DE2049101C3

DE2049101C3 - Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern mit lamellarem Gefügeaufbau

Info

Publication number: DE2049101C3
Application number: DE19702049101
Authority: DE
Inventors: Franciscus Marinus Anna; Run Adrianus Martinus Jacobus Gerardus van; Eindhoven Carpay (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-08-15
Filing date: 1970-10-06
Publication date: 1976-11-11

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern mit lamellarem Gefügeaufbau, bei dem ein im festen Zustand oberhalb einer bestimmten Entmischungstemperatur einphasig vorliegender kristallinier Werkstoff durch gerichtete Abkühlung unter Anwendung eines wandernden Temperaturgradienten unter die Entmischungstemperatur diskontinuierlich in zwei oder mehrere Phasen entmischt wird.

Der einphasige kristalline Werkstoff kann eine eutektoide Zusammensetzung aufweisen oder aus einer festen Lösung bestehen. Unter »Verbundkörpern mit lamellarem Gefügeaufbau« sind Stoffe zu verstehen, deren Gefüge aus mindestens zwei Phasen besteht, wobei mindestens eine der Phasen in mindestens einer Richtung eine Abmessung besitzt, die relativ viel größer als die Abmessungen in den anderen Richtungen ist. Dieser Ausdruck umfaßt also sowohl Verbundkörper, derer. Körper aus dünnen Platten aus abwechselnd einer und der anderen Phase aufgebaut sind, als auch Verbundkörper, deren eine Phase aus Nadeln besteht, die in eine andere Phase eingebettet sind.

Unter diskontinuierlicher Entmischung«, manchmal auch als »zellulare Entmischung« bezeichnet, ist zu verstehen, daß die neuen Phasen durch Keimbildung und Wachstum von den Korngrenzen her erhalten werden, wobei die Zusammensetzung der transformierten Matrix gleichmäßig bleibt, ausgenommen an der inkohärenten Grenze der anwachsenden Zelle.

Verfahren zur gerichteten Erstarrung von Schmelzen von Stoffgemischen sind bekannt (US-PS 31 24 452). Im allgemeinen werden dabei Verfahren angewandt, die auch der Herstellung monokristalliner Materialien dienen, wobei das geschmolzene Material in einer vorher bestimmten Richtung abgekühlt wird, wie z. B. beim Bridgman-Verfahren. Wenn auf diese Weise 101

Gemische von Stoffen behandelt werden, die bei der Erstarrung aus der Schmelze mindestens zwei Phasen mit lamcllarer Geometrie bilden, sind nach Beendigung dieser Behandlung die Lamellen im erstarrten Material in sämtlichen Körnern nahezu senkrecht zur Erstarrungsfront gewachsen. Die Lamellen aus verschiedenen Körnern verlaufen aber im Hirnschnitt im allgemeinen nicht parallel zueinander. In »A study of directionally transformed pearlite« von B.L Bramfitt und A.R. Marder, I.M.S. Proceedings 1968,43 bis 55 (Chemical Abstracts 72 [1970] 23 8201), ist die Anwendung einer gerichteten Abkühlung für eine Eisen-Kohlenstoff-Legierung mit eutektoider Zusammensetzung beschrieben. Der bei diesem Verfahren aus Austenit erhaltene Perlit weist jedoch nicht die Struktur auf, wie sie bei gerichteter Erstarrung von Gemischen von Stoffen erhalten wird. Die Lamellen in den Körnern verlaufen nahezu nicht parallel zur Transformationsrichtung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern mit lamellarem Gefügeaufbau zu schaffen, bei dem ein fester einphasiger kristalliner Werkstoff durch gerichtete Abkühlung diskontinuierlich derart in zwei oder mehr Phasen entmischt wird, daß die Lamellen in sämtlichen Körnern nahezu parallel zur Transformationsrichtung verlaufen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, daß vor der gerichteten Abkühlung in dem einphasig vorliegenden Werkstoff ein Gefüge mit einer Korngröße von mindestens etwa 0,1 mm eingestellt wird und daß die Wanderungsgeschwindigkeit des auf mindestens 10°C/cm eingestellten Temperaturgradienten niedriger oder gleich einer werkstoffabhängigen, empirisch zu bestimmenden maximalen Entmischungsgeschwindigkeit gehalien wird.

Es wurde gefunden, daß die gerichtete Entmischung durch gerichtete Abkühlung nicht ohne weiteres mit der gerichteten Erstarrung durch gerichtete Abkühlung von Schmelzen von Stoffen mit eutektischen Zusammensetzungen vergleichbar ist. Für die gerichtete Erstarrung gilt, daß das Quadrat des Lamellenabstandes bei konstanter Anwachsgeschwindigkeit der Anwachsgeschwindigkeit umgekehrt proportional ist nach der Gleichung

ν = C · D,

wobei
λ

Lamellenabstand
ν = Anwachsgeschwindigkeit
C = eine vom betreffenden System abhängige

Konstante
D = Diffusionskonstante

Bei Durchführung der Entmischung wurde für eutektoide Zusammensetzungen folgende Beziehung gefunden:

λ« ■ ν = C

Daraus ergibt sich, daß die bei der gerichteten Erstarrung angewandten Verfahren bei der gerichteten Entmischung fester einphasiger Materialien mit eutektoider Zusammensetzung oder fester Lösungen nicht ohne weiteres angewendet werden können. Wenn aber von Körnern mit einem Durchmesser von mindestens 0,1 mm ausgegangen wird, der Temperaturgradient gleich oder größer als 10°C/cm ist und die Geschwindigkeit, mit der der Temperaturgradient durch den Körper

gezogen wird, kleiner als oder gleich der maximalen Geschwindigkeit der Transformationsfront ist, ergibt sich, daß Strukturen erhalten werden, die mit den bei der gerichteten Erstarrung von Schmelzen mit eutektischer Zusammensetzung erhaltenen Strukturen vergleichbar sind. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltene Lamellenabstand ist aber erheblich kleiner als der Lamellenabstand, der bei entsprechenden Anwachsgeschwindigkeiten bei der gerichteten Erstarrung eutektischer Schmelzen gewöhnlich gefunden wird.

Die maximale Geschwindigkeit der Transformationsfront ist für jedes System verschieden, läßt sich aber auf einfache Weise durch Versuche feststellen. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß die maximale Geschwindigkeit der Transformationsfront umso größer ist, je höher die eutektoide Temperatur oder die Sättigungstemperatur sind. Gewöhnlich liegt die maximale Geschwindigkeit zwischen 10-" und 10-'² - 7* cm/Stunde, wobei T die Entmischungstemperatur in Kelvin, auch eutektoide Temperatur bzw. Sättigungstemperatur genannt, bedeutet.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher die Wanderungsgeschwindigkeit Vdes Temperaturgradienten niedriger oder gleich Vmax = 10" · 7* cm/Stunde gehalten.

Das Fehlschlagen der bisher aus der Literatur bekannten Versuche ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß eines oder mehrere der drei erwähnten Kriterien nicht erfüllt sind. Wenn z. B. das Verfahren auf die Systeme 28 Atomprozent Zn, Rest Fe (feste Lösung), Korngröße etwa 50 μΐη; 25 Atomprozent Sn, Rest Fe, Korngröße zwischen 10 und 30 μιη und 0,8 Gewichtsprozent C, Rest Fe (nach Entmischung Perlit), Korngröße etwa 20 μιη, angewandt wurde, wurde kein Richteffekt gefunden.

Das Verfahren nach der Erfindung kann mit Hilfe einer Technik durchgeführt werden, die mit der Bridgman-Technik vergleichbar ist, bei der der Körper durch einen Temperaturgradienten gezogen wird, oder dadurch, daß der Temperaturgradient in bezug auf den Körper bewegt wird. Die anzuwendenden Temperaturgradienten sind in der Praxis mit verhältnismäßig einfachen Standardapparaturen erzielbar. Meistens beträgt der anzuwendende äußere Temperaturgradient weniger als 450°C/cm. Im allgemeinen gilt, daß der Temperaturgradient umso größer gewählt werden muß, je kleiner der Korndurchmesser ist.

