Aluminium-trykkstøpelegering Beskrivelse OPPFINNELSENS OMRÅDE Foreliggende oppfinnelse omhandler aluminiumlegeringer som kan bli prosessert ved

Transkript

1 Aluminium-trykkstøpelegering Beskrivelse OPPFINNELSENS OMRÅDE Foreliggende oppfinnelse omhandler aluminiumlegeringer som kan bli prosessert ved konvensjonell høytrykks-trykkstøping og er dispersjon-styrket, kaldherdbare og har nyttige mekaniske egenskaper ved temperaturer opp til minst 0 C. BAKGRUNN FOR OPPFINNELSEN Aluminiumlegeringer er én av de viktigste gruppene av lette materialer anvendt i bilindustrien, hovedsakelig på grunn av deres høye spesifikke styrke. De fleste av de tradisjonelle aluminiumstøpelegeringene er basert på det aluminium-silisium eutektiske systemet på grunn av dets utmerkede støpekarakteristikker. Uheldigvis overstiger ikke solidusen i dette systemet 0 C, og følgelig er den maksimale arbeidstemperaturen av aluminium-silisium legeringer begrenset til omkring 0 C. I tillegg har de viktigste legerende elementene i tradisjonelle aluminiumbaserte legeringer (dvs. sink, magnesium og kobber) høy diffusivitet i den aluminium faste løsningen. Selv om disse elementene forbedrer romtemperaturstyrken av legeringen, risikerer de derfor legeringens termiske stabilitet. For eksempel er aluminiumlegeringer basert på Al-Zn- Mg, Al-Cu-Mg og Al-Li systemene i stand til å oppnå svært høy strekkfasthet (opp til omkring 700 MPa); deres mekaniske egenskaper forfaller imidlertid hurtig når de blir anvendt ved høy temperatur. I mange anvendelser, er stabilitet av mekaniske egenskaper ved høy temperatur - ikke høy styrke det primære behovet. Tradisjonelle aluminiumlegeringer er derfor ikke nyttige i slike anvendelser, og det er et behov for et termisk-stabilt materiale med lett vekt. TIDLIGERE TEKNIKK Det har blitt gjort forsøk i den tidligere teknikken, på å tilveiebringe aluminiumstøpelegeringer med forbedret termisk stabilitet. Det som er verd å legge merke til blant disse forsøkene er de som utnytter aluminium-nikkel-systemet med små tilsetninger av zirkonium. De følgende journalartiklene representerer disse forsøkene: N.A. Belov, "Structure and Strength of Cast Alloys of the System Aluminum-Nickel- Zirconium," Metallov., nr., side 19-22, N.A. Belov, "Principles of Optimizing the Structure of Creep-Resisting Casting Aluminum Alloys using Transition Metals," Journal of Advanced Materials, bind 1, nr. 4, side , N.A. Belov, V.S. Zolotorevsky, S. Goto, A.N. Alabin, V.V. Istomin-Kastrovsky, og V.I. Mishin, "Effect of Zirconium on Liquidus and Hardening of Al- 6 % Ni Casting Alloys," Metals Forum, bind 28, side 33-38, 04. De foregående journalartiklene lærer at en optimal struktur for en aluminiumlegering som utviser stabilitet ved høy temperatur kan bli produsert på basis av en

