DE3921709A1

DE3921709A1 - Leichtmetallegierung, ihre herstellung und verwendung

Info

Publication number: DE3921709A1
Application number: DE3921709A
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Marci; Helmut Dipl Ing Mangers; Johannes Eschweiler
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1989-07-01
Filing date: 1989-07-01
Publication date: 1991-01-10
Also published as: WO1991000370A1; AU6040590A; DE59004828D1; EP0480975A1; EP0480975B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Leichtmetallegierungen aus den Hauptkomponenten Aluminium, Chrom und Silicium, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung als Strukturwerkstoff, insbesondere bei Temperaturen bis 720 K, oder als Schutzschicht für andere Strukturwerkstoffe.

Die vorliegenden Leichtmetallegierungen können für Turbinen- und Flugzeugteile, Gehäuse von elektrischen Hochleistungsbatterien, Kolben und Pleuelstangen für Otto- und Dieselmotoren sowie als Beplankung für Raumfahrzeuge eingesetzt werden.

Es ist bekannt, daß Legierungen aus intermetallischen Phasen hohe Festigkeit bis zu relativ hohen Temperaturen haben. Die derzeitigen Entwicklungen zielen auf Werkstoffe, die überwiegend aus einer einzigen intermetallischen Phase bestehen. Bekannte intermetallische Phasen in solchen Werkstoffen (mehr als 90 Gew.-% des Gefüges bestehen aus nur einer intermetallischen Phase) sind beispielsweise:
Ti₃Al, Ni₃Al, Ni₃Fe, Co₃V, Co₃Ti, TiAl, CoAl, NiAl, NiTi, AgNi, FeTi und MoFe.

Ferner ist bekannt, daß feinkristallines Gefüge bei solchen "einphasigen" intermetallischen Werkstoffen eine Voraussetzung für eine akzeptable Duktilität ist. Es ist schließlich bekannt, daß das gewünschte feine Gefüge über schnelle Erstarrung aus dem schmelzflüssigen Zustand nach bekannten Verfahren erreicht wer den kann.

Im Gegensatz zu den oben erwähnten "einphasigen" intermetalli schen Werkstoffen wurde überraschenderweise gefunden, daß auch eine Leichtmetallegierung, die überwiegend aus mehreren inter metallischen Phasen bzw. Zwischenphasen besteht, bereits eine gute Duktilität besitzt. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Leichtmetallegierung aus den Hauptkomponenten Aluminium, Chrom und Silicium bereitzu stellen.

Die vorliegende Erfindung betrifft somit eine Leichtmetallegierung, bestehend aus
8 bis 12 Gew.-% Silicium,
15 bis 20 Gew.-% Chrom,
64 bis 72 Gew.-% Aluminium,
einschließlich der üblichen Begleitelemente,
0 bis 5 Gew.-% eines oder mehrerer zusätzlicher Legierungsele mente, ausgewählt aus Silber, Magnesium, Vana din, Nickel und Kupfer, und
0 bis 1 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer zusätzlicher Le gierungselemente, ausgewählt aus Beryllium, Bor, Cer, Titan und Yttrium,
wobei diese Legierungen immer in etwa eine SiCrAl₇-Zusammen setzung aufweisen und nach einer Wärmebehandlung der überwiegen de Anteil (mehr als 70%) des Gefüges dieser Legierungen aus mehreren intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen besteht.

Die erfindungsgemäßen Leichtmetallegierungen besitzen eine hohe Festigkeit und Steifigkeit, verbunden mit guter Korrosionsbe ständigkeit.

Die erfindungsgemäßen Leichtmetallegierungen haben, je nach Kom bination der Bestandteile, ein spezifisches Gewicht zwischen 3,0 und 3,3 g/cm³.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung besteht die erfindungsgemäße Leichtmetallegierung entweder aus 19,6 Gew.-% Cr, 10,7 Gew.-% Si, 2 Gew.-% Ni und 0,6 Gew.-% Cu, Rest Al, oder aus 18,8 Gew.-% Cr, 10,1 Gew.-% Si und 3,9 Gew.-% Ag, Rest Al. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht die erfindungsgemäße Leichtmetallegierung aus 19,3 Gew.-% Cr, 10,4 Gew.-% Si, Rest Al.

Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung der vorstehend beschriebenen Legierungen, das da durch gekennzeichnet ist, daß man die Legierungskomponenten nach dem Aufschmelzen unter Bildung eines feinkristallinen Gefüges schnell erstarren läßt und dieses Gefüge daraufhin einer Wärme behandlung unterzieht, wobei sich das feinkristalline Gefüge in ein überwiegend aus mehreren intermetallischen Phasen bzw. Zwi schenphasen bestehendes Gefüge umwandelt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das schnell erstarrte Legierungsmaterial durch die bekannten Verfahren kompaktiert und weiterverarbeitet.

Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungs gemäßen Verfahrens wird die Wärmebehandlung in einem Temperatur bereich von 820 K bis 900 K durchgeführt.

Die Legierungskomponenten werden nach dem Aufschmelzen in an sich bekannter Weise schnell erstarrt, beispielsweise durch Luftverdüsung oder Plasmaspray. Das feinkörnige Gefüge besteht nach dem schnellen Erkalten aus übersättigten Mischkristallen und intermetallischen Phasen mit niedriger Anzahl von Atomen. Schnell erstarrte Partikel werden nach der Kompaktierung nach bekannten Verfahren weiter verarbeitet. Die nach der Wärmebe handlung im vorstehend beschriebenen Temperaturbereich vorlie genden intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen werden in ihrer quantitativen und qualitativen Zusammensetzung durch die Wahl der Temperatur und der Wärmebehandlungsdauer bei einer vor gegebenen chemischen Zusammensetzung beeinflußt.

Im allgemeinen liegt die Wärmebehandlungsdauer, je nach Bauteil dicke, zwischen 30 und 300 min. Einen damit vergleichbaren Ein fluß hat die Wahl des Verfahrens zur schnellen Erstarrung aus dem schmelzflüssigen Zustand. Hier kann der Anteil übersättigter Mischkristalle und ihr Übersättigungsgrad sowie der Anteil der nach der Erstarrung vorliegenden intermetallischen Phasen mit niedriger Anzahl Atome beeinflußt werden. Die Wahl des Verfah rens zur schnellen Erstarrung sowie die gewählte Wärmebehandlung wird sich, wie dem Fachmann bekannt ist, nach den angestrebten Eigenschaften und wirtschaftlichen Überlegungen richten.

Die Festlegung der chemischen Zusammensetzung der erfindungsge mäß erhaltenen Leichtmetallegierungen der Hauptkomponenten Alu minium, Chrom und Silicium fixiert die qualitativen und quanti tativen Möglichkeiten der intermetallischen Phasen und Zwischen phasen in diesem im wesentlichen ternären System. Durch Zugabe der zusätzlichen Legierungselemente und der weiteren zusätzlichen Legierungselemente werden diese Möglichkeiten wesentlich erweitert, d. h., intermetallische Phasen, insbesondere Zwischen phasen mit hoher Anzahl von Atomen, werden möglich. Damit ist die Möglichkeit gegeben, die physikalischen und chemischen Eigenschaften den Anforderungen individuell anzupassen.

Die vorliegende Erfindung betrifft schließlich die Verwendung der vorstehend beschriebenen Leichtmetallegierungen als Struk turwerkstoff, insbesondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K, sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierungen als Schutzschicht auf anderen Strukturwerkstoffen, wiederum ins besondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K.

Die vorstehende Erfindung wird im folgenden durch ein Ausfüh rungsbeispiel näher erläutert.

Beispiel

Eine Legierung aus 67,2 Gew.-% Aluminium, 18,8 Gew.-% Chrom, 10,1 Gew.-% Silicium und 3,9 Gew.-% Silber wurde nach dem Auf schmelzen in eine Kupfer-Schleudergußkokille mit 8 mm Wanddicke vergossen. Daraufhin wird diese Legierung einer Wärmebehandlung in der Weise unterzogen, indem man sie 2 h bei 560°C und an schließend 4 h bei 600°C beläßt und schließlich im Ofen ab kühlt. Die so erhaltene Legierung besitzt sehr gute Oxidations beständigkeit. In den Abb. 1 bis 3 ist das erhaltene Gefüge vor und nach der Wärmebehandlung dargestellt.

