1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen verdichteten und verfestigten Werkstoff aus einer Legierung
auf Aluminiumgrundlage, der nicht nur eine hohe Festigkeit, sondern auch eine zum Widerstehen
praktisch verwendeter Bearbeitungstechniken ausreichende Dehnbarkeit aufweist, und auch ein
Verfahren zur Herstellung des Werkstoffs.
2. Beschreibung des Stands der Technik
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Legierungen auf Aluminiumgrundlage mit einer hohen Festigkeit und einer hohen
Wärmebeständigkeit wurden bislang durch Abschrecken einer Flüssigkeit oder dergleichen
hergestellt. Insbesondere sind die in der japanischen Patentanmeldung mit der
Offenlegungsnummer (Kokai) HEI 1-275732 offenbarten und durch Abschrecken einer Flüssigkeit
erhaltenen Legierungen amorph oder mikrokristallin und sind exzellente Legierungen mit einer
hohen Festigkeit, einer hohen Wärmebeständigkeit und einer hohen Korrosionsbeständigkeit.
Ferner ist in "Journal of Materials Science letters", Band 7, Nr. 8, 1988, Seiten 805 bis 807
beschrieben, daß durch die allgemeinen Formeln Al90-xNi&sub1;&sub0;Zrx (3 ≤ x ≤ 7) und Al95-xNixZr&sub5;
9 ≤ x ≤ 15) dargestellte Legierungen auf Aluminiumgrundlage in Form durch Schmelzspinnen
erhaltener Bänder zufriedenstellende Eigenschaffen hinsichtlich der Zugfestigkeit und Härte
bereitstellen können.
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Die herkömmlichen Legierungen auf Aluminiumgrundlage, auf die vorstehend Bezug
genommen wurde, zeigen eine hohe Festigkeit, eine hohe Wärmebeständigkeit und eine hohe
Korrosionsbeständigkeit und sind exzellente Legierungen. Wenn sie durch Abschrecken einer
Flüssigkeit jeweils in Form eines Pulvers oder in Form von Flocken erhalten werden und das
Pulver oder die Flocken dann als Rohmaterial zum Erhalt eines Endproduktes in der einen oder
anderen Weise verarbeitet oder bearbeitet werden, mit anderen Worten, wenn das Pulver oder
die Flocken durch eine primäre Verarbeitung oder Bearbeitung zu einem Endprodukt umgewandelt
wird, zeigen diese Legierungen eine herausragende Verarbeitbarkeit oder Bearbeitbarkeit. Bei
Herstellung eines verfestigten Werkstoffes aus dem Pulver oder den Flocken als Rohmaterial, wie
beispielsweise in der EP-A-303 100 beschrieben, und bei einer anschließenden Bearbeitung des
verfestigten Werkstoffs, nämlich, wenn der verfestigte Werkstoff einer sekundären Bearbeitung
unterzogen wird, gibt es jedoch noch Raum für Verbesserungen hinsichtlich der Bearbeitbarkeit
und auch hinsichtlich der Beibehaltung der exzellenten Eigenschaften nach der Bearbeitung.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines verdichteten und
verfestigten Werkstoffs aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage mit einer speziellen
Zusammensetzung, die bei einer sekundären Bearbeitung (Extrudieren, Schneiden, Schmieden
oder dergleichen) eine einfache Bearbeitung ermöglicht und die Beibehaltung der exzellenten
Eigenschaften des Werkstoffes selbst nach der Bearbeitung gestattet.
