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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminium-Legierung, welche ein Produkt
liefert, das eine stark verbesserte Festigkeit bei erhöhten Temperaturen und eine
bemerkenswerte Kriechbeständigkeit besitzt, wenn sie in einem
Pulvermetallurgieverfahren verwendet wird.
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Produkte aus einer Aluminium-Legierung, die in einem Pulvermetallurgieverfahren
(im weiteren als "P/M-Verfahren" bezeichnet) hergestellt werden, legen eine
stark verbesserte Hitzebeständigkeit. Verschleißfestigkeit. und ähnliche
Eigenschaften an den Tag im Vergleich mit den Produkten, die in einem
Ingot-Metallurgieverfahren (im weiteren als "IM-Verfahren" bezeichnet) hergestellt werden, da die
Produkte aus dem P/M-Verfahren zusätzliche Elemente in größeren Mengen ohne
Seigerung enthalten können, und welche viel gleichförmiger dispergiert sind in der
Aluminiummatrix als die Produkte, die in einem IM-Verfahren hergestellt werden.
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Herkömmliche P/M-Aluminiumlegierungsprodukte werden gewöhnlich durch
Heißextrusion bzw. Warmstrangpressen eines pulverförmigen, flockenartigen oder
bandartigen schnell erstarrten Materials hergestellt, um einen Barren zu erhalten und
den Barren zu den gewünschten Formteilen oder Formen zu verarbeiten. Während
des Heißextrudierschrittes werden die Oxidschichten auf den Oberflächen der
Pulverteilchen. Flocken oder Bänder gebrochen und die freigelegten inneren
Aluminiumteile werden geeneinandergepreßt, um eine starke Verbindung zu bilden.
In einem Pulverwalzverfahren und einem Pulverschmiedeverfahren, weiche auch zur
allgemeinen Kategorie der P/M-Verfahren gehören, werden die Aluminiumoxidfilme
gebrochen; da jedoch die Scherkraft verhältnismäßig klein ist und die Verformung
jedes Teilchens nicht so groß und gleichmäßig ist wie im Fall der Extrusion. ist die
Bindung zwischen den Teilchen nicht so stark wie im extrudierten Produkt.
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Wird die obige Extrusion im P/M-Verfahren durchgeführt, ist das
Extrusionsverhältnis gewöhnlich 10 oder mehr, vorzugsweise 20 oder mehr, um eine starke
Bindung jedes Teilchens zu erhalten. Die Extrusion durch das P/M-Verfahren
erfordert gewöhnlich viel größere Kräfte als die Extrusion durch das IM-Verfahren, weil
die im ersten Verfahren verwendete Aluminium-Legierung größere Mengen von
Legierungselementen enthält. Aufgrund dieser Einschränkungen sind die durch das
P/M-Verfahren erhaltenen Aluminiumlegierungsmaterialien in der Herstellung
großformatiger Produkte schwierig zu bearbeiten.
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Weiterhin geben Aluminiumlegierungen, die im P/M-Verfahren herkömmlich
verwendet werden, ein Produkt, welches den strengen Anforderungen wie hohe
Festigkeit bei erhöhten Temperaturen bis zu 300ºC, hohe Kriechbeständigkeit, etc. nicht
völlig gerecht werden kann.
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Die US-A 3 325 279 betrifft Aluminium-Hochsilizium-Legierungen und offenbart
eine Legierung, die 29% Si, 3.6% Fe und 2.7% Ti im Verhältnis zu Al enthält.
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Die EP-A-O 341 714 (Dokument gemäß Art. 54 (3) EPÜ) offenbart eine Aluminium-
Legierung, die 25% Si, 3% Fe, 5% Ni und 1% Mo enthält, und in einem
P/M-Verfahren hergestellt wird und bei 450ºC mit variierenden Extrusionsverhältnissen
zwischen 3 zu 1 und 20 zu 1 extrudiert wird.
