DE69220164T2

DE69220164T2 - Superplastisches Material aus Legierung auf Aluminiumbasis und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE69220164T2
Application number: DE69220164T
Authority: DE
Inventors: Kenji Higashi; Akihisa Inoue; Makoto Kawanishi; Tsuyoshi Masumoto; Katsumasa Ohtera
Original assignee: YKK Corp
Current assignee: YKK Corp
Priority date: 1991-09-26
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1998-01-08
Anticipated expiration: 2012-09-26
Also published as: EP0534470A1; EP0534470B1; US5332456A; DE69220164D1; US5405462A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1.Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung betrifft ein superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage und ein Herstellungsverfahren dafür.

2. Beschreibung des Stands der Technik

Es sind verschiedenartige Metalle oder Legierungen als superpiastische Metalle oder Legierungen bekannt, welche eine außergewöhnliche Bruchdehnung zeigen, wenn sie bei hohen Temperaturen einer Zugverformung unterzogen werden. Unter Verwendung der Eigenschaften derartiger superpiastischer Metalle und Legierungen können Teile mit komplizierten Formen in einem einzigen Herstellungsvorgang hergestellt werden, die mit bekannten Verfahren nicht in einfacher Weise hergestellt werden konnten, und daher werden die superplastischen Materialien in verschiedenartigen industriellen Anwendungen verbreitet eingesetzt.
Bekannte superplastische Metalle oder Legierungen zeigen eine hohe Bruchdehnung bei einer Umformungsgeschwindigkeit von 10&supmin;&sup4; bis 10&supmin;² s&supmin;¹ (/Sekunde) und bei einer Temperatur von T > Tm/2 (d.h. bei einer Temperatur, die höher ist als ihre Schmelztemperatur x 1/2, ausgedrückt durch Werte der absoluten Temperatur) und daher sind sie für eine Bearbeitung bei einer vergleichsweise geringen Umformungsgeschwindigkeit anwendbar. Die bekannten Metalle oder Legierungen zeigen jedoch bei einer vergleichsweisen hohen Umformungsgeschwindigkeit, welche 10&supmin;¹/s&supmin;¹ überschreitet, Probleme.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Demgemäß besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung von superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit, die für eine Bearbeitung mit einer vergleichsweise hohen Geschwindigkeit geeignet sind, wie etwa zum Schmieden mit hoher Geschwindigkeit, zum Wölben oder Aufweiten mit hoher Geschwindigkeit, zum Walzen mit hoher Geschwindigkeit, zum Ziehen mit hoher Geschwindigkeit, oder für eine ähnliche Bearbeitung.
Gemäß einen Gesichtspunkt der Erfindung wird bereitgestellt ein superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, mit der eine superplastische Bearbeitung bei Umformungsgeschwindigkeiten von 10&supmin;¹ s&supmin;¹ oder mehr ausgeführt werden kann, gemäß Anspruch 1, daß aus einer aus Aluminium oder einer übersättigten Aluminiumfeststofflösung gebildeten Matrix besteht, deren mittlere Kristallkorngröße 0,005 bis 1µm beträgt, sowie aus einer stabilen oder einer metastabilen Phase verschiedenartiger intermetallischer Verbindungen, die aus dem Hauptlegierungselement (d.h. dem Matrixelement) und den anderen legierenden Elementen gebildet sind, und/oder verschiedenartiger intermetallischer Verbindungen, die aus den anderen legierenden Elementen gebildet sind, gebildeten Teilchen, welche gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, wobei die Teilchen eine mittlere Teilchengröße von 0,001 bis 0,1 µm aufweisen.
Die vorstehend genannten superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage weisen vorzugsweise die folgenden Legierungszusammensetzungen auf:
(1) Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, bestehend aus einer durch die folgende allgemeine Formel dargestellten Zusammensetzung: AlaM1bXe, wobei M&sub1; mindestens ein aus der aus Mr, Fe, Co, Ni und Mo bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, X mindestens ein aus der aus Nb, Hf, Ta, Y, Zr, Ti, den Elementen der seltenen Erden und einer Mischung (Mm: Mischmetall) von Elementen der seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist und a, b und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15 und 0,5 ≤ e ≤ 10.