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Die Erfindung liefert einen Werkstoff aus einer verdichteten und verfestigten Legierung
auf Aluminiumgrundlage, der durch Verdichten und Verfestigen eines rasch erstarrten Werkstoffs
erhalten wurde, der eine durch die folgende allgemeine Formel dargestellte Zusammensetzung
aufweist: AlaNibXc, in der X ein oder zwei aus Zr und Ti ausgewählte Elemente sind und a, b
und c Angaben in Atom-% sind, für die gilt: 87 ≤ a ≤ 93,5; 5 ≤ b ≤ 10 und 0,5 ≤ c ≤ 5,
und bei dem der Werkstoff aus der verdichteten und verfestigten Legierung auf
Aluminiumgrundlage gebildet ist aus einer Aluminiummatrix oder einer übersättigten Aluminium-
Feststofflösung, deren mittlere Kristallkorngröße 40-1000 nm beträgt, sowie aus Körnern, die
aus einer stabilen oder metastabilen Phase verschiedenartiger intermetallischer Verbindungen, die
aus den Matrixelementen und den anderen legierenden Elementen gebildet sind, und/oder aus
verschiedenartigen intermetallischen Verbindungen, die aus den anderen legierenden Elementen
gebildet sind, hergestellt und gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, wobei die intermetallischen
Verbindungen eine mittlere Korngröße von 10-800 nm aufweisen.
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Die Erfindung liefert ferner ein Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein durch die oben
angegebene allgemeine Formel dargestellter Werkstoff geschmolzen und dann abgeschreckt und
rasch zu einem Pulver oder Flocken erstarrt wird und das Pulver oder die Flocken anschließend
verdichtet und dann zusammengedrückt, geformt und verfestigt wird, mit einer herkömmlichen
plastischen Bearbeitung. In diesem Fall müssen das Pulver oder die Flocken als Rohmaterial
amorph sein, in Form einer übersättigten Feststofflösung vorliegen oder eine mikrokristalline
Struktur haben, so daß die mittlere Kristallkorngröße der Matrix 40-1000 nm beträgt und die
mittlere Korngröße intermetallischer Verbindungen 10-800 nm beträgt, oder in einer Mischphase
davon vorliegen. Wenn das Rohmaterial amorph ist, kann es durch Erwärmen auf 50ºC bis
400ºC bei der Verdichtung in eine mikrokristalline oder Mischphase der vorstehend angegebenen
Art umgewandelt werden.
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Der Ausdruck "herkömmliche plastische Bearbeitung" sollte bei seiner Verwendung in
dieser Anmeldung in breitem Sinn interpretiert werden und Druckformungstechniken sowie
pulvermetallurgische Techniken umfassen.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Graphik, in der Änderungen der Zugfestigkeit und Dehnbarkeit der
verfestigten Materialien mit unterschiedlichen Ni-Anteilen in dem Beispiel bei Raumtemperatur
dargestellt sind.
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Fig. 2 ist eine Graphik, in der Änderungen der Dehnbarkeit und Zugfestigkeit der
verfestigten Werkstoffe mit unterschiedlichen Zr-Anteilen in dem Beispiel bei Raumtemperatur
herausgestellt sind.
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Fig. 3 ist ebenfalls eine Graphik, in der Änderungen der Dehnbarkeit und Zugfestigkeit der
extrudierten Werkstoffe mit unterschiedlichen Ni-Anteilen, die nach einer Wärmebehandlung bei
200ºC für 100 Stunden in dem Beispiel erhalten wurden, dargestellt sind.
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Fig. 4 ist eine Graphik, in der Änderungen der Dehnbarkeit und Zugfestigkeit der
extrudierten Werkstoffe mit unterschiedlichen Zr-Anteilen veranschaulicht sind, nachdem diese
einer Wärmebehandlung bei 200ºC für 100 Stunden in dem Beispiel unterzogen wurden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Anteile a, b und c sind, in Atom-%, in der oben angegebenen allgemeinen Formel auf
die Bereiche 87 bis 93, 5%, 5-10% bzw. 0,5-5% begrenzt, weil die Legierungen innerhalb der
oben angegebenen Bereiche eine höhere Festigkeit aufweisen, als herkömmliche (gehandelte)
Aluminiumlegierungen hoher Festigkeit und zwar im Temperaturbereich von Zimmertemperatur
bis 200ºC, und ferner mit einer zum Widerstehen einer praktisch verwendeten Verarbeitung
ausreichenden Duktilität ausgestattet sind.
