PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006024358A1 22.11.2007
Titel Hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen
Anmelder Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden e.V., 01069 Dresden, DE
Erfinder Kühn, Uta, Dr., 01728 Possendorf, DE;
Werniewicz, Katarzyna, 01307 Dresden, DE;
Schultz, Ludwig, Prof. Dr., 01328 Dresden, DE
Vertreter Patentanwälte Rauschenbach, 01187 Dresden
DE-Anmeldedatum 17.05.2006
DE-Aktenzeichen 102006024358
Offenlegungstag 22.11.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.11.2007
IPC-Hauptklasse C22C 38/00(2006.01)A, F, I, 20060517, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Werkstoffwissenschaften und betrifft Formkörper, die als hochbeanspruchte Bauteile z. B. in der Flugzeugindustrie eingesetzt werden können.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Formkörper anzugeben, die gegenüber metallischen Gläsern makroskopische Plastizität aufweisen.
Gelöst wird die Aufgabe durch Formkörper aus Eisenlegierungen, die aus einem Werkstoff gemäß der Formel
FeaE1bE2cE3dE4e
bestehen, worin E1 Cr, V, Mn, Co und Ni, E2 Mo, Nb, Zr, Y, Hf, Ti, Ta und W, E3 Sn, Al, Ga, Pb, E4 Si, P, C und B sind, mit a = 100 - (b+c+d+e), b = 1 bis 12, c = 1 bis 12, d = 0 bis 12, e = 1 bis 25, (a, b, c, d, e in Atom-%), wobei das Gefüge zu 30-90 Vol.-% mindestens aus einer mikrokristallinen austenitischen kubisch flächenzentrierten (kfz) Phase besteht und mindestens eine weitere mikrokristalline Phase enthalten ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete der Werkstoffwissenschaften und des Maschinenbaus und betrifft hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen. Derartige Formkörper sind einsetzbar als hochbeanspruchte Bauteile z.B. in der Flugzeugindustrie, der Raumfahrt, der Fahrzeugindustrie und allgemein im Maschinen- und Gerätebau, wenn hohe Anforderungen an die mechanische Belastbarkeit, die Korrosionsbeständigkeit und die Oberflächenbeanspruchung insbesondere bei kompliziert geformten Bauteilen gestellt werden.

Bekannt ist, dass bestimmte mehrkomponentige metallische Werkstoffe, z.B. FeCuNbSiB (siehe Y. Yoshizawa, u.a., J. Appl. Phys. 64 (10), (1988) 6044–6046) durch rasche Erstarrung in einen metastabilen glasartigen Zustand überführt werden können (metallische Gläser), um vorteilhafte (z. B. weichmagnetische, mechanische, katalytische) Eigenschaften zu erhalten. Meist sind diese Werkstoffe wegen der erforderlichen Abkühlrate der Schmelze nur mit geringen Abmessungen in mindestens einer Dimension z.B. dünne Bänder oder Pulver herstellbar. Damit sind sie als massiver Konstruktionswerkstoff nicht geeignet (T. Masumoto, Mater. Sci. Eng. A179/180 (1994) 8–16).

Bekannt sind bestimmte Zusammensetzungsbereiche mehrkomponentiger Legierungen, in denen solche metallische Gläser auch in massiver Form, z.B. mit Abmessungen > 1 mm, durch Gießverfahren hergestellt werden können. Solche Legierungen sind z.B. Pd-Cu-Si, Pd40Ni40P20, Zr-Cu-Ni-Al, La-Al-Ni-Cu (T. Masumoto, Mater. Sci. Eng. A179/180 (1994) 8–16; W.L. Johnson, Mater. Sci. Forum Vol. 225–227, S. 35–50, Transtec Publications 1996, Switzerland). Bekannt sind insbesondere metallische Fe-Basis Gläser mit Zusammensetzungen der chemischen Formeln Fe60Co8Zr10Mo5W2B15, (Fe0,75B0,15Si0,1)96Nb4, Fe77Ga2P9,5C4B4Si2,5, Fe65.5Cr4Mo4Ga4P12C5B5,5, Fe74Nb6B17Y3, [(Fe0,5Co0,5)0,75B0,2Si0,05]96Nb4, welche > 1 mm hergestellt werden können (A. Inoue, u.a., Appl. Phys. Lett. 71, 4, (1997) 464–466; A. Inoue, u.a., J. Mater. Res. 18, 6, (2003) 1487–1492; M. Stoica, u.a., J. Metastab. Nanocryst. Mat. 12, (2002) 77–84; D.S. Song, u.a., J. All. Comp. 389, (2005) 159–164; A. Inoue, u.a., Acta Mater. 52, (2004) 4093–4099).

