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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Aluminium-Silizium-Legierungen. Präzisiert dargelegt bezieht sich die Erfindung auf ein Wärmebe- handlungsverfahren zur Verbesserung der Werkstoffduktilität von Gegenständen bestehend aus einer vorzugsweise veredelten bzw. gefeinten Aluminium-Silizium- gegebenenfalls weitere Legie- rungs- und/oder Verunreinigungselemente enthaltende Guss- oder Knetlegierung mit eutektischem Phasenanteil, welche Gegenstände einer Gluhbehandlung mit anschliessender Auslagerung unterworfen werden.
Weiters betnfft die Erfindung einen Gegenstand aus vorzugsweise zumindest ein Veredelungs- element aufweisenden, gegebenenfalls Magnesium sowie weitere Legierungs- und/oder Verunrei- nigungselemente enthaltenden Aluminium-Silizium-Legierung mit einem eutektischen Phasenanteil
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Aluminium bildet mit Silizium ein einfaches eutektisches System, wobei der eutektische Punkt bei einer Si-Konzentration von 12,5 Gew. - % und einer Temperatur von 577 C liegt.
Durch Zulegieren von Magnesium, das bis zu einem Gehalt von höchstens 0,47 Gew. -% bei
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behandlung und den dabei gebildeten Mg2Si - Ausscheidungen eine erhebliche Festigkeitssteige- rung des Werkstoffes erreicht werden.
Beim Abkühlen einer AI-Si-Mg - Schmelze kann die Restschmelze eutektisch erstarren, wobei sich in dieser Silizium in plattenähnlicher grober Form ausscheidet Es ist seit langem Stand der Technik, Natnum oder Strontium derartigen Legierungen zuzusetzen und dadurch das Wachstum der Siliziumkristalle bei der Erstarrung zu behindern, was als Veredeln bzw. Feinen bezeichnet und durchwegs zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, insbesondere der Bruchdehnung, durchgeführt wird.
Die mechanischen Eigenschaften von Halbzeug bzw. von Gegenständen aus Aluminiumlegie- rungen können durch Wärmebehandlungsverfahren wesentlich beeinflusst werden, und es sind die Wärmebehandlungszustände in der Europäischen Norm EN 515 definiert. Normgemäss bedeuten die Buchstaben F = Herstellungszustand und T = wärmebehandelt auf stabile Zustände. Detailliert wird der jeweilige Wärmebehandlungszustand durch die dem Buchstaben T nachgeordnete Zahl gekennzeichnet.
Im weiteren werden in der Beschreibung folgende Wärmebehandlungszustände der Werkstoffe mit den Kurzzeichen angegeben:
F Herstellungszustand
T5 Abgeschreckt aus der Herstelltemperatur und warm ausgelagert
T6 Lösungsgeglüht und warm ausgelagert
T6x Erfindungsgemäss wärmebehandelt
T4x Erfindungsgemäss wärmebehandelt
Für eine Vermarktung oder den industriellen Einsatz von Gegenständen aus Al-Si-Legierungen sind einerseits die Werkstoffeigenschaften, andererseits jedoch auch die Kosten bzw. die wirt- schaftlichen Gegebenheiten der Herstellung von Bedeutung, weil auch insbesondere längere Glüh- behandlungen bei höheren Temperaturen sowie erforderliche Nachrichtvorgänge, welche durch das sogenannte Gravitationskriechen bei einer Langzeitglühung erforderlich sein können, aufwen- dig sind.
Grundsätzlich kann festgestellt werden, dass eine AI-Si-Legierung im Zustand F zumeist gerin- ge Materialfestigkeitswerte Rp und relativ hohe Bruchdehnungszahlen A besitzt.
Bei einem Wärmebehandlungszustand T5, also abgeschreckt von der Herstelltemperatur und warmausgelagert, zum Beispiel bei 155 C bis 190 C mit einer Zeitdauer von 1 bis 12 Stunden, werden zwar höhere Festigkeitswerte Rp jedoch bei niedrigeren Bruchdehnungszahlen A der Proben erreicht.
