DE3921709A1 - LIGHT METAL ALLOY, THEIR PRODUCTION AND USE - Google Patents

LIGHT METAL ALLOY, THEIR PRODUCTION AND USE

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Abstract

Intermetallic alloys of approximate composition SICrAl7, in which a preponderant portion of the microstructure consists of one or more intermetallic phases or intermediate phases containing 8 to 12 wt.% of silicon, 15 to 20 wt.% of chromium, 64 to 72 wt.% of aluminium, including the usual accompanying elements, 0 to 5 wt.% of one or more additional alloying elements, chosen from silver, magnesium, vanadium, nickel and copper, and 0 to 1 wt.% of one or more other additional alloying elements, chosen from beryllium, boron, cerium, titanium and yttrium, can be produced by heat treating the alloys at temperatures above 820 DEG C. Their production and use are also described.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Leichtmetallegierungen aus den Hauptkomponenten Aluminium, Chrom und Silicium, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als Strukturwerkstoff, insbesondere bei Temperaturen bis 720 K, oder als Schutzschicht für andere Strukturwerkstoffe.The present invention relates to light metal alloys the main components aluminum, chrome and silicon, processes their manufacture and their use as structural material, especially at temperatures up to 720 K, or as a protective layer for other structural materials.

Die vorliegenden Leichtmetallegierungen können für Turbinen- und Flugzeugteile, Gehäuse von elektrischen Hochleistungsbatterien, Kolben und Pleuelstangen für Otto- und Dieselmotoren sowie als Beplankung für Raumfahrzeuge eingesetzt werden.The present light metal alloys can be used for turbine and Aircraft parts, housings of high-performance electrical batteries, Pistons and connecting rods for petrol and diesel engines as well as Planking can be used for spacecraft.

Es ist bekannt, daß Legierungen aus intermetallischen Phasen hohe Festigkeit bis zu relativ hohen Temperaturen haben. Die derzeitigen Entwicklungen zielen auf Werkstoffe, die überwiegend aus einer einzigen intermetallischen Phase bestehen. Bekannte intermetallische Phasen in solchen Werkstoffen (mehr als 90 Gew.-% des Gefüges bestehen aus nur einer intermetallischen Phase) sind beispielsweise:
Ti₃Al, Ni₃Al, Ni₃Fe, Co₃V, Co₃Ti, TiAl, CoAl, NiAl, NiTi, AgNi, FeTi und MoFe.It is known that alloys made of intermetallic phases have high strength up to relatively high temperatures. Current developments are aimed at materials that mainly consist of a single intermetallic phase. Known intermetallic phases in such materials (more than 90% by weight of the structure consist of only one intermetallic phase) are, for example:
Ti₃Al, Ni₃Al, Ni₃Fe, Co₃V, Co₃Ti, TiAl, CoAl, NiAl, NiTi, AgNi, FeTi and MoFe.

Ferner ist bekannt, daß feinkristallines Gefüge bei solchen "einphasigen" intermetallischen Werkstoffen eine Voraussetzung für eine akzeptable Duktilität ist. Es ist schließlich bekannt, daß das gewünschte feine Gefüge über schnelle Erstarrung aus dem schmelzflüssigen Zustand nach bekannten Verfahren erreicht wer­ den kann.It is also known that fine crystalline structure in such "single-phase" intermetallic materials are a requirement for acceptable ductility. After all, it is known that the desired fine structure via rapid solidification from the molten state achieved by known methods that can.

Im Gegensatz zu den oben erwähnten "einphasigen" intermetalli­ schen Werkstoffen wurde überraschenderweise gefunden, daß auch eine Leichtmetallegierung, die überwiegend aus mehreren inter­ metallischen Phasen bzw. Zwischenphasen besteht, bereits eine gute Duktilität besitzt. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Leichtmetallegierung aus den Hauptkomponenten Aluminium, Chrom und Silicium bereitzu­ stellen.In contrast to the "single-phase" intermetalli mentioned above cal materials was surprisingly found that also a light metal alloy consisting mainly of several inter metallic phases or intermediate phases, there is already one has good ductility. The present invention is thus based on the task of a new light alloy the main components aluminum, chrome and silicon put.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Leichtmetallegierung, bestehend aus
 8 bis 12 Gew.-% Silicium,
15 bis 20 Gew.-% Chrom,
64 bis 72 Gew.-% Aluminium,
einschließlich der üblichen Begleitelemente,
 0 bis 5 Gew.-% eines oder mehrerer zusätzlicher Legierungsele­ mente, ausgewählt aus Silber, Magnesium, Vana­ din, Nickel und Kupfer, und
 0 bis 1 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer zusätzlicher Le­ gierungselemente, ausgewählt aus Beryllium, Bor, Cer, Titan und Yttrium,
wobei diese Legierungen immer in etwa eine SiCrAl₇-Zusammen­ setzung aufweisen und nach einer Wärmebehandlung der überwiegen­ de Anteil (mehr als 70%) des Gefüges dieser Legierungen aus mehreren intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen besteht. The present invention thus relates to a light metal alloy consisting of
8 to 12% by weight of silicon,
15 to 20% by weight of chromium,
64 to 72% by weight aluminum,
including the usual accompanying elements,
0 to 5% by weight of one or more additional alloying elements selected from silver, magnesium, vanadium, nickel and copper, and
0 to 1% by weight of one or more additional alloying elements selected from beryllium, boron, cerium, titanium and yttrium,
these alloys always have approximately a SiCrAl₇ composition and after heat treatment the predominant portion (more than 70%) of the structure of these alloys consists of several intermetallic phases or intermediate phases.

Die erfindungsgemäßen Leichtmetallegierungen besitzen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, verbunden mit guter Korrosionsbe­ ständigkeit.The light metal alloys according to the invention have a high Strength and rigidity combined with good corrosion resistance constancy.

Die erfindungsgemäßen Leichtmetallegierungen haben, je nach Kom­ bination der Bestandteile, ein spezifisches Gewicht zwischen 3,0 und 3,3 g/cm³.The light metal alloys according to the invention have, depending on the com combination of the components, a specific weight between 3.0 and 3.3 g / cm³.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin­ dung besteht die erfindungsgemäße Leichtmetallegierung entweder aus 19,6 Gew.-% Cr, 10,7 Gew.-% Si, 2 Gew.-% Ni und 0,6 Gew.-% Cu, Rest Al, oder aus 18,8 Gew.-% Cr, 10,1 Gew.-% Si und 3,9 Gew.-% Ag, Rest Al. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die erfindungsgemäße Leichtmetallegierung aus 19,3 Gew.-% Cr, 10,4 Gew.-% Si, Rest Al.According to a preferred embodiment of the present invention The light metal alloy according to the invention either exists 19.6% by weight of Cr, 10.7% by weight of Si, 2% by weight of Ni and 0.6% by weight Cu, balance Al, or from 18.8% by weight Cr, 10.1% by weight Si and 3.9 % By weight Ag, balance Al. According to another preferred Embodiment of the present invention is the Light metal alloy according to the invention made of 19.3% by weight Cr, 10.4 % By weight Si, balance Al.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Legierungen, das da­ durch gekennzeichnet ist, daß man die Legierungskomponenten nach dem Aufschmelzen unter Bildung eines feinkristallinen Gefüges schnell erstarren läßt und dieses Gefüge daraufhin einer Wärme­ behandlung unterzieht, wobei sich das feinkristalline Gefüge in ein überwiegend aus mehreren intermetallischen Phasen bzw. Zwi­ schenphasen bestehendes Gefüge umwandelt.The present invention further relates to a method for Manufacture of the alloys described above is characterized in that the alloy components according to melting to form a fine crystalline structure can quickly solidify and this structure then a warmth undergoes treatment, the fine crystalline structure in one predominantly from several intermetallic phases or intermediate existing phases.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das schnell erstarrte Legierungsmaterial durch die bekannten Verfahren kompaktiert und weiterverarbeitet.According to a preferred embodiment of the invention Process, the rapidly solidified alloy material is through the known methods compacted and processed.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird die Wärmebehandlung in einem Temperatur­ bereich von 820 K bis 900 K durchgeführt.According to a further preferred embodiment of the invention According to the method, the heat treatment is carried out in one temperature range from 820 K to 900 K.

