DE102007035124A1

DE102007035124A1 - Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes mit einer Aluminiummatrix durch Squeeze Casting

Info

Publication number: DE102007035124A1
Application number: DE102007035124A
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dr. Beyer; Jürgen Dr. Hübler; Joachim Klose; Heino Pachschwöll; Anke Dr. Pötzsch; Uyma Falko
Original assignee: Fne Forschungsinstitut fur Nichteisen-Metalle GmbH; FNE GmbH
Current assignee: Fne Forschungsinstitut fur Nichteisen-Metalle GmbH; FNE GmbH
Priority date: 2007-07-27
Filing date: 2007-07-27
Publication date: 2009-01-29

Abstract

Ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes, enthaltend eine Matrix auf Basis von Aluminium sowie eine darin eingebettete, magnesiumsilicidhaltige Verstärkungskomponente, wobei der Werkstoff, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung, 8 bis 30 Masse-% Magnesiumsilicid enthält, umfasst die Schritte: a) Bereitstellen einer Aluminium, Silizium, Magnesium und ggf. wenigstens ein weiteres Metall enthaltaltenen Mischung, c) Gießen der in Schritt b) erhaltenen Schmelze mittels Squeeze-Casting und d) Erstarren des gegossenen Werkstoffes.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes enthaltend eine Matrix auf Basis von Aluminium sowie eine darin eingebettete, magnesiumsilicidhaltige Verstärkungskomponente, wobei der Werkstoff bezogen auf die Gesamtzusammensetzung 8 bis 30 Masse-% Magnesiumsilicid enthält, sowie einen mit diesem Verfahren erhältlichen Werkstoff.
Der Einsatz innovativer Leichtbauwerkstoffe hat in den letzten Jahren eine zunehmende Bedeutung erlangt, wobei als Leichtbauwerkstoffe insbesondere Werkstoffe auf Basis von Aluminium eingesetzt werden, weil Aluminium zum einen mit 2,7 g/cm³ eine vergleichsweise geringe Dichte aufweist und Aluminiumwerkstoffe gute mechanische Eigenschaften, insbesondere eine hervorragende Kaltzähigkeit, aufweisen.
Um die Eigenschaften der bekannten Leichtbauwerkstoffe gezielt zu verändern, ist es bereits vorgeschlagen worden, Leichtbauwerkstoffen auf Basis von Aluminium partikelverstärkte Materialien zuzufügen, wie beispielsweise verstärkende Komponenten, wie Oxide, beispielsweise Al₂O₃, Karbide, beispielsweise SiC, Aluminide, beispielsweise Ti₃Al, sowie Boride, beispielsweise TiB₂. Dabei müssen die verstärkenden Komponenten dem Grundwerkstoff Aluminium separat zugegeben werden, weswegen diese häufig eine unzureichende Haftung zu der Aluminiummatrix aufweisen. Zudem ist die Einstellung einer gleichmäßigen Verteilung der Verstär kungskomponente in der Matrix sehr problematisch. Außerdem haben die bekannten Verstärkungskomponenten eine höhere Dichte als Aluminium selbst, so dass die partikelverstärkten Werkstoffe eine höhere Dichte als 2,7 g/cm³ aufweisen.
Es ist auch schon vorgeschlagen, einem Werkstoff auf Aluminiumbasis Magnesiumsilicid zuzufügen. Aus der DE 38 42 812 A1 beispielsweise ist ein Gußleichtwerkstoff auf der Basis von Aluminium bekannt, welcher 5 bis 25 Masse-% Magnesiumsilicid enthält. Zudem kann der Werkstoff bis zu 12 Masse-% Silizium enthalten, wobei allerdings kein primäres Silizium vorliegen darf.