(2) Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, bestehend aus einer durch die folgende allgemeine Formel dargestellten Zusammensetzung: AlaM1(b-c)M2cXe, wobei M&sub1; mindestens ein aus der aus Mn, Fe, Co, Ni und Mo bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, M&sub2; mindestens ein aus der aus V, Cr und W bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, X mindestens ein aus der aus Nb, Hf, Ta, Y, Zr, Ti, den Elementen der seltenen Erden und einer Mischung (M: Mischmetall) von Elementen der seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist und a, b, c und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,1 ≤ c ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10.
(3) Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, bestehend aus einer durch die folgende allgemeine Formel dargestellten Zusammensetzung: AlaM1(b-d)M3dXe, wobei M&sub1; mindestens ein aus der aus Mn, Fe, Co, Ni und Mo bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, M&sub3; mindestens ein aus der aus Li, Ca, Mg, Si, Cu und Zn bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, X mindestens ein aus der aus Nb, Hf, Ta, Y, Zr, Ti, den Elementen der seltenen Erden und einer Mischung (Mm: Mischmetall) von Elementen der seltenen Erden ausgewähltes Element ist und a, b, d, und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,5 ≤ d ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10.
(4) Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, bestehend aus einer durch die folgende allgemeine Formel dargestellten Zusammensetzung: AlaM1(b-c- d)M2cM3dXe, wobei M&sub1; mindestens ein aus der aus Mn, Fe, Co, Ni und Mo bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, M&sub2; mindestens ein aus der aus V, Cr und W bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, M&sub3; mindestens ein aus der aus Li, Ca, Mg, Si, Cu und Zn bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, X mindestens ein aus der aus Nb, Hf, Ta, Y, Zr, Ti, den Elementen der seltenen Erden und einer Mischung (Mm: Mischmetall) von Elementen der seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist und a, b, c, d und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,1 ≤ c ≤ 5; 0,5 ≤ d ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10.
Die Erfindung liefert ferner ein Verfahren zum Herstellen des vorstehend angegebenen superplastischen Materials aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage gemäß Anspruch 7, wobei das Verfahren aufweist:
Bilden einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, bestehend aus einer amorphen Phase, einer mikrokristallinen Phase oder einer Mischphase davon, durch rasches Abschrecken eines Legierungsmaterial mit einer speziellen Zusammensetzung;
wahlweise Wärmebehandeln der Legierung auf Aluminiumgrundlage bei einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebenen Zeitdauer und
Unterziehen der Legierung auf Aluminiumgrundlage einer einfachen oder kombinierten thermomechanischen Behandlung zur Entwicklung der vorstehend angegebenen Mikrostruktur, die für eine superplastische Bearbeitung des resultierenden Materials aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage gewünscht wird.
Die der raschen Abschreckung zu unterziehenden Legierungsmaterialien besitzen dieselben Zusammensetzungen wie die jenigen der gewünschten superplastischen Materialien und die vorstehend angegebenen Legierungszusammensetzungen (1) bis (4) sind als bevorzugte Beispiele erwähnt.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhaltenen superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage besitzen genau gesteuerte Kristallkorngrößen ihrer Matrix und genau gesteuerte Teilchengrößen der darin verteilten intermetallischen Verbindungen und daher sind sie für eine superplastische Bearbeitung geeignet.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Figur 1 ist eine graphische Darstellung, in der die in Beispiel 1 erhaltene Beziehung zwischen der Fließspannung und der Umformungsgeschwindigkeit bei 500º C gezeigt ist.
Figur 2 ist eine graphische Darstellung, in der die in Beispiel 5 erhaltene Beziehung zwischen der Korngröße, der Fließspannung und der Bruchdehnung gezeigt ist.
Figur 3 ist eine graphische Darstellung, in der die in Beispiel 5 erhaltene Beziehung zwischen der Korngröße, der Umformungsgeschwindigkeit und der Bruchdehnung gezeigt ist.

