NO862577L - Aluminiumlegering. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen går fra en aluminiumslegering egnet for rask avkjøling av en smelte som er overmettet med legeringsbestanddeler av arten til overbegrepet til krav 1.

Fra pulvermetallurgien er det kjent at egenskapene fra pressede og sintrede henholdsvis varmpressede legemer av aluminiumslegeringer vidtgående bestemmes av egensekapene til det anvendte pulveret. Ved siden av den kjemiske sammensetning er partikkelstørrelsen og mikrostrukturen av vesentlig betydning. De to sistnevnte er igjen vesentlig avhengig av avkjølingshastigheten. Denne burde være så høy som mulig. For å nå til høyere varmefastheter for legemer av aluminiumlegering er det allerede foreslått forskjellige fremgangsmåter og materialsammensetninger (se US-A-4 379 719; US-A-4 389 258; EP-A-0 000 287). Ved høye avkjølings-hastigheter unngås seigring og løslighetsgrensen for leger-ingselementene forhøyes slik at det ved egnet varmebehandling eller termomekanisk behandling kan oppnås finere ut-skillelser med høyere fasthetsverdier, dessuten foreligger muligheten for dannelse av fordelaktige metastabile faser, hvilke ikke lar seg innstille under konvensjonelle avkjøl-ingsbetingelser. Andre gunstige egenskaper som lar seg oppnå ved høye avkjølingshastigheter er forhøyet korrosjonsmot-stand og bedre seighet hos legeringen.

De aluminiumslegeringene som siteres i de ovenfor nevnte offentliggjøringene hører overværende, til en type med forholdsvis høye jerninnhold. Disse har i den primære størk-ningstilstand etter raskt avkjøling av en smelte i form av pulver, flak og bånd svært høy fasthet og skaffer vanskelig-heter ved den etterfølgende sammenpressing til presslegem-er. Enten er det nødvendig å anvende høyere trykk eller høyere temperaturer, noe som på den ene side er svært ar-beidskrevende og på den andre side medfører faren at den optimale mikrostruktur for sluttpropduktet ikke oppnås (se J. Duszcuzyk og P. Jongenburger, TMS-AIME Meeting, New York, 24 - 28 Geb. 1985; R. J. Wanhill, PM Aerospace Materials Conference, Berne, Nov. 1984; G.J. Hildman, D.J. Lege og A.K. Vasudevan, High Strength PM Aluminium Alloys, eds. Koczak and Hildeman, 1982, side 249).

Krom- og manganholdig aluminiumslegeringer, hvilke mulig-gjør dannelse av overmettede, faste oppløsninger, er mykere og duktilere og kan derved som pulver bedre fortettes og bearbeides (se P. Furrer og H. Warlimont, Mat. Sei. og Eng. 28, 1977, 127; R. Yearim og D. Schecktman, Met. Trans A., 13A, 1891-1898, 1982; EP-A-0 105 595; I.R. Hughes, G.J. Marshall og W.S. Miller, 5th Conference on Rapidly Quenched Metals, Wiirzburg, Sept. 1984).

Selv om det har vært oppnådd betraktelige resultater, særlig for forhøyet varmfasthet i temperaturområdet fra 250 til 300°C, i hvilket konvensjonelle aluminiumlegerings-legemer praktisk talt ikke oppviser fasthetsegenskaper, er dog egenskapene til de foreslåtte pulvermetallurgisk fremstilte arbeidsstykker delvis utilfredstillende. Dette gjel-der særlig for varmefastheten, dyktiliteten og utmatnings-fastheten i temeperaturområdet fra romtemperatur til ca. 250°C.

Det foreligger derfor et stort behov for ytterligere forbedrede legeringer til fremstilling av egnede pulvere, særlig med hensyn til deres kombinerte egenskaper.

Oppfinnelsen har som oppgave å frembringe aluminiumleger-inger, hvilke er velegnede for fremstillingen av ultrafin-kornede pulvere av overmettede smelter med legeringsbestanddeler som har forbedrede mekaniske- og støpeegenskaper. Det skal særlig forsøke å oppnå sammensetninger hvilke under de foreslåtte avkjølingsbetingelser danner duktile, lyttbear-beidbare strukturer og faser, hvis fasthetsegenskaper og seigheter kan økes ytterligere gjennom en egnet varmebehandling .

Denne oppgave løses ved trekkene som oppført i den karak-terisernede del av krav 1.

Den ledende tanke bak oppfinnelsen er å forbedre egenskapene til binære Al/Cr-legeringer (overmettede feste oppløs-ninger, dannelse av Al^^ Cr2~dispergerte partikler) ved tillegering av vanadium og eventuelt av mindre mengder andre tilsetninger. Ved muligheten å danne intermetalliske forbindelser AI-^qV, hvilke utviser en lav tetthet, og også et stort spesifikt volumen forhøyes i sluttproduktet volumandelen av fasthetsøkende finfordelte, dispergerte partikler drastisk. Foruten dette utvirker tilstedeværelse av krom og vanadim gjennom en gjensidig understøttende virkning seg gunstig på den termiske stabilitet, varmfast-heten og seigheten ved samtidig god duktilitet av legeringen .

