DE112015001784T5

DE112015001784T5 - Aluminiumlegierungspulverformulierungen mit Siliciumzugaben für verbesserte mechanische Eigenschaften

Info

Publication number: DE112015001784T5
Application number: DE112015001784.4T
Authority: DE
Inventors: Donald Paul Bishop; Richard L. Jr Hexemer; Ian Donaldson; Randy Williams Cooke
Original assignee: GKN Sinter Metals LLC
Current assignee: GKN Sinter Metals LLC
Priority date: 2014-04-11
Filing date: 2015-04-08
Publication date: 2017-03-16
Also published as: CA2943886A1; US20190091764A1; JP6538713B2; CA2943886C; US11273489B2; WO2015157411A1; US20170028469A1; US10357826B2; JP2017514994A; CN106457380A; CN106457380B

Abstract

Ein verbessertes Aluminiumlegierungspulver umfasst Siliciumzugaben. Wenn das verbesserte Metallpulver mit Siliciumzugaben zum Formen einer gesinterten Zusammensetzung gesintert wird, weist die resultierende Zusammensetzung viele verbesserte mechanische Festigkeitseigenschaften und eine verbesserte thermische Beständigkeit auf.

Description

QUERVERWEIS ZU EINER VERWANDTEN ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/978,461 mit dem Titel „Aluminum Alloy Powder Metal Formulations with Silicon additions for Mechanical Property Improvements” (Aluminiumlegierungspulverformulierungen mit Siliciumzugaben für verbesserte mechanische Eigenschaften), eingereicht am 11. April 2014, die hiermit durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, als wäre sie in ihrer Gesamtheit dargelegt.
ERKLÄRUNG ÜBER VOMBUND GEFÖRDERTE FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
Nicht zutreffend.
HINTERGRUND
Diese Offenbarung betrifft die Pulvermetallurgie. Insbesondere betrifft die Offenbarung die Verwendung von Siliciumzugaben zur deutlichen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften in bestimmten Aluminiumlegierungssystemen.
Die Pulvermetallurgie ist gut für die Herstellung von großvolumigen Teilen mit relativ detaillierten Eigenschaften geeignet. In der Pulvermetallurgie wird ein Ausgangspulvermetall mit einem Werkzeug und Adapter zum Formen eines Formteils kompaktiert. Das Formteil wird anschließend gesintert, um durch Verschmelzen der Partikel des Metallpulvers einen einzelnen Körper zu bilden. Das Sintern ist ein hauptsächlich durch Festkörperdiffusion gesteuertes Verfahren, in dem benachbarte Partikel ineinander greifen. In Abhängigkeit der jeweiligen Pulverchemie kann sich jedoch auch eine geringe Menge einer Flüssigphase entwickeln, die das Sintern und die Verdichtung des Teils unterstützt. Jedenfalls behält das gesinterte Teil größtenteils, bis auf eine geringe Schrumpfung, die Form des kompaktierten Formteils bei. Nach dem Sintern kann das gesinterte Teil weiteren Verfahren unterzogen werden, wie z. B. Knetarbeiten, maschineller Bearbeitung, Wärmebehandlungen und so weiter, um ein finales Teil mit der gewünschten Form, Dimensionsgenauigkeit und Mikrostruktur zu erhalten.
Da Metallpulverteile durch diese Verfahren hergestellt werden, gibt es, trotz der vielen Vorteile der Pulvermetallurgie, häufig einen Kompromiss bei den mechanischen Qualitäten der Teile im Vergleich zu deren gekneteten Gegenstücken. Da zum Beispiel ein gegossenes geknetetes Teil vollkommen dicht ist, weist das Knetteil üblicherweise höhere Festigkeitseigenschaften im Gegensatz zu einem gesinterten Metallpulverteil mit einer ähnlichen Chemie auf. Der Unterschied kann teilweise dem Verfahren zum Formen der Teile und der Tatsache, dass das gesinterte Teil häufig weniger als vollkommen dicht ist, zugeschrieben werden.
Obwohl die Pulvermetallurgie ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von großvolumigen Teilen bereitstellt, verbleibt demzufolge immer noch ein Bedarf zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der resultierenden gesinterten Teile.
ZUSAMMENFASSUNG
Diverse chemische Modifizierungen erfolgten an einem Aluminiumlegierungspulversystem im Grundzustand. Die Modifizierungen umfassten den getrennten und kombinierten Einschluss einer relativ geringen Menge an Silicium (etwa 0,2 Gew.-% und im Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-%) und von vorlegiertem Kupfer und/oder Eisen. Die modifizierten chemischen Zusammensetzungen des Pulvers wiesen außergewöhnliche und überraschende mechanische Verbesserungen ohne dem Auftreten von unerwünschten Nebenwirkungen auf.
