DE3887503T2

DE3887503T2 - Hitzebeständige aluminiumlegierung und verfahren zur herstellung.

Info

Publication number: DE3887503T2
Application number: DE3887503T
Authority: DE
Inventors: Y C O Itami Works Of Sum Odani; Y C O Itami Works Of Su Takeda
Original assignee: ALUMINUM POWDER MET RES ASS
Current assignee: ALUMINUM POWDER MET RES ASS
Priority date: 1987-10-12
Filing date: 1988-10-12
Publication date: 1994-06-30
Anticipated expiration: 2008-10-13
Also published as: EP0336981A1; EP0336981B1; JPH01100234A; DE3887503D1; WO1989003435A1; EP0336981A4

Description

Diese Erfindung betrifft eine wärmeresistente Aluminiumlegierung, die in Fahrzeugmotorteilen und Flugzeugteilen verwendet werden kann.
Bisher sind als wärmeresistente Aluminiumlegierungen 2218, 2219, 2618 und dergl. bekannt. Jedoch müssen die Aluminiumlegierungen entsprechend dem technologischen Fortschritt eine viel bessere Wärmeresistenz aufweisen.
Um hoch wärmeresistente Aluminiumlegierungen zur Verfügung zu stellen, wird vorgeschlagen, die Hochtemperaturstärke durch Zugabe einer beachtlichen Menge eines Übergangsmetalls, wie Eisen, zu den Legierungen zu verstärken, was vermieden wurde, da es die Eigenschaften der Legierungen verschlechtert.
Da derartige Arten an Aluminiumlegierungen eine beachtliche Menge des Übergangsmetalls, wie Eisen, enthalten, können sie nicht durch das konventionelle Gießverfahren hergestellt werden. Daher werden sie durch Zusammenlegen des Legierungspulvers hergestellt, das durch das Schmelzatomisierverfahren erzeugt ist.
Tatsächlich weisen derartige Aluminiumlegierungen eine verbesserte Wärmeresistenz auf, wie in "Advanced in Powder Technology"; "Advanced P/M Aluminum Alloys", 213-214, 1981; ASM Material Science Seminor, veröffentlicht durch American Societey for Metals, berichtet wird, und von einigen von diesen wird berichtet, daß sie eine Zugfestigkeit von etwa 300 N/mm² (30 kg/mm²) bei 300ºC aufweisen. Jedoch können derartige Legierungen nicht mit einer guten Reproduzierbarkeit hergestellt werden, und sie wurden praktisch nicht verwendet.
Für Teile, die einer hohen Temperatur ausgesetzt werden, wie die Flugzeugmotorteile, Laufräder von Gasturbinenmotoren und Motorkolben müssen die Materialien eine Zugfestigkeit von 250 N/mm² (25 kg/mm²) oder mehr, vorzugsweise mehr als 300 N/mm² (30 kg/mm²) bei 300ºC aufweisen. Jedoch erfüllt keine der bisher entwickelten wärmeresistenten Aluminiumlegierungen praktisch dieses Erfordernis.
JP-A-60 234936 offenbart eine wärmeresistente Aluminiumlegierung mit einer Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen. Das gleiche gilt für JP-A-61 48551. Die bekannten Legierungen offenbaren die Zugabe von Mo, Ni, Zr und Ti zu Aluminium, Molybdän und Eisen. Chrom, das erfindungsgemäß zugegeben wird, wird in diesen Dokumenten nicht offenbart.
Das Ziel dieser Erfindung liegt darin, eine wärmeresistente Aluminiumlegierung zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Zugfestigkeit von mehr als 255 N/mm² (26 kg/mm²) bei einer hohen Temperatur von 300ºC aufweist.
Die erfindungsgemäße wärmeresistente Aluminiumlegierung, die eine Zugfestigkeit von mehr als 255 N/mm² (26 kg/mm²) bei 300ºC aufweist, umfaßt 5 bis 10 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 3 Gew.-% Molybdän, wobei der Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen sind, wobei sie weiterhin 0,5 bis 3 Gew.-% Chrom enthält.
Die erfindungsgemäße wärmeresistente Aluminiumlegierung kann aus einem Pulver aus einer Aluminiumlegierung hergestellt werden, das 5 bis 10 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 3 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 3 Gew.-% Chrom enthält, wobei der Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen sind. Das Pulver wird durch ein Schmelzatomisierungsverfahren und heiße plastische Verformung bei einer Temperatur von 400 bis 580ºC hergestellt.
Das "Schmelzatomisierungsverfahren" bzw. "Heiß-Zerstäubungsverfahren", wie es hierin verwendet wird, umfaßt alle Verfahren, die das Sprühen einer Metallegierungsschmelze mit einer gewünschten Legierungszusammensetzung und das schnelle Verflüchtigen dieser enthalten, und ein Luft-Zerstäubungsverfahren, ein Gas-Zerstäubungsverfahren, ein Zentrifugal-Zerstäubungsverfahren und ein Rotationswalzen-Zerstäubungsverfahren werden als Beispiele angegeben.
Als das Verfahren zum heißen plastischen Verformen des Aluminiumlegierungspulvers werden die Extrusion, das Schmieden, Heißpressen und HIP veranschaulicht.
Wie oben beschrieben, wird bei den konventionellen Techniken zur Verbesserung der Wärmeresistenz der Aluminiumlegierung das Übergangsmetallelement, wie Eisen, zu der Aluminiumlegierung zugegeben, um die Stärke der Matrix zu erhöhen und um ebenfalls eine thermisch stabile zwischenmetallische Verbindung herzustellen.
Nach dem Studium dieser Erfinder wurde festgestellt, daß die Übergangsmetalle zwei Arten von Wirkungen auf die Stärke der Aluminiumlegierungen haben. Die eine liegt in der Erhöhung der Stärke der Aluminiumlegierung, und die andere ist das Beibehalten und die Verbesserung der thermischen Stabilität der Aluminiumlegierungen. Die Kombination dieser beiden Arten von Übergangselementen versieht die Aluminiumlegierung mit einer viel höheren Wärmeresistenz.
Es ist allgemein bekannt, daß unter den Additivelementen die Zugabe von Eisen die größte Stärke und Wärmeresistenz unter den Übergangselementen ergibt. Die Eisenatome bilden die Zwischenmetallverbindung: Al&sub3;Fe, die Präzipitate werden in der Matrix dispergiert, und dann wird die Stärke der Matrix erhöht. Da die intermetallischen Verbindungen eine große Wärmeresistenz haben, verbessern diese effektiv die Hochtemperaturstärke der Legierung.
Molybdän trägt zur Verbesserung der Stärke der Legierung bei. Molybdän bildet eine Verbindung auf Basis von Al-Fe-Mo, die in der Matrix gleichmäßig verteilt ist, und es verbessert nicht nur die Stärke der Matrix, sondern ebenfalls die Wärmeresistenz der Legierung.
Um die thermische Stabilität weiter zu erhöhen, wird Chrom zu der Aluminiumlegierung zugegeben, und metallische Verbindungen, die aus diesen Elementen bestehen, werden an den Korngrenzen niedergeschlagen und inhibieren das exzessive Wachstum von Metallkörnern und der dispergierten Al-Fe-Mo-Verbindung bei hohen Temperaturen. Daher verbessern sie signifikant die Hochtemperaturstärke der Aluminiumlegierung.
Der Chromgehalt in der Aluminiumlegierung ist 0,5 bis 3 Gew.-%. Wenn Chrom in einer Menge von weniger als 0,5 Gew.-% enthalten ist, werden die Stärke und die Wärmeresistenz der Aluminiumlegierung unzureichend verbessert. Wenn Chrom in einer Menge von mehr als 3 Gew.-% verwendet wird, wird eine plastische Verformung der Aluminiumlegierung schwierig, und die Zähigkeit und Ziehbarkeit der Aluminiumlegierung werden stark vermindert, so daß die Aluminiumlegierung nicht praktisch verwendet werden kann, obwohl die Stärke und die Wärmeresistenz der Aluminiumlegierung stark verbessert sind.
Das Aluminiumlegierungspulver, hergestellt durch das Schmelz-Zerstäubungsverfahren, ist feiner und homogener und weist eine geringere Segregation auf als solche Pulver, die durch Gießen erzeugt sind. Wenn die Kühlungsrate während der Verfestigung jedoch weniger als 10²ºC/s ist, werden die Zusatzelemente Eisen, Molybdän und Chrom segregiert, weshalb die Struktur gleichmäßig gemacht wird, so daß das Verdichten und die plastische Deformation des Aluminiumlegierungspulvers schwierig wird. Selbst wenn das Verdichten möglich ist, werden die Stärke und die Dehnung der Aluminiumlegierung unerwünscht vermindert.
Während der heißen plastischen Verformung des Aluminiumlegierungspulvers zum Verdichten bei einer Temperatur von weniger als 400ºC ist die Deformationsresistenz zu groß, um Legierungen mit einer ausreichenden Stärke zu erzeugen, während bei einer Temperatur von mehr als 580ºC die Präzipitate und die Kristallkörner so groß wachsen, daß eine ausreichende Hochtemperaturstärke der Aluminiumlegierung nicht erzielt wird.
Diese Erfindung wird durch die folgenden Beispiele erläutert.

Beispiele

Aluminiumlegierungspulver mit der Zusammensetzung gemäß Tabelle 1 wurden durch das Luft-Zerstäubungsverfahren hergestellt und auf 149/um (100 mesh) oder weniger gesiebt. Das Legierungspulver wurde durch heißes plastisches Zonenverformen bei der Temperatur, die in Tabelle 1 angegeben ist, verdichtet. Bei der Extrusion wurde die Legierung bei einem Extrusionsverhältnis von 13 zur Bildung eines Stabes mit einem Durchmesser von 21 mm verdichtet. Tabelle 1 Probe Nr. Zusammensetzung (Gew.-%) Formverfahren Temperatur (ºC) Extrusion Schmieden 5* 6* 7* 8* 9* 10* 11* Bemerkung: Die Probennummern mit * waren die Vergleichsbeispiele.
Die Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und bei 300ºC wurde mit der hergestellten Aluminiumlegierung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 gezeigt. Die Zugfestigkeit bei 300ºC wurde gemessen, nachdem die Aluminiumlegierungsprobe 100 Stunden lang bei 300ºC gehalten war. Tabelle 2 Zugfestigkeit N/mm² (kg/mm²) Probe Nr. Bemerkungen bei Raumtemp. 5* 6* 7* 8* 9* 10* 11* 12* 13* Dehnung, Dehnung weniger als 1 %;Extrusionsverstopfung b. 500ºC Bemerkung: Die Probennummern mit * waren die Vergleichsbeispiele.
Die Probennummern 12 und 13 hatten die Zusammensetzungen: Al-8Fe-3,4Ce bzw. Al-8Fe-2Mo, und sie entsprechen den konventionellen Legierungen, die in Advanced P/M Aluminum Alloys, Seiten 213-214 offenbart sind.
Die Zugfestigkeit der Aluminiumlegierungen der Beispiele entsprechend dieser Erfindung war größer als 500 N/mm² (50 kg/mm²) bei Raumtemperatur und größer als 255 N/mm² (26 kg/mm²) bei 300ºC. Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen eine ausgezeichnete Hochtemperaturstärke aufweisen. Im Gegensatz dazu wiesen die Aluminiumlegierungen der Vergleichsbeispiele insbesondere eine schlechtere Hochtemperaturstärke auf Obwohl die Probe Nr. 5 eine gute Stärke hatte, wies sie eine schlechte plastische Verformbarkeit und eine ziemlich geringe Dehnung auf, so daß sie praktisch nicht verarbeitet werden kann.
Erfindungsgemäß wird eine wärmeresistente Aluminiumlegierung zur Verfügung gestellt, die nicht nur die gute Raumtemperaturstärke, sondern ebenfalls eine derart ausgezeichnete Hochtemperaturstärke aufweist, daß ihre Zugfestigkeit 255 N/mm² (26 kg/mm²) bei 300ºC übersteigt.
Daher kann die wärmeresistente Aluminiumlegierung für die Merstellung von Automobilmotorteilen, Flugzeugteilen, Gasturbinenmotorteilen, usw., verwendet werden, die üblicherweise aus Legierungen auf Basis von Eisen oder auf Basis von Nickel hergestellt werden, wodurch es möglich ist, diese Teile leicht und hocheffizient zu machen.

Claims

1. Wärmeresistente Aluminiumlegierung mit einer Zugfestigkeit von mehr als 255 N/mm² (26 kg/mm ) bei 300ºC, umfassend 5 bis 10 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 3 Gew.-% Molybdän, wobei der Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen ist, wobei sie weiterhin 0,5 bis 3 Gew.-% Chrom enthält.

2. Verfahren zur Herstellung der wärmeresistenten Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, umfassend das Herstellen eines Pulvers aus einer Aluminiumlegierung, umfassend 5 bis 10 Gew.-% Eisen, 0,5 bis 3 Gew.-% Molybdän, 0,5 bis 3 Gew.-% Chrom, wobei der Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen ist, durch ein Schmelz-Zerstäubungsverfahren und heißes plastisches Verformen des Aluminiumlegierungspulvers bei einer Temperatur von 400 bis 580ºC.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrate bei der Verfestigung des Aluminiumlegierungspulvers nicht weniger als 10²ºC/s, ist.