Weiterhin bekannt sind metallische Glas-Formkörper mit besonders hoher Glasbildungsbildungsfähigkeit (in Dimensionen bis 12 mm gießbar mit glasartiger Struktur) in den Zusammensetzungen Fe48Cr15Mo14Er2C15B6 und (Fe44,3Cr5Co5Mo12,8Mn11,2C15,8B5,9)98,5Y1,5 (V. Ponnambalam, u.a., J. Mater. Res. 19, 5, (2004) 1320–1323; Z.P. Lu, u.a., Phys. Rev. Let. 92, 24, (2004) 245503-1–245503-4).

Es ist auch eine Zusammensetzung für eine mehrkomponentige berylliumhaltige Legierung mit der chemischen Formel (Zr100-a-bTiaNbb)75(BexCuyNiz)25 bekannt. Dabei bezeichnen die Koeffizienten a, b die Elementanteile in Atom-% mit a = 18,34; b = 6,66 und die Koeffizienten x, y, z bezeichnen die Verhältnisanteile in Atom-% mit x y : z = 9 : 5 : 4. Diese Legierung ist zweiphasig, sie besitzt eine hochfeste, spröde glasartige Matrix und eine duktile, plastisch verformbare dendritische kubisch raumzentrierte Phase. Dadurch tritt eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften bei Raumtemperatur ein, besonders im Bereich der makroskopischen Dehnung (C.C. Hays, u.a., Phys. Rev. Lett. 84, 13, p. 2901–2904, (2000)). Ein gravierender Nachteil dieser Legierung besteht jedoch in der Verwendung des hoch toxischen Berylliums.

Weiterhin bekannt sind nach der DE 101 43 683 A1 und DE 102 18 281 A1 hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare berylliumfreie Formkörper aus Zirkonlegierungen der Zusammensetzung Zra (E1)b (E2)c (E3)d (E4)e mit E1 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Nb, Ta, Mo, Cr, W, Ti, V, Hf und Y, E2 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Cu, Au, Ag, Pd und Pt, E3 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Ni, Co, Fe, Zn und Mn und E4 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Al, Ga, Si, P, C, B, Sn, Pb und Sb, und mit a = 100 – (b + c + d + e), b = 5 bis 15, c = 5 bis 15, d = 0 bis 15, e = 5 bis 15, (a, b, c, d, e in Atom-%), wobei die Formkörper ein homogenes mikrostrukturelles Gefüge besitzen, das aus einer glasartigen oder nanokristallinen Matrix mit darin eingebetteter duktiler dendritischer kubisch raumzentrierten Phase besteht.

Gemäß der DE 102 24 722 A1 sind weiterhin hochfeste, plastisch verformbare Formkörper aus Titanlegierungen bekannt, mit der Zusammensetzung Tia (E1)b (E2)c (E3)d (E4)e mit E1 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Nb, Ta, Mo, Cr, W, Zr, V, Hf und Y, E2 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Cu, Au, Ag, Pd und Pt, E3 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Ni, Co, Fe, Zn und Mn und E4 aus einem oder mehreren Elementen der Gruppe Al, Ga, Si, P, C, B, Sn, Pb und Sb, und mit a = 100 – (b + c + d + e), b = 0 bis 20, c = 5 bis 30, d = 5 bis 30, e = 1 bis 15, (a, b, c, d, e in Atom-%), wobei die Formkörper ein homogenes mikrostrukturelles Gefüge besitzen, das aus einer glasartigen oder nanokristallinen Matrix mit darin eingebetteter duktiler dendritischer kubisch raumzentrierten Phase besteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hochfeste und bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen zur Verfügung zu stellen, die gegenüber metallischen Gläsern makroskopische Plastizität sowie Verformungsverfestigung und gegenüber teilkristallinen oder kristallinen metallischen Legierungen eine signifikante Festigkeitssteigerung aufweisen.

