DE69113294T2

DE69113294T2 - Hochfeste, warmfeste Legierungen auf Aluminiumbasis.

Info

Publication number: DE69113294T2
Application number: DE69113294T
Authority: DE
Inventors: Makoto Kawanishi; Hidenobu Nagahama
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 1990-03-06
Filing date: 1991-03-04
Publication date: 1996-05-23
Anticipated expiration: 2011-03-05
Also published as: NO910862L; AU638553B2; AU7208291A; JP2538692B2; JPH03257133A; EP0445684B1; CA2037686A1; EP0445684A1; NO179335B; CA2037686C; NO179335C; DE69113294D1; NO910862D0; US5334266A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft Legierungen auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und Wärmebeständigkeit, zusammen mit einem hohen Maß an Duktilität und Formbarkeit.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Als herkömmliche Legierungen auf Aluminiumgrundlage waren verschiedene Legierungstypen auf Aluminiumgrundlage bekannt, wie etwa Al-Cu-, Al-Si-, Al-Mg-, Al-Cu-Si-, Al-Cu- Mg-, Al-Zn-Mg-Legierungen usw.. Spezielle Legierungen auf Al- Cu-Grundlage sind beispielsweise in der EP-A-0100287 offenbart. Ferner offenbart die EP-A-0375571 verschiedenartige Legierungen auf Al-Zn-Mg-Grundlage. Diese Legierungen auf Aluminiumgrundlage wurden verbreitet in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet, wie etwa als Baumaterialien für Flugzeuge, Autos, Schiffe oder dergleichen; bei Außenverkleidungen von Gebäuden, Fensterrahmen, Dächern usw. verwendete Baumaterialien; als Materialien für Seegeräte sowie als Materialien für Nuklearreaktoren usw., je nach Übereinstimmung ihren Eigenschaften.
Spezielle, als erstes Additiv 5 bis 30 Gew.-% Ni, als zweites Additiv 1 bis 30 Gew.-% Zr und als drittes Additiv 1 bis 10 Gew.-% von mindestens einem aus der Fe, Mn, Cr, W, Co, Mo und Ti bestehenden Gruppe ausgewählten Element enthaltende Legierungen auf Al-Grundlage sind in der JP-A-6247449 offenbart.
Im allgemeinen besitzen die bislang bekannten Legierungen auf Aluminiumgrundlage eine geringe Härte und eine schlechte Wärmebeständigkeit. In den letzten Jahren wurden Versuche unternommen, durch rasches Erstarren von Legierungen auf Aluminiumgrundlage zur Verbesserung ihrer mechanischen Eigenschaften, wie etwa ihrer Festigkeit, sowie ihrer chemischen Eigenschaften, wie etwa ihrer Korrosionsbeständigkeit, eine feine Struktur der resultierenden Legierungen auf Aluminiumgrundlage zu erhalten. Jedoch weist keine der bislang bekannten rasch erstarrten Legierungen auf Aluminiumgrundlage zufriedenstellende Eigenschaften auf, insbesondere hinsichtlich der Festigkeit und Wärmebeständigkeit.
Als Legierungen hoher Festigkeit sind Ti-Legierungen allgemein bekannt. Weil die bekannten Ti-Legierungen aufgrund ihrer hohen Dichte eine geringe spezifische Festigkeit (Verhältnis der Festigkeit zur Dichte) aufweisen, gibt es jedoch ein Problem dahingehend, daß sie nicht als Materialien für Anwendungen verwendet werden können, bei denen die Eigenschaften eines geringen Gewichtes und einer hohen Festigkeit benötigt werden.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Angesichts der vorstehenden Beschreibung besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung neuer Legierungen auf Aluminiumgrundlage, die eine gute Kombinaton der Eigenschaften hoher Festigkeit und hoher Wärmebeständigkeit, zusammen mit einer guten Duktilität und Verarbeitbarkeit, die Verarbeitungsprozesse, wie etwa Extrusion und Schmieden, ermöglichen, aufweisen, und zwar zu vergleichsweise geringen Kosten.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung von Materialien mit einem geringen Gewicht und einer hohen Festigkeit (d.h. von Materialien mit einer hohen spezifischen Festigkeit), die die oben angegebenen guten Eigenschaften aufweisen.