2 eutektisk sammensetning som består av en aluminium fast løsning ( -aluminium) fase som blir legert med minst 0,6 vekt-% zirkonium; og en andre fase som har høy krypefasthet, nemlig nikkel tri-aluminid (Al 3 Ni). De foregående journalartiklene lærer også at gjenstander dannet fra disse legeringene blir oppnådd ved å smelte de nøye veide faste legeringsingrediensene (aluminium, aluminium nikkel hovedlegering og aluminium zirkonium hovedlegering) ved omkring 900 C. Denne relativt høye smeltetemperaturen er nødvendig for å løse opp det høye zirkoniuminnholdet ( 0,6 vekt-% zirkonium) i aluminium og oppnå en homogen aluminium-nikkel-zirkonium smelte. I tillegg lærer de foregående journalartiklene at aluminium-nikkel-zirkonium smelten må bli avkjølt ved en avkjølingsrate som er raskere enn C/sekund for å størkne den og bevare en homogen supermettet fast løsning av zirkonium i -aluminium ved romtemperatur. Dessuten lærer de foregående journalartiklene at ettersom materialet avkjøles fra smeltetemperaturen, kan det bli formet til den ønskede gjenstandsformen ved å støpe det i en støpeform. Nevnte støpeform må tillate at materialet kjøles fra smeltetemperaturen til romtemperatur ved en rate som overstiger C/sekund. Til slutt lærer de foregående journalartiklene at den støpte faste gjenstanden kan bli aldret ved en temperatur mellom C og 40 C for å felle ut fine zirkonium tri-aluminid (Al 3 Zr) partikler som herder legeringen. Når prosessert på riktig måte, har legeringene representert i de foregående journalartiklene bedre mekaniske egenskaper ved forhøyet temperatur enn tradisjonelle aluminiumstøpelegeringer. Herding vil imidlertid ikke forekomme i legeringene representert i de foregående journalartiklene med mindre zirkoniuminnholdet i legeringen er over 0,4 vekt-%, og signifikant herding vil ikke forekomme med mindre zirkoniuminnholdet av legeringen er minst 0,6 vekt-%. Mindre mengder zirkonium vil ikke resultere i et volum av andre fase partikler (i dette tilfelle Al 3 Zr) som er tilstrekkelig til å indusere signifikant herding av den -aluminium faste løsningen. Fig. 1 viser mengden av faststoff som foreligger i smelten som en funksjon av temperatur for en legering ifølge tidligere teknikk. Figuren viser at legeringen er fullstendig smeltet bare ved temperaturer over 80 C. Slike høye smeltetemperatur tillater ikke at legeringene representert i de foregående journalartiklene blir prosessert til formede gjenstander ved konvensjonell høytrykks-trykkstøping siden temperaturen i smelten som kan bli introdusert til støpekammeret (the shot sleeve) i en tradisjonell høytrykks-trykkstøpemaskin ikke skulle overstige 70 C. En høy kjølerate - over C/sekund - er nødvendig for å bevare 0,6 vekt-% zirkonium i fast løsning i -aluminium ved romtemperatur. Med unntak av høytrykkstrykkstøping, kan en slik rask kjølerate ikke bli oppnådd i de fleste gjenstander som blir støpt ved konvensjonelle støpeprosesser. Følgelig, med unntak av støping av

3 svært små gjenstander i grafitt- eller kobberstøpeformer, kan legeringene representert i de foregående journalartiklene ikke bli prosessert til formede gjenstander ved konvensjonelle støpeprosesser. FREMLEGGELSE AV OPPFINNELSEN Denne oppfinnelsen omhandler en klasse av aluminiumlegeringer som (i) er dispersjon-styrket, (ii) kan bli kaldherdet for forbedrede mekaniske egenskaper og (iii) kan bli prosessert ved konvensjonell høytrykks-trykkstøping for å gi formede artikler som har nyttige mekaniske egenskaper ved temperaturer opp til minst 0 C. Det er et formål ved foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe slitasjebestandige og korrosjonsbestandige materialer med lett vekt som kan støpes via den konvensjonelle høytrykks-trykkstøpeprosessen og som er termisk stabile opp til minst 0 C. Det foregående formålet blir oppnådd ifølge oppfinnelsen ved en aluminiumtrykkstøpelegering som omfatter: 4 til 6 vekt-% nikkel, 0,1 til 0,3 vekt-% zirkonium, 0,3 til 0,4 vekt-% vanadium, eventuelt opp til vekt-% mangan, eventuelt opp til 2 vekt-% jern, eventuelt opp til 1 vekt-% titan, eventuelt opp til 2 vekt-% hafnium, eventuelt opp til 2 vekt-% magnesium, eventuelt opp til 1 vekt-% krom, eventuelt opp til 1 vekt-% molybden, eventuelt opp til 0, vekt-% silisium, eventuelt opp til 0, vekt-% kobber, eventuelt opp til 0, vekt-% sink, og aluminium som resten med forurensninger på grunn av produksjon totalt maks. 1 vekt-%. Legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse har den generelle kjemiske sammensetningen: aluminium-nikkel-zirkonium-vanadium og deres kjemiske sammensetning blir optimalisert slik at deres liquidustemperatur er mindre enn 70 C. Etter størkning fra smelten, danner nikkel og aluminium en eutektisk struktur omfattet av en fast løsning av nikkel i aluminium (referert til som -aluminiumfasen) og en andre fase omfattet av nikkel tri-aluminid (Al 3 Ni). Legeringer med en eutektisk komponent i deres mikrostruktur har et smalere størkningsområde, og er derfor mindre utsatt for varmesprekking, enn legeringer uten en eutektisk komponent i deres mikrostruktur. Al 3 Ni fasen er i form av tynne staver som har diameter i området 0 til 00 nanometer. Hvis kjøling fra smeltetemperaturen til romtemperatur blir utført