Silicium stellte keinerlei Behinderungen beim Sintern dar, da jedes Legierungssystem beim Sintern eine nahezu vollkommene theoretische Dichte erreichte (> 99%). Nach einer Wärmebehandlung bis zum T6-Zustand wies das Silicium in jedem Fall beträchtliche Zunahmen im Bereich der Streckgrenze (20–30%) und der Zugfestigkeit (10–20%) auf. Die Daten bestätigten ebenfalls, dass die vorteilhaften Wirkungen des Siliciums während einer langanhaltenden thermischen Exposition bei Temperaturen von bis zu 260°C erhalten blieben. Letztendlich wurde die erstrebenswerteste Kombination von Eigenschaften mit dem Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Zusammensetzung realisiert, das mit vorlegiertem Eisen und Nickel (eine Zugabe von jeweils 1 Gew.-% und in einem der Pulverbestandteile mit Aluminium vorlegiert) gepaart mit einer Siliciummodifikation (0,2 Gew.-% Silicium, das in dem Pulver als eine Al-12Si-Vorlegierung bereitgestellt wird und sich der eutektischen Zusammensetzung zur Absenkung des Schmelzpunktes zur Bildung einer Flüssigphase während des Sinterns nähert) hergestellt wurde. Die Leistung der gesinterten Legierung war vergleichbar mit der 2618-T6-Aluminiumknetlegierung und übertraf bei Weitem die Leistung des gängigen, handelsüblichen Pulvermetallgemischs AC2014-T6.
Laut einem Aspekt umfasst eine Pulvermetallzusammensetzung ein zerstäubtes Aluminiumpulver, in dem das Aluminiumpulver separat mit Eisen, separat mit Nickel oder mit Eisen und Nickel gemeinsam vorlegiert ist, und umfasst weiterhin ein. Aluminium und Kupfer umfassendes erstes Vorlegierungspulver, ein Aluminium und Silicium umfassendes zweites Vorlegierungspulver, ein Magnesium umfassendes erstes Elementarpulver und ein Zinn umfassendes zweites Elementarpulver aufweist.
In manchen Ausführungen kann die Aluminium und Silicium umfassende zweite Vorlegierung eine Al-12Si-Vorlegierung sein.
In manchen Ausführungen können das Aluminium und Kupfer umfassende erste Vorlegierungspulver eine Al-50Cu-Vorlegierung, die Aluminium und Silicium umfassende zweite Vorlegierung eine Al-12Si-Vorlegierung und das erste und das zweite Elementarpulver hochreine Elementarpulver sein.
In einer bestimmten Ausführung kann die Pulverzusammensetzung 2,3 Gew.-% Kupfer, 1,6 Gew.-% Magnesium, 0,2 Gew.-% Zinn und 0,2 Gew.-% Silicium umfassen. In dieser Ausführung kann die Pulverzusammensetzung wahlweise 1,0 Gew.-% Eisen, 1,0 Gew.-% Nickel oder 1,0 Gew.-% Eisen und 1,0 Gew.-% Nickel umfassen.
In manchen Ausführungen kann die Pulverzusammensetzung 1,5 Gew.-% beigemischtes Licowax-C-Pulver umfassen.
In manchen Ausführungsformen der Pulvermetallzusammensetzung kann der Gewichtsanteil des Siliciums in der Pulverzusammensetzung in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% liegen, wie zum Beispiel bei 0,2 Gew.-%.
Nach einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften eines aus einem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch gebildeten gesinterten Teils durch Dotierung des Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemischs mit einer Siliciumzugabe durchgeführt. Das Verfahren umfasst das Hinzufügen von. Silicium als Bestandteil zu dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch, das Kompaktieren des Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemischs zum Formen eines Formteils und das Sintern des Formteils zum Formen des gesinterten Teils.
In manchen Ausführungen des Verfahrens kann der Sinterschritt in einer Atmosphäre hochreinen Stickstoffs erfolgen.
In manchen Ausführungen des Verfahrens kann das Silicium als ein Al-12Si-Vorlegierungspulver mit einer eutektischen Temperatur von etwa 577°C bereitgestellt werden, bei der das Al-12Si-Vorlegierungspulver schmilzt und eine Flüssigphase bildet, wobei das Sintern bei einer Sintertemperatur über der eutektischen Temperatur erfolgen kann. Zu Beginn des Sinterschritts kann die Flüssigphase des Al-12Si-Vorlegierungspulvers aufgrund der Kapillarkraft zwischen die nicht gesinterten Partikel des Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemischs gebildet und transportiert werden. Das Silicium in der Flüssigphase des Al-12Si-Vorlegierungspulvers kann aus der Flüssigphase zwischen andere feste Aluminiumkörner in dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch diffundieren.