Bei einem Wärmebehandlungszustand entsprechend T6 mit einem Lösungsglühen bei einer Temperatur von beispielsweise 540 C mit einer Zeitdauer von 12 Stunden und einer nachfolgen- den Warmauslagerung kann eine wesentliche Erhöhung der Festigkeit des Werkstoffes bei annä- hernd gleich grosser Bruchdehnung der Proben bzw. Duktilität des Werkstoffes, verglichen mit Zustand F, erreicht werden. Die lange Lösungsglühdauer ermöglichst beispielsweise ein vorteilhaf- tes Diffundieren von Magnesiumatomen im Material, wodurch nach einem Abschrecken und Warm-
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gebildet werden, welche Ausscheidungen die Materialfestigkeit entscheidend erhöhen.
Lösungsglühbehandlungen bei hohen Temperaturen mit langer Dauer haben jedoch den Nach- teil eines, wie früher erwähnt, Gravitationsknechen des Teiles sowie eines aufwendigen Tempera- tur-Zeit-Behandlungsablaufes. Vielfach wird deshalb aus wirtschaftlichen Gründen auf ein Errei- chen der höchsten Festigkeit und guter Duktilität des Werkstoffes durch T6 verzichtet und ein Behandlungszustand T5 für den Gegenstand gewählt. Die durch T5 entscheidend geringere Werk- stofffestigkeit muss gegebenenfalls durch Konstruktionsänderungen des Bauteils kompensiert werden.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, ein neues wirtschaftliches Verfahren einer Wärmebehand- lung zu schaffen, mit welchem die Duktilität des Werkstoffes signifikant erhöht werden kann, ohne dass dabei grosse Einbrüche hinsichtlich der Materialfestigkeit im Vergleich mit T6 oder eine wesent- lich höhere Duktilität und höhere Materialfestigkeit im Vergleich mit T5 erreicht wird.
Weiters ist es Aufgabe der Erfindung eine Mikrostruktur eines Gegenstandes der eingangs ge- nannten Art anzugeben, die vorteilhafte mechanische Materialeigenschaft bewirkt.
Das verfahrensgemässe Ziel wird dadurch erreicht, dass die Lösungsglühbehandlung als Stoss- glühbehandlung bestehend aus einer Schnellerwärmung auf eine Glühtemperatur von 400 C - 555 C, einem Halten bei dieser Temperatur mit einer Haltezeit von mindestens 1,7 Minuten bis höchstens 14,8 Minuten und einer anschliessenden forcierten Abkühlung auf im wesentlichen Raumtemperatur durchgeführt wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, dass mit einer ein- fachen Hochtemperatur - Kurzzeitglühung höchste Duktilitätswerte des Werkstoffes erreicht wer- den. Weiters verursacht eine sogenannte Stossglühung geringen bis keinen Bauteilverzug bzw.
Verzug des Gegenstandes, so dass gegebenenfalls auch kein Richten desselben erforderlich ist.
Die Kurzzeit - Glühbehandlung weist auch eine hohe Wirtschaftlichkeit auf und kann in einfacher Weise in eine Herstellsequenz, zum Beispiel mittels eines Durchlaufofens, eingegliedert werden, eine Einstellung der Materialfestigkeit kann danach zumeist durch eine abgestimmte Technologie der Warmauslagerung erfolgen. Wenn, wie vorteilhaft vorgesehen sein kann, die Stossglühbehand- lung mit einer Haltezeit von kleiner als 6,8 Minuten, vorzugsweise höchstens 5 Minuten, durchge- führt wird, werden bei der überwiegenden Anzahl der Al-Si-Legierungen die grössten Duktilitätsstei- gerungen erreicht.
Wird nach der Stossglühung eine Warmauslagerung des Gegenstandes vorgenommen, so ist es von Vorteil, diese bei einer Temperatur im Bereich zwischen 150 C und 200 C mit einer Zeit- dauer von 1 bis 14 Stunden festzulegen.
Es kann auch werkstofftechnisch von Vorteil sein, wenn die der Stossglühung folgende Ausla- gerung des Gegenstandes als Kaltauslagerung bei im wesentlichen Raumtemperatur erfolgt.
