EP2646587A2 - VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER AlScCa-LEGIERUNG SOWIE AIScCa-LEGIERUNG - Google Patents

VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINER AlScCa-LEGIERUNG SOWIE AIScCa-LEGIERUNG

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EP2646587A2
EP2646587A2 EP11831814.6A EP11831814A EP2646587A2 EP 2646587 A2 EP2646587 A2 EP 2646587A2 EP 11831814 A EP11831814 A EP 11831814A EP 2646587 A2 EP2646587 A2 EP 2646587A2
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EP
European Patent Office
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alloy
aluminum
calcium
scandium
substrate
Prior art date
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EP11831814.6A
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Frank Palm
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Airbus Defence and Space GmbH
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EADS Deutschland GmbH
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Publication date
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/02—Making non-ferrous alloys by melting
    • C22C1/026—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/047—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a method for adding calcium to a
  • Aluminum scandium alloy and an aluminum scandium-calcium alloy are aluminum scandium-calcium alloy.
  • aluminum Due to its low density, aluminum is often used as a construction material, i. in applications where a low mass is desired, such as in means of transport, especially in the aerospace industry.
  • aluminum is a light metal and therefore interesting for the applications mentioned, it has the disadvantage that it is relatively soft and the tensile strength in the annealed state is only 30-50 MPa.
  • the strength values of aluminum can be increased within a wide range by alloying with other metals, and other properties can also be influenced. This is advantageous for lightweight construction, since construction materials are required which have a high specific strength. For example, through
  • Aluminum scandium alloys are well known and their characteristics are described in the following publications, which by reference form part of this disclosure: AJ. Bosch, R. sending, W. Entelmann, M. Knüwer, F. Palm “Scalmalloy ®: A unique high strength and corrosion insensitive AlMgScZr material concept", Proceedings of the 11 th International Conference on Aluminum Alloys
  • US Pat. No. 5,211,910 describes an aluminum alloy which may contain scandium and / or calcium in an amount of 0.5 to 4% by weight.
  • WO 2007/102988 A2 discloses an aluminum alloy which may have calcium and / or scandium in a range of 0.01 to 6%.
  • WO 2007/102988 A2 discloses an aluminum alloy which may have calcium and / or scandium in a range of 0.01 to 6%.
  • the German Wikipedia is under the term "melt-spinning" one
  • KBM AFFILIPS Master Alloys offers on its website aluminum base alloys, such as aluminum-magnesium alloys, aluminum-scandium alloys or aluminum-calcium alloys.
  • the object of the invention is to provide a simple and harmless method for producing a reduced-density aluminum-scandium alloy
  • An aluminum scandium-calcium alloy is the subject of
  • a method of alloying calcium to an aluminum-scandium alloy to produce an aluminum-scandium-calcium alloy comprises the following steps:
  • a material made with such an alloy is lightweight and yet largely exhibits the strength properties of the aluminum scandium alloy.
  • the melt with calcium can be easily handled under atmospheric conditions, so that protective measures, such as
  • a high-strength, low-density aluminum alloy can be produced in a simple and harmless method.
  • calcium is added at a level greater than 0.5% by weight.
  • calcium is present with a significant proportion in the alloy and significantly reduces the weight of the alloy and also of the materials produced therefrom.
  • the weight of the alloy can be reduced by about 5% over the aluminum scandium alloy.
  • Jet sprayed onto a substrate wherein the substrate is cooled and rotated during the application of the common melt.
  • the substrate may be, for example, a water-cooled copper wheel.
  • the cooling results in a temperature difference between the common melt and the substrate, so that a temperature transfer from the melt takes place on the substrate. The higher the temperature difference, the faster the temperature is transferred to the substrate and dissipated by the cooling. Next depends the cooling rate and thus the presence of a rapid solidification
  • the substrate is preferably rotated so fast that the quenched common melt is thrown off the substrate from an impingement area of the jet on the substrate, the substrate is automatically freed from the solid alloy already formed by quenching and stands for subsequently sprayed common melt Cooling available.
  • the centrifuged common melt forms a band which can be further processed in subsequent process steps.
  • the belt is first chopped small, processed into granules or powder and then compacted into bolts in a pressing and outgassing / annealing process.
  • the bolts i. the particulate starting material, then can
  • the process is preferably carried out under atmospheric conditions, in particular under air contact.
  • measures to protect the common melt against the atmosphere are no longer necessary, it may be based on the use of inert gas, vacuum conditions, protection device and
  • step a) comprises the step of melt-bringing an aluminum-magnesium base alloy.
  • Magnesium has a density of 1.74 g / cm 3 . At the same time it controls and reduces the density of the corresponding alloy. The more magnesium in the alloy, the lower the density.
  • the alloying of magnesium to aluminum is up to a proportion of 10% by weight makes sense. Due to the similar melting points of aluminum and magnesium, production of an aluminum-magnesium base alloy is particularly easy to produce.
  • Aluminum scandium alloy is a generic term for all alloys containing aluminum and scandium. This includes all compositions having the formula AIScM 1 M 2 M 3 M 4 , where M 1 is a metal selected from the group consisting of
  • M 2 is a metal selected from the group consisting of copper .
  • M 3 comprises the group of elements which have a certain compatibility with the Al 3 Sc phase, ie metal-physical similarity (exchangeability), and can therefore form the tertiary phase Al 3 Sc 1 -xM 3 x.
  • these are zirconium, niobium, tantalum, hafnium and titanium.
  • M 4 comprises the group of the so-called rare earths ⁇ element numbers 39 and 57 to 71), which in principle are very similar to scandium. Therefore, Sc is often wrongly attributed to the rare earths. They too can be alloyed to a considerable extent in addition to the scandium of the alloy and then, in addition to the solid solution hardening alone or with scandium, form a hardening phase with comparable stoichiometry as Al 3 Sc 1 -xM 3 x.