In manchen Ausführungen des Verfahrens kann das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch ein zerstäubtes Aluminiumpulver, in welches das Aluminiumpulver separat mit Eisen, separat mit Nickel oder mit Eisen und Nickel gemeinsam vorlegiert ist, und weiterhin ein Aluminium und Kupfer umfassendes erstes Vorlegierungspulver, ein Aluminium und Silicium umfassendes zweites Vorlegierungspulver, ein Magnesium umfassendes erstes Elementarpulver und ein Zinn umfassendes zweites Elementarpulver umfassen. In manchen Ausführungen kann die Aluminium und Silicium umfassende zweite Vorlegierung eine Al-12Si Vorlegierung sein. In anderen Ausführungen können das Aluminium und Kupfer umfassende erste Vorlegierungspulver eine Al-50Cu Vorlegierung, die Aluminium und Silicium umfassende zweite Vorlegierung eine Al-12Si Vorlegierung und das erste und das zweite Metallpulver hochreine Elementarpulver sein. In weiteren Ausführungen kann das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 2,3 Gew.-% Kupfer, 1,6 Gew.-% Magnesium, 0,2 Gew.-% Zinn und 0,2 Gew.-% Silicium umfassen. In diesen Ausführungen ist es denkbar, dass das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 1,0 Gew.-% Eisen, 1,0 Gew.-% Nickel oder jeweils 1,0 Gew.-% Eisen und 1,0 Gew.-% Nickel umfassen kann. In manchen Ausführungen kann das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 1,5 Gew.-% beigemischtes Licowax-C-Pulver umfassen. In manchen Ausführungen kann das Gewichtsprozent von Silicium in dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% (z. B. 0,2 Gew.-%) liegen, um die thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften des gesinterten Teils zu verbessern.
In manchen Ausführungen kann der Gewichtsanteil von Silicium in dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% liegen, um die thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften des gesinterten Teils zu verbessern. In solchen Ausführungen ist es denkbar, dass das Silicium als Teil einer Aluminium-Silicium-Vorlegierung hinzugefügt wird.
Nach einem anderen Aspekt wird das gesinterte Teil nach den hier beschriebenen Verfahren hergestellt.
Diese und weitere Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden detaillierten Beschreibung und der Zeichnung hervor. Das Folgende stellt eine Beschreibung lediglich einiger bevorzugter Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Zur Bewertung des vollen Anwendungsbereichs der Erfindung sind die Ansprüche zu beachten, da diese bevorzugten Ausführungsformen nicht die einzigen Ausführungsformen im Schutzumfang der Ansprüche darstellen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
1 stellt die Wirkung einer thermischen Exposition (bei einer Temperatur von 260°C) auf die Festigkeit einer 2618-Aluminiumknetlegierung und ausgewählter Pulvermetalllegierungen dar. Alle Materialien wurden bis zum T6-Vergütungszustand behandelt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Für die unten aufgeführten Vergleichsdaten wurden eine nominelle chemische Hauptzusammensetzung von Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn und Modifizierungen an der chemischen Zusammensetzung dieses Pulvermetalllegierungssystems im Grundzustand evaluiert. Die Bezeichnung Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn weist darauf hin, dass das Aluminiumlegierungspulver 2,3 Gew.-% Kupfer, 1,6 Gew.-% Magnesium und 0,2 Gew.-% Zinn umfasst, wobei der Rest oder der verbleibende Gewichtsanteil im Wesentlichen Aluminium (ausgenommen geringer Unreinheiten) umfasst. Zum Modifizieren der metallurgischen Eigenschaften der Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Grundzusammensetzung wurden in einigen der hergestellten Testproben kleinste Mengen an Silicium, in einer Menge von etwa 0,2 Gew.-%, hinzugefügt. Zusätzlich zur Messung der Wirkungen von geringen Mengen an Silicium zu der Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Grundzusammensetzung wurden Varianten der Grundzusammensetzung (sowie die Grundzusammensetzung mit den Mengen an Silicium) ebenfalls mit vorlegiertem Eisen, vorlegiertem Nickel und mit vorlegiertem Eisen und vorlegiertem Nickel gemeinsam hergestellt.