4 4 raskt nok (dvs. ved en rate som overstiger C/sekund), så vil også zirkonium og vanadium være oppløst i -aluminium-fasen. Etter påfølgende kontrollert termisk aldring av den faste legeringen, kombineres zirkonium og vanadium med aluminium via en reaksjon i fast-tilstand for å danne en styrkende utfelt fase av den kjemiske sammensetningen Al 3 Zr x V 1-x. De sub-mikron størrelse meta-stabile Al 3 Zr x V 1-x partiklene har den L1 2 kubiske krystallstrukturen og er enhetlig fordelt i den -aluminium faste løsningen. Legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse kan også inkludere opp til vekt-% mangan og opp til 2 vekt-% jern. I tillegg til å danne metallaluminider, som kan styrke legeringen ytterligere, er jern og mangan nyttige ingredienser i høytrykks-trykkstøpelegeringer siden de har en tendens til å dempe lodding av legeringen til formens komponenter. Legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse kan også inkludere opp til 2 vekt-% magnesium, opp til 2 vekt-% hafnium, opp til 1 vekt-% titan, opp til 1 vekt-% molybden, opp til 1 vekt-% krom, opp til 0, vekt-% silisium, opp til 0, vekt-% kobber og opp til 0, vekt-% sink. Legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse inkluderer fortrinnsvis hovedsakelig enhetlig fordelte partikler av Al 3 Zr x V 1-x, hvor x er en brøkdel av én som avhenger av forholdet av Zr : V i legeringen, partiklene har en ekvivalent diameter på mindre enn omkring 0 nm og fortrinnsvis mindre enn omkring nm. Legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse inkluderer fortrinnsvis partikler av Al 3 Ni som har en ekvivalent diameter på mindre enn omkring 00 nm, fortrinnsvis mindre enn omkring 0 nm, spesielt mindre enn omkring 0 nm. Legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse kan inkludere hovedsakelig enhetlig fordelte partikler av manganaluminid som har en ekvivalent diameter på mindre enn omkring 0 nm og fortrinnsvis mindre enn omkring nm. Legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse kan inkludere hovedsakelig enhetlig fordelte partikler av jernaluminid som har en ekvivalent diameter på mindre enn omkring 0 nm og fortrinnsvis mindre enn omkring nm. Et trekk ved legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse som skiller dem fra tidligere teknikks aluminiumlegeringer som inneholder nikkel og zirkonium men uten vanadium (beskrevet i journalartiklene av N.A. Belov) er at legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse har en mye lavere liquidustemperatur (typisk mindre enn 70 C i motsetning til mer enn 80 C for tidligere teknikks legeringer). Den lavere liquidustemperaturen tillater at legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse blir prosessert til formede gjenstander ved konvensjonell høytrykks-trykkstøping mens legeringene ifølge tidligere teknikk ikke kan bli prosessert til formede gjenstander ved konvensjonell

