DE69528432T2

DE69528432T2 - Hochfeste und hochsteife Aluminiumbasislegierung und deren Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE69528432T2
Application number: DE1995628432
Authority: DE
Inventors: Yuma Horio; Akihisa Inoue; Hisamichi Kimura
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 1994-11-02
Filing date: 1995-11-02
Publication date: 2003-06-12
Anticipated expiration: 2015-11-03
Also published as: EP0710730B1; EP0710730A2; EP0710730A3; DE69528432D1

Description

Hintergrund der Erfindung

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Aluminium-Basislegierung zur Nutzung in einem weiten Bereich von Anwendungen, so wie in strukturellem Material oder Flugzeugen, Fahrzeugen und Schiffen und für Maschinenteile. Darüber hinaus kann die vorliegende Erfindung verwendet werden bei Schiebefensterrahmen, Bedachungsmaterialien und Außenmaterialien, zur Verwendung im Bau oder als Material zur Verwendung in Schiffsausrüstung, Kernreaktoren und Ähnlichem.

Beschreibung verwandter Technik

Als Aluminium-Basislegierungen nach dem Stand der Technik sind Legierungen bekannt, welche verschiedene Komponenten, wie zum Beispiel, Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Cu-Si, Al-Cu-Mg und Al-Zn-Mg enthalten. Bei all den erwähnten werden überlegene antikorrosive Eigenschaften bei leichtem Gewicht erreicht und daher werden die vorher erwähnten Legierungen weithin als strukturelle Materialien bzw. Baumaterialien für Maschinen, in Fahrzeugen Schiffen und Flugzeugen benutzt, wobei sie zusätzlich in Schiebefensterrahmen, Bedachungsmaterialien, Außenmaterialien, zur Nutzung im Bau, in strukturellem Material, für die Verwendung in LNG Tanks und ähnlichem Verwendung finden.
Nichtsdestoweniger zeigen Aluminium-Basislegierungen nach dem Stand der Technik generell Nachteile wie geringe Härte und schlechte Hitzebeständigkeit, wenn sie mit Material verglichen werden, welches Fe enthält. Darüber hinaus bleiben, obwohl einige Materialien Elemente wie z. B. Cu, Mg, und Zn für erhöhte Härte enthalten, Nachteile wie niedrige antikorrosive Eigenschaften.
Andererseits sind jüngst Experimente durchgeführt worden, in denen eine feine metallographische Struktur von Aluminium-Basislegierungen erhalten wurde, indem Schnellabkühlungs-Verfestigung aus einem Flüssigkeitsschmelz-Zustand durchgeführt wurde, was in der Produktion überlegener mechanischer Festigkeit und antikorrosiver Eigenschaften resultiert.
In der Japanischen Patentanmeldung, Erste Veröffentlichungsnummer 1- 275732 wird eine Aluminium-Basislegierung vorgestellt, welche eine Zusammensetzung AlMIX mit einem speziellen Zusammensetzungsverhältnis vorsieht (wobei M1 ein Element wie z. B. V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zr und Ähnliches repräsentiert und X eine seltene Erde wie zB. La, Ce, Sn, und Nd, oder ein Element wie z. B. Y, Nb, Ta, Mm (Mischmetall) und Ähnliches repräsentiert) und die eine amorphe oder kombiniert amorphe/feinkristalline Struktur hat.
Diese Aluminium-Basislegierung kann benutzt werden als Material mit hoher Härte, hoher Festigkeit, hohem elektrischen Widerstand, anti-abrasiven Eigenschaften oder als Lötmaterial.
Zusätzlich hat die vorgestellte Aluminium-Basislegierung einen überlegenen Wärmewiderstand und kann der Extrudierung oder Druckverarbeitung unterzogen werden, indem das superplastische Phänomen ausgenutzt wird, welches nahe der Kristallisierungstemperaturen beobachtet wird.
Nichtsdestoweniger ist die vorher erwähnte Aluminium-Basislegierung nachteilig, da hohe Kosten resultieren aus der Zugabe großer Mengen teurer, seltener Erden und/oder Metallelemente mit hoher Aktivität wie zum Beispiel Y. Zusätzlich zur vorher erwähnten Nutzung teurer Rohmaterialien entstehen auch Probleme wie erhöhter Verbrauch und Arbeitskosten wegen des großen Maßstabs der Herstellungseinrichtungen welche benötigt werden, um Materialien mit hohen Aktivitäten zu behandeln. Darüber hinaus tendiert diese Aluminium-Basislegierung, welche die oben erwähnte Zusammensetzung hat, dazu ungenügenden Widerstand gegen Oxidation und Korrosion zu zeigen.
