DE1608243B2 - Verfahren zur herstellung von dispersionsgehaerteten legierungswerkstoffen mit aluminium als basis - Google Patents
Verfahren zur herstellung von dispersionsgehaerteten legierungswerkstoffen mit aluminium als basisInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von dispersionsgehärteten Legierungswerkstpffen mit v>
Aluminium als Basis und einem oder mehreren der Elemente Kupfer, Silber, Magnesium, Zink, Eisen,
Nickel, Mangan, Chrom, Silizium oder Sauerstoff als härtenden Bestandteilen.
Die Dispersionshärtung ist ein der Aushärtung t>o
vergleichbarer, mit einem Anstieg der Festigkeitseigenschaften verbundener Vorgang in Dispersionen metallischer
Werkstoffe. Voraussetzung für eine Dispersionshärtung sind Teilchen eines härtenden Legierungsbestandteils,
die feinverteilt in das Basismetall eingelagert br>
sind und Versetzungsbewegungen behindern.
Die feine Dispersion des härtenden Legierungsbestandteils im Basismetall wird im allgemeinen durch
Ausscheidung aus einer übersättigten Lösung entsprechend dem bekannten Ausscheidungshärtungsverfahren
erreicht. Außerdem kann die Dispersion auf pulvermetallurgischem oder chemischem Wege oder durch
Diffusion (innere Oxidation) erreicht werden.
Die Möglichkeiten der Herstellung dispersionsgehärteter Legierungswerkstoffe mittels der bekannten
Verfahren sind jedoch ziemlich beschränkt. Beispielsweise sind chemische Verfahren oder Diffusionsverfahren
nur bei bestimmten Stoffsystemen anwendbar, während mechanische Verfahren zur Ungleichförmigkeit
der erzielten Dispersion neigen. Das bekannte Verfahren der Ausscheidung aus einer festen Lösung
geht vom Phasendiagramm des betreffenden Legierungssystems aus. Nur Elemente, die sich im Basismetall
in ausreichendem Maße lösen lassen und deren Löslichkeit mit abnehmender Temperatur ausreichend
rasch abnimmt, ermöglichen eine ausreichende Ausscheidung. Dadurch sind das Maß der erzielbaren
Ausscheidung und die hierfür in Frage kommenden härtenden Bestandteile beschränkt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von dispersionsgehärteten
Legierungswerkstoffen auf Aluminiumbasis zu finden, bei welchen der Anteil des härtenden Legierungsbestandteils
größer als der maximal in fester Lösung mit dem Basismetall mögliche Anteil ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Hauptanspruchs angegebenen Maßnahmen gelöst.
Das Aufdampfen bzw. Aufbringen der Legierungsbestandteile im Vakuum auf einen Träger ist aus der
OE-PS 2 36 185 an sich bekannt.
Das erfindungsgemäße Verfahren bringt den technischen Fortschritt, daß eine extrem feine, molekulare
Verteilung des härtenden Legierungsbestandteils im Basismetall herstellbar ist, wobei der Anteil des
härtenden Legierungsbestandteils nicht auf den in fester Lösung maximal möglichen Anteil beschränkt ist,
sondern diesen erheblich übersteigen kann.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind Gegenstand der Ansprüche 2 und 3.
Die Ansprüche 4 bis 7 beziehen sich auf bevorzugte Anwendungen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Maßnahmen zur Sicherstellung der Ablösbarkeit der aufgedampften Legierung vom Träger können ,
beispielsweise darin bestehen, daß ein aus mehreren V relativ zueinander beweglichen Teilen bestehender
Träger verwendet wird oder daß der Träger mit einer dünnen Schicht aus einem Oxid oder aus Kohlenstoff
oder einem anderen, die Haftung vermindernden Material überzogen wird, wobei jedoch ein äußerer
Ringbereich des Trägers frei bleibt, um eine gute Haftung der aufgedampften Legierung sicherzustellen
und eine vorzeitige Ablösung zu verhindern. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Legierung auf
eine auf den Träger aufgebrachte schmelzbare oder lösliche Schicht, beispielsweise eines anorganischen
Salzes, aufzudampfen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich platten- oder tafelartige Erzeugnisse mit einer Dicke
von 0,25 mm und darüber herstellen. Diese Erzeugnisse können nach dem Ablösen vom Träger zu Blechen,
Bändern oder dergleichen weiterverarbeitet werden.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und anhand einiger Beispiele näher
erläutert. In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Diagramm, das die Gitterkonstante von dispersionsgehärteten Aluminiumbasislegierungen in
Abhängigkeit vom Anteil härtender Bestandteile darstellt,
F i g. 2 ein Diagramm, welches die Änderung der Mikrohärte eine Aluminium-Sauerstoff-Legierung in
Abhängigkeit von der Dauer einer Wärmebehandlung zeigt, und
Fig.3 ein Diagramm, das die Änderung der Mikrohärte einer Aluminium-Chrom-Legierung in Abhängigkeit
von der Dauer einer Wärmebehandlung zeigt.
