DE2333198A1 - Verbesserungen bei aluminiumlegierungen (sprueh-guss) - Google Patents
Verbesserungen bei aluminiumlegierungen (sprueh-guss)Info
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Description
4 098 n/wa
Alcan Research and Development Limited, Montreal
Kanada
Verbesserungen bei Aluminiumlegierungen (Sprüh-Ctass)
Die Erfindung bezieht sioh auf die Herstellung von AIuminiumlegierungsgegenständen
hoher Heisefestigkeit, Zn dem erfindungsgemässen Verfahren werden diese Gegenstände
durch Anwendung ein·« Spriih-uussverfaltrens hergestellt«
303885/1260
ORIGINAL INSPECTSD
2333199
welches unter Bildung einer Abscheidung von Aluminiumlegierungströpfchen
durchgeführt wird, worin der Legierungsbestandteil, welcher ein oder mehrere Metalle sein
können, entweder in übersättigter fester Lösung oder in Form eines Niederschlags von aussergewöhnlich feinen Teilchen
gehalten wird. Die Masse der durch den Sprüh-Gussvorgang erzeugten verfestigten Tröpfchen wird sodann unter
Erzeugung eines Gegenstandes verdichtet, der hohe mechanische Festigkeit undeine Widerstandsfähigkeit gegenüber
einer Temperaturerweichung aufweisen kann.
Der Sprüh-Gussvorgang hat die Atomisierung und nachfolgende Kühlung eines Stroms der geschmolzenen Legierung durch
Stickstoff- oder andere geeignete Gasströme hoher Geschwindigkeit
zur Folge. Gemäss der Erfindung werden die atomisierten Metalltröpfchen auf ein bewegtes Substrat getragen,
wo sie Infolge der anfänglichen Gaskühlung und der Sekundärkühlung
durch das Substrat abgeflacht werden und sich nahezu äugenglioklich verfestigen. Die Bedingungen, um
eine übersättigte Abscheidung oder eine Abscheidung zu erhalten, die eine Dispersion feiner (<1/Um) Teilchen enthält,
sind:
1. Die Legierung solfce oberhalb ihrer Liquidustemperatur
sprüh- bzw. äerstüubungsgegossen werden.
2· Die anfängliche Schmelztemperatur sollte ausreichend
gering und die Gasgeschwindigkeit und Fliessgeschwindigkeit derart sein, dass das Gas genügend
Hitze abführt, um die Temperatur der Metalltröpfohen
unterhalb die Temperatur zu verringern, bei
der normalerweise die Verfestigung beginnen :*rürde«
ORIGINAL INSPECTED
3. Das Substrat sollte genügend kalt und in der Lage
sein, eine ausreichende Wärmemenge zu adsorbieren« um erheblich zur Kühlung der Abscheidung beizutragen.
Wenn diese Bedingungen erfüllt werden, verfestigt sich jedes Tröpfchen individuell bei Abscheidung und die noch
zu beschreibenden Legierungszusätze werden weithin in der übersättigten festen Lösung erhalten, oder als sehr feine
(<1 /um) Teilchen dispergiert. Die aus diesem Vorgang resultierende
Abscheidung ist porös und weist eine geringe Festigkeit auf und erfordert eine Verfestigung durch Heissbearbeitung.
Die Aufgabe der Heissbearbeitung (die in Form von Heisswalzen, Heissextrusion, Heisspressen, Heisschmieden oder
Explosionsverformung erfolgen kann) ist die folgendes
a) Die Porosität auszuschalten;
b) Die ursprünglichen Grenzen der abgeflachten Tröpfchen aufzubrechen, um diese zusammenzuschweissen;
c) Eine gewisse Abscheidung der sehr feinen Teilchen der geeigneten intermetallischen Phase (einschliess-Iich
der metastabilen Phasen) hervorzurufen, deren Natur von der Legierungszusammensetzung abhängig
ist.
Die Wirkung von sowohl (a) und (b) besteht in einer Verbesserung
der Homogenität und somit einer Verbesserung der Duktilität und Festigkeit* Die Wirkung von (c) besteht
- 4 -309885/1260
in der Erzeugung einer Struktur bzw. eines Gefüges, das eine sehr.feine Dispersion von sehr kleinen intermetallischen
Verbiridungsteilchen enthält. -Durch diese Struktur
bzw. Gefüge,- wird die aussergewöhnliche Kombination der Eigenschaften, wie hohe mechanische Festigkeit, hohe Widerstandsf
äh-igkeit gegenüber Temperatur-erweichung und hoher Elastizitätsmodul bestimmt.