5 1 2 3 høytrykks-trykkstøping og således er begrenset til støpingen av små gjenstander i grafittstøpeformer. Et annet trekk ved legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse som skiller dem fra tidligere teknikks aluminiumlegeringer som inneholder nikkel og zirkonium men uten vanadium er at de utfellende herdende partiklene i legeringene ifølge foreliggende oppfinnelse er Al 3 Zr x V 1-x partikler (sammenlignet med Al 3 Zr partikler i legeringene ifølge tidligere teknikk). På grunn av den mindre størrelsen av vanadiumatomet (0,132 nm) sammenlignet med zirkoniumatomet (0,19 nm), har Al 3 Zr x V 1-x gitteret en gitterparameter som er mindre enn den for Al 3 Zr gitteret og som passer nærmere med gitterparameteren for -aluminiummatriksen. Av denne årsak er aluminium-nikkel legeringer som er herdet med Al 3 Zr x V 1-x utfellinger mer termisk stabile enn aluminiumnikkellegeringer som er herdet med Al 3 Zr utfellinger. Det foregående og andre trekk og fordeler ved foreliggende oppfinnelse vil bli mer åpenbart fra den følgende detaljerte beskrivelse og ledsagende tegninger. BESKRIVELSE AV TEGNINGENE Figur 1 er en computer-generert størkningsvei for aluminium - 6 vekt-% nikkel - 0,6 vekt-% zirkonium legering; Figur 2 er en computer-generert størkningsvei for aluminium - 6 vekt-% nikkel - 0,1 vekt-% zirkonium - 0,4 vekt-% vanadium legering. DETALJERT BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN Dispersjonsstyrking av aluminiumlegeringer stoler på dannelsen av fordelte partikler i legeringens matriks. Denne styrkende mekanismen blir eksemplifisert ved legeringer basert på aluminium-nikkel systemet. Hypo-eutektiske og eutektiske aluminium-nikkel legeringer størkner i en struktur som inneholder en fin dispersjon av nikkel tri-aluminid (Al 3 Ni) partikler i en matriks omfattet av en fast løsning av nikkel i aluminium ( -aluminium). Siden nikkel tri-aluminid er grunnleggende uløselig i aluminium opp til omkring 8 C, er aluminium-nikkel legeringer mer stabile ved forhøyede temperaturer enn aluminium-silisium legeringer. Imidlertid vil aluminium-nikkel binære legeringer ikke inneha adekvate mekaniske egenskaper for de fleste bilrelaterte anvendelser ettersom deres tekniske strekkgrense ved romtemperatur ikke overstiger 80 MPa; og derfor er ytterligere styrking av disse legeringene nødvendig. Utskillingsstyrking er en velkjent mekanisme for å styrke aluminiumlegeringer som eksemplifisert ved legeringer basert på aluminium-kobber systemet. I disse legeringene blir utfelling av kobberaluminidpartikler i en -aluminiummatriks termisk kontrollert for å gi effektiv styrking av legeringsmatriksen. Foreliggende oppfinnelse kombinerer karakteristikker av begge typer herdemekanismer tidligere beskrevet for å oppnå aluminiumlegeringer med tilstrekkelig mekanisk styrke ved forhøyet temperatur for de fleste bilrelaterte anvendelser. Legeringene

