DE69220324T2 - High-strength aluminum-based alloy with high toughness - Google Patents
High-strength aluminum-based alloy with high toughnessInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine mit einem Abschreckerstarrungsverfahren herstellbare Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und einer exzellenten Zähigkeit.The invention relates to an aluminum-based alloy that can be produced by a quench solidification process and has high strength and excellent toughness.
Legierungen auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Wärmebeständigkeit wurden bislang mit einem Flüssigkeitsabschreckverfahren hergestellt, wie in der japanischen Patentoffenlegungsschrift mit der Nummer 275732/1989 offenbart. Die mit dem Flüssigkeitsabschreckverfahren erhaltene Legierung auf Aluminiumgrundlage ist eine amorphe oder mikrokristalline Legierung und ist eine exzellente Legierung mit einer hohen Festigkeit, einer hohen Wärmebeständigkeit und einer hohen Korrosionsbeständigkeit.Aluminium-based alloys with high strength and high heat resistance have so far been by a liquid quenching process as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 275732/1989. The aluminum-based alloy obtained by the liquid quenching process is an amorphous or microcrystalline alloy and is an excellent alloy having high strength, high heat resistance and high corrosion resistance.
Weitere Legierungen auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Wärmebeständigkeit sind in der EP-A-445684 und der der JP-A-1275732 entsprechenden EP-A- 339676 offenbart.Further aluminium-based alloys having high strength and high heat resistance are disclosed in EP-A-445684 and EP-A-339676 corresponding to JP-A-1275732.
Wenngleich die oben angegebenen, herkömmlichen Legierungen auf Aluminiumgrundlage exzellente Legierungen sind, welche eine hohe Festigkeit, eine hohe Wärmebeständigkeit und eine hohe Korrosionsbeständigkeit zeigen und trotz ihrer Eigenschaft als hochfestes Material auch sehr gut bearbeitbar sind, erlauben sie noch weitere Verbesserungen hinsichtlich ihrer Zähigkeit, wenn sie als Material verwendet werden, von dem eine hohe Zähigkeit gefordert wird. Als allgemeine Regel gilt, daß eine mit einem Flüssigkeitsabschreckverfahren hergestellte Legierung dahingehend mit Problemen behaftet ist, daß sie bei thermischen Einflüssen während der Bearbeitung empfindlich ist und daß sie aufgrund der thermischen Einflüsse abrupt ihre exzellenten Eigenschaften, wie etwa ihre hohe Festigkeit verliert. Die oben angegebenen Legierungen auf Aluminiumgrundlage bilden keine Ausnahme der vorstehend erläuterten allgemeinen Regel und lassen noch Raum für weitere Verbesserungen in dieser Hinsicht.Although the above-mentioned conventional aluminum-based alloys are excellent alloys which exhibit high strength, high heat resistance and high corrosion resistance and are also very machinable despite their nature as high-strength materials, they still allow further improvements in their toughness when used as materials for which high toughness is required. As a general rule, an alloy produced by a liquid quenching process has problems in that it is sensitive to thermal influences during machining and that it abruptly loses its excellent properties such as high strength due to the thermal influences. The above-mentioned aluminum-based alloys are no exception to the above-mentioned general rule and still leave room for further improvements in this respect.
Legierungen der Art, die im Disclaimer des beigefügten Anspruchs angegeben ist, sind in der lediglich unter Artikel 54(3) EPÜ genannten EP-A-475101 offenbart.Alloys of the kind specified in the disclaimer of the appended claim are disclosed in EP-A-475101, cited only under Article 54(3) EPC.
Im Hinblick auf die vorstehende Erläuterung besteht eine Aufgabe der Erfindung in der Bereitstellung einer hochfesten Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Zähigkeit, welche ihre durch ein Abschreckerstarrungsverfahren bereitgestellten, exzellenten Eigenschaften sowie ihre hohe Festigkeit und ihre hohe Zähigkeit behält, selbst wenn sie bei einer Bearbeitung einem thermischen Einfluß ausgesetzt wird.In view of the above explanation, an object of the invention is to provide a high-strength aluminum-based alloy with a high toughness, which retains its excellent properties provided by a quench solidification process as well as its high strength and its high toughness even when subjected to thermal influence during processing.