  • step a) an aluminum scandium master alloy is melted.
  • Scandium has a much higher melting point than aluminum, which is why it takes a long time to form an alloy
  • an aluminum-calcium master alloy is further melted in step a).
  • calcium has a much higher melting point (842 ° C) than aluminum, and by the pre-alloy is needed
  • An aluminum-scandium-calcium alloy has a calcium content of more than 0.5% by weight.
  • the density of the aluminum-scandium alloy can be reduced by containing an easily available and easy-to-handle metal as an alloying component in the alloy.
  • the alloy comprises from 0.2% to 3%, preferably from 0.4% to 1, 5%, by weight scandium.
  • scandium is included in the specified amounts in the alloy, it increases the strength of the alloy but does not contribute so much to increasing the density of the alloy that a material made from it would be too heavy for lightweight construction.
  • ytterbium can also be alloyed in the stated proportions of the alloy. Ytterbium is cheaper than scandium, but has the disadvantage of not improving the strength of the alloy as well as scandium.
  • the alloy comprises from 0.1% to 5% by weight, more preferably from 0.2% to 0.75% by weight of zirconium.
  • Zirconium in such a proportion in the alloy facilitates the temperature-enhanced further processing of the alloy and stabilizes it thermally, i. It reduces the tendency to "age", which is equivalent to an unwanted one
  • the alloy contains 1, 0 wt .-% to 8.0 wt .-%, more preferably 2.5 wt .-% to 6.0 wt .-%, magnesium.
  • Magnesium sets the Density of an aluminum alloy down.
  • the alloying of magnesium to aluminum makes sense only up to certain amounts, since otherwise negative properties such as brittleness and corrosion sensitivity increase greatly. Therefore, magnesium is preferably contained in the stated proportions in the alloy.
  • the alloy also has other admixtures, also in multiple form, of the elements mentioned in M 1 , M 2 , M 3 and M 4 with the proportions of 0.2 to 2.0 wt .-%, the mechanical, physical or chemical
  • the alloy has a density less than 2.6 g / cm 3 .
  • the alloy is particularly well suited as a basic material for lightweight construction.
  • the alloy has substantially the same strength and essentially the same elastic modulus as the pure aluminum scandium alloy in which no alloyed calcium is contained.
  • the alloy has the positive properties of the aluminum scandium base alloy, i. substantially the same strength and modulus of elasticity, but is denser reduced by the presence of calcium and thus easier.
  • An aluminum scandium-calcium material has more than 0.5 wt .-% calcium. Such a material is characterized by particularly good strength values and a high modulus of elasticity, but has a reduced density and is therefore particularly suitable for lightweight construction.
  • Figure 1 is the common in-melt aluminum, scandium and calcium.
  • FIG. 2 shows the quenching of the common melt by spraying onto a cooled, rotating substrate
  • Fig. 3 is a rear view of the substrate.
  • Fig. 1 shows how in a common crucible 10, the metals scandium 2 and calcium 14 to an aluminum 15 and magnesium 16 containing
  • the crucible 10 has on its underside a nozzle 18, which is separated by a closing device 19 of the crucible 10.
  • scandium 12 is added as aluminum scandium master alloy 20 and calcium 14 as aluminum calcium master alloy 21.
  • the mixture is heated with an induction heater 23.
  • induction heater 23 there are other suitable heating options for in
  • Fig. 2 it is shown how the common melt 22 is sprayed onto a rotating substrate 24.
  • the closing device 19 is opened between the nozzle 18 and the crucible 10, so that the common melt 22 can flow into the nozzle 18.
  • the nozzle 18 sprays the common Melt 22 in a nozzle jet 30 on a landing area 32 on a surface 33 of the substrate 24.
  • the substrate 24 is cooled on the side opposite to the impact area 32 via a cooling device 34.
  • the substrate 24 is rapidly rotated about the axis 35 in the direction of the arrow O.
  • the common melt 22 solidifies on the cooled substrate 24 at a high cooling rate to an aluminum-scandium-calcium alloy 36.
  • FIG. 3 shows the substrate 24 from a rear side 42 that is opposite to the surface 33.
  • the cooling device 34 is arranged in the form of a cooling coil 44. Water can be passed through the cooling coil 44, for example in the direction of the arrow, so as to cool the substrate 24.
  • Fig. 4 shows a view of the surface 33 of the substrate 24.
  • the substrate 24 is rotated in the direction of arrow P so fast that the solidified aluminum scandium calcium alloy 36 as by the resulting forces
  • Alloy band 40 is thrown off the surface 38.
  • An AIGg5.4 Sc1, 2ZrO, 6MnO, 5 alloy is added to 2.0% by weight of calcium as described above.
  • the alloy ribbon is chopped into granules and then placed in a heatable device at 290 to 300 ° C under alternating rinsing with vacuum degassed at about 10 to 2 mbar and supply of dry nitrogen and repeated vacuum suction.
  • Degassing process is carried out five times and the granules are compacted by means of a hydraulic press into a stud with 98% gross density and 31 mm diameter at 25 -30 mm length.
  • This bolt is then turned over to 30 mm and subsequently in one
  • Standard round tensile specimens EN 0001 B6 x 30 are taken from the round bar and the strength tested.
  • the microstructure hardness can be determined using the Brinell hardness test method (HB2, 5 / 6.5) on small disks from the 6 mm rod
  • Fabric-based lightweight construction requires high strength, low density construction materials, i. high specific strength, also called breaking length.
