HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Legierung auf Aluminiumbasis, welche hervorragende
mechanische Eigenschaften, wie große Härte, hohe Festigkeit und große Duktilität
aufweist.
2. Beschreibung des Standes der Technik
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Herkömmlicherweise wurden Legierungen auf Aluminiumbasis, die hohe Festigkeit
und große Wärmebeständigkeit aufweisen, mittels einer
Schnellverfestigungseinrichtung, etwa einem Schmelzen-Abschreckverfahren hergestellt. Beispielsweise ist
die im japanischen Patent mit der Offenlegungsnr. 1-275732 offenbarte Legierung
auf Aluminiumbasis, welche durch die Schnellverfestigungseinrichtung erhalten
wird, eine amorphe oder mikrokristalline Legierung, und die offenbarte
mikrokristalline Legierung besteht aus einem Kompositwerkstoff, der sich zusammensetzt
aus einer aus einer Aluminiummatrix bestehenden festen Metalllösung, einer
mikrokristallinen Aluminium-Matrixphase, und einer stabilen oder metastabilen
intermetallischen Verbindungsphase.
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Jedoch ist die im japanischen Patent mit der Offenlegungsnr. 1-275732 offenbarte
Legierung auf Aluminiumbasis eine hervorragende Legierung, welche hohe
Festigkeit, große Wärmebeständigkeit und große Korrosionsbeständigkeit aufweist und
ebenso ein hochfestes Material ist, welches sich hervorragend bearbeiten lässt.
Jedoch lassen in einem Hochtemperaturbereich ihre exzellenten Eigenschaften,
welche für schnellverfestigtes Material spezifisch sind, stark nach, und es verbleibt
Raum für eine Verbesserung der Wärmebeständigkeit, insbesondere der
Hochtemperaturfestigkeit.
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Da außerdem die in der oben angegebenen Veröffentlichung offenbarte Legierung
Elemente enthält, welche eine vergleichsweise hohe Dichte (spezifisches Gewicht)
aufweisen, wird ihre spezifische Festigkeit nicht so groß, und es verbleibt Raum zur
Verbesserung der hohen spezifischen Festigkeit sowie der Duktilität.
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Die im japanischen Patent mit den Offenlegungsnr. 7-238336 und 7-268528
beschriebenen Legierungen sind als Aluminiumlegierungen bekannt, welche Quasi-
Kristalle in ihren Strukturen enthalten.
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Jede dieser offenbarten Legierungen weist hervorragende mechanische
Eigenschaften und andere Eigenschaften auf. Da jedoch Additivelemente, abgesehen vom Al-
Element, welches den Hauptbestandteil bildet, und einem Mn-Element, welches ein
Quasi-Kristall bildendes Element ist, ein relativ großes spezifisches Gewicht
aufweisen, besteht Raum, die Gewichte der Legierungen insgesamt zu vermindern.
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20 Weiter ist eine AlbalMn3,4Cr1,17Si0,80-Legierung beschrieben von Y.X. Guo et al.
"Coherence between ecosahedral quasicrystals and aluminium in an Al-Mn-Cr-Si
alloy", Philosophical Magazine Letters, Bd. 63, Nr. 4, Seiten 179-183.
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Eine AlbalMn2,6Fe2,6Si2,0-Legierung ist offenbart durch L.A. Bendersky et al. in
"Microstructural characterization of atomized powder of Al-5Mn-5Fe-25i (wt%)
alloy", Materials Science and Engineering. A134, Seiten 1098-1102.
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Schließlich ist eine Al-Mn-Si-Legierung, welche mindestens 14 Atom-% von Mn,
enthält, offenbart von F. Marino et al. in "Study of new aluminum-based alloys
obtained by rapid solidification", Materials Engineering, Bd. 1, Nr. 3, Seiten 1093-
1098.
INHALT DER ERFINDUNG
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Die Erfindung beabsichtigt, eine Legierung bereitzustellen, welche vermindertes
Gewicht aufweist und hervorragende mechanische und andere Eigenschaften
(insbesondere Duktilität) aufweist, und zwar aufgrund ihrer Struktur, welche Quasi-
Kristalle enthält.