In der DE 10 2004 007 704 A1 wird ebenso wie in der EP 1 718 778 A1 ein Werkstoff auf Basis einer Aluminiumlegierung beschrieben, welcher erhältlich ist durch ein Verfahren, bei dem eine Aluminium-Basislegierung mit einem Gehalt an 5,5 bis 13,0 Masse-% Silizium und einem Gehalt an Magnesium gemäß der Formel Mg (Masse-%) = 1,73 × Si (Masse-%) + m, worin m 1,5 bis 6,0 Masse-% Magnesium bezeichnet, sowie mit einem Kupfergehalt zwischen 1,0 und 4,0 Masse-% hergestellt wird, die Basislegierung danach wenigstens einmal warmgeformt sowie einer nachfolgenden Wärmebehandlung bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern unterzogen wird. Bei diesem Verfahren wird mithin ein überstöchiometrisches Verhältnis von Magnesium zu Silizium eingesetzt. Dabei erfolgt die Herstellung mittels Kokillenguss oder mittels Strangguss. Auch die Herstellung durch Sprühkompaktieren ist möglich.
Ein Nachteil der vorbeschriebenen, gießtechnisch hergestellten Werkstoffe besteht darin, dass diese herstellungsbedingt mehr oder weniger große Poren aufweisen, welche die werkstofftechnischen und anwendungsrelevanten Eigenschaften negativ beeinträchtigen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Werkstoffs enthaltend eine Matrix auf Basis von Aluminium sowie eine darin eingebettete, magnesiumsilicidhaltige Verstärkungskomponente, mit dem sehr dichte und porenfreie Gefüge erhalten werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 und insbesondere durch ein Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes enthaltend eine Matrix auf Basis von Aluminium sowie eine darin eingebettete, magnesiumsilicidhaltige Verstärkungskomponente, wobei der Werkstoff bezogen auf die Gesamtzusammensetzung 8 bis 30 Masse-% Magnesiumsilicid enthält, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Aluminium, Silizium, Magnesium und ggf. wenigstens ein weiteres Metall enthaltenden Mischung,
b) Schmelzen der in Schritt a) erhaltenen Mischung,
c) Gießen der in Schritt b) erhaltenen Schmelze mittels Squeeze-Casting und
d) Erstarren des gegossenen Werkstoffes.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnte überraschenderweise herausgefunden werden, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur sehr dichte, sondern insbesondere auch porenfreie bzw. zumindest im Wesentlichen porenfreie Werkstoffe erhalten werden können. Daraus resultieren hervorragende werkstofftechnische und anwendungstechnische Eigenschaften der entsprechenden Werkstoffe, welche breite Anwendungsmöglichkeiten für diese Werkstoffe eröffnen. Insbesondere sind die mit diesem Verfahren hergestellten Werkstoffe nicht warmrissanfällig und sind bei üblichen Formgebungstemperaturen warmumformbar. Druckbe anspruchungen können in Abhängigkeit von der Zusammensetzung bis zu Umformgraden von φ = 1,25 ohne Anrisse erhalten werden. Zudem sind die erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffe mittels Walzen, Strangpressen und Schmieden verformbar. Aufgrund des Zusatzes von Magnesiumsilicid in die Aluminiummatrix weisen die erfindungsgemäß erhältlichen Werkstoffe zudem eine sehr niedrige Dichte von weniger als 2,7 g/cm³ auf. Schließlich sind die erfindungsgemäß erhaltenen Werkstoffe mehrfach ohne Eigenschaftsveränderungen umschmelzbar und damit recyclefähig. Insgesamt weisen die erfindungsgemäß hergestellten Werkstoffe aufgrund des dichten, porenfreien bzw. nahezu porenfreien Gefüges hervorragende werkstofftechnische Eigenschaften auf, insbesondere eine gute Bruchdehnung, eine gute Zugfestigkeit und eine sehr gute Verformbarkeit.
Bekanntermaßen handelt es sich bei Squeeze-Casting um ein Gussverfahren, bei dem die Schmelze zuerst in genau dosierter Menge in die untere Formhälfte gegossen wird, bevor danach die obere Formhälfte unter Druck in die untere gepresst und die Form als ganzes geschlossen wird, so dass die Schmelze diese ganz ausfüllt. Der Schließdruck wird dann während der Erstarrungsphase beibehalten.