Die Legierungskomponenten werden nach dem Aufschmelzen in an sich bekannter Weise schnell erstarrt, beispielsweise durch Luftverdüsung oder Plasmaspray. Das feinkörnige Gefüge besteht nach dem schnellen Erkalten aus übersättigten Mischkristallen und intermetallischen Phasen mit niedriger Anzahl von Atomen. Schnell erstarrte Partikel werden nach der Kompaktierung nach bekannten Verfahren weiter verarbeitet. Die nach der Wärmebe­ handlung im vorstehend beschriebenen Temperaturbereich vorlie­ genden intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen werden in ihrer quantitativen und qualitativen Zusammensetzung durch die Wahl der Temperatur und der Wärmebehandlungsdauer bei einer vor­ gegebenen chemischen Zusammensetzung beeinflußt.The alloy components are in after melting quickly solidifies in a known manner, for example by  Air atomization or plasma spray. The fine-grained structure exists after rapid cooling from supersaturated mixed crystals and intermetallic phases with a low number of atoms. Rapidly solidified particles become after compacting known processes processed. That after heat act in the temperature range described above intermetallic phases or intermediate phases are in their quantitative and qualitative composition by the Choice of temperature and heat treatment time for a pre given chemical composition.

Im allgemeinen liegt die Wärmebehandlungsdauer, je nach Bauteil­ dicke, zwischen 30 und 300 min. Einen damit vergleichbaren Ein­ fluß hat die Wahl des Verfahrens zur schnellen Erstarrung aus dem schmelzflüssigen Zustand. Hier kann der Anteil übersättigter Mischkristalle und ihr Übersättigungsgrad sowie der Anteil der nach der Erstarrung vorliegenden intermetallischen Phasen mit niedriger Anzahl Atome beeinflußt werden. Die Wahl des Verfah­ rens zur schnellen Erstarrung sowie die gewählte Wärmebehandlung wird sich, wie dem Fachmann bekannt ist, nach den angestrebten Eigenschaften und wirtschaftlichen Überlegungen richten.In general, the heat treatment time depends on the component thick, between 30 and 300 min. A comparable one river has the choice of the method for rapid solidification the molten state. Here the portion can be more saturated Mixed crystals and their degree of supersaturation as well as the proportion of intermetallic phases present after solidification low number of atoms are affected. The choice of procedure rens for rapid solidification as well as the selected heat treatment will, as is known to those skilled in the art, according to the desired Align properties and economic considerations.

Die Festlegung der chemischen Zusammensetzung der erfindungsge­ mäß erhaltenen Leichtmetallegierungen der Hauptkomponenten Alu­ minium, Chrom und Silicium fixiert die qualitativen und quanti­ tativen Möglichkeiten der intermetallischen Phasen und Zwischen­ phasen in diesem im wesentlichen ternären System. Durch Zugabe der zusätzlichen Legierungselemente und der weiteren zusätzlichen Legierungselemente werden diese Möglichkeiten wesentlich erweitert, d. h., intermetallische Phasen, insbesondere Zwischen­ phasen mit hoher Anzahl von Atomen, werden möglich. Damit ist die Möglichkeit gegeben, die physikalischen und chemischen Eigenschaften den Anforderungen individuell anzupassen.The determination of the chemical composition of the fiction according to preserved light metal alloys of the main components aluminum minium, chromium and silicon fix the qualitative and quanti alternative possibilities of the intermetallic phases and intermediate phases in this essentially ternary system. By adding the additional alloying elements and the additional ones Alloy elements make these options essential expanded, d. i.e., intermetallic phases, especially intermediate phases with a high number of atoms become possible. So that is given the opportunity, the physical and chemical Adapt properties individually to requirements.

Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung der vorstehend beschriebenen Leichtmetallegierungen als Struk­ turwerkstoff, insbesondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K, sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierungen als Schutzschicht auf anderen Strukturwerkstoffen, wiederum ins­ besondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K.Finally, the present invention relates to the use of the light metal alloys described above as a structure  material, especially for use at temperatures up to 720 K, and the use of the alloys according to the invention as a protective layer on other structural materials, again ins especially for use at temperatures up to 720 K.

Die vorstehende Erfindung wird im folgenden durch ein Ausfüh­ rungsbeispiel näher erläutert.The above invention is hereinafter described by an embodiment Example explained in more detail.

Beispielexample

Eine Legierung aus 67,2 Gew.-% Aluminium, 18,8 Gew.-% Chrom, 10,1 Gew.-% Silicium und 3,9 Gew.-% Silber wurde nach dem Auf­ schmelzen in eine Kupfer-Schleudergußkokille mit 8 mm Wanddicke vergossen. Daraufhin wird diese Legierung einer Wärmebehandlung in der Weise unterzogen, indem man sie 2 h bei 560°C und an­ schließend 4 h bei 600°C beläßt und schließlich im Ofen ab­ kühlt. Die so erhaltene Legierung besitzt sehr gute Oxidations­ beständigkeit. In den Abb. 1 bis 3 ist das erhaltene Gefüge vor und nach der Wärmebehandlung dargestellt.An alloy of 67.2% by weight of aluminum, 18.8% by weight of chromium, 10.1% by weight of silicon and 3.9% by weight of silver was melted in a copper centrifugal casting mold with 8 mm potted wall thickness. Then this alloy is subjected to a heat treatment in such a way that it is left at 560 ° C. for 2 hours and then at 600 ° C. for 4 hours and finally cooled in the furnace. The alloy thus obtained has very good resistance to oxidation. Figures 1 to 3 show the structure obtained before and after the heat treatment.

Abb. 1 zeigt das Gefüge bei 100facher Vergrößerung im Gußzu­ stand. Fig. 1 shows the structure at 100 times magnification in the Gußzu stand.

Die Abb. 2 und 3 zeigen das Gefüge nach der oben beschriebenen Wärmebehandlung. Abb. 2 zeigt das Gefüge in 100facher Vergröße­ rung und Abb. 3 zeigt das Gefüge in 1000facher Vergrößerung. Fig. 2 and 3 show the structure after the heat treatment described above. Fig. 2 shows the structure in 100x magnification and Fig. 3 shows the structure in 1000x magnification.

Die Leichtmetallegierung weist nach der Wärmebehandlung folgende mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur und bei 350°C auf: The light metal alloy has the following after the heat treatment mechanical properties at room temperature and at 350 ° C on:  

Tabelle table

Herstellung einer erfindungsgemäßen Aluminium-Chlor-Silicium­ legierung mit Anteilen des zusätzlichen Legierungselements Sil­ ber Production of an aluminum-chlorine-silicon alloy according to the invention with portions of the additional alloying element silver

Die Herstellung der vorstehend beschriebenen Legierung in be­ zug auf "schnelle Erstarrung" durch den Guß in einer Kupferko­ kille ist, wie dem Fachmann bekannt, ein nicht günstiges Her­ stellungsverfahren. Es wurde lediglich bei der Legierungsent­ wicklung benutzt, um die Eigenschaften der Legierung abzuschät­ zen. Deshalb sind die angegebenen mechanischen Werte auch nur untere Grenzwerte.The preparation of the alloy described above in be train to "rapid solidification" by casting in a copper As is known to the person skilled in the art, kille is not an inexpensive manufacturer placement procedure. It was only with the alloy ent used to estimate the properties of the alloy Zen. That is why the specified mechanical values are only lower limits.

Claims (10)

1. Leichtmetallegierung, bestehend aus
 8 bis 12 Gew.-% Silicium,
15 bis 20 Gew.-% Chrom,
64 bis 72 Gew.-% Aluminium,
einschließlich der üblichen Begleitelemente,
 0 bis 5 Gew.-% eines oder mehrerer zusätzlicher Legierungsele­ mente, ausgewählt aus Silber, Magnesium, Vana­ din, Nickel und Kupfer, und
 0 bis 1 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer zusätzlicher Le­ gierungselemente, ausgewählt aus Beryllium, Bor, Cer, Titan und Yttrium,
wobei diese Legierungen immer in etwa eine SiCrAl₇-Zusammen­ setzung aufweisen und nach einer Wärmebehandlung der überwiegen­ de Anteil (mehr als 70%) des Gefüges dieser Legierungen aus mehreren intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen besteht.1. Light metal alloy consisting of
8 to 12% by weight of silicon,
15 to 20% by weight of chromium,
64 to 72% by weight aluminum,
including the usual accompanying elements,
0 to 5% by weight of one or more additional alloying elements selected from silver, magnesium, vanadium, nickel and copper, and
0 to 1% by weight of one or more additional alloying elements selected from beryllium, boron, cerium, titanium and yttrium,
these alloys always have approximately a SiCrAl₇ composition and after heat treatment the predominant portion (more than 70%) of the structure of these alloys consists of several intermetallic phases or intermediate phases. 2. Leichtmetallegierung nach Anspruch 1, bestehend aus
10,4 Gew.-% Silicium,
19,3 Gew.-% Chrom und
70,3 Gew.-% Aluminium (SiCrAl₇-Zusammensetzung).2. Light metal alloy according to claim 1, consisting of
10.4% by weight silicon,
19.3% by weight of chromium and
70.3 wt .-% aluminum (SiCrAl₇ composition). 3. Leichtmetallegierung nach Anspruch 1, bestehend aus
10,7 Gew.-% Silicium,
19,6 Gew.-% Chrom,
 2 Gew.-% Nickel,
 0,6 Gew.-% Kupfer,
Rest Aluminium.3. Light metal alloy according to claim 1, consisting of
10.7% by weight silicon,
19.6% by weight of chromium,
2% by weight of nickel,
0.6% by weight copper,
Rest aluminum. 4. Leichtmetallegierung nach Anspruch 1, bestehend aus
10,1 Gew.-% Silicium,
18,8 Gew.-% Chrom,
 3,9 Gew.-% Silber,
Rest Aluminium. 4. Light metal alloy according to claim 1, consisting of
10.1% by weight silicon,
18.8% by weight of chromium,
3.9% by weight of silver,
Rest aluminum. 5. Herstellung von Legierungen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung nach dem Aufschmelzen unter Bildung eines feinkristallinen Gefüges schnell erstarren läßt und dieses Gefüge daraufhin einer Wärmebehandlung unterzieht, wobei sich das feinkristalline Gefüge in ein über­ wiegend aus mehreren intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen bestehendes Gefüge umwandelt.5. Manufacture of alloys according to any of the claims 1 to 4, characterized in that the alloy according to Melt quickly to form a fine crystalline structure freezes and this structure then undergoes heat treatment undergoes, whereby the fine crystalline structure turns into a consisting of several intermetallic phases or intermediate phases transforms existing structure. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung nach dem Aufschmelzen schnell erstarrt, beispiels­ weise durch Luftverdüsung oder Plasmaspray.6. The method according to claim 5, characterized in that one the alloy quickly solidifies after melting, for example wise through air atomization or plasma spray. 7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das schnell erstarrte Material durch die bekannten Verfahren kompaktiert und weiterverarbeitet.7. The method according to claim 5, characterized in that one the quickly solidified material by the known methods compacted and processed. 8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmebehandlung bei Temperaturen von 820 K bis 900 K aus­ führt.8. The method according to claim 5, characterized in that heat treatment at temperatures from 820 K to 900 K. leads. 9. Verwendung der Leichtmetallegierung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 oder der gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8 erhaltenen Leichtmetallegierungen als Strukturwerkstoff, ins­ besondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K.9. Use of light alloy according to any of the Claims 1 to 4 or according to any one of claims 5 to 8 light alloys obtained as a structural material, ins especially for use at temperatures up to 720 K. 10. Verwendung der Leichtmetallegierung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 oder der nach Ansprüchen 5 bis 8 erhaltenen Leichtmetallegierungen als Schutzschicht für andere Struktur­ werkstoffe, insbesondere für den Einsatz im Temperaturbereich bis 720 K.10. Use of the light alloy according to any of the Claims 1 to 4 or those obtained according to Claims 5 to 8 Light metal alloys as a protective layer for other structures materials, especially for use in the temperature range up to 720 K.
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