Oppfinnelsen beskrives ved hjelp av de etterfølgende utfør-elseseksempler.

Utførelseseksempel 1:

Det ble fremstilt en aluminiumlegering med den etterfølgen-de sammensetning:

Cr = 5 vekt-%

V = 2 vekt-%

Al = Resten

Først ble det fremstilt en legering av de rene komponenter Al, Cr og vanadium i en induksjonsovn under våkum i en sil-isiumkarbiddigen og legeringen ble helt i en vannavkjølt kobberkokill. Den størknede barren veide ca. 1,5 kg. Den ble oppdelt mekanisk i mindre stykker, hvilke stykker ble plasert i en silisiumkarbiddigel til en en forstøvningsan-ordning. Beholderen til denne anordning ble deretter evakuert til et resterende trykk på ca. 1,5 Pa, skylt med nitrogen, evakuert flere ganger, og skylt med nitrogen og igjen evakuert. Under disse betingelser ble chargen smeltet ved hjelp av en induktiv varmeanordning og ført opp på en temperatur på 1150°C. Da ble beholderen fylt med nitrogen og den induktive varme ble slått av. Det å heve grafitt-støpselet i digelen ble dennes bunnåpning satt fri og smeiten ble tilført den derunder liggende forstøvningsdyse. Denne hylse som var utrustet med en sentral hylse som var forskyvbar aksialt i høyden, ble nå tilført nitrogen med trykk på 8 MPa. Det i nitrogenstrømmen suspenderte pulver ble deretter felt ut i en syklon. Etter ca. 3 minutter var forstøvningen avsluttet. Dryppsparameterene - lav tilfør-selshastighet av smeiten, høy gasshastighet av det forstøv-ede nitrogen - ble innstilt slik at det ble fremstilt et pulver med svært fin kornstørrelsen. Den største partikkel-diameter hos pulveret var 40 \ im, gjennomsnittet var ca. 25 pm. Eventuelt foreliggende partikler med større diameter enn 40 pm ble holdt tilbake over en sil. Ved denne art for-støvningsprosess utgjorde den midlere avkjølingshastighet for de til partikler forstøvede 1 egeringsdråper over 10<6>°C/s.

Legeringspulveret ble fylt i en tynnvegget sylindrisk alu-miniumsbeholder med 70 mm diameter og 250 mm høyde. Beholderen ble evakuert, oppvarmet til 450°C og holdt ved denne temperatur i 2 timer under våkum. Den resterende gasstrykk utgjorde ca. 0,15 Pa. Beholderen ble deretter ved sammen-trykking av avsugningsstussen lukket vakumtett og lagt inn i en presse. Det innkapslete legeringspulver ble fortettet ved 450°C til 96% av den teoretiske tetthet til det kom-pakte materiale. Den fortettede og avkjølte rondell ble be-fridd fra sin aluminiumshylle ved mekanisk bearbeiding og satt inn som pressettapp i en ekstroderer. Det ble presset en stav med 15 mm diameter ved en temperatur på 460°C (reduksjonsforhold 1:22).

Under gjennomføringen av fremgangsmåten samt på sluttpro-duktene ble fasthets- og duktilitetsverdiene overvåket. Det ble målt en vikkershardet på 120 (HV) på materialet av fersk størknet smelte uten varmebehandling hvorved det an-tydes en god duktilitet. På et ferdig ekstrudert prøveleg- emet ble det bestemet en vikkershardhet ved romtemperatur etter en varmbehandling ved en temperatur på 400°C og en varighet på en time som var 190 (HV). Denne økning viser ikke bare den merkante virkning av de herdende dispergerte partikler men også disses fremragende termiske stabilitet.

Utførelseseksempel 2:

Aluminiumslegeringen som skulle undersøkes hadde den følg-ende sammensetning:

Cr = 4,5 vekt-%

V = 2,5 vekt-%

Al = Resten

Av passende Al/Cr- og Al/V-forlegeringer ble det smeltet sammen en legering i en leiredigel under inertgass atmos-fære i en induksjonsovn og legeringen ble helt til en barre med ca. 1 kg masse. 400 g av denne barren ble smeltet in-duktivt i en anordning og kastet som stråle under høytrykk i første gassfase mot omfanget av en avkjølt kobberskive med en periferihastighet på 12 m/sekud (såkalt "melt-spinning"-fremgangsmåte). Ved den høye avkjølingshastighet ble det fremstilt et ul tra-finkornet bånd på ca. 30 um tyk-kelse. Båndet ble støpet ned og malt til finkornet pulver. Deretter ble en sylindrisk kapsel av duktil aluminiumblikk på 60 mm diameter og 60 høyde fylt med pulveret, evakuert og sveiset. Deretter ble den fylte kapsel varmpresset ved 420°C under en trykk en på 200 MPa til den fulle teoretiske tetthet. Kapselen ble fjernet ved mekanisk bearbeidel-se og det pressede legemet ble innsatt som pressetapp med 40 mm diameter i en ekstruderer med et reduksjonsforhold på 25 til 1 og presset til en stav med 8 mm diameter ved 400°C.