Die nominellen chemischen Zusammensetzungen (in Gewichtsprozent) der diversen hergestellten Testproben sind unten in Tabelle 1 aufgelistet. TABELLE

Legierung	Nominelle chemische Zusammensetzung (Gew.-%)
Legierung	Al	Cu	Mg	Sn	Fe	Ni	Si
Al	Rest	2.3	1.6	0.2	0.0	0.0	0.0
Al-1Fe	Rest	2.3	1.6	0.2	1.0	0.0	0.0
Al-1Ni	Rest	2.3	1.6	0.2	0.0	1.0	0.0
Al-1Fe-1Ni	Rest	2.3	1.6	0.2	1.0	1.0	0.0
Al-(Si)	Rest	2.3	1.6	0.2	0.0	0.0	0.2
Al-1Fe-(Si)	Rest	2.3	1.6	0.2	1.0	0.0	0.2
Al-1Ni-(Si)	Rest	2.3	1.6	0.2	0.0	1.0	0.2
Al-1Fe-1Ni-(Si)	Rest	2.3	1.6	0.2	1.0	1.0	0.2
AC2014	Rest	4.5	0.6	0.0	0.1	0.0	0.8
2618-Al-Knetlegierung	Rest	2.3	1.6	0.0	1.1	1.0	0.2

