NO170945B - Framgangsmaate for tilvirkning av en hoeytemperaturbestandig gjenstand av al-legering - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en framgangsmåte for tilvirking av en høytemperaturbestandig gjenstand av Al-legering, der legeringen velges fra en blanding av 5-15% Fe, 1-5% Mo, 0.2-6%

V og resten Al pluss eventuelle forurensninger.

Det er gjort forsøk på å skape forbedrete aluminiumlegeringer ved pulvermetallurgi. Disse framgangsmåtene omfatter økte størkningshastigheter i forhold til de hastighetene som oppnås ved konvensjonell støping. De hastighetene som er oppnådd har imidlertid ikke vært tilstrekkelig til å skape brukbare metastabile faser i det begrensete antall legeringssystemer som er blitt studert.

Følgende tidsskriftartikler beskriver framgangsmåter som gir hurtig størkning av aluminiumlegeringer: "Exchange of Experience and Information, Structures and Properties of Al-Cr and Al-Fe Alloys Prepared by the Atomization technique". A.A. Bryukhovets, N.N Barbashin, m.g. Stepanova, og LN. Fridlyander. Moscow Aviation Technology Institute. Oversatt from Poroshkovaya Metallurgiya, No. 1 (85), pp. 1081-111, Januar, 1970. "On Aluminium Alloys with Refractory Elements, obtained by Granulation" by V.I. Dobatkin and V.I. Elagin. Sov. J. NonFerrous Metals August 1966, pp. 89-93. "Fast freezing by Atomization for Aluminium Alloy Development" av W. Rostoker, R.p. Dudek, C.Freda og R.E.

Russell. International Journal of Powder Metallurgy, pp. 139-148.

Følgende US-patentskrifter vedrører aluminiumlegeringer og hurtig størkning av aluminiumlegeringer:

samt EP patentsøknad med publikasjonsnummer 171 798.

Hovedformålet med oppfinnelsen er å anvise en framgangsmåte for framstilling av aluminiumlegeringer som har brukbare mekaniske egenskaper ved temperaturer opptil 425 °C samt å beskrive behandlingen av slike legeringer ved pulvermetallurgi.

Dette formål er oppnådd med en framgangsmåte som angitt i den karakteriserende del av patentkrav 1. Ytterligere særtrekk ved framgangsmåten framgår av de uselvstendige kravene 2 og 3.

Denne oppfinnelsen vedrører en framgangsmåte for framstilling av en klasse aluminiumlegeringer som er dispersjonsforsterket og som eldningsherdes for å oppnå mekaniske egenskaper. Utfellings-forsterkning i aluminiumlegeringer er vanlig ved legeringer basert på aluminium- kobber-system. I disse systemene blir utfellingen av partiklene styrt termisk for å oppnå en forsterkning.

En annen form for legeringsforsterkning med partikler er kjent som SAP-legeringer (sintret aluminiumpulver). SAP- legeringer tilvirkes ved pulvermetallurgi hvor pulver av aluminium!egering oksideres, fortettes og kaldbehandles slik at det dannes en struktur som inneholder en fin dispersjon av aluminiumoksyd-partikler. Fordi aluminiumoksyd er tilnærmet uoppløselig i aluminium, er denne klassen legeringer mere stabil ved høye temperaturer enn utfellingsforsterkete legeringer dannet ved ekte utfellingsfenomen. SAP-legeringer er imidlertid kostbare og deres mekaniske egenskaper dannes ved deformasjon isteden for ved varmebehandling. Den foreliggende oppfinnelsen vedrører en framgangsmåte for framstilling av en klasse legeringer som kombinerer enkelte karakteristikker av begge typer utfellingsherdete materialer som er beskrevet foran. Legeringene framstillt i samsvar med oppfinnelsen forsterkes med et utfellingsprodukt basert på jern, molybden og vanadium. Jern, molybden og vanadium er alle tilnærmet uoppløselig i aluminium og følgelig vil utfelte partikler av disse stoffene være stabile ved høye temperaturer.

