HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Legierungen auf Aluminiumbasis
mit einer gewünschten Kombination von Eigenschaften, wie hohe
Korrosionsfestigkeit, große Härte, große Abriebfestigkeit und
große wärmebeständigkeit.
2. BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Als herkömmliche Legierungen auf Aluminiumbasis sind
verschiedene Typen Legierungen auf Aluminiumbasis
bekanntgeworden, wie etwa Al-Cu-,Al-Si-,Al-Mg-,Al-Cu-Si-,Al-Cu-Mg,Al-
Zn-Mg-Legierungen etc. Diese Legierungen auf Aluminiumbasis
sind in einer breiten Vielfalt von Anwendungen umfangreich
benutzt worden, wie etwa als Baumaterialien für Flugzeuge,
Fahrzeuge, Schiffe o. dgl.; als Außengebäudematerialien,
Rahmen, Dach etc.; Baumaterialien für maritime Geräte und
Nuklearreaktoren etc., und zwar entsprechend ihren
Eigenschaften.
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Um hohe Korrosionsfestigkeit zu erhalten, sind die
herkömmlichen Legierungen auf Aluminiumbasis normalerweise
besonderen Behandlungen unterzogen worden, beispielsweise einer
Anodisierbehandlung oder einer Beschichtungsbehandlung mit
organischen oder inorganischen Substanzen durch Aufstreichen
oder durch elektrolytisches Aufbringen. Solche bekannten
Behandlungen können jedoch das Herstellungsverfahren der oben
genannten Baumaterialien verkomplizieren und führen zu
erhöhten Herstellungskosten. Je nach den Formen, beispielsweise im
Hinblick auf strukturelle oder Baumaterialien oder auf
Rohrleitungsmaterialien mit komplizierten Formen, kann es darüber
hinaus unmöglich oder schwierig sein, korrosionsbeständige
Schutzbeschichtungen auszubilden. Daher ist zufriedenstellende
Korrosisonsfestigkeit bisher nicht erreicht worden.
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Ferner haben herkömmliche Legierungen auf
Aluminiumbasis im allgemeinen geringe Härte und geringe
Wärmefestigkeit. In letzter Zeit sind Versuche gemacht worden,
Legierungen auf Aluminiumbasis durch schnelles Härten der
Legierungen eine Feinstruktur zu geben und dadurch die mechanischen
Eigenschaften, wie etwa Festigkeit, und die chemischen
Eigenschaften, wie etwa Korrosionsbeständigkeit, zu verbessern. Die
bisher bekannten schnellgehärteten Legierungen auf
Aluminiumbasis sind jedoch noch immer nicht zufriedenstellend im
Hinblick auf Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit etc.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Im Hinblick auf das obige ist es eine Aufgabe der
Erfindung, neue Legierungen auf Aluminiumbasis anzugeben, die
eine vorteilhafte Kombination von Eigenschaften, wie etwa hohe
Korrosionsbeständigkeit, hohe Festigkeit und überlegene
Wärmebeständigkeit bei relativ geringen Kosten bieten.
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Eine andere Aufgabe der Erfindung ist es,
Legierungsmaterialien auf Aluminiumbasis mit hohen
Korrosionsbeständigkeitseigenschaften anzugeben, ohne daß irgendwelche speziellen
Behandlungen, wie etwa eine Anodisierbehandlung oder eine
Beschichtungsbehandlung mit organischen oder anorganischen
Substanzen, erforderlich wäre, um Korrosionsbeständigkeit zu
erhalten.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin,
Legierungsmaterialien auf Aluminiumbasis anzugeben, die große
Härte und große Abriebfestigkeitseigenschaften haben und die
einer Extrusion, einer Preßbearbeitung, einem hohen Grad an
Biegung etc. unterzogen werden können.
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Nach der Erfindung werden Legierungen auf
Aluminiumbasis geschaffen, die hohe Korrosionsbeständigkeit, hohe
Festigkeit und Wärmebeständigkeit haben, wobei die Legierungen
auf Aluminiumbasis eine Zusammensetzung haben, die
dargestellt wird von der allgemeinen Formel
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AlxMy
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wobei: M ein Metallelement aus der Gruppe Y, La, Ce, Nd und Sm
ist; und x und y Atomprozentsätze in den folgenden Bereichen
sind:
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75 ≤ x ≤ 98 und 2 ≤ y ≤ 25,
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wobei die Legierungen auf Aluminiumbasis mindestens 50
Volumenprozente an amorpher Phase enthalten.
