DE102009015316B4

DE102009015316B4 - Metallbehandlung zur Eliminierung von Warmrissdefekten in Aluminiumlegierungen mit niedrigem Siliziumgehalt

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Publication number: DE102009015316B4
Application number: DE200910015316
Authority: DE
Inventors: Herbert W. Doty; Fawzy H. Chicoutimi Samuel; Ahmed M. Chicoutimi Nabawy
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2011-01-20
Anticipated expiration: 2029-03-28
Also published as: US20090252643A1; US8980021B2; CN101549390A; DE102009015316A1; CN101549390B

Abstract

Verfahren zum Erhöhen der Warmrissbeständigkeit in einer Aluminiumgusslegierung, wobei das Verfahren umfasst:
Bereitstellen einer Mischung, welche bis zu 0,5 Gewichtsprozent Zink, zwischen 0,2 und 0,5 Gewichtsprozent Magnesium, zwischen 0,1 und 0,5 Gewichtsprozent Eisen, zwischen 0,2 und 0,75 Gewichtsprozent Mangan, wobei das Verhältnis von Mangan zu Eisen zwischen 1,25 und 1,45 beträgt, zwischen mehr als 0,5 und 1,3 Gewichtsprozent Silizium, zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent Kupfer, bis zu 0,05 Gewichtsprozent Calcium und bis zu 0,05 Gewichtsprozent Phosphor enthält, wobei der Rest im Wesentlichen Aluminium und andere Legierungsbestandteile sind, wobei die anderen Legierungsbestandteile bis zu 0,05 Gewichtsprozent der Mischung ausmachen,
Zugabe von wenigstens zwei Korn verfeinernden Mitteln zu der Mischung, wobei eines der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Titandiborid ist und das andere der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Scandium und/oder Zirkonium ist,
Formen der Mischung und der Korn verfeinernden Mittel zu einer gießfähigen Schmelze,
Gießen der Schmelze...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Warmrissbeständigkeit in einer Aluminiumgusslegierung sowie verbesserte hochfeste Legierungen auf Basis von Aluminium mit einer verbesserten Warmrissbeständigkeit, wenn diese zu Gussprodukten verfestigt werden.
Es ist gut bekannt, dass Legierungsbestandteile die Eigenschaften eines Materials auf Basis von Aluminium verbessern. Hochfeste Aluminiumlegierungen (welche typischerweise weniger als fünfundneunzig Gewichtsprozent Aluminium enthalten und nach der Wärmebehandlung eine Streckgrenze von mehr als ungefähr dreißigtausend Pfund pro Quadratinch aufweisen) können mit kostengünstigen Fabrikationstechniken, wie beispielsweise mit Gießen, kompatibel gemacht werden. Beispielsweise führt die Zugabe von Silizium (Si) zu Aluminium zu einer verbesserten Fähigkeit des geschmolzenen Metalls, zu fließen, wodurch die Gießfähigkeit verbessert wird. Andere Legierungsmittel, wie beispielsweise Kupfer, können eingesetzt werden, um die Festigkeitseigenschaften der Legierungen auf Aluminiumbasis zu verbessern, obwohl dies herkömmlicherweise auf Kosten der Gießfähigkeit geht. Andere können beide enthalten.
Eine solche Legierung, welche von der Anmelderin der vorliegenden Patentanmeldung entwickelt worden ist, ist als GM220 bekannt, welches eine Legierung ist, welche leicht zu Motorblöcken, -köpfen und anderen Bauteilen für Anwendungen, welche eine hohe Festigkeit erfordern und gewichtsempfindlich sind, gegossen werden kann. Nichtsdestotrotz sind viele Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise GM220 aufgrund der Tendenz, einen als Warmreißen bzw. Warmriss bekannten Defekt auszubilden, nicht dazu in der Lage, eine effiziente kostengünstige Herstellung zu realisieren, welche Gießen zu bieten hat. Beim Warmreißen ist die Festigkeit der sich verfestigenden Schmelze nicht ausreichend, um der mit der thermischen Kontraktion des Metalls aufgrund des Verfestigungsschrumpfens und der thermischer Expansion verbundenen Beanspruchung standzuhalten. Ein solches Phänomen wird verschlimmert, wenn die Form steifer ist, wie beispielsweise in Metallformen.