Oppfinnelsens legeringer er basert på en framgangsmåte som omfatter hurtig størkning fra smelte, ved hastigheter som overstiger 10<3>oC pr. sekund og fortrinnsvis ltf°C pr. sekund. Den hurtige størkningen sikrer at de utfelte partiklene som dannes under størkningen er små og jevnt fordelt. I tillegg er det sannsynlig at partiklene som dannes under hurtig størkning ikke har likevektsstruktur på bakgrunn av den eldningsherdnings-reaksjon som beskrives nedenfor. Dersom størkningshastigheten er tilstrekkelig høy kan det oppstå ikke-krystallinske (amorfe) områder. Dette er generelt ikke en ønskelig situasjon, fordi slike materialer har begrenset duktilitet. Materialene kan imidlertid behandles termisk etterpå, for å dekomponere det amorfe materialet til mer duktilt, krystallinsk materiale som inneholder en fin, forsterkende dispersjon av utfelte partikler.

Det størknede partikkelmaterialet blir fortettet slik at det dannes en artikkel med anvendelige dimensjoner. Forskjellige fortetningsteknikker kan brukes, så lenge legeringstemperaturen ikke vesentlig overstiger 450°C i noen betydelig tid.

Et trekk ved materialet i samsvar med oppfinnelsen, som skiller det fra kjente aluminiumlegeringer som inneholder jern og molybden, men uten vanadium (beskrevet i US-Patentsøknad 540.712) er at det nye materialet oppviser en eldningsherdnings-reaksjon som kan brukes til å utvikle optimale mekaniske egenskaper. Selv om eldningsherdnings-kinetikken og graden av herdning som oppnås vil variere med sammensetningen, er et typisk resultat en økning på omtrent 4° på en Rockwell-B-skala når materialet eldres ved temperaturer mellom 455-482°C i

fra en time til 50.

Oppfinnelsen er nedenfor beskrevet nærmere med henvisning til den vedlagte tegningen. Fig. 1 viser den termiske stabiliteten til en aluminiumlegering framstillt i samsvar med den foreliggende oppfinnelsen, som inneholder 8% Fe, 2%Mo, 1%V. Fig. 2 viser den termiske stabiliteten til en kjent aluminiumlegering som inneholder 8%Fe og 2%Mo.

Legeringene framstillt i samsvar med oppfinnelsen er basert på aluminium og inneholder fra 5-15 vektprosent jern, 1-5 vektprosent molybden og fra 0,2-6 vektprosent vanadium. Et foretrukket område er 6-10 vektprosent jern, 1-4 vektprosent molybden og 0,5-2 vektprosent vanadium, resten aluminium. Den totale vektprosenten av legeringselementene bør ikke overskride 20%, summen av molybden og vanadium bør utgjøre fra 20% til 200% av jerninnholdet og molybdeninnholdet bør fortrinnsvis overstige vanadiuminnholdet.

Ved den kjente legeringen som inneholdt nominelt 8% jern og 2% molybden i aluminium, ble en styrkende fase basert på Al3Fe, med molybdenet delvis som erstatning for jern. Selv om definitive analyser ikke er fullført på legeringen i samsvar med oppfinnelsen, antas den styrkende fasen å være basert på Al3Fe med molybden og vanadium på ny som erstatning for noe av jernet. Den rollen som vanadium spiller i legeringen er imidlertid komplisert, fordi vanadium synes å delta i eldningsherdingen som registreres.

En generell beskrivelse av materialet i samsvar med oppfinnelsen etter hurtig størkning, er at det er en aluminiummatrise som inneholder fra 6.2 til 26 volumprosent av en forsterkende fase basert på jern, molybden og vanadium med en struktur som tilsvarer AUFe. I materiale som er blitt behandlet for å oppnå maksimal styrke har de forsterkende partiklene en gjennomsnitlig diameter under 500Å og fortrinnsvis under 300Å og ligger mindre 2000Å fra hverandre.

Dannelsen av en slik struktur krever hurtig festning fra smeltet tilstand. Dette er blitt oppnådd ved å bruke en roterende skiveforstøver som roterer med en hastighet på 20000-35000 opm mens det smeltete materialet som skal forstøves helles ned på skiva. Sentrifugalkrafta kaster det flytende materialet fra skiva og det dannes partikler som kjøles av stråler av heliumgass med en hastighet på omtrent 10<5>oC pr. sekund. Denne framgangsmåten er beskrevet i US-patentskrifter 4.025.249, 4.053.264 og 4.078.873. Selv om dette er en fordelaktig metode, som gir den hurtigste avkjølingen som er kjent, kan andre kjøleprosesser brukes, såsom smelterotasjon, skvette-kjøling etc, for å gi tilsvarende mikrostruktur.

