DE68912394T2

DE68912394T2 - Verfahren zur Verformung eines grossen Produktes aus Aluminiumlegierung.

Info

Publication number: DE68912394T2
Application number: DE1989612394
Authority: DE
Inventors: Masahiko Kawai; Jun Kusui; Yusuke Odani; Yoshinobu Takeda
Original assignee: Toyo Aluminum KK; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Toyo Aluminum KK; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1988-05-12
Filing date: 1989-05-11
Publication date: 1994-05-26
Anticipated expiration: 2009-05-12
Also published as: EP0341714B1; JPH0250902A; DE68912394D1; EP0341714A1; JP2787466B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Formung eines Produktes aus einer Aluminiumlegierung.
Produkte aus Aluminiumlegierungen, die durch das pulvermetallurgische Verfahren (nachstehend als "P/M-Verfahren" bezeichnet) hergestellt worden sind, erweisen sich im Vergleich zu Produkten, die durch metallurgische Gießverfahren (nachstehend als "IM-Verfahren" bezeichnet) hergestellt worden sind, als verbessert in bezug auf Wärmebeständigkeit, Abriebbeständigkeit und ähnliche Eigenschaften, da die durch das P/M-Verfahren hergestellten Produkte im Vergleich zu durch das IM-Verfahren hergestellten Produkten zusätzliche Elemente in größeren Mengen ohne die Gefahr einer Entmischung und in gleichmäßigerer Dispersion in der Aluminiummatrix enthalten können.
Herkömmliche Produkte aus P/M-Aluminiumlegierungen werden im allgemeinen durch Extrudieren eines pulverförmigen, flockigen oder bandartigen Materials unter Bildung eines Barrens und durch Verarbeiten des Barrens zur gewünschten Gestalt oder Form hergestellt. Während der Heißextrudierstufe werden die Oxidfilme auf den Oberflächen der pulverförmigen Teilchen, Flocken oder Bänder gebrochen und die freiliegenden inneren Aluminiumbereiche unter Ausbildung einer starken Bindung gegeneinander gepreßt. Beim Pulverwalzverfahren und beim Pulverschmiedeverfahren, die zu einer allgemeinen Kategorie des P/M-Verfahrens gehören, werden die Aluminiumoxidfilme gebrochen; da jedoch die Scherkraft relativ gering ist und die Deformation von einzelnen Teilchen nicht so groß und gleichmäßig wie bei der Extrusion ist, ist die Bindung zwischen den Teilchen nicht so stark wie im extrudierten Produkt.
Das Extrusionsverhältnis bei der Durchführung der vorstehenden Extrusion gemäß dem P/M-Verfahren beträgt im allgemeinen 10 oder mehr und vorzugsweise 20 oder mehr, um eine starke Bindung der einzelnen Teilchen zu erreichen. Die Extrusion durch das P/M-Verfahren erfordert im allgemeinen wesentlich höhere Kräfte als die Extrusion durch das IM-Verfahren, da die beim erstgenannten Verfahren verwendeten Aluminiumlegierungen größere Mengen an legierenden Elementen enthalten. Aufgrund dieser Beschränkungen sind durch das P/M-Verfahren erhaltene Materialien aus Aluminiumlegierungen nur unter Schwierigkeiten zur Herstellung von Produkten großer Abmessungen zu verwenden.
