HUT50885A - Aluminium alloy pieces, particularly bars having improved fatigue strength and process for producing same - Google Patents

Description

Ismeretes, hogy az alumínium háromszor könnyebb, mint az acél, és a korróziónak jól ellenáll. Más fémekkel, például rézzel és magnéziummal ötvözve mechanikai szilárdsága jelentősen javítható. Ezen kívül szilicium-dioxid adagolása esetén a termék magas kopásállósággal rendelkezik. A más elemekkel, például vassal, nikkellel, kobalttal, krómmal és mangánnal készült ötvözetek jó tulajdonságú termékeket adnak, amelyek alkalmassá teszik ezeket gépkocsialkatrészek, például motorok, dugattyúk, hengerek, stb. előállítására.

A 144 898 számú európai szabadalom olyan alumínium-ötvözetet ismertet, amely 10-36 tömeg% szilícium-dioxidot, 1-12 tömeg% rezet, 0,1-3 tömeg% magnéziumot és 2-10 tömeg% legalább egy elemet tartalmaz a következő csoportból: vas, nikkel, kobalt, króm és mangán.

Ezek az ötvözetek előnyösen alkalmazhatók repülőgép és gépkocsialkatrészek gyártására. Ezeket az alkatrészeket porkohászat útján állítják elő, amelynek során a préseléssel és húzással végzett formálás mellett közepes hőfokon, 250 és 550 °C között hőkezelést végeznek.

Bár ezek az alkatrészek különböző megfelelő tulajdonságokkal rendelkeznek, az elfáradás! szilárdság szempontjából nem megfelelőek. Szakemberek tudják, hogy az elfáradás permanens, helyi és fokozatos változást jelent a fém szerkezetében, olyan anyagokban, amelyek sorozatos nem-folytonos feszültségnek vannak kitéve. Az elfáradás repedésekhez, sőt törésekhez vezethet különböző számú feszültségsorozat bekövetkezése után, amelyeknek intenzitása rendszerint jóval alatta van annak, amelyet az • · · · • · · • · · · • · · · · ·

- 3 anyagra folyamatosan gyakorolni kell ahhoz, hogy nyújtás következtében szakadás következzék be. így a

144 898 számú európai szabadalomban megadott elaszticitási modulus, nyújtó szilárdság és keménység nem utal az ötvözet elfáradási szilárdságára.

Az olyan alkatrészek azonban, mint például rudak vagy dugattyútűk, amelyek dinamikus terhelésnek és periodikus feszültségnek vannak kitéve, fontos, hogy jó elfáradási szilárdsággal rendelkezzenek.

Kísérleteink során úgy találtuk, hogy a fenti szabadalmi leírásban ismertetett ötvözetek bizonyos alkalmazás céljára megfelelő elfáradási szilárdsággal rendelkeznek, ezek a tulajdonságok azonban javíthatók az ötvözet összetételének változtatásával. Olyan alumínium-ötvözetet dolgoztunk tehát ki, amely 11-22 tömeg% szilícium-dioxidot, 2-5 tömeg% vasat, 0,5-4 tömeg% rezet, 0,2-1,5 tömeg% magnéziumot, és ezenkívül 0,4-1,5 tömeg% cirkóniumot tartalmaz.

Felismertük tehát, hogy ha az ötvözethez legalább 0,4 tömeg%, de legfeljebb 1,5 tömeg% cirkóniumot adunk, az alkatrészek elfáradási szilárdsága jelentősen javul, anélkül, hogy az ötvözetek egyéb tulajdonságai vagy megmunkálhatósága károsan változna.

A találmány kiterjed az ezen ötvözetekből készült munkadarabok előállítására is.

Miután a fenti összetételű ötvözetet elkészítettük, 900 °C fölötti hőmérsékleten megolvasztjuk idő előtti kicsapódás bekövetkezésének kivédésével, majd * · * ·

- 4 gyors megszilárdításnak vetjük alá. így, mivel a vas és a cirkónium nagyon gyengén oldódik az ötvözetben, a megfelelő jellemzőkkel rendelkező munkadarabok előállítása céljából fontos, hogy ezen elemek bármilyen durva, heterogén kicsapódását megakadályozzuk, ami elérhető úgy, hogy a hűtést a lehető leggyorsabban végezzük.

A gyors megszilárdítás elvégzésének különböző módja lehetséges: Az olvasztott fémet gáz segítségével atomizáljuk, vagy mechanikai atomizálást, majd gáz (levegő, hélium, argon) segítségével hűtést végzünk.

Ilyen módon 400 um alatti szemcseméretű port kapunk amelyet azután hideg vagy forró préseléssel uniaxiális vagy izosztatikus sajtolóban formálunk, majd nyújtunk és/vagy kovácsolunk. A megszilárdítást végezhetjük úgy is, hogy az olvasztott ötvözetet egy hűtött fémfelületre szórjuk, ami olvadékfonás vagy sík folyékony szórás név alatt ismeretes, amelyet például a 4 389 258 számú amerikai egyesült államok-beli és a 136 508 számú európai szabadalmi leírás ismertet. Ilyen módon olyan szalagokat kapunk,amelyeknek vastagsága 100 ^um alatti, és amelyeket azután a fenti módon formálunk. A megszilárdítást végezhetjük továbbá úgy is, hogy az atomizált olvasztott ötvözetet gázáramban egy hordozóra permetezzük, ami permetezőlerakás néven ismeretes, és amelyet például az 1 379 261 számú nagy-britanniai szabadalmi leírás ismertet, így olyan koherens lerakódást kapunk, amely sikeresen alakítható, például kovácsolással, húzással vagy fürdőben kovácsolással. A módszerek felsorolása azonban nyilvánvalóan nem kimerítő.