Undersøkelsen ga følgende resultater: Båndet som størkner ved hurtig avkjøling av den overmettede smelte hadde en vikkers hardhet på 135 (HV). Det ferdige ekstruderte legemet ble underkastet en varmebehandling ved en temperatur på 400°C og en varighet på 2 timer. Den viste en vikkers hardhet på 205 (HV) noe som viser en høy fasthet.

Utføringseksempel 3:

Det ble først fremstilt en aluminiumslegering med den følg-ende sammensetning:

Cr = 5,1 vekt-%

V = 3,0 vekt-%

Al = Resten

Legeringen ble som oppført under eksempel 1 forstøvet til et ultrafinkornet pulver med 20 um midlere partikkelstørr-elser, fortettet og presset og viderearbeidet til en rund-stav.

Prøvelegemene viste følgende fasthetsverdier:

- Ubehandlet, romtemperatur:

Strekkfasthet = 520 MPa Bruddforlengelse = 10%

- Etter en varmebehandling ved 250°C/100 timer, prøvet

ved en temperatur på 250°C:

Varmestrekkfasthet = 300 MPa Bruddforiengelse = 25%

De siste verdier viser de utmerkede fasthets-,seighets- og duktilitetsegenskaper av disse legeringer. Ved en temperatur på 250°C ligger det fremdeles så høyt for konvensjonelle etter vanlige fremgangsmåter fremstilte aluminiumslegeringer ved romtemperatur.

Utføringseksempel 4:

Den sammensmeltede legering hadde følgende sammensetning:

Cr = 4,5 vekt-%

V = 2,0 vekt-%

Mo = 1,0 vekt-%

Al= Resten

Ved fremstillingen ble det gått frem på nøyaktig samme måte som under eksempel 2.

Det av smeiten direkte størknede bånd hadde en vikkershardhet på 140 (HV). Det ferdige prøvelegemet utviste etter en varmebehandling på 400°C i løpet av en time en vikkershardhet (målt ved romtemperatur på 185 (HV).

Oppfinnelsen er ikke begrenset til utføringseksemplene. Aluminiumslegeringen kan prinsipielt bestå av 2 til 5,5 vekt-% Cr, 2 til 5,5 vekt-% V samt eventuelt en eller flere av metallene MO, Zr, Ti eller Fe i en mengde på høyden 1 vekt-%, og resten aluminium, hvorved den totale mengde av alle legeringselementer høyden utgjør 10 vekt-%.

Aluminiumslegeringen skal fortrinnsvis inneholde minst 1,2 vekt-% av fasen kl^^ Cr^ °9 minst 1,1 vekt-% av fasen AI^qV lagret inn i en fast oppløsning.

Strukturen til aluminiumslegeringen skal videre fortrinnsvis inneholde minst 1,2 vekt-% av fasen Al^Cr2°9

minst 1,1 vekt-% av fasen AI^qV som finfordelte dispergerte partikler med høyden 0,1 pm par tikkel.diameter.

Claims (7)

1. Aluminiumlegering egnet for rask avkjøling av en overmettet smelte bestående av 1 egeringsbestanddeler, karakterisert ved at den består av 2 til 5,5 vekt-% Cr, 2 til 5,5 vekt-% V og resten Al eller at den består av 2 til 5,5 vekt-% Cr, 2 til 5,5 vekt-% V samt en eller fler av metallene Mo, Zr, Ti eller Fe i en mengde på totalt høyden 1 vekt-%, og resten Al, og at den totale mengde av alle elegeringselementer høyden utgjør 10 vekt-%.

2. Aluminiumlegering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder5 vekt-% Cr og 2,5 vekt-% V.

3. Aluminiumlegering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder 4,5 vekt-% Cr og 2,5 vekt-% V.

4. Aluminiumlegering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder 4,5 vekt-% Cr, 2 vekt-% V og 1 vekt-% Mo.

5. Aluminiumlegering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den innholder 5,1 vekt-% Cr og 3,0 vekt-% V.

6. Aluminiumlegering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den innholder minst 1,2 vekt-% av fasen Al^Cr2 og minst 1,1 vekt-% av fasen Al^^ V lagret inn i en fast oppløsning.

7. Aluminiumlegering i henhold til krav 1, karakterisert ved at den inneholder minst 1,2 vekt-% av fasen Al^Ci^ og minst 1,1 vekt-% av fasen Al^^ V som finfordelte dispergerte partikler med høyden 0,1 um partik-keldi ameter.