Abb. 1 zeigt das Gefüge bei 100facher Vergrößerung im Gußzu stand.

Die Abb. 2 und 3 zeigen das Gefüge nach der oben beschriebenen Wärmebehandlung. Abb. 2 zeigt das Gefüge in 100facher Vergröße rung und Abb. 3 zeigt das Gefüge in 1000facher Vergrößerung.

Die Leichtmetallegierung weist nach der Wärmebehandlung folgende mechanische Eigenschaften bei Raumtemperatur und bei 350°C auf:

Tabelle

Herstellung einer erfindungsgemäßen Aluminium-Chlor-Silicium legierung mit Anteilen des zusätzlichen Legierungselements Sil ber

Die Herstellung der vorstehend beschriebenen Legierung in be zug auf "schnelle Erstarrung" durch den Guß in einer Kupferko kille ist, wie dem Fachmann bekannt, ein nicht günstiges Her stellungsverfahren. Es wurde lediglich bei der Legierungsent wicklung benutzt, um die Eigenschaften der Legierung abzuschät zen. Deshalb sind die angegebenen mechanischen Werte auch nur untere Grenzwerte.

Claims

1. Leichtmetallegierung, bestehend aus
8 bis 12 Gew.-% Silicium,
15 bis 20 Gew.-% Chrom,
64 bis 72 Gew.-% Aluminium,
einschließlich der üblichen Begleitelemente,
0 bis 5 Gew.-% eines oder mehrerer zusätzlicher Legierungsele mente, ausgewählt aus Silber, Magnesium, Vana din, Nickel und Kupfer, und
0 bis 1 Gew.-% eines oder mehrerer weiterer zusätzlicher Le gierungselemente, ausgewählt aus Beryllium, Bor, Cer, Titan und Yttrium,
wobei diese Legierungen immer in etwa eine SiCrAl₇-Zusammen setzung aufweisen und nach einer Wärmebehandlung der überwiegen de Anteil (mehr als 70%) des Gefüges dieser Legierungen aus mehreren intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen besteht.

2. Leichtmetallegierung nach Anspruch 1, bestehend aus
10,4 Gew.-% Silicium,
19,3 Gew.-% Chrom und
70,3 Gew.-% Aluminium (SiCrAl₇-Zusammensetzung).

3. Leichtmetallegierung nach Anspruch 1, bestehend aus
10,7 Gew.-% Silicium,
19,6 Gew.-% Chrom,
2 Gew.-% Nickel,
0,6 Gew.-% Kupfer,
Rest Aluminium.

4. Leichtmetallegierung nach Anspruch 1, bestehend aus
10,1 Gew.-% Silicium,
18,8 Gew.-% Chrom,
3,9 Gew.-% Silber,
Rest Aluminium.

5. Herstellung von Legierungen nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung nach dem Aufschmelzen unter Bildung eines feinkristallinen Gefüges schnell erstarren läßt und dieses Gefüge daraufhin einer Wärmebehandlung unterzieht, wobei sich das feinkristalline Gefüge in ein über wiegend aus mehreren intermetallischen Phasen bzw. Zwischenphasen bestehendes Gefüge umwandelt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Legierung nach dem Aufschmelzen schnell erstarrt, beispiels weise durch Luftverdüsung oder Plasmaspray.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das schnell erstarrte Material durch die bekannten Verfahren kompaktiert und weiterverarbeitet.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wärmebehandlung bei Temperaturen von 820 K bis 900 K aus führt.

9. Verwendung der Leichtmetallegierung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 oder der gemäß irgendeinem der Ansprüche 5 bis 8 erhaltenen Leichtmetallegierungen als Strukturwerkstoff, ins besondere für den Einsatz bei Temperaturen bis 720 K.

10. Verwendung der Leichtmetallegierung nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 oder der nach Ansprüchen 5 bis 8 erhaltenen Leichtmetallegierungen als Schutzschicht für andere Struktur werkstoffe, insbesondere für den Einsatz im Temperaturbereich bis 720 K.