Das Verfahren kann zur Versteifung von Gegenständen, z. B. Werkzeugen, verwendet werden. Dabei können die Gegenstände mechanischen Bearbeitungen, z. B. einer Schmiedebearbeitung, bei einer Temperatur oberhalb der Transformationstemperatur (der eutektoiden Temperatur oder Sättigungstemperatur) oder bei Zimmertemperatur nach vorhergehendem Abschrekken von einer oberhalb der Transformationstemperatur liegenden Temperatur an unterworfen werden, wonach die Steifheit der Gegenstände durch gerichtete Entmischung vergrößert wird. Das Verfahren kann gleichfalls dazu angewendet werden, Gegenstände mit bestimmten magnetischen, elektrischen und/oder optischen Eigenschäften zu erhalten.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.

B e i s ρ i e I 1

Ein Quarzrohr mit einer Länge von 10 cm und einem Innendurchmesser von 0,4 cm und einem Außendurchmesser von 0,54 cm wurde mit einer geschmolzenen Legierung von Nickel und Indium (55,5 Atomprozent In, Rest Ni), Schmelzpunkt etwa 95C°C, eutektoide Temperatur 770⁰C, ausgefüllt Die Legierung wurde 2 Stunden lang auf 1050⁰C erhitzt und dann dadurch zum Erstarren gebracht, daß die Temperatur auf etwa 850⁰C herabgesetzt wurde. Die Körner weisen nach dieser Behandlung einen Durchmesser zwischen 0,5 und 3 mm auf. Das mit der Legierung ausgefüllte Rohr wurde anschließend mit einer konstanten Geschwindigkeit von 0,1 cm/Stunde durch einen Temperaturgradienten von 65°C/cm gezogen (Bridgman-Technik). Der Lamellenabstand in dem in einer vorher bestimmten Richtung entmischten Körper beträgt nach Ablauf der Behandlung 0,7 μιη, bei einer Geschwindigkeit von 1 cm/Stunde 0,4 μητι und bei einer Geschwindigkeit von 7 cm/Stunde 0,2 μηχ Die Lamellen in den Körnern verlaufen parallel zum Temperaturgradienten. Die Lamellen bestehen abwechselnd aus NiIn und Ni2lna.

Beispiel 2

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde auf eine Legierung aus Kupfer und Indium (20,2 Atomprozent In, Rest Kupfer), Schmelzpunkt 700⁰C, eutektoide Temperatur 574° C, angewandt. Die Legierung wurde 2 Stunden lang auf 850⁰C erhitzt und dann dadurch zum Erstarren gebracht, daß die Temperatur auf 650° C herabgesetzt wurde. Die Körner der Legierung hatten nach zweistündiger Erhitzung auf 650° C im Quarzrohr einen Durchmesser zwischen 1 und 10 mm. Der äußere Temperaturgradient betrug 65°C/cm. Bei einer Ziehgeschwindigkeit von 0,16 cm/Stunde wurde ein Lamellenabstand von 0,38 μηι und bei einer Ziehgeschwindigkeit von 1,15 cm/Stunde wurde ein Lamellenabstand von 0,21 μπι erhalten. Die Lamellen in den Körnern liegen parallel zum Temperaturgradienten. Die Lamellen bestehen abwechselnd aus 29 Atomprozent In, Rest Cu, und 11 Atomprozent In, Rest Cu. Bei einer Probe, die neben Körnern von mehr als 0,1 mm auch kleinere Körner (etwa 50 μιη) enthielt, wurde festgestellt, daß die Lamellen in den kleineren Körnern — im Gegensatz zu den Körnern von mehr als 0,1 mm — nicht parallel zum Temperaturgradienten gerichtet worden waren (Temperaturgradient etwa 30°C/cm, Ziehgeschwindigkeit 0,5 cm/Stunde).