Gute Ergebnisse werden insbesondere erhalten, wenn in dem Verfahrensschritt a) eine 5 bis 24 Masse-% Silizium, 8 bis 30 Masse-% Magnesium, bis zu 5 Masse-% wenigstens eines weiteren Metalls und Rest Aluminium enthaltende Mischung bereitgestellt wird. Dabei können die einzelnen Bestandteile der Mischung entweder in der Form der reinen Elemente oder in der Form einer entsprechenden Vorlegierung eingesetzt werden. Bei dem Erstarren einer aus der vorgenannten Mischung zusammengesetzten Schmelze bildet sich aus dem zugefügten Magnesium und Silizium in der Aluminiummatrix in situ Magnesiumsilicid, wobei nach dem Erstarren in Abhängigkeit von den zugefügten Mengen an Magnesium und Silizium neben Magnesiumsilicid auch überschüssiges Magnesium oder Silizium in der Aluminiummatrix enthalten sein kann. Besonders bevorzugt wird die in Verfahrensschritt a) eingesetzte Ausgangsmischung derart zusammengesetzt, dass der mit dem Verfahren erhaltene Werkstoff kein als Element vorliegendes Magnesium, sondern ausschließlich Magnesiumsilicid und gegebenenfalls 0 bis 10 Masse-% Siliziumüberschuss enthält. Der Siliziumüberschuss liegt in dem Aluminiummischkristall gelöst oder in Form von Siliziumausscheidungen vor.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, in der in Verfahrensschritt a) bereitgestellten Mischung 0,2 bis 1,0 Masse-% wenigstens eines aus der aus Kupfer, Mangan, Zink und beliebigen Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählten Metalls vorzusehen. Überraschenderweise konnte im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgefunden werden, dass durch den Zusatz einer vorbezeichneten Menge wenigstens eines der vorher bezeichneten Metalle die Festigkeit des Werkstoffes vom Typ Al/Mg₂Si signifikant erhöht werden kann.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die in Verfahrensschritt a) bereitgestellte Mischung, unabhängig davon, ob diese neben Aluminium, Magnesium und Silizium wenigstens ein aus der aus Kupfer, Mangan, Zink und beliebigen Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewähltes Metall enthält oder nicht, 0,05 bis 0,3 Masse-% eines Cer-Mischmetalls und/oder 0,05 bis 0,3 Masse-% Calcium. Unter Cer-Mischkristall wird im Sinne der vorliegenden Erfindung eine Legierung verstanden, welche ca. 60 Masse-% Cer enthält und daneben Lanthan und/oder weitere Seltenerdenmetalle enthält. Durch den Zusatz eines Cer-Mischmetalls und/oder von Calcium kann eine feinere Ausscheidung der Magnesiumsilicidpartikel in der Aluminiummatrix des Werkstoffes erreicht werden.
Vorzugsweise erfolgt das Gießen in dem Verfahrensschritt c) bei einer Temperatur von mehr als 700°C, wobei die Gießtemperatur wenigstens 50°C höher als die Liquidustemperatur der zu vergießenden Mischung beträgt.
Um eine besonders gute Feinung der Magnesiumsilicidausscheidung und des Eutektikums zu erreichen, wird zudem vorgeschlagen, die Schmelze während der Erstarrung in Schritt d) einer Vibrationsbehandlung zu unterziehen. Vorzugsweise beträgt die Frequenz bei der Vibrationsbehandlung zwischen 20 und 100 Hz.
Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, die Schmelze während der Verarbeitung und der Behandlung mittels Argon zu umhüllen und zu spülen, um eine Oxidation und eine Wasserstoffaufnahme zu vermeiden. Das gleichzeitige Rühren der Schmelze fördert eine feine und gleichmäßige Verteilung der Magnesiumsilicidpartikel in der Aluminiummatrix.