Die weitere Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Siliziumausscheidungen im eutektischen Phasenanteil sphäroidisiert sind und eine mittlere Schnittfläche, Asi. von geringer als 4 urn2 besitzen.
Nachfolgend ist die Schnittflächenermittlung formal dargestellt, wobei die Faktoren bezeichnet sind :
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As, = mittlere Fläche der Siliziumteilchen in um2
A = mittlere Fläche der Siliziumteilchen pro Bild in um2
N = Anzahl der vermessenen
Die Vorteile einer derartigen Mikrostruktur sind im wesentlichen darin zu sehen, dass eine Riss- initiation im Material durch die Sphäroidisierung der Si-Ausscheidungen und deren Feinheit wesentlich verringert und die Materialduktilität verbessert sind. Mit anderen Worten : Sphäroidi- sierung und die geringe Grösse erbringen eine günstige Morphologie des spröden eutektischen Siliziums und führen zu wesentlich höheren Bruchdehnungswerten des Werkstoffes. Bei mechani- scher Belastung sind die Spannungsspitzen an der Phasengrenzfläche Si-AI reduziert.
Es wurde auch bei Versuchen ein transkristalliner Bruch des Werkstoffes gefunden, was auf höchste Duktili-
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tät desselben hinweist.
Verfahrenstechnisch, aber auch für hohe Bruchdehnungswerte des Werkstoffes, kann es von Vorteil sein, wenn die Siliziumausscheidungen im eutektischen Phasenanteil sphäroidisiert sind und eine mittlere Schnittfläche von geringer als 2 um2 besitzen.
Wenn aufgabengemäss, wie sich bei den Entwicklungsarbeiten zeigte, die erfinderische Lösung
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Phasenanteil, definiert als die Wurzel aus einer quadratischen Messfläche geteilt durch die in ihr enthaltende Anzahl von Siliziumteilchen, eine Grösse von geringer als 4 um, vorzugsweise von geringer als 3 um, insbesondere von weniger als 2 um, besitzt, wird eine besonders homogene Spannungsverteilung bei niedrigsten Spannungsspitzenwerten im belasteten Werkstoff erreicht, weil sich der Abstand zwischen den kleinflächigen Siliziumteilchen wesentlich auf das Fliessverhal- ten des Materials in einem entsprechenden Spannungszustand auswirkt.
Die Ermittlung des mittle-
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ASi = mittlerer Abstand zwischen den Si-Teilchen Aouadrat = quadratische Bezugsfläche in um2
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N = Anzahl der vermessenen Bilder
Eine Lösungsglühung gemäss dem Stand der Technik, welche als Langzeitglühung mit 2 bis 12 Stunden für eine Diffusion der für die Aushärtung wirksamen Legierungskomponenten und deren Anreicherung im Mischkristall vorgesehen ist, erbringt als Nebeneffekt zwar auch eine Sphä- roidisierung der Siliziumteilchen, allerdings sind diese Teilchen infolge der langen Glühdauer sehr gross und grob verteilt, was sich nachteilig auf das Bruchverhalten des Werkstoffes auswirken kann.
Es war durchaus überraschend, dass durch eine kurzzeitige Stossglühung schon in geringen Zeit- spannen von wenigen Minuten ein eutektisches Siliziumnetzwerk erfindungsgemäss sphäroidisiert werden kann, wodurch eine vorteilhafte Mikrostruktur des Werkstoffes erreichbar ist. Dabei ist es wichtig, dass die Temperatur fur die Stossglühung möglichst hoch, jedoch unterhalb der niedrigst schmelzenden Phase, vorzugsweise 5 bis 20 C unterhalb, liegt.
Die Siliziumteilchen sind mit zunehmender Glühzeit einem diffusionsgesteuerten Wachstum unterworfen, wobei sich die anfänglich günstig hohe Sphäroidisierungsdichte, #s1 verkleinert.
Höchste Duktilität eines Gegenstandes einer AI-Si-Legierung wurde bei einer Lösung der Auf- gabe der Erfindung gefunden, wenn die mittlere Sphäroidisierungsdichte, #si definiert als die Anzahl der sphäroidisierten eutektischen Siliziumteilchen pro 100 um2 einen Wert grösser als 10, vorzugsweise jedoch 20, besitzt.
