medien können besonders wünschenswert sein, da sie frei von Sauerstoffatomen sind. Weitere geeignete flüssige Medien können fluorierte Lösungsmittel oder stabile organische Lösungsmittel beinhalten, deren Sauerstoffatome die metallischen Ausgangsmaterialien nicht oxidieren.
Die Verwendung des flüssigen Mediums kann auch das gleichmäßige Mischen und Legieren von Aluminium, Eisen, Silizium und Additiven während der Bildung der Legierung erleichtern. Das flüssige Medium kann die Bildung der gewünschten Legierung gewährleisten, da das Ausgangsmaterial während des Prozesses nicht verloren geht und auch die Ausbeute der gewünschten Legierung verbessert werden kann.
Das Verhältnis der gesamten Ausgangsmaterialien zu den flüssigen Medien kann zwischen 1:5 und 1:10 Volumen betragen.
Während die besten Arten der Ausführung der Offenbarung ausführlich beschrieben wurden, werden die mit der hier beschriebenen Technik vertrauten Fachleute diverse alternative Ausgestaltungen und Ausführungen erkennen, mit denen die Offenbarung im Rahmen der nachfolgend aufgeführten Patentansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Legierung, umfassend: Aluminium in einer ersten Menge; Eisen in einer zweiten Menge; Silizium in einer dritten Menge; und mechanisch optimierende Additive bestehend aus: Bor in einer vierten Menge, Zirkonium in einer fünften Menge, Chrom in einer sechsten Menge, und Molybdän in einer siebten Menge.
Legierung nach Anspruch 1, worin die vierte Menge mindestens das Doppelte der fünften Menge beträgt.
Legierung nach Anspruch 2, worin die sechste Menge zwischen etwa 2 Atomprozent und etwa 6 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge bis zur siebten Menge liegt.
Legierung nach Anspruch 3, worin die siebte Menge etwa 0,2 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge bis zur siebten Menge beträgt.
Legierung nach Anspruch 4, worin die erste Menge zwischen etwa 59 Atomprozent und etwa 66 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die siebte Menge liegt, die zweite Menge etwa 24 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die siebte Menge und die dritte Menge zwischen etwa 9,5 Atomprozent und etwa 15 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die siebte Menge liegt.
Legierung, umfassend: Aluminium in einer ersten Menge; Eisen in einer zweiten Menge; Silizium in einer dritten Menge; und korrosionshemmende Additive, bestehend aus: Chrom in einer vierten Menge, Molybdän in einer fünften Menge, und Wolfram in einer sechsten Menge.
Legierung nach Anspruch 6, worin die fünfte Menge zwischen etwa 0,2 Atomprozent und etwa 2 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die sechste Menge liegt, und die sechste Menge zwischen etwa 0,2 Atomprozent und etwa 2 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die sechste Menge liegt.
Legierung nach Anspruch 7, worin die vierte Menge zwischen etwa 2 Atomprozent und etwa 6 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die sechste Menge, die erste Menge zwischen etwa 59 Atomprozent und etwa 66 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die sechste Menge, die zweite Menge etwa 24 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die sechste Menge und die dritte Menge zwischen etwa 9,5 Atomprozent und etwa 15 Atomprozent auf der Grundlage aller Atome in der ersten Menge durch die sechste Menge liegt.
Legierung, umfassend: Aluminium in einer ersten Menge; Eisen in einer zweiten Menge; Silizium in einer dritten Menge; und ein Zwillingsadditiv in einer vierten Menge, wobei das Zwillingsadditiv so konfiguriert ist, dass es eine Zwillingsstruktur innerhalb der Legierung schafft, worin die erste Menge, die zweite Menge, die dritte Menge und die vierte Menge eine Legierung mit einer stöchiometrischen Formel (Al_1-xM_x)₃Fe₂Si herstellen, wobei M das Zwillingsadditiv ist.
Legierung nach Anspruch 9, worin x zwischen etwa 0,01 und etwa 0,1 liegt, wobei das Zwillingsadditiv aus Zwischenradius-Atomen besteht und das Zwillingsadditiv ein einzelnes Element mit einem Atomradius von etwa 0,1335 nm ist.