DE2528783A1 - Superplastische legierungen auf aluminiumbasis - Google Patents

Superplastische legierungen auf aluminiumbasis

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DE2528783A1 DE19752528783 DE2528783A DE2528783A1 DE 2528783 A1 DE2528783 A1 DE 2528783A1 DE 19752528783 DE19752528783 DE 19752528783 DE 2528783 A DE2528783 A DE 2528783A DE 2528783 A1 DE2528783 A1 DE 2528783A1
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Description

BOOB U B η c Il en 2 2 · S i ε i nsd η rtstr a Bb 21 - 2 2 ■ T tief on Β Β 9 / 2 9 8 4 6 2
B 7439
COMALCO ALUMINIUM (BELL BAY) LIMITED
Bell Bay, Tasmania/Australien
Superplastische Legierungen auf Aluminiumbasis
Die Erfindung betrifft Legierungen auf Aluminiumbasis mit voll modifizierten eutektischen Mikrostrukturen, sowie Verfahren zu deren Herstellung.
Die erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumbasis zeigen E igenschaf ten einer superplastischen Verformbarkeit bei erhöhten Temperaturen und können folglich aus entweder Guß- oder Schmiedematerialbeständen superplastisch geformt werden.
509883/0771
Mit hoher Verformbarkeit bzw. Superpiastizität, wird bei Metallen und Legierungen das Vermögen bezeichnet, unter der Einwirkung von kleinen Formspannungen eine große plastische Verformung aufzunehmen, ohne daß ein Versagen des Materials auftritt.
Die zur superplastischen Formgebung geeigneten Legierungen weisen üblicherweise eine hochfeine Korngröße von 10 μπι oder weniger auf, sowie ein Vermögen, diese feine Korngröße bei höheren Temperaturen während der Zeitspannen beizubehalten, die für die Formungsvorgänge notwendig sind. Zu sätzlicher weise weisen Legierungen dieser Art Empfindlichkeitsindizes der Dehnungsrate ("indices of strain-rate sensitivity") auf, die den Wert 0,3 überschreiten und zeigen bei höheren Temperaturen unter Zugbeanspruchung Dehnungen, die einschnürungsfrei ("neck-free") sind.
Im allgemeinen bestehen die bekannten superplastischen Legierungen aus zwei Phasen ("duplex"), bei denen die hochfeine Korngröße erst durch intensive und kostenaufwendige thermomechanische Behandlung eines Gußmaterials erhalten wird, welches selbst nicht die gewünschten Mikrostruktur eigenschaften besitzt.
Andere bekannte superplastische Legierungen sind im wesentlichen Einphasenlegierungen, bei denen eine feinkörnige, gleichachsige Mikrostruktur durch geringe Mengen von Rekristallisationsinhibitoren stabilisiert worden ist, die extrem feinkörnige Grenzniederschläge bilden. Die Herstellung einer derartigen Mikrostruktur erfordert ausgedehnte thermomechanische Behandlungen der Gußmaterialien. Eine bekannte superplastische Aluminiumlegierung aus einer Zusammensetzung aus Al, 6,0 Gew. -% Cu und 0,4 Gew. -% Zr erfordert ausgedehntes Heißwalzen und thermische Behandlungen bei Temperaturen zwischen 300°C und 500°C , um ein optimales, superplastisches Verhalten aufzuweisen.
509083/0771 7439
Aufgabe der Erfindung ist es, zur superplastischen Formgebung geeignete Legierungen auf Aluminiumbasis mit verbesserten Eigenschaften vorzusehen, sowie auch Verfahren zur Herstellung dieser Legierungen aufzuzeigen, die keine intensive und kostenaufwendige thermomechanische Behandlungen erfordern, um die zur superplastischen Formgebung notwendigen Mikrostrukturen zu erzeugen.
Die Aufgabe, derartige Legierungen vorzusehen, wird erfindungsgemäß gelöst durch das Fehlen einer Primärphase und das Vorhandensein von mindestens einer fein verteilten eutektischen zweiten Phase.
Die Aufgabe, ein entsprechendes Verfahren vorzusehen, wird dadurch gelöst, daß während der Erstarrung die Bildungsrate und der Temperaturgradient geregelt werden, so daß die notwendige Makrostruktur erzeugt wird.
Es wesentlicher Vorteil der Erfindung ist, die Herstellung einer hochfeinen, voll modifizierten, eutektischen, aus mindestens einer eutektischen Phase bestehenden MikroStruktur, die sich zur Formgebung eignet, durch das Herbeibringen einer Erstarrung von im wesentlichen eutektischen oder hyper-eutektischen binären und ternären Aluminiumlegierungen unter den bestimmten Bedingungen einer Steuerung der Bildungsrate (R) und des Temperaturgradienten (G). Auf diese Weise werden hochfeine, voll modifizierte, eutektische Mikrostrukturen erzeugt, bei denen eine Primärphase absichtlich ausgeschlossen wird. Unter voll modifiziert ist ein Eutektikum zu verstehen, welches durch ein gekoppeltes Wachstum der betreffenden Phasenbestandteile gebildet wird. Die Teilchengröße der fein dispergierten zweiten oder eutektischen Phase beträgt weniger als 10 μηι, vorzugsweise weniger als 1 μ m.
509883/0771 7439
In anderenWorten, durch die entsprechende Wahl der Legierungszusammensetzung und der Gießbedingungen lassen sich metastabile eutektische Strukturen in bestimmten Legierungen auf Aluminiumbasis bilden, wobei die Konzentration des gelösten Stoffes von der der im Gleichgewicht befindlichen eutektischen Zusammensetzung abweicht. Durch die Steuerung der Erstarrungsbedingungen wird die Bildung unerwünschter Primärphasen verhindert. An ihrer Stelle werden kleine, voll modifizierte, im wesentlichen faserartige Teilchen einer verteilten eutektischen Phase erzeugt, wodurch einmalige Mikrostrukturen e ntstehen, die sich durch eine fein dispergierte zweite Phase in Abwesenheit einer Primärphase auszeichnen.
Bestimmte binäre Legierungen der Systeme Al-Si, Al-Fe, Al-Mh lassen sich mit oder auch ohne Zusätze anderer bekannter Legierungselemente zwecks Alters- und/oder Disperöiönshärtung mit Erfolg in dieser voll modifizierten Form herstellen. Bestimmte ternäre Legierungen der Systeme Al-Fe-Mn und Al-Fe-Cu können auch auf diese Weise hergestellt werden.
Als Beispiel werden die chemischen Zusammensetzungen einiger geeigneter Legierungen im folgenden aufgezeigt:
Al-Si-Legierungen %
11 - 20
E lement 0-4
Si 0-4
Mg 0-0,1
Cu 0-0,1
Sr Rest,
Na
Al
zwecks Alters-/Dispersionshärtung, falls erwünscht
abgesehen von Verunreinigungen.
509883/0771
Die zur Modifizierung der Mikrostruktur bevorzugten Elemente sind Strontium und/oder Natrium, jedoch können andere Alkali- oder Erdalkalimetalle auch zu diesem Zweck geeignet sein. Der Zusatz derartiger Elemente ist u.U. nicht notwendig, wenn die erwünschte voll modifizierte Mikrostruktur durch Steuerung der Erstarrungsbedingungen, wie bereits erwähnt, erhalten wird.
Al-Fe-Legierungen 2 * zwecks Alters-/Dispersions
härtung, falls erwünscht		 1
Elemente 0
0		 - 5 abgesehen von Verunreinigungen
Fe 0 - 2
_ 2
Mn
Cu		 - 0.
Li Rest,
Al
Lithium ist das bevorzugte Element zur Modifizierung der Mikrostruktur, jedoch können andere Alkali-oder Erdalkalimetalle auch zu diesem Zweck geeignet sein.