EP-A-0 144 898 beschreibt ein P/M-Verfahren zur Herstellung eines Produktes aus einer Aluminiumlegierung mit einem Extrusionsverhältnis von mindestens 4, wobei das Extrusionsverhältnis beispielsweise 6,5 beträgt. Das in EP-A- 0 144 898 erwähnte bevorzugte Extrusionsverhältnis beträgt mehr als 10. In dieser Druckschrift wird ausgeführt, daß Extrusionsverhältnisse von weniger als 4 nicht möglich sind, da die erhaltenen Materialien eine unzureichende Festigkeit aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, das zur Herstellung eines festen Produktes durch Extrusion einer P/M-Aluminiumlegierung auch bei einem extrem niedrigen Extrusionsverhältnis von 2 bis 5 geeignet ist, mit der Maßgabe, daß Extrusionsverhältnisse von 4 und mehr ausgeschlossen sind.
Die Lösung dieser Aufgabe beruht auf dem Befund, daß die genannten Schwierigkeiten erheblich verringert werden können, indem man eine pulverförmige Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an speziellen Legierungselementen verwendet.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung eines P/M-Erzeugnisses aus einer Aluminiumlegierung bereitgestellt, wobei das Verfahren das Extrudieren einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, bestehend aus
(a) 5 bis 30 Gew.-% Si,
(b) 0,5 bis 10 Gew.-% mindestens eines der Elemente Cu, Mg, Fe, Ni, Cr, Mn, Mo, Zr und V, mit der Maßgabe, daß die Gesamtmenge dieser Elemente 30 Gew.-% nicht übersteigt, und
(c) Aluminium in der verbleibenden Menge mit Ausnahme von Verunreinigungen,
bei einer Temperatur zwischen 350 und 500ºC und mit einem Extrusionsverhältnis von 2 bis 5 umfaßt, mit der Maßgabe, daß Extrusionsverhältnisse von 4 und mehr ausgeschlossen sind.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Richtung der höchsten Zentrifugalkraft und der Fließrichtung des pulverförmigen Materials während des Extrudierens; und
Fig. 2 eine schematische Seitenansicht zur Erläuterung der Gestalt des durch Extrudieren und Gesenkschmieden in Beispiel 4 der Erfindung erhaltenen Erzeugnisses.
Die erfindungsgemäß verwendeten Aluminiumlegierungen liegen in Pulverform vor und enthalten als legierende Elemente (a) 5 bis 30 Gew.-% Si und (b) 0,5 bis 10 Gew.-% mindestens eines der Elemente Cu, Mg, Fe, Ni, Cr, Mn, Mo, Zr und V, mit der Maßgabe, daß die Gesamtmenge dieser Elemente 30 Gew.-% nicht übersteigt. Werden die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen mit den vorerwähnten speziellen Komponenten extrudiert, so kommt es selbst bei einem geringen Extrusionsverhältnis zu einer starken gegenseitigen Bindung der Pulverteilchen, und das extrudierte Material weist eine im wesentlichen gleichmäßige Festigkeit und Dehnung unabhängig vom Extrusionsverhältnis auf. Wird ein Aluminiumlegierungspulver mit einer außerhalb des vorstehend angegebenen Bereichs liegenden Zusammensetzung verwendet, so läßt sich bei einem niedrigen Extrusionsverhältnis von 2 bis 5, mit der Maßgabe, daß Extrusionsverhältnisse von 4 und mehr ausgeschlossen sind, bei einer Temperatur von 350 bis 500ºC kein extrudiertes Material mit einer starken Bindung erhalten.
Genauer ausgedrückt, ist bei einer Si-Menge von weniger als 5 Gew.-% in der Legierung die Bindungsfestigkeit der Teilchen gering. Dagegen ergibt sich bei Verwendung von Si in einer Menge von mehr als 30 Gew.-% ein überschüssiges Volumen an primären Si-Teilchen in der Matrix, was zu einer Verringerung der Zähigkeit der Legierung führt. Vorzugsweise beträgt der Anteil an Si 10 bis 14 Gew.-% der Legierung.