In Weiterbildung des Erfindungsgedankens wird vorgeschlagen, nach der Erstarrung gemäß Verfahrensschritt d) eine Wärmebehandlung des erhaltenen Werkstoffes durchzuführen, welche vorzugsweise die Schritte Lösungsglühen für weniger als 1 Stunde bei einer Temperatur von mehr als 500°C, anschließendes Abschrecken sowie nachfolgendes Auslagern im Temperaturbereich zwischen 160 und 230°C umfasst. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung konnte überraschenderweise herausgefunden werden, dass durch eine solche nachfolgende Wärmebehandlung teilweise beträchtliche Eigenschaftsverbesserungen des erhaltenen Werkstoffes erreicht werden können.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein mit dem zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren erhältlicher Werkstoff enthaltend eine Matrix auf Basis von Aluminium sowie eine darin eingebettete, magnesiumsilicidhaltige Verstärkungskomponente.
Vorzugsweise enthält der Werkstoff, bezogen auf die Gesamtzusammensetzung, 8 bis 30 Masse-% Magnesiumsilicid.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt während der Verfahrensschritte c) und d) die in situ Bildung von Magnesiumsilicidpartikeln aus dem in der Ausgangsmischung enthaltenen Silizium und Magnesium. In Abhängigkeit von den Mengenanteilen des eingesetzten Siliziums und Magnesiums kann sich ein Silizium- oder Magnesiumüberschuss ergeben, so dass neben Magnesiumsilicid auch freies Magnesium oder Silizium vorliegt. Vorzugsweise enthält der erfindungsgemäße Werkstoff zwischen 5 und 24 Masse-% Silizium und 8 bis 30 Masse-% Magnesium, wobei die beiden vorgenannten Elemente in Form von Magnesiumsilicid mit einem etwaigen Überschuss an freiem Silizium oder Magnesium vorliegen. Besonders bevorzugt enthält der Werkstoff kein als Element vorliegendes Magnesium, sondern ausschließlich Magnesiumsilicid und gegebenenfalls 0 bis 10 Masse-% Siliziumüberschuss. Der Siliziumüberschuss liegt in dem Aluminiummischkristall gelöst oder in Form von Siliziumausscheidungen vor.
Wie bereits dargelegt, kann durch den Anteil von Magnesiumsilicid zu dem Werkstoff auf Basis einer Aluminiummatrix ein Leichtbauwerkstoff mit einer Dichte von weniger als 2,7 g/cm³ erhalten werden. Besonders bevorzugt liegt die Dichte des erfindungsgemäßen Werkstoffes zwischen 2,3 und 2,6 g/cm³ und besonders bevorzugt zwischen 2,45 und 2,6 g/cm³.
Zudem kann der Werkstoff zwischen 0,2 und 1,0 Masse-% wenigstens eines aus der aus Kupfer, Mangan, Zink und beliebigen Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählten Metalls enthalten. Überraschenderweise konnte im Rahmen der vorliegenden Erfindung herausgefunden werden, dass durch die Zugabe einer vorgenannten Menge an einem oder an mehreren der vorgenannten Metalle die Festigkeit der Werkstoffe vom Typ Al/Mg₂Si beträchtlich erhöht werden kann.
Besonders gute anwendungstechnische Eigenschaften werden insbesondere auch dann erreicht, wenn der erfindungsgemäße Werkstoff zwischen 0,05 und 0,3 Masse-% eines Cer-Mischmetalls und/oder 0,05 bis 0,3 Masse-% Calcium enthält. Durch den Zusatz von Cer-Mischmetall und/oder Calcium wird eine feinere Ausscheidung der Magnesiumsilicidpartikel bewirkt.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand eines, nicht beschränkenden Beispiels erläutert.
Beispiel
Es wurde eine Mischung enthaltend 8,2 Masse-% Magnesium, 4,7 Masse-Silizium und Rest Aluminium bereitgestellt, geschmolzen und mittels Squeeze-Casting vergossen und erstarrt.
Es wurde ein Werkstoff mit einer Dichte von 2,59 g/cm³ erhalten. Das Gefüge war sehr dicht und hinreichend gussfehlerfrei. Die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand, nach einer Wärmebehandlung sowie im stranggepressten und nachfolgend wärmebehandelten Zustand sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt.