Die Erfindung liefert eine hochfeste Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Zähigkeit, welche eine durch die folgende allgemeine Formel dargestellte Zusammensetzung aufweist:The invention provides a high strength aluminum-based alloy with high toughness having a composition represented by the following general formula:
AlaNibXcMd,AlaNibXcMd,
wobei X mindestens ein aus der aus La, Ce, Mm (Mischmetall), Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist, M mindestens ein aus der Y, Nb, Hf, Ta und W bestehenden Gruppe ausgewähltes Element ist und a, b, c und d Angaben in Atomprozent sind, für die gilt: 85 ≤ a ≤ 94,4; 5 ≤ b ≤ 10; 0,5 ≤ c ≤ 3 und 0,1 ≤ d ≤ 2, mit Ausnahme der in der EP-A-475101 offenbarten Legierungen.where X is at least one element selected from the group consisting of La, Ce, Mm (misch metal), Ti and Zr, M is at least one element selected from the group consisting of Y, Nb, Hf, Ta and W, and a, b, c and d are atomic percent, for which 85 ≤ a ≤ 94.4; 5 ≤ b ≤ 10; 0.5 ≤ c ≤ 3 and 0.1 ≤ d ≤ 2, with the exception of the alloys disclosed in EP-A-475101.
Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung eines Beispiels eines zur Herstellung der erfindungsgemäßen Legierung gut geeigneten Gerätes.The single figure shows a schematic representation of an example of a device well suited for producing the alloy according to the invention.
In der erfindungsgemäßen Legierung besitzt das Element Ni eine überlegene Eignung zur Ausbildung einer amorphen Phase oder einer übersättigten Feststofflösung und dient zur Verfeinerung der Kristallstruktur der Legierung, einschließlich der intermetallischen Verbindungen, und zur Herstellung einer hochfesten Legierung mit einem Abschreckerstarrungsverfahren. Der Anteil an Ni in der oben angegebenen Legierung ist auf 5 bis 10 Atomprozent begrenzt, weil ein Anteil von weniger als 5 Atomprozent zu einer unzureichenden Festigkeit der durch die rasche Abschreckung erhaltenen Legierung führt, während ein 10 Atomprozent überschreitender Anteil einen plötzlichen Abfall der Zähigkeit (Duktilität) der so erhaltenen Legierung zum Ergebnis hat.In the alloy of the present invention, the element Ni has superior ability to form an amorphous phase or a supersaturated solid solution and serves to refine the crystal structure of the alloy including intermetallic compounds and to produce a high-strength alloy by a quench solidification process. The content of Ni in the above alloy is limited to 5 to 10 atomic percent because a content of less than 5 atomic percent results in insufficient strength of the alloy obtained by rapid quenching, while a content exceeding 10 atomic percent results in a sudden drop in the toughness (ductility) of the alloy thus obtained.
Das Element X ist mindestens ein aus der aus La, Ce, Mm, Ti und Zr bestehenden Gruppe ausgewähltes Element und dient zur Verbesserung der thermischen Stabilität der amorphen Struktur, der übersättigten Feststofflösung oder der mikrokristallinen Struktur sowie zur Verbesserung der Festigkeit der Legierung. Der Anteil des Elementes X in der oben angegebenen Legierung ist auf 0,5 bis 3 Atomprozent begrenzt, weil ein Anteil davon von weniger als 0,5 Atomprozent zu Unzulänglichkeiten hinsichtlich der oben angegebenen Wirkungen führt, während ein 3 Atomprozent überschreitender Anteil einen plötzlichen Abfall der Zähigkeit (Duktilität) der so erhaltenen Legierung zum Ergebnis hat.The element X is at least one element selected from the group consisting of La, Ce, Mm, Ti and Zr and serves to improve the thermal stability of the amorphous structure, the supersaturated solid solution or the microcrystalline structure and to improve the strength of the alloy. The content of the element X in the above-mentioned alloy is limited to 0.5 to 3 atomic percent because a content thereof of less than 0.5 atomic percent leads to inadequacies in the effects specified above, while a content exceeding 3 atomic percent results in a sudden drop in the toughness (ductility) of the alloy thus obtained.
Das Element M ist mindestens ein aus der aus Y, Nb, Hf, Ta und W bestehenden Gruppe ausgewähltes Element und dient zur Verbesserung der thermischen Stabilität der rasch erstarrten Struktur, wie etwa der amorphen Stuktur, der übersättigten Feststofflösung oder der mikrokristallinen Struktur, und zur Beibehaltung der oben erläuterten Eigenschaften, selbst wenn die Legierung einem thermischen Einfluß ausgesetzt wird. Die Zugabe des Elementes M zu der Legierung in einer geringen Menge übt keinen nachteilhaften Einfluß auf die exzellente Zähigkeit (Duktilität) der Legierung auf Al-Ni-X-Grundlage aus. Der Anteil des Elementes M in der oben angegebenen Legierung ist auf 0,1 bis 2 Atomprozent begrenzt, weil ein Anteil davon von weniger als 0,1 Atomprozent zu Unzulänglichkeiten hinsichtlich der oben erläuterten Wirkungen führt, während ein 2 Atomprozent überschreitender Anteil eine Wirkung zum Ergebnis hat, mit der die Verfeinerung der oben angegebenen rasch erstarrten Struktur verhindert wird, und einen nachteilhaften Einfluß auf die Zähigkeit (Duktilität) der so erhaltenen Legierung ausübt.The element M is at least one element selected from the group consisting of Y, Nb, Hf, Ta and W and serves to improve the thermal stability of the rapidly solidified structure, such as the amorphous structure, the supersaturated solid solution or the microcrystalline structure, and to Retention of the above-mentioned properties even when the alloy is subjected to thermal influence. The addition of the element M to the alloy in a small amount does not exert an adverse influence on the excellent toughness (ductility) of the Al-Ni-X-based alloy. The content of the element M in the above-mentioned alloy is limited to 0.1 to 2 atomic percent because a content thereof of less than 0.1 atomic percent results in inadequacies in the above-mentioned effects, while a content exceeding 2 atomic percent results in an effect of preventing the refinement of the above-mentioned rapidly solidified structure and exerts an adverse influence on the toughness (ductility) of the alloy thus obtained.
Die erfindungsgemäße Legierung auf Aluminiumgrundlage wird durch rasches Erstarren der Schmelze der Legierung mit der oben angegebenen Zusammensetzung mittels eines Flüssigkeitsabschreckverfahrens erhalten. In diesem Fall ist eine Kühlgeschwindigkeit von 10&sup4; - 10&sup6; K/Sek besonders wirksam.The aluminum-based alloy of the invention is obtained by rapidly solidifying the melt of the alloy having the above composition by means of a liquid quenching process. In this case, a cooling rate of 10⁴ - 10⁴ K/sec is particularly effective.
Nachstehend wird die Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf das Beispiel erläutert.The invention will now be explained in more detail with reference to the example.
Mit einem Hochfrequenz-Schmelzofen wurde eine geschmolzene Legierung 3 mit einer vorgegebenen Zusammensetzung hergestellt, in ein Quarzrohr mit einem kleinen Loch 5 mit einem Durchmesser von 0,5 mm an seinem Ende eingefüllt, wie in der Figur dargestellt, und durch Erwärmen geschmolzen. Danach wurde das Quarzrohr 1 unmittelbar oberhalb einer Kupferrolle angeordnet. Dann wurde die geschmolzene Legierung im Quarzrohr 1 aus dem kleinen Loch 5 des Quarzrohrs 1 auf die sich mit einer hohen Geschwindigkeit von 3.000 - 5.000 U/Min drehende Rolle 2 ausgestoßen, und zwar unter einem Argongas-Druck von 0,7 kg/cm², und in Kontakt mit der Oberfläche der Rolle 2 gebracht, zum Erhalt eines rasch erstarrten, dünnen Legierungsbandes 4.A molten alloy 3 having a predetermined composition was prepared using a high frequency melting furnace, filled into a quartz tube having a small hole 5 having a diameter of 0.5 mm at its end as shown in the figure, and melted by heating. After that, the quartz tube 1 was placed immediately above a copper roller. Then, the molten alloy in the quartz tube 1 was discharged from the small hole 5 of the quartz tube 1 onto the roll 2 under an argon gas pressure of 0.7 kg/cm² and brought into contact with the surface of roll 2 to obtain a rapidly solidified thin alloy ribbon 4.