Ein Anteil an Cu, Mg, Fe, Ni, Cr, Mn, Mo, Zr und V von weniger als 0,5 Gew.-% führt zu einer verschlechterten Wärmebeständigkeit und Festigkeit der extrudierten Materialien, während ein Anteil von mehr als 10 Gew.-% zu einer geringeren Zähigkeit unter Bildung von intermetallischen Verbindungen führt. Ein Gesamtanteil dieser legierenden Elemente von mehr als 30 Gew.-% führt ebenfalls zu einer Verminderung der Zähigkeit der Legierung.
Das erfindungsgemäße Aluminiumlegierungspulver enthält vorzugsweise 3 bis 5 Gew.-% Fe, 3 bis 5 Gew.-% Ni, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mo und 015 bis 2,5 Gew.-% Zr, wobei der Gesamtanteil an Mo und Zr 2 bis 5 Gew.-% beträgt. Bei Verwendung der Aluminiumlegierung in der bevorzugten Zusammensetzung läßt sich eine hervorragende Festigkeit des extrudierten Materials bei erhöhten Temperaturen bis zu etwa 300ºC und einer hohen kritischen Stauchreduzierung erhalten.
Das erfindungsgemäß unter Verwendung eines Aluminiumlegierungspulvers mit bestimmter Zusammensetzung hergestellte extrudierte Material weist unabhängig von seinem Extrusionsverhältnis eine hohe kritische Stauchreduzierung bis zu 60 oder 70 % auf. Das erfindungsgemäß extrudierte Material kann in radialen Richtungen mit einer Stauchreduzierung von 30 bis 80 % bei 400 bis 530ºC gestaucht werden. Bei Verwendung einer Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung, die außerhalb des speziellen erfindungsgemäßen Bereichs liegt, wird bei einem Extrusionsverhältnis von 2 bis 5, mit der Maßgabe, daß Extrusionsverhältnisse von 4 oder mehr ausgeschlossen sind, ein Barren gebildet, der keine gute Schmiedbarkeit zeigt und bei einer Temperatur zwischen 400 und 530ºC nicht bis zu einer Stauchreduzierung von 30 bis 80 % gestaucht werden kann.
Das erfindungsgemäß hergestellte extrudierte Material kann ferner durch Gesenkschmieden zu einer in Fig. 1 gezeigten Form, deren vergrößerter Durchmesser mehr als das 1,5fache des ursprünglichen Durchmessers des extrudierten Materials beträgt, verarbeitet werden. Das auf diese Weise erhaltene geschmiedete Erzeugnis ist frei von inneren Defekten und weist eine theoretische Dichte von 100 % auf. Wird das auf diese Weise gebildete Schmiedeerzeugnis als rotierendes Teil verwendet, so fällt die mit dem Pfeil von Fig. 1 angegebene Richtung (Richtung der Zentrifugalkraft) mit der Fließrichtung des Legierungspulvers während der Extrusion (Richtung der höchsten Festigkeit) zusammen, was zu besonders günstigen Ergebnissen führt.
Erfindungsgemäß läßt sich unter Verwendung einer Aluminiumlegierung mit einer speziellen Zusammensetzung eine sehr feste Bindung in einem extrudierten Material bei einem geringen Extrusionsverhältnis von 2 bis 5, mit der Maßgabe, daß Extrusionsverhältnisse von 4 oder mehr ausgeschlossen sind, erreichen.
Wenn das erfindungsgemäß extrudierte Material ferner in erwärmtem Zustand durch Gesenkschmieden bearbeitet wird, lassen sich Erzeugnisse von großem Durchmesser, wie große Rotoren, die bei erhöhten Temperaturen sich mit hoher Geschwindigkeit drehen, und dergl. erhalten.

Beispiele

Die nachstehenden Beispiele dienen zur näheren Erläuterung der erfindungsgemäßen Merkmale.

Beispiel 1

Aluminiumlegierungen mit einem Gehalt an den in nachstehender Tabelle 1 angegebenen legierenden Elementen wurden mit Druckluft zu Teilchen pulverisiert und zur Herstellung von Pulvern mit einer Teilchengröße von weniger als 140 um minus 100 mesh) zerkleinert. Tabelle 1 Legierende Elemente (Gew. -%)
Die auf diese Weise hergestellten einzelnen Aluminiumlegierungspulver wurden zu einer Vorform von 30 mm Durchmesser und 80 mm Höhe kaltgepreßt und sodann bei 450ºC unter variierenden Extrusionsverhältnissen extrudiert. Teststücke wurden aus den extrudierten Materialien hergestellt und bei Raumtemperatur bzw. 300ºC einem Zugtest unterworfen.
Die Zugfestigkeit und die Dehnung bei Raumtemperatur sind in Tabelle 2-A (Extrusionsverhältnis = 3:1, Tabelle 2-B (Extrusionsverhältnis = 5:1) und Tabelle 2-C (Extrusionsverhältnis = 20:1) aufgeführt.
Die Zugfestigkeit und die Dehnung bei 300ºC sind in Tabelle 3-A (Extrusionsverhältnis = 3:1), Tabelle 3-B (Extrusionsverhältnis = 5:1) und Tabelle 3-C (Extrusionsverhältnis = 20:1) aufgeführt. Tabelle 2-A Zugfestigkeit Dehnung Tabelle 2-B Zugfestigkeit Dehnung Tabelle 2-C Zugfestigkeit Dehnung Tabelle 3-A Zugfestigkeit Dehnung Tabelle 3-B Zugfestigkeit Dehnung Tabelle 3-C Zugfestigkeit Dehnung
Die Tabellen 2-A, 2-B, 2-C, 3-A, 3-B und 3-C zeigen, daß die aus den erfindungsgemäß extrudierten Aluminiumlegierungen (Nr. 1 bis 7 und Nr. 11 bis 14) erhaltenen Materialien unabhängig vom Extrusionsverhältnis eine im wesentlichen gleichmäßige Festigkeit und Dehnung aufweisen. Die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen ergeben selbst bei einem niedrigen Extrusionsverhältnis von 3 eine ausreichende Festigkeit und Dehnung.
Im Gegensatz dazu werden bei Aluminiumlegierungen mit einem Gehalt an legierenden Elementen in Anteilen, die außerhalb des erfindungsgemäßen Bereichs liegen (Nr. 8 bis 10) bei einem niedrigen Extrusionsverhältnis nicht die gewünschte Festigkeit und/oder Dehnung erreicht.

Beispiel 2

Teststücke (7 mm Durchmesser und 10,5 mm Länge) wurden aus auf die gleiche Weise wie die in Beispiel 1 erhaltenen extrudierten Materialien hergestellt.
Stauchtests wurden bei 450ºC gemäß dem "Verfahren zum Testen der Staucheigenschaften von Metallen in der Kälte" (vorgeschlagener Standard des Cold Forging Subcommittee of The Japan Society for Technology of Plasticity) durchgeführt.
Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 als kritische Reduzierung (%) der einzelnen Teststücke bei unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen angegeben. Tabelle 4 Kritische Reduzierung (%) bei unterschiedlichen Extrusionsverhältnissen Legierung
Tabelle 4 zeigt, daß die aus den erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen (Nr. 1 bis 7 und Nr. 11 bis 14) hergestellten extrudierten Materialien unabhängig vom Extrusionsverhältnis eine kritische Reduzierung von etwa 60 bis etwa 70 % aufweisen.
Im Vergleich hierzu zeigen die aus den Vergleichsaluminiumlegierungen hergestellten extrudierten Materialien bei einem niedrigen Extrusionsverhältnis von 3 bis 5 keine zufriedenstellende Schmiedbarkeit.

Beispiel 3

Eine Aluminiumlegierung in Pulverform (Teilchengröße weniger als 140 um (minus 100 mesh)) mit einem Gehalt an 15 Gew.-% Si, 5 Gew.-% Fe und 3 Gew.-% Ni wurde zu einem Vorformling von 200 mm Durchmesser (Dichte = 75 %) kaltgepreßt und sodann bei 450ºC mit einem Extrusionsverhältnis von 3 unter Bildung eines Stabs von 115 mm Durchmesser extrudiert.
Der Stab wurde zur Herstellung eines Teststücks mit einer Länge von 175 mm zugeschnitten. Das Teststück wurde bei 480ºC bei einer Stauchreduzierung von 60 % gestaucht. Nach dem Stauchen wies das Teststück keine Rißbildung auf. Aus dem Teststück konnte ein gestauchtes Material von 175 mm Durchmesser und 60 mm Höhe hergestellt werden.
Die vorstehenden Verfahrensweisen zum Kaltpressen, Extrudieren und Stauchen wurden an einer Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an 7,5 Gew.-% Fe, 2 Gew.-% Cr und 1,5 Gew.- % Zr (entsprechend der Aluminiumlegierung Nr. 8 von Beispiel 1) angewandt. Bei einer geringen Stauchreduzierung von weniger als 10 % entstanden große Risse. Eine weitere Durchmesservergrößerung durch Schmieden war nicht möglich.