Al-Mn-Legierungen Elemente %
Mn 2-6
Si ' 0-1
Cu 0-2
Fe 0-3
Mg 0-4
Al Rest, abgesehen von Verunreinigungen
Alkali- oder Erdalkalimetalle können zur Modifizierung der Mikrostruktur verwendet werdan.
zwecks Alter s-/Dispersionshärtung, falls erwünscht
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4. Al-Fe-Mn-Legierungen
Elemente %
Fe 1-4
Mn 2-5
Si 0-1
Al Rest, abgesehen von Verunreinigungen.
Al-Fe-Cu-Legierungen
Elemente Ά
Fe 1-3
Cu 1-4
Al Rest, abgesehen von Verunreinigungen.
Für Legierungen in Gruppen 4 oder 5 lassen sich Alkali- oder Erdalkalimetalle zur Modifizierung der MikroStruktur verwenden.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß keine intensiven und kostenaufwendigen thermomechanischen Behandlungen benötigt werden, um die für die superplastische Formgebung notwendige Mikrostrukturen zu erzeugen. Abgesehen von den spezifischen Bedingungen einer gesteuerten Zusammensetzung und Erstarrung ist das Verfahren von üblicher Art und besteht z.B. aus Wärmebehandlung, Walzen, Schmieden oder Strangpressen. Obwohl es der Hauptzweck dieser Behandlungen ist, die Legierungsvorräte in geeigneter Form für die weitere Formgebung zu erhalten, wird dadurch auch unter entsprechenden Bedingungen von Temperatur und Dehnungsrate das superplastische Verhalten verbessert.
Noch ein Vorteil der Erfindung besteht in der innewohnenden thermischen Stabilität der Zweiphasen-Mikrostruktur bei den zur superplastischen Form-
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gebung verwendeten Temperaturen, bedingt durch die Gegenwart eines hohen Volumenanteils einer verteilten zweiten Phase, welche die Rekristallisation, das Kornwachstum und/oder die Polygonisierung der kontinuierlichen Aluminiumphase des Eutektikums einschränkt. Die Vergröberung der verteilten Phase(n) durch Diffusionsprozesse verläuft so langsam, daß die Zweiphasenstruktur stabil bleibt und ihre feine Teilchengröße während der Vorheiz- und Formgebungszyklen beibehält.
Die Mikrostrukturen der Al-Si-Legierungen zeichnen sich aus durch einen hohen Volumenanteil an verteiltem eutektischen Silizium und durch das Fehlen von primärem idiomorphen Silizium oder primärem Aluminium.
Die Mikrostrukturen der Al-Fe-Legierungen zeichnen sich aus durch einen hohen Volumenanteil an verteiltem eutektischen FeAl_ und durch das Feh-
len von scharfkantigem oder nadeiförmigem primären FeAl„ oder primärem Aluminium.
Die Mikrostrukturen der Al-Mn-Legierungen zeichnen sich aus durch einen hohen Volumenanteil an verteiltem MnAl„ und durch das Fehlen von primärem MnAl„ oder primärem Aluminium.
In der Gegenwart von erheblichen Mangan- und Kupferanteilen besteht bei den ternären Legierungen das dispergierte Eutektikum aus (Mn, Fe)Al„ oder (Fe, Cu)AIg, wobei beide Phasen durch die Substitution von Fe durch Mn oder Cu in der FeAlg-Phase gebildet werden. Diese komplexen Phasen sind mit FeAlfi isostrukturell. In der Gegenwart eines erheblichen Eisengehalts in Al-Mn-Fe besteht das verteilte Eutektikum aus (Mn,Fe)Al„. Diese komplexe Phase ist mit MnAl- isostrukturell.
Bei allen diesen Legierungen werden die gewünschten Mikrostrukturen im wesentlichen erzeugt durch die sorgfältige Wahl der richtigen Kombination
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von vier Parametern, nämlich des Gehalts an gelöstem Element, des Gehalts an modifizierendem Element (falls erforderlich), der Bildungsrate (R) und des Temperaturgradienten (G) während des Erstarrens.