Unter den oben angegebenen Herstellungsbedingungen wurden 16 Arten dünner Bänder mit einer Breite von 1 mm und einer Dicke von 20 µm erhalten, die jeweils eine Zusammensetzung aufwiesen, welche in Tabelle 1 in Atomprozent angegeben ist. Als Ergebnis einer Röntgenbeugungsuntersuchung, welche für jedes der Bänder durchgeführt wurde, wurde bestätigt, daß sowohl amorphe Legierungen als auch Kompositlegierungen, die aus einer amorphen Phase und einer mikrokristallinen Phase gebildet waren, erhalten wurden, wie in der äußerst rechten Spalte in Tabelle 1 dargestellt. Die Ergebnisse einer Beobachtung der Proben der oben angegebenen Kompositlegierungen unter einem TEM (Transmissionselektronenmikroskop) ergaben die Struktur einer Mischphase, in der eine aus einer FCC (kubisch flächenzentrierten) Struktur bestehende kristalline Phase gleichmäßig und fein in der amorphen Phase verteilt war. In Tabelle 1 bezeichnen "amorph" und "mikrokrist." eine amorphe bzw. eine mikrokristalline Struktur. Tabelle 1 Tabelle 1 (Fortsetzung) Tabelle 1 (Fortsetzung) Under the above manufacturing conditions, 16 kinds of thin ribbons with a width of 1 mm and a thickness of 20 µm were obtained, each having a composition shown in atomic percent in Table 1. As a result of an X-ray diffraction study conducted for each of the ribbons, it was confirmed that both amorphous alloys and composite alloys formed of an amorphous phase and a microcrystalline phase were obtained, as shown in the rightmost column in Table 1. The results of observation of the samples of the above composite alloys under a TEM (transmission electron microscope) revealed the structure of a mixed phase in which a crystalline phase consisting of an FCC (face-centered cubic) structure was uniformly and finely dispersed in the amorphous phase. In Table 1, "amorphous" and "microcrystalline" denote an amorphous and a microcrystalline structure, respectively. Table 1 Table 1 (continued) Table 1 (continued)
Jede der unter den vorstehend angegebenen Herstellungsbedingungen erhaltenen Proben der oben angegebenen dünnen Bänder wurde hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit bei Raumtemperatur und in einer Umgebung mit 473 K (200ºC) und hinsichtlich ihrer Zähigkeit (Duktilität) geprüft. Die Ergebnisse sind in der äußerst rechten Spalte in Tabelle 2 angegeben. Die Zugfestigkeit in einer Umgebung von 473 K wurde bei 473 K geprüft, nachdem die Probe aus einem dünnen Band über einen Zeitraum von 100 Stunden bei 473 K gelagert worden war.Each of the samples of the above thin tapes obtained under the above manufacturing conditions was tested for its tensile strength at room temperature and in a 473 K (200ºC) environment and for its toughness (ductility). The results are shown in the rightmost column in Table 2. The tensile strength in a 473 K environment was tested at 473 K after the thin tape sample was stored at 473 K for 100 hours.
Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, besitzt die erfindungsgemäße Legierung auf Aluminiumgrundlage sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhten Temperaturen eine sehr hohe Festigkeit, d.h. eine Zugfestigkeit von 850 MPa oder mehr bei Raumtemperatur und eine Zugfestigkeit von 500 MPa oder mehr in einer Umgebung von 473 K, ohne eine starke Veringerung der Festigkeit bei einer erhöhten Temperatur; daneben besitzt sie eine Dehnbarkeit von 1 % oder mehr bei Raumtemperatur, was sie als Material mit einer exzellenten Zähigkeit ausweist. Tabelle 2 Wie vorstehend erläutert, besitzt die erfindungsgemäße Legierung auf Aluminiumgrundlage eine hohe Festigkeit und eine hohe Zähigkeit und kann die durch eine Abschreckerstarrung erhaltenen exzellenten Eigenschaften beibehalten, selbst wenn sie während der Bearbeitung einem thermischen Einfluß ausgesetzt wird. Zusätzlich liefert sie ein Legierungsmaterial mit einer hohen spezifischen Festigkeit aufgrund der minimierten Anteile von Elementen mit einer hohen spezifischen Schwere, die der Legierung zuzugeben sind.As is clear from Table 2, the aluminum-based alloy of the present invention has very high strength both at room temperature and at elevated temperatures, that is, a tensile strength of 850 MPa or more at room temperature and a tensile strength of 500 MPa or more in an environment of 473 K without a great reduction in strength at an elevated temperature; besides, it has a ductility of 1% or more at room temperature, which shows it to be a material having excellent toughness. Table 2 As explained above, the aluminum-based alloy of the present invention has high strength and high toughness and can maintain the excellent properties obtained by quench solidification even when subjected to thermal influence during working. In addition, it provides an alloy material having a high specific strength due to the minimized amounts of elements having a high specific gravity to be added to the alloy.
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|---|---|---|---|
| 8364 | No opposition during term of opposition | ||
| 8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |