DE1248302B

DE1248302B - Verfahren zur Herstellung warmfester, dispersionsgehaerteter Aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE1248302B
Application number: DE1963W0034802
Authority: DE
Inventors: Dr Heinrich Winter
Original assignee: Federal Government of Germany
Current assignee: Federal Government of Germany
Priority date: 1963-06-29
Filing date: 1963-06-29
Publication date: 1967-08-24
Also published as: GB1047535A; NL6402541A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. Cl.:

C22c

Deutsche Kl.: 40 b-1/04

Nummer: 1248 302

Aktenzeichen: W 34802 VI a/40 b

Anmeldetag: 29. Juni 1963

Auslegetag: 24. August 1967

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von warmfesten, dispersionsgehärteten, auch bei hohen Temperaturen duktilen Aluminiumlegierungen.

Üblicherweise erfolgt die Dispersionshärtung von Aluminiumlegierungen auf pulvermetallurgischem Weg durch Einlagerung hochschmelzender, harter Teilchen in feinverteilter Form in die Aluminiummatrix.

Die bekannteste Aluminiumlegierung dieser Art ist der Werkstoff »S. A. P.«, bei dem feine Aluminiumoxydteilchen in die Aluminiummatrix eingebracht sind. Dieser Werkstoff ist bei höheren Temperaturen recht spröde. Außerdem sind die pulvermetallurgischen Herstellungsverfahren kostspielig.

Den bekannten Aluminiumgußlegierungen, wie »Silumin« mit 94 bis 85¹Vo Al und 6 bis 15% Si, und einigen ihrer Abwandlungen, die neben Aluminium entweder

Verfahren zur Herstellung warmfester,
dispersionsgehärteter Aluminiumlegierungen

Anmelder:

Bundesrepublik Deutschland, vertreten durch
den Bundesminister der Verteidigung,
Bonn, Ermekeilstr. 27

Als Erfinder benannt:

Dr. Heinrich Winter, Eschborn

a) 5 bis 20% Si und 2 bis 15% Cr (deutsche Patentschrift 456 343),

b) 1 bis 8% Si und 2 bis 12% Ce (deutsche Patentschrift 479528),

c) 3 bis 15% Si und weniger als 0,5% Ti (britische Patentschrift 366 654),

d) 20 bis 35% Si und weniger als 5% Ti (deutsche Patentschrift 516 200),

e) 5 bis 25% Si und weniger als 10% V oder Zr (französische Patentschrift 723 418),

f) weniger als 24% Si und 0,1 bis 6% Th (britische Patentschrift 452952)

enthalten, fehlt eine für viele Anwendungszwecke ausreichende Warmfestigkeit, bei größeren Siliziumanteilen auch eine ausreichende Duktilität. Außerdem sind sie nicht dispersionsgehärtet.

Ferner sind aus der britischen Patentschrift 907 404 sowie der USA.-Patentschrift 2 967 351 Aluminiumlegierungen als bekannt zu entnehmen, die einen erheblichen Anteil an Legierungskomponenten aufweisen, welche in der festen Legierung sich jedoch in Form intermetallischer Verbindungen ausscheiden. Hierbei ist in der USA.-Patentschrift 2 967 351 ein Zersprühen der Legierungen zu Pulver unter sehr rascher Abkühlung und ein anschließendes Strangpressen des Pulvers, also ein pulvermetallurgisches Arbeitsverfahren, beschrieben.

Es wurde nun gefunden, daß sich warmfeste und in allen Temperaturbereichen ausreichend duktile, dispersionsgehärtete Aluminiumlegierungen im wesentlichen auf dem Schmelzweg herstellen lassen, wenn durch Zugabe eines Metalldisilizids oder von Silizium und disilizidbildendem Metall zur Aluminiumschmelze ein Anteil von 2 bis 12 Volumprozent des Metalldisilizids in der Legierung erzeugt wird, und daß diese Legierung in an sich bekannter Weise durch Zerteilen in Granulat mit einer Geschwindigkeit größer als 500 grd/sec abgekühlt und das Granulat durch Walzen oder Strangpressen zu Halbzeug verarbeitet wird.