Um dieses Problem zu verringern, können modifizierte Fabrikationstechniken, wie beispielsweise die thermische Steuerung der Form und höhere Gießtemperaturen, eingesetzt werden; allerdings sind solche Ansätze oftmals durch die Geometrie des geformten Teils sowie durch die Komplexität und gleichzeitig Kosten begrenzt. Gleichermaßen erhöhen einfache Gusshalbzeuge mit teurer Nachgussbearbeitung die Kosten beträchtlich und laufen daher dem Zweck von kostengünstigen Gießarbeiten entgegen.
Eine Kornverfeinerung ist ein bevorzugter Weg, die Wahrscheinlichkeit von Warmreißen in gießfähigen Aluminiumlegierungen zu verringern. Beim Kornverfeinern wird dem geschmolzenen Metall unmittelbar vor dem Gießen eine Stammlegierung (beispielsweise ein Titan (Ti) enthaltendes oder verwandtes Mittel) zugegeben. In einer solchen gut bekannten Ausführungsform kann solch eine Stammlegierung ein Metallcarbid, -nitrid und -borid, wie beispielsweise Titandiborid (TiB₂), sein. Es wird geglaubt, dass diese Stammlegierungen in die Schmelze mikroskopische Partikel als Nukleierungsmittel einführen.
Aus der DE 10 2007 042 099 A1 ist eine Aluminiumgusslegierung bekannt, welche im Wesentlichen aus 0,4 bis 2,5 Gew.-% Si, bis zu 5 Gew.-% Cu, bis zu 1 Gew.-% Mg, bis zu 1 Gew.-% Fe, bis zu 2 Gew.-% Mn, bis zu 0,3 Gew.-% Ti, bis zu 2,5 Gew.-% Ni, bis zu 3 Gew.-% Zn und Rest Aluminium besteht.
In der DE 10 2005 010 626 A1 wird eine Aluminiumgusslegierung offenbart, welche 0 bis 19 Gew.-% Si, 0 bis 5,0 Gew.-% Cu, 0 bis 1,5 Gew.-% Mg, bis zu 3,0 Gew.-% Zn, bis zu 2,0 Gew.-% Ni, bis zu 0,3 Gew.-% Ti, mehr als 0 bis 1,5 Gew.-% Fe und 0,2% bis 3,0% Mn enthält, wobei das Gewichtsverhältnis von Mn/Fe zumindest 0,6 beträgt, wenn Fe in einer Menge von weniger als 0,4 Gew.-% vorliegt, und das Gewichtsverhältnis von Mn/Fe zumindest 1,0 beträgt, wenn Fe in einer Menge von gleich oder größer als 0,4 Gew.-% vorliegt, um die Porosität eines aus der Legierung hergestellten Gussteils zu verringern und seine Zugfestigkeit zu verbessern.
In der WO 2006/019946 A2 wird eine Aluminiumlegierung offenbart, welche u. a. bis zu 0,5 Gew.-% Silizium und 3,0 bis 4,0 Gew.-% Kupfer enthält, und welche optional Titandiborid, Zirkonium oder Scandium enthalten kann.