  • High-strength AlMgSc alloys have a density of 2.62 to 2.86 g / cm 3 and an Mg content of 6.0 to 2.5 wt .-%. AlMg materials in their
  • the density of AlMgSc sheet and more of extruded sections is determined by the amount of magnesium 16 which is added to this type of solid solution for solid solution hardening. This results in a limited minimum density for higher-strength AlMgSc alloys.
  • the alloying of calcium 14 with a density of 1.55 g / cm 3 and in an amount of more than 0.5% by weight is hitherto used in high-strength aluminum-magnesium-scandium alloy concepts for applications in the traffic or air & Space area not available.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zulegieren von Calcium (14) zu einer Aluminium-Scandium-Legierung (20) zum Herstellen einer Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung (36), wobei Aluminium (15), Scandium (12) und Calcium (14) gemeinsam in Schmelze gebracht werden und die gemeinsame Schmelze (22) mit einer hohen Geschwindigkeit abgeschreckt wird.

Description

Verfahren zum Herstellen einer AIScCa-Legierung sowie AIScCa-Legierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zulegieren von Calcium zu einer
Aluminium-Scandium-Legierung sowie eine Aluminium-Scandium-Calcium- Legierung.
Durch seine geringe Dichte wird Aluminium gerne als Konstruktionswerkstoff verwendet, d.h. bei Anwendungen, wo eine geringe Masse gewünscht ist, wie beispielsweise bei Transportmitteln vor allem in der Luft- und Raumfahrt.
Aluminium ist zwar ein leichtes Metall und daher für die genannten Anwendungen interessant, hat jedoch den Nachteil, dass es relativ weich ist und die Zugfestigkeit im geglühten Zustand lediglich bei 30 -50 MPa liegt. Die Festigkeitswerte des Aluminiums lassen sich durch Legierung mit anderen Metallen in weiten Grenzen erhöhen und auch andere Eigenschaften können dadurch beeinflusst werden. Dies ist vorteilhaft für den Leichtbau, da hier Konstruktionswerkstoffe benötigt werden, die eine hohe spezifische Festigkeit aufweisen. Beispielsweise kann durch
Zulegierung von Scandtum, verbunden mit einer ausreichend schnellen Abkühlung nach dem Gießen, neben der erhöhten Festigkeit durch Mischkristallbildung eine viel stärkere Festigkeitssteigerung durch Ausscheidungshärtung über eine voll- oder teilkohärente AI3Sc-Phase und/oder durch Dispersoid-Härtung, d.h. wenn die A^Sc-Phasen durch Überalterung zunehmend inkohärent werden, erzielt werden. Da die Dichte von Scandium mit 2,98 g/cm3 über der von Aluminium mit 2,7 g/cm3 liegt, erhöht Scandium jedoch die Werkstoffdichte und damit auch das
Gesamtgewicht.
Aluminium-Scandium-Legierungen sind gut bekannt und ihre Eigenschaften in den folgenden Veröffentlichungen beschrieben, die durch Bezugnahme Teil dieser Offenbarung bilden: AJ. Bosch, R. Senden, W. Entelmann, M. Knüwer, F. Palm „Scalmalloy®: A unique high strength and corrosion insensitive AlMgScZr material concept", Proceedings of the 11th International Conference on Aluminium Alloys
F. Palm, P. Vermeer, W. von Bestenbostel, D. Isheim, R. Schneider „Metallurg ical peculiarities in hyper-eutectic AISc and AlMgSc engineering materials prepared by rapid solidification processing", Proceedings of the 11th International Conference on Aluminium Alloys.
Um die Dichte dieser Aluminium-Scandium-Legierungen herabzusetzen, besteht neben der in den oben angegebenen Veröffentlichungen beschriebenen Zugabe von Magnesium (Dichte 1 ,74 g/cm3) besonders die Möglichkeit, Lithium, das eine Dichte von 0,5 g/cm3 aufweist, zuzulegieren.
Die Herstellung von Aluminium-Scandium-Lithium-Legierungen ist jedoch in der Herstellung problematisch, da die Schmelze unter Schutzgas, wie beispielsweise Argon gehandhabt werden muss. Weiter müssen Rinnen und Schmelztöpfe besonders ausgekleidet werden, beispielsweise mit CeO, ZrO oder anderen schützenden Metaltoxiden. Die Schmelze reagiert an Luft leicht mit Brand oder Explosion und wurde daher in früheren Herstellungsprozessen häufig auch durch eine Schutzschlacke von der Umgebung getrennt.
US 5 211 910 beschreibt eine Aluminium-Legierung, die Scandium und/oder Calcium in einem Anteil von 0,5 bis 4 Gew.-% aufweisen kann.
WO 2007/102988 A2 offenbart eine Aluminium-Legierung, die Calcium und/oder Scandium in einem Bereich von 0,01 bis 6 % aufweisen kann. In der deutschen Wikipedia ist unter dem Begriff„Schmelzschleudern" ein
Verfahren beschrieben, mit dem Schmelzen, insbesondere Metallschmelzen, mit sehr hohen Geschwindigkeiten abgekühlt, d.h. abgeschreckt, werden.
KBM AFFILIPS Master Alloys bietet auf seiner Webseite Aluminium- Grundlegierungen, beispielsweise Aluminium-Magnesium-Legierungen, Aluminium- Scandium-Legierungen oder Aluminium-Calcium-Legierungen, an.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfaches und ungefährliches Verfahren zum Herstellen einer AIuminium-Scandium-Legierung mit verringerter Dichte
vorzuschlagen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Eine Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung ist Gegenstand des
Nebenanspruches.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Verfahren zum Zulegieren von Calcium zu einer AIuminium-Scandium- Legierung, um eine Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung herzustellen, weist die folgenden Schritte auf:
a) gemeinsames in Schmelze Bringen von Aluminium, Scandium und Calcium; und
b) Abschrecken der gemeinsamen Schmelze.