Als geeignete disilizidbildende Metalle kommen in Betracht: Cr, Ti, Th, Ce, V, Nb, Ta, W, Zr und Mo. Die Disilizide dieser Metalle sind sehr hart und schmelzen erst bei hohen Temperaturen.

Die bei den erfindungsgemäßen Legierungen erforderliche, vergleichsweise geringe Abkühlgeschwindigkeit hat zur Folge, daß die Legierungen nurmehr in etwa reiskorngroße Teilchen zerlegt werden müssen — herkömmliche Legierungen müssen hingegen pulverisiert werden. Bei den erfindungsgemäßen Legierungen ist in der Regel ein einziger Walzgang ausreichend, um die Legierungsteilchen zu Halbzeug zu verarbeiten.

Es wurde gefunden, daß sich besonders gute Werte der Warmfestigkeit und Duktilität im eutektischen Bereich ergeben.
Bei den Untersuchungen hat sich weiterhin gezeigt, daß sich überragend gute Werte der Warmfestigkeit und Duktilität ergeben, wenn man die Schmelze sehr rasch abkühlt.

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Die großen Abkühlungsgeschwindigkeiten kann man durch das Ausschleudern der Schmelzen aus einem Schmelztiegel erreichen. Hierbei bildeten sich sehr kleine, rasch erstarrende Teilchen, die man später durch Strangpressen oder Walzen zu Blechen oder anderem Halbzeug verarbeiten kann.

Bei der raschen Abkühlung der Legierung treten Verschiebungen in der Löslichkeit der disilizidbildenden Metalle in dem Aluminiumgitter auf. Dieser Tatsache muß bei der Bemessung der Anteile dieser Metalle bei der Herstellung der Legierung Rechnung getragen werden; dann erhält man die besten Werte für Warmfestigkeit und Duktilität.

In den Legierungen mit Thorium und Cer konnte bei der Aufklärung der noch unbekannten Aluminiumecke Al—Si-Th und Al—Si—Ce ein quasibinärer Schnitt Al—ThSi₂ und Al-CeSi₂ gefunden werden, mit einem Eutektikum bei etwa 5 bis 6 Atomprozent an Disilizid. Es erwiesen sich die eutektischen Legierungen in diesem Fall als außerordentlich duktil und warmfest, was offenbar durch die sehr feine Verteilung der hochschmelzenden Disilizide bewirkt wurde.

Ging man in der Zusammensetzung vom quasibinären Schnitt ab, so traten neben dem binären Eutektikum Aluminium—Disilizid noch ternäre Eutektika Aluminium—Disilizid—Silizium und Aluminium—Disilizid—Aluminid auf, die gleichfalls in ihren mechanischen Eigenschaften noch recht befriedigend waren.

Als obere Grenze für den Siliziumanteil wurde bei beiden Legierungen 7 Gewichtsprozent ermittelt. Bei der Thoriumlegierung lag der Thoriumanteil, abhängig von der Abkühlungsgeschwindigkeit, zwischen 4 und 15 Gewichtsprozent; bei der Cerlegierung lag der Ceranteil zwischen 12 und 18 Gewichtsprozent. Die besten Werte wurden bei Legierungen der Zusammensetzung

Für die Zusammensetzung der einzelnen Aluminiumlegierungen wurden folgende Grenzwerte ermittelt:

1. Weniger als 5 Gewichtsprozent Silizium und
zwischen 2 bis 9 Gewichtsprozent Chrom,

2. weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium und
zwischen 2 und 10 Gewichtsprozent Titan,

3. weniger als 5 Gewichtsprozent Silizium und
zwischen 2 und 12 Gewichtsprozent Vanadium,

4. weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium und
zwischen 2 und 15 Gewichtsprozent Niob,

5. weniger als 6 Gewichtsprozent Silizium und
zwischen 4 und 18 Gewichtsprozent Tantal,

6. weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium und
zwischen 5 und 20 Gewichtsprozent Wolfram,

7. weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium und
zwischen 3 und 12 Gewichtsprozent Zirkonium,

_a5 8. weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium und

zwischen 3 und 14 Gewichtsprozent Molybdän.