Fig. 1 zeigt in ihrem unteren Teil drei Diagrammlinien
40, 41 und 42, welche die Änderung der Gitterkonstante einer dispersionsgehärteten Aluminiumlegierung
in Abhängigkeit vom Anteil an Kupfer bzw. Chrom bzw. Eisen als härtendem Bestandteil in der
Legierung darstellen. Dabei gilt die Linie 40 für Kupfer, die Linie 41 für Chrom und die Linie 42 für Eisen. Der
jeweils als Vollinie gezeichnete Teil der Diagrammlinien gibt den Bereich der Löslichkeit des härtenden
Bestandteils im Aluminium an. Bei Eisen ist die Löslichkeit (0,05%) so gering, daß der als Vollinie
gezeichnete Teil der Diagrammlinie 42 kaum erkennbar ist. Die Punkte 43, 44 und 45 geben die Anteile von
Kupfer bzw. Chrom bzw. Eisen in der Legierung an, die mittels des Verfahrens nach der Erfindung erzielbar
sind.
Im oberen Teil zeigt F i g. 1 die Änderung der Gitterkonstante in Abhängigkeit von verschiedenen
Anteilen an Sauerstoff als härtendem Bestandteil in Aluminiumlegierungen, die nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellt wurden.
Nachstehend werden einige Beispiele angegeben:
Beispiel 1 Aluminium-Chrom-Legierung
Ein Doppeltiegel eines Verdampfers wurde mit 112 g
Aluminium mit einem Reinheitsgrad von 99,99% im inneren Tiegelraum und 15 g reiner elektrolytischer
Chromblättchen im ringförmigen äußeren Tiegelraum gefüllt. Der aus poliertem Kupfer bestehende Kollektor
wurde auf 210°C erhitzt. Nach dem Erhitzen des Verdampfers auf die Verdampfungstemperatur von
1550° C und dem Wegnehmen der Verdampferabdekkung wurde der Kollektor rasch auf 20° C abgekühlt. Die
Aufdampfung erfolgte während etwa 40 min bei einem Druck von 10~5 mm Hg, wobei eine Schichtdicke von
0,3 mm erreicht wurde. Der Chromgehalt und die Gitterkonstante der erhaltenen Legierung sind in F i g. 1
durch den Punkt 44 dargestellt und die Änderung der Mikrohärte während einer Warmauslagerung bei 350° C
in einer Argonatmosphäre ist in F i g. 3 wiedergegeben.
Beispiel 2 Aluminium-Eisen-Legierung
Eine Eisen-Aluminium-Legierung mit 62% Aluminium und 38% Eisen wurde geschmolzen und bei einer
Temperatur von 13600C verdampft. Der Eisengehalt und die Gitterkonstante der auf dem 200C messenden
Kollektor erzeugten Schicht ist in Fig. 1 durch den Punkt 45 gezeigt.
Beispiel 3 Aluminium-Kupfer-Legierung
Die Verdampfung einer Aluminium-Kupfer-Legierung mit etwa 50% Kupfer bei einer Verdampfungstem-
peratur von 1400° C ergab ein Produkt, dessen
Kupfergehalt und Gitterkonstante in Fig. 1 durch den Punkt 43 angedeutet sind.
Beispiel 4
Aluminium-Sauerstoff-Legierungen
Aluminium-Sauerstoff-Legierungen
Sauerstoff kann als härtender Legierungsbestandteil in Aluminium eingebaut werden, indem Aluminium in
einer Niederdruck-Sauerstoffatmosphäre verdampft wird. Der Sauerstoffdruck wird bestimmt durch die
geforderte Verdampfungsgeschwindigkeit und die Zusammensetzung der herzustellenden Legierung. Im
allgemeinen übersteigt der Sauerstoffdruck ein Fünftel des Dampfdruckes von Aluminium bei der Verdampfungstemperatur
nicht. Die nachstehende Tabelle 1 gibt die Bedingungen der Herstellung einer Reihe von
Legierungsproben an und verweist auf die zugehörigen Punkte im oberen Teil der Fig. 1, welche den
Sauerstoffanteil und die jeweils zugehörige Gitterkonstante der Legierungen angeben.