Calcium hat mit einer Dichte von 1 ,55 g/cm3 ein deutlich geringeres
Volumengewicht als Aluminium und trägt damit beim Zuiegieren zu einer
AIuminium-Scandium-Legierung zur Verringerung der Gesamtdichte der Legierung bei. Ein mit einer solchen Legierung hergestellter Werkstoff ist leicht und weist dennoch weitestgehend die Festigkeitseigenschaften der Aluminium-Scandium- Legierung auf.
Die Schmelze mit Calcium kann problemlos unter Atmosphärenbedingungen gehandhabt werden, so dass Schutzvorkehrungen, wie beispielsweise das
Auskleiden von Rinnen und Töpfen mit Oxiden bzw. die Verwendung von
Schutzgas, nicht nötig sind.
Die Löslichkeit von Calcium ist in Aluminium sehr gering, so dass bislang keine signifikanten Legierungsmengen größer 0,5 Gew.-% herstellbar waren. Wird jedoch die Schmelze, die die Legierungspartner elementar enthält, schnell abgeschreckt und somit ein Schnellerstarrungsprozess durchgeführt, verbleibt Calcium irj der festen Phase weitgehend in Lösung.
Somit kann eine Aluminium-Legierung mit hoher Festigkeit und niedriger Dichte in einem einfachen und ungefährlichen Verfahren hergestellt werden.
Vorzugsweise wird Calcium mit einem Anteil von mehr als 0,5 Gew.-% zutegiert. Damit ist Calcium mit einem signifikanten Anteil in der Legierung vorhanden und setzt das Gewicht der Legierung und auch der daraus hergestellten Werkstoffe deutlich herab.
Vorzugsweise wird Calcium in einem Anteil zu der Legierung zulegiert, dass eine Dichte kleiner 2,6 g/cm3 erreicht wird. Somit kann das Gewicht der Legierung um etwa 5% gegenüber der Aluminium-Scandium-Legierung herabgesetzt werden.
Vorteilhaft wird für die gemeinsame Schmelze mittels einem
Schnellerstarrungsprozess in einer Geschwindigkeit von mehr als 100 K/s, insbesondere 10.000 K/s bis 10.000.000 K/s, abgeschreckt. Über einen normalen metallurgischen Herstellungsweg, bei dem nach dem Erschmelzen ein Gieß- Erstarren mit langsamen Abkühlbedingungen folgt, ist es bislang schwierig, Calcium in signifikanten Mengen zu einer Aluminium-Scandium-Legierung zuzulegieren. Denn es bildet sich sofort eine AI2Ca-Phase, die ausgeschieden wird und die Legierung versprödet. Wird jedoch ein Schnellerstarrungsprozess durchgeführt, kann das Problem der begrenzten Löslichkeit und ungewollte vorzeitige grobe eigenschaftsverschlechternde Ausscheidung von Calcium in Aluminium-Legierungen überwunden werden und Calcium bleibt weitgehend in Lösung, da durch das schnelle Abkühlen die natürliche Kristallisation verhindert wird. Damit wird den Atomen die Beweglichkeit geraubt, bevor sie eine
Kristallanordnung einnehmen können und somit A^Ca gebildet werden kann.
Verfahren, die dazu geeignet sind, sind alle Erstarrungsverfahren, bei denen der Schmelze die Wärme schnell entzogen wird, beispielsweise das
Schmelzschleudem, das Pulververdüsen mittels Gas oder in Wasser, das
Dünnbandgießen oder das Sprühkompaktieren, aber auch Verfahren bei denen kurzfristig eine Schmelze erzeugt wird und diese sofort wieder erstarrt,
beispielsweise Schweißverfahren zum Verbinden, Oberflächen Modifizieren oder zur generativen Fertigung von dreidimensionalen Bauteilen, die so genannten Schichtbauverfahren („additive manufacturing").
Vorteilhaft wird dabei die gemeinsame Schmelze mittels einer Düse als
Düsenstrahl auf ein Substrat aufgesprüht, wobei das Substrat während des Aufbringens der gemeinsamen Schmelze gekühlt und gedreht wird. Das Substrat kann beispielsweise ein mit Wasser gekühltes Kupferrad sein. Durch die Kühlung entsteht eine Temperaturdifferenz zwischen der gemeinsamen Schmelze und dem Substrat, so dass eine Temperaturübertragung von der Schmelze auf das Substrat erfolgt. Je höher die Temperaturdifferenz ist, desto schneller wird die Temperatur auf das Substrat übertragen und durch die Kühlung abgeführt. Weiter hängt die Abkühlrate und somit das Vorhandensein einer schnellen Erstarrung zum
Verhindern der AI2Ca-Phasenbildung von der Geschwindigkeit ab, mit der die Schmelze auf dem Substrat auftrifft sowie von der Rotationsgeschwindigkeit des gedrehten Substrates.
Wird das Substrat vorzugsweise so schnell gedreht, dass die abgeschreckte gemeinsame Schmelze ausgehend von einem Auftreffbe reich des Düsenstrahls auf dem Substrat von dem Substrat abgeschleudert wird, wird das Substrat automatisch von der durch Abschrecken bereits gebildeten festen Legierung befreit und steht für nachfolgend aufgesprühte gemeinsame Schmelze zur Abkühlung zur Verfügung. Eine Akkumulation von Legierungsmaterial auf dem Substrat, was einer schnellen Temperaturübertragung von der gemeinsamen Schmelze auf das Substrat entgegen steht, wird so vorteilhaft verhindert. Die abgeschleuderte gemeinsame Schmelze bildet ein Band, das in nachfolgenden Verfahrensschritten weiter verarbeitet werden kann.
