DE2003636A1 - Verfahren zur Herstellung feindisperser metallischer Legierungen - Google Patents

Description

• Verfahren zur Herstellung feindisperser metallischer Legierungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung feindisperser metallischer Legierungen, Bei diesen kann man bekanntlich erheblich höhere Pestigkeitswerte als bei reinen Metallen erreichen, Zur Herstellung derartiger Legierungen sind bereits eine Reihe von Verfahren bekannt0 Bei einem der bekannten Verfahren wird eine feindisperse Verteilung der Phasen durch eine Aushärtung der Legierungen erreichte Eine Voraussetzung iiAr die Anwendung dieses Verfahrens ist dann gegeben, wenn in einem Legierungssystem die Löslichkeit des Legierungszusatzes mit sinkender Temperatur abnimmt. Unter dieser Voraussetzung kann der bei hoher Temperatur gesättigte Mischkristall abgesohreckt und bei nie derer Temperatur wärmebehandelt werden0 Die Wärmebehandlung läßt sich dabei oft derart durchführen, daß die ausgeschiedenen Bereiche in extrem feiner Verteilung erhalten werden. Die praktisch bedeutensten Werkstoffe, die auf diese Weise gehärtet werden, sind Stähle und Aluminium-Legierungene Der Anteil der durch Aushärtung dieser Art aus zu scheidenden Bereiche wird durch die temperaturabhängige Löslichkeitsdifferenz der Mischkristalle für weitere Phasen bestimmt Es ist bei dem beschriebenen Verfahren weiterhin bekannt, die Größe der ausgeschiedenen Bereiche durch die Art der Wärmebehandlung zu beeinflussen0 Die optimal erreichbaren Größen liegen beispielsweise für Guinier-Preston-Zonen in Aluminium-Legierungen bei 50 - 100 Zur Herstellung feindisperser Legierungen sind weiterhin pulvermetallurgische Verfahren bekannte Diese Verfahren ermöglichen bekanntermaßen die Herstellung von Werkstoffen mit höheren Anteilen an härtenden Phasen als dies schmelzmetallurgisch durch Aushärtung möglich ist.
• In vielen Fällen war es jedoch bisher nicht möglich, die härtenden Phasen auf pulvermetallurgischem Wege so feindispers in dem Werkstoff zu verteilen, wie dies zur Erzielung maximaler Festigkeit und Härte erforderlich gewesen wäre. Die TeilcierLoße bei pulvermetallurgisch hergestellten Werkstoffen liegt meist um 1 Zm und erreichte nur in seltenen Fllen o,l pm bzw. 1000 An weiteren Verfanren zur Herstellung feindisperser begierungen sind beispielsweise noch das Verfahren der inneren Oxidation von Legierungen bekannt. Diese Verfahren sind jedoch auf einzelne Sonderfälle beschrankte Anwendbar ist dieses Verfahren beispielsweise dann, wenn in einem Mischkristall die Grundkomponente eine niedere und die Zusatzkomponente eine erheblich6 höhere Affinität zu Sauerstoff hat.
• So kann man beispielsweise Pulver oder dijnne Bleche aus Wickel-Aluminium-Mischkristallen in Sauerstoff oxidieren, Das Aluminium oxidiert dann zu Al,03, w->hrend das Nickel u verndert bleibt Das Al203 liegt dann in extrem feiner Verteilung im Mischkristall vor0 Es ist bekannt, durch dieses Verfahren in Legierungen Teilchengröften von caa 10 R zu erreichend Dadurch ist eine Festigkeitssteigerung der aus Pulvern hergestellten Werkstoffe gegeniber dem ungehirteten Material gegeben, Der Anteil der feindispersen Phase ist allerdings auch in diesem Fall durch die Löslichkeit der Zusatzkomponente, das ist in dem beschriebenen Fall Al, im Mischkristall begrenzte Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, Legierungen mit feindisperser Verteilung der Phasen und der damit verbundenen hohen Festigkeit aus Komponenten herzustellen, bei denen die bisher bekannten Verfahren aus den oben genannten Gründen nicht oder nicht zufriedenstellend anwendbar sind0 Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die zu legierenden Komponenten verdampft und anschliebend an einer Kühlfläche kondensiert werden.
• Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren kann bei äuüerst feindisperser Phasenverteilung der erzeugten Legierungswerkstoffe der Anteil der Legierungskomponenten in weiten Grenzen variiert werden0 Die Verdampfung der Legierungskomponenten wird zweckmäßigerweise unter Inertgas durchgeführt0 Auf besonders vorteilhafte Weise kann die Verdampfung im Vakuum erfolgen, In diesem Fall ist die Verdampfungsrate besonders groß; eine gute Vermischung der dampfförmigen Ausgangskomonenten vor der Kondensation ist möglich.