Aus der folgenden Tabelle ergeben sich einige Legierungen und die zugehörigen gemessenen Warmzugfestigkeitswerte bei 400⁰C. Hierbei wurden die untersuchten Proben wiederum, wie vorstehend dargelegt, in der erfindungsgemäßen Weise durch extrem rasches Abkühlen und anschließende Verarbeitung zu Halbzeug hergestellt.

Al+ 4,5<>/o Si+12 »/ο Th
AI+ 3,5% Si+ 14% Ce

ermittelt. Wurden aus diesen Legierungen Probestäbe im Kokillenguß hergestellt, die in der Kokille auf etwa 150° C und nach Entnahme auf Raumtemperatur abgekühlt wurden, so wurden bei anschließenden Warmzugfestigkeitsuntersuchungen Wannzugfestigkeiten von etwa 3 kp/mm² bei 400° C erreicht. Die Dehnung betrug etwa 15%.

Wurden hingegen die gleichen Legierungen in der erfindungsgemäßen Weise abgekühlt und zu Halbzeug verarbeitet, so wurden im Anschluß daran Warmfestigkeitswerte von etwa 8,5 bzw. 6 kp/mm² gemessen. Bei der Dehnung wurden geringfügig erhöhte Werte verzeichnet.

Bei der Untersuchung der Aluminiumecke der anderen Systeme wurden kompliziertere Verhältnisse gefunden. Hier treten bei normalen Abkühlungsgeschwindigkeiten meist ternäre Suizide auf, die sich in der Regel aus den Disiliziden durch Substitution mit oder Einlagerung von Aluminium bilden. Bei höheren Abkühlungsgeschwindigkeiten wurden auch hier Gefüge mit dem Charakter ternärer und binärer Eutektika gefunden, bei sehr hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten bildeten sich äußerst fein- und gleichmäßig verteilte Teilchen in der Matrix (Dispersionshärtung).

1
2
3
4
5
6
7

Legierungen

Al + 3% Si +
Al+ 5,5% Si +
Al+ 4% Si +
Al+ 3,5% Si +
Al+ 4% Si +
Al+ 4,5% Si +
Al+ 3,7% Si +
Al+ 4% Si +

3% Cr
4,5% Ti
3,5% V
7,0% Nb
10,0% Ta
13% W
6,3% Zr
8 % Mo

Warmzugfestigkeit bei 4O0^u C

etwa 9
etwa 8
etwa 5
etwa 5
etwa 4
etwa 4
etwa 4
etwa 4

kp/mm² kp/mm² kp/mm² kp/mm² kp/mm² kp/mm² kp/mm² kp/mm²

Diesen Werten der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Legierungen steht, wie oben erwähnt, bei herkömmlich hergestellten Legierungen eine Zugfestigkeit bei 400° C von nur etwa 3 kp/mm² gegenüber.

Bei extrem rascher Abkühlung sind infolge der Verschiebung der Löslichkeit der disilizidbildenden Metalle im Aluminium höhere Anteile dieser Metalle für die günstigste Gefügeausbildung erforderlich: der Th-Anteil ist bis auf 25%, der Ce-Anteil bis auf 18%, der Cr-Anteil bis auf 9°/o, der Ti-Anteil bis auf 10%, der V-Anteil bis auf 12%, der Nb-Anteil bis auf 15 «/ο, der Ta-Anteil bis auf 18%, der W-Anteil bis auf 20% und der Zr-Anteil bis auf 12 Vo sowie der Mo-Anteil bis auf 14% (alles Gewichteprozent) anzuheben.