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Die Legierungen auf Aluminiumbasis nach der Erfindung
sind als hochkorrosionsbeständige Materialien, sehr harte
Materialien und sehr feste Materialien nützlich. Da die
Legierungen auf Aluminiumbasis in der Nähe ihrer
Kristallisationstemperatur Superplastizität zeigen, können sie ferner
erfolgreich durch Extrusion, Pressen o. dgl. verarbeitet werden. Die
verarbeiteten Artikel sind als korrosionsbeständige,
hochfeste, hochwärmebeständige Materialien in vielen praktischen
Anwendungen nützlich, und zwar wegen ihrer hohen
Korrosionsbeständigkeit,
großen Härte und hohen
Zugfestigkeitseigenschaften. Die Legierungen auf Aluminiumbasis sind als
korrosionsbeständige Beschichtungsmaterialien für verschiedene
Arten von Baukomponenten nutzbar gemacht worden, und zwar
durch Kathodenzerstäubung.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines
Einrollenschmelzgerätes, das dazu dient, dünne
Bänder aus den Legierungen nach der Erfindung durch
ein Schnellhärtverfahren herzustellen; und
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die Fig. 2 bis 6 sind Diagramme, die die Veränderungen in
der Kristallisationstemperatur Tx (ºK) und
der Härte Hv (DPN) in Abhängigkeit von den
Zusammensetzungen der
Legierungs-Dünnbänder nach der Erfindung zeigen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Legierungen auf Aluminiumbasis nach der Erfindung
können erhalten werden, indem Schmelze der Legierung mit der
oben beschriebenen Zusammensetzung mittels
Flüssigkeitsabschreckungstechniken schnell gehärtet werden. Die
Flüssigkeitsabschreckungstechniken beziehen das schnelle Kühlen
geschmolzener Legierung ein, und insbesondere eine Einrollen-
Schmelzschleudertechnik, eine
Zweirollen-Schmelzschleudertechnik und eine in-wirbelndem-Wasser-Schmelzschleudertechnik
werden als besonders effektive Beispiele solcher Techniken
genannt. Bei diesen Techniken kann eine Abkühlgeschwindigkeit
von etwa 10&sup4; bis 10&sup6; ºK/sek erreicht werden. Zur Herstellung
von Dünnbandmaterialien mit der
Einrollen-Schmelzschleudertechnik oder der Zweirollen-Schmelzschleudertechnik wird die
geschmolzene Legierung von der Öffnung einer Düse auf eine
Rolle, beispielsweise aus Kupfer oder Stahl, mit einem
Durchmesser von 30 bis 300 mm ausgestoßen, die mit einer konstanten
Geschwindigkeit von etwa 300 bis 10000 U/min dreht. Bei diesen
Techniken können verschiedene Dünnbandmaterialien mit einer
Breite von etwa 1 bis 300 mm und einer Stärke von etwa 5 bis
500 um leicht erhalten werden. Alternativ wird zur Herstellung
von Drahtmaterialien mit der
in-drehendem-Wasser-Schmelzschleudertechnik ein Strahl geschmolzener Legierung unter
Anwendung eines Gegendrucks von Argongas durch eine Düse in eine
flüssige Kühlschicht mit einer Dicke von etwa 1 bis 10 cm
gerichtet, die durch Zentrifugalkraft in einer mit einer
Geschwindigkeit von etwa 50 bis 500 U/min drehenden Trommel
gebildet wird. Auf diese Weise können feine Drahtmaterialien
einfach erhalten werden. Bei dieser Technik liegt der Winkel
zwischen der von der Düse ausgestoßenen geschmolzenen
Legierung und der Oberfläche des flüssigen Kältemittels
vorzugsweise in dem Bereich von etwa 60º bis 90º, und das
Verhältnis der Relativgeschwindigkeit der ausgestoßenen flüssigen
Legierung zu der Relativgeschwindigkeit der Oberfläche des
flüssigen Kältemittels liegt vorzugsweise in dem Bereich von
etwa 0,7 bis 0,9.
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Abgesehen von den obigen Techniken, kann die
erfindungsgemäße Legierung auch durch ein Sputter-Verfahren in der
Form einer Dünnschicht erhalten werden. Ferner kann schnell
erhärtetes Pulver der erfindungsgemäßen
Legierungszusammensetzung durch verschiedene Atomisierverfahren erhalten werden,
beispielsweise durch ein Hochdruck-Gasatomisierverfahren oder
durch ein Sprühverfahren.
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Ob die so erhaltenen schnell erhärteten Legierungen auf
Aluminiumbasis amorph sind oder nicht, kann durch Prüfen des
Auftretens von halo-Mustereigenschaften einer amorphen
Struktur unter Verwendung eines normalen Röntgenbeugeverfahrens
festgestellt werden. Die amorphe Struktur wird durch Erwärmen
auf eine bestimmte Temperatur ("Kristallisationstemperatur"
genannt) oder auf höhere Temperaturen in eine kristalline
Struktur gewandelt.
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Bei den erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen, die
durch die obige allgemeine Formel dargestellt werden, ist x
auf einen Bereich von 75 bis 98 Atom % begrenzt und y ist auf
den Bereich von 2 bis 25 Atom % begrenzt. Der Grund für solche
Begrenzungen liegt darin, daß es schwierig ist, eine amorphe
Struktur in den resultierenden Legierungen zu erzeugen und die
angestrebten Legierungen mit mindestens 50 Volumen % amorpher
Phase nicht durch industrielle Schnellkühlungsverfahren unter
Verwendung der oben erwähnten Flüssigabschrenkung usw.
erhalten werden können, wenn x und y aus den jeweiligen
Bereichen herausstreuen.
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Das Element M, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die
sich aus Y, La, Ce, Nd und Sm zusammensetzt, bewirkt eine
Verbesserung der Fähigkeit, eine amorphe Struktur zu erzeugen,
und erhöht die Korrosionsbeständigkeit erheblich. Ferner
verbessert das Element M nicht nur Härte und Festigkeit, sondern
es erhöht auch die Kristallisationstemperatur, wodurch die
Wärmebeständigkeit verbessert wird. Anstelle des vorgenannten
Elements M, d.h. Y, La, Ce, Nd und Sm, kann auch ein
Mischmetall verwendet werden, und es können dieselben Effekte
erzielt werden.
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Da die erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumbasis
Superplastizität in der Nähe ihrer
Kristallisationstemperaturen (Kristallisationstemperatur ± 100ºC) zeigen, können
sie ferner bei einer Temperatur innerhalb des Bereiches ihrer
Kristallisationstemperatur ± 100ºC extrudiert, gestanzt,
warmgeschmiedet werden usw. Daher können die erfindungsgemäßen
Legierungen auf Aluminiumbasis, die in Dünnband-, Draht-,
Platten- oder Pulverform erhalten worden sind, erfolgreich zu
Schüttgütern verarbeitet werden, indem sie extrudiert,
gestanzt, warmgeschmiedet werden etc. und zwar bei der
Temperatur im Bereich ihrer Kristallisationstemperatur ± 100ºC.
Da die erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumbasis einen
hohen Grad an Zähigkeit haben, können darüber hinaus einige
von ihnen um 180º gebogen werden, ohne zu brechen.
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Nachstehend sind die vorteilhaften Eigenschaften der
erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumbasis unter
Bezugnahme auf die folgenden Beispiele erläutert.
Beispiel 1
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Unter Verwendung eines Hochfrequenz-Schmelzofens wurde
eine geschmolzene Legierung 3 mit einer vorbestimmten
Zusammensetzung hergestellt und in eine Quarzröhre eingegeben, die
eine kleine Öffnung 5 mit einem Durchmesser von 0,5 mm an
ihrer Spitze aufweist, vgl., Fig. 1. Nach dem Aufheizen und
Schmelzen der Legierung 3 wurde die Quarzröhre 1 direkt
oberhalb einer Kupferwalze 2 angeordnet. Dann wurde die
geschmolzene Legierung 3 in der Quarzröhre 1 durch die Öffnung 5
der Quarzröhre 1 unter Anwendung eines Argongasdrucks von 0,7
kg/cm² ausgestoßen und in Kontakt mit der Oberfläche der Walze
2 gebracht, die sich mit einer Geschwindigkeit von 5000 u/min
drehte. Die geschmolzene Legierung 3 wurde schnell gehärtet,
und es wurde ein dünnes Legierungsband 4 erhalten.
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Unter den oben beschriebenen Prozeßbedingungen wurden
auf Aluminiumbasis erfindungsgemäße binäre
Legierungsdünnbänder aus Al-Y, Al-La, Al-Ce, Al-Nd und Al-Sm in den in den
Fig. 2 bis 6 gezeigten Zusammensetzungen hergestellt, d.h.
nach Fig. 2 für die Al-Y-System-Legierung, nach Fig. 3 für die
Al-La-System-Legierung, nach Fig. 4 für die Al-Ce-System-
Legierung, nach Fig. 5 für die Al-Nd-System-Legierung und nach
Fig. 6 für die Al-Sm-System-Legierung. Die Testmuster der
jeweiligen dünnen Bänder wurden der Röntgenbeugungsanaylse
unterzogen, und im Ergebnis wurden halo-Mustereigenschaften
amorpher Strukturen in allen Testmustern bestätigt. Ferner
sind die Zusammensetzungsabhängigkeiten der
Kristallisationstemperatur Tx (ºK) und der Härte Hv (DPN) der Testmuster in
den Fig. 2 bis 6 gezeigt. Die Kristallisationstemperatur Tx
(ºK) ist die Starttemperatur (ºK) der ersten exothermen Spitze
der differentiell aufgenommenen kalometrischen Kurve, die bei
einer Erwärmungsgeschwindigkeit von 40ºK/min aufgenommen
wurde, und die Härte (Hv) ist in Werten (DPN) angegeben, die
unter Verwendung eines Mikro-Vickers-Härtetesters unter einem
Gewicht von 25 g gemessen wurde.
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Wie in den Zeichnungen gezeigt, haben die
erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumbasis alle eine sehr hohe
Kristallisationstemperatur Tx von 420 bis 510 ºK und zeigen
eine hohe Härte in der Größen6rdnung von 120 bis 220 DPN. Die
Aluminiumlegierungen erwiesen sich als Materialien mit hoher
Korrosionsfestigkeit und großer Härte.
Beispiel 2
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Legierungsdünnbänder auf Aluminiumbasis des Al-La-
Systems und des Al-Ce-Systems wurden in derselben Weise
hergestellt, wie in Beispiel 1 beschrieben, und es wurden
Testmuster mit einer vorbestimmten Länge von den dünnen
Legierungsbändern geschnitten. Die Testmuster wurden in eine
Salzsäurelösung mit einer gegebenen Konzentration bei 50ºC
eingetaucht und auf Korrosionsfestigkeit im Hinblick auf
Salzsäure geprüft. Die Testergebnisse sind in Tabelle 1
wiedergegeben. Die Bestimmung der Korrosionsfestigkeit erfolgte
anhand derjenigen Zeit, die erforderlich ist, um die
Testmuster zu zersetzen, und es wurde eine im Handel erhältliche
Aluminiumfolie als Referenzmuster für diese Bestimmung
verwendet. Wie in Tabelle 1 gezeigt, benötigten die meisten der
dünnen Bänder eine Zersetzungszeit, die das 20- bis 30-fache
derjenigen der im Handel erhältlichen Aluminiumfolie beträgt,
und es wird festgestellt, daß die erfindungsgemäßen
Legierungen auf Aluminiumbasis eine exzellente
Korrosionsfestigkeit gegen Salzsäurelösung im Vergleich mit herkömmlichen
Legierungen auf Aluminiumbasis haben.
Tabelle 1
Ergebnisse des Korrrosionsfestigkeitstests (in 1 N-HCl bei 50ºC)
Testmuster
Dicke in mm
Zersetzungszeit
Al foil