• Besonders geeignet ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Legierungen, deren Phasen im festen Zustand eine Löslichkeit ineinander voh weniger als etwa 10 o/o besitzen Bei derartigen Legierungen ist nämlich die auf einfacherem Wege durchführbare Aushartung zur Erzielung der gewiinschten feindispersen Struktur nur begrenzt möglich.
• Bei in der flüssigen Phase mischbaren Legierungskomonenten kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens die Verdampfung aus einer gemeinsamen Schmelze erfolgten, deren Zusammensetzung durch kontinuierliche Zugabe der leichter verdampfenden Komponente konstant gehalten wird.
• Nach'der Erfindung ist es auch möglich, die Legierung komponenten aus getrennten Schmelzen in zue. ander konstantem Mengistromverhältnis zu verdampfen und die Dampfströme vor dem Kondensieren an der Kühlfläche untereinander zu vermischen0 Diese Ausftihrungsform stellt einen wesentlichen Vorteil der gesamten Erfindung dar; denn erst hierdurch wird es möglich, feindisperse Legierungen aus in der flüssigen Phase nicht mischbaren Legierungskomponenten herzustellen.
• Die Geschwindigkeit der Dampfmengenströme wird zweckmäßigerweise durch Regulieren der Temperatur der Schmelze bzw. Schmelzen geregelte Die Schmelzen werden auf besonders vorteilhafte Weise durch Elektronenstrahlen beheizt, Durch die Verwendung von Elektronenstrahlen zur Beheizung lassen sich nämlich besonders hohe Verdampfungsgeschwindigkeiten erzielen Außerdem gestattet diese BeheizVgsart eine besonders der VerdampfungsgeschwindigkeitenO Die zur Kondensation des Metalldampfgemisches dienende Kühlfläche besteht zweckmäßigerweise aus aus weitgehend oxyfreiem Metall.
• Zur leichteren Entfernbarkeit des kondensietetn Metallgemisches wird erfindungEemäß vorgeschlagen, die Kühlflachen mit einem niedrig schmelzenden Metall geringer Legierungsneigung wie beispielsweise Blei zu überziehen0 ErfindungsgemäX ist weiterhin vorgesehen, daß an der Kühlflche niedergesehXgene und die Legierung darstellende Kondensat zur Festigkeitssteigerung noch auf mechanischem Wege zu verdichten.
• Nach einem weitere Schritt der Erfindung soll die Verdichtung bei einer Temperatur der Legierung oberhalb der Raumtemperatur erfolgen. Das Verdichten kann durch Pressen, Hämmernd Walzen oder Explosionsverdichten erfolgen. Die Temperatur beim Verdichten darf nur so hoch gewählt werden, daß noch keine Teilchenvergröberung eintritt.
• Die Erfindung sieht weiterhin vor, die Verdichtung in Inertgas vorzunehmen; denn das Metallkondensat kann an seiner Oberflache noch offene Poren besitzen, die nicht mit Luft in Berührung kommen dürfen, um eine Bildung von inneren Oxydschichten zu vermeiden Zur Erzielung einer be-sonders regelmäßigen feinen Legierungsstruktur wird erfindungsgemaß vorgeschlagen, das Metallkondensat zu Pulver zu zukleinern und dieses anschließend auf pulvermetallurgischem Wege weiterzuverarbeiten.
• Das erfindungsgemäBe Verfahren eignet sich insbesondere zur Herstellung von feindispersen Legierungen aus den Elementen Zink und Cadmium bei Temperaturen der Schmelze um 500 cc sowie aus den Elementen Silber, Kupfer, Chrom, Aluminium, Silizium und Beryllium bei Temperaturen der Schmelze um 1500 OCo So können beispielsweise feindisperse Aluminium-Beryllium-Legierungen mit Berylliumgehalten von 2 - 80 X0 hergestellt werden.