6 ifølge foreliggende oppfinnelse inneholder en fin dispersjon av krypebestandige nikkel tri-aluminid-partikler og en styrkende utfelling som er basert på zirkonium og vanadium, nemlig Al 3 Zr x V 1-x. I legeringene ifølge tidligere teknikk, som inneholder nikkel og zirkonium men uten vanadium (beskrevet i journalartiklene ved N.A. Belov), blir det dannet en styrkende fase med den kjemiske sammensetningen Al 3 Zr. I legeringen ifølge oppfinnelsen, er den styrkende fasen også basert på Al 3 Zr strukturen men med vanadiumatomer som substituerer for noen av zirkoniumatomene. Den nøyaktige representasjonen av den styrkende fasen i legeringen ifølge oppfinnelsen er således Al 3 Zr x V 1-x hvor x er en brøkdel av én med størrelsesorden som avhenger av forholdet av zirkonium til vanadium. Rollen som vanadium spiller i legeringen ifølge oppfinnelsen er viktig for å tillate at legeringen blir prosessert til artikler ved høytrykks-trykkstøping. Utstrekningen av styrking indusert ved en utfelling er relatert til både volumfraksjonen av utfellingen og størrelsen av utfellingspartiklene. En stor volumfraksjon av partikler med liten størrelse er grunnleggende for styrking. Tidligere teknikks legeringer anvender et minimum på 0,6 vekt-% zirkonium for å danne omkring 0,83 volum-% av den Al 3 Zr styrkende fasen. Denne mengden er vist å være tilstrekkelig for signifikant styrking av legeringen. Granskning av Fig. 1 viser imidlertid at liquidustemperaturen for en legering med 0,6 % zirkonium er over 80 C. Denne relativt høye smeltetemperaturen er hindrende for konvensjonell høytrykks-trykkstøping, og derfor kan legeringer ifølge tidligere teknikk ikke bli masseprodusert ved høytrykks-trykkstøpeoperasjoner. En foretrukket versjon av legeringen ifølge oppfinnelsen anvender bare 0,1 vekt-% zirkonium og 0,4 vekt-% vanadium. Denne blandingen danner omkring 0,84 volum-% av den Al 3 Zr x V 1-x styrkende fasen. Hovedfordelen ved å anvende vanadium i legeringen ifølge oppfinnelsen er at liquidustemperaturen av legeringen ifølge oppfinnelsen bare er omkring 7 C - se Fig. 2, som tillater anvendelsen av konvensjonell høytrykkstrykkstøping i tilvirkning av formede artikler med legeringen ifølge oppfinnelsen. En bred beskrivelse av materialet ifølge oppfinnelsen etter optimal prosessering er at det er en -aluminium (en svært fortynnet fast løsning av nikkel i aluminium) matriks som inneholder omkring 0,8-1,0 volum-% av en enhetlig fordelt styrkende fase som er basert på zirkonium og vanadium og som har en struktur representert ved den kjemiske formelen Al 3 Zr x V 1-x, og omkring 1- volum-% nikkel tri-aluminid-partikler enhetlig fordelt i legeringsmatriksen. I et materiale ifølge denne oppfinnelsen som har blitt prosessert til å ha maksimal styrke, er de Al 3 Zr x V 1-x styrkende partiklene meta-stabile, har den L1 2 kubiske strukturen, er koherente med - aluminiummatriksen, og har en gjennomsnittlig diameter på mindre enn omkring 2 nm.