Die Auswahl der Legierungselemente ist durch die Notwendi-gkeit der Erzielung von (a) den vorstehend erwähnten
maximalen Eigenschaften und (b) die Leichtigkeit des Sprüh-Giessens und der Verfestigung bestimmt.
Durch die Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsgegenstandes, der eine hohe Heissfestigkeit
aufweist zur Verfügung gestellt, das da-durch gekennzeichnet ist, dass man einen Jm wesentlichen homogenen
Körper aus geschmolzenem Metall verwendet, der aus Aluminium und 0.05 bis 25 % Legierungsbestandteilen be- steht,
wobei die Menge des Legierungsbestandteilesjäie
Gleichgewichtsfestlöslichkeit (equilibrium solid solubility) übertrifft, der Maximalwert der Gleichgewichtsfestlöslichkeit
2 % darstellt, der Legierungsbestandteil eine niedrige Diffusionsgeschwindigkeit in Aluminium aufweist
, dass man einen Strom von Tröpfchen des geschmolzenen Metalls in einem Gasstrom, vorzugsweise Stickstoff
oder Argon, oder in einigen Fällen Luft, einstellt, wobei die Tröpfchen einen durchschnittlichen Durchmesser
in dem Bereich von 50 /um bis 1 mm aufweisen, die Tröpfchen gegen ein Substrat richtet, die Tröpfchen des geschmolzenen
Metalls um zumindest 500C während des Flugs
unterkühlt, so dass sie beim Auftreffen auf das Substrat
— 5 — 309885/1260
-5- 23331
sehr rasoh verfestigt werden, um dde Legierungsbestandteil
in übersättigter fester Lösung oder in der Form von Teilchen einer Grosse, die 1 /Um nicht übersteigt, in
dem Aluminium zu halten, und die Masse der Tröpfchen durch Heissbearbeitung bei einer Temperatur in dem Bereich von
200 bis 5000C verdichtet.
Es ist bevorzugt, die Projektion der Tröpfchen derart durchzuführen, dass die Tröpfchen um etwa 20O0C unterkühlt
werden. Die Bezeichnung "unterkühlte Tröpfchen" bedeutet hier, dass die Metalltröpfchen, während sie in
dem Flüssigkeitszustand verbleiben, auf eine Temperatur abgekühlt werden, die unter dem normalen Schmelzpunkt
des Metalles liegt. Es wird geschätzt, dass unter diesen Bedingungen die Einzeltröpfcheh mit einer Geschwindigkeit
von zumindest 10^ °C/Sek. und tatsächlich bis zu oder sogar«
über KP °C/Sek. bei ihrem Übergang von dem Flüssigkeitszustand
in den Festzustand bei Auftreffen auf das Substrat
abgekühlt werden.
Die Tröpfchen werden gegen ein Substrat projeziert bzw. geschossen, welches eine bezüglich der Quelle der Tröpfchen
bewegte Oberfläche darstellt, um auf dem Substrat einen Streifen bzw. ein Band zusammenhaftender verfestigter
Tröpfchen auszubilden. Der Streifen, bzw. das Band wird sodann vorzugsweise von dem Substrat zwecks Verfestigung
abgetrennt.
Der Legierungsbestandteil wird vorzugsweise durch eines oder mehrere der folgenden Elemente Ti, V, Cr, Mo, Fe,
Co, Ni, Zr, Nb und Mo gebildet. Es ist bevorzugt, dass zumindest ein Element in annähernd der Menge vorliegen
- 6 -309885/1260
sollte, die zur Bildung eines Eutektikums mit Aluminium
erforderlich ist.
Die Legierungszusätze werden derart gewählt, dass sie
(1) eine sehr geringe feste Löslichkeit in Aluminium und
(2) sehr geringe Diffusionsgeschwindigkeiten in Aluminium, bis zu zumindest 400°C aufweisen. Diese Erfordernisse stellen
sicher, dass die Niederschläge, wenn sie gebildet werden, stabil und gegenüber Veränderungen bei erhöhten Temperaturen
wi-derstandsfähig sind. Die Interesse beanspruchenden Legierungselemente sind hauptsächlich die Ubergangsmetalle
Ti, V, Cr, Mn, Pe, Co, Ni, Zr, Nb und Mo. Der Gesamtzusatz
von einem oder mehreren dieser Metalle beträgt vorzugsweise drei bis 15 %· Die Liquidustemperatur der
resultierenden Legierung sollte nicht über etwa 150O0C
hinausgehen, da sonst die Wärmemenge übermässig gross wird, deren Abführung durch das Gas zur Sicherstellung
einer schnellen Verfestigung der Tröpfchen beim Aufprall auf das Substrat erforderlich ist.