DETAILLIERTE ERLÄUTERUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Bei den erfindungsgemäßen superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage sollte die mittlere Kristallkorngröße der Matrix im Bereich von 0,005 bis 1 µm liegen. Eine mittlere Kristallkorngröße von weniger als 0,005 um liefert keine weitere Verbesserung hinsichtlich der Bruchdehnung. Andererseits liefert eine 1 µm überschreitende mittlere Kristallkorngröße eine übermäßige Erhöhung der Verformungsspannung, wodurch die Verformungsbearbeitung schwierig und die Bruchdehnung verringert wird. Folglich wird die Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben schwierig. Die mittlere Teilchengröße der gleichmäßig in der Matrix verteil ten intermetallischen Verbindungen sollte im Bereich von 0,001 bis 0,1 µm liegen. Wenn die mittlere Teilchengröße der in der Matrix verteilten intermetallischen Verbindungen weniger als 0,001 µm beträgt, tritt erneut eine Auflösung der intermetallischen Verbindungen auf und veranlaßt einer Vergröberung der Kristallkörner. Als Ergebnis davon wird die Verformungsspannung zu hoch und die Verformungsbearbeitung wird schwierig. Andererseits wird bei einer 0,1 µm überschreitenden Teilchengröße ein Korngrenzengleiten aufgrund einer derartig hohen Teilchengröße schwierig und veranlaßt eine Vergröberung der Kristallkörner bei einer erhöhten Temperatur. Folglich können die mit dieser Erfindung ins Auge gefaßten Aufgaben nicht gelöst werden.
Die EP-A-475101 offenbart eine Zusammensetzung einer hochfesten Aluminiumlegierung mit einer mittleren Kristallgröße von 0,1 bis 80 µm und Teilchengrößen von 10 bis 500 nm, welche superplastisch sind, wenn die Korngröße auf einen Bereich innerhalb von 0,1 bis 10 µm gesteuert wird. Die untere Grenze der offenbarten Korngröße und der offenbarten Teilchengröße wurden disclaimed.
Das zur Herstellung des erfindungsgemäßen superplastischen Materials aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage herangezogene Ausgangslegierungsmaterial sollte aus einer amorphen Phase, einer mikrokristallinen Phase oder einer Mischung davon bestehen und die Ausgangsmaterialien und die daraus erhaltenen superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage besitzen vorzugsweise die durch die oben angegebenen allgemeinen Formeln dargestellten Zusammensetzungen.
In den oben angegebenen allgemeinen Formeln ist das Element M&sub1; mindestens ein aus der aus Mn, Fe, Co, Ni und Mo bestehenden Gruppe ausgewähltes Element. Wenn das Element M&sub1; in der durch die rasche Erstarrung erhaltenen Legierung auf Aluminiumgrundlage zusammen mit dem Element X enthalten ist, ist es zur Verbesserung der Bildung einer amorphen Phase und zur Erhöhung der Kristallisationstemperatur der amorphen Phase wirksam. Als weitere hierin zu bemerkende Wirkung besitzt das Element M&sub1; eine beachtliche Wirkung hinsichtlich der Verbesserung der Härte und Festigkeit einer amorphen Phase. Das Element M&sub2;, welches mindestens ein aus der aus V, Cr und W bestehende Gruppe ausgewähltes Element ist, weist neben ähnlichen Wirkungen wie das Element M&sub1; eine Wirkung hinsichtlich der Stabilisierung der unter den Herstellungsbedingungen für mikrokristalline Legierungen gebildeten mikrokristallinen Phase auf. Das Element M&sub2; bildet intermetallische Verbindungen mit anderen legierenden Elementen und verteilt sich gleichmäßig und fein über die Matrix, um dadurch die Härte und Festigkeit der resultierenden Legierung beachtlich zu verbessern und eine Vergröberung der feinen Kristallkörner bei erhöhten Temperaturen zu verhindern. Auf diese Weise kann eine für eine superplastische Bearbeitung geeignete Mikrostruktur erhalten werden. Das Element M&sub3;, welches mindestens ein aus der aus Li, Ca, Mg, Si, Cu und Zn bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, löst sich leicht in Form einer Feststofflösung in der Aluminiummatrix und trägt daher zu einer Verfestigung der Matrix bei. Darüber hinaus ist das Element M&sub3; für eine Verfestigung des Legierungsmaterials in dem Fall wirksam, indem das Legierungsmaterial einer Lösungswärmebehandlung und einer künstlichen Alterung nach der superplastischen Bearbeitung unterzogen wird.
Das Element X ist mindestens ein aus der aus Nb, Hf, Ta, Y, Zr, Ti, den Elementen der seltenen Erden und Mm (Mischmetall, was eine Mischung aus Elementen der seltenen Erden ist) bestehenden Gruppe ausgewähltes Element. In der durch eine rasche Erstarrung erhaltenen Aluminiumlegierung dient das Element X zur Verbesserung der Herstellung einer amorphen Phase sowie zur Erhöhung der Kristallisationstemperatur der amorphen Phase. Aufgrund derartig vorteilhafter Wirkungen, kann eine in beachtlicher Weise verbesserte Korrosionsbeständigkeit erhalten werden und die amorphe Phase kann bis zu hohen Temperaturen in stabiler Form beibehalten werden. Darüber hinaus bildet das Element X unter den Bedingungen für die Herstellung von mikrokristallinen Legierungen in Kombination mit den anderen zusammen damit vorliegenden Elementen intermetallische Verbindungen und liefert dadurch eine stabilisierte mikrokristalline Phase und eine hohe Festigkeit der resultierenden Legierungen. In den erfindungsgemäßen superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, welche durch die vorstehend definierten allgemeinen Formeln dargestellt werden, sind a, b, c, d und e in Atomprozent auf die Bereiche 75 bis 97% , 0,5 bis 15%, 0,1 bis 5%, 0,5 bis 5% bzw. 0,5 bis 10% begrenzt, weil Anteile außerhalb dieser Bereiche zu Schwierigkeiten bei der Bildung einer amorphen Phase oder einer die Feststofflösungsgrenze überschreitenden übersättigten Feststofflösung in der rasch erstarrten Legierung auf Aluminiumgrundlage führen.