| Aluminium- | Sauerstoff | Kollektor | Bezugszeichen |
| Ver- | druck | temperatur | in Fig.3 |
| dampfungs- | |||
| temperatur | |||
| 0C | • 10-5Torr | 0C | |
| 1400 | 1 | 20 | 46 |
| 1400 | 3 | 20 | 47 |
| 1400 | 2 | 20 | 48 |
| 1530 | 11 | -35 | 49 |
| 1540 | 15 | 20 ' | 50 |
| 1450 | 17 | -65 | 51 |
| 1450 | 10 | -65 | 52 |
| 1450 | 10 | 100 | 53 |
In F i g. 3 bedeutet das Zeichen ® einen durch chemische Analyse bestimmten Wert, während das
Zeichen X das Ergebnis einer Röntgen-Analyse angibt.
Warmausgelagerte Aluminium-Sauerstoff-Legierungen
Die Warmauslagerung beeinflussende Faktoren sind die Kollektortemperatur, die Temperatur und die Dauer
der Warmauslagerung.
Bei der Verdampfung von Aluminium bei 1550°C und einem Sauerstoffdruck von 10 · 10~5 Torr sowie einer
Kollektortemperatur von -350C ergab sich eine ursprüngliche Mikrohärte von 97 kp/mm2. Die chemische
Analyse ergab einen Sauerstoffanteil des Produkts von 12 Gew.-%. Nach einer sechs Stunden dauernden
Warmauslagerung bei 400°C betrug die Härte 151 kp/ mm2. Die Änderung der Mikrohärte während der Dauer
der Warmauslagerung bei 4000C ist in Fig.2 dargestellt.
Weitere Beispiele von warmausgelagerten Aluminium-Sauerstoff-Legierungen
sind der nachstehenden Tabelle 2 zu entnehmen.
Liegt die Kollektortemperatur oberhalb von 100°C, so wird der Sauerstoff als Oxid abgelagert. Bei
derartigen Legierungen vermindert sich bei der Warmauslagerung die Mikrohärte, wie die Zeilen 4 bis 6
der Tabelle 2 zeigen.
Härteänderung durch Warmauslagerung
| Aluminium | Sauerstoff- | Kollektor | Oxyd | Anfangs | Härte nach | der Warmauslagerung, | kp/mm2 |
| verdampfungs | druck | temperatur | gehalt | härte | |||
| temperatur | |||||||
| 0C | • ΙΟ-5 Torr | 0C | Gew.-% | kp/mm2 | bei 4400C | bei 450° | C |
| 1. | 1450 | 17 | -65 | 14,5 | 130 | 40Std.:150 | 10 Std.: 140 |
| 2. | 1550 | 20 | 20 | 13 | 102 | ||
| 3. | 1450 | 10 | 100 | 3 | 154 | 40Std.:156 | |
| 4. | 1460 | 15 | 177-210 | 7 | 182 | 40Std.:100 | 3 Std.: 120 |
| 5. | 1425 | 17 | 100 | 14 | 232 | ||
| 6. | 1425 | 17; | 495 | 16 | 122 | 1 Std.: 120; | |
| nach halber | nach einer | ||||||
| Aufdampf | weiteren Std. bei | ||||||
| zeit auf 34 | 5500C: 108 | ||||||
| erhöht | |||||||
Die aufgedampfte Legierung kann schon vor Ablösung vom Träger bzw. Kollektor einer Wärmebehandlung
unterzogen werden. Beispielsweise bei einer gemäß Zeile 1 der Tabelle 2 hergestellten Legierung
wurde die Kühlung des Kollektors beendet und dieser auf 450°C während 20 min im Vakuum erhitzt. Nach
Ablösung vom Kollektor betrug die Mikrohärte 130 kp/mm2; nach einer Warmauslagerung von 40 Std.
bei 4400C sogar 150 kp/mm2. Dieser Wert blieb auch bei
einer Temperatur von 600° C weitgehend erhalten. Nach 2 Std. bei 6000C betrug die Mikrohärte noch
139 kp/mm2 und nach 6 Std. bei dieser Temperatur noch
135 kp/mm2.