Ungeachtet der Zugabe solcher Stammlegierungen ist es immer noch wünschenswert, dass ein verbessertes Verfahren der Kornverfeinerung von hochfesten, auf Aluminium basierenden Gusslegierungen entwickelt wird. Es ist des Weiteren wünschenswert, dass eine solche Kornverfeinerung bei der Herstellung einer auf Aluminium basierenden Legierung ohne das begleitende Problem des Warmreißens geeignet ist.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Anforderungen werden durch die vorliegende Erfindung erfüllt, in der eine verbesserte hochfeste Aluminiumlegierung offenbart wird, welche im Wesentlichen frei von Warmrissbildung ist. In der vorliegenden Erfindung werden in eine Aluminiumlegierung Warmriss inhibierende Materialien eingeführt, so dass Gussteile mit einer kleineren Korngröße hergestellt werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Erhöhen der Warmrissbeständigkeit in einer Aluminiumgusslegierung, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen einer Mischung, welche bis zu 0,5 Gewichtsprozent Zink, zwischen 0,2 und 0,5 Gewichtsprozent Magnesium, zwischen 0,1 und 0,5 Gewichtsprozent Eisen, zwischen 0,2 und 0,75 Gewichtsprozent Mangan, wobei das Verhältnis von Mangan zu Eisen zwischen 1,25 und 1,45 beträgt, zwischen mehr als 0,5 und 1,3 Gewichtsprozent Silizium, zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent Kupfer, bis zu 0,05 Gewichtsprozent Calcium und bis zu 0,05 Gewichtsprozent Phosphor enthält, wobei der Rest im Wesentlichen Aluminium und andere Legierungsbestandteile sind, wobei die anderen Legierungsbestandteile bis zu 0,05 Gewichtsprozent der Mischung ausmachen,
– Zugabe von wenigstens zwei Korn verfeinernden Mitteln zu der Mischung, wobei eines der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Titandiborid ist und das andere der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Scandium und/oder Zirkonium ist,
– Formen der Mischung und der Korn verfeinernden Mittel zu einer gießfähigen Schmelze,
– Gießen der Schmelze in eine Form und
– Verfestigen der Schmelze in der Form, um ein im Wesentlichen warmrissfreies Gießprodukt aus der Aluminiumlegierung zu erzeugen.

Es wird von den Fachleuten auf dem vorliegenden Gebiet verstanden werden, dass Spurenmengen von Verunreinigungen, wie beispielsweise Calcium (Ca) und Phosphor (P), ebenfalls in der Legierung vorliegen können.
Optional werden besondere Konzentrationen der Korn verfeinernden Mittel verwendet. In einer Ausführungsform ist das Sc in einer Menge von bis zu 0,15 Gewichtsprozent der Mischung enthalten. Gleichermaßen kann Zr eingesetzt werden, entweder mit oder anstelle von Sc. Die Konzentrationen können bis zu 0,75 Gewichtsprozent der Mischung betragen, wobei bevorzugte Mengen mehr als 0,18 bis 0,75 Gewichtsprozent betragen. Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass TiB₂ in Verbindung mit einem oder beiden von Sc oder Zr ein besonders geeignetes Korn verfeinerndes Mittel ist.
Silber (Ag) kann in einer Menge von bis zu 0,7 Gewichtsprozent der Mischung ebenfalls enthalten sein. In einer besonderen Ausführungsform kann Ag zusammen mit dem TiB₂, Zr und einer optionalen Menge von Sr zugegeben werden. Zusätzlich zu den Sc, Zr und TiB₂ können zu der Mischung bis zu 1,5 Gewichtsprozent wenigstens eines Seltenerdelements zugegeben werden.
Das Seltenerdelement oder die Seltenerdelemente können aus einem Mischmetall hergestellt werden, welches zu der Mischung hinzugegeben wird. In einer besonderen Ausführungsform ist die Aluminiumlegierung eine hochfeste Legierung mit geringem Siliziumgehalt, welche nicht mehr als 1,3 Gewichtsprozent Si enthält. In einer besonders bevorzugten Variante enthält diese nicht mehr als 1,0 Gewichtsprozent Si. Während das vorliegende Verfahren für zahlreiche Gießverfahren angewendet werden kann, haben die vorliegenden Erfinder herausgefunden, dass dieses besonders gut für permanentes Formgießen geeignet ist.