Erfindungsgemäß werden bereitgestellt hochfeste, wärmebeständige Legierungen auf Aluminiumgrundlage mit einer gemäß den folgenden allgemeinen Formeln (I) oder (II) gebildeten Zusammensetzung:
AlaMbXd (I)
Ala'MbQcXd (II)
wobei: M mindestens ein aus der aus Co, Ni, Zn und Ag bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist, Q mindestens ein aus der aus V, Cr und Mn bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist, X mindestens ein aus der aus Li, Mg, Ca, Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist und
a, a', b, c und d Angaben in Atomprozent sind, für die gilt:
80 ≤ a ≤ 94,5; 80 ≤ a' ≤ 94; 5 ≤ b ≤ 15; 0,5 ≤ c ≤ 3 und 0,5 ≤ d ≤ 10; wobei
intermetallische Verbindungen, hauptsächlich intermetallische Aluminiumverbindungen, fein über eine Aluminiummatrix verteilt sind und die durch rasches Erstarren erhalten wurden, mit Ausnahme von als erstes Additiv 5 bis 30 Gew.-% Ni, als zweites Additiv 1 bis 10 Gew.-% Zr und als drittes Additiv 1 bis 10 Gew.-% von mindestens einem aus der aus Mn, Cr, Co und Ti bestehenden Gruppe ausgewählten Element enthaltenden Legierungen auf Aluminiumgrundlage, wobei der Anteil des ersten Additivs größer ist als der Anteil des zweiten Additivs und der Anteil des dritten Additivs.
Die erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumgrundlage sind als Materialien hoher Festigkeit und als Materialien mit einer hohen spezifischen Festigkeit bei Raumtemperatur sehr nützlich. Ferner behalten sie ihre Festigkeitswerte unter von Raumtemperatur bis zu 300ºC reichenden Arbeitsbedingungen bei und liefern eine gute Brauchbarkeit für verschiedenartige Anwendungen, weil die Legierungen auf Aluminiumgrundlage ein hohes Maß an Wärmebeständigkeit aufweisen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumgrundlage können durch rasches Erstarren der Legierung mit der oben angegebenen Zusammensetzung unter Verwendung von Flüssigkeitsabschrecktechniken erhalten werden. Die Flüssigkeitsabschrecktechniken sind Verfahren zum raschen Abkühlen einer geschmolzenen Legierung und insbesondere die Einzelrollenschmelzspinntechnik, die Doppelrollenschmelzspinntechnik und die Schmelzspinntechnik in rotierendem Wasser sind wirksam. Bei diesen Techniken kann eine Kühlgeschwindigkeit von etwa 10&sup4; bis 10.&sup6; K/sek erhalten werden. Zur Herstellung von Materialien in Form von Bändern mittels der Einzelrollenschmelzspinntechnik oder der Doppelrollenschmelzspinntechnik wird die geschmolzene Legierung aus der Bohrung einer Düse auf eine beispielsweise aus Kupfer oder Stahl bestehende Rolle mit einem Durchmesser von etwa 30 bis 300 mm, die sich mit einer konstanten Geschwindigkeit im Bereich von etwa 100 bis 4000 U/min. dreht, ausgestoßen. Bei diesen Techniken können verschiedenartige bandförmige Materialien mit einer Breite von etwa 1 bis 300 mm und einer Dicke von etwa 5 bis 1000 um auf einfache Weise erhalten werden. Zur Herstellung drahtförmiger Materialien mittels der Schmelzspinntechnik in rotierendem Wasser wird alternativ dazu ein Strahl der geschmolzenen Legierung unter Anlage eines Argongas-Rückdrucks durch eine Düse in eine flussige Kühlmittelschicht mit einer Tiefe von etwa 1 bis 10 cm, die unter Ausnutzung der Zentrifugalkraft in einer sich mit einer Geschwindigkeit von etwa 50 bis 500 U/min drehenden Trommel gebildet wird, gerichtet. Auf diese Weise können Materialien in Form feiner Drähte auf einfache Weise erhalten werden. Bei dieser Technik liegt der Winkel zwischen der aus der Düse ausgestoßenen geschmolzenen Legierung und der Oberfläche des flüssigen Kühlmittels vorzugsweise im Bereich von etwa 60º bis 90º und das Relativgeschwindigkeitsverhältnis der ausgestoßenen geschmolzenen Legierung bezüglich der Oberfläche des flüssigen Kühlmittels liegt vorzugsweise im Bereich von etwa 0,7 bis 0,9.