Die allgemeinen Grenzen der Bildungsrate (R) und des Temperaturgradienten (G) liegen in der Größenordnung von 10-5000 μΐη/sec bzw. 1-500 C/cm. Die bevorzugten Bereiche für die verschiedenen Legierungsgruppen 1-5 sind wie folgt:
System der
Legierung		 Bildungsrate (R)
μΐη/sec		 Temperaturgradient (G)
°C/cm
1. Al-Si 200 - 500 10 - 200
2, Al-Fe 500 - 1000 100 - 200
3. Al-Mn 1000 - 2000 100 - 250
4, Al-Fe-Mn 1000 - 2000 100 - 250
5. Al-Fe-Cu 500 - 1000 100 - 200
Es ist bemerkenswert, daß die Legierungen, welche den für ein superplastisches Formgebungsvermögen erforderlichen hohen Volumenanteil an fein verteilter zweiter Phase oder Phasen bei ihren Mikrostrukturen aufweisen, auch von stark verbesserter Ausziehbarkeit oder "ausgedehnter Plastizität" bei Zimmertemperatur sind. Eine größere Ausziehbarkeit als die bei Zimmertemperatur übliche ist auch bei diesen Legierungen zu beobachten, wenn sie einige primäre Aluminiumdendrite enthalten. Diese Verbesserungen der Ausziehbarkeit haben jedoch eine Tendenz sich zu verringern, wenn die Menge der Primärphase vergrößert wird.
Es folgen drei typische, zur Veranschaulichung dienende Beispiele von Legierungen der Gruppen 1, 2 und 3:
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Beispiel 1
Eine typische erfindungsgemäße Legierung der Gruppe 1 wurde, in einer Richtung erstarrend, aus einer Zusammensetzung mit 13, 3 % Si und 0,02 % Sr bei einer Bildungsrate R = 200 μΐη/sec und einem Temperaturgradienten G = 25° C/cm an der Grenze zwischen Festkörper und Flüssigkeit erhalten.
Die Legierung wurde sodann 15 Stunden lang bei 540 C erhitzt und auf eine 83 %ige Verringerung kaltgewalzt, ehe sie einer Zugprüfung bei hoher Temperatur unterzogen wurde, um ihre superplastischen Eigenschaften zu ermitteln. Diese Art der Behandlung ist derjenigen angenähert, die bei der normalen Herstellung von Blechen angewendet wird. Während sich diese Behandlung als vorteilhaft erweist, ist sie für die erfolgrei e superplastische Formgebung gemäß der Erfindung nicht unbedingt erforderlich.
Die Ergebnisse der Hochtemperaturzugprüfungen bei 550° C im Bereich
-3 -1
der Dehnungsraten von 10 bis 1 min ergaben einen Empfindlichkeitsindex der Dehnungsrate "m" von 0,41 und eine Längenausdehnung von 330 %.
Beispiel 2
Eine typische erfindungs gern äße Legierung der Gruppe 2 wurde, in einer Richtung erstarrend, aus einer Zusammensetzung mit 2,62 % Fe bei einer Bildungsrate R = 700 μΐη/sec und einem Temperaturgradienten G = 100° C/cm an der Grenze zwischen Festkörper und Flüssigkeit erhalten.
In Annäherung an die Herstellungsbedingungen für Bleche von dieser Art wurde die Legierung 15 Stunden lang bei 540 C erhitzt, kaltgewalzt auf eine Verringerung von 30 %, dann weitere zwei Stunden lang glühbehandelt und auf eine 82 %ige Verringerung kaltgewalzt, ehe sie einer Zugprüfung bei hoher Temperatur unterzogen wurde. Wie beim Beispiel 1 ist diese Art der Behandlung nicht unbedingt erforderlich.
7439 . 509883/0771
Die Ergebnisse der Hochtemperaturzugprüfungen bei 620 C im Bereich
-3 -1
der Dehnungsraten von 10 bis 1 min ergaben einen Empfindlichkeitsindex der Dehnungsrate "m" von 0,53 und eine Längenausdehnung von 220 %.