Diese Aufgabe wird mit der in den Patentansprüchen angegebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäßen hochfesten, bei Raumtemperatur plastisch verformbaren Formkörper aus Eisenlegierungen bestehen aus einem Werkstoff der Zusammensetzung gemäß der Formel Fea E1b E2c E3d E4e, worin

E1 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Cr, V, Mn, Co und Ni,

E2 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Mo, Nb, Zr, Y, Hf, Ti, Ta und W,

E3 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Sn, Al, Ga, Pb,

E4 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Si, P, C und B

sind, mit

a = 100 – (b + c + d + e)

b = 1 bis 12

c = 1 bis 12

d = 0 bis 12

e = 1 bis 25

(a, b, c, d, e in Atom-%),

wobei geringe, herstellungstechnisch bedingte Zusätze und Verunreinigungen enthalten sein können und wobei das Gefüge der Formkörper zu 30–90 Vol.-% mindestens aus einer mikrokristallinen austenitischen kubisch flächenzentrierten (kfz) Phase besteht und weiterhin mindestens eine weitere mikrokristalline Phase enthalten ist.

Vorteilhafterweise ist die mindestens weitere mikrokristalline Phase eine martensitische und/oder karbidische Phase.

Ebenfalls vorteilhafterweise besteht das Gefüge des Formkörpers aus einer mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase und einer martensitischen Phase und einer hexagonalen Phase.

Weiterhin vorteilhafterweise besteht das Gefüge des Formkörpers aus einer mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase und einer karbidischen Fe3C-Phase.

Vorteilhaft ist es auch, wenn der Formkörper die Zusammensetzung FeaCrbMocGadCe mit a = 60–80, b = 3–5, c = 3–5, d = 3–5 und e = 9–20 oder auch die Zusammensetzung FeaCrbMocGadSie mit a = 75–85, b = 4–6, c = 4–6, d = 4–6 und e = 2–8 aufweist.

Von Vorteil ist es auch, wenn der Volumenanteil der mikrokistallinen, austenitischen kfz-Phase 40 bis 80 % beträgt.

Ebenfalls von Vorteil ist es, wenn der Volumenanteil der mindestens weiteren mikrokristallinen Phase 20 bis 60 % beträgt.

Und auch vorteilhaft ist es, wenn die Korngröße der mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase im Bereich von 1–20 &mgr;m liegt.

Zur Herstellung der Formkörper wird durch Gießen der Eisen-Legierungsschmelze in eine Kupferkokille das fertige Gussteil hergestellt. Es ist von Vorteil, zunächst eine homogene Vorlegierung entsprechend der jeweiligen Zusammensetzung im Lichtbogenofen herzustellen. Um vollständige Homogenität zu gewährleisten, ist mehrmaliges Aufschmelzen erforderlich. Die im Lichtbogenofen hergestellte Vorlegierung wird für den nachfolgenden Gießprozess erneut, vorzugsweise induktiv, in einem inerten Tiegel unter Schutzgasatmosphäre aufgeschmolzen und mittels beispielsweise Druck- oder Schleudergussanlagen in eine Kupferkokille ausgepresst.

Das Gefüge der Formkörper weist eine homogene mikrometerskalige und mindestens zweiphasige, in Abhängigkeit von der Anzahl der eingesetzten Elemente häufig aber eine mehrphasige Struktur auf. Das Gefüge der Formkörper besteht immer aus einer mikrokristallinen austenitischen Phase, deren Kristalle kubisch flächenzentriert (kfz) sind und aus mindestens einer weiteren mikrokristallinen Phase, die in Abhängigkeit von der konkreten gewählten Ausgangszusammensetzung in verschiedenen Strukturen und Volumenanteilen vorliegen. Werden beispielsweise Mo und C eingesetzt, so enthält das Gefüge des Formkörpers auch martensitische und/oder karbidische Phasen. Andere Elemente aus der Gruppe der möglichen einsetzbaren Elemente führen zu einer oder mehreren Phasen auch anderer Struktur.

Der Nachweis der austenitischen kfz-Phase, der martensitischen und karbidischen Phase sowie anderer Phasen und die Bestimmung der Größe und des Volumenanteils dieser Phasen kann über Röntgenbeugung (XRD), Raster- (REM) oder Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) erfolgen.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Formkörper besteht in ihrer hohen Festigkeit bei Raumtemperatur in Kombination mit plastischer Verformbarkeit. Diese Kombination aus Festigkeit und Plastizität ist extrem verbessert gegenüber Lösungen nach dem Stand der Technik und beruht auf der Bildung einer speziellen Mikrostruktur, die sich aus harten und weichen mikrometerskaligen Phasen zusammensetzt.