Abhängig von den Besonderheiten der Legierung können verschiedene Bereiche eingesetzt werden. Beispielsweise kann ein Siliziumgehalt von mehr als 0,5 bis zu 1,3 Gewichtsprozent einen engeren Bereich von zwischen 1,1 und 1,3 Gewichtsprozent (in dem Fall von GM220) einschließen. Gleichermaßen umfasst der Bereich zwischen 0,1 und 0,5 Prozent Fe zwischen 0,4 und 0,5 Prozent Eisen (in dem Fall von GM220). Gleichermaßen beträgt der Cu-Gehalt zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent (in dem Fall von GM220). Mn ist in einer Menge zwischen 0,5 und 0,75 Gewichtsprozent (in dem Fall von GM220 mit einer insbesondere geeigneten Obergrenze von 0,73 Gewichtsprozent) enthalten. Mg ist in einer Menge zwischen 0,3 und 0,5 Gewichtsprozent (in dem Fall von GM220) enthalten. Es liegen bis zu 0,04 Gewichtsprozent Ca und 0,04 Gewichtsprozent P vor (in dem Fall von GM220). Die anderen Legierungsbestandteile, welche bis zu 0,05 Gewichtsprozent von entweder GM220 oder der Legierung 206 ausmachen, können Nickel (Ni), Zinn (Sn), Ti, alleine oder in Mischung miteinander, ausmachen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Aluminiumlegierung offenbart. Die Legierung enthält:

– zwischen mehr als 0,5 und 1,3 Gewichtsprozent Silizium,
– zwischen 0,1 und 0,5 Gewichtsprozent Eisen,
– zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent Kupfer,
– zwischen 0,2 und 0,75 Gewichtsprozent Mangan, wobei das Verhältnis von Mangan zu Eisen zwischen 1,25 und 1,45 beträgt,
– zwischen 0,2 und 0,5 Gewichtsprozent Magnesium,
– bis zu 0,5 Gewichtsprozent Zink,
– bis zu 0,05 Gewichtsprozent Calcium,
– bis zu 0,05 Gewichtsprozent Phosphor,
– wenigstens zwei Korn verfeinernde Mittel, wobei eines der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Titandiborid ist und das andere der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Scandium und/oder Zirkonium ist, und
– Rest im Wesentlichen Aluminium und andere Legierungsbestandteile, wobei die anderen Legierungsbestandteile in einer Menge bis zu 0,05 Gewichtsprozent der Mischung enthalten sind.

In einer optionalen Ausführungsform beträgt die Konzentration des Sc bis zu 0,15 Gewichtsprozent der Legierung. Schließlich liegt das Seltenerdelement, falls vorhanden, in einer Konzentration von bis zu 1,5 Gewichtsprozent der Legierung vor.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende detaillierte Beschreibung der vorliegenden Erfindung kann am besten verstanden werden, wenn diese im Zusammenhang mit den nachfolgenden Zeichnungen gelesen wird, wo gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen dargestellt sind und in denen:
Die 1A einen Kraftfahrzeugzylinderkopf zeigt, welcher gemäß einem Aspekt der Erfindung hergestellt worden ist,
die 1B einen Kraftfahrzeugzylinderblock zeigt, welcher auch gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung hergestellt worden sein könnte,
die 2 einen typischen Warmriss zeigt, welcher in einem aus einer Aluminiumlegierung gemäß dem Stand der Technik hergestellten Gussteil ausgebildet ist,
die 3 ein aus einer Aluminiumlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestelltes Gussteil zeigt, in der eine Legierung auf Basis von Aluminium eine Zugabe von 0,15 Gewichtsprozent Zr enthielt,
die 4 ein aus einer Aluminiumlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung hergestelltes Gussteil zeigt, in der eine Legierung auf Basis von Aluminium eine Zugabe von 0,30 Gewichtsprozent Zr enthielt,
die 5 die relativen Zugfestigkeiten einer Aluminiumlegierung mit verschiedenen Korn verfeinernden Mitteln und unter verschiedenen Gießansätzen zeigt,
die 6 die relativen Streckgrenzen einer Aluminiumlegierung mit verschiedenen Korn verfeinernden Mitteln und unter verschiedenen Gießansätzen zeigt,