Beispiel 3

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde auf eine Legierung von Kupfer und Aluminium (24 Atomprozent Al, Rest Cu), Schmelzpunkt 1100°C, eutektoide Temperatur 565° C, angewandt, die sich in einem Rohr aus AI2O3 befand. Die Legierung wurde sofort nach Erstarrung durch einen Temperaturgradienten geführt. Der Korndurchmesser lag zwischen 0,5 und 1 mm. Der Temperaturgradient betrug 100 bis 150°C/cm. Bei einer Ziehgeschwindigkeit von 0,2 cm/ Stunde wurde ein Lamellenabstand von 0,25 μιη und bei einer Ziehgeschwindigkeit von 0,5 cm/Stunde ein Lamellenabstand von 0,20 μπι erhalten. Die Lamellen bestehen abwechselnd aus 19,6 Atomprozent Al, Rest Cu, und 30,3 Atomprozent Al, Rest Cu. Bei einer Ziehgeschwindigkeit von 0,2 cm/Stunde und einem Temperaturgradienten von 50°C/cm wurde ein Stab erhalten, der in der Richtung parallel zum Temperaturgradienten eine Zugfestigkeit von 113 kg/mm² hatte. Die maximale Zugfestigkeit einer nicht gerichtet abgekühlten Legierung aus Kupfer und Aluminium (24 Atomprozent Al, Rest Cu) beträgt nach in letzter Zeit veröffentlichten Literaturangaben etwa 68 kg/mm².

Beispie! 4

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde auf eine Legierung aus Kobalt und Silicium (25 Atomprozent Si, Rest Co), peritektische Zersetzungstemperatur 1210⁰C, eutektoide Temperatur 1170⁰C, angewandt. Der Temperaturgradient betrug 100 bis 300°C/cm. Bei einer Geschwindigkeit von 0,05 cm/Siunde betrug der Lamellenabstand 1,4 μπι, bei einer Geschwindigkeit von 6 cm/Stunde 0,4 μΐη. Die Lamellen verliefen parallel zum Temperaturgradienten. Der Korndurchmesser lag zwischen 0,5 und 3 mm.

Beispiel 5

Das im Beispiel 1 beschriebene Verfahren wurde auf eine feste Lösung von Zinn in Blei (16,6 Atomprozent Sn, Rest Pb) angewandt Diese feste Lösung ist bei Temperaturen unterhalb 148⁰C übersättigt. Der Korndurchmesser lag zwischen 0,5 und 1 mm, der Temperaturgradient betrug 100°C/cm. Bei einer Geschwindigkeit von 0,05 cm/Stunde wurde eine lamellare Struktur mit einem Lamellenabstand von 0,9 μπι erhalten; die Lamellen verliefen parallel zum Temperaturgradienten.

Claims

Patentansprüche: 20

1. Verfahren zur Herstellung von Verbundkörpern mit lamellarem Gefügeaufbau, bei dem ein im festen Zustand oberhalb einer bestimmten Entmischungstemperatur einphasig vorliegender kristalliner Werkstoff durch gerichtete Abkühlung unter Anwendung eines wandernden Temperaturgradienten unter die Entmischungstemperatur diskontinuierlich in zwei oder mehr Phasen entmischt wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der gerichteten Abkühlung in dem einphasig vorliegenden Werkstoff ein Gefüge mit einer Korngröße von mindestens 0,1 mm eingestellt wird und daß die Wanderungsgeschwindigkeit des auf mindestens 10°C/cm eingestellten Temperaturgradienten niedriger oder gleich einer werkstoffabhängigen, empirisch zu bestimmenden maximalen Entmischungsgeschwindigkeit gehalten wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanderungsgeschwindigkeit Vdes Temperaturgradienten niedriger oder gleich Vmax = 10-" ■ 7* cm/Stunde gehalten wird, wobei T die Entmischungstemperatur des Werkstoffs in Kelvin ist.