Zusätzlich zu den vorstehend genannten Elementen liefert die Gegenwart anderer Legierungselemente, insbesondere
von Silizium, in etwa 12 Gew.# bei Zusatz mit einem oder mehreren der anderen Elemente dadurch eine starke Legierung,
dass eine erhöhte Zahl von silikonhaltlgen intermetallischen Verbindungsteilchen zur Verfügung gestellt wird. ,
obwohl Silizium selbst wegen seiner hohen Diffusiunsgeschwindigkeit ziemlich ungeeignet ist. Beispielsweise
erhöht die Zugabe von 12 % Si zu einer Al-4# Fe-Legierung
die Festigkeit durch Erhöhung der Zahl der intermetalli schen Teilchen.
Aluminiumlegierungen einer dem Eutektikum .nahen Zusammen-
309885/1260 "?"
setzung, wie Legierungen, die 12 % Si oder 6 % Ni enthalten,
sind für das SprUh-Giessen besonders bevorzugte Legierungen, da die Liquidustemperatur relativ niedrig
liegt. Eine Legierung mit 5 bis 7 % Ni, vorzugsweise 5*5
bis 6,5· % Ni, mit Zusätzen von einem oder mehreren der vorstehend erwähnten Übergangselemente, ist besonders
günstig. Daher wird die von den Tröpfchen durch das Gas
zur Erzielung einer Unterkühlung erforderliche Wärmemenge auf einem Minimum gehalten. Darüber hinaus scheinen die
Kontraktionsbeanspruchungen während der Verfestigung niedrig zu sein, da die Abscheidungen dieser Legierungen
eine geringere Neigung zur Aufkräuselung von dem Substrat während es Sprüh-Giessens zeigen.
Es ist festgestellt worden, dass diese wünschenswerten Merkmale (niedrige Liquidustemperatur und flache Abscheidung)
in ternären Legierungen oder solchen höherer Ordnung, die entweder 12 #Si oder 6 % Ni enthalten, weithin
beibehalten werden, selbst wenn die anderen Elemente, wenn sie in binären Legierungen vorliegen, Schwierigkeiten
durch Erzeugung von ausgeprägter Aufkräuselung der Abscheidung hervorrufen.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, Gegenstände aus Aluminiumlegierung hoher Festigkeit durch sogenanntes
"splat"-Giessen (splat-casting) zu erzeugen, bei welchem
Verfahren die Metalltröpfchen einer raschen Abkühlung durch das Aufschiessen auf ein abgekühltes Substrat unterworfen
werden. Die Metallteilchen werden keinem massgeblichen UnterkUhlungsgrad während des Fluges unterworfen,
was zur Folge hat, dass nahezu die Gesamtheit des ursprünglichen Wärmegehaltes der Tröpfchen durch das Substrat
absorbiert wird. Daher ist lediglich die Bildung einer
- 8 309885/1260
dünnen Tropfehenabscheidung möglich, die einen gewünschten
feinen Niederschlag unlöslicher Legierungsbestandteile aufweist. Jeglicher Versuch zur Bildung einer dickeren
Metallschicht durch das "splat"-Giesseh führt zu einem re-1
ativ groben'Niederschlag. Als Ergebniss kann das "splat"-Giessen
lediglich zur Bildung einer Schicht von Teilchen angewandt werden, welche kontinuierlich von dem Substrat
entfernt werden und welche nachfolgend durch die Pulvermetallurgie zu Gegenständen verformt werden.
Im Gegensatz hierzu erlaubt das erfindungsgemässe Verfahren
die Ausbildung einer relativ dicken Abscheidung, beispielsweise bis zu einer Dicke von 2 cm, aus Tröpfchen,
die einen hohen Gehalt an Legierungsbestandteilen in übersättigter Lösung oder in Form eines ashr feinen Niederschlags
aufweisen. Es kann jedoch, nur durch genaue Einstellung der Beziehung zwischen der Gaszufuhr und der Zufuhr des geschmolzenen
Metalls zu der Sprühdüse erreicht werden, um sicherzustellen, dass die Metalltröpfchen auf dem Substrat
in einem geeigneten unterkühlten (jedoch noch flüssigen) Zustand auftreffen. Wenn die Metalltröpfchentemperatur
beim Auftreffen auf das Substrat zu hoch ist, werden sich die Tröpfchen beim Aufprall nicht augenblicklich verfestigen
und die Verfestigung wird verzögert. Dies wird durch eine relativ grobe Struktur in der Abscheidung nachgewiesen.
