DE1224049B

DE1224049B - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von duktilen und zugleich festen, insbesondere warmfesten Aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE1224049B
Application number: DEB81854A
Authority: DE
Inventors: Dr Paul Esslinger; Dr Heinrich Winter; Walter Wolf
Original assignee: Federal Government of Germany
Current assignee: Federal Government of Germany
Priority date: 1965-05-11
Filing date: 1965-05-11
Publication date: 1966-09-01
Also published as: US3445920A; FR1474810A; NL6516987A; GB1067657A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von duktilen und zugleich festen, insbesondere warmfesten Aluminiumlegierungen' Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung von duktilen und zugleich festen, insbesondere warmfesten Aluminiumlegierungen.
I Es ist bekannt, -daß man durch geeignete Legieiungszusätze die Festigkeit von Metallen bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen steigern kann. Bei Knetlegierungen können die Legierungszusätze gegenwärtig nicht beliebig gesteigert werden, wenn der Legierungszusatz mit dem Basismetall kein ausgedehntes Mischkristallgebiet im festen Zustand bildet.
Wird der Legierungszusatz höher gewählt, als seiner maximalen Löslichkeit im festen Zustand entspricht, so entstehen im Gefüge des Werkstoffes Einlagerungen aus im allgemeinen spröden und scharfkantigen intermediären Phasen, die durch Lösungsglühen nicht mehr beseitigt werden können. Zahl und insbesondere Größe der Partikeln dieser Phasen nehmen mit dem Legierungsgehalt zu. Sie machen die Legierung so spröde, daß im allgemeinen schon eine überschreitung der Löslichkeit von wenigen Prozenten genügt, um eine nutzbare Verformung, insbesondere Kaltverformung, der Legierung zu verhindern. Zur Festigkeit der Legierung tragen die Einlagerungen meist nicht oder nur sehr wenig bei, weil bei üblicher Herstellung ihre Größe über 1 jim liegt. Aus metallphysikalischen Gründen sind Partikeln dieser Größe nicht in der Lage, die Gleitung im Werkstoff bei der plastischen Verformung wesentlich zu behindem. Statt dessen wirken sie meist als Keime für innere Rißbildung.
Es ist des weiteren bekannt, Gefüge mit feinverteilten Einlagerungen durch Anwendung hoher Ab- kühlungsgeschwindigkeit herzustellen. Um nennenswerte Verfestigungen zu erzielen, müssen die Einlagerungen aus metallphysikalischen Gründen sehr klein sein und mit ihren Abmessungen in der Größenordnung von 0,01 bis 1 #tni liegen.
Um Dispersionen derartiger Feinheit zu erhalten, muß man die Abkühlungsgeschwindigkeit der Schmelzen beim Gießen außerordentlich steigern, nämlich in Größenordnungen von 103 bis 1041 C/b und höher. Bei diesen Abkühlungsgeschwindigkeiten stellen sich - wie bekannt - weitere Effekte ein, wie Ausscheidung metastabiler Phasen in feiner Dispersion und Erweiterung des Mischkristallbereiches; beide können die Festigkeit, insbesondere Warmfestigkeit, wesentlich erhöhen.
Beim bisherigen Stand der Gießtechnik kann diese Erkenntnis jedoch nicht verwertet werden, weil die genannten hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten nur an Gußkörpern mit einer Dicke unter 1 mm erreicht werden könnten. Derartige dünne Gußkörper können bei Verwendung üblicher Gießverfahren nicht hergestellt werden. Außerdem ist bei ihnen eine Abkühlungsgeschwindigkeit der verlangten Größenordnung noch deshalb in Frage gestellt, weil sich mit Beginn der Erstarrung infolge Schwindung des Gußkörpers zwischen diesem und der Kokillenwand ein Luftspalt bildet, der den Wärmekontakt unterbricht.
Eine genügend hohe Abkühlungsgeschwindigkeit wird jedoch bei dem bekannten Versprühen von Schmelzen erreicht. Das so gewonnene Pulver muß anschließend auf den üblichen pulvermetallurgischen Wegen zu kompakten Werkstücken weiterverarbeitet werden. Auf diese Weise können z.B. an speziellen Aluminiumlegierungen beachtliche Warmfestigkeiten erzielt werden. Hierbei bestehen jedoch folgende Nachteile: Die pulvermetallurgische Weiterverarbeitung ist relativ umständlich und verteuert die Legierung. Ferner erfordert sie Wärmebehandlungen bei relativ hohen Temperaturen, was bei vielen der angestrebten Legierungen die genannten günstigen Gefügezustände zerstört. Dabei können nach Größe, Form und Menge unkontrollierbare Oxyd- bzw. Oxydhydrateinschlüsse praktisch nicht -vermieden werden. Aus den Oxydhydraten wird beim Glühen Wasser frei, das mit den metallischen Anteilen unter Bildung von Wasserstoff reagieren kann. Beide - Oxydeinschlüsse und Wasserstoff - beeinträchtigen die Zähigkeit solcher Legierungen.