Es ist ersichtlich, dass die ersten vier Testproben ohne eine Menge Silicium hergestellt wurden, einschließlich „Al” (das in der Namenskonvention eine Abkürzung für die Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Zusammensetzung ist), Al-1Fe (das Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn mit zusätzlich 1 Gewichtsprozent Eisen ist), Al--1Ni (das Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn mit zusätzlich 1 Gewichtsprozent Nickel ist) und Al-1Fe-1Ni (das Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn mit zusätzlich 1 Gewichtsprozent Eisen und zusätzlich 1 Gewichtsprozent Nickel ist). Die Testproben 5 bis 8 haben eine der den ersten vier Testproben ähnliche Zusammensetzung, umfassen jedoch auch 0,2 Gew.-% Silicium. Zum besseren Verständnis: Die acht Testproben wurden mit einer handelsüblichen AC2014-PulverTestprobe und einer 2618-Knetlegierung (die gegossen wurde und kein Metallpulver ist) verglichen.
Die Pulvermetallzusammensetzung und -formulierung der diversen Testproben kann wichtig für die Morphologie des Endprodukts sein. Zerstäubtes Aluminium war das Ausgangsmaterial in allen experimentellen Formulierungen. In manchen Fällen war das zerstäubte Aluminium reines Aluminium, während in anderen Fällen das zerstäubte Aluminium vorlegiertes Aluminium mit dem vollständigen Inhalt von Übergangsmetallen (Eisen, Nickel, oder Eisen und Nickel gemeinsam) in der nominellen chemischen Zusammensetzung war. Alle anderen Legierungsbestandteile wurden als eigenständige beigemischte Pulver beschafft. Kupfer und Silicium wurden aus Vorlegierungsformen (Al-50Cu bzw. Al-12Si) beschafft, wohingegen Magnesium und Zinn als hochreine Elementarpulver hinzugefügt wurden. Jedes Gemisch umfasste auch 1,5% beigemischtes Licowax-C-Pulver zum Schmieren von Werkzeugen.
Die Testproben wurden anschließend industriell in einem Durchlaufofen unter einer Atmosphäre fließenden hochreinen Stickstoffs gesintert. Der gemessene Sauerstoffgehalt und die Kondensationspunkte zum Zeitpunkt des Sinterschritts waren weniger als 5 ppm bzw. niedriger als –60°C. Gezielte Wärmeparameter des Sinterkreislaufs umfassten eine 15-minütige Temperaturexposition bei 400°C zum Entschmieren, gefolgt von 20-minütigem Sintern bei 610°C.
Es wird angemerkt, dass das Vorhandensein von Silicium in dem Vorlegierungspulver von Al-12Si das Bilden einer Flüssigphase ermöglicht. Das Al-12Si ist eine eutektische Formulierung, welche oberhalb der eutektischen Temperatur von 577°C komplett schmilzt. Da das Al-12Si-Vorlegierungspulver vor Beginn des Hauptsinterns des Formteils schmilzt (weiter oben als 610°C angegeben, kann aber auch in einem Bereich von 600° bis 630°C sein) oder kinetisch bei einem Punkt, bei dem minimales Sintern über eine Festkörperdiffusion erfolgt ist, kann sich die Flüssigphase aufgrund der Fülle an Kapillarstellen innerhalb des kompaktierten Pulvers schnell in dem im Wesentlichen ungesinterten Formteil verbreiten. Anschließend diffundiert das Silicium von der Flüssigphase zwischen die festen Aluminiumkörner in dem Pulvermetallgemisch, um letztendlich einen gleichmäßigen Siliciumgehalt innerhalb des gesinterten Produkts zu ergeben.
Der Siliciumgehalt sollte niedrig gehalten werden (bevorzugt etwa 0,1 Gew.-% bis etwa 0,3 Gew.-% des gesamten Aluminiumlegierungspulvers, obwohl es denkbar ist, dass der Siliciumgehalt effektiv in einem Bereich zwischen 0,05 und 0,8 Gew.-% ist), um irgendwelche direkten Vorteile durch die Zugabe festzustellen. Bei höheren Siliciumkonzentrationen, wie z. B. über 0,3 Gew.-% der Legierung, sind die Mengen an Silicium in Hinblick auf die Verbesserungen der thermischen Stabilität unwirksam und können sogar die Erweichungsrate erhöhen.
Es wird weiterhin angemerkt, dass zuvor durchgeführte Laborstudien belegt haben, dass vorlegierte Eisen- und Nickelzugaben erfolgreich in das Legierungssystem integriert werden können, wobei jedoch keine Siliciumzugaben berücksichtigt wurden. Vgl. z. B. „Dispersoid Strengthening of an Al-Cu-Mg PM Alloy Using Transition Metal Additions” [Anm. d. Übers.: „Dispersoidstärkung einer Al-Cu-Mg-Pulverlegierung mittels Übergangsmetallzugaben”] von R. W. Cooke, R. L. Hexemer, I. W. Donaldson und D. P. Bishop in Powder Metallurgy Vol. 55, Nr. 3, Jahr 2012, Seiten 191–199. Die Einführung von vorlegiertem Eisen und/oder Nickel kann ohne nachteilige Auswirkungen auf das Kompaktieren oder Sintern erfolgen. Es wurde festgestellt, dass die Übergangsmetallzugaben eine homogene Verteilung der intermetallischen Dispersoide innerhalb der gesinterten Mikrostruktur bildeten. Solche Phasen wurden mit Aluminium, dem Übergangsmetall, und Kupfer angereichert und stärkten somit die Legierung in dem T1-Zustand.
Nun zurück zur Berücksichtigung der Siliciumzugaben, war die anfänglich ummodifizierte Al-Grundzusammensetzung, Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn, bereits sehr empfänglich für das industrielle Sintern und konnte eine fast vollkommene theoretische Dichte mit einer ausgezeichneten Sinterqualität erreichen. Diese Merkmale blieben in allen betrachteten chemischen Varianten erhalten, da weder Eisen, noch Nickel, noch Silicium das Sinterverhalten beeinträchtigten.
Einzelne Eisen- oder Nickelzugaben förderten die Bildung von intermetallischen Aluminid, das als Al₁₃Fe₄ und Al₃Ni angesehen wird. Während man erwartete, dass das Vorhandensein solcher Phasen mechanische Vorteile mit sich bringt, wurden tatsächlich mäßige Verringerungen bei den Zugeigenschaften infolge des Einfangens von Kupfer beobachtet. Gleichzeitige Zugaben von Eisen und Nickel minderten diesen Effekt, da die resultierende intermetallische Form eine ternäre Formulierung (höchstwahrscheinlich Al₉FeNi) war, die eine verminderte Tendenz zur Kupferlöslichkeit hatte.
Geringe Mengen an Silicium hatten eine allgemein positive Wirkung auf die Festigkeit und Zugeigenschaften aller berücksichtigten Pulvermetalllegierungen. Dies erfolgte ohne irgendwelche Änderungen des Sinterverhaltens oder der beobachtbaren Mikrostruktureigenschaften, wodurch angedeutet wird, dass die zugrundeliegende Fällungsstruktur verfeinert wurde.
Die durch Dotierung mit Silicium erzielten Vorteile wurden unter den Bedingungen der wie in 1 angedeuteten, untersuchten thermischen Exposition aufrechterhalten. 1 vergleicht die Festigkeit diverser Testprobenzusammensetzungen sowie von AC2014 und der 2618-Knetlegierung nach einer Exposition der Testproben gegenüber einer Temperatur von 260°C für unterschiedlich lange Zeiträume. Alle verglichenen Materialien wurden bis zum T6-Zustand wärmebehandelt, bevor sie dem thermischen Expositionstest unterzogen wurden. Nach den Daten in 1 ist es ersichtlich, dass die Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Testproben ihre Festigkeit besser als die Vergleichstestprobe AC2014 beibehielten. Während die AC2014-Testprobe nach etwa 1400 Minuten bei einer thermischen Exposition von 260°C eine Festigkeit von weniger als 10 HRB aufwies, überschritten die Al-2,3Cu-1,6Mg-0,2Sn-Testproben nach der gleichen Expositionszeit immer noch 35 HRB. Am bemerkenswertesten ist es jedoch, dass die Leistung der Al-1Fe-1Ni(-Si)-Testprobe fast genauso gut wie die der Vergleichstestprobe der 2618-Knetlegierung war, wobei es bei verschiedenen Expositionszeiten nur ein paar Punkte Unterschied zwischen der Al-1Fe-1Ni(-Si)-Testprobe und der 2618-Knetlegierng gab.