Wenn andererseits die Tröpfchen einer zu starken Kühlung durch das Gas unterworfen werden, wird eine zu grosse
Zahl von im allgemeinen kugelförmigen verfestigten Tröpfchen in der Abscheidung vorliegen, die eine Verfestigung
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,vor dem Aufprall auf dem Substrat anzeigen. Derartige Tröpfchen
weisen eine grobe Struktur auf, da sie keiner sehr raschen Abkühlung beim Übergang von dem flüssigen zu dem
festen Zustand unterworfen worden sind. Im Gegensatz hierzu erscheinen die unter richtigen Bedingungen abgeschiedenen
Tröpfchen infolge ihres Aufpralls auf dem Substrat als abgeflacht und sind von groben Sekundärphäsenteilchen relativ
frei und können tatsächlich eine besonders merknalslose
Struktur aufweisen.
Somit gestattet die visuelle Untersuchung der Abscheidung unter einem Mikroskop geeigneter Auflösung eine Bestimmung
der Richtigkeit der Sprühbedingungen.
In einer zur Versprühung von verschiedenen geschmolzenen Aluminiumlegierungen unter den bereits vorstehend erläuterten
Bedingungen bestimmten VersuchfSfolge wurde eine Reihe von binären und ternären Legierungen auf ein Substrat
gesprüht, welches entweder luftgekühlt (A. C.) oder wassergekühlt (W. C. ) war. Der durch das Sprühgiessverfahren gebildete
lose, verfestigte Streifen wurde sodann durch Warmwalzen bei einer Temperatur in dem Bereich von 250 bis 45O°C verfestigt
bzw. verdichtet. Der verfestigte Streifen wurde . sodann weiter durch Kaltwalzen reduziert. Die mechanischen
physikalischen Eigenschaften des Streifens in dem verfestigten Zustand und in dem kaltgewalzten Zustand wurden
sodann gemessen. Diese Werte sind zusammen mit der Temperatur der Schmelze vor dem Sprühguss und den Warmverfestigungs-
und Kaltwalzbedingungen in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst.
- 10 -
309885/1260
Legierung | 6.0 % Ni |
Sprüti-Guss | Scnmelz- tempera« tur 0C |
Fabrikation | Qriginal- dicke mm |
m | Total- reduk-· tion % |
: | Nr. der Durch gänge {passes) |
Kaltwalzen | i | |
• | • | ■ > | 1 Walzverfestigung | 10.25 | 83 | 7 | dicke mm |
Total reduktion |
||||
Zusammen setzung |
12.0 % Ni |
W.C. · A.C, |
750 | Bandtem- pe'ratur |
9.9 " · | dicke mm |
79 | 6 | 0.47 | 73 | ||
5.4 % Co |
• | 250 | 10.5 | 1.73 | 80 | 5 | 0.59 | 72 | ||||
CA
O «Ο OEk |
■ ·'· | W;C. | 800 | 300 | 10.5 | 2.06 | 80 | 6 | 0.55 | 74 | ||
α> cn |
350 | 8.0 | • 2.13 | 79 | 0.55 | 74 | ||||||
«χ» M |
A.C. | 920- 1000 |
400 | 7.6 | 2.12 | 78 | 6 | 0.47 | 72 : | |||
O | 1000 | 2Q0 | 10.1 | 1.68 | 82 | 8 | 0.44 | 74 | ||||
A.C. | 350 | 7.85 | 1.67 | 78 | 0.44 | 76 | ||||||
A.C. | 400 | 7.30 | 1.84 | 76 | 0.45 · | 74 | ||||||