die 7 die relative Zugdehnung einer Aluminiumlegierung mit verschiedenen Korn verfeinernden Mitteln und unter verschiedenen Gießansätzen zeigt,
die 8A den Effekt der Formtemperatur an einer gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Legierung zeigt,
die 8B den Effekt der Formtemperatur an einer anderen Legierung zeigt und
die 9A bis 9E die verschiedenen Ausmaße der Rissschwere in verschiedenen aus einer typischen auf Aluminium basierenden Gusslegierung, wie beispielsweise der Legierung 206, hergestellten Teststäben zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Anfänglich Bezug nehmend auf die 1A und 1B, ist ein Zylinderkopf 1 und ein Zylinderblock 10 für einen Kraftfahrzeugmotor gezeigt, welcher aus der GM220-Aluminiumlegierung hergestellt worden ist. Solche Vorrichtungen können durch Gusstechniken hergestellt werden, welche dem Fachmann auf dem hier relevanten Gebiet bekannt sind. Beispielsweise können sowohl der Zylinderkopf 1 als auch der Zylinderblock 10 durch permanentes Formgießen hergestellt werden. Wie dargestellt, werden sowohl der Zylinderkopf 1 als auch der Zylinderblock 10 in die gut bekannte V-6-Konfiguration gegossen, obwohl andere Motorkonfigurationen als gleichermaßen geeignet erkannt werden. Unter Bezugnahme insbesondere auf die 1A umfasst der Zylinderkopf 1 Einlassöffnungen 2, 4 und 6 sowie auf der gegenüberliegenden Seite entsprechende Auslassöffnungen (nicht dargestellt). Weitere Komponenten schließen eine Zahnkettenabdeckung 3, einen Zündkerzenturm 5, eine Ventilabdeckungsschiene 7 und Nockenträger 8 ein. Bezug nehmend insbesondere auf die 1B ist der Block 10 an dem Zylinderkopf 1 der 1A (beispielsweise durch Verbolzen) befestigt. Eine Reihe 12 des Blocks 10 umfasst drei der Zylinder 14, 16 und 18, welche darin ausgebildet sind. Bolzenlöcher 20 zum Befestigen der Zylinderköpfe 1 an dem Zylinderblock 10 werden typischerweise beispielsweise durch Bohren und Nieten spanend eingearbeitet. Andere Oberflächen können ebenfalls spanend bearbeitet sein. Insbesondere der Bereich zwischen den Öffnungen für die Auslassventile (nicht dargestellt) auf dem Zylinderkopf 1 arbeitet bei sehr hohen Temperaturen und ist daher aufgrund der thermischen Expansion des einseitig eingespannten Teils gegenüber Beanspruchungen empfindlich. Die Zyklen zwischen Betriebstemperatur und Nichtbetriebstemperatur verleihen diesen Bereichen des Zylinderkopfs 1 eine thermische Ermüdung. Die relativ hohe Festigkeit und Dehnung sowie die Abwesenheit einer eutektischen Siliziumphase liefern eine exzellente Beständigkeit gegenüber thermischer Ermüdung. Das relativ hohe Verhältnis von Mn zu Fe der Legierungen, wie beispielsweise GM220, führt zu einer verbesserten spanenden Bearbeitbarkeit sowie zu niedrigeren Graden an Gussporosität. Nichtsdestotrotz ist der Hauptteil des Verfahrens das anfängliche Gießen, während verschiedene Legierungsmittel (beispielsweise das zuvor genannte Mn) enthalten sind, um die Nachgießbearbeitbarkeit zu erleichtern.
In einer Ausführungsform ist die Legierung aus zwischen mehr als 0,5 und 1,3 Gewichtsprozent Silizium (Si), zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent Cu, zwischen 0,3 und 0,5 Gewichtsprozent Mg, zwischen 0,4 und 0,5 Gewichtsprozent Fe, zwischen 0,5 und 0,73 Gewichtsprozent Mn, zwischen 0,02 und 0,2 Gewichtsprozent Ti, bis zu 0,05 Gewichtsprozent Sr, bis zu 0,5 Gewichtsprozent Zn, bis zu 0,04 Gewichtsprozent Ca, bis zu 0,04 Gewichtsprozent P (alle Zahlen ungefähr) und dem Rest Aluminium und winzigen Mengen an zufälligen Verunreinigungen zusammengesetzt. Des Weiteren beträgt das Verhältnis von Mn zu Fe zwischen 1,25 und 1,45.
