DE68906999T2

DE68906999T2 - Verfahren zur herstellung von werkstuecken aus einer aluminium-legierung, welche bei einem laengeren verbleib auf hoeheren temperaturen eine gute ermuedungsbestaendigkeit beibehaelt.

Info

Publication number: DE68906999T2
Application number: DE8989420361T
Authority: DE
Inventors: Jean-Francois Faure
Original assignee: Pechiney Recherche GIE
Current assignee: Pechiney Recherche GIE
Priority date: 1988-09-26
Filing date: 1989-09-21
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2009-09-22
Also published as: HUT53680A; KR930003602B1; ES2042048T3; DD284904A5; US4992242A; EP0362086A1; JPH0819496B2; FI894499A; DE68906999D1; FI894499A0; BR8904844A; CN1041399A; YU185389A; KR900004951A; US4963322A; IL91738A0; DK468489D0; DK468489A; ATE90397T1; EP0362086B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Aluminium, die eine gute Beständigkeit gegen die Ermüdung nach einem längeren Halten in der Wärme beibehalten.
Es ist bekannt, daß Aluminium insbesondere als Eigenschaften hat, dreimal leichter als Stahl zu sein und eine gute Beständigkeit gegen die Korrosion zu haben. Wenn man es mit Metallen, wie z. B. Kupfer und Magnesium, legiert, verbessert man erheblich seine mechanische Festigkeit. Andererseits ergibt der Zusatz von Silicium ein Produkt mit einer guten Abriebbeständigkeit. Diese mit weiteren Elementen, wie z. B. Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom und Mangan, dotierten Legierungen weisen eine verbesserte Haltbarkeit in der Wärme auf. Ein Kompromiß zwischen diesen Zusatzelementen macht aus dem Aluminium ein Wahlmaterial zur Herstellung von Werkstücken für Kraftfahrzeuge, wie z. B. Motorblock, Kolben, Zylinder usw . ... .
So lehrt die EP 144 898 eine Aluminiumlegierung, die gewichtsmäßig 10 bis 36 % Silicium, 1 bis 12 % Kupfer, 0,1 bis 3 % Magnesium und 2 bis 10 % wenigstens eines aus der Gruppe Fe, Ni, Co, Cr und Mn gewählten Elements enthält.
Diese Legierung ist zur Herstellung von Werkstücken verwendbar, die ebenso für die Luftfahrt- wie zur Kraftfahrzeugindustrie bestimmt sind, wobei diese Werkstücke durch die Technik der Pulvermetallurgie erhalten werden, die außer der Formgebung durch Kompaktieren und Extrusion einen Zwischenschritt einer Wärmebehandlung zwischen 250 und 550 ºC vorsieht.
Wenn diese Werkstücke auch gut den verschiedenen oben erwähnten Eigenschaften entsprechen, gibt es eine, der nicht Rechnung getragen wurde, nämlich die Beständigkeit gegenüber der Ermüdung.
Bekannt ist auch die Veröffentlichung JP-A-6342344, die eine Aluminiumlegierung mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften bei hoher Temperatur durch Pulvermetallurgie offenbart, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus Si, Fe, Cu, Mg und Mn in den Gewichtsanteilen 12≤Si ≤28 %, 2,0≤Fe≤10 %, 0,8≤Cu≤5,0 %, 0 3≤Mg≤3,5 % und 0,5≤Mn≤5 %, einem oder mehreren unter Zr, Hf, Ni, Ti, V, Cr, Mo, Nb und Ta in einem Gewichtsanteil von 0,02 - 2,0 % gewählten Elementen und Rest Aluminium sowie unvermeidlichen Verunreinigungen besteht. Aber auch hier, wie in der vorgenannten Veröffentlichung, werden Eigenschaften einer Haltbarkeit gegenüber der Ermüdung nach einem Halten von 1000 Stunden bei 150 ºC nicht erwähnt, und der Mangangehaltsbereich ist relativ groß.
Nun weiß der Fachmann, daß die Ermüdung einer dauernden örtlichen und fortschreitenden Änderung des metallischen Gefüges entspricht, die sich in den Materialien ergibt, die einer Abfolge diskontinuierlicher Beanspruchungen ausgesetzt werden, und die zu Rissen und sogar Brüchen in den Bauteilen nach einer Einwirkung dieser Beanspruchungen gemäß einer mehr oder weniger großen Zykluszahl und hierzu auch dann führen kann, wenn ihre Stärke meist geringer als diejenige ist, die man auf das Material kontinuierlich einwirken lassen muß, um einen Bruch durch Zug zu erhalten. Daher können die Werte des Elastizitätsmoduls, der Zugfestigkeit, der Härte, des Schrumpfungsgrades durch Fließen, die in den genannten Veröffentlichungen angegeben sind, der Eignung der Legierung zur Beständigkeit gegenüber der Ermüdung nicht Rechnung tragen.
Nun ist es für solche Werkstücke, wie die Pleuelstangen oder Kolbenachsen beispielsweise, die dynamisch arbeiten und periodischen Belastungen ausgesetzt sind, wichtig, eine gute Haltbarkeit gegenüber der Ermüdung aufzuweisen.
Die Anmelderin hat sich daher diesem Problem zugewandt und sicher festgestellt, daß die aus den im Bereich der vorerwähnten Veröffentlichung liegenden Legierungen hergestellten Werkstücke eine Ermüdungsbeständigkeit aufwiesen, die bestimmten Anwendungen genügen konnte, daß es jedoch möglich war, diese Eigenschaft merklich zu verbessern, indem deren Zusammensetzung abgeändert wurde. Zu diesem Zweck hat sie Werkstücke aus Aluminiumlegierungen entwickelt, die gewichtsmäßig 11 bis 22 % Silicium, 2 bis 5 % Eisen, 0,5 bis 4 % Kupfer, 0,2 bis 1,5 % Magnesium enthalten und dadurch gekennzeichnet sind, daß sie außerdem 0,4 bis 1,5 % Zirconium enthalten.
Diese Erfindung ist im übrigen Gegenstand der französischen Patentanmeldung 87-17674.
Indessen hat die Anmelderin festgestellt, daß, obwohl das Zirconium eine merkliche Verbesserung unter dem Gesichtspunkt der Ermüdungsgrenze bei 20 ºC brachte, da diese von 150 auf 185 MPa stieg, diese Grenze im Gegensatz dazu nach einem Halten von 1000 Stunden bei 150 ºC (was etwa die Arbeitsbedingungen einer Pleuelstange zur halben Lebensdauer eines Motors bedeutet) auf 143 MPa abfiel, was ei ne Verringerung von mehr als 22 % bedeutete.
Bei Fortsetzung ihrer Arbeiten hat sie gefunden, daß man diesen Nachteil überwinden konnte, indem man mit der Wirkung des Zirconiums die des Mangans kombiniert.
Demgemäß ist die vorliegende Erfindung, die in einem Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Aluminiumlegierung, die aus der Legierung im geschmolzenen Zustand durch ein Mittel zur raschen Erstarrung erhalten werden, eine geeignete Beständigkeit gegen die Ermüdung nach einem verlängerten Halten in der Wärme beibehalten und gewichtsmäßig 11 bis 26 % Silicium, 2 bis 5 % Eisen, 0,5 bis 5 % Kupfer, 0, 1 bis 2 % Magnesium, Zirconium, wenigstens 0,5 % Mangan, gegebenenfalls geringere Zusätze von Nickel und/oder Kobalt und Rest Aluminium enthalten, besteht, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung einsetzt, die 0,1 bis 0,4 % Zirconium und bis zu 1,5 % Mangan enthält.