Diverse vergleichbare mechanische Eigenschaften der Testproben wurden ebenfalls erfasst. Tabelle II vergleicht die mechanischen Eigenschaften von Teilen aus den diversen Pulveraluminiumlegierungen jeweils mit und ohne Siliciumzugabe. Alle Testproben wurden bis zum T6-Zustand mit Wärme behandelt. TABELLE II

Legierung	Zugeigenschaften				Festigkeit (HRB)
Legierung	Streckgrenze (MPa)	Zugfestigkeit (MPa)	Dehnung (%)	E (GPa)	Festigkeit (HRB)
Al	287 ± 5	344 ± 5	4.5 ± 0.6	64 ± 1	62 ± 1
Al-1Fe	279 ± 7	336 ± 14	2.6 ± 0.7	67 ± 2	54 ± 2
Al-1Ni	263 ± 1	306 ± 13	2.3 ± 0.6	66 ± 1	53 ± 2
Al-1Fe-1Ni	287 ± 11	351 ± 13	2.7 ± 0.8	71 ± 2	70 ± 2
Al-(Si)	362 ± 6	403 ± 13	2.6 ± 0.2	65 ± 2	78 ± 2
Al-1Fe-(Si)	324 ± 9	365 ± 22	1.6 ± 0.4	67 ± 1	75 ± 2
Al-1Ni-(Si)	351 ± 7	386 ± 12	1.8 ± 0.0	67 ± 2	76 ± 2
Al-1Fe-1Ni-(Si)	366 ± 7	405 ± 8	1.9 ± 1.1	70 ± 3	75 ± 1

Aus Tabelle II ist es ersichtlich, dass sich die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Festigkeit bei der geringen Menge an Silicium (0,2 Gew.-%) allgemein erhöhten. Die Zugewinne bei Streckgrenze und Zugfestigkeit sind insofern bedeutend, da sie auf Verbesserungen von etwa 45 bis 88 MPa bei der Streckgrenze und 30 bis 80 MPa bei der Zugfestigkeit hindeuten. Gleichermaßen gibt es auch Verbesserungen bei der Festigkeit mit Zugewinnen von 20 Punkten auf der HRB-Skala infolge der Siliciumzugabe. Es ist auch ersichtlich, dass der Grad der Dehnung geringfügig leidet; der Verlust bei der Dehnung ist jedoch für viele Anwendungen akzeptabel und stellt keine Probleme dar.
Tabelle III vergleicht die gemessenen T6-Zugeigenschaften der mittels bearbeiteter Zugstangen untersuchten Legierungen. TABELLE III

Legierung E (GPa) SG (MPa) ZF (MPa) Formbarkeit (%)