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#Si = mittlere Sphäroidisierungsdichte der eutektischen Si-Teilchen
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A = Bezugsfläche in um2
N = Anzahl der vermessenen Bilder
Vorsorglich erfolgte wieder eine formale Angabe der Beziehung.
Die Arbeiten haben gezeigt, dass im wesentlichen jede der Eutektikum enthaltenden Al-Si- Legierungen mit einer erfindungsgemässen Struktur versehen werden kann und die daraus gebilde- ten Gegenstände hohe Duktilitätswerte des Materials aufweisen. Besonders effizient sind die Steigerung der Güte und eine Verbesserung der Bruchdehnung, wenn der Gegenstand im Thixo- castingverfahren hergestellt ist.
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Im folgenden wird die Erfindung anhand von Untersuchungsergebnissen und Bildern näher be- schrieben. Es zeigen
Fig. 1 Balkendarstellung: Mechanische Werkstoffwerte in Abhängigkeit vom Wärmebehand- lungszustand
Fig. 2 Ebenso
Fig. 3 REM-Bild eines Schliffes
Fig. 4 Ebenso
Fig. 5 Abhängigkeit der mittleren Fläche der Si-Ausscheidungen von der Glühzeit
Fig. 6 Ebenso
Fig. 7 Mittlere freie Weglänge zwischen den Si-Teilchen
Fig. 8 Mittlere Sphäroidisierungsdichte
Fig. 9 Balkendiagramm: Mechanische Werkstoffeigenschaften von verschiedenen AI-Si Legie- rungen
Tab. 1 Zahlenwerte von Fig. 9
In Fig. 1 sind die Rp0,2 Dehngrenzenwerte sowie die Bruchdehnungswerte A von Proben aus einem Versuchsbauteil aus einer Legierung AISi7MgO,3, welcher Teil im Thixocastingverfahren hergestellt wurde, in einer Balkendarstellung gezeigt.
Die Werte vom Wärmebehandlungszustand T6 (12 Stunden 540 C + 4 Stunden 160 C) des Werkstoffes sind jenen gegenübergestellt, die mit dem erfindungsgemässen Verfahren T6x nach einer Stossglühzeit von 3 Minuten (T6x3) und nach 5 Minuten (T6x5) mit einer Temperatur von 540 C erreicht wurden ; einer Stossglühzeit von 1 Minute erhaltene Werte sind in analoger Weise mit T6x1 bezeichnet. An sämtlichen Proben erfolgte ein Warmauslagern (4 Stunden) mit einer Temperatur von 160 C. Die Ergebnisse der Zugversuche zeigen, dass die Proben nach einer Stossglühbehandlung deutlich höhere Bruchdeh- nungswerte aufweisen, wobei der Zustand T6x3 eine Steigerung von A um rund 60% im Vergleich zu T6 bewirkt.
In Fig. 2 sind bei gleicher Probenerstellung die Zustandswerte F, T4x3, T5, T6x3 und T6 wieder hinsichtlich der Rpo2 und der Bruchdehnung A in Balkenform gegenübergestellt. Vergleichend betrachtet sind wiederum markante Steigerungen der Bruchdehnungswerte gegeben. Wie aus Fig. 2 entnehmbar ist, kann nach einer Stossglühung mit 3 Minuten das Material kalt (T4x3) oder warm (T6x3) ausgelagert werden, um erfindungsgemäss überragende Bruchdehnungseigenschaf- ten zu erhalten.
Fig. 3 und Fig. 4 zeigen Raster-Elektronen-Mikroskop - Aufnahmen von Si-Ausscheidungen.
Zum Aufnahme- und Auswerteverfahren ist zu bemerken : Umdie Schliffbilder quantitativ aus- werten zu können, müssen geeignete binäre Bilder zur Verfügung stehen. Bis zu einer Glühdauer von einschliesslich 2 Stunden wurden die aufnahmen mit dem Raster-Elektronen-Mikroskop ge- macht, nachdem die Schliffe vorher 30 Sekunden mit einer Lösung aus 99,5% Wasser und 0,5% Flusssäure geätzt wurden. Ab 4 stunden Glühdauer wurden die Schliffe mit der Kellerlösung geätzt und die Bilder konnten mit dem Lichtmikroskop aufgenommen werden. Alle Bilder wurden darauf mit dem Programm Adobe Photoshop 5. 0 digital nachbearbeitet und mit dem Bildanalyseprogramm Leica QWin V2. 2 ausgewertet, wobei die minimale Detektionsfläche 0. 1 um2 betrug. Fig. 3 zeigt
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Aufnahme.