Beispiel 4

Eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt an 12 Gew.-% Si, 4 Gew.-% Fe, 4 Gew.-% Ni, 2 Gew.-% Mo und 1,5 Gew.-% Zr wurde zu einem pulverförmigen Produkt (Teilchengröße weniger als 140 um (minus 100 mesh)) pulverisiert. Das Pulver wurde zu einem Vorformling vom 230 mm Durchmesser (Dichte = 75 %) kaltgepreßt. Der Vorformling wurde bei 450ºC mit einem Extrusionsverhältnis von 2,4 unter Bildung eines Stabs von 150 mm Durchmesser extrudiert.
Der Stab wurde auf eine Länge von 300 mm zugeschnitten und in zwei Stufen bei 480ºC einem Gesenkschmiedevorgang unterworfen. Man erhielt ein Erzeugnis mit der Form und den Abmessungen gemäß Fig. 2.
Obgleich der vorstehende Bereich des Erzeugnisses (der Bereich wies einen Durchmesser von 250 mm auf) eine Stauchreduzierung von etwa 70 % aufwies, wurden keine Risse festgestellt.
Aus dem in Fig. 2 dargestellten Erzeugnis wurden aus den Bereichen (a), (b) und (c) durch maschinelle Bearbeitung Standardteststücke zur Prüfung der Zugfestigkeit gewonnen.
Tabelle 5 zeigt die Werte der Zugfestigkeit und der Dehnung der Teststücke bei 300ºC. Tabelle 5 Teststück Zugfestigkeit Dehnung
Wie aus Tabelle 5 ersichtlich ist, wies der Bereich (c), der am stärksten bearbeitet worden war, eine höhere Zugfestigkeit als die Bereiche (a) und (b) auf.
Ein aus dem erfindungsgemäßen geschmiedeten Erzeugnis hergestelltes rotierendes Teil eignet sich besonders für verschiedene Vorrichtungen oder Ausrüstungsgegenstände, die sich mit hoher Drehzahl drehen, da der Bereich, der der höchsten Zentrifugalkraft ausgesetzt wird, die höchste Festigkeit besitzt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines P/M-Erzeugnisses aus einer Aluminiumlegierung, welches das Extrudieren einer pulverförmigen Aluminiumlegierung, bestehend aus

(a) 5 bis 30 Gew.-% Si,

(b) 0,5 bis 10 Gew.-% mindestens eines der Elemente Cu, Mg, Fe, Ni, Cr, Mn, Mo, Zr und V mit der Maßgabe, daß die Gesamtmenge dieser Elemente 30 Gew.-% nicht übersteigt, und

(c) Aluminium in der verbleibenden Menge mit Ausnahme von Verunreinigungen,

bei einer Temperatur zwischen 350 und 500ºC und mit einem Extrusionsverhältnis von 2 bis 5 umfaßt, mit der Maßgabe, daß Extrusionsverhältnisse von 4 und mehr ausgeschlossen sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung 5 bis 30 Gew.-% Si, 3 bis 5 Gew.-% Fe, 3 bis 5 Gew.-% Ni, 0,5 bis 2,5 Gew.-% Mo und 0,5 bis 2,5 Gew.-% Zr enthält und die Gesamtmenge von Mo und Zr 2 bis 5 Gew.-% ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Schmieden des extrudierten Materials bei einer Temperatur von 400 bis 530ºC umfaßt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das extrudierte Material in den radialen Richtungen gesenkgeschmiedet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das extrudierte Material in den radialen Richtungen gestaucht wird.