7 7 1 2 Produksjonen av en slik struktur krever: (1) hurtig kjøling fra smeltetemperaturen og (2) kontrollert termisk aldring av den størknede artikkelen. Hurtig kjøling fra smeltetemperaturen er nødvendig for å sikre at zirkonium og vanadium blir bevart i løsning i -aluminium matriksen ved romtemperatur; dvs. ved romtemperatur inneholder legeringen den Al 3 Ni eutektiske fasen og en andre fase som er en supermettet fast løsning av zirkonium og vanadium i -aluminium. For legeringen ifølge oppfinnelsen, er en kjølerate som overstiger C/sekund nødvendig for å oppnå en supermettet fast løsning av zirkonium og vanadium i -aluminium. Én av fordelene ved legeringen ifølge oppfinnelsen fremfor legeringer ifølge tidligere teknikk er at den er designet slik at den kan bli prosessert til formede artikler ved konvensjonell høytrykks-trykkstøping hvori den smeltede legeringen ved omkring 70 C blir introdusert direkte inn i støpekammeret av trykkstøpemaskinen. Den blir så injisert under høyt trykk til en stålform; trykket blir opprettholdt på legeringen inntil størkning er fullstendig, og så blir den størknede artikkelen støtt ut. Det er kjent at kjølerater i konvensjonelle høytrykks-trykkstøpeoperasjoner typisk overstiger C/sekund. Derfor tilveiebringer støpeprosessen som former artikkelen også bråkjølingen som er nødvendig for å oppnå en homogen supermettet fast løsning av de styrkende elementene (zirkonium og vanadium) i -aluminium. Styrt termisk aldring av størknede støpte artikler dannet med legeringen ifølge oppfinnelsen er nødvendig for å felle ut de meta-stabile L1 2 kubiske Al 3 Zr x V 1-x styrkende partiklene i den -aluminium faste løsningen. Dette kan bli gjennomført ved en optimalisert termisk aldringstidsplan. Én slik tidsplan inkluderer å holde den størknede støpte artikkelen ved en temperatur mellom C og C i mellom to og seks timer fulgt av å holde den ved en temperatur mellom C og 40 C i mellom to og seks timer. En foretrukken tidsplan for termisk aldring inkluderer å holde den størknede støpte artikkelen ved C i tre timer fulgt av å holde den ved 40 C i ytterligere 3 timer. Samtidig med utfelling av de Al 3 Zr x V 1-x styrkende partiklene i den -aluminium faste løsningen, vil den foreskrevne tidsplanen for termisk aldring fragmentere og endre fasongen av de Al 3 Ni eutektiske stavene til partikler med submikron størrelse. Denne fragmenteringen og globulariseringen av de Al 3 Ni eutektiske stavene forbedrer den totale duktiliteten av den støpte artikkelen.

8 8 1 Patentkrav 1. Aluminium-trykkstøpelegering som omfatter 4 til 6 vekt-% nikkel, 0,1 til 0,3 vekt-% zirkonium, 0,3 til 0,4 vekt-% vanadium, eventuelt opp til vekt-% mangan, eventuelt opp til 2 vekt-% jern, eventuelt opp til 1 vekt-% titan, eventuelt opp til 2 vekt-% hafnium, eventuelt opp til 2 vekt-% magnesium, eventuelt opp til 1 vekt-% krom, eventuelt opp til 1 vekt-% molybden, eventuelt opp til 0, vekt-% silisium, eventuelt opp til 0, vekt-% kobber, eventuelt opp til 0, vekt-% sink, og aluminium som resten med forurensninger på grunn av produksjon totalt maks. 1 vekt-%. 2. Aluminium-trykkstøpelegering ifølge krav 1, som inkluderer hovedsakelig enhetlig fordelte partikler av Al 3 Zr x V 1-x, hvor x er en brøkdel av én som avhenger av forholdet av Zr : V i legeringen, partiklene har en ekvivalent diameter på mindre enn 0 nm og fortrinnsvis mindre enn nm Aluminium-trykkstøpelegering ifølge krav 1, som inkluderer partikler av Al 3 Ni som har en ekvivalent diameter på mindre enn 00 nm, fortrinnsvis mindre enn 0 nm, spesielt mindre enn 0 nm. 4. Aluminium-trykkstøpelegering ifølge krav 1, som inkluderer hovedsakelig enhetlig fordelte partikler av manganaluminid som har en ekvivalent diameter på mindre enn 0 nm og fortrinnsvis mindre enn nm.. Aluminium-trykkstøpelegering ifølge krav 1, som inkluderer hovedsakelig enhetlig fordelte partikler av jernaluminid som har en ekvivalent diameter på mindre enn 0 nm og fortrinnsvis mindre enn nm Trykkstøpt komponent dannet fra en aluminiumlegering ifølge ett av kravene 1 til.

9 9 7. Fremgangsmåte for fremstilling av en trykkstøpt komponent dannet fra en aluminiumlegering ifølge ett av kravene 1 til, hvori legeringen blir kaldherdet ved å holde den størknede trykkstøpte komponenten ved en temperatur på C til C i 2 til 6 timer fulgt av å holde den ved en temperatur på C til 40 C i 2 til 6 timer.

10