DE10007589C2

DE10007589C2 - Verfahren zur Bestimmung des Magnesiumgehalts in geschmolzenen Aluminiumlegierungen

Info

Publication number: DE10007589C2
Application number: DE10007589A
Authority: DE
Inventors: Mayuki Morinaka
Original assignee: Metal Science Ltd
Current assignee: Metal Science Ltd
Priority date: 1999-02-24
Filing date: 2000-02-23
Publication date: 2003-10-02
Anticipated expiration: 2020-02-24
Also published as: DE10007589A1; FR2790090A1; BE1014517A3; FR2790090B1; JP2000241374A; CN1159577C; BR0000903A; JP3331408B2; CN1266987A; US6345910B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung des Magnesiumgehalts in geschmolzenen Aluminiumlegierungen, insbesondere in Al-Si-Legie rungen.

Der Magnesiumgehalt in geschmolzenem Aluminium, insbesondere in geschmolzenen Al-Si-Legierungen, hat großen Einfluß auf die Festigkeit der aus der Aluminiumlegierung hergestellten Produkte.

Die Zugfestigkeit einer Aluminiumlegierung mit un gefähr 7 Gewichtsprozent (Gew.%) Silizium und 0,3 Gew.% Magnesium, aus der üblicherweise dünne Alu miniumfolien hergestellt werden, beträgt ungefähr 280 N/mm². Bei der Verringerung des Magnesiumge halts auf 0,1 Gew.% nimmt die Zugfestigkeit auf un gefähr 150 N/mm² ab.

Die chemischen Zusammensetzungen konventioneller Aluminiumlegierungen sind nach den Vorgaben bei spielsweise der DIN, ISO, JIS, AISI, SAE, BC, VDEh, NF, EN oder der ASTM (American Society for Testing and Materials) standardisiert und der Legierung bei der Auslieferung in einem Analyseprotokoll beigege ben. Beim Schmelzen der Legierung ändert sich die chemische Zusammensetzung der in ihr enthaltenen Elemente nicht, außer dem Gehalt an Magnesium. Das geschmolzene Magnesium schwimmt an der Oberfläche der geschmolzenen Aluminiumlegierung und oxidiert schließlich, so daß der Magnesiumgehalt in der Le gierung abnimmt.

In der Regel wird daher zum Ausgleich der Verluste in der geschmolzenen Aluminiumlegierung Magnesium zugegeben.

Zu diesem Zweck ist die Bestimmung des Magnesiumge halts in der geschmolzenen Aluminiumlegierung vor dem Gießen notwendig. Die Anwendung einer emissi onsspektroskopischen Analyse zur Bestimmung des Ma gnesiumgehalts ist allerdings sehr teuer und bedarf eines hohen apparativen Aufwandes.

Aus der DE 44 37 066 ist ein Verfahren bekannt, durch das der Gehalt des Additivs Magnesium in ei ner Gußeisenschmelze ermittelt wird. Hierzu wird einer Vergleichsprobe eine kleine Menge Tellur zugesetzt und die Abkühlungskurven miteinander ver glichen. Aus der WO 97/19200 wird die Bestimmung und Einstellung der Korngröße bei Aluminiumlegie rungen beschrieben, die vornehmlich durch die Zugabe der Additive Titan und Bor eingestellt wird.

Ausgehend vom Stand der Technik hat sich die Erfin dung zur Aufgabe gestellt, ein einfaches Verfahren zur Bestimmung des Magnesiumgehalts in geschmolze nen Aluminiumlegierungen anzugeben, um eine Ver schlechterung der Materialeigenschaften der daraus erstellten Produkte bereits vor dem Gießen zu ver hindern.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mit einer Thermoanalyse die Abkühlkurve der Le gierung erfaßt wird, die Temperatur des eutekti schen Punktes (TE) der Legierung aus der Abkühl kurve bestimmt wird, der Magnesiumgehalt nach der Formel

Mg(Gew.%) = ((577°C - TE) : 4,4°C) × (Si(Gew.%) : 12,5)

ermittelt wird.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, daß an einer Probe der geschmolzenen Legierung eine Ther moanalyse durchgeführt wird, um eine Abkühlkurve zu erhalten, wobei das geschmolzene Aluminium in ein Probengefäß gegossen wird, das zur Durchführung ei ner Thermoanalyse geeignet ist. Aus der gemessenen Abkühlkurve wird die Temperatur des eutektischen Punktes der geschmolzenen Aluminiumlegierung be stimmt. Diese Temperatur wird in eine Gleichung eingesetzt, um den Magnesiumgehalt in der geschmol zenen Aluminiumlegierung zu bestimmen, deren Her leitung nachfolgend gezeigt wird.

In das Probengefäß können als Additiv noch eine kleine Menge an Phophor und/oder Schwefel zugegeben werden, insbesondere 0,2 Gewichtsprozent. Zu diesem Zweck können Kupferphosphid (CuP), Aluminiumkupfer phosphid (AlCuP) und Zinksulfid (ZnS) oder Mischun gen dieser Legierungen als Additive verwendet wer den.

Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 das Gleichgewichtsdiagramm einer Aluminiumsiliziumlegierung,

Fig. 2 den Gehalt an Silizium und Magnesium und die zugehörige Temperatur des Eutektikums der Proben.

Im Stand der Technik ist bekannt, daß die Tempera tur des Eutektikums einer AlSi-Legierung bei 577°C liegt, wie in Fig. 1 dargestellt. In einem Nicht gleichgewichtszustand jedoch, d. h. wenn Mg als Ver unreinigung in der Legierung vorhanden ist, hängt die Temperatur des Eutektikums von der Anzahl der eutektischen Kristalle in der geschmolzenen Alumi niumlegierung ab.

Die eutektischen Kristalle in der geschmolzenen Aluminiumlegierung sind Aluminiumphosphide (AlP) oder Aluminiumsulfide (AlS), deren Anteil dem des Silizium entspricht, das bei der Temperatur des Eu tektikums auskristallisiert.

Der Anteil an AlP oder AlS in der geschmolzenen Aluminiumlegierung ist jedoch zu gering, um im Gleichgewichtszustand zu erstarren. Dementsprechend liegt die Gleichgewichtstemperatur von AlP oder AlS unter der Temperatur des Eutektikums im Gleichge wichtsdiagramm. Wenn sich die Aluminiumlegierungen in einem unterkühlten Zustand befinden, hängt die Temperatur des Eutektikums von der Anzahl der eu tektischen Kristalle ab, und nicht von ihrer jewei ligen chemischen Zusammensetzung. Daher ist es sehr schwierig den Magnesiumgehalt oben beschriebener Aluminiumlegierungen aus den Temperaturen des Eu tektikums abzuleiten.

Daher wird, entsprechend der Erfindung, eine aus reichende Menge an Phosphor oder Schwefel der ge schmolzenen Aluminiumlegierung zugegeben, um den Magnesiumgehalt der Legierung unmittelbar aus der Temperatur des Eutektikums ableiten zu können.

Das Atomgewicht des Phosphors (P = 30,9736) liegt nahe beim Atomgewicht des Schwefels (SU = 32,06), daher können die Anteile an P oder S, die der ge schmolzenen Legierung zugegeben werden, ähnlich oder gleich hoch gewählt sein.

Das weitere Vorgehen wird an einem Beispiel be schrieben, bei dem der geschmolzenen Aluminiumle gierung Phosphor zugegeben wird.

Generell wird beim Gießen von Aluminiumlegierungen eine kleine Menge, z. B. 30-100 ppm, Natrium (Na) der geschmolzenen Aluminiumlegierung zugegeben. Wenn das Natrium einer geschmolzenen Aluminiumle gierung zugegeben wird, die Phosphor enthält, rea giert der Phosphor mit dem Natrium, und das Alumi niumphosphid (AlP) wird zersetzt, so daß die Gefahr besteht, daß die eutektischen Kristalle sich auflö sen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung, in Anbe tracht der Atomgewichte von Phosphor und Natrium, wird wenigstens die dreifache Menge des Phosphors gegenüber dem Anteil an Natrium der geschmolzenen Aluminiumlegierung zugegeben, das entspricht 300 ppm Phosphor.

Ist eine ausreichende Menge an eutektischen Kri stallen in der geschmolzenen Aluminiumlegierung vorhanden, hängt die Temperatur des Eutektikums vom Anteil des Magnesiums ab, und kann aus der folgen den, experimentell erhaltenen Formel bestimmt wer den:

Mg(Gew.%) = ((577°C - TE) : 4,4) × (Si(Gew.%) : 12,5).

Hierbei entspricht 577°C der Temperatur des Eutek tikums (TE) einer AlSi-Legierung, die kein Magne sium enthält.

(577°C - TE) ist die Temperaturdifferenz der Tempe ratur des Eutektikums einer reinen zu einer tatsächlich gemessenen Legierung.

Der Koeffizient 12,5 entspricht der Zusammenset zung, d. h. dem Anteil an Si, einer Al-Si-Legierung ohne Magnesium am Eutektikum.

Experiment

Eine Legierung aus Aluminium, Silizium und Magne sium wird untersucht, bei der der Siliziumgehalt zwischen 2 und 12,5 Gewichtsprozent variiert und der Magnesiumgehalt zwischen 0,1 und 1 Gewichtspro zent. Die Temperaturen der eutektischen Punkte der einzelnen Proben werden bestimmt und die Ergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt.

Ebenso ist daraus ersichtlich, daß dann, wenn die Temperatur des Eutektikums bei 577°C liegt, der Magnesiumgehalt 0 Gew.% beträgt, und daß bei einem Siliziumgehalt von 12,5 Gewichtsprozent und einer Temperatur des Eutektikums von 572,6°C der Magne siumgehalt 1 Gewichtsprozent beträgt.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Magnesiumgehalts in geschmolzenen Aluminiumsiliziumlegierungen, wobei
mit einer Thermoanalyse die Abkühlkurve der Le gierung erfaßt wird,
die Temperatur des eutektischen Punktes (TE) der Legierung aus der Abkühlkurve bestimmt wird,
der Magnesiumgehalt nach der Formel
Mg(Gew.%) = ((577°C - TE) : 4,4°C) × (Si(Gew.%) : 12,5)
ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Aluminiumlegierung in ein Probengefäß, das zur Durchführung einer Thermoanalyse geeignet ist, gegossen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge kennzeichnet, daß Phosphor in das Probengefäß zuge geben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß der Anteil an Phosphor 0,2 Gewichtsprozent beträgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß Schwefel in das Probengefäß zugegeben wird.

6. Verfahren Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Schwefel 0,2 Gewichtsprozent be trägt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprü chen, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mischung aus Schwefel und Phosphor in das Probengefäß zugegeben werden.