Zum Beispiel wird das Band zunächst klein gehäckselt, zu Granulat oder Pulver verarbeitet und dann in einem Press- und Ausgas-/Ausheizverfahren zu Bolzen kompaktiert. Die Bolzen, d.h. das partikuläre Vormaterial, können dann zu
Strangpressprofilen mit verschiedenen Querschnitten extrudiert werden.
Vorzugsweise wird das Verfahren unter Atmosphärenbedingungen, insbesondere unter Luftkontakt, durchgeführt. Somit sind Maßnahmen zum Schützen der gemeinsamen Schmelze gegen die Atmosphäre nicht mehr nötig, es kann auf die Verwendung von Schutzgas, Vakuumbedingungen, Schutzvorrichtung und
Ähnliches verzichtet werden. Dies vereinfacht und verbilligt das Verfahren im Vergleich zu einem Zulegieren von Lithium deutlich.
Besonders bevorzugt weist Schritt a) den Schritt in Schmelze Bringen einer Aluminium-Magnesium-Grundlegierung auf. Magnesium weist eine Dichte von 1 ,74 g/cm3 auf. Es steuert und verringert gleichzeitig die Dichte der entsprechenden Legierung. Je mehr Magnesium sich in der Legierung befindet, desto geringer wird die Dichte. Das Zulegieren von Magnesium zu Aluminium ist bis zu einem Anteil von 10 Gew.-% sinnvoll. Aufgrund der ähnlichen Schmelzpunkte von Aluminium und Magnesium ist eine Herstellung einer Aluminium-Magnesium-Grundlegierung besonders einfach herzustellen.
Aluminium-Scandium-Legierung ist ein Oberbegriff für alle Legierungen, die Aluminium und Scandium enthalten. Darunter fallen alle Zusammensetzungen mit der Formel AIScM1M2M3M4, wobei M1 ein Metall ist, das aus der Gruppe
ausgewählt ist, welche Kupfer, Magnesium, Mangan, Silizium, Eisen, Beryllium, Lithium, Chrom, Zink, Silber, Vanadin, Nickel, Kobalt und Molybdän enthält, und wobei M2 ein Metall ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Kupfer,
Magnesium, Mangan, Silizium, Eisen, Beryllium, Lithium, Chrom, Zink, Silber, Vanadin, Nickel, Kobalt und Molybdän enthält.
M3 umfasst die Gruppe der Elemente, welche mit der AI3Sc Phase eine gewisse Kompatibilität, d.h. metall-physikalische Ähnlichkeit (Austauschbarkeit), besitzen und deshalb die tertiäre Phase AI3Sc1-xM3x bilden können. Vorrangig sind dies Zirkonium, Niob, Tantal, Hafnium und Titan.
M4 umfasst die Gruppe der sogenannten Seltenen Erden {Elementnummern 39 und 57 bis 71), die grundsätzlich eine große Ähnlichkeit mit Scandium haben. Deswegen wird Sc oft fälschlicherweise den Seltenen Erden zugerechnet Auch sie können neben dem Scandium der Legierung im nennenswertem Umfang zulegiert werden und bilden dann neben der Mischkristallhärtung alleine oder mit Scandium eine Aushärtungsphase mit vergleichbarer Stöchiometrie wie AI3Sc1-xM3x.
Weiter vorzugsweise wird in Schritt a) eine Aluminium-Scandium-Vorlegierung in Schmelze gebracht. Scandium hat einen deutlich höheren Schmelzpunkt als Aluminium, weswegen zur Bildung einer Legierung eine lange Haltezeit
eingehalten werden muss. Dies ist aufwändig, weswegen es vorteilhaft ist, wenn statt der reinen Elemente eine Vorlegierung verwendet wird, bei der das Scandium bereits„eingeschmolzen" ist und somit eine geringere Haltezeit zum Bilden der Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung eingehalten werden muss.
Vorzugsweise wird weiter in Schritt a) eine Aluminium-Calcium-Vorlegierung in Schmelze gebracht. Auch Calcium hat einen deutlich höheren Schmelzpunkt (842°C) als Aluminium, und durch die Vorlegierung wird der benötigte
Schmelzpunkt und somit die Haltezeit vorzugsweise herabgesetzt.
Eine Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung weist einen Calcium-Anteil von mehr als 0,5 Gew.-% auf. Somit kann die Dichte der Aluminium-Scandium-Legierung herabgesetzt werden, indem ein leicht verfügbares und einfach zu handhabendes Metall als Legierungsbestandteil in der Legierung enthalten ist.
Vorzugsweise weist die Legierung 0,2 Gew.-% bis 3 Gew.-%, vorzugsweise 0,4 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-%, Scandium auf. Wenn Scandium in den angegebenen Mengen in der Legierung enthalten ist, erhöht es die Festigkeit der Legierung, trägt aber nicht so stark zu einer Dichteerhöhung der Legierung bei, dass ein daraus hergestellter Werkstoff zu schwer für den Leichtbau würde. Alternativ kann statt Scandium auch Ytterbium in den genannten Anteilen der Legierung zulegiert werden. Ytterbium ist günstiger erhältlich als Scandium, hat aber den Nachteil, dass es die Festigkeit der Legierung weniger gut verbessert als Scandium.
Vorteilhaft weist die Legierung 0,1 Gew.-% bis ,5 Gew.-%, mehr vorzugsweise 0,2 Gew.-% bis 0,75 Gew.-%, Zirkonium auf. Zirkonium in einem solchen Anteil in der Legierung (Verhältnis Zr/Sc etwa Α bis etwa Vi ) erleichtert die temperaturgestützte Weiterverarbeitung der Legierung und stabilisiert diese thermisch, d.h. es reduziert die Neigung zu„altern", was gleichbedeutend ist zu einer ungewollten
Vergröberung der Aushärtungsphase A Sc durch Bildung einer AI3ScZr-Phase.
Weiter vorteilhaft enthält die Legierung 1 ,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-%, mehr vorzugsweise 2,5 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%, Magnesium. Magnesium setzt die Dichte einer Aluminium-Legierung herab. Das Zulegieren von Magnesium zu Aluminium ist jedoch nur bis zu bestimmten Mengen sinnvoll, da sonst negative Eigenschaften wie Sprödigkeit und Korrosionsempfindlichkeit stark zunehmen. Deshalb ist Magnesium vorzugsweise in den genannten Anteilen in der Legierung enthalten.
Weiter vorzugsweise weist die Legierung auch weitere Beimischungen, auch in multipler Form, der in M1, M2, M3 und M4 genannten Elemente mit den Anteilen 0,2 bis2,0 Gew.-% auf, die die mechanischen, physikalischen oder chemischen
Eigenschaften der Legierung verbessern. Nicht zu vermeiden ist das
Vorhandensein von nicht erwünschten Verunreinigungen metallischer aber auch nicht-metallischer Natur wie Oxiden, Nitriden, gelösten Gasen usw. in
vernachlässigbaren Mengen, d.h. mit einer Summe von weniger als 0,5 Gew.-%) in der Legierung.
Vorzugsweise weist die Legierung eine Dichte kleiner als 2,6 g/cm3 auf. Somit ist die Legierung als Grundstoff für den Leichtbau besonders gut geeignet.
In bevorzugter Ausgestaltung weist die Legierung im Wesentlichen die gleiche Festigkeit und im Wesentlichen das gleiche Elastizitätsmodul auf wie die reine Aluminium-Scandium-Legierung, in der kein zulegiertes Calcium enthalten ist. Somit hat die Legierung die positiven Eigenschaften der Aluminium-Scandium- Grundlegierung, d.h. im Wesentlichen die gleiche Festigkeit und das gleiche Elastizitätsmodul, ist jedoch durch das Vorhandensein von Calcium dichtereduziert und somit leichter.
Ein Aluminium-Scandium-Calcium-Werkstoff weist mehr als 0,5 Gew.-% Calcium auf. Ein solcher Werkstoff zeichnet sich durch besonders gute Festigkeitswerte und ein hohes Elastizitätsmodul aus, hat jedoch eine verringerte Dichte und ist somit für den Leichtbau besonders geeignet. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 das gemeinsame in Schmelze Bringen von Aluminium, Scandium und Calcium;
Fig. 2 das Abschrecken der gemeinsamen Schmelze durch Aufsprühen auf ein gekühltes, rotierendes Substrat;
Fig. 3 eine rückseitige Ansicht des Substrates; und
Fig. 4 das Entstehen eines Legierungsbandes;
Fig. 1 zeigt, wie in einem gemeinsamen Schmelztiegel 10 die Metalle Scandium 2 und Calcium 14 zu einer Aluminium 15 und Magnesium 16 enthaltenden
Aluminium-Magnesium-Grundlegierung 17 zugemischt werden. Der Schmelztiegel 10 weist an seiner Unterseite eine Düse 18 auf, die durch eine Schließvorrichtung 19 von dem Schmelztiegel 10 getrennt ist.
Um möglichst geringe Haltezeiten zu erreichen, wird Scandium 12 als Aluminium- Scandium-Vorlegierung 20 und Calcium 14 als Aluminium-Calcium-Vorlegierung 21 zugegeben. Zum Schmelzen wird die Mischung mit einer Induktionsheizung 23 geheizt. Es sind jedoch auch andere geeignete Heizmöglichkeiten zum in
Schmelze Bringen der Metalle 12, 14, 15, 16 möglich. Nachdem die in den
Schmelztiegel 10 eingegebenen Metalle 12, 14, 15, 16 geschmolzen sind, ist eine gemeinsame Schmelze 22 entstanden.
In Fig. 2 wird gezeigt, wie die gemeinsame Schmelze 22 auf ein sich drehendes Substrat 24 aufgesprüht wird. Dazu wird die Schließvorrichtung 19 zwischen der Düse 18 und dem Schmelztiegel 10 geöffnet, so dass die gemeinsame Schmelze 22 in die Düse 18 einfließen kann. Die Düse 18 versprüht die gemeinsame Schmelze 22 in einem Düsenstrahl 30 auf einen Auftreffbereich 32 an einer Oberfläche 33 des Substrats 24. Das Substrat 24 wird auf der Seite, die dem Auftreffbereich 32 gegenüber liegt, über eine Kühlvorrichtung 34 gekühlt. Das Substrat 24 wird in Richtung des Pfeils O schnell um die Achse 35 gedreht.
Die gemeinsame Schmelze 22 erstarrt auf dem gekühlten Substrat 24 in einer hohen Abkühlgeschwindigkeit zu einer Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung 36. Durch die schnelle Drehung des Substrates 24 und die daraus resultierenden Kräfte wird die entstandene Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung 36 von der Oberfläche 33 des Substrates 24 weggeschleudert, so dass ein Legierungsband 40 entsteht.
Fig. 3 zeigt das Substrat 24 von einer Rückseite 42, die der Oberfläche 33 gegenüberliegt. Hier ist die Kühlvorrichtung 34 in Form einer Kühlwendel 44 angeordnet. Durch die Kühlwendel 44 kann beispielsweise in Pfeilrichtung Wasser geleitet werden, um so das Substrat 24 zu kühlen. Es ist jedoch auch möglich, beispielsweise flüssigen Stickstoff oder andere niedriger als Wasser schmelzende Medien zum Kühlen zu verwenden, um so eine größere Temperaturdifferenz zwischen dem auftreffenden Düsenstrahl 30 und dem Substrat 24 zu erreichen.
