EP0256449A1 - Pulvermetallurgische Herstellung eines Werkstücks aus einer warmfesten Aluminiumlegierung - Google Patents

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EP0256449A1 EP87111462A EP87111462A EP0256449A1 EP 0256449 A1 EP0256449 A1 EP 0256449A1 EP 87111462 A EP87111462 A EP 87111462A EP 87111462 A EP87111462 A EP 87111462A EP 0256449 A1 EP0256449 A1 EP 0256449A1
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    • C22C1/04—Making non-ferrous alloys by powder metallurgy
    • C22C1/0408—Light metal alloys
    • C22C1/0416—Aluminium-based alloys

Definitions

  • Heat-resistant aluminum alloys which are produced from powders obtained at high cooling rates by atomizing a melt. High content of alloy components not permitted under the usual solidification conditions, e.g. Fe and Cr.
  • the invention relates to the production of aluminum alloy powders and the production of moldings from these powders.
  • Aluminum alloys which are suitable for the production of powders from melts using gas jet atomization
  • the use of very high cooling speeds (10 ° C / s and more) and suitable for the production of heat-resistant workpieces have become known in numerous variations.
  • An important group is represented by the polynary Al / Fe / X alloys, which usually have relatively high iron contents, where X denotes at least one of the elements Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W.
  • An alloy with 8% by weight Fe and 2% by weight Mo apparently occupies a special position (cf. GB-PS 2 088 409 A).
  • the invention has for its object to provide a method for powder metallurgical production of a workpiece from a heat-resistant aluminum alloy taking into account the optimal alloy composition and adaptation of the process steps, which leads to tougher and more ductile finished products without sacrificing strength.
  • Stable phases are to be achieved in powder production even at higher temperatures, which - regardless of the particle size - are homogeneously distributed over the entire powder grain and give it a high degree of deformability.
  • an alloy which contains 8 to 14% by weight Fe, 0.5 to 2% by weight V and 0.2 to 1% by weight Mn, where the alloy melted, the melt is atomized at a cooling rate of at least 10 ° C / s in a gas stream to particles with a diameter of 1 to 40 microns, the dispersoids formed being homogeneously distributed and no micro-eutectic zone within a powder particle , and that the powder is compressed at a temperature of 350 to 450 ° C under a pressure of 2000 to 6000 bar in such a way that the intermetallic phase stabilized by Mn Al6Fe is formed in a fine distribution and the phase Al3Fe is largely suppressed.
  • the melt was first atomized in a device by means of a gas stream (nitrogen) while maintaining a cooling rate of at least 10 ° C./s to a powder.
  • the average particle diameter was approx. 20 ⁇ m, the maximum approx. 40 ⁇ m.
  • the structure of the particles was characterized by an even distribution of the dispersoids, while the disruptive micro-eutectic that otherwise occurs with conventional alloys was missing.
  • Approx. 160 g of the powder were compacted by hot pressing in a mold under a pressure of 3000 bar at a temperature of 400 ° C. to a press bolt of approximately 99% theoretical density.
  • the heating time in the mold was about 45 minutes.
  • the press bolt had a diameter of 40 mm and a height of 60 mm. This press bolt was inserted into the cylinder of an extrusion press and pressed under a pressure of 5000 bar at a temperature of 400 ° C to a rod of 13 mm in diameter.
  • the reduction ratio was approximately 9: 1.
  • Test pieces were cut out of the rod and the mechanical properties measured at room temperature and at 300 ° C. The yield point at room temperature was 450 MPa. A metallographic examination revealed the presence of considerable volume fractions of the Al6Fe phase while practically no Al3Fe was found could be. Furthermore, no non-deformed powder particles containing Al3Fe were present in the compacted material.
  • the invention is not restricted to the exemplary embodiment.
  • the cooling rate during powder production should be at least 10 ° C / s.
  • the particle diameter of the powder produced by gas jet atomization should be within the limits of 1 to 40 ⁇ m.
  • the powder can be compressed at temperatures between 350 and 450 ° C under pressures of 2000 to 6000 bar. Preferred values are 400 ° C for powder compaction.

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Abstract

Ein Werkstück aus einer warmfesten Aluminiumlegierung wird pulvermetallurgisch dadurch hergestellt, dass eine Legierung mit 8 bis 14 Gew.-% Fe, 0,5 bis 2 Gew.-% V und 0,2 bis 1 Gew.-% Mn erschmolzen, die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von mindestens 10<5> °C/S in einem Gasstrom abgekühlt und zu Partikeln von 1 bis 40 µm Durchmesser zerstäubt wird, worauf das Pulver bei einer Temperatur von 350 bis 450°C unter einem Druck von 2000 bis 6000 bar zu einem Pressling verdichtet wird. Dabei tritt die durch Mn stabilisierte intermetallische Verbindung Al6Fe in feiner Verteilung auf. Dieses Dispersoid verleiht dem Korn eine hohe Duktilität und Zähigkeit.

Description

    Technisches Gebiet:
  • Warmfeste Aluminiumlegierungen, welche aus mit hoher Abkühlungsgeschwindigkeit durch Zerstäuben einer Schmelze gewonnenen Pulvern hergestellt werden. Hoher Gehalt an unter sonst üblichen Erstarrungsbedingungen nicht zu­lässigen Legierungsbestandteilen wie z.B. Fe und Cr.
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Erzeugung von Alumi­niumlegierungspulvern und die Herstellung von Formkörpern aus diesen Pulvern.
  • Insbesondere betrifft sie die pulvermetallurgische Her­stellung eines Werkstücks aus einer warmfesten Alumini­umlegierung des Typs Al/Fe/X mit 5 bis 15 Gew.-% Fe, wobei X für das Element V und/oder Mn steht. (Vergl. GB-PS 2 088 409 A).
    • Stand der Technik:
  • Aluminiumlegierungen, welche sich für die Erzeugung von Pulvern aus Schmelzen mittels Gasstrahlzerstäubung unter Anwendung sehr hoher Abkühlungsgeschwindigkeiten (10⁵ °C/s und mehr) eignen und für die Herstellung warmfester Werk­stücke verwenden lassen, sind in zahlreichen Variationen bekannt geworden. Eine bedeutende Gruppe stellen die poly­nären, meist relativ hohe Eisengehalte aufweisenden Legie­rungen des Typs Al/Fe/X dar, wobei X mindestens eines der Elemente Ti, Zr, Hf, V, Nb, Cr, Mo, W, bedeutet. Dabei nimmt offenbar eine Legierung mit 8 Gew.-% Fe und 2 Gew.-% Mo eine Sonderstellung ein (Vergl. GB-PS 2 088 409 A).
  • Es wird ganz allgemein versucht, bei diesen Aluminiumle­gierungen Ausscheidungs- und/oder Dispersionshärtung auf­einander abzustimmen und zu optimieren. Dabei spielen binäre und ternäre intermetallische Verbindungen eine wesentliche Rolle. In diesem Zusammenhang wird oft auf die intermetallische Verbindung Al₃Fe als wichtige kon­stituierende Phase und auf ein im Pulverkorn bei hoher Abkühlungsgeschwindigkeit gebildetes Mikro-Eutektikum hingewiesen (Vergl. C.M. Adam and R.G. Bourdeau in: R. Mehrabian et al, eds., Rapid Solidification Processing, Batou Rouge, 1980, p. 246; C.M. Adam in: B.H. Kear et al, eds., "Rapidly Solidified Amorphous and Crystalline Alloys", 1982; W.J. Boettinger, L. Bendersky, J.G. Early, submitted to Met. Trans A (1985) und M.J. Couper and R.F. Singer in: M. Koczak and G. Hildeman (eds.), Conference procee­dings, High Strength PM Aluminium Alloys, 1985, in Press.).
  • Die Eigenschaften der bekannten Legierungen und der da­raus nach pulvermetallurgischen Methoden erzeugten Press- ­und Formkörper lassen noch zu wünschen übrig. Insbeson­dere ist die Zähigkeit und die Duktilität derartiger Werk­stücke für viele Verwendungen ungenügend.
  • Es besteht daher ein grosses Bedürfnis, bekannte Legie­ rungen weiterhin zu verbessern und die Herstellungsmetho­den für Fertigerzeugnisse zu verfeinern.
    • Darstellung der Erfindung:
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur pulvermetallurgischen Herstellung eines Werkstücks aus einer warmfesten Aluminiumlegierung unter Berück­sichtigung optimaler Legierungszusammensetzung und An­passung der Verfahrensschritte anzugeben, welches zu zäheren und duktileren Fertigerzeugnissen ohne Einbusse an Festigkeit führt. Dabei sollen bei der Pulverherstel­lung auch bei höheren Temperaturen stabile Phasen erzielt werden, welche - unabhängig von der Partikelgrösse - über das ganze Pulverkorn homogen verteilt sind und ihm eine hohe Verformbarkeit verleihen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass beim eingangs erwähnten Verfahren eine Legierung gewählt wird, die 8 bis 14 Gew.-% Fe, 0,5 bis 2 Gew.-% V und 0,2 bis 1 Gew.-% Mn enthält, wobei die Legierung erschmolzen, die Schmelze unter einer Abkühlungsgeschwindigkeit von min­destens 10⁵ °C/s in einem Gasstrom zu Partikeln mit einem Durchmesser von 1 bis 40 µm zerstäubt wird, wobei die dabei gebildeten Dispersoide homogen verteilt und keine mikro-eutektische Zone innerhalb eines Pulverpartikels vorhanden ist, und dass das Pulver bei einer Temperatur von 350 bis 450°C unter einem Druck von 2000 bis 6000 bar dergestalt verdichtet wird, dass die intermetalli­sche, durch Mn stabilisierte Phase Al₆Fe in feiner Ver­teilung gebildet und die Phase Al₃Fe weitgehend unter­drückt wird.
    • Weg zur Ausführung der Erfindung:
  • Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden Ausführungs­beispiels erläutert.
    • Ausführungsbeispiel:
  • Es wurde eine Legierung der nachfolgenden Zusammensetzung erschmolzen:

    Fe = 10 Gew.-%
    V = 1 Gew.-%
    Mn = 0,5 Gew.-%
    Al = Rest
  • Die Schmelze wurde in einer Vorrichtung mittels eines Gasstromes (Stickstoff) unter Wahrung einer Abkühlungs­geschwindigkeit von mindestens 10⁵ °C/s zu einem Pulver zuerstäubt. Der mittlere Partikeldurchmesser betrug ca. 20 µm, der maximale ca. 40 µm. Die Struktur der Partikel war durch eine gleichmässige Verteilung der Dispersoide gekennzeichnet, während das sonst bei herkömmlichen Legie­rungen auftretende störende Mikro-Eutektikum fehlte.
  • Ca. 160 g des Pulvers wurden durch Heisspressen in einer Form unter einem Druck von 3000 bar bei einer Temperatur von 400°C zu einem Pressbolzen von ca. 99 % theoretischer Dichte verdichtet. Die Aufheizzeit in der Form betrug dabei ca. 45 min. Der Pressbolzen hatte einen Durchmesser von 40 mm und eine Höhe von 60 mm. Dieser Pressbolzen wurde in den Zylinder einer Strangpresse eingesetzt und unter einem Druck von 5000 bar bei einer Temperatur von 400°C zu einer Stange von 13 mm Durchmesser verpresst. Das Reduktionsverhältnis betrug ca. 9:1.
  • Aus der Stange wurden Probestücke herausgeschnitten und die mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur und bei 300°C gemessen. Die Streckgrenze bei Raumtemperatur betrug 450 MPa. Eine metallographische Untersuchung er­gab das Vorhandensein beträchtlicher Volumenanteile der Phase Al₆Fe während praktisch kein Al₃Fe festgestellt werden konnte. Ferner waren keine nicht-deformierten, Al₃Fe enthaltenden Pulverpartikel im verdichteten Mate­rial vorhanden.
  • Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel be­schränkt. Die Aluminiumlegierung kann grundsätzlich fol­gende Zusammensetzung haben:

    Fe = 8 bis 14 Gew.-%
    (vorzugsweise 10 bis 14 Gew.-%)
    V = 0,5 bis 2 Gew.-%
    Mn = 0,2 bis 1 Gew.-%
    Al = Rest.
  • Die Abkühlungsgeschwindigkeit bei der Pulverherstellung soll mindestens 10⁵ °C/s betragen. Der Partikeldurch­messer des durch Gasstrahl-Zerstäubung hergestellten Pulvers soll sich innerhalb der Grenzen 1 bis 40 µm be­wegen. Die Verdichtung des Pulvers kann bei Temperatu­ren zwischen 350 und 450°C unter Drücken von 2000 bis 6000 bar erfolgen. Bevorzugte Werte sind 400°C für die Pulververdichtung.
  • Weitere vorteilhafte Legierungszusammensetzungen sind:

    Fe = 10 bis 12 Gew.-%
    V = 1 Gew.-%
    Mn = 0,4 bis 1,0 Gew.-%
    Al = Rest,

    oder:

    Fe = 12 Gew.-%
    V = 1,5 Gew.-%
    Mn =1,0 Gew.-%
    Al = Rest.

Claims (6)

1. Pulvermetallurgische Herstellung eines Werkstücks aus einer warmfesten Aluminiumlegierung des Typs Al/­Fe/X mit 5 bis 15 Gew.-% Fe, wobei X für das Element V und/oder Mn steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 8 bis 14 Gew.-% Fe, 0,5 bis 2 Gew.-% V und 0,2 bis 1 Gew.-% Mn enthält, wobei die Legierung erschmolzen, die Schmelze unter einer Abkühlungsge­schwindigkeit von mindestens 10⁵ °C/s in einem Gasstrom zu Partikeln mit einem Durchmesser von 1 bis 40 µm zerstäubt wird, wobei die dabei gebildeten Dispersoide homogen verteilt und keine mikro-eutektische Zone innerhalb eines Pulverpartikels vorhanden ist, und dass das Pulver bei einer Temperatur von 350 bis 450°C unter einem Druck von 1000 bis 5000 bar dergestalt verdichtet wird, dass die intermetallische, durch Mn stabilisierte Phase Al₆Fe in feiner Verteilung gebildet und die Phase Al₃Fe weitgehend unterdrückt wird.
2. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung einen Fe-Gehalt von 10 bis 14 Gew.-% aufweist.
3. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur bei der Pulver­verdichtung 400°C beträgt.
4. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung folgende Zusammen­setzung aufweist:

Fe = 10 bis 12 Gew.-%
V = 1 Gew.-%
Mn = 0,4 bis 1,0 Gew.-%
Al = Rest.
5. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung die nachfolgende Zusammensetzung aufweist:

Fe = 10 Gew.-%
V = 1 Gew.-%
Mn = 0,5 Gew.-%
Al = Rest
6. Herstellung eines Werkstücks nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung folgende Zusammen­setzung aufweist:

Fe = 12 Gew.-% V = 1,5 Gew.-%
Mn = 1,0 Gew.-%
Al = Rest.
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