Der zweite Gesichtspunkt der Erfindung richtet sich auf ein Verfahren zum Herstellen des oben angegebenen superplastischen Materials aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage durch Bereitstellen eines aus einer amorphen Phase, einer mikrokristallinen Phase oder einer Mischphase davon bestehenden Materials aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage durch rasches Abschrecken eines Legierungsmaterials mit einer speziellen Zusammensetzung, wie vorstehend angegeben, und anschließendes Unterziehen des Legierungsmaterials einer einfachen oder kombinierten thermomechanischen Behandlung, nach oder ohne Wärmebehandlung bei einer vorgegebenen Temperatur für eine vorgegebene Zeitdauer, um die oben angegebene Mikrostruktur zu entwickeln, durch welche die Materialien für eine superplastische Bearbeitung geeignet werden, in den resultierenden superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage.
Bei dem Herstellungsverfahren können die Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage mit denselben Zusammensetzungen, wie im Hinblick auf den ersten Gesichtspunkt der Erfindung speziell erläutert, auch als bevorzugte Ausgangsmaterialien verwendet werden.
Die Wärmebehandlung und die thermomechanische Behandlung (z.B. Walzen, Extrudieren oder dergleichen) ermöglicht den Erhalt von superplastischen Materialien, welche aus einer feinkörnigen Kristallstruktur bestehen, die eine glatte Korngrenzenmigration oder ein glattes Korngrenzengleiten erlaubt und für die resultierenden superplastischen Materialien wurde gezeigt, daß sie gute Bruchdehnungseigenschaften bei vergleichsweise großen Umformungsgeschwindigkeiten zeigen. Die vor der thermomechanischen Behandlung ausgeführte Wärmebehandlung wird zur Kristallisation des eine amorphe Phase aufweisenden Legierungsmaterials benötigt und daher kann auf diese Wärmebehandlung verzichtet werden, wenn das durch rasches Abschrecken erhaltene Legierungsmaterial aus einer mikrokristallinen Phase gebildet ist. Die vorgegebene Temperatur und die vorgegebene Dauer der Wärmebehandlung liegen im Bereich der Kristallisationstemperatur (Tx) + 100 ± 50ºC beziehungsweise im Bereich von 0,5 bis 5 Stunden. Die Temperatur und Dauer der thermomechanischen Behandlung liegen vorzugsweise im Bereich der Kristallisationstemperatur (Tx) ± 150ºC beziehungsweise im Bereich von 0,1 bis 1 Stunde.
Weil die in der allgemeinen Formel durch M&sub1; und M&sub2; dargestellten Elemente eine vergleichsweise geringe Eignung für eine Diffusion in die Aluminiummatrix zeigen, wachsen die Teilchengrößen der aus diesen Elementen gebildeten intermetallischen Verbindungen nicht, so daß während der oben angegebenen Wärmebehandlung keine Vergröberung der Teilchen auftritt. Die intermetallischen Verbindungen sind derart gleichmäßig in der Legierung verteilt, daß sie eine Pinningwirkung zeigen, mit der ein Kristallwachstum der Matrix verhindert wird. Wenn das Legierungsmaterial vor der Wärmebehandlung mit einer thermomechanischen Behandlung (z.B. einer plastischen Bearbeitung) einer mechanischen Spannung ausgesetzt wird, bildet sich in der Aluminiummatrix ein Netz von Versetzungen, welches viele Keimstellen für die Bildung intermetallischer Verbindungen bereitstellt und die gleichmäßige Verteilung von intermetallischen Verbindungen fördert, die aus den in den allgemeinen Formeln durch M&sub1;, M&sub2; und M&sub3; dargestellten Elementen hergestellt sind, wodurch eine Vergröberung der Kristallkörner der Matrix verhindert sowie die Festigkeit der Legierung verbessert wird.
Weil mit dem oben erläuterten Herstellungsverfahren die Kristallkorngröße des aus einer amorphen Phase, einer mikrokristallinen Phase mit Kristallkorngrößen von etwa 5 bis 30 nm oder einer Mischphase davon bestehenden Legierungsmaterials auf dem Bereich von 0,005 bis 1µm gesteuert wird, kann eine Korngrößensteuerung mit feineren Kristallkörnern einfach erreicht werden, verglichen mit einem Rekristallisationsvorgang während einer Bearbeitung, der üblicherweise für die Korngrößensteuerung herkömmlicher superplastischer Materialien benutzt wird. Ahnliche Wirkungen können auch für die in den Kristallkörnern der Matrix verteilten intermetallischen Verbindungen beobachtet werden und die Teilchengröße der intermetallischen Verbindungen kann mit der Wärmebehandlung oder der thermomechanischen Behandlung einfach gesteuert werden.
Weil das erfindungsgemäß erhaltene Legierungsmaterial eine herausragende Wärmebeständigkeit aufweist und selbst bei hohen Temperaturen kein Kristallwachstum zeigt, können nach der thermomechanischen Behandlung feine Kristallkörner und Teilchen aus intermetallischen Verbindungen gebildet werden und es können gute Hochtemperaturfestigkeitseigenschaften erzielt werden. Indem das Legierungsmaterial erfindungsgemäß der Wärmebehandlung und den thermomechanischen Behandlungen unterzogen wird, können darüber hinaus superplastische Legierungsmaterialien mit einer feinkörnigen, kristallinen Mikrostruktur, welche eine glatte Korngrenzenmigration oder ein glattes Korngrenzengleiten erlaubt, erhalten werden. Die so erhaltenen Materialien haben sich als Materialien erwiesen, welche eine hohe Bruchdehnung bei einer vergleichsweisen großen Umformungsgeschwindigkeit zeigen.
Das erfindungsgemäße superplastische Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage kann auch aus einem Ausgangsmaterial erhalten werden, welches aus einer mikrokristallinen Struktur mit einer mittleren Kristallkorngröße von 1 µm oder weniger besteht, durch Steuern der mittleren Kristallkorngröße und der mittleren Teilchengröße der dispergierten intermetallischen Verbindungen auf die oben angegebenen Bereiche.
Nachstehend wird die Erfindung auf Grundlage der folgenden Beispiele genauer erläutert.

Beispiel 1

Mit einem Gaszerstäubungsverfahren wurde ein Pulver mit einer gemäß der Formel Al88,5Ni8Mm3,5 gebildeten Zusammensetzung mit einer mittleren Teilchengröße von 13 µm hergestellt. Das resultierende Pulver bestand aus einer amorphen Phase und einer feinkörnigen Aluminiumfeststofflösungsphase mit einer mittleren Korngröße von 10 bis 200 nm. Das Pulver wurde in eine Metallkapsel aus Kupfer mit einem Außendurchmesseer von 40 mm und einer Wandstärke von 1 mm gefüllt, dann über einen Zeitraum von 3 Stunden bei 400ºC thermisch behandelt und durch Pressen bei einem Druck von 200 MPa zu einem Extrusionspressling geformt. In dieser Stufe war die Kristallisation soweit fortgeschritten, daß die mittlere Kristallkorngröße der Matrix und die mittlere Teilchengröße der Phase aus darin verteilten intermetallischen Verbindungen auf 0,1 bis 0,3 µm beziehungsweise auf 0,05 µm oder weniger gesteuert war. Der so hergestellte Pressling wurde zur Herstellung eines extrudierten Stabes mit einem Durchmesser von 12 mm mit einem Extrusionsverhältnis von 10 bei 360ºC extrudiert. In dieser Stufe war die mittlere Kristallkorngröße der Phase aus einer Al-Matrix und die mittlere Teilchengröße der intermetallischen Verbindungen genauso wie in dem oben angegebenen Extrusionspressling und es wurde keine Änderung beobachtet. Es wurde die Zugfestigkeit des extrudierten Stabes gemessen und herausgefunden, daß sie 910 MPa betrug.
Der extrudierte Stab wurde zu Zugbelastungsproben weiterverarbeitet (Meßteil: Durchmesser = 3 mm) und Zugverformungen bei Umformungsgeschwindigkeiten von 10&sup0;s&supmin;¹, 10¹s&supmin;¹ beziehungsweise 10²s&supmin;¹ und jeweiligen Testtemperaturen von 400ºC, 500ºC und 600ºC unterzogen. Die Testergebnisse sind nahestehend in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
Aus Tabelle 1 geht hervor, daß selbst bei hohen Umformungsgeschwindigkeiten große Bruchdehnungen erhalten werden konnten. Darüber hinaus betrugen die Fließspannungswerte der Proben bei 500ºC etwa 60 MPa bei 10&sup0;s&supmin;¹ und 170 bis 50 MPa bei 10¹s&supmin;¹ (vergleiche Figur 1). In dieser Stufe trat ein leichtes Kristallwachstum in der Struktur der Proben auf. Falls die Zugverformung bei 500ºC und bei 10¹s&supmin;¹ bei einem Verformungsgrad von 300ºC unterbrochen wurde, zeigten die Proben jedoch eine Zugfestigkeit von 870 MPa bei Raumtemperatur ohne eine wesentliche Verringerung der Festigkeit.

Beispiel 2

200 g desselben Pulvers, wie vorstehend angegeben wurde abgewogen und zum mechanischen Legieren (MA) in ein aus rostfreiem Stahl hergestelltes 2 Liter-Gefäß gegeben. Das Pulver wurde mechanischen Legierungsbehandlungen mit 2 kg Kugeln aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 10 mm bei einer Umdrehungsgeschwindigkeit von 40 U/Min für 3 Stunden in Argongas unterzogen. Das so erhaltene Pulver wurde extrudiert und genauso wie im beschriebenen Beispiel 1 einer Zugbearbeitung ausgesetzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 dargestellt. In dem den Wärmebehandlungen ausgesetzten Material wurden die mittlere Kristallkorngröße der Matrix und die mittlere Teilchengröße der intermetallischen Verbindungen auf 0,1 bis 0,2 um beziehungsweise 0,03 µm gesteuert. Das extrudierte Material besaß eine Festigkeit von 980 MPa bei Raumtemperatur und wenn dasselbe Material bei einer Temperatur von 500ºC und einer Umformungsgeschwindigkeit von 10¹s&supmin;¹ bis zu 300% verformt wurde, besaß das verformte Material eine Festigkeit von 920 MPa. Wie in der Tabelle dargestellt, ist ersichtlich, daß eine bessere Bruchdehnung durch das mechanische Legieren erhalten werden kann. Diese Wirkungen sind der Verfeinerungen der Matrix und der intermetallischen Verbindungen zuzuschreiben und die Verfeinerung resultiert aus einer durch das mechanische Legieren induzierten Versetzung. Tabelle 2

Beispiel 3

Genauso wie im Beispiel 1 wurde ein aus Al&sub8;&sub5;Ni&sub5;Y&sub1;&sub0; bestehender extrudierter Stab erhalten, zu Zugbeanspruchungsproben mit einem Meßteildurchmesser von 3 mm weiterverarbeitet. Die Zugbeanspruchungsproben wurden Zugverformungen bei Temperaturen von 400ºC, 500ºC und 600ºC und bei Umformungsgeschwindigkeiten von 10&supmin;¹s&supmin;¹, 10&sup0;s&supmin;¹, 10¹s&supmin;¹ und 10²s&supmin;¹ unterzogen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 dargestellt. Tabelle 3

Beispiel 4

Genauso wie im Beispiel 3 wurden 37 unterschiedliche extrudierte Stäbe erhalten und ähnlich wie in Beispiel 1 wurden deren Bruchdehnungen aufgrund von Zugverformungen bei unterschiedlichen Temperaturen und Umformungsgeschwindigkeiten vermessen. In Tabelle 4 sind beispielhaft die Ergebnisse für eine Testtemperatur von 550ºC dargestellt. Tabelle 4 Tabelle 4 (Fortsetzung)

Beispiel 5

Durch ein Gaszerstäubungsverfahren wurde ein Al88.5Ni&sub5;Fe&sub2;Zr&sub1;Mm3.5 - Legierungspulver hergestellt. Aus dem Legierungspulver wurden genauso wie im Beispiel 1 Testproben hergestellt, außer daß die Temperatur bei der thermischen Behandlung und die Temperatur bei der Extrusion zur Änderung der Kristallkorngröße der Matrix geändert wurden. Die Proben wurden hinsichtlich der Auswirkungen der Umformungsgeschwindigkeiten auf ihre Bruchdehnungen in Abhängigkeit von den Änderungen ihrer Kristallkorngrößen untersucht. Die Ergebnisse sind in den Figuren 2 und 3 dargestellt.
Wie in diesen Figuren dargestellt, konnten selbst bei einer Erhöhung der Umformungsgeschwindigkeiten große Bruchdehnungen erhalten werden und die Bruchdehnungen wurden mit einer Verringerung der Korngröße größer. Andererseits zeigten die Fließspannungswerte eine Tendenz dahingehend, daß sie mit einer Verringerung der Korngröße niedriger werden.
Es wurde ausgeführt, daß die erfindungsgemäßen superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage für eine Bearbeitung bei einer vergleichsweisen hohen Geschwindigkeit, wie etwa Schmieden mit hoher Geschwindigkeit, Auswölben mit hoher Geschwindigkeit, Walzen mit hoher Geschwindigkeit, Ziehen mit hoher Geschwindigkeit usw. geeignet sind und mit diesen Bearbeitungstechniken mit hoher Geschwindigkeit unter Beibehaltung ihrer vorteilhaften Eigenschaften, wie etwa ihrer hohen Festigkeit und Wärmebeständigkeit, welche rasch erstarrten Legierungen eigen sind, zu komplizierten Formen geformt werden können. Daher sind die superplastischen Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage industriell sehr nützlich. Darüber hinaus können mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren derartige überlegende superplastische Materialien aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage einfach hergestellt werden.