Beispiel 3
Eine typische erfindungsgemäße Legierung wurde, in einer Richtung erstarrend, aus einer Zusammensetzung mit 3, 6 % Mn, 0,11 % Fe und 0,10 % Si bei einer Bildungsrate R = ΙΟΟΟμπι/sec und einem Temperaturgradienten G = 100 C/cm an der Grenze zwischen Festkörper und Flüssigkeit erhalten.
Auf ähnliche Weise wie die in den Beispielen 1 und 2 beschriebene, wurde die Legierung 16 Stunden lang bei 600° C erhitzt und dann kaltgewalzt auf eine Verringerung von 85 %, ehe sie einer Zugprüfung bei hoher Temperatur unterzogen wurde. Die Ergebnisse der Hochtemperaturzugprüfungen
ο -3 -1
bei 620 C im Bereich der Dehnungsraten von 10 bis 1 min ergaben einen Empfindlichke its index der Dehnungsrate "m" von 0,32.
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Claims (11)

Patentansprüche
1. Legierungen auf Aluminiumbasis mit voll modifizierten eutektischen Mikrostrukturen, gekennzeichnet durch das Fehlen einer Primärphase und das Vorhandensein von mindestens einer fein verteilten eutektischen zweiten Phase.
2. Legierungen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Phase in der Form von faserartigen, voll modifizierten Teilchen mit einer Größe von weniger als 10 μπι vorhanden ist.
3. Legierungen nach Aaspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Teilchen weniger als 1 μπι beträgt.
4. Legierungen nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß sie den binären Systemen Al-Si, Al-Fe oder Al-Mn oder den ternären Systemen Al-Fe-Mn oder Al-Fe-Cu angehören.
5. Legierungen nach einem dei % 20 * Ansprüche 1 - 3, gekennzeichnet durch die folgende Zusammensetzung: 11 - 4 Element 0 - 4 Si 0 - o, Mg 0 - o, Cu 0 - Sr Rest 1 Na 1 Al , abgesehen von Verunr e inigungen
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6. Alum in ium-E is en-Legierungen nach einem der Ansprüche 1-3 mit der folgenden Zusammensetzung:
Element %
Fe 2-5
Mn 0-2
Cu 0-2
Li 0 - 0,1
Al Rest, abgesehen von Verunreinigungen.
7. Aluminium-Mangan-Legierungen nach einem der Ansprüche 1-3 mit der folgenden Zusammensetzung:
Element Ά Mn 2-6 Si 0-1 Cu 0-2 Fe 0-3 Mg 0-4 Al Rest, abgesehen von Verunreinigungen.
8. Aluminium-Eisen-Mangan-Legierungen nach einem der Ansprüche 1-3 mit der folgenden Zusammensetzung:
Element _%
Fe 1-4
Mn 2-5
Si 0-1
Al Rest, abgesehen von Verunreinigungen.
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9. Aluminium-Eisen-Kupfer-Legierungen nach einem der Ansprüche 1-3 mit der folgenden Zusammensetzung: 4
Element %_
Fe 1-3
Cu 1-4
Al Rest, abgesehen von Verunreinigungen.
10. Verfahren zur Herstellung einer Legierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß während der Erstarrung die Bildungsrate und der Temperaturgradient gesteuert werden, so daß die erforderliche Mikrostruktur erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Temperaturgradient (G) und die Bildungsrate (R) entsprechend der folgenden Tabelle für jede spezifizierte Legierung gewählt werden:
System der
Legierung Bildungsrate (R)
μηι/sec Temperaturgradient (G)
°C/cm Al-Si 200 - 500 10 - 200 Al-Fe 500 - 1000 100 - 200 Al-Mn 1000 - 2000 100 - 250 Al-Fe-Mn 1000 - 2000 100 - 250 Al-Fe-Cu 500 - 1000 100 - 200
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DE19752528783 1974-06-27 1975-06-27 Verfahren zur herstellung superplastischer legierungen auf aluminiumbasis Withdrawn DE2528783B2 (de)

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