• Im folgenden wird die Durchfiihrung des erfindungsgemen Verfahrens zur Herstellung feindisperser Legierungen in allgemeiner Form beschrieben. Nach der erfindungsgemäßen Lehre wird eine Schmelze aus zwei oder mehreren in der flüssigen Phase mischbaren Legierungskomponenten bis über den Schmelzpunkt erhitzt, so daß der gesamte Dampfdruck beider Komponenten in der Größenordnung von ca, 091 bis 10 Torr liegt0 Die Drucke müssen in dieser Gröf.tenordnung liegen, damit eine hinreichend große Abscheiderate erzielt werden kann0 Da in der Schmelze die Komonente mit dem höheren Dampf druck bevorzugt verdampft, wird der Schmelze diese Komponente kontinuierlich derart zugegeben, daß die Schmelze in ihrer Zusammensetzung konstant bleibt Dies wird dadurch erreicht, daß bestimmte Eigenschaften der Schmelze wie beispielsweise Temperatur, Dichte, WärmeleitfL.-higkeit, elektrische Leitfähigkeit9 Dia-und Paramagnetismus gemessen werden und deren Ke °-werte als Regelgröße für die Zugabe der leichter verdampfbaren Komponenten benutzt werden; Vor allem dann, wenn zwei Komponenten auch im flüssigen Zustand eine Mischungslücke haben, wie dies bei dem Legierungssystem Kupfer - Chrom der Fall ist, werden die Legierungskomponenten aus verschiedenen Schmelzen verdampft. Der aus dem Legierungskomponenten bestehende Metalldampf wird, vorzugsweise in Vakuum, zur Kondensation auf eine gekühlte Fläche geführt, Das Entfernen des Kondensats von der gekühlten Fläche erfolgt entweder durch mechanisches Abtrennen oder Aufschmelzen einer Zwischenschicht aus niedrigschmelzendem Metall. Man erhält dann Platten oder Schichten einer feindispersen Legierung Eine Festigkeitssteigerung der Legierung kann durdh Pressen, Hämmern, Walzen oder Explosionsverdichten erfolgen.
• Das Verdichten erfolgt zweckmäßigerweise bei einer über der Raunatemperatur liegenden Temperatur und wird zur Vermeidung einer Oxydation der Legierung am günstigsten in Vakuum oder Inertgas durchgeführt.
• Der verdichtete feindisperse Legierungswerkstoff kann durch verformende und/oder spanabhebende Bearbeitung kalt oder bei mal:iger Hitze auf seine endgültige Form gebracht werden0 Mit anderen Teilen ist eine Verbindung durch Aufschrumpfen, Verschrauben oder Vernieten mögliche Von besonderer Wichtigkeit ist die Erfindung für das Legierungssystem Aluminium - Beryllium0 Diese Legierungen können nämlich wegen der geringen Löslichkeit der Mischkristalle fiir die andere Komponente auf schmelzmetallurgischem \iege nicht als feindisperse Legierungen hergestellt werden0 Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine feindisperse duktile Legierung aus etwa gleichen Anteilen Aluminium und Beryllium mit einer Dichte von etwa 2,3 g/cm3 und einer Zugfestigkeit vot über 40 kp/mm2 herstellen. Dieser nach der Erfindung herstellbare Werkstoff besitzt auf das Gewicht bezogen eine extrem hohe Festigkeit und ist auerdem wegen des relativ hohen Schmelzpunktes der feinverteilten Berylliumphase äulferst warmfest. Besonders geeignet ist dieser Werkstoff für Bauteile von Flugzeugen, Raketen und atelliteno Auch erfindungsgemäß hergestellte Aluminium-Legierungen mit nur wenigen Prozenten Beryllium besitzen bessere Festigkeitseigensdhaften als die bisher auf schmelznietallurgischem Wege hergestellten Xluminium-Legierungeno Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben: Innerhalb eines Vakuumofens bei ca, 10 - wurden Torr etwa 150/§inner Legierung von etwa 3,4 L Ag und von 96,6 o/c Cu in einem Tiegel von 30 mm # und 45 mm Höhe erschmolzen. Die Beheizung des Tiegels erfolgte über eine Wolfram-Korb-Heizung. Als Kondensationsflc-che war huber dem Tiegel in ca. 10 mm Abstand vom oberen Rand des Tiegels ein zylindrischer wassergekühlter kupferner Kühlfinger von 25 mm pl angebracht. Die Verdampfungstemueratur betrug 1200°C und wurde ber eine Dauer von ca.
• 60 Mine konstant gehalten.
• Auf der Kondensationsfläche des Kühlfingers bildete sich eine Kuxfer-Silber-Legierung als Schicht mit einer Dicke von ca, 0,4 mm aus, die sich mechanisch relativ leicht vom Kühlfinger ablösen liegt Elektronenmikroskogische Aufnahmen mit seiner bis zu 60 000-fachen Vergrößerung zeigten, daLv zumindest stellenweise erheblich kleinere Korngrößen als 1000 Å vorlagen Außerdem zeigten Röntgenfeinstruktur-Untersuchungen, daß die Schicht eindeutig zweiJhasig war und aus Ag (Cu) und Cu (Ag) -Mischkristallen bestand Es ließen sich Legierungen mit verschiedener Zusammtensetzung aus Silber und Kupfer erzielen Als Beispiel sei die Zusammensetzung zweier Legierungen angegeben, von denen eine aus 67 % Silber und aus ca, 33 % Kupfer bestand, während die andere sich aus 23 ffi Silber und 77 ffi Kupfer zusammensetzte.
• Patentans prii che:

Claims (1)

1. Patentansprüche: 10 Verfahren zur Herstellung feindisperser metallischer Legierungen, dadurch gekennzeichnet, da£ die zu legierenden Komponenten verdampft und anschließend an einer Kühlfläche kondensiert werden0 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurah gekennzeichnet, daß die Verdampfung in Inertgas erfolgt.

   3o Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdampfung in Vakuum erfolgt0 40 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasen der herzustellenden Legierungen im festen Zustand eine Löslichkeit ineinander von weniger als etwa 10 % besitzen 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprvehe, dadurch gekennzeichnet, daß in der flüssigen Phase mischbare Legierungskomponenten aus einer gemeinsamen Schmelze, deren Zusammensetzung durch kontinuierliche Zugabe der leichter verdampfenden Komponente konstant gehalten wird, verdampft werden.

   6o Verfahren nach einem der Anspriiche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungskomponenten aus getrennten Schmelzen in zueinander konstantem Mengenstromverhältnis verdampft und die Dampfströme vor dem Kondensieren an der Kihlflche untereinander vermischt werden.

   5 oder 74 Verfahren nach hns-pruci 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Dampfmengenströme durch Variieren der Temperatur der Schmelze bzwO der Schmelzen geregelt werden.

   8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung der Schmelzen durch Elektronenstrahlen erfolgt.

   9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Kondensation des Metalldampfgemisches bestimmten K.lhlflachen aus einem weitgehend oxyfreien Metall bestehen.

   10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Anspr che 9 dadurch gekennzeichnet, da die Kühlflächen mit einem niedrig schmelzenden Metall geringer Legierungsneigung wie beispielsweise Blei, iberzogen sind0 110 Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das an den K hlfl.chen gewonnene Kondensat zur Festigkeitssteigerung auf mechanischem Wege verdichtet wird.

   12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur der Legierung bei der mechanischen Verdichtung oberhalb der Raumtemperatur liegt.

   13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdichtung in Inertgas erfolgte 14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dafi das Metallkondensat zu Pulver zerkleinert wird, und dieses anschließend auf pulvermetallurgischem Wege weiterve-arbeitet wird.