400 | 8.00 | 1.75 | 77 | 0.45 | 75 | |||||||
450 | ■8.25 | 1.77 | 78 | 0.46 | ||||||||
400 | 1.82* | 0.46 | ||||||||||
^50 | 1.81 | |||||||||||
- 10a-
GJ O CD coco cn
U.T.S. MN/m2 |
Dehn. | Zugeigenschaften | ■U.T.S. MN/m2 |
Dehn. % |
|
447 | 11 1/2 | 361 | 7 1/2 | ||
walzverfestigter Zustand | 410 | 16 1/2· | Kaltwalzzustand | 444 | 10 1/2 |
0.2 % P. S. MN/m2 |
404 | 15 1/2 | 0.2 % P.S. MN/m2 |
421 | 8 1/2. |
4or | 385 | 14 1/2 | 340 | 423 | 9 |
364 | 441 ' | 12 | 408 | 444 | 7 1/2 |
352 ■· | 419 | 12 1/2 | 381 | 46ο | 7 1/2 |
.- | 342 | 16 1/2 | 378 | 400 | 6 1/2 |
377 | 461 | 10 1/2 | 4θΟ | 517 | 7 |
367 | 373 | 12 1/2 | 417 | 445 | 7 1/2 |
292 | 451 | 9 | 343 | 438 | 11 1/2 |
388 | 419 | 12 | 440 | 414 | 13 1/2 |
308 | 361 | ||||
413 | 4θ4 | ||||
391 | *371 |
- 11 -
CjJ GJ CJ
co σ |
Legierung | Sprüh-Guss | Schmelz tempera tur 0C |
Fabrikation | Original dicke , mm |
dicke mm |
Total- reduk- •tion % |
Kaltwalzen | Nr. der Durch gänge (passes) |
' End dicke . ram |
Total reduktion * |
- | |
9885/ | 940 | Walzverfestigung | 7.07 | 1.55 . | 78 | 7 | 0.40 | 74 | 1x> **> 58 00 CO |
||||
κ> | Zusammen setzung |
W.O. Qd er A.C. |
975 ■ | Bandtem peratur, |
7.35 | L'36 | 81 | 7 | O.36 | 73 | |||
[ | σ> ο |
5.2 % Mn |
W.C. | 920- 980 |
400 | 7.4 | 1.66 | 78 | 9 | O.45 | 73 | ||
5.3 % Mn |
A.C. | - | 45O | 7.4 | 1.66 | 78 | 6 | 0.44 | 73 | ||||
6.0 % Ni 3.5 #Fe |
W.C. | 750 | 400 | 12.2 | 2.06 | 83 | 8 | O.58 | 72 | ||||
6.Ö f, Ni 5.2 % Pe |
A.C. | 870- 900 |
450 | II.90 | 2.11 | 82 | 7 | O.56 | 73 | ||||
6.3# Ni 12.0$ Si |
A.C. | 350 | 13.25 | 2.72 | 79 | 7 | 1.01 | 63 | |||||
4.2 Jt Pe 13.8 % Si |
A.C. | 400 | IO.63 | 2.29 | 78 . | - | |||||||
350 | 10.55 | 2.12 * |
80 | - | |||||||||
350 | IQ.1 | 2.I8 | 78 | 0.93 | |||||||||
400 | |||||||||||||
350 |
- IJLa-
. walzverfestigter Zustand | U.T.S. MN/m2 |
Dehn. | 4 | Kaltwalzzustand | U.T.S. MN/m2 |
Dehn. (El.) |
7 | |
Zugeigenschaften | 0,2 g P. S. MN/m2 |
358 | 13 | 5 | 0.2 % P.S. MN/m2 |
420 | 4 1/2 | |
332. | 339 | 12 1/2· | T | 394 | 404 | 5 | ||
305 ■ | 360 | 13 | 378 | 428 | 5 | |||
333 ' | 325 | 16 1/2 | 407 | 382 | 6 | |||
295 | 558 | 4 | 348 | 580 | 5 1/2 | |||
518 | 508 | 7 1/2 | 549 | 552 | 9 | |||
445 | - | - | 505 | ■417 | 4.1/2 | |||
- | 549 | 352 | - | - , | ||||
422 | 491 | - | - | - | ||||
396 | 479 ■ | „- | 520 | |||||
387 | 428 | |||||||
- 12 -
ca ο u>
Legierung | Sprüh-Guss | Schmelz tempera tur 0C |
Fabrikation | Original dicke mm |
End dicke mm |
Total reduk tion % |
Kaltwalzen | Nr. der Durch gänge (passes) |
dicke mm |
Total reduktion % |
950 | Walzverfestigung | 10.25 • |
2.82 | 73 | 6 | 0.77 | 73 | |||
Zusammen setzung |
W.C. otfer A.C. |
980 | J3andtem- peratur |