Diese Bereiche erfassen die Zirconium- und Manganzusatzwerte, unter denen die Wirkung nicht merklich ist und über denen entweder der Zusatz des Zirconiums keinen wesentlichen Einfluß mehr hat oder der Manganzusatz zu einer Versprödung des Werkstoffs und zu einem Abfall der Ermüdungsgrenze eines eingekerbten Werkstoffs, d. h. mit solchen Oberflächenunregelmäßigkeiten wie Gewindegängen, Krümmungsradien usw. ..., führt.
So hat man, bezüglich der in der oben erwähnten Patentanmeldung beschriebenen Zusammensetzung, einen Teil des Zirconiums durch Mangan ersetzt, was einerseits eine Ersparnis bei den Ausgangsstoffen ermöglicht, da das Mangan billiger als das Zirconium ist, und andererseits die Schmelzbedingungen der Legierung erleichtert, da eine binäre Legierung mit 1 % Zirconium eine Liquidustemperatur von 875 ºC hat, während, wenn es sich um 1 % Mangan handelt, diese Temperatur nahe 660 ºC bleibt.
Indessen ist, außer der besonderen Zusammensetzung der eingesetzten Legierung, die Erfindung auch dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung im geschmolzenen Zustand einem Mittel zur raschen Erstarrung aussetzt, bevor man sie in Form von Werkstücken bringt. Tatsächlich ist es, da solche Elemente, wie das Eisen, das Zirconium und das Mangan, in der Legierung sehr wenig löslich sind, unerläßlich, um Werkstücke, die den gewünschten Eigenschaften entsprechen, zu erhalten, daß man eine grobe und heterogene Ausscheidung dieser Elemente vermeidet, was man dadurch erreicht, daß man sie möglichst rasch abkühlt. Außerdem wird die Legierung vorzugsweise bei einer Temperatur über 700 ºC geschmolzen, um so jede Erscheinung vorzeitiger Ausscheidung zu vermeiden.
Es gibt mehrere Arten, diese rasche Erstarrung durchzuführen:
1) Man unterteilt die geschmolzene Legierung in Form feiner Tröpfchen
- entweder durch Zersprühen des geschmolzenen Metalls mit Hilfe eines Gases oder durch mechanische Zerstäubung mit anschließender Abkühlung in einem Gas (Luft, Helium, Argon);
- oder durch Zentrifugalzerstäubung oder ein anderes verwandtes Verfahren.
Dies führt zu Pulvern einer Korngröße unter 400 um, die anschließend nach den gut bekannten Techniken der Pulvermetallurgie durch Kalt- oder Warmkompaktierung in einer uniaxialen oder isostatischen Presse und anschließendes Extrudieren und/oder Schmieden in Form gebracht werden;
2) Man schleudert die geschmolzene Legierung gegen eine gekühlte metallische Oberfläche, wobei man beispielsweise den Techniken, die von den Angelsachsen mit dem Ausdruck "melt spinning" oder "planar flow casting", wovon man Beschreibungen im US-Patent 4 389 258 und im EP-Patent 136 508 findet, oder auch "melt overflow" bezeichnet werden, und den verwandten Techniken folgt. Man erzeugt so Bänder einer Dicke unter 100 um, die anschließend wie oben in Form gebracht werden;
3) Man schleudert die zerstäubte flüssige Legierung in einem Gasstrom gegen ein Substrat, beispielsweise nach den auch "spray deposition" oder "spray casting" genannten Techniken, wovon eine Beschreibung in der GB-Patentschrift 1 379 261 gegeben ist und die zu einer kohärenten, genügend verformbaren Abscheidung führt, um durch Schmieden, Extrudieren oder Gesenkformen in Form gebracht zu werden.
Diese Liste ist selbstverständlich nicht erschöpfend.
Um das Ausscheidungsgefüge weiter zu verfeinern, werden die Werkstücke, nachdem sie gegebenenfalls einer Bearbeitung unterworfen wurden, zwischen 490 und 520 º während 1 bis 10 Stunden wärmebehandelt, dann im Wasser abgeschreckt, bevor man sie einer Anlaßbehandlung zwischen 170 und 210 ºC während 2 bis 32 Stunden aussetzt, was ihre mechanischen Eigenschaften verbessert.
Die Erfindung wird mit Hilfe der folgenden Anwendungsbeispiele besser verstanden: eine Basislegierungsmasse, die gewichtsmäßig 18 % Silicium, 3 % Eisen, 1 % Kupfer, 1 % Magnesium, Rest Aluminium enthält, wurde bei 900 ºC geschmolzen und dann in 8 mit 0 bis 7 numerierte Teile aufgeteilt.
Den Teilen 1 bis 7 setzte man verschiedene Mengen Zirconium und Mangan zu, während der Teil 0 als Bezugsprobe diente.
Dann wurden diese Teile entweder nach der Pulvermetallurgie oder durch Spritzabscheidung behandelt:
- Der Bereich Pulvermetallurgie (PM) umfaßt eine Zerstäubung in einer Stickstoffatmosphäre von Teilchen einer Korngröße unter 200 um, dann eine Kompaktierung bei 300 MPa in einer isostatischen Presse, gefolgt von einer Extrusion in Form von Stangen eines Durchmessers von 40 mm;
- der Bereich "spray deposition" (SD) verwendet die Technik der GB-Patentschrift 1 379 261 und ermöglicht das Erhalten einer Abscheidung in Form eines zylindrischen Knüppels, der anschließend zu einer Stange eines Durchmessers von 40 mm durch Extrudieren umgewandelt wird.
Diese Werkstücke werden anschließend während 2 Stunden zwischen 490 und 520 ºC behandelt, dann in Wasser abgeschreck und während 8 Stunden einer Temperatur im Bereich von 170 bis 200 ºC ausgesetzt.
An Proben jedes dieser Werkstücke wurden gemäß den dem Fachmann gut bekannten Techniken die folgenden Eigenschaften gemessen:
- der Elastizitätsmodul E in GPa
- die übliche Elastizitätsgrenze bei 0,2 % : R0,2 in MPa, die Bruchbelastung Rm in MPa, die Dehnung A in %, wobei diese Messungen bei 20 ºC und dann bei 150 ºC nach 100 Stunden Halten erfolgten
- die Ermüdungsgrenze bei 20 ºC am Ende von 10&sup7; Zyklen, Lf in MPa, bei glatten Proben im Zustand T6 entsprechend den Normen der Aluminium Association und Beanspruchung durch Rotationsbiegung
- die gleiche Messung wie vorher, jedoch nach einem Halten der Probe während 1000 Stunden bei 150 ºC
- das Haltbarkeitsverhältnis Lf/Rm bei 20 ºC
- die Ermüdungsgrenze bei 20 ºC wie oben, jedoch an einer eingekerbten Probe mit Kt = 2,2
- der Koeffizient der Empfindlichkeit gegenüber der Einkerbung q =
wobei Kf das Verhältnis der an der glatten Probe gemessenen Ermüdungsgrenze zur Ermüdungsgrenze an einer eingekerbten Probe ist (wobei die Legierung gegenüber der Einkerbung um so empfindlicher ist, je höher q ist).
Sämtliche Ergebnisse dieser Messungen sind in der folgenden Tabelle aufgeführt. Basislegierung Si 18 % - Fe 3 % - Cu 1 % - Mg 1 % - Rest Al Zusatz in Gew.% Zug bei 20 ºC Zug bei 150 ºC nach 100 h Halten Verfahren * Elastizitätsmodul E(GPa) * SD : "Spray deposition" PM : Pulvermetallurgie Ermüdungsgrenze bei 10&sup7; Zyklen bei 20 ºC - Zustand T6 glatt Lf (MPa) Haltbarkeitsverhältnis Lf/RM
Aus diesen Messungen leitet man ab, daß, wenn die Ermüdungsgrenze nach Halten von 1000 Stunden bei 150 ºC 120 MPa für eine Legierung ist, die weder Zirconium noch Mangan enthält (Nº = 0), der Zusatz von 1 % Zirconium (Nº = 1) diesen Eigenschaftswert auf 148 MPa steigen läßt und der gleichzeitige Zusatz von Zirconium und Mangan mit einer geringeren Zirconiummenge (Nº = 5) es ermöglicht, einen Wert von 177 MPa zu erreichen.