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In dem erfindungsgemäßen verfestigten Legierungswerkstoff ist Ni ein Element mit einer
vergleichsweise geringen Fähigkeit, in die Al-Matrix zu diffundieren und ist in Form feiner
intermetallischer Verbindungen in der Al-Matrix verteilt. Ni ist daher nicht nur zum Verfestigen
der Matrix, sondern auch zum Verhindern des Wachstums der Kristallkörner wirksam. Mit
anderen Worten: Ni verbessert die Härte, Festigkeit und Steifigkeit der Legierung zu einem
deutlichen Ausmaß, stabilisiert die mikrokristalline Phase bei erhöhten Temperaturen, wobei
nichts über die Raumtemperatur ausgesagt ist, und verleiht dem Werkstoff seine
Wärmebeständigkeit.
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Andererseits bezeichnet das Element X ein oder zwei aus der aus Zr und Ti bestehenden
Gruppe ausgewählte Elemente. Es ist ein Element mit einer geringen Fähigkeit, in der Al-Matrix zu
diffundieren. Es bildet verschiedenartige metastabile oder stabile intermetallische Verbindungen,
um dadurch zur Stabilisierung der mikrokristallinen Struktur beizutragen.
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In dem erfindungsgemäßen Legierungswerkstoff auf Aluminiumgrundlage ist die mittlere
Kristallkorngröße der Matrix aus den folgenden Gründen auf dem Bereich 40-1000 nm
eingeschränkt. Eine mittlere Kristallkorngröße der Matrix von weniger als 40 nm ist zu gering zur
Bereitstellung einer hinreichenden Duktilität, wenngleich sie eine hohe Festigkeit liefert. Zum
Erhalt einer für eine herkömmliche Bearbeitung erforderlichen Duktilität wird daher eine mittlere
Kristallkorngröße der Matrix von mindestens 40 nm benötigt. Wenn die mittlere Kristallkorngröße
der Matrix 1000 nm überschreitet fällt die Festigkeit andererseits scharf ab, wodurch der Erhalt
eines verfestigten Werkstoffs mit einer hohen Festigkeit unmöglich wird. Zum Erhalt eines
verfestigten Werkstoffs mit einer hohen Festigkeit wird eine mittlere Kristallkorngröße der Matrix
benötigt, die 1000 nm nicht übersteigt. Ferner ist die mittlere Kristallkorngröße der
intermetallischen Verbindungen auf den Bereich 10-800 nm begrenzt, weil intermetallische
Verbindungen mit einer mittleren Kristallkorngröße außerhalb des oben angegebenen Bereichs
nicht als verfestigende Elemente für die Al-Matrix dienen können. Wenn die intermetallischen
Verbindungen eine mittlere Korngröße von weniger als 10 nm aufweisen, tragen sie nicht zum
Verfestigen der Al-Matrix bei und, wenn sie mit einem höheren Anteil im Zustand einer
Feststofflösung in der Matrix vorliegen, als benötigt, gibt es potentiell das Problem einer
Versprödung. Mittlere Korngrößen von mehr als 800 nm resultieren andererseits in unbotmäßig
großen in der Al-Matrix verteilten Körnern, so daß die Al-Matrix ihre Festigkeit nicht beibehalten
kann und die intermetallischen Verbindungen nicht als verfestigende Elemente dienen können. Die
Einschränkung auf die oben angegebenen Bereiche führt daher zu Verbesserungen hinsichtlich
des Young-Moduls, der Hochtemperaturfestigkeit und der Ermüdungsfestigkeit.
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Bei dem erfindungsgemäßen Werkstoff aus einer verfestigten Legierung auf
Aluminiumgrundlage kann deren mittlere Kristallkorngröße und der Verteilungszustand
intermetallischer Verbindungen durch Wahl geeigneter Herstellungsbedingungen gesteuert
werden. Die mittlere Kristallkorngröße der Matrix und die mittlere Korngröße der intermetallischen
Verbindungen sollte auf einen kleinen Wert gesteuert werden, wenn auf die Festigkeit der
Legierung Wert gelegt wird. Im Gegensatz dazu sollten sie auf einen großen Wert gesteuert
werden, wenn die Duktilität der Legierung als wichtig betrachtet wird. Auf diese Weise ist der
Erhalt von Werkstoffen aus einer verfestigten Legierung auf Aluminiumgrundlage möglich, die
jeweils für verschiedene Zwecke geeignet sind.