6.63 | • 1.75 | 74 | 8 | 0.44 | 74 | |
5.9? »i 2.0* Fe- 0.8 JiCo |
W. C. | 980 | 400 | 7.00 | I.65 | 76 | 8 | 0.40 | 76. | |
b.4J6 Ni X.95^ Fe 2.0Si Mn |
A.C. i |
900 | 400 | 9.98 | 2.30 | 77 | 7 | O.56 | 75 | |
b.4$ Ni 1.9* Fe 2.0% Mn |
A.C. | 900 | 450 | 10.25 | 2,50 | 76 | 0.61 | 76 | ||
6.2# Mi 2.2# Cr |
W.C. | 350 | ||||||||
6.2.g Ni 2-.2Ji Cr |
W. C. | 400 | ||||||||
- 12a-
Ca) GJ
Zugeigenschaften | walzverfestigter Zustand | U.T.S. MN/m2 |
Dehn. | Kaltwalzzustand | U.T.S. MN/ra2 |
Dehn. |
0.2 % P. S. MN/m2 |
528 | 4 • |
0.2 % P.S. MN/m2 |
558 | 8 | |
498 | 518 | 7 | 490 | 532 | • 8 | |
466 .· | 448 | 101/2 | 458 | 518 | 9 | |
354 | 536 | 101/2 | 456 | 537 | 7 | |
455 | 474 | 12 | 498 | 550 | 7 1/2 | |
4θ4 | 472 |
Ca) GJ
Es können allgemeine Feststellungen bezüglich der Wirkung des Sprühgiessens und der Pertigungsbedingungen auf
die Zugeigettschaften aus Tabelle 1. -getroffen werden:
a) Innerhalb des Temperaturbereiches für adequate Walzverfestigung erhöhte sich die Festigkeit mit
dem Abfall der Walzverfestigungstemperatur. Dies
- war wahrscheinlich auf eine Kombination von Verarbeitungs-Härtung
(work-hardening) und ein Minimum der Vergröberung des Niederschlags zurückzuführen.
b) Mit einem Anstieg der Walzverfestigungstemperatur trat eine Erhöhung der Bruchdehnung bzw. Längsstrekkung
auf.
c) Das Kaltwalzen des walzverfestigten Materials führte zu einer Neigung zur Erhöhung seiner Festigkeit
und zur Abnahme der Dehnung, wobei das Ausmass von Legierung zu Legierung wechselte. Im Fall von 5·^ %
Co trat eine leichte offensichtliche Erweichung des Materials beim Kaltwalzen axt.
Obwohl gezeigt worden ist, dass ternäre Legierungen hauptsächlich gegenüber .binären Legierungen bevorzugt sind,
kann es sein, dass kleine Zusätze vieler Elemente gegenüber grösseren Zusätzen einiger weniger Elemente bevorzugt
sein würden, da auf diese Weise ein grösserer Gesamtbruchteil der Legierungselemente hinzugegeben werden kann,
bevor die Liquidustemperatur für ein erfolgreiches Sprühgiessen
zu hoch wird.
Ein wichtiger Punkt der die Sprüh-Gusslegierungen der Erfindung betrifft besteht darin, dass sie auf Basis von
relativ unreinem Aluminiummetall aufgebracht werden .können.
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Jegliche sogenannte Verunreinigungen werden in die feste Lösung während des Sprüh-Giessens hineingenommen werden und
zu der allgemeinen Festigkeit des verarbeiteten Materials beitragen. Dies wird durch die guten Eigenschaften der
sprühgegossenen Legierungen, die Eisen und Silizium enthalten veranschaulicht, welche die beiden in Aluminium
geringer Reinheit am häufigsten vorliegenden Elemente darstellen.