Weiter ermöglicht die gleichzeitige Gegenwart von Zirconium und Mangan, die Verschlechterung der Ermüdungsgrenze stark zu senken, die sich nach einem Halten bei 150 ºC ergibt. Tatsächlich geht bei der Legierung Nº = 1 ohne Mangan Lf von 185 auf 143 MPa, d. h. eine Verschlechterung um 42 MPa, während bei der Legierung Nº = 5, die 1,2 % Mangan enthält, Lf von 193 auf 177 MPa, d. h. einem Abfall um 16 MPa, geht, ein viel geringerer Wert als der vorhergehende.
Diese Messungen zeigen auch, daß diese Elemente die Ermüdungsgrenze bei eingekerbten Werkstücken verbessern, daß jedoch ihre Anwesenheit in zu großen Mengen zur Verschlechterung dieser Eigenschaft und zur Erhöhung der Sprödigkeit beiträgt. So geht der Wert dieser Grenze von 100 MPa bei der Probe Nº = 0 auf 125 MPa für die Probe Nº = 3 (0,1 % Zr - 0,6 % Mn), fällt jedoch auf 105 MPa für die Probe Nº = 7, die höhere Zusätze an Zirconium und an Mangan enthält.
Man stellt so fest, daß die gleichzeitige Anwesenheit von Zirconium und Mangan in den Anteilen der Erfindung (Legierungen Nº 5, 4, 3, 6) zu einem geringeren Koeffizienten der Empfindlichkeit gegenüber der Einkerbung (0,51-0,48-0,43-0,51) als für die Legierungen des Standes der Technik führt, wo der Koeffizient nahe 0,6 ist, ganz abgesehen von der Legierung Nº = 0, die im übrigen aufgrund ihrer zu geringen mechanischen Festigkeit nicht brauchbar ist.
So tragen gemäß der Erfindung die Kombination Zirconium- Mangan in begrenzten Mengen und die rasche Erstarrung der erhaltenen Legierung dazu bei, die Ermüdungsbeständigkeit sowohl in der Kälte als auch in der Wärme von Werkstücken zu verbessern, die Oberflächenunregelmäßigkeiten au fwei sen können, wie z. B. Gewind egän ge oder Übergangskrümmungen, und die ihre Verwendung in der Kraftfahrzeugindustrie, insbesondere bei der Herstellung von Pleuel-Stangen, Kolbenachsen und Kolben, finden können.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Werkstücken aus Aluminiumlegierung, die aus der Legierung im geschmolzenen Zustand durch ein Mittel zur raschen Erstarrung erhalten werden, eine geeignete Beständigkeit gegen die Ermüdung nach einem verlängerten Halten in der Wärme beibehalten und gewichtsmäßig 11 bis 26 % Silicium, 2 bis 5 % Eisen, 0,5 bis 5 % Kupfer, 0,1 bis 2 % Magnesium, Zirconium, wenigstens 0,5 % Mangan, gegebenenfalls geringere Zusätze von Nickel und/oder Kobalt und Rest Aluminium enthalten, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung einsetzt, die 0,1 bis 0,4 % Zirconium und bis zu 1,5 % Mangan enthält.

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur raschen Erstarrung dar in besteht, die geschmolzene Legierung in Form feiner Tröpfchen zu unterteilen.

3. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur raschen Erstarrung aus einem Schleudern der geschmolzenen Legierung gegen eine gekühlte metallische Oberfläche besteht.

4. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mittel zur raschen Erstarrung aus einem Schleudern der in einem Gasstrom zersprühten Legierung gegen ein Substrat besteht.

5. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Werkstücke einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 490 bis 520 ºC, einem Abschrecken in Wasser und einem Anlassen zwischen 170 und 210 ºC unterwirft.