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Die Steuerung der mittleren Kristallkorngröße der Matrix auf den Bereich 40-1000 nm
ermöglicht ferner die Verleihung von Eigenschaften, mit denen der resultierende Werkstoff als
exzellenter Werkstoff für eine superplastische Bearbeitung verwendet werden kann.
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Nachstehend wird die Erfindung auf Grundlage der folgenden Beispiele speziell erläutert.
Beispiel 1
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Pulver aus einer Legierung auf Aluminiumgrundlage mit gewünschten
Zusammensetzungen (Al92-xNi&sub8;Zrx) und (Al97,5-xNixZr2,5) wurden mit einem
Gaszerstäubungsgerät hergestellt. Jedes so hergestellte Pulver aus einer Legierung auf
Aluminiumgrundlage wurde in eine Metallkapsel gegeben und unter Entgasung zu einem
Extrusionspreßling geformt. Die Preßlinge wurden bei 200 - 550ºC mit einem Extrudiergerät
extrudiert. Die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit und Dehnbarkeit) der unter den oben
angegebenen Herstellungsbedingungen erhaltenen extrudierten Materialien (verfestigten
Materialien) sind in Figur 1 bzw. Figur 2 dargestellt.
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Wie in Figur 1 herausgestellt, ist ersichtlich, daß die Zugfestigkeit des verfestigten
Materials bei Raumtemperatur bei Ni-Anteilen von 5 Atom-% und höher ansteigt, jedoch bei Ni-
Anteilen von mehr als 10 Atom-% scharf abfällt. Es ist ferner ersichtlich, daß die Dehnbarkeit bei
Ni-Anteilen von mehr als 10 Atom-% abfällt, woraus hervorgeht, daß die für eine herkömmliche
Bearbeitungstechnik erforderliche minimale Dehnbarkeit (2%) bei einem Ni-Anteil von 10 Atom-%
oder weniger erhalten werden kann.
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Wie in Figur 2 veranschaulicht, ist ersichtlich, daß die Zugfestigkeit des verfestigten
Werkstoffs bei Raumtemperatur bei Zr-Anteilen von 0,5 Atom-% oder höher ansteigt, jedoch bei
Zr-Anteilen von mehr als 5 Atom-% scharf abfällt. Es ist ebenfalls ersichtlich, daß die
Dehnbarkeit bei Zr-Anteilen von mehr als 5 Atom-% abfällt, woraus hervorgeht, daß die für eine
herkömmliche Bearbeitung erforderliche minimale Dehnbarkeit (2%) bei einem Zr-Anteil von 5
Atom-% oder weniger erhalten werden kann. Für Vergleichszwecke wurde ferner die
Zugfestigkeit eines herkömmlichen Werkstoffs aus einer hochfesten Legierung auf
Aluminiumgrundlage (ein extrudierter Werkstoff aus Duralumin) bei Raumtemperatur vermessen.
Als Ergebnis wurde herausgefunden, daß die Zugfestigkeit etwa 650 MPa beträgt. Angesichts
dieses Wertes ist ferner verständlich, daß der oben angegebene erfindungsgemäße verfestigte
Werkstoff eine exzellente Festigkeit bei Ni- und Zr-Anteilen in den oben angegebenen Bereichen
aufweist.
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Für die unter den oben angegebenen Herstellungsbedingungen erhaltenen extrudierten
Werkstoffe (verfestigte Werkstoffe) wurden deren mechanische Eigenschaften (Zugfestigkeit und
Dehnbarkeit) bei 200ºC oder weniger untersucht, nachdem sie einer Wärmebehandlung bei
200ºC für 100 Stunden unterzogen wurden. Die Ergebnisse sind diagrammartig in Figur 3 bzw.
Figur 4 dargestellt.