Diese Nachteile werden bei einem Verfahren zur Herstellung von duktilen und zugleich festen, insbesondere warmfesten Aluminiumlegierungen, in denen die Legierungselemente als feindispergierte Partikeln aus stabilen oder metastabilen Phasen mit Durchmessem von 0,1 bis 1 #Lin ausgeschieden oder in metastabiler Form gelöst sind, gemäß der Erfindung dadurch überwunden, daß die Legierungen in an sich bekannter Weise, vorzugsweise tiegellos geschmolzen, ihre Schmelze zwischen mindestens zwei beweglichen KühlkÖrpern rasch abgekühlt und gleichzeitig zu dünnen, flachen Gußkörpem von höchstens 1 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm Dicke geformt werden und daß mehrere Gußkörper durch paketweises Verformen, z. B. Walzen oder Strangpressen, insbesondere bei mäßig erhöhten Temperaturen, zu Halbzeugen und Werkstücken größerer Dicke vereinigt werden.
Dieses Verfahren bietet somit die Möglichkeit, Werk.gtücke und Halbzeuge, wie Bleche, Bänder und Profile, durch Umformung aus Legierungen herzustellen, die beim bisher üblichen Gießen so spröde anfielen, daß sie durch technische Umformung nicht weiterverarbeitet werden konnten. Dies ist deshalb ein erheblicher Fortschritt, weil die erfindungsgemäß hergestellten Legierungen ein besonders vorteilhaftes Feingefüge besitzen Und zugleich noch eine überraschend hohe Festigkeit, insbesondere Warmfestigkeit, aufweisen.
So lassen sich erfindungsgemäß hergestellte Formteile aus Legierungen mit einem sehr hohen Gefügeanteil an intermediären Phasen (z. B. Aluminium-Mangan bis 9 Gewichtsprozent Mangan, Aluminium-Chrom bis 6 Gelwichtsprozent Chrom, Aluminium-Chrom-Silicium und Aluminiuni-Mangan-Silicium bis 20 1/o Legierungszusatz u. a.), die sich nach üblichem Guß vollkommen spröde verhielten, überraschend leicht kalt verformen, ohne daß hierbei ihre Festigkeit und Zähigkeit verschlechtert werden.
Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens auf heterogene Legierungen mit konventioneller Zusammensetzung werden deren Festigkeit, Verformbarkeit und Rekristallisationstemperatur beträchtlich erhöht, was insbesondere im Hinblick auf ihren Einsatz bei erhöhten Temperaturen vorteilhaft ist.
Die erfindungsgemäße Herstellung dieser Legierungen und ihre gleichzeitige Weiterverarbeitung zu dünnen Körpern sei an Hand von F i g. 1 erläutert. In dem Schmelzaggregat 1, das, wie in F i g. 1 gezeigt, als gewickelte Induktionsspule ausgeführt sein kann, wird die Legierung 2 frei schwebend geschmolzen. Möglich ist aber auch z. B. das tiegellose kontrollierte und kontinuierliche Abschmelzen einer sogenannten Abschmelzelektrode mittels Lichtbogen oder Elektronenstrahl. Die erschniolzene Legierung 2 wird in die Kühlvorrichtung 3 übergeführt, die aus mindestens zwei beweglichen Kühlkörpern hoher Wärnieleitfähigkeit (2. B. Kupfer oder Silber) besteht, die die Form von beweglichen Platten haben. Diese Kühlkörper sind rasch derart gegeneinander bewegbar, daß die Schmelze zwischen ihnen bei gleichzeitiger ununterbrochener Kühlung zu dünnen Körpern, beispielsweise dünnen, flachen Gußkörpern, von höchstens 1 mm Dicke geformt wird. Die Kühlkörper Wirken dabei als Gießforni, die sich der Schwindung des etstarrenden Metalls anpaßt.
Bei dem in F i g. 1 gewählten Beispiel werden die Kühlkörper von den Hubmagneten 4 bewegt. Diese werden von der Schmelze selbst auf deren Weg in die Kokillen mit Hilfe der Fotozelle 5 eingeschaltet. Die Fotozelle ist über ein Steueraggregat 6 mit den Hubmagneten elektrisch gekoppelt. Das Steueraggregat arbeitet mit einer bestimmten zeitlichen Verzögerung. Durch Abstimmung dieser Verzögerung mit der Entfernune, zwischen Fotozelle und Kühlkörpern kann man erreichen, daß sich die Kühlkörper genau im richtigen Moment schnell gegeneinanderbewegen.