Neben den oben angegebenen Verfahren kann die erfindungsgemäße Legierung auch mittels eines Sputterverfahrens in Form eines dünnen Films erhalten werden. Ferner kann ein rasch erstarrtes Pulver mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung durch verschiedenartige Zerstäubungsverfahren, beispielsweise mittels eines Hochdruck- Gaszerstäubungsverfahrens oder eines Sprühverfahrens, erhalten werden.
Bei der erfindungsgemäßen Legierung mit der gemäß der allgemeinen Formel (1) gebildeten Zusammensetzung sind a, b und d auf die Bereiche 80 bis 94,5%, 5 bis 15% bzw. 0,5 bis 10%, ausgedrückt durch Atom-%, begrenzt. Wenn "a" größer als 94,5% ist, ist die Bildung von eine Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Festigkeit zeigenden intermetallischen Verbindungen unzureichend. Andererseits, wenn "a" kleiner als 80% ist, wird die Härte größer, aber die Duktilität wird geringer, wodurch Schwierigkeiten beim Extrudieren, beim Schmieden eines pulverförmigen Metalls oder anderen Verar beitungen hervorgerufen werden. Im übrigen bestehen die gleichen Gründe, die hinsichtlich der Begrenzung für "a" erläutert wurden, für die Begrenzung von "b" und "d" auf die oben angegebenen Bereiche.
Bei den erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumgrundlage, die durch die allgemeine Formel (II) dargestellt werden, sind "a'", "b", "c" und "d" auf die Bereiche, ausgedrückt in Atomprozent, 80 bis 94%, 5 bis 15%, 0.5 bis 3% bzw. 0.5 bis 10% begrenzt, wobei dafür dieselben Gründe bestehen, die vorstehend bezüglich der allgemeinen Formel (I) erläutert wurden.
Das Element M ist mindestens ein aus der aus Co, Ni, Zn und Ag bestehenden Gruppe ausgewähltes Element und diese M- Elemente bilden zusammenwirkend mit Al oder Al und einem X- Element thermisch stabile intermetallische Verbindungen, um dadurch eine erhebliche Festigungswirkung hervorzubringen. Das Element X wird von einem oder mehreren der aus Li, Mg, Ca, Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewählten Elementen gebildet. Diese X-Elemente lösen sich zur Bildung einer Feststofflösung in einer Aluminiummatrix, um dadurch nicht nur eine Feststofflösungs-Festigungswirkung zu zeigen, sondern auch eine Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Wärmebeständigkeit, zusammenwirkend mit Al und den M- Elementen.
Das Element Q ist mindestens ein aus der aus V, Cr und Mn bestehenden Gruppe ausgewähltes Element. Die Q-Elemente verbinden sich mit Al und den M-Elementen oder mit Al und den X-Elementen zur Bildung intermetallischer Verbindungen und liefern dadurch eine weiter verbesserte Wärmebeständigkeit sowie eine Stabilisierung dieser Elemente.
Weil die durch die allgemeine Formel (I) oder (II) dargestellten erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumgrundlage eine hohe Zugfestigkeit kombiniert mit einer geringen Dichte aufweisen, wird ihre spezifische Festigkeit groß. Demgemäß sind die erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumgrundlage nützlich als Materialien mit einer hohen spezifischen Festigkeit und einfach mittels Extrusion, Pulvermetallschmieden oder dergleichen bei Temperaturen von 300 bis 550ºC verarbeitbar.
Ferner zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen auf Aluminiumgrundlage einen hohen Festigkeitswert bei Betriebsabläufen in einem breiten Temperaturbereich von Raumtemperatur bis zu 300ºC.
Nachstehend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Beispiele genauer beschrieben.

Beispiele

Jeweils die in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen aufweisende Pulver aus einer Aluminiumlegierung wurden unter Verwendung eines Gaszerstäubers hergestellt. Die so erhaltenen Pulver auf Aluminiumgrundlage wurden in eine Metallkapsel gegeben mittels einer Vakuum- Heißpressung unter Entgasung zu einem zu extrudierenden Preßling geformt. Der Preßling wurde bei Temperaturen von 300 bis 550ºC mittels eines Extrudierers extrudiert.
Die unter den oben angegebenen Herstellungsbedingungen erhaltenen extrudierten Materialien besitzen bei Raumtemperatur die in Tabelle 1 dargestellten mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit und Längung). Tabelle 1 Nr. Probe Zugfestigkeit Längung
Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Legierungen eine sehr hohe Zugfestigkeit, zusammen mit einer sehr hohen Längung bei Raumtemperatur aufweisen.
Ferner wurden die mit 1 bis 5 numerierten Proben über einen Zeitraum von 100 Stunden bei 150ºC gehalten und zeigten die in Tabelle 2 dargestellten mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit) Tabelle 2 Nr. Probe Zugfestigkeit
Aus Tabelle 2 geht hervor, daß die bei Raumtemperatur gemessenen Festigkeitswerte der erfindungsgemäßen Legierungen aufgrund der Behandlung bei einer erhöhten Temperatur von 150ºC keine deutliche Verringerung erfahren und die Legierungen immer noch hohe Festigkeitswerte zeigen. Die oben angegebenen Proben Nr. 1 bis 5 zeigen auch eine vergleichsweise hohe Festigkeit bis zu 300ºC. Beispielsweise weist die Probe Nr. 2 nach Behandlung bei 300ºC über einen Zeitraum von 100 Stunden eine Zugfestigkeit von etwa 400 MPA auf und dadurch wird gezeigt, daß sie selbst in einer Umgebung mit einer derartig erhöhten Temperatur ein Material mit einer hohen Festigkeit bildet.
Kürzlich wurden auf dem Gebiet der Aluminiumlegierungen Versuche unternommen, Materialien hoher Festigkeit zu erhalten, beispielsweise aus gewöhnlicherweise bekanntem Extra-Superduralumin, über eine rasche Erstarrung und eine Extrusion. Diese bekannten Materialien zeigen jedoch bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von weniger als 800 MPA und die Zugfestigkeit fällt nach Erwärmen auf 150º drastisch ab. Bei dem Material aus Extra-Superduralumin fällt die Zugfestigkeit beispielsweise auf 350 MPA ab.
Im Vergleich zu einem derartig drastischen Abfall der Festigkeit bei den herkömmlichen Materialien können die Aluminiumlegierungen in Umgebungen innerhalb eines breiten Temperaturbereichs von Raumtemperatur bis zu einer erhöhten Temperatur von 300ºC gute Eigenschaften aufweisen.

Claims

1. Hochfeste, wärmebeständige Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer fein über eine Aluminiummatrix verteilte intermetallische Aluminiumverbindungen enthaltenden Zusammensetzung, die durch rasches Erstarren erhalten wurde, wobei die Zusammensetzung gebildet ist gemäß der allgemeinen Formel:

AlaMbXd

in der:

M mindestens ein aus der aus Co, Ni, Zn und Ag bestehenden Gruppe ausgewihltes Metallelement ist;

X mindestens ein aus der aus Li, Mg, Ca, Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist und a, b und d Angaben in Atomprozent sind und innerhalb der Bereiche

80 ≤ a ≤ 94,5, 5 ≤ b ≤ 15 und 0,5 ≤ d ≤ 10 liegen,

mit Ausnahme von Legierungen auf Aluminiumgrundlage, die als erstes Additiv 5 bis 30 Gew.-% Ni, als zweites Additiv 1 bis 10 Gew.-% Zr und als drittes Additiv 1 bis 10 Gew.-% mindestens eines aus der aus Co und Ti bestehenden Gruppe ausgewählten Elementes enthalten, wobei der Anteil des ersten Additivs größer ist als der Anteil des zweiten Additivs und der Anteil des dritten Additivs.

2. Hochfeste, wärmebeständige Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer fein über eine Aluminiummatrix verteilte intermetallische Aluminiumverbindungen enthaltenden Zusammensetzung, die durch rasches Erstarren erhalten wurde, wobei die Zusammensetzung gebildet ist gemäß der allgemeinen Formel:

Ala'MbQcXd

in der:

M mindestens ein aus der aus Co, Ni, Zn und Ag bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist;

Q mindestens ein aus der aus V, Cr und Mn bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist;

X mindestens ein aus der aus Li, Mg, Ca, Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist und a', b, c und d Angaben in Atomprozent sind und innerhalb der Bereiche

80 ≤ a' ≤ 94, 5 ≤ b ≤ 15, 0,5 ≤ c ≤ 3 und 0,5 ≤ d ≤ 10 liegen

mit Ausnahme von Legierungen auf Aluminiumgrundlage, die als erstes Additiv 5 bis 30 Gew.-% Ni, als zweites Additiv 1 bis 10 Gew.-% Zr und als drittes Additiv 1 bis 10 Gew.-% mindestens eines aus der aus Mn, Cr, Co und Ti bestehenden Gruppe ausgewählten Elementes enthalten, wobei der Anteil des ersten Additivs größer ist als der Anteil des zweiten Additivs und der Anteil des dritten Additivs.