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Ein Ziel der Erfindung ist daher, eine Legierung auf Aluminium-Basis
bereitzustellen, welche eine Struktur aufweist, die zumindest Quasi-Kristalle enthält, die
fein in einer Aluminiummatrix verteilt sind, und dadurch hervorragende
Wärmebeständigkeit, Festigkeit und Härte, sowie gute Duktilität und hohe spezifische
Festigkeit aufweist.
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Um die oben beschriebenen Probleme zu lösen, stellt die Erfindung bereit: Eine
Hochfeste und hochduktile Legierung auf Aluminiumbasis, deren
Zusammensetzung durch die folgende allgemeine Formel repräsentiert ist: AlbalMnaSib oder
AlbalMISibTMc, wobei TM eines oder mehrere Elemente sind, die aus der Gruppe
gewählt sind, welche aus Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, La, Ce und Mm
besteht; und a, b und c in Atomprozenten betragen: 2 ≤ a ≤ 8; 0,5 ≤ b ≤ 6; 0,5 ≤ c ≤
1; und a ≥ b; und die Legierung Quasi-Kristalle enthält und der Volumenanteil der
im Gefüge enthaltenen Quasi-Kristalle 20 Vol.-% bis 80 Vol.-% beträgt.
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Die Quasi-Kristalle weisen eine Icosaeder-Phase (Icosahedrale, I-Phase), eine
reguläre Decaeder-Phase (Decagonale, D-Phase) und/oder eine approximative
Kristallphase von diesen auf.
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Außerdem beinhaltet die Struktur eine Quasi-Kristall-Phase und eine Phase, die
entweder aus Aluminium oder einer übersättigten festen Lösung aus Aluminium
besteht. In einigen Fällen kann eine derartige Struktur verschiedene
intermetallische Verbindungen enthalten, die aus Aluminium und mindestens einem der
anderen Elemente (d. h. den vorstehend aufgeführten Elementen Mn, Si und TM)
hergestellt ist, und/oder intermetallischen Verbindungen, die aus zwei oder mehr der
anderen Elemente hergestellt ist. Das Vorhandensein von derartigen
intermetallischen Verbindungen ist insbesondere effektiv zur Erhöhung der Festigkeit der
Matrix und der Steuerung der Kristallkörner.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die Legierung auf Aluminiumbasis gemäß der vorliegenden Erfindung kann direkt
erzielt werden, indem eine geschmolzene Legierung, welche die oben erwähnte
Zusammensetzung aufweist, einem Schmelzen-Abschreckverfahren unterzogen
wird, wie etwa einem Ein-Walzen-Schmelzspinnverfahren, einem Zwillingswalzen-
Schmelzspinnverfahren, einem Spinnverfahren in rotierende Flüssigkeit hinein,
verschiedenen Zerstäubungsverfahren oder einem Sprühverfahren, oder einem Sputter-
Verfahren, einem mechanischen Abschreekverfahren, einem mechanisches
Mahlverfahren oder einem anderen Verfahren. In jedem dieser Verfahren kann die
Legierung auf Aluminiumbasis je nach Zusammensetzung der Legierung bei
Abkühlgeschwindigkeiten von 10² bis 10&sup4; K/sec hergestellt werden.
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Die Quasi-Kristalle in der Legierung auf Aluminiumbasis gemäß der Erfindung
können aus einer festen Lösung ausgeschieden werden, indem man ein
schnellverfestigtes Material, das durch ein beliebiges der oben erwähnten
Herstellungsverfahren erzielt wurde, einer Wärmebehandlung unterzieht, oder beispielsweise indem
man das schnellverfestigte Material konsolidiert und das konsolidierte Material
einem Warmumformen, wie etwa Verdichten oder Fließpressen unterzieht. Die
Temperatur bei diesem Verfahren liegt vorzugsweise bei 360 bis 600ºC.