Die Dicke der dünnen, flachen Gußkörper und z. B. auch die von Drähten, kann durch Wahl der Schmelztemperatur, der Geschwindigkeit und des Anpreßdruckes der sich gegeneinander bewegenden Kühlkörper und durch Abstandjustiereinrichtungen an diesen zwischen 0,1 und höchstens 1 mm eingestellt werden.
Einige Beispiele mögen die vorteilhaften Eigenschaften von Legierungen, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, belegen: Eine Legierung, bestehend aus 6 Gewichtsprozent Mangan, 8 Gewichtsprozent Eisen, Rest Aluminium, wurde einerseits in üblicher Weise in eine Kupferkokille zu Rundstäben von 10 mm Durchmesser vergossen. Andererseits wurden aus ihr nach dem erfmdungsgemäßen Verfahren dünne', flache Gußkörper von etwa 0,3 mm Dicke hergestellt. Während die in üblicher Weise hergestellten Stäbe schon bei der ge# ringsten Verformung Spröde zerbrachen, ließen sich die erfindungsgemäß hergestellten dünnen, flachen Gußkörper ohne Schwierigkeiten um etwa 5011/o kalt walzen. Im kaltgewalzten Zustand wurden an ihnen die im Bereich 1 in F i g. 2 dargestellten Werte der Kalt- und Warmfestigkeit gemessen. Zum Vergleich sind mit den Kurven 2 und 3 die Festigkeitswerte von in üblicher Weise hergestellten Aluminiumlegierun-..en vergleichbarer Festigkeit mit aufgeführt. Die Legierung gemäß Kurve 2 besteht aus 5,5 Gewichts" prozent Zu, 2,8 Gewichtsprozent Mg, 0,5 Gewichtsprozent Mii, 0,4 Gewichtsprozent Cii, Rest Al; die Legierung gemäß Kurve 3 aus 6,0 Gewichtsprozent Cii, 0,25 Gewichtsprozent Mn, 0,1 Gewichtsprozent Ti, Rest Al.
Aus eutektischen Al-Si-Gußlegierungen mit 11,4 Gewichtsprozent Si wurden Proben einerseits auf übliche Weise, andererseits nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, kalt gewalzt, und auf ihre Raumtemperaturzugfestigkeit nach einstündigem Anlassen bei verschiedenen Temperaturen geprÜft. Nach erfindungsgemäßer Herstellung hatte die Legierung nicht nur eine wesentlich bessere Verformbarkeit, sondem es wurde auch, wie der in F i g. 3 dargestellte Vergleich zeigt, die Zugfestigkeit nahezu verdoppelt und die Rekristallisationstemperatur um etwa 100' C angehoben. Kurve 1 zeigt die Zugfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung, der die Kurve 2 einer in üblicher Weise hergestellten, gleiche-Zusammensetzung (AI-Si mit 11,4 Gewichtsprozent Si) aufweisenden Gußlegierung gegenübersteht.
Aluminiumlegierungen aus etwa 3 1/o Eisen und 3,% Silicium, Rest Aluminium, sind nach üblicher Herstellung schlecht verformbar. Stellt man jedoch daraus dünne flache Gußkörper nach dem erfindungsgemäßen Verfahren her, so haben sie eine gute, weit über dem üblichen liegende Verformbarkeit.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung von duktilen und zugleich festen, insbesondere warmfesten Aluminiumlegierungen, in denen die Legierungselemente als feindispergierte Partikeln aus stabilen oder metastabilen Phasen mit Durchmessern von 0,1 bis l#tm ausgeschieden oder in metastabiler Form gelöst sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierungen in an sich bekannter Weise, vorzugsweise tiegellos geschmolzen, ihre Schmelze zwischen mindestens zwei beweglichen Kühlkörpern rasch abgekühlt und gleichzeitig zu dünnen, flachen Gußkörpern von höchstens 1 mm, vorzugsweise 0,1 bis 0,5 mm Dicke geformt werden und daß mehrere Gußkörper durch paketweises Verformen, z. B. Walzen oder Strangpressen, insbesondere bei mäßig erhöhten Temperaturen, zu Halbzeugen und Werkstücken größerer Dicke vereinigt werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Schmelzaggregat (1), in dem die Aluminiumlegierung (2) schwebend geschmolzen wird, durch eine aus zwei beweglichen Kühlkörpern (3) hoher Wärmeleitfähigkeit bestehende Kühlvorrichtung, zwischen die die Schmelze, z. B. durch Tropfen, übergeführt wird und die durch geeignete Vorrichtungen, vorzugsweise Hubmagnete (4), rasch gegeneinander bewegbar sind, und durch eine Steuervorrichtung (6) für die Hubmagnete, die von der Schmelze selbst über eine Fotozelle (5) auslösbar ist. In Betracht gezogene Druckschriften: »Aluminium-Taschenbuch«, 12. Auflage, 1963, S. 24/25 und 45.