EP-A-584 596 bezieht sich auf eine Aluminium-Basislegierung hoher Festigkeit, welche im Wesentlichen aus einer amorphen Struktur oder einer multiphasen amorphen/feinkristallinen Struktur besteht.
Darüber hinaus stellen Skinner et al. In "Stability of Quasicrystalline Phases in Al-Fe-V Alloys," Mat. Sci. and Eng., 99, 1988, pp. 407-411, Al-V-Fe quasikristalline Legierungen, welche durch Schmelz-Spinntechniken produziert werden und deren thermische Stabilität und Mikrostrukturen vor.
Dunlap et al. in "Physical properties of a rapidly quenched Al-Fe alloys", J. Phys. F, Met. Phys., July 1988, UK, pp. 1329-1341, und Kim et al. in "Microstructural characteristics of rapidly solidified Al-Fe alloys. II. Quasicrystalline and related crystalline phase," Korean Inst. Met. (South Korea), Sept. 1991, South Korea, pp. 976-982, stellen binäre Al-Fe quasikristalline Legierungen vor.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung eine Aluminium-Basislegierung vorzustellen, welche überlegene Stärke Festigkeit und antikorrosive Eigenschaften besitzt und welche eine Zusammensetzung aufweist, in der seltene Erdelemente oder Hochaktivitäts-Elemente wie zum Beispiel Y nicht enthalten sind, wobei effektiv die Kosten reduziert werden als auch die Aktivität, die im vorhergehenden beschrieben wurde.
Um die vorher erwähnten Probleme zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung eine Aluminium-Basislegierung hoher Festigkeit und hoher Steifigkeit vor, gemäß den Merkmalen aus Anspruch 1. Gemäß der vorliegenden Erfindung uvird durch Zugeben einer vorbestimmten Menge von V, Mo, Fe, W, Nb, und/oder Pd zu Al, die Fähigkeit der Legierung verbessert eine quasikristalline Phase zu bilden und die Festigkeit, Härte und Zähigkeit der Legierung wird ebenfalls verbessert. Darüber hinaus werden die Effekte der Schnell-Abkühlung durch Hinzugabe einer vorbestimmten Menge von Mn, Fe, Co, Ni, und/oder Cu verstärkt. Die thermische Stabilität der metallographischen Gesamtstruktur wird verbessert, und die Festigkeit und Härte der resultierenden Legierung wird ebenfalls erhöht.
Die Aluminium-Basislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist nützlich als Materialien mit einer hohen Härte, Festigkeit und Steifigkeit. Darüber hinaus verträgt diese Legierung auch Biegung sehr gut und besitzt daher überlegene Eigenschaften, wie die Fähigkeit mechanisch verarbeitet zu werden.
Entsprechend kann die Aluminium-Basislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung
in einem weiten Bereich von Anwendungen verwendet werden, so wie zum Beispiel
im strukturellen Material für Flugzeuge, Fahrzeuge und Schiffe, ebenso wie für Maschinenteile. Zusätzlich kann die Aluminium-Basislegierung der vorliegenden Erfindung in Schiebefensterrahmen, Bedachungsmaterialien und Außenmaterialien zur Verwendung in der Konstruktion oder als Materialien zur Verwendung in Schiffsausrüstung, Kernreaktoren und Ähnlichem verwendet werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Konstruktion eines Beispiels eines Einzelrollen- oder walzenapparates, der zum Zeitpunkt der Herstellung eines Bandes einer Legierung der vorliegenden Erfindung benutzt wird, welche der Schnellabkühlungs-Verfestigung folgt.
Fig. 2 zeigt die Analyseergebnisse der Röntgenstrahlen-Brechung einer Legierung welche die Zusammensetzung Al&sub9;&sub4;V&sub4;Fe&sub2; hat.
Fig. 3 zeigt die Analyseergebnisse der Röntgenstrahlen-Brechung einer Legierung welche die Zusammensetzung Al&sub9;&sub5;Mo&sub3;Ni&sub2; hat.
Fig. 4 zeigt die Analyseergebnisse der Röntgenstrahlen-Brechung einer Legierung welche die Zusammensetzung Al&sub9;&sub1;Nb&sub6;Co&sub3; hat.
Fig. 5 zeigt die thermischen Eigenschaften einer Legierung welche die Zusammensetzung Al&sub9;&sub4;V&sub4;Ni&sub2; hat.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Das erste bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sieht eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung vor, welche im Wesentlichen aus einer Zusammensetzung besteht welche durch die allgemeine Formel Al100-(a+b)QaMb repräsentiert wird (wobei Q wenigstens ein Metallelement ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, welche besteht aus V, Mo, Fe, W, Nb, und Pd; M wenigstens ein Metallelement ist, das aus der Gruppe ausgewählt wird, welche besteht aus Mn, Fe, Co, Ni und Cu; und a und b, welche ein Zusammensetzungsverhältnis in atomaren Prozentsätzen repräsentieren, die Beziehungen
1 ≤ a ≤ 10, 0 < b < 5 und 3 ≤ a + b ≤ 12 erfüllen), welche ein quasi-kristalline Phase in der Legierung umfasst.
Im Folgenden werden die Gründe für die Begrenzung des Zusammensetzungsverhältnisses jeder Komponente in der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung erklärt.
Der atomare Prozentsatz von Al (Aluminium) liegt im Bereich von 88 ≤ Al ≤ 97, vorzugsweise im Bereich von 92 ≤ Al ≤ 97 und noch besser im Bereich von 94 ≤ Al ≤ 97. Ein atomarer Prozentsatz von Aluminium von weniger als 88% resultiert in Versprödung der Legierung. Andererseits resultiert ein atomarer Prozentsatz für Aluminium welcher 97% überschreitet in einer Reduzierung der Stärke bzw. Festigkeit und Härte der Legierung.
Die Menge von wenigstens einem Metallelement, ausgewählt aus cler Gruppe bestehend aus V (Vanadium), Mo (Molybdän), Fe (Eisen), W (Wolfram), Nb (Niob) und Pd (Paladium) in atomarem Prozentsatz ist wenigstens 1% und überschreitet nicht 10%; vorzugsweise ist die Menge wenigstens 2% und übertrifft nicht 8%; und noch besser beträgt die Menge wenigstens 2% und übertrifft nicht 6%. Wenn die Menge geringer ist als 1% kann eine quasikristalline Phase nicht gebildet werden und die Festigkeit ist merklich reduziert. Wenn andererseits die Menge 10% übertrifft, tritt Vergröberung (der Durchmesser der Teilchen ist 500 nm oder mehr) einer quasi-kristallinen Phase auf und dies resultiert in bemerkenswerter Versprödung der Legierung und in einer Reduktion der (Bruch-)Festigkeit der Legierung.
Die Menge von wenigstens einem Metallelement ausgewählt aus der Gruppe welche besteht aus Mn (Mangan), Fe (Eisen), Co (Kobalt), Ni (Nickel) und Cu (Kupfer) in atomarem Prozentsatz ist weniger als 5%; vorzugsweise ist die Menge wenigstens 1% und übertrifft nicht 3%; noch besser ist die Menge wenigstens 1% und übertrifft nicht 2%. Wenn die Menge 5% oder mehr ist, tritt Bildung und Vergröberung (der Durchmesser der Teilchen ist 500 nm oder mehr) intermetallischer Verbindungen auf und diese resultieren in bemerkenswerter Versprödung und Reduzierung der Zähigkeit der Legierung.
Darüber hinaus übertrifft die Gesamtmenge von unvermeidbaren Verunreinigungen, sowie Fe (wenn nicht als Metallelement gewählt), Si, Cu (wenn nicht als Metallelement gewählt), Zn, Ti, O, C, oder N nicht 0,3 Gewichtsprozent; vorzugsweise übertrifft die Menge nicht 0,15 Gewichtsprozent; und noch besser übertrifft die Menge nicht 0,1 Gewichtsprozent. Wenn die Menge 0,3 Gewichtsprozent übertrifft, werden die Effekte der Schnellabkühlung reduziert und dies resultiert in einer Reduzierung der Formbarkeit einer quasi-kristallinen Phase. Unter den unvermeidlichen Verunreinigungen ist es insbesondere wünschenswert, das die Menge von O 0,1 Gewichtsprozent nicht überschreitet und das die Menge von C oder N 0,03 Gewichtsprozent nicht überschreitet.
Die oben erwähnten Aluminium-Basislegierungen können durch Schnellabkühlungs-Verfestigung der Legierungs-Flüssigkeitsschmelzen hergestellt werden, welche die vorher erwähnten Zusammensetzungen haben, wobei eine Flüssigkeits-Schnellabkühlungmethode verwendet wird. Diese Flüssigkeits-Schnellabkühlungsmethode umfasst im Wesentlichen schnelles Abkühlen der geschmolzenen Legierung, zum Beispiel haben sich Einzelrollen-, Doppelrollen- und Eintauch-Rotationsspinnmethoden als besonders effektiv erwiesen. In den vorher erwähnten Methoden kann leicht eine Kühlrate von 10&sup4; bis 10&sup6; K/sek erreicht werden.
Um ein dünnes Band unter Verwendung der vorher erwähnten Einzel- und Doppelrollmethoden herzustellen, wird die Flüssigkeitsschmelze zunächst in ein Speichergefäß geschüttet wie zum Beispiel eine Siliziumdioxidlröhre und wird dann über eine Düsenöffnung an der Spitze der Siliziumröhre auf eine Kupfer- oder Kupferlegierungsrolle mit einem Durchmesser von 30 bis 300 mm abgesetzt, welche bei einer festen Geschwindigkeit von 300 bis 1000 Umdrehungen pro Minute rotiert. Auf diese Weise können leicht verschiedene Typen dünner Bänder mit einer Dicke von 5-500 um und Breite 1-300 mm erhalten werden.
Andererseits kann feines drahtdünnes Material leicht erhalten werden durch die Eintauch-Rotationsspinnmethode indem die Flüssigkeitsschmelze über eine Düsenöffnung in eine kühlende Lösungsschicht der Tiefe 1 bis 10 cm eingeführt wird, welche durch Zentrifugalkraft in einer Lufttrommel aufrecht erhalten wird, welche bei 50 bis 500 Umdrehungen pro Minute unter Argongas-Gegendruck rotiert. In diesem Fall ist der Winkel zwischen der Flüssigkeitsschmelze, die aus der Düse austritt und der kühlenden Oberfläche vorzugsweise 60 bis 90 Grad und das relative Geschwindigkeitsverhältnis der Flüssigkeitsschmelze und der kühlenden Oberfläche ist vorzugsweise 0,7 bis 0,9.
Darüber hinaus können dünne Schichten der Aluminium-Basislegierung der vorher erwähnten Zusammensetzungen auch ohne Benutzung der oben erwähnten Methoden erhalten werden, durch Verwendung von Schichtbildungsprozessen wie der Sputtering-Methode. Zusätzlich kann Aluminium-Legierungspulver der vorher erwähnten Zusammensetzungen erhalten werden durch Schnellkühlung der Flüssigkeitsschmelze unter Verwendung verschiedener Einspritz-(atomizer) und Sprühmethoden wie der Hochdruck-Gassprühmethode.
Im Folgenden werden Beispiele von metallographisch-strukturellen Zuständen der Aluminium-Basislegierung, welche unter Verwendung cler vorher erwähnten Methoden erhalten wurden, aufgelistet:
(1) Multiphasenstruktur, welche eine quasi-kristalline Phase und eine Aluminiumphase enthält;
(2) Multiphasenstruktur, welche eine quasi-kristalline Phase und eine Metallfestlösung, welche eine Aluminiummatrix hat, enthält;
(3) Multiphasenstruktur, welche eine quasi-kristalline Phase und eine stabile oder metastabile intermetallische Verbindungsphase enthält;
(4) Multiphasenstruktur, welche eine quasi-kristalline Phase, eine amorphe Phase und eine Metallfestlösung, welche eine Aluminiummatrix hat, enthält.
Eine weithin anerkannte Definition von "quasi-kristallin" ist gegeben für eine Struktur, welche die folgenden 3 Bedingungen bezüglich des reziproken Gitters oder Brechungsmusters erfüllt:
(A) Das Brechungsmuster besteht aus einer Menge bzw. einem Satz von δ-Funktionen (oder Punkten);
(B) Die Zahl der fundamentalen Einheitsvektoren, welche die Verteilung der reziproken Gitterpunkte (Brechungsteilchen) beschreibt, muss größer sein als die Zahl der Dimensionen (d. h. gleich oder größer als 4 für einen tatsächlichen Quasi-Kristall); und
(C) Die Struktur hat eine Rotationssymmetrie welche für einen Kristall nicht erlaubt ist. (Es sollte festgehalten werden, dass ein Kristall nur ein-, zwei-, drei-, vier-, oder sechsfache Rotationssymmetrie hat.)

Bedingung (A) kann von einem Kristall erfüllt werden.

Im Fall eines Kristalls können, wenn drei kurze, unabhängige Brechungsvektoren a*, b*, und c* als fundamentale Vektoren wie in Bedingung (B) gewählt werden, alle Brechungspunkte als eine Linearkombination der drei Vektoren formuliert werden, nämlich mit der Formel la* + mb* + nc*. Nichtsdestoweniger, da mehr als drei fundamentale Einheitsvektoren für einen incommensurablen Kristall nötig sind, kann ein Material nicht als Quasi-Kristall identifiziert werden, wenn es lediglich die Bedingungen (A) und (B) erfüllt. Daher muss ein Quasi-Kristall auch Bedingung (C) erfüllen.
(Wenn ein Gitter mit einer Periode a' moduliert wird, welche von der natürlichen Periode a abweicht, wird solch ein Kristall ein "Incommensurabler- Kristall" genannt, wenn der Wert a'/a eine irrationale Zahl ist. Solch eine Modulation tritt auf, wenn Umverteilung von Elektronen, sowie Ladungsdichtewelle das Gitter beeinflusst.)
Die obige Definition eine Quasi-Kristalls bezieht sich auf reziproke Gitter. Daher erlaubt die detaillierte Untersuchung von Brechungsmustern eine experimentelle Entscheidung, ob ein Material ein Quasi-Kristall ist oder nicht.
Speziell sind Quasi-Kristalle, welche eine fünffache Rotationssymmetrie haben, bekannt. Als quasi-kristalline Phasen, welche im vorausgehenden definiert wurden, wurden reguläre icosahedrale Phase, reguläre decagonale Phase, reguläre dodecagonale Phase und reguläre octagonale Phase gefunden.
Ein Quasi-Kristall wurde zuerst entdeckt von Shechtmann, et al., aus Israel im Jahr 1984. Dieser Quasi-Kristall war von der regulären icosahedralen Phase (D. Shechtmann, I. A. Blech, D. Gratias, and J. W. Cahn; Phys. Rev. Lett., 53 (1984), (1951).
Die freinkristalline Phase der vorliegenden Erfindung repräsentiert eine kristalline Phase in welcher die Kristallteilchen einen durchschnittlichen maximalen Durchmesser von 1 um haben. Durch Regulierung der Abkühlungsrate der Legierungs-Flüssigschmelze kann jeder, der in (1) bis (4) oben beschriebenen metallographisch-strukturellen Zustände erhalten werden.
Die Eigenschaften der Legierungen, welche die vorher erwähnten metallographisch-strukturellen Zustände besitzen, werden im Folgenden beschrieben.
Eine Legierung im Multiphasen-Strukturzustand, welcher oben in (1) und (2) beschrieben ist, hat eine hohe Festigkeit und hervorragende Biegeeigenschaften.
Eine Legierung im Multiphasen-Strukturzustand, welcher oben in (3) beschrieben wurde, hat eine höhere Festigkeit und niedrigere Biegsamkeit (Duktilität) als die Legierungen im Multiphasen-Strukturzustand, welche in (1) und (2) beschrieben wurden. Nichtsdestoweniger behindert die niedrigere Biegsamkeit nicht ihre hohe Festigkeit.
Eine Legierung im Multiphasen-Strukturzustand, welcher in (4) beschrieben wurde verfügt über hohe Festigkeit, hohe Zähigkeitkeit und hohe Biegsamkeit.
Jeder der vorher erwähnten metallographisch-strukturellen Zustände kann leicht durch eine normale Röntgenstrahl-Brechungsmethode bestimmt werden oder durch Beobachtung, welche ein Transmissions-Elektronenmikroskop benutzt. In dem Fall, in dem ein Quasi-Kristall existiert, zeigt sich eine schwache Spitze, welche eine charakteristische Eigenschaft der kristallinen Phase ist.
Durch Regulierung der Abkühlungsrate der Legierungs-Flüssigkeitschmelze kann jeder der Multiphasen-Strukturzustände, welcher oben in (1) bis (3) beschrieben wurde, erhalten werden.
Durch Schnellabkühlungs-Verfestigung der Legierungs-Flüssigeitskschmelze der Al-reichen Zusammensetzung (z. B., Zusammensetzung mit Al ≥ 92 atomare %), kann jeder der metallographisch-strukturellen Zustände, welche in (4) beschrieben wurden, erhalten werden.
Die Aluminium-Basislegierung der vorliegenden Erfindung zeigt Superplastizität bei Temperaturen nahe der Kristallisationstemperatur (Kristallisationstemperatur +/- 50ºC), ebenso wie bei den hohen Temperaturen innerhalb des feinkristallin stabilen Temperaturbereichs und daher können Prozesse wie Extrudieren, Pressen und Heißschmieden leicht durchgeführt werden.
Dem entsprechend können Aluminium-Basislegierungen von den oben erwähnten Zusammensetzungen, welche in den vorher erwähnten Dünnband, Draht, Platten, und/oder Pulverzuständen erhalten wurden, leicht auf dem Wege der Extrudierung durch Druck und Heißschmiedeprozesse bei den vorher erwähnten Temperaturen in Massengüter geformt werden. Darüber hinaus besitzen die Aluminium-Basislegierungen der vorher erwähnten Zusammensetzungen hohe Biegsamkeit, daher ist auch Biegung um 180º möglich.
Zusätzlich zeigen die vorher erwähnten Aluminium-Basislegierungen welche eine Multiphasen-Struktur haben, die zusammengesetzt ist aus einer reinen Aluminiumphase, einer quasi-kristallinen Phase, einer Metallfestlösung und/oder amorphen Phase, und dergleichen, keine strukturelle oder chemische Nicht-Gleichförmigkeit der kristallinen Korngrenze, der Entmischung und Ähnlichem, wie es in kristallinen Legierungen beobachtet wird. Diese Legierungen verursachen Passivierung durch die Bildung einer Aluminiumoxid-Schicht, und zeigen daher einen höheren Widerstand gegen Korrosion. Darüber hinaus existieren Nachteile wenn seltene Erd-Elemente enthalten sind: wegen der Aktivität dieser seltenen Erd-Elemente tritt leicht Nicht-Gleichförmigkeit in der passiven Schicht an der Legierungsoberfläche auf, welche im Fortschreiten der Korrosion von diesem Teil in das Innere resultiert. Nichtsdestoweniger werden die vorher erwähnten Probleme effektiv umgangen, da die Legierungen aus den vorher erwähnten Zusammensetzungen keine seltenen Erd-Elemente enthalten.
In Bezug auf die Aluminium-Basislegierung von den oben erwähnten Zusammensetzungen wird die Herstellung von Massengütern nun erklärt. Beim Heizen der Aluminium-Basislegierung gemäß der vorliegenden Erfindung wird Abscheidung und Kristallisierung der feinkristallinen Phase begleitet von Abscheidung der Aluminiummatrix (α-Phase) und wenn über diese Temperatur hinaus geheizt wird schlägt sich auch die intermetallische Verbindung nieder. Durch Verwendung dieser Eigenschaft können Massengüter, welche eine hohe Festigkeit und Biegsamkeit besitzen, erhalten werden.
Konkret wird die Band-Legierung, welche durch den vorher erwähnten Schnellabkühlungsprozess hergestellt wurde, in einer Kugelmühle pulverisiert und dann unter Vakuum (z. B. 10&supmin;³ Torr) in einer Vakuum-Heißpresse bei einer Temperatur leicht unterhalb der Kristallisierungstemperatur (z. B. ungefähr 470 K) pulvergepresst, wobei ein Barren zur Verwendung in der Extrudierung mit einer Länge und einem Durchmesser von mehreren Zentimetern geformt wird. Dieser Barren wird in einen Container eines Extruders hineingesetzt und für einige 10 Minuten auf einer Temperatur leicht höher als die Kristallisierungstemperatur gehalten. Extrudierte Materialien können dann in den erwünschten Formen wie z. B. runde Balken durch Extrudieren erhalten werden.

Beispiele

Eine geschmolzene Legierung welche eine vorbestimmte Zusammensetzung hat wurde hergestellt durch Verwendung eines Hochfrequenz-Schmelzofens. Dann wurde wie in Fig. 1 gezeigt die Schmelze in eine Siliziumdioxidröhre 1 mit einer kleinen Öffnung 5 (Öffnungsdurchmesser: 0.2-0.5 mm) an der Spitze geschüttet und dann zum Schmelzen erhitzt, wonach die vorher erwähnte Siliziumdioxidröhre 1 direkt über einer Kupferrolle 2 positioniert wurde. Diese Rolle 2 wurde dann bei einer hohen Geschwindigkeit von 4000 Umdrehungen pro Minute rotiert und Argon Gas Druck (0.7 kg/cm³) wurde auf die Siliziumdioxidröhre 1 gegeben. Schnellabkühlungsverfestigung wurde nachfolgend durchgeführt durch Schnellabkühlung der Flüssigkeitsschmelze auf dem Wege der Absetzung der Flüssigkeitsschmelze aus der kleinen Öffnung 5 der Siliziumdioxidröhre 1 auf die Oberfläche der Rolle 2 und der Schnellabkühlung um ein Legierungsband 4 zu ergeben.
Unter diesen Herstellungsbedingungen wurden die zahlreichen Legierungsband-Beispiele (Breite 1 mm, Dicke 20 um) mit den Zusammensetzungen (atomare Prozentsätze), welche in Tabellen 1 und 2 gezeigt sind, geformt. Die Härte (Hv) und die Reißfestigkeit (σf: Mpa) jedes Legierungsband-Beispiels wurden gemessen. Diese Ergebnisse sind auch in den Tabellen 1 und 2 gezeigt. Die Härte ist ausgedrückt in dem Wert der gemäß der exakten Vickers Härte-Skala (DPN: Diamond Pyramid Number) gemessen wurde.
Zusätzlich wurde ein 180º Kontaktbiegetest durchgeführt, indem jede Ausführung um 180º gebogen wurde und die Enden kontaktiert wurden, wobei eine U-Form entstand. Die Ergebnisse dieser Tests sind ebenfalls in den Tabellen 1 und 2 gezeigt: Diejenigen Ausführungen welche Biegsamkeit zeigten und nicht rissen sind mit Duc (Biegsam) markiert, während diejenigen welche rissen mit Bri (Spröde) markiert sind.
In den folgenden Tabellen bedeutet:
Table: Tabelle
Sample Nr.: Ausführungs-/Beispielnummer
Alloy composition (at%): Legierungszusammensetzung in atomaren Prozent
Bending test: Biegetest
Example: Beispiel
Comparative Example: Vergleichsbeispiel
Continued: Fortsetzung Table 1 Table 1 (continued) Table 1 (continued) Table 1 (continued) Table 1 (continued) Table 2 Table 2 (continued) Table 2 (continued) Table 2 (continued) Table 2 (continued) Table 2 (continued) Table 2 (continued) Table 2 (continued)
Die Beispiele 4, 5, 6, 18 und 19 sind kein Teil der Erfindung.
Es ist aus den Ergebnissen die in den Tabellen 1 und 2 gezeigt sind klar, dass eine Aluminium-Basislegierung welche hohe Widerstandskraft und Härte besitzt, welche Biegung überdauerte und der Weiterverarbeitung unterzogen werden konnte, erhalten werden konnte, wenn die Legierung welche wenigstens eines der Elemente Mn, Fe, Co, Ni, und Cu als Element M zusätzlich zu einer Al-V, Al-Mo, Al-W, Al-Fe, Al-Nb, oder Al-Pd Zweikomponentenlegierung umfasst, atomare Prozentsätze hat, welche die Beziehungen AlbalanceQaMb, 1 ≤ a ≤ 10, 0 < b < 5, 3 ≤ a + b ≤ 12 erfüllen, wobei Q = V, Mo, Fe, W, Nb, und/oder Pd, und M = Mn, Fe, Co, Ni, und/oder Cu.
Im Gegensatz zu normalen Aluminium-Basislegierungen welche eine Hv von ungefähr 50 bis 100 DPN besitzen, zeigen die Ausführungen gemäß der vorliegenden Erfindung, welche in Tabelle 1 gezeigt sind (mit Ausnahme der Legierungen in denen M gleich Fe ist, wenn Q gleich V oder Fe ist) eine extrem hohe Härte von 295 bis 375 DPN.
Zusätzlich, in Bezug auf die Reißfestigkeit (σf) besitzen normale Aluminium- Basislegierungen vom ausgehärteten Typ (Al-Si-Fe Typ) Werte von 200 bis 600 Mpa; Nichtsdestoweniger haben die Ausführungen gemäß der vorliegenden Erfindung klar überlegene Werte im Bereich von 630 bis 1359 Mpa.
Wenn man darüber hinaus die Reißfestigkeiten von Aluminium- Basislegierungen aus der AA6000 Serie (Legierungsname gemäß der Aluminium Vereinigung (U. S. A.)) und der AA7000 Serie, welche im Bereich von 250 bis 300 Mpa liegen, betrachtet und Fe-Typ-Struktur-Bleche welche einen Wert von ungefähr 400 Mpa haben und hoch-reißfeste Bleche vom Fetyp betrachtet welche von 800 bis 980 Mpa reichen, ist es klar, dass die Aluminium-Basislegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung überlegene Werte zeigen.
Fig. 2 zeigt ein Röntgenstrahlen-Brechungsmuster welches eine Legierungsausführung mit der Zusammensetzung Al&sub9;&sub4;V&sub4;Fe&sub2; besitzt. Fig. 3 zeigt ein Röntgenstrahlen-Brechungsmuster welches eine Legierungsausführung mit der Zusammensetzung Al&sub9;&sub5;Mo&sub3;Ni&sub2; besitzt. Fig. 4 zeigt ein Röntgenstrahlen-Brechungsmuster welches eine Legierungsausführung mit der Zusammensetzung Al&sub9;&sub1;Nb&sub6;Co&sub3; besitzt. Gemäß diesen Mustern hat jede dieser drei Legierungsausführungen eine Multiphasen-Struktur welche eine fein-Al-kristalline Phase umfasst welche eine fcc Struktur hat und eine fein-regulär-icosahedrale quasi-kristalline Phase. In diesen Mustern, sind die Spitzen welche als (111), (200), (220), und (311) ausgedrückt sind kristalline Spitzen von Aluminium welches eine fcc Struktur hat, während Spitzen welche als (211111) und (221001) ausgedrückt sind, schwache Spitzen von regulär-icosehedralen Quasi-Kristallen sind.
Fig. 5 zeigt die DSC (Differential Scanning Calorimetry) Kurve in dem Fall in dem eine Legierung mit der Zusammensetzung Al&sub9;&sub4;V&sub4;Ni&sub2; mit einer Rate von 0.67 K/s geheizt wird. In dieser Figur sieht in der Hochtemperaturregion man eine schwache exotherme Spitze, welche auftritt, wenn eine quasi-kristalline Phase in eine stabile kristalline Phase übergeht. SH-E14704

Claims

1. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung, gekennzeichnet: dadurch, dass sie aus einer Zusammensetzung besteht, die repräsentiert wird durch die allgemeine Formel Al100(a+b)QaMb; wobei Q mindestens ein Metallelement ist, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: V, Mo, Fe, W, Nb und Pd;

M mindestens ein Metallelement ist, ausgewählt aus der Gruppe, die aus folgendem besteht: Mn, Fe, Co, Ni und Cu;

wobei M nicht Fe ist, wenn Q V oder Fe ist; und, wobei a und b, welche ein Zusammensetzungsverhältnis in Atomprozent repräsentieren, denen Beziehungen 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b ≤ 5 und 3 ≤ a + b ≤ 12 genügen;

wobei die Aluminium-Basislegierung eine metallographische Struktur besitzt, welche eine quasi-kristalline Phase aufweist.

2. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallographische Struktur eine Mehr- oder Multifaserstruktur ist, und eine quasi-kristalline Phasen und eine Aluminiumphase aufweist.

3. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallographische Struktur eine Multiphasenstruktur ist, die eine quasi-kristalline Phase und eine Metallfestlösung mit einer Aluminiummatrix aufweist.

4. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallographische Struktur eine Multiphasenstruktur ist, die eine quasi-kristalline Phase und eine stabile oder metastabile intermetallische Verbindungsphase aufweist.

5. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallographische Struktur eine Multiphasenstruktur ist, die eine quasi-kristalline Phase, eine amorphe Phase und eine Metallfestlösung mit einer Aluminiummatrix aufweist.

6. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass a + b nicht größer als 8 ist.

7. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass a + b nicht größer als 6 ist.

8. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach einem Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass a nicht kleiner als 2 ist.

9. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass a nicht größer als 8 ist.

10. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass a nicht größer als 6 ist.

11. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass b nicht größer als 3 ist.

12. Eine hochfeste und hochsteife Aluminium-Basislegierung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass b nicht größer als 2 ist.

13. Ein Herstellungsverfahren für eine eine hohe Festigkeit und hohe Starrheit besitzende, auf Aluminium basierende Legierung mit einer metallographischen Struktur, die eine quasi-kristalline Struktur besitzt, wobei das Herstellungsverfahren gekennzeichnet ist durch einen Schritt, ausgewählt aus der Gruppe von:

Den Schritt des Ausführens einer Schnellabkühlungsverfestigung einer Legierungsflüssigkeitsschmelze mittels eines Flüssigkeitsschnell-Abkühl- oder Abschreckverfahrens;

den Schritt des Ausbildens einer neuen Schicht unter Verwendung einer Legierungsflüssigkeitsschmelze;

den Schritt des Schnellabkühlens einer Legierungsflüssigkeitsschmelze mittels eines Atomisierungsverfahrens; und

den Schritt des Schnellabkühlens einer Legierungsflüssigkeitsschmelze mittels eines Sprühverfahrens;

wobei die Legierungsflüssigkeitsschmelze besteht aus Aluminium mit einer Menge in Atomprozent von 100 - (a + b), Element Q mit einer Menge in Atomprozent von a und Element M in Atomprozent von b;

wobei das erwähnte Element Q mindestens ein Metallelement ist, und zwar ausgewählt aus der Gruppe, die aus folgendem besteht:

V, Mo, Fe, W und Pd;

wobei das Element M wenigstens ein Metallelement ist, und zwar ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Mn, Fe, Co, Ni und Cu;

wobei M nicht Fe ist, wenn Q V oder Fe ist; und

wobei a und b den folgenden Beziehungen genügen: 1 ≤ a ≤ 10, 1 ≤ b < 5 und 3 ≤ a + b ≤ 12.