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Aufgabe der Erfindung ist, eine P/M-Aluminiumlegierung zu liefern, welche unter
einem niedrigem Extrusionsverhältnis von 10 oder weniger extrudiert werden kann.
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Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine P/M-Aluminiumlegierung zu liefern.
welche selbst unter einem extrem niedrigen Extrusionsverhältnis von 2 zu 5
extrudiert werden kann.
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Noch eine weitere Aufgabe der Erfindung ist, eine P/M-Aluminium-Legierung zu
liefern, die tauglich ist zur Erzeugung eines hinsichtlich Festigkeit bei hohen
Temperaturen und Kriechbeständigkeit hervorragenden extrudierten Produktes.
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Diese Aufgaben werden durch die Aluminium-Legierung und das Produkt gemäß der
Ansprüche gelöst.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung
zu ersehen.
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Wir führten umfassende Forschungen durch, um den oben erwähnten Problemen des
Standes der Technik vorzubeugen, und fanden, daß diese Probleme merklich
gemildert werden können durch die Verwendung einer pulvrigen Aluminium-Legierung,
die spezifische Legierungselemente umfaßt. Die vorliegende Erfindung kam auf der
Grundlage dieser neuen Erkenntnis zustande.
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Wenn die Aluminium-Legierungen der Erfindung, die spezifische Komponenten
umfassen, extrudiert werden, werden die Pulverteilchen selbst bei niedrigem
Extrusionsverhältnis stark miteinander verbunden, und das extrudierte Material
weist im wesentlichen gleichmäßige Festigkeit und Bruchdehnung unabhängig vom
Extrusionsverhältnis auf. Falls ein Aluminiumlegierungspulver mit einer
Zusammensetzung außerhalb des angegebenen Bereichs verwendet wird, kann ein
extrudiertes Material mit starker Bindung unter niedrigem Extrusionsverhältnis von 10 oder
5 zu 2 bei Temperaturen von 400 bis 500ºC nicht erhalten werden.
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Insbesondere falls die Menge von Si weniger als 5 Gew.-% der Legierung beträgt,
ist die Bindungsfestigkeit der Teilchen niedrig, wohingegen die Verwendung von Si
mit mehr als 30 Gew.-% ein überschüssiges Volumen von Primär-Si-Teilchen in der
Matrix ergibt, was zu einer Verminderung der Zähigkeit der Legierung führt.
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Fe, Ni, Cr und Mn tragen hauptsächlich zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit
und Festigkeit bei. Die Menge an wenigstens einem aus Fe, Ni, Cr und Mn von
weniger als 0.5 Gew.-% ergibt eine geringere Hitzebeständigkeit und Festigkeit
des extrudierten Materials, wohingegen die Menge von mehr als 10 Gew.-% eine
niedrigere Zähigkeit mit der Bildung von groben intermetallischen Phasen ergibt.
Die Gesamtmenge dieser Legierungselemente über 20 Gew.-% hinaus führt auch
zu einer Verringerung der Zähigkeit der Legierung.
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Mo, Zr, V und Ti tragen hauptsächlich zur Verbesserung der Hitzebeständigkeit und
Kriechbeständigkeit bei. Die Menge an wenigstens einem aus Mo, Zr, V und Ti von
weniger als 0.3 Gew.-% verbessert nicht wesentlich die Beständigkeit gegen Hitze
und Kriechen. Wenn auf der anderen Seite die Menge davon 3 Gew.-% übersteigt,
werden grobe intermetallische Phasen gebildet, die die Zähigkeit der Legierung
vermindern. Wenn zwei oder mehr aus Mo, Zr, V und Ti verwendet werden, beträgt
die Gesamtmenge bis zu 5 Gew.-% der Legierung, um die Bildung von groben
intermetallischen Phasen zu verhindern, welche zu einer reduzierten Zähigkeit führen.
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Die Aluminium-Legierung der Erfindung enthält 5 bis 30 Gew.-% Si, 2 bis 5 Gew.-%
Fe, 2 bis 5 Gew.-% Ni, 0.5 bis 3 Gew.-% Mo und 0.5 bis 3 Gew.-% Zr, mit der
Maßgabe, daß die Gesamtmenge Mo und Zr mehr als 2 Gew.-% und weniger als
5 Gew.-% beträgt.
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Die Aluminium-Legierung der Erfindung, die die Legierungselemente in den obigen
Bereichen enthält, zeigt ein viel ausgeglicheneres Verhalten von verbesserter
Festigkeit. Zähigkeit und Kriechbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen. Daher
sind die Aluminium-Legierungen mit den Legierungselementen im obigen Bereich
sehr gut geeignet als Materialien für Maschinenkomponenten. etc.
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Wenn die Aluminium-Legierung der Erfindung bei Temperaturen zwischen 400 bis
500ºC extrudiert wird, kann eine sehr starke Bindung im extrudierten Material bei
einem niedrigem Extrusionsverhältnis von 10 oder weniger, oder selbst bei einem
sehr niedrigem Extrusionsverhältnis von 2 bis 5 erzeugt werden.
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Das extrudierte Produkt, das aus der Aluminium-Legierung der Erfindung gebildet
wird, weist hohe Beständigkeit gegenüber Hitze und Kriechen auf.
Beispiele
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Nachstehend werden Beispiele angegeben, um die Merkmale der Erfindung
ausführlicher zu erläutern.
Beispiel 1
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Aluminium-Legierungen, die Legierungselemente enthalten, wie in Tabelle 1 unten
gezeigt, werden in Partikel gebläsezerstäubt und gesiebt, um Pulver mittels
Durchgang durch Sieböffnungen von 150 um x 150 um (Pulver von weniger als
100 mesh (=Maschenzahl)) herzustellen.
Tabelle 1
Legierungselemente (Gew.-%)
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Jedes der auf diese Weise hergestellten Aluminiumlegierungspulver wurde kalt
gepreßt zu einem Vorpreßling mit 30 mm Durchmesser und 80 mm Höhe und dann
bei 450ºC mit einem Extrusionsverhältnis von 3 extrudiert. Von den extrudierten
Materialien wurden Teststücke hergestellt und Zugbelastungstests und Kriechtests
wurden bei 300ºC durchgefuhrt.
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In Tabelle 2 zeigt "Bruchzeit" die von einem Teststück benötigte Zeitspanne zum
Bruch an, wenn es einer Belastung von 78.4 MPa (8 kg/mm²) bei 300ºC ausgesetzt
wird.
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Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 unten angegeben.
Tabelle 2
Zugfestigkeit
Bruchdehnung (%)
Bruchzeit (h)
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Tabelle 2 zeigt, daß die aus den Aluminium-Legierungen der Erfindung erhaltenen
extrudierten Materialien hohe Zugfestigkeit und Bruchdehnung besitzten und gute
Kriechbeständigkeit aufweisen. Besonders die extrudierten Produkte, die aus
Legierung Nr. 13 bis 16 erzeugt werden, sind besser ausgeglichen hinsichtlich
Kriechbeständigkeit. Zugfestigkeit bei erhöhten Temperaturen und Zähigkeit.
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Im Gegensatz dazu ergeben Aluminium-Legierungen, die die Legierungselemente in
Mengen außerhalb des Bereichs der Erfindung enthalten. Produkte mit niedriger
Zugfestigkeit bei 300ºC und kurzer Bruchzeit. Es sei angemerkt, daß die Legierung
Nr. 20, von welcher bekannt ist, daß sie unter den herkömmlichen IM-Materialien
hochbeständig gegenüber Hitze ist, erheblich schlechter als die Legierungen der
Erfindung hinsichtlich Festigkeit und Kriechbeständigkeit bei 300ºC ist.