Beispiel 6
Warmgewalztes Blech und Proben für den Zugversuch
Warmgewalztes Blech und Proben für den Zugversuch
Zwar ergibt sich bei den Legierungen nach den Zeilen 4 bis 6 der Tabelle 2 ein Mikrohärteverlust beim
Warmauslagern, jedoch können zufriedenstellende Werkstoffe erzielt werden, wenn nach der Ablösung
vom Träger eine Warmbearbeitung erfolgt.
So wurde beispielsweise die Legierung nach Zeile 4 der Tabelle 2 nach dem Ablösen vom Träger eine
Stunde lang auf 500 bis 525°C erhitzt und dann während 100 min bei 610°C geglüht. Danach wurde die Probe, die
ursprünglich eine mittlere Dicke von 1,15 mm hatte, in acht Stichen gewalzt, wobei die Walzrichtung jeweils
um 90° gedreht wurde und ein Zwischenglühen bei 6000C stattfand. Die Dicke betrug danach noch 1,02 mm.
Hiernach wurde die Probe in neun weiteren Stichen unter gleichen Bedingungen gewalzt und schließlich bei
6000C während 10 min geglüht. Die Enddicke der Probe
betrug 0,625 mm, und eine chemische Analyse ergab einen Oxidgehalt von 6,3 Gew.-%. Die Probe wurde
sodann zu einem Versuchswerkstück verarbeitet und es ergaben sich die in Tabelle 3 zusammengestellten
Versuchsergebnisse.
Zum Vergleich wurde praktisch reines Aluminium unter entsprechenden Bedingungen aufgedampft, wobei
das Erzeugnis in der Mitte eine Dicke von 1,55 mm aufwies, die zum Rand hin auf 0,7 mm abnahm. Nach
dem Ablösen vom Kollektor wurde diese Vergleichsprobe in Luft 45 min lang bei 5000C geglüht und sodann
zum Dickenausgleich warmgepreßt. Danach erfolgte ein Warmwalzen mit Zwischenglühen bei 375°C und mit
kreuzweisem Wechsel der Walzrichtung, wodurch ein Blech von 0,625 mm bis 0,75 mm Dicke entstand. Aus
dem Blech wurden zwei genormte Probestücke ausgeschnitten, welche die ebenfalls in Tabelle 3
zusammengestellten Vergleichsergebnisse ergaben.
Warm- Vergleichsprobe
gewalzte
Legierung (1) (2)
| ■η 0,2-Grenze 00,2 | 26,77 | 5,22 | 4,85 |
| (kp/mm2) | |||
| Zugfestigkeit ob | 28,34 | 6,60 | 6,29 |
| (kp/mm2) | |||
| Young-Modul | 15,74 | 14,67 | 14,67 |
| )() (kp/mm2) | |||
| <5(25 mm) (%) | 5,0 | 24,0 | 20,0 |
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Verfahren zur Herstellung von dispersionsgehärteten Legierungswerkstoffen mit Aluminium als ">
Basis und einem oder mehrereriK.der Elemente
Kupfer, Silber, Magnesium, Zink, Eisen, Nickel, Mangan, Chrom, Silizium oder Sauerstoff als
härtenden Bestandteilen, dadurch gekennzeichnet,
daß zwecks Erzeugung von Legierun- ι ο gen mit einem den in fester Lösung maximal
möglichen Anteil übersteigenden Anteil des oder der härtenden Bestandteile die Legierungsbestandteile
in an sich bekannter Weise im Vakuum auf einen Träger aufgedampft bzw. aufgebracht werden, daß
weiter vor dem Aufdampfen Maßnahmen zur Sicherstellung der Ablösbarkeit der aufgedampften
Legierung von dem Träger getroffen werden, und daß die Legierungsbestandteile bis zum Erreichen
einer Schichtdicke von etwa 0,25 mm oder darüber auf den Träger aufgedampft werden und anschließend
die erzeugte Legierungsmaterialschicht vom Träger abgelöst wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erzeugte Legierungsmetallschicht >>
vor oder nach dem Ablösen vom Träger einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erzeugte Legierungsmaterial
nach der Ablösung vom Träger warmgewalzt jo wird.
4. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung einer Legierung
mit mindestens 0,05% Eisen als härtenden Legierungsbestandteil. J>
5. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung einer Legierung
mit mindestens 5,65% Kupfer als härtendem Legierungsbestandteil.
6. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung einer Legierung
mit mindestens 0,77% Chrom als härtendem Legierungsbestandteil.
7. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung einer Legierung 4>
mit Sauerstoff als härtendem Bestandteil, wobei weniger als 15% des Sauerstoffs als Oxid gebunden
sind.
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