Fig. 4 zeigt eine Ansicht auf die Oberfläche 33 des Substrates 24. Das Substrat 24 wird in Richtung des Pfeils P so schnell gedreht, dass durch die resultierenden Kräfte die erstarrte Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung 36 als
Legierungsband 40 von der Oberfläche 38 weggeschleudert wird.
In dem nachfolgenden Beispiel wird die Herstellung eines AIScCa-Legierungs- Halbzeugs beschrieben.
Einer AIMg5,4Sc1 ,2ZrO,6MnO, 5 -Legierung wird 2,0 Gew.-% Calcium nach oben beschriebenem Verfahren zulegiert. Das Legierungsband wird zu Granulat gehäckselt (chopped) und dann in einer beheizbaren Vorrichtung bei 290 bis 300°C unter Wechselspülen mit Vakuum bei etwa 10 bis 2 mbar und Zufuhr von trockenem Stickstoff und wiederholtem Vakuum Saugen entgast. Der
Entgasungsprozess wird fünf mal durchgeführt und dabei das Granulat mit Hilfe einer hydraulischen Presse zu einem Bolzen mit 98 % Bruttodichte und 31 mm Durchmesser bei 25 -30 mm Länge kompaktiert.
Dieser Bolzen wird dann auf 30 mm überdreht und nachfolgend in einer
Strangpressvorrichtung mit einem Verpressverhältnis von 25:1 bei 325 bis 335°C zu einem 6 mm Rundstab ausgepresst. Aus dem Rundstab werden genormte Rundzugproben EN 0001 B6 x 30 entnommen und die Festigkeit geprüft. An kleinen Scheiben aus dem 6 mm Stab kann zusätzlich die Gefügehärte nach dem Brinell-Härte-Prüfverfahren (HB2, 5/6,5) ermittelt werden
Je geringer die Werkstoffdichte ist, desto größer ist das Leichtbaupotential, dies ist bei sonst gleichbleibenden Festigkeitseigenschaften eine feste Designgröße.
Stoffbasierter Leichtbau benötigt Konstruktionswerkstoffe mit hoher Festigkeit und geringer Dichte, d.h. hoher spezifischer Festigkeit, auch Reißlänge genannt.
Hochfeste AlMgSc-Legierungen haben eine Dichte von 2,62 bis 2,86 g/cm3 bzw. einen Mg-Gehalt von 6,0 bis 2,5 Gew.-%. AlMg-Werkstoffe, die in ihrer
Zusammensetzung nach amerikanischem Al-Legierungsschlüssel alle in Feld AA5XXX geschrieben werden, sind aufgrund ihrer relativ geringen Dichten weit verbreitet und wegen ihrer guten Festigkeits- und Verarbeitungseigenschaften sehr beliebt. Der Magnesiumanteil an der Legierung steuert teilweise die Festigkeit über Mischkristallhärtung, bestimmt zugleich aber auch die Dichte der entsprechenden Legierungen, da Magnesium 16 eine Dichte von 1 ,74 g/cm3 aufweist. Diese soll insbesondere aus Leichtbaugesichtspunkten möglichst gering sein. Je mehr Magnesium 16 sich in der Legierung befindet, desto geringer wird die Dichte. Es ist bekannt, dass das Zulegieren von Magnesium 16 zu Aluminium 15, und damit die einhergehende Dichtereduktion, nur bis zu bestimmten Mengen sinnvoll ist, da sonst andere negative Eigenschaften wie Sprödigkeit und
Korrosionsempfindlichkeit stark zunehmen. Deswegen haben generell heute etablierte, d.h. industriell genutzte, hoch- magnesiumhaltige Aluminiumwerkstoffe einen Magnesiumgehalt von unter 6 Gew.- % (z.B. AA5059 oder AA5083). Das Zulegieren von Lithium ist Stand der Technik, das Zulegieren von Calcium 14 bei AlMgSc-Legierungen nicht. Die Alternative zur Absenkung der Dichte, d.h. das Zulegieren von Lithium mit einer Dichte von 0,52 g/cm3, wurde schon in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt und besonders ab den späten 70er Jahren in Russland technisch umgesetzt. Somit ist eine weitere Dichtereduktion durch Zulegierung von Lithium (0,5 g/cm3) oder nur noch Calcium 14 (1 ,55 g/cm3) möglich. Das Zulegieren von Scandium 12, verbunden mit einer ausreichend schnellen Abkühlung nach dem Gießen bzw. während der Erstarrung, ermöglicht mittels definierter Wärmeführung, z.B.
nachgeschaltete Warmauslagerung im Temperaturbereich zwischen 250 und 400 °C, bei diesen Werkstoffen eine weitere Festigkeitssteigerung der
Ausscheidungshärtung über eine voll- oder teilkohärente A^Sc-Phase und/oder Dispersoid-Härtung, wenn die A^Sc-Phase durch Überalterung zunehmend inkohärent wird.
Die Dichte von AlMgSc-Blech und mehr noch von Strangpressprofilen wird bestimmt durch die Menge an Magnesium 16, welches zur Mischkristallhärtung diesem Werkstofftyp zulegiert wird. Daraus ergibt sich bei höher festen AlMgSc- Legierungen eine nach unten begrenzte minimale Dichte. Das Zulegieren von Calcium 14 mit einer Dichte von 1 ,55 g/cm3 und in einer Menge von mehr als 0,5 Gew.-% kommt bislang bei hochfesten Aluminium-Magnesium-Scandium- Legierungskonzepten für Anwendungen im Verkehrs- bzw. Luft- & Raumfahrt- Bereich nicht vor.