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Wie in Figur 3 angegeben, ist es verständlich, daß die Zugfestigkeit bei 200ºC bei
Nickelanteilen von weniger als 5 Atom-% scharf abfiel und allmählich abfiel , wenn der Ni-Anteil
10 Atom-% überstieg. Im Gegensatz dazu blieb die Dehnbarkeit über den gesamten Bereich des
Ni-Anteils bei einem großen Wert.
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Wie in Figur 4 dargestellt, ist es verständlich, daß die Zugfestigkeit bei 200ºC bei Zr-
Anteilen von weniger als 0,5 Atom-% scharf abfiel und allmählich abfiel, wenn der Zr-Anteil 5
Atom-% überstieg. Im Gegensatz dazu blieb die Dehnbarkeit über den gesamten Bereich des Zr-
Anteils bei einem hohen Wert.
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Für Vergleichszwecke wurde auch die Zugfestigkeit des herkömmlichen Werkstoffs aus
einer Legierung auf Aluminiumgrundlage hoher Festigkeit (eines extrudierten Materials aus
Duralumin) bei 200ºC gemessen. Als Ergebnis wurde herausgefunden, daß dessen Zugfestigkeit
etwa 200 MPa beträgt. Angesichts dieses Wertes ist es verständlich, daß die erfindungsgemäßen
verfestigten Werkstoffe hinsichtlich ihrer Festigkeit bei 200ºC exzellent sind.
Beispiel 2
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Auf ähnliche Weise wie in Beispiel 1 wurden extrudierte Materialien (verfestigte
Materialien) mit den in Tabelle 1 angegebenen verschiedenartigen Zusammensetzungen
hergestellt. Ihre mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, Young-Modul, Härte) bei
Raumtemperatur wurden untersucht. Die Ergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 1 angegeben. Es ist
anzumerken, daß die für eine herkömmliche Bearbeitung erforderliche minimale Dehnbarkeit (2%)
mit allen in Tabelle 1 dargestellten verfestigten Materialien erhalten wurde.
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Aus Tabelle 1 geht hervor, daß die erfindungsgemäßen Legierungen exzellente
Eigenschaften hinsichtlich ihrer Zugfestigkeit, ihres Young-Moduls und ihrer Härte aufweisen.
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Der Young-Modul eines herkömmlichen Werkstoffs aus einer Legierung auf
Aluminiumgrundlage hoher Festigkeit (eines extrudierten Werkstoffs aus Duralumin) beträgt etwa
70 (GPa). Im Vergleich zum herkömmlichen Werkstoff wurde herausgefunden, daß die
erfindungsgemäßen verfestigten Werkstoffe Vorteile dahingehend zeigen, daß ihre Biegung und
Verformung unter derselben Last geringer sind.
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Erfindungsgemäße Werkstoffe aus einer verfestigten Legierung auf Aluminiumgrundlage
besitzen eine exzellente Dehnbarkeit (Zähigkeit), so daß sie einer sekundären Bearbeitung
widerstehen können, wenn die sekundäre Bearbeitung ausgeführt wird. Die sekundäre
Bearbeitung kann daher einfach ausgeführt werden, während die exzellenten Eigenschaften der
Rohmaterialien bleiben wie sie sind. Wegen der Beigabe von mindestens einem aus der aus Zr
und Ti bestehenden Gruppe ausgewählten Element als Element X besitzen die
erfindungsgemäßen Werkstoffe aus einer verfestigten Legierung auf Aluminiumgrundlage eine
große spezifische Festigkeit und sind daher als Werkstoffe mit einer hohen spezifischen Festigkeit
nützlich. Zusätzlich können derartige verfestigte Werkstoffe mit einem einfachen Verfahren, d.h.
durch einfaches Verdichten eines Pulvers oder von Flocken, die durch eine Abschreckerstarrung
erhalten wurden, und anschließendes plastisches Bearbeiten der so verdichteten Pulver oder
Flocken erhalten werden.
Tabelle 1
Zusammensetzung (in %)
Zugfestigkeit
Young-Modul
Härte
erfindungsgemäße Probe
Rest
Tabelle 1 (Fortsetzung)
Zusammensetzung (in %)
Zugfestigkeit
Young-Modul
Härte
erfindungsgemäße Probe
Rest