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Der Grund dafür, dass die jeweiligen Bereiche von "a", "b" und "c" in den oben
angegebenen allgemeinen Formeln jeweils in Atomprozent beschränkt sind auf
2 ≤ a ≤ 8; 0,5 ≤ b ≤ 6; 0 ≤ c ≤ 4 und a ≥ b besteht darin, dass in derartigen
Bereichen der Legierung auf Aluminiumbasis sowohl Duktilität als auch eine
Festigkeit bei Raumtemperatur verliehen werden kann, welche höher liegen als bei
herkömmlichen (handelsüblichen) hochfesten Aluminiumlegierungen, nachdem diese
bei Raumtemperatur und bei 300ºC gelagert wurden.
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Die Körner der Quasi-Kristalle bestehen aus drei Hauptelementen, Al, Mn und Si.
Mn ist ein Element, welches zur Bildung der Quasi-Kristalle unabdingbar ist, und
wenn der Mn-Gehalt unterhalb des zuvor erwähnten Bereiches liegt, werden die
Quasi-Kristalle nicht gebildet und das Ausmaß der Festigkeit wird ungenügend.
Wenn der Mn-Gehalt oberhalb des zuvor erwähnten Bereiches liegt, werden die
Quasi-Kristall-Körner grob und eine Duktilität von nicht weniger als 10% kann
nicht mehr gewährleistet werden. Si ist ein einen Bestandteil der Quasi-Kristalle
bildendes Element, welches zur Erhöhung der Festigkeit beiträgt, und auch die
Festigkeit einer Matrix erhöht, indem es in die Matrix eintritt und eine feste
Lösung bildet. Wenn der Si-Gehalt übermäßig groß ist, bilden sich die Quasi-
Kristalle nicht. Wenn der Mn-Gehalt niedriger ist als der Si-Gehalt, bilden sich die
Quasi-Kristalle nicht und die Festigkeitserhöhung wird ungenügend. Das IM-
Element ist ein einen Bestandteil des Quasi-Kristall bildendes Element, und kann
auch als intermetallische Verbindungsphase vorliegen, und ist effektiv zur Erhöhung
der Festigkeit. Wenn der TM-Gehalt oberhalb des oben angegebenen Bereiches
liegt, werden die Quasi-Kristalle nicht gebildet, und grobe intermetallische
Verbindungen werden gebildet, so dass die Duktilität auffallend niedrig wird. Es ist
erwünscht, dass die Korngröße der Quasi-Kristalle nicht mehr als 10 um beträgt, und
noch erwünschter nicht mehr als 500 nm.
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Der Anteil in Volumenprozent der in der oben erwähnten Legierungsstruktur
enthaltenen Quasi-Kristalle beträgt 20 bis 80 Vol.-%. Wenn dieser
Volumenprozentsatz weniger als 20% beträgt, wird das Ziel der Erfindung nicht in
zufriedenstellender Weise erzielt, wenn er jedoch 80% überschreitet, kann eine Versprödung der
Legierung auftreten, so dass das erhaltene Material nicht in zufriedenstellender
Weise bearbeitet werden kann. Noch bevorzugter beträgt der Anteil in
Volumenprozent der in der Legierungsstruktur enthaltene Quasi-Kristalle 50-70 Vol.-%.
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In der vorliegenden Erfindung beträgt die mittlere Korngröße der Aluminiumphase
und der übersättigten festen Lösung aus Aluminium vorzugsweise 40-2000 nm
Wenn die mittlere Korngröße weniger als 40 nm beträgt, erzielt die erhaltene
Legierung hohe Festigkeit und Härte, jedoch wird ihre Duktilität ungenügend, wenn
sie 2000 nm überschreitet, sinkt die Härte abrupt ab, so dass eine hochfeste
Legierung nicht erzielt werden kann. Die mittlere Korngröße von verschiedenen
intermetallischen Verbindungen, welche wie erforderlich vorhanden sind, beträgt
vorzugsweise 10-1000 nm. Wenn die mittlere Korngröße weniger als 10 nm beträgt,
tragen die intermetallischen Verbindungen nicht ohne weiteres zur Festigkeit der
Legierung bei, und wenn übermäßige Mengen an intermetallischen Verbindungen in
der Struktur vorhanden sind, kann ein Verspröden der Legierung auftreten. Wenn
die mittlere Körngröße 1000 nm überschreitet, wird die Größe der Körner
übermäßig groß, so dass die Festigkeit der Legierung nicht aufrecht erhalten werden kann
und die intermetallischen Verbindungen die Funktion eines festigkeitserhöhenden
Elementes verlieren können.
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Daher ist es, indem eine der durch die oben erwähnte allgemeine Formel
dargestellten Zusammensetzungen angewendet wird, möglich, den Elastizitätsmodul, die
Hochtemperaturfestigkeit, die Festigkeit bei Raumtemperatur, die Dauerfestigkeit
(Ermüdungsfestigkeit) und dergleichen sehr stark zu verbessern.
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In Übereinstimmung mit der Legierung auf Aluminiumbasis der Erfindung ist es
möglich, Legierungsstrukturen, Quasi-Kristalle, die Korngrößen der einzelnen
Phasen, den Ausscheidungszustand der Körner und dergleichen zu steuern, indem man
geeignete Herstellungsbedingungen wählt. Gemäß dieser Steuerung ist es möglich,
Legierungen zu erhalten, welche für verschiedene Ziele geeignet sind
(beispielsweise Festigkeit, Härte, Duktilität oder Wärmebeständigkeit).
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Außerdem ist es möglich, der Legierung auf Aluminiumbasis die Eigenschaften
eines hervorragenden superplastischen Werkstoffes zu verleihen, indem die mittlere
Korngröße der Aluminiumphase und der übersättigten festen Lösung des
Aluminiums im Bereich von 40-2000 nm gesteuert wird und die mittlere Korngröße der
Quasi-Kristalle oder der intermetallischen Verbindungen im Bereich von 10-1000
nm gesteuert wird.
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Die Erfindung wird nachstehend mit Bezug auf die Beispiele genauer beschrieben.
Beispiel 1
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Legierungspulver auf Aluminiumbasis mit den jeweiligen in Tabelle 1 dargestellten
Zusammensetzungen wurden mittels einer Gaszerstäubungsvorrichtung erzeugt.
Nachdem die erzeugten Legierungspulver auf Aluminiumbasis jeweils in
Metallkapseln gefüllt wurden, wurde eine Entgasung durchgeführt, um Vorblöcke zum
Extrudieren herzustellen. Jeder der Vorblöcke wurde mittels einer
Extrudiermaschine mit einer Temperatur von 360-600ºC extrudiert. Die mechanischen
Eigenschaften bei Raumtemperatur (Härte und Festigkeit bei Raumtemperatur) sowie die
Duktilität (Elongation bei Raumtemperatur) und der Elastizitätsmodul jedes der
extrudierten Materialien (verdichtete Materialien), welche unter den zuvor
erwähnten Herstellungsbedingungen erhalten wurden, wurden untersucht, und das
Ergebnis dieser Untersuchung ist ebenfalls in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1
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Wie aus dem in Tabelle 1 dargestellten Ergebnis zu sehen ist, weist jede der
Legierungen (verdichtete Materialien) gemäß der Erfindung folgende Eigenschaften auf:
Hervorragende Härte und Festigkeit bei Raumtemperatur, sowie hervorragende
Duktilität (Elongation bei Raumtemperatur) und einen exzellenten
Elastizitätsmodul. Außerdem unterliegen, auch wenn jedes der verdichteten Materialien während
der Herstellung erwärmt wird, deren Eigenschaften keinen erwärmungsbedingten
großen Schwankungen. Demgemäß versteht es sich, dass jede der Legierungen
hervorragende Wärmebeständigkeit aufweist.
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Beispiele für eine Beobachtung mit dem Durchstrahlungs-Elektronenmikroskop
(TEM) wurden aus den unter den oben beschriebenen Herstellungsbedingungen
erhaltenen extrudierten Materialien ausgeschnitten und die Strukturen der
jeweiligen Legierungen und die Korngrößen ihrer Phasen wurden beobachtet. Die TEM-
Beobachtung zeigte, dass die Quasi-Kristalle jeder der Proben eine einzige
Icosaeder-Phase (Icosahedrale, I-Phase) oder eine Mehrfachphase aufwies, die aus
einer Icosaeder-Phase und einer Decaeder-Phase (Decagonale, D-Phase) bestand.