Da die Löslichkeit von Calcium 14 in Aluminium 5 sehr gering ist, verbietet sich der Einsatz von Calcium 14 als Standardlegierungselement mit signifikanten Legierungsmengen von größer als 0,5 Gew.-%. Dies gilt jedoch nur für den normalen metallurgischen Herstellungsweg, bei dem nach dem Erschmelzen ein Gießen bzw. Erstarren mit langsamen Abkühlbedingungen folgt und sich sofort eine AI2Ca-Phase ausscheidet, welche die Legierung versprödet.
Wird ein Schnellerstarrungsprozess, z.B. Schmelzschleudern, durchgeführt, kann das Problem der sehr begrenzten Löslichkeit von Calcium 14 in Aluminium 15 und Aluminium-Magnesium-Legierungen 17 überwunden werden und Calcium 14 bleibt weitgehend in Lösung. Ausreichend schnell erstarrte, mit Scandium 12 zwischen 0,3 und 1 ,5 Gew.-% legierte und damit hoch bis höchst feste Aluminium- Magnesium-Werkstoffe mit einem Magnesiumgehalt zwischen 1 und 10 Gew.-% können durch Zugabe von Calcium 14 in einem Bereich zwischen 0,5 und 5 Gew.- % weiter in ihrer Dichte reduziert werden und steigern so ihre Attraktivität als Leichtbauwerkstoffe wegen der hohen spezifischen Festigkeit für alle Arten von gewichtsgetriebenen Anwendungen, beispielsweise Flugzeugbau, Fahrzeugbau usw.
Dank der schnellen Abkühlung und Erstarrung aus der flüssigen Phase, welche notwendig ist, damit erhöhte Mengen an Scandium 12 im Aluminium-Werkstoff gelöst werden können, kann man nun den Aluminium-Magnesium-Scandium- Legierungen das Erdalkalielement Calcium 14 mit einer Dichte von 1 ,54 g/cm3 zulegieren und so effizient die Dichte dieser attraktiven hochfesten Aluminium- Werkstoffe weiter reduzieren. Es können hochfeste Aluminium-Magnesium- Scandium-Werkstoffe mit reduzierter Dichte von kleiner als 2,6 g/cm3 als Profile erzielt werden, allerdings auch hochfeste Aluminium-Magnesium-Scandium- Werkstoffe mit reduzierter Dichte von kleiner 2,6 g/cm3 als direktgenerierte (z.B. durch Laser umgeschmolzene) endkonturnahe Bauteile, wobei die Bauteile effizientere Leichtbaustrukturen mit hoher Langlebigkeit sind. Bezugszeichenliste: 10 Schmelztiegel
12 Scandium
14 Calcium
15 Aluminium
16 Magnesium
17 Aluminium-Magnesium-Grundtegierung 18 Düse
19 Schließvorrichtung
20 Aluminium-Scandium-Vorlegierung
21 Aluminium-Calcium-Vorlegierung
22 gemeinsame Schmelze
23 Induktionsheizung
24 Substrat
30 Düsenstrahl
32 Auftreffbereich
33 Oberfläche
34 Kühlvorrichtung
25 Achse
36 Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung 40 Legierungsband
42 Rückseite
44 Kühlwendel
O Pfeil
P Pfeil

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Zulegieren von Calcium (14) zu einer Aluminium-Scandium- Legierung (20) zum Herstellen einer Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung (36) mit den Schritten
a) gemeinsames in Schmelze Bringen von Aluminium (15), Scandium (12) und Calcium (14); und
b) Abschrecken der gemeinsamen Schmelze (22),
wobei Calcium (14) in einem Anteil zu der Legierung zulegiert wird, dass eine Dichte kleiner 2,6 g/cm3 erreicht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass Calcium (14) mit einem Anteil von mehr als 0,5 Gew.-% zulegiert wird.
3. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Schmelze (22) mittels einem Schnellerstarrungsprozess in einer Geschwindigkeit von mehr als 100 K/s abgeschreckt wird.
4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die gemeinsame Schmelze (22) mittels einer Düse (18) als Düsenstrahl (30) auf ein Substrat (24) aufgesprüht wird, wobei das Substrat (24) während des Aufbringens der gemeinsamen Schmelze (22) gekühlt und gedreht wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (24) so schnell gedreht wird, dass die abgeschreckte gemeinsame Schmelze (22) ausgehend von einem Auftreffbereich (32) des Düsenstrahls (30) auf dem Substrat (24) von dem Substrat (24) abgeschleudert wird.
6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren unter Atmosphärenbedingungen durchgeführt wird.
7. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass Schritt a) den Schritt
in Schmelze bringen einer Aluminium-Magnesium-Grundlegierung (17) und/oder in Schmelze bringen einer Aluminium-Scandium-Vorlegierung (20) und/oder in Schmelze bringen einer Alum in ium-Calcium-Vorlegierung (21) aufweist.
8. Aluminium-Scandium-Calcium-Legierung (36) mit einem Calcium (14)- Anteil von mehr als 0,5 Gew.-%, wobei die Legierung eine Dichte von kleiner 2,6 g/cm3 aufweist.
9. Legierung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,2 Gew.-% bis 3 Gew.-% Scandium (12) enthält.
10. Legierung nach einem der Ansprüche 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,1 Gew.-% bis 1 ,5 Gew.-%
Zirkonium enthält und/oder dass die Legierung 1,0 Gew.-% bis 8,0 Gew.-%
Magnesium (16) und/oder Beimischungen und nicht erwünschte Verunreinigungen enthält.
11. Legierung nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,5 Gew.-% bis 6,0 Gew.-%
Magnesium (16) enthält.
12. Aluminium-Scandium-Calcium-Werkstoff, wobei der Werkstoff mehr als 0,5 Gew.-% Calcium (14) enthält und eine Dichter von kleiner 2,6 g/cm3 aufweist.
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