PM2618-Sn 71 287 351 2.7

PM2618-Sn-0.2Si 70 366 405 1.9

2618-Al-Knetlegierung 67 355 421 6.3
In der 2618-Sn-Zusammensetzung (entsprechend dem chemischen Profil der obigen Al-1Fe-1Ni-Zusammensetzung, die Zinn umfasst) sind Al₉FeNi-Dispersoide in der gleichen Weise wie keramische Partikel (MMC) ein im Wesentlichen chemisch günstiges Härtungsmerkmal. Die eindeutigen Unterschiede liegen darin, dass die keramischen Partikel viel fester und haltbarer sind. Jedoch liegt der eine Vorteil in der Verwendung von Al₉FeNi-Dispersoiden im Gegensatz zu der Einbringung von keramischen Partikeln in der homogeneren Verteilung der Al₉FeNi-Dispersoide aufgrund der Vorlegierung.
Letztendlich hob sich die Pulverlegierung Al-1Fe-1Ni(-Si) als die wünschenswerteste Zusammensetzung unter den Testproben ab. Der Umfang und die Stabilität der Festigkeit der Legierung kam jener der hochleistungsfähigen 2618-T6-Knetlegierung gleich und war der Festigkeit der verbreiteten handelsüblichen Pulvermetalllegierung AC2014-T6 weit überlegen.
Zwar wurden die im Obigen aufgeführten experimentellen Daten für ein bestimmtes Aluminiumlegierungssystem bereitgestellt; Siliciumzugaben können jedoch auch zum Herbeiführen mechanischer Verbesserungen in anderen Legierungssystemen mit modifizierten Zusammensetzungen oder Legierungszugaben verwendet werden.
Obwohl jeweils nur bis zu 1 Gew.-% Eisen und Nickel in den oben aufgeführten experimentellen Daten vorgesehen sind, ist es beispielsweise denkbar, dass der kombinierte Eisen- und Nickelgehalt insgesamt bis zu 4 Gew.-% des Pulvermetallmaterials ausmachen kann. Zusammensetzungen mit 1 Gew.-% Eisen und 1 Gew.-% Nickel wurden oben nur zum Vergleich mit den in Aluminiumknetlegierungen vorkommenden Zusammensetzungen aufgeführt. In Knetzusammensetzungen stellen dieses eine Gew.-% Eisen und dieses eine Gew.-% Nickel aufgrund von Komplikationen bei Guss- und Knetverfahren, die das Herstellen eines fehlerfreien Produkts äußerst erschweren, wahrscheinlich die Höchstmenge an hinzufügbaren Eisen und Nickel dar. Wenn Eisen und Nickel in einem Metallpulver vorlegiert werden, kann deren Gewichtsprozent höher als in Knetgussstücken sein und das Metallpulver ist kompaktierbar und zu einem einwandfreien Produkt sinterbar. Die höheren Nickel- und Eisenkonzentrationen können vorteilhaft sein, sofern der Nickel- und Eisengehalt relativ ausgeglichen ist. Ein Ausgleichen der Elemente verhindert einen Festigkeitsverlust der Legierung, da dadurch die Bildung von sekundären intermetallischen Elementen minimiert wird, die dazu tendieren, mit Ausscheidungshärtung verbundene Elemente zu verbrauchen (Kupfer, Magnesium, Silicium).
Weiterhin können Kupfer- und Magnesiumgehalte in der Aluminiumlegierung modifiziert werden und immer noch Nutzen aus der Siliciumzugabe ziehen. Es ist denkbar, dass Kupfer innerhalb eines Bereichs von 1 bis 5 Gew.-% und Magnesium innerhalb eines Bereichs von 0,5 bis 2 Gew.-% variiert werden können. Die Zusammensetzungen ausführbarer Systeme umfassen zum Beispiel Al-2,5Cu-1,5Mg und Al-1,5Cu-0,75Mg. Durch die S-Phase (Al₂CuMg) verstärkte Legierungen und deren metastabilen Varianten sind vermutlich üblicherweise am empfänglichsten für Siliciumzugaben.
Neben den oben aufgeführten Legierungselementen können auch andere Legierungselemente dem Aluminiumlegierungspulvergemisch hinzugefügt werden. Es ist denkbar, dass andere Übergangsmetalle, wie zum Beispiel Titan und Mangan, mit bis zu insgesamt 2 Gew.-% hinzugefügt werden können. Andere Elemente, wie z. B. Zirkonium, können in einer Menge von bis zu 1 Gew.-% hinzugefügt werden, obwohl eine Zirkoniumzugabe wahrscheinlich vorzugsweise etwa 0,2 Gew.-% beträgt.
Dennoch ist es denkbar, dass das Material als eine Grundlage für einen Metallmatrix-Verbundwerkstoff (MMC) dienen kann, in dem keramische Zugaben in einer Menge von 20% erfolgen können.
Es ist festzuhalten, dass innerhalb des Rahmens und Umfangs der Erfindung diverse andere Modifizierungen und Variationen der bevorzugten Ausführungsformen möglich sind. Somit ist die Erfindung nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen zu beschränken. Zur Feststellung des vollen Anwendungsbereichs der Erfindung sei auf die folgenden Ansprüche verwiesen.