Claims

1. Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, bestehend aus einer aus Aluminium oder einer übersättigten Aluminiumfeststofflösung gebildeten Matrix, deren mittlere Kristallkorngröße 0,005 bis 1 µm beträgt, und Teilchen, welche aus einer stabilen oder einer metastabilen Phase aus dem Hauptlegierungselement (d.h. dem Matrixelement) und den anderen legierenden Elementen gebildeter, verschiedenartiger intermetallischer Verbindungen und/oder aus aus den anderen legierenden Elementen gebildeten verschiedenartigen intermetallischen Verbindungen hergestellt sind, welche gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, wobei die Teilchen eine mittlere Teilchengröße von 0,001 bis 0,1 µm aufweisen und das Legierungsmaterial einer superplastischen Bearbeitung bei Umformungsgeschwindigkeiten von 10&supmin;¹s&supmin;¹ oder mehr unterzogen werden kann,

mit Ausnahme

einer hochfesten Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer gemäß der folgenden allgemeinen Formel gebildeten Zusammensetzung:

AlaMbLnc, wobei:

M mindestens ein aus der aus Co, Ni und Cu bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist,

Ln mindestens ein aus der aus Y, den Elementen der seltenen Erden und Mm (Mischmetall) was ein Komposit aus Elementen der seltenen Erden ist, bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist und

a, b und c Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15 und 0,5 ≤ c ≤ 10, wobei die Legierung aus einer Aluminiummatrix oder einer übersättigten Aluminiumfeststofflösung gebildet ist, mit einer mittleren Kristallkorngröße von 0,1 µm bis 1 µm und darin eine gleichmäßige Verteilung von Teilchen einer metastabilen oder stabilen Phase enthält, die aus intermetallischen Verbindungen gebildet sind, welche zwischen dem Wirdelement (Matrixelement) und den oben angegebenen legierenden Elementen und/oder zwischen den legierenden Elementen gebildet sind, wobei die intermetallischen Verbindungen eine mittlere Teilchengröße von 10 nm bis 100 nm aufweisen

und außer

AlaMbXdLnc , wobei:

X mindestens ein aus der aus V, Mn, Fe, Mo, Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Metallelement ist,

a, b, c und d Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,5 ≤ c ≤ 10 und 0,5 ≤ d ≤ 3

wobei die Legierung aus einer Aluminiummatrix oder aus einer übersättigten Feststofflösung gebildet ist, mit einer mittleren Kristallkorngröße von 0,1 µm bis 1 µm darin eine gleichmäßige Verteilung von Teilchen einer metastabilen oder stabilen Phase enthält, die aus intermetallischen Verbindungen, welche zwischen dem Wirdelement (Matrixelement) und den oben angegebenen legierenden Elementen und/oder zwischen den legierenden Elementen gebildet sind, wobei die intermetallischen Verbindungen eine mittlere Teilchengröße von 10 nm bis 400 nm aufweisen.

2. Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage nach Anspruch 1, bei der das superplastische Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage aus einer Zusammensetzung besteht, welche durch die folgende allgemeine Formel dargestellt wird:

AlaM1bXe, wobei:

M&sub1; mindestens ein aus der aus Mn, Fe, Co, Ni und Mo bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist,

X mindestens ein aus der aus Nb, Hf, Ta, Y, Zr, Ti, den Elementen der seltenen Erden und einer Mischung (Mm: Mischmetall) von Elementen der seltenen Erden bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist und

a, b und e Angaben in Atomprozent sind für die gilt: 75 a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15 und 0,5 ≤ e ≤ 10.

3. Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage nach Anspruch 1, bei dem das superplastische Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage aus einer Zusammensetzung besteht, welche durch die folgende allgemeine Formel dargestellt wird:

AlaM1(b-c)M2cXe, wobei:

M&sub2; mindestens ein aus der aus V, Zr und W bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist,

a, b, c und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,1 ≤ c ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10, unter der Voraussetzung, daß gilt: c < b.

4. Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage nach Anspruch 1, bei dem das superplastische Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage aus einer Zusammensetzung besteht, welche durch die folgende allgemeine Formel dargestellt wird:

AlaM1(b-d)M3dXe, wobei:

M&sub3; mindestens ein aus der aus Li, Ca, Mg, Si, Cu und Zn bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist,

a, b, d und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,5 ≤ d ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10, unter der Voraussetzung, das gilt: d < b.

5. Superplastisches Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage nach Anspruch 1, bei dem das superplastische Material aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage aus einer Zusammensetzung besteht, welche durch die folgende allgemeine Formel dargestellt wird:

AlaM1(b-c-d)M2cM3dXe, wobei:

a, b, c, d und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,1 ≤ c ≤ 5; 0,5 ≤ d ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10, unter der Voraussetzung, das gilt: (c+d) < b.

6. Superplastische Legierung auf Aluminiumgrundlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die superplastische Bruchdehnung 60% oder mehr beträgt.

7. Verfahren zum Herstellen eines superplastischen Materials aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, welche einer superplastischen Bearbeitung bei Umformungsgeschwindigkeiten von 10&supmin;¹s&supmin;¹ oder mehr unterzogen werden kann, wobei das Verfahren aufweist:

Bilden einer Legierung auf Aluminiumgrundlage, bestehend aus einer amorphen Phase, einer mikrokristallinen Phase oder einer Mischphase davon, durch rasches Abschrecken eines Legierungsmaterial mit einer speziellen Zusammensetzung,

wenn eine Legierung auf Aluminiumgrundlage, die aus einer amorphen Phase oder einer Mischphase aus einer amorphen Phase und einer mikrokristallinen Phase besteht, gebildet wurde:

Wärmebehandeln der Legierung auf Aluminiumgrundlage bei einer Temperatur im Bereich der Kristallisationstemperatur (Tx) +100 150ºC für 0,5 bis 5 Stunden und

Unterziehen der Legierung auf Aluminiumgrundlage einer einfachen oder einer kombinierten thermomechanischen Behandlung zur Bereitstellung eines Materials mit einer für eine superplastische Bearbeitung geeigneten Mikrostruktur, wobei die Mikrostruktur besteht aus einer aus Aluminium oder einer übersättigten Aluminiumfeststofflösung gebildeten Matrix, deren mittlere Kristallkorngröße 0,005 bis 1 µm beträgt, und Teilchen, die aus einer stabilen Phase oder einer metastabilen Phase aus dem Hauptlegierungselement (d.h. den Matrixelementen) und den anderen legierenden Elementen gebildeter, verschiedenartiger intermetallischer Verbindungen und/oder aus den anderen legierenden Elementen gebildeter, intermetallischer Verbindungen hergestellt sind und gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, wobei die Teilchen eine mittlere Teilchengröße von 0,001 bis 0,1 µm aufweisen.

8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die spezielle Zusammensetzung durch die folgende allgemeine Formel dargestellt wird:

AlaM1bXe, wobei:

a, b und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15 und 0,5 ≤ e ≤ 10.

9. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die spezielle Zusammensetzung durch die folgende allgemeine Formel dargestellt wird:

AlaM1(b-c)M2cXe, wobei:

a, b, c und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,1 ≤ c ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10, vorausgesetzt, daß gilt: c ≤ b.

10. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die spezielle Zusammensetzung durch die folgende allgemeine Formel dargestellt wird:

AlaM1(b-d)M3dX-z, wobei:

a, b, d und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,5 ≤ d ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10, unter der Voraussetzung, daß gilt: d ≤ b.

11. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die spezielle Zusammensetzung durch die folgende allgemeine Formel dargestellt wird:

AlaM1(b-c-d)M2cM3dXe, wobei:

M&sub3; mindestens ein aus der aus Li, Ca, Mg, Si, Cu und Zn bestehenden Gruppe ausgewähltes Eleinent ist,

a, b, c, d und e Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 75 ≤ a ≤ 97; 0,5 ≤ b ≤ 15; 0,1 ≤ c ≤ 5; 0,5 ≤ d ≤ 5 und 0,5 ≤ e ≤ 10, unter der Voraussetzung, daß gilt: (c+d) < b.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß es zum Herstellen eines Materials auf Aluminiumgrundlage, welches eine Bruchdehnung von 60% oder mehr zeigt, einsetzbar ist.