Die Erfindung ist nachstehend anhand von mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Beispiel 1

Aus Fe, Cr, Mo, Ga und C wird eine Vorlegierung der Zusammensetzung Fe76,9Cr4,7Mo4,7Ga4,7C9 (in Atom-%) im Lichtbogenofen hergestellt und 3 mal aufgeschmolzen. Nachfolgend wird die Legierung in einem inerten Tiegel unter Argonatmosphäre induktiv aufgeschmolzen und mittels einer Schleudergussanlage in eine zylinderförmige Kupferkokille mit einem Innendurchmesser von 3 mm abgegossen. Der erhaltene stabförmige Formkörper besteht aus einer mikrokristallinen, austenitischen kfz-Phase, aus einer hochfesten martensitischen Phase und aus einer hexagonalen Phase. Der Volumenanteil der kfz-Phase beträgt 41 %, der Volumenanteil der martensitischen Phase beträgt 42 % und der Volumenanteil der hexagonalen Phase beträgt 17 %.

Im Druckversuch erreicht der Formkörper eine wahre Bruchdehnung von 36 % (technische Bruchdehnung von 30 %) bei einer wahren Bruchfestigkeit von 2868 MPa (technische Bruchfestigkeit von 4116 MPa). Die elastische Dehnung an der technischen Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze) beträgt 0,7 % bei einer Festigkeit von 833 MPa (wahr) oder 844 MPa (techn.). Der Elastizitätsmodul beträgt 162 GPa.

Beispiel 2

Eine Legierung mit der Zusammensetzung Fe70,1Cr4,3Mo4,3Ga4,4C16,9 (Zahlenangaben in Atom-%) wird in einem inerten Tiegel aufgeschmolzen und in einer Druckgussanlage in eine zylinderförmige Kupferkokille mit einem Innendurchmesser von 3 mm ausgepresst. Der erhaltene stabförmige Formkörper besteht aus einer mikrokristallinen, austenitischen kfz Phase und einer Fe3C-Phase. Der Volumenanteil der kfz-Phase beträgt 80 %.

Im Druckversuch erreicht der Formkörper eine wahre Bruchdehnung von 16 (technische Bruchdehnung von 15 %) bei einer wahren Bruchfestigkeit von 3026 MPa (technische Bruchfestigkeit von 3561 MPa). Die elastische Dehnung an der technischen Streckgrenze (0,2 % Dehngrenze) beträgt 0,9 % bei einer Festigkeit von 1410 MPa (wahr) oder 1438 MPa (techn.). Der Elastizitätsmodul beträgt 208 GPa.


Anspruch[de]
Hochfeste, bei Raumtemperatur plastisch verformbare Formkörper aus Eisenlegierungen, die aus einem Werkstoff der Zusammensetzung gemäß der Formel Fea E1b E2c E3d E4e bestehen, worin

E1 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Cr, V, Mn, Co und Ni,

E2 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Mo, Nb, Zr, Y, Hf, Ti, Ta und W,

E3 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Sn, Al, Ga, Pb,

E4 ein oder mehrere Elemente der Gruppe Si, P, C und B

sind, mit

a = 100 – (b + c + d + e)

b = 1 bis 12

c = 1 bis 12

d = 0 bis 12

e = 1 bis 25

(a, b, c, d, e in Atom-%),

wobei geringe, herstellungstechnisch bedingte Zusätze und Verunreinigungen enthalten sein können und wobei das Gefüge der Formkörper zu 30 – 90 Vol.-% mindestens aus einer mikrokristallinen austenitischen kubisch flächenzentrierten (kfz) Phase besteht und weiterhin mindestens eine weitere mikrokristalline Phase enthalten ist.
Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die mindestens weitere mikrokristalline Phase eine martensitische und/oder karbidische Phase ist. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem das Gefüge des Formkörpers aus einer mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase und einer martensitischen Phase und einer hexagonalen Phase besteht. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem das Gefüge des Formkörpers aus einer mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase und einer karbidischen Fe3C-Phase besteht. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der Formkörper die Zusammensetzung FeaCrbMocGadCe mit a = 60–80, b = 3–5, c = 3–5, d = 3–5 und e = 9–20 aufweist. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der Formkörper die Zusammensetzung FeaCrbMocGadSie mit a = 75–85, b = 4–6, c = 4–6, d = 4–6 und e = 2–8 aufweist. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der Volumenanteil der mikrokistallinen, austenitischen kfz-Phase 40 bis 80 % beträgt. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem der Volumenanteil der mindestens weiteren mikrokristallinen Phase 20 bis 60 % beträgt. Formkörper nach Anspruch 1, bei dem die Korngröße der mikrokristallinen austenitischen kfz-Phase im Bereich von 1–20 &mgr;m liegt.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com