Approximative Kristallphasen dieser Phasen waren in speziellen Legierungsarten
vorhanden. Der Anteil in Volumenprozent der Quasi-Kristalle in jeder der
Strukturen betrug 20-80 Vol.-%.
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Jede der Legierungsstrukturen wies eine Mehrfachphase auf, die aus einer Quasi-
Kristall-Phase und Aluminium oder einer übersättigten festen Lösungsphase von
Aluminium bestand, und verschiedene intermetallische Verbindungsphasen waren in
speziellen Legierungsarten vorhanden. Die mittlere Korngröße von Aluminium
oder der übersättigten festen Lösungsphasen von Aluminium betrug 40-2000 nm,
und die mittlere Korngröße der Quasi-Kristall-Phase und der intermetallischen
Verbindungsphase betrug 10-1000 nm. In Zusammensetzungen, in welchen jeweils
intermetallische Verbindungen ausgeschieden waren, waren die intermetallischen
Verbindungen gleichmäßig und fein in der Legierungsstruktur verteilt.
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Man geht davon aus, dass in jedem der vorliegenden Beispiele die Steuerung der
Legierungsstruktur und die Steuerung der Korngröße jeder Phase durch die
Entgasung (einschließlich der Verdichtung während der Entgasung) und das
Warmumformen während des Strang- oder Fließpressens bewirkt wurde.
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Wie oben beschrieben weist die Legierung gemäß der Erfindung hervorragende
Härte und Festigkeit und ebenfalls hervorragende Wärmebeständigkeit und
Duktilität auf, und ist als Material hoher spezifischer Festigkeit von Nutzen, welches eine
hohe Festigkeit und eine geringe Dichte (spezifisches Gewicht) aufweist.
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Da außerdem die Legierung gemäß der Erfindung hervorragende
Värmebeständigkeit aufweist, sogar wenn die Legierung während der Bearbeitung thermischen
Einflüssen ausgesetzt ist, kann die Legierung die durch das Schnell-
Verfestigungsverfahren hervorgebrachten hervorragenden Eigenschaften und die
durch die Wärmebehandlung oder das Warmumformen erzeugten Eigenschaften
beibehalten.
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Insbesondere ist es in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung möglich,
da eine Quasi-Kristall-Phase von hoher Wärmebeständigkeit und großer Härte
aufgrund der besonderen Kristallstruktur der Legierung in einer speziellen Menge
vorliegt, eine Legierung auf Aluminiumbasis bereitzustellen, welche vermindertes
Gewicht und hervorragende mechanische und andere Eigenschaften (insbesondere
Duktilität) aufweist.
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TEXT FEHLT!
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oder eine Quasi-Kristall-Phase und eine übersättigte feste Lösung aus
Aluminium beinhaltet.
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5. Hochfeste und hochduktile Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1
oder 2, bei welcher die Legierung weiter verschiedene von Aluminium und
den anderen Elementen erzeugte intermetallische Verbindungen und/oder
von den anderen Elementen erzeugte intermetallische Verbindungen enthält.
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6. Hochfeste und hochduktile Legierung auf Aluminiumbasis nach Anspruch 1
oder 2, bei welcher die Legierung eine Elongation von nicht unter 10%
aufweist.
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7. Hochfeste und hochduktile Legierung auf Aluminiumbasis nach einem der
Ansprüche 1 bis 6, bei welcher die Legierung aus einem beliebigen der
folgenden Materialien besteht, und zwar einem schnell verfestigten Material,
einem wärmebehandelten Material, das erhalten wird, indem man das
schnell verfestigte Material einer Wärmebehandlung unterzieht, und einem
konsolidierten und verdichteten Material, das erhalten wird, indem man das
schnell verfestigte Material einem Konsolidieren und Verdichten unterzieht.