Claims

Pulvermetallzusammensetzung, umfassend: ein zerstäubtes Aluminiumpulver, in dem das Aluminiumpulver mit einem aus der Gruppe ausgewählten Mitglied vorlegiert ist, bestehend aus separatem Eisen, separatem Nickel und Eisen und Nickel gemeinsam; ein erstes Vorlegierungspulver, umfassend Aluminium und Kupfer; ein zweites Vorlegierungspulver, umfassend Aluminium und Silicium; ein erstes Elementarpulver, umfassend Magnesium; und ein zweites Elementarpulver, umfassend Zinn.
Pulvermetall nach Anspruch 1, wobei die Aluminium und Silicium umfassende zweite Vorlegierung eine Al-12Si-Vorlegierung ist.
Pulvermetall nach Anspruch 1, wobei das Aluminium und Kupfer umfassende erste Vorlegierungspulver eine Al-50Cu-Vorlegierung ist, wobei die Aluminium und Silicium umfassende zweite Vorlegierung eine Al-12Si-Vorlegierung ist und wobei die ersten und zweiten Elementarpulver hochreine Elementarpulver sind.
Pulvermetall nach Anspruch 1, wobei die Pulvermetallzusammensetzung 2,3 Gew.-% Kupfer, 1,6 Gew.-% Magnesium, 0,2 Gew.-% Zinn und 0,2 Gew.-% Silicium umfasst.
Pulvermetall nach Anspruch 4, wobei die Pulvermetallzusammensetzung 1,0 Gew.-% Eisen umfasst.
Pulvermetall nach Anspruch 4, wobei die Pulvermetallzusammensetzung 1,0 Gew.-% Nickel umfasst.
Pulvermetall nach Anspruch 4, wobei die Pulvermetallzusammensetzung 1,0 Gew.-% Eisen und 1,0 Gew.-% Nickel umfasst.
Pulvermetall nach Anspruch 1, wobei die Pulvermetallzusammensetzung 1,5 Gew.-% beigemischtes Licowax-C-Pulver umfasst.
Pulvermetall nach Anspruch 1, wobei der Gewichtsanteil des Siliciums in der Pulvermetallzusammensetzung in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% ist.
Pulvermetall nach Anspruch 9, wobei der Gewichtsanteil des Siliciums in der Pulvermetallzusammensetzung 0,2 Gew.-% ist.
Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften einer gesinterten Zusammensetzung aus einem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch durch Dotierung des Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemischs mit einer Siliciumzugabe, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Hinzufügen von Silicium als Bestandteil zu dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch; Kompaktieren des Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemischs zum Formen eines Formteils; und Sintern des Formteils zum Formen der gesinterten Zusammensetzung.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Sinterschritt in einer Atmosphäre hochreinen Stickstoffs erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Silicium als ein Al-12Si-Vorlegierungspulver mit einer eutektischen Temperatur von etwa 577°C bereitgestellt wird, bei der das Al-12Si-Vorlegierungspulver schmilzt, um eine Flüssigphase zu bilden, und wobei das Sintern bei einer Sintertemperatur über der eutektischen Temperatur erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei sich zu Beginn des Sinterschritts die Flüssigphase des Al-12Si-Vorlegierungspulvers bildet und mittels Kapillarkraft zwischen die ungesinterten Partikel des Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulver-gemischs transportiert wird.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Silicium in der Flüssigphase des Al-12Si-Vorlegierungspulvers von der Flüssigphase zwischen andere feste Aluminiumkörner in dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch diffundiert.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch Folgendes umfasst: ein zerstäubtes Aluminiumpulver, in dem das Aluminiumpulver mit einem aus der Gruppe ausgewählten Mitglied vorlegiert ist, bestehend aus separatem Eisen, separatem Nickel und Eisen und Nickel gemeinsam; ein erstes Vorlegierungspulver, umfassend Aluminium und Kupfer; ein zweites Vorlegierungspulver, umfassend Aluminium und Silicium; ein erstes Elementarpulver, umfassend Magnesium; und ein zweites Elementarpulver, umfassend Zinn.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Aluminium und Silicium umfassende zweite Vorlegierung eine Al-12Si-Vorlegierung ist.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Aluminium und Kupfer umfassende erste Vorlegierungspulver eine Al-50Cu-Vorlegierung ist, wobei die Aluminium und Silicium umfassende zweite Vorlegierung eine Al-12Si-Vorlegierung ist und wobei die ersten und zweiten Elementarpulver hochreine Elementarpulver sind.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 2,3 Gew.-% Kupfer, 1,6 Gew.-% Magnesium, 0,2 Gew.-% Zinn und 0,2 Gew.-% Silicium umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 1,0 Gew.-% Eisen umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 1,0 Gew.-% Nickel umfasst.
Verfahren nach Anspruch 19, wobei das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 1,0 Gew.-% Eisen und 1,0 Gew.-% Nickel umfasst
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 1,5 Gew.-% beigemischtes Licowax-C-Pulver umfasst.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Gewichtsanteil des Siliciums in dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% ist, um die thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften der gesinterten Zusammensetzung zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Gewichtsanteil des Siliciums in dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch 0,2 Gew.-% ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Gewichtsanteil des Siliciums in dem Al-Cu-Mg-Sn-Legierungspulvergemisch in einem Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% ist, um die thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften des gesinterten Teils zu verbessern.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Silicium als Teil einer Aluminium-Silicium-Vorlegierung hinzugefügt wird.
Gesinterte Zusammensetzung, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 27.