In einer weiteren Versuchsfolge wurde die Wirkung der Temperatur auf die Härte des Sprüh-Gusses und der verfestigten
Legierungsgegenstände gemäss der Erfindung gemessen und mit der Wirkung der Temperatur auf eine D19S-Legierung
(entspricht B. S. 14-72:HF16) verglichen, die die folgende Zusammensetzung besitzt: 2.5 % Cu, 1.55 % Mg,
1.1 % Fe, 1.2 % Ni und 0.06 % Ti, wobei der Rückstand
Aluminium handelsüblicher Reinheit dar&ellt. Die D19S-Legierung
weist die beste Widerstandsfähigkeit gegenüber Temperaturerweichung unter Jeglichen, üblicherweise
angewandten handelsüblichen Knet- bzw. Reckaluminiumlegierungen auf. In den beigefügten Fig. 1 und 2 sind
die Härte und die Enddehnungsspannung der Versuchsstücke bei Raumtemperatur, nachdem diese während einer Woche
-auf der angegebenen Temperatur gehalten worden waren, aufgezeichnet. Die Versuchsstücke wurden durch das vor>
stehend erläuterte Sprüh-Gussverfahren erzeugt und werden mit der D19S-Legierung im voll ausgehärteten
(Τβ) Zustand in Vergleich gesetzt. Sie werden auch mit einer sprüh-gegossenen, walzverfestigten Al-12#3i-Legierung
(welche nicht in den Rahmen der Erfindung fällt) verglichen. Es wird ersichtlich, dass die binären und
ternären sprüh-gegossenen, walzverfestigten Legierungen
auf Grundlage der Übergangselemente gegenüber einer Er-
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weichung bei Aussetzung von Temperaturen in dem Bereich von 200 bis 40O0C während einer Woche wesentlich widerstandsfähiger
als die bekannte Dl9S-Legierung sind.
Die in Tabelle 1 und den Fig. 1 und 2 dargestellten Eigenschaften
stellen nicht notwendigerweise das Äusserste dar, das selbst für Legierungen mit der gleichen Zusammensetzung
erreicht werden könnte.
In der folgenden Tabelle 2 sind die für den Elastizitätsmodul und die Dichte nach der Walzverfestigung für gewisse,
in den Fig. 1 und 2 gezeigten Legierungen erhaltenen Werte
im Vergleich zu denen der D19S-Legierung angegeben.
Legierungszusammen setzung % |
Elastizitätsmo dul GN/m2 |
Dichte Mg/m? |
6 Ni | 79 | 2.84 |
5 Co | 78 | 2.86 |
5 Mn | 87 | 2.80 |
4 Fe | 79 | 2.78 |
12 Ni | 87 | 3.02 |
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- 16 -
Portsetzung Tabelle 2
6 Ni 4 Fe | 87 | 2.92 |
4 Pe 12 Si | 79 | 2.78 |
Auf herkömmliche Weise erzeugte D19s-Legierung |
79 | 2.78 |
Eine Vorrichtungsform zur Durchführung des erfindungsgemässen
Verfahrens ist in Fig. 3 der beiliegenden Zeichnungen dargestellt.
Die zu 3prüh-vergiessende, geschmolzene Legierung wird
kontinuierlich in einen Schmelztiegel 1, der ein Zulieferungsrohr 2 aufweist, eingeführt. Das Zulieferungsrohr 2
weist eine Bohrung von 3 mm auf und ist durch eine Reihe
von 12 Gasdüsen J>, von denen Jede einen Durchmesser von
2 mm aufweist, umgeben. Den Düsen 3 wird durch ein Versorgungsrohr 4 Stickstoff mit einem Druck von etwa 5.6 Atmosphären
(80 psi) zugeführt.
Das Substrat in Form eines Stahlstreifens wurde in einer Entfernung von 350 mm (etwa 14 inch) von dem Zulieferungsrohr 2 angeordnet und mit einer derartigen Geschwindigkeit,
dass sich eine Abscheidung von etwa 20 mm Dicke bildete, vorwärtsbewegt. Unter diesen Bedingungen betrug
die Teilchengrösse des Metalls (im Flug als kugelförmiges
Tröpfchen angesehen) etwa I80.Mikron und es wird angenommen,
dass es von einer Ausgangsteraperatur von 8500C um
309 8-8 5/12^0
- 17 -
zwischen 300 und jj6o C vor dem Auf treffen auf das Substrat
abgekühlt worden ist , so dass eine Unterkühlung um 110 bis 170 C resultierte. Die Abkühlung der geschmolzenen Tröpfchen
durch das Stickstoffgas wird hauptsächlich in der unmittelbaren Nachbarschaft der Zulieferungsrohrdüse 2 bewirkt,
wo das Gas am kühlsten und der Geschwindigkeitsunterschied zwischen dem Gas und dem geschmolzenen Metall
am höchsten ist. Bei einer vorgegebenen Vorrichtung kann die Teilchengrösse der Metalltröpfchen und das Ausmass der
Unterkühlung durch eine Erhöhung oder eine Abnahme des Gaszuführungsdrucks -variiert werden. Wie bereits angegeben,
kann die Richtigkeit der Unterkühlungsbedingungen der Tröpfchen durch eine visuelle Kontrolle der Abscheidung beurteilt
werden, wobei zur Verbesserung der Abscheidung geeignete Korrekturen im erforderlichen Mass durchgeführt
werden können.