Zustand F Zustand T6 Stranggepresst + T6

Rp 0.2/MPa 101 304 233

Rm/MPa 201 323,5 280

A/% 6,3 2 9,8
Wie sich aus der vorstehenden Tabelle ergibt, weist der Werkstoff sowohl im Gusszustand als auch im weiter behandelten Zustand hervorragende mechanische Eigenschaften bei reduzierter Dichte im Vergleich zu üblichen Gusswerkstoffen auf.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 3842812 A1 [0004]
- DE 102004007704 A1 [0005]
- EP 1718778 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Werkstoffes enthaltend eine Matrix auf Basis von Aluminium sowie eine darin eingebettete, magnesiumsilicidhaltige Verstärkungskomponente, wobei der Werkstoff bezogen auf die Gesamtzusammensetzung 8 bis 30 Masse-% Magnesiumsilicid enthält, umfassend die Schritte: a) Bereitstellen einer Aluminium, Silizium, Magnesium und ggf. wenigstens ein weiteres Metall enthaltenden Mischung, b) Schmelzen der in Schritt a) erhaltenen Mischung, c) Gießen der in Schritt b) erhaltenen Schmelze mittels Squeeze-Casting und d) Erstarren des gegossenen Werkstoffes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Schritt a) eine 5 bis 24 Masse-% Silizium, 8 bis 30 Masse-% Magnesium, bis zu 5 Masse-% wenigstens eines weiteren Metalls und Rest Aluminium enthaltende Mischung bereitgestellt wird, wobei die einzelnen Bestandteile in Form der reinen Elemente oder in Form einer entsprechenden Vorlegierung eingesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Mischung 0,2 bis 1,0 Masse-% wenigstens eines aus der aus Kupfer, Mangan, Zink und beliebigen Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählten Metalls enthält.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in Schritt a) bereitgestellte Mischung 0,05 bis 0,3 Masse-% eines Cer-Mischmetalls und/oder Calcium enthält.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gießen in Schritt c) bei einer Temperatur von mehr als 700°C erfolgt, wobei die Gießtemperatur wenigstens 50°C höher als die Liquidustemperatur der zu vergießenden Mischung beträgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze während der Erstarrung in Schritt d) einer Vibrationsbehandlung, vorzugsweise mit einer Frequenz zwischen 20 und 100 Hz, unterzogen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze mit Argon gespült und umhüllt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff nach Schritt d) einer Wärmebehandlung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung die Schritte Lösungsglühen für weniger als 1 Stunde bei einer Temperatur von mehr als 500°C, anschließendes Abschrecken sowie nachfolgendes Auslagern für mehr als 2 Stunden bei einer Temperatur von wenigstens 160°C umfasst.
Werkstoff enthaltend eine Matrix auf Basis von Aluminium sowie eine darin eingebettete, magnesiumsilicidhaltige Verstärkungskomponente erhältlich nach einem Verfahren nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9.
Werkstoff nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff bezogen auf die Gesamtzusammensetzung 8 bis 30 Masse-% Magnesiumsilicid enthält.
Werkstoff nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in der Matrix Magnesiumsilicidpartikel eingebettet sind.
Werkstoff nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichte des Werkstoffes weniger als 2,7 g/cm³, bevorzugt zwischen 2,3 und 2,6 g/cm³ und besonders bevorzugt zwischen 2,45 und 2,6 g/cm³, beträgt
Werkstoff nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 5 bis 24 Masse-% Silizium, 8 bis 30 Masse-% Magnesium und Rest Aluminium enthält.
Werkstoff nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 0,2 bis 1,0 Masse-% wenigstens eines aus der aus Kupfer, Mangan, Zink und beliebigen Kombinationen hiervon bestehenden Gruppe ausgewählten Metalls enthält.
Werkstoff nach zumindest einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass dieser 0,05 bis 0,3 Masse-% eines Cer-Mischmetalls und/oder Calcium enthält.