Durch die rasche Abkühlung wurde die Größe der ausgeschiedenen Phasen erheblich verkleinert. Bei einer Abkühlungsgeschwindigkeit aus der Schmelze größer als 500 grd/sec betrug deren Durchschnittsgröße bereits weniger als 2 μπι, bei Abküh-

Claims

Iungsgeschwindigkeiten um 20 000 grd/sec waren lichtoptisch keine Teilchen mehr zu erkennen. Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von warmfesten, dispersionsgehärteten, auch bei hohen Temperaturen duktilen Aluminiumlegierungen, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zugabe eines Metalldisilizids oder von Silizium und disilizidbildendem Metall zur Alummiumschmelze ein Anteil von 2 bis 12 Volumprozent des Metalldisilizids in der Legierung erzeugt wird und daß diese Legierung in an sich bekannter Weise durch Zerteilen in Granulat mit einer Geschwindigkeit größer als 500 grd/sec abgekühlt und das Granulat durch Walzen oder Strangpressen zu Halbzeug verarbeitet wird.

2. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium, 4 bis 25 Gewichtsprozent Thorium, Rest Aluminium.

3. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium, 12 bis 18 Gewichtsprozent Cer, Rest Aluminium.

4. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 5 Gewichtsprozent Silizium, 2 bis 9 Gewichtsprozent Chrom, Rest Aluminium.

5. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium, 2 bis 10 Gewichtsprozent Titan, Rest Aluminium.

6. Aluminiumlegierung, hergestellt nach An-Spruch 1, bestehend aus weniger als 5 Gewichtsprozent Silizium, 2 bis 12 Gewichtsprozent Vanadium, Rest Aluminium.

7. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium, 2 bis 14 Gewichtsprozent Niob, Rest Aluminium.

8. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 6 Gewichtsprozent Silizium, 4 bis 18 Gewichtsprozent Tantal, Rest Aluminium.

9. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium, 5 bis 20 Gewichtsprozent Wolfram, Rest Aluminium.

10. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium, 3 bis 12 Gewichtsprozent Zirkonium, Rest Aluminium.

11. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus weniger als 7 Gewichtsprozent Silizium, 3 bis 14 Gewichtsprozent Molybdän, Rest Aluminium.

12. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus 4,5 Gewichtsprozent Silizium, 12 Gewichtsprozent Thorium, Rest Aluminium.

13. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus 3,5 Gewichtsprozent Silizium, 14 Gewichtsprozent Cer, Rest Aluminium.

14. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus 3 Gewichtsprozent Silizium, 3 Gewichtsprozent Chrom, Rest Aluminium.

15. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus 5,5 Gewichtsprozent Silizium, 4,5 Gewichtsprozent Titan, Rest Aluminium.

16. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 1, bestehend aus 4 Gewichtsprozent Silizium, 3,5 Gewichtsprozent Vanadium, Rest Aluminium.

17. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 4, bestehend aus 3,5 Gewichtsprozent Silizium, 7 Gewichtsprozent Niob, Rest Aluminium.

18. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 4, bestehend aus 4 Gewichtsprozent Silizium, 10 Gewichtsprozent Tantal, Rest Aluminium.

19. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 4, bestellend aus 4,5 Gewichtsprozent Silizium, 13 Gewichtsprozent Wolfram, Rest Aluminium.

20. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 4, bestehend aus 3,7 Gewichtsprozent Silizium, 6,3 Gewichtsprozent Zirkonium, Rest Aluminium.

21. Aluminiumlegierung, hergestellt nach Anspruch 4, bestehend aus 4 Gewichtsprozent Silizium, 8 Gewichtsprozent Molybdän, Rest Aluminium.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Patentschriften Nr. 456 343, 479 528,
516200;

französische Patentschrift Nr. 723 418;

britische Patentschriften Nr. 366 654, 452 952,
907404;

USA.-Patentschrift Nr. 2 967351.