Um die Bedeutung der Einstellung des gewünschten Unterkühlungsausmasses
während des Fluges zu veranschaulichen, wurde die Legierung Al-Ni-6#-Fe-4# unter zwei verschiedenen
Bedingungen- versprüht: (a) unter den gleichen Bedingungen wie in den vorstehend angeführten Beispielen un-
■3
ter Verwendung von 1.1. nr Stickstoff pro kg versprühtes
ter Verwendung von 1.1. nr Stickstoff pro kg versprühtes
Metall (18 Fuss^/lb) und (b) 0.5 bis 0.6 nr5 Stickstoff pro
kg versprühtes Metall (8 bis 10 FussVlb). Im letzteren Fall wurde anhand einer Überprüfung der Struktur der Abscheidung
festgestellt, dass die Tröpfchen einer zu geringen (sofern überhaupt) Unterkühlung vor dem Auftreffen auf
das Substrat ausgesetzt waren, da die Abscheidung nicht das Bild einer Schicht aus verfestigten abgeflachten Tröpfchen
zeigte. Infolge dieses Mangels an Unterkühlung wies der Niederschlag einen groben Charakter auf und die Festigkeit
der Abscheidung nach der Heissverfestigung und
- 18 309885/1260
Λ*
Kaltwalzung war, wie aus der folgenden Tabelle 3 hervorgeht,
relativ schlecht.
Struktur | Annäherndes Gas/Metall verhältnis . . m-ykg (Kubikfuss/lb) |
Zugeigenschaften des gewalzten Blechs |
U.T.S. MN/m2 |
Dehnung % |
gut | 1.1 (18) | 0.2 % Prüfbe anspruchung MN/m2 |
583 | |
schlecht | 0.5-0.6(8-10) | 550 | 415 | 2 |
350 |
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- 19 -
Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsgegenstandes,
der eine hohe Heissfestigkeit aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass man einen im wesentlichen homogenen Körper aus geschmolzenem.
Metall verwendet, der aus Aluminium und 0.05 bis 25 # Legierungsbestandteilen besteht, wobei
die Menge des Legierungsbestandteiles die Glelchgewichtsfestlöslichkeit (equilibrium solid solubility)
übertrifft, der Maximalwert der Gleichgewichtsfestlöslichkeit 2 % darstellt, der Legierungsbestandteil·
.. eine niedrige Diffusionsgeschwindigkeit in Aluminium aufweist., dass man einen Strom von Tröpfchen
des geschmolzenen Metalls in einem Gasstrom, vorzugsx
weise Stickstoff oder Argon, oder in einigen Fällen Luft, einstellt, wobei die Tröpfchen einen durchschnittlichen
Durchmesser in dem Bereich von 50 /um bis 1 mm aufweisen, die Tröpfchen gegen ein Substrat richtet,
die Tröpfchen des geschmolzenen Metalls um zumindest 50°C während des Flug* unterkühlt, so dass sie beim
Auftreffen auf das Substrat sehr rasch verfestigt werden, um die Legierungsbestandteil in übersättigter
fester Lösung oder in der Form von Teilchen einer Grosse, die 1 /um nicht übersteigt in dem Aluminium
zu halten, und die Masse der.Tröpfchen durch Heissbearbeitung
bei einer Temperatur in dem Bereich von 200 bis 5000C verdichtet.
- 20 -
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2333139
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Tröpfchen um 110 bis
1700C unterkühlt werden.
1700C unterkühlt werden.
3· Verfahren nach Anspruch 1, oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine
Gesamtmenge von 3 bis 15 % der Übergangsmetalle Ti, V,
Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Zr, Nb und Mo enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 3* dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bis zu 12 %
Si enthält.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Legierung zur Erleichterung des SprUhgjessens eine nahezu
eutektische Zusammensetzung aufweist.
gekennzeichnet, dass die Legierung zur Erleichterung des SprUhgjessens eine nahezu
eutektische Zusammensetzung aufweist.
6. Verfahren nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung etwa 6 % Ni
oder 12 % Si enthält.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung eine ternäre
Legierung darstellt.
8. Verfahren nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, dass die ternäre Legierung 5 bis
7 ^ Ni enthält.
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