Annak érdekében, hogy a kicsapódott szerkezetet, amely adott esetben megmunkálásra kerül, tovább javítsuk, a munkadarabokat 1-10 óra hosszat 480-530 °C-on hőkezeljük, majd vízben keményítjük, mielőtt 2-32 óra hosszat 150-200 °C-on temperálásnak vetjük alá, amely a mechanikai tulajdonságokat javítja.

A találmány szerinti megoldást a következő példákkal szemléltetjük a korlátozás szándéka nélkül.

Példa

Hat ötvözetet készítünk a következő tömegösszetétellel:

Ötvözet	Si %	Fe %	Cu %	Mg %	Zr %	Al %
1.	18	3,0	3	1,0	-	maradék
2.	18	3,0	3	1,0	1	maradék
3.	12	5,0	1	1,5	1,2	maradék
4.	15	4,0	1	1	0,6	maradék
5.	20	4,0	1	1	0,8	maradék
6.	12	5,0	3	0,8	0,2	maradék

Az 1., 2. és 3. ötvözetet porkohászati úton állítottuk elő, azaz 900 °C-on megolvasztottuk, nitrogénatmoszférában 300 /Um szemcseméretűre atomizáltuk, majd 300 mPa nyomáson izosztatikus sajtóiéban sajtoltuk, majd 40 mm átmérőjű rűddá húztuk.

A 4., 5. és 6. ötvözetet permetezőlerakással készítettük, amelynek során hengeres tönk formájú lerakást • · · • · • · · « • · ·

kaptunk, majd ezt alakítottuk 40 mm átmérőjű rűddá. Mindkét eljárás során kapott rudakat 2 óra hosszat 490 és 520 °C közötti hőmérsékleten hevítettük, vízben keményítettük, majd 8 óra hosszat 160 és 190 °C közötti hőmérsékleten tartottuk.

A kapott rudakból vett vizsgálati mintán egyrészt a Young-féle modulust, másrészt a standard 0,2 %-os elasztikus határt, törési terhelést és a megnyúlást mértük 20 °C-on, illetve 100 óra hosszat 150 °C-on való tartás után, mértük továbbá az elfáradási határt 20 °C-on 10? ciklus után, és a megbízhatósági arányt, amely az elfáradási határ és a törési terhelés aránya. Az eredményeket a következő táblázatban foglaltuk össze.

Táblázat

	1.	2.	3.	4.	5.	6.
Young-féle	modulus (GPa)	87	91	89	90	95	84
Feszültség	R0,2	(mPa)	350	390	380	387	400	355
20 °C-on	Rm	(mPa)	430	460	442	455	470	433
	A%		2,5	3,0	5,0	3,8	1,0	2,0
Feszültség	R0,2	(mPa)	290	320	315	323	327	288
100 óra	Rm	(mPa)	385	390	387	393	398	380
hosszat	m
150 °C-on	A%		5,0	6,0	8,0	5,0	2,0	6,0

tartás után

Elfáradási határ (mPa) 107 ciklus után 20 °C-on (forgató hajlítás)	150	185	192	190	188	155
Terhelési arány (Lf/Rm)	0,35	0,40	0,43	0,42	0,40	0,3

Látható, hogy a cirkónium jelentősen javítja az elfáradási feszültséget, amely 150-ről 192 mPa-ra változik.

Hasonló eredményeket kaptunk olyan munkadarabokkal, amelyeket permetezőlerakással, olvadékfonással vagy sík folyó szórással kaptunk.

Claims (3)

1. Szabadalmi igénypontok

   1. Javított elfáradási szilárdsággal rendelkező alumínium-ötvözet munkadarabok, főleg rudak, amelyek alumínium mellett 11-22 tömeg% szilícium-dioxidot,
2. 2-5 tömeg% vasat, 0,5-4 tömeg% rezet, 0,2-1,5 tömeg% magnéziumot tartalmaznak, azzal jellemezve, hogy 0,4-1,5 tömeg% cirkóniumot is tartalmaznak.

   2. Eljárás az 1. igénypont szerinti munkadarabok előállítására, azzal jellemezve , hogy az ötvözetet olvadt állapotban gyors szilárdításnak, formázásnak 480 és 530 °C közötti hőmérsékleten hőkezelésnek, vízben keményítésnek és 150 és 200 °C közötti hőmérsékleten temperálásnak vetjük alá.
3. 3. A 2. igénypont szerinti eljárás, azzal jellemezve , hogy a gyors megszilárdítást atomizálással, permetezőlerakással vagy olvadékfonással végezzük.