Når materialet er tilvirket i partikkelform, må partikkelmaterialet fortettes til en tilstand med praktisk størrelse. Slik fortetning eller komprimering kan utføres på forskjellige måter. En nødvendig forutsetning er at materialet ikke må utsettes for for høy temperatur, fordi dette kunne resultere i en uønsket grad av grove korn i utfellingen og eliminere muligheten for etterfølgende eldningsherding. Følgelig foretrekkes det at materialet ikke utsettes for temperaturer som overstiger 425°C i betydelig tid under fortetningen.

Det er blitt gjennomført varm-ekstrudering av pulver ved ca. 300°C. En annen fortetningsteknikk er dynamisk fortetning ved bruk av eksplosive støtbølger, for å føye pulverpartiklene sammen uten å skape betydelig temperaturøkning.

Fordelene ved oppfinnelsen er vist delvis i fig. 1 og 2. Fig. 1 viser materialets hardhet ved værelsestemperatur (aIuminium-8%Fe-2%Mo-lV) etter at det er blitt utsatt for forskjellige temperaturer og tidsrom. Et viktig trekk i fig. 1 er forekomsten av en topp i eldningsherdningen ved 455 °C og 482 °C- temperaturkurvene. For 455°C-kurven opptrer toppen etter omtrent 20 timer, mens den ved 482°C-kurven er tydeligere og opptrer ved omtrent 4 timer. Kurvene viser også at for temperaturer opptil minst 482°C forblir hardheten på materialet omtrent konstant ved denne temperaturen (etter topp-punktet) for tidsrom opptil 100 timer. Ved 510°C synes materialets hårdhet å avta ved 100 timer. Dette viser at materialet er termisk stabilt ved opptil minst 482°C i minst 100 timer.

Informasjon i fig. 1 må vurderes på bakgrunn av kurvene i fig. 2 for den legeringen som er beskrevet i US-patentsøknad 540.712, med aluminium, 8% jern og 2% molybden. Fig. 2 viser at ved 425°C er materialet termisk ustabilt og etter 16 timer ved denne temperaturen er Rockwell-B-hårdheten mindre enn 60, mens den for materialet i samsvar med oppfinnelsen er omtrent 78 etter 100 timer ved 482°C. Det kjente materialet er ustabilt ved 425°C for alle eksponeringstidsrom. Fig. 2 mangler også et hvert tegn på eldningsherdning.

Det skal bemerkes at eldningsherdningen ved denne legeringen er forskjellig fra den som skjer ved andre vanlige aluminiumssystem, såsom aluminium-kobber. Ved de kjente systemene kan eldningsherdningen oppnås flere ganger i fast tilstand ved passende termisk sirkelprosess om presipitatets oppløsningstemperatur. Dette er ikke tilfelle ved det foreliggende materialet, fordi eldningsherdningen bare kan iakttas en gang etter hurtig størkning og kan ikke gjenntas uten å omsmelte og størkne materialet på nytt. Dette antyder at materialet i samsvar med oppfinnelsen bruker vanadium til å bygge opp egenskapene til det Al3Fe-basis-presipitat som finnes i den kjente aluminium-8%jern-2%molybden-legeringen og at denne økningen i presipitat-herdningen sannsynligvis stammer fra en irreversibel diffusjon av vanadium inn i eller ut av presipitat-partiklene. Dette trekket ved oppfinnelsen nevnes her, fordi det gir verdifull informasjon med hensyn til oppfinnelsens natur og antyder at den eldningsherdning som oppnås er forskjellig fra den som oppnås i andre systemer.

Claims (3)

1. Framgangsmåte for tilvirking av en høytemperaturbestandig gjenstand av Al-legering, der legeringen velges fra en blanding av 5-15% Fe, 1-5% Mo, 0.2-6% V og resten Al pluss eventuelle forurensninger, hvoretter a) blandingen smeltes; og b) blandingen størknes med en hastighet i overkant av lO^C/s for å danne partikler; hvoretter c) partiklene forenes ved en temperatur lavere enn 425°C, karakterisert vedd) at de forente partiklene varmebehandles ved en temperatur mellom 425°C og 538°C i et tidsrom fra 1 til 100 timer for å danne en eldingsherdet gjenstand.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det velges en legering der det totale innholdet av legerende elementer ikke overstiger 20%.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det velges en legering der summen av Mo og V utgjør 20-200 vekt% av Fe-innholdet.