In Fig. 4 ist die Mikrostruktur des gleichen Werkstoffes nach einer Stossglühbehandlung von 3 Minuten wiedergegeben. Deutlich ist eine Sphäroidisierung der Siliziumausscheidungen schon nach kurzer Zeit (Fig. 4) und das diffusionsgesteuerte Wachsen derselben nach langen Glühzeiten (Fig. 3) ersichtlich.
In Fig. 5 und Fig. 6 ist die mittlere Schnittfläche As, der Siliziumteilchen bei der Schlifferprobung in Abhängigkeit von der Glühzeit bei 540 C dargestellt. Aus der Darstellung nach Fig. 4 mit loga- rithmischer Zeitachse ist der Anstieg der mittleren Schnittfläche der Si-Teilchen, die die Teilchen- grösse kennzeichnet, deutlich zu sehen. Aus der Detaildarstellung in Fig. 6 ist der diffusionsbeding- te Anstieg der mittleren Siliziumflächen innerhalb der ersten 60 Minuten entnehmbar. Die mit der Glühzeit ansteigende mittlere Grösse der Siliziumteilchen ist in hohem Masse von der Anfangsgrösse der Si-Teilchen im Eutektikum abhängig. Da im angeführten Fall ein äusserst gut veredeltes und fein verteiltes Silizium vorliegt, kann sich fallweise bei weniger gut veredelten, sprich anfänglich
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erreicht wird, verkürzen.
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Die Änderung des mittleren Abstandes zwischen den Si-Teilchen in Abhängigkeit von der Glüh- zeit ist anhand von Versuchsergebnissen in Fig. 7 dargestellt. Deutlich ist eine Erhöhung des mittleren Abstandes der Si-Einschlüsse entnehmbar.
Schliesslich ist in Fig. 8 der Abfall der mittleren Sphäroidisierungsdichte, #si in Abhängigkeit von der Glühzeit dargestellt. Der Steilabfall der mittleren Sphäroidisierungsdichte beginnt schon bei 1,7 Minuten und führt ab einem Wert von #Si < 10 zu einem ausgeprägten Duktilitätsverlust. Bei höheren Glühtemperaturen kann dieser Wert schon nach 14 bis 25 Minuten erreicht werden, wobei für überlegen hohe Bruchdehnungswerte ein Dichtewert von grösser als 20 vorzusehen ist.
In Fig. 9 sind anhand einer Balkendarstellung die Messwerte hinsichtlich Dehngrenze und Bruchdehnung, die aus Tab. 1 hervorgehen, von 8 unterschiedlich zusammengesetzten Al-Si- Legierungen wiedergegeben. Bei allen Legierungen wird gemäss der Erfindung eine Erhöhung der Matenalduktilität erreicht.
PATENTANSPRÜCHE:
1. Wärmebehandlungsverfahren zur Verbesserung der Werkstoffduktilität von Gegenständen bestehend aus einer vorzugsweise veredelten bzw. gefeinten Aluminium-Silizium- gege- benenfalls weitere Legierungs- und/oder Verunreinigungselemente wie Magnesium, Man- gan, Eisen enthaltenden Guss- oder Knetlegierung mit eutektischem Phasenanteil, welche
Gegenstände einer Glühbehandlung mit anschliessender Auslagerung unterworfen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Glühbehandlung als Stossglühbehandlung bestehend aus einer Schnellerwärmung auf eine Glühtemperatur von 400 C bis 555 C, einem Halten bei dieser Temperatur mit einer Haltezeit von mindestens 1,7 Minuten bis höchstens
14,8 Minuten und einer anschliessenden forcierten Abkühlung auf im wesentlichen Raum- temperatur durchgeführt wird.