GM220 enthält genug Si (zwischen ungefähr einem und zwei Gewichtsprozent), um intermetallische Verbindungen auszubilden, aber nicht so viel, dass eine getrennte eutektische Si-Phase ausgebildet wird, welche, falls vorhanden, unerwünschterweise zu Überhitzungen führen würde sowie zu einer Verringerung der thermischen Gesamtleitfähigkeit und der mechanischen Eigenschaften des Gussteils führen würde. Der Einschluss von solchen Si-Mengen kann beim Verbessern der thermischen Ermüdungsbeständigkeit vorteilhaft sein. Gleichermaßen kann die Zugabe von Cu helfen, die Legierung zu verstärken. Aus diesem Grund zeigt GM220 eine hohe Festigkeit (abhängig von der Gießtechnik Zugfestigkeiten zwischen ungefähr 250 und 400 MPa), eine gute Dehnung (zwischen ungefähr 0,5 und 4,5 Prozent, wiederum abhängig von der Gießtechnik) und eine geringe Mikroporosität. Die Legierung enthält Cu, damit diese die Festigkeit und andere mechanische Eigenschaften erhöhen kann, obwohl diese Menge relativ niedrig gehalten wird, um Verringerungen in der Korrosionsbeständigkeit zu vermeiden. Mn ist enthalten, um die Kornstruktur zu steuern, während Zn die Präzipitationshärtungsantwort und die Korrosionsleistungsfähigkeit verbessert, solange die Mengen nicht so hoch sind, dass sie die Schweißeigenschaften beeinträchtigen.
GM220 kann ebenfalls leicht gegossen werden und ist gegenüber einer Mehrschrittwärmebehandlung empfänglich, welche das Maßschneidern der gewünschten Festigkeitswerte erlaubt. Diese Eigenschaften machen es für die Herstellung von hochqualitativen Kraftfahrzeuggussteilen geeignet. Beispielsweise erlauben Legierungen mit höherer Festigkeit die Ausbildung von Bauteilen, welche für die gleiche Last tragenden Eigenschaften leichter gemacht werden können, so dass erhöhte spezifische Eigenschaften (eine wichtige Aspekt für Kraftfahrzeug-, Luftfahrt- und andere Transportanwendungen) realisiert werden können.
Nichtsdestotrotz sind Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise GM220, während bestimmten Gießschritten gegenüber Warmrissen empfänglich, wobei als nächstes unter Bezugnahme auf die 2 ein Beispiel eines Warmrisses 110 in einem Gussbauteil aus GM220 an wenigstens einer Stelle an einem Gussprodukt 100 gezeigt ist. Wie von den Fachleuten auf dem vorliegenden Gebiet erkannt wird, sind verschiedene Rissuntersuchungsverfahren verfügbar, wie beispielsweise die Farbeindringprüfung (DPI) oder verwandte Verfahren. Im Allgemeinen wird die Warmrissempfänglichkeit (HTS) durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt: HTS = Σ(C_i × L_i) worin C der Zahlenwert ist, welcher verwendet wird, um das Ausmaß der Rissschwere in einer Testprobe (wie beispielsweise in einem Stab) wiederzugeben, und L der Zahlenwert ist, welcher der Proben-(Stab-)Länge entspricht. Dieser letztere Faktor berücksichtigt die Tatsache, dass die längeren Stäbe gegenüber Warmrissen weniger beständig waren als die kürzeren. Wie beispielsweise unter Bezugnahme auf die 9A bis 9E dargestellt, beträgt für den längsten Stab (nahe dem Boden) L = 1 und beträgt der Grad der Rissschwere C ungefähr 3 (was insbesondere in der 9D gezeigt ist). Für dasselbe Gussteil entspricht ein kürzerer Stab L = 2 einem leichteren Riss, wobei C ungefähr 2 ist (insbesondere in der 9C gezeigt), wohingegen ein noch kürzerer Stab (insbesondere in der 9B gezeigt), welcher L = 3 entspricht, eine Rissschwere C von ungefähr 1 aufweist. Die HTS ist die Summe dieser, speziell 1 × 3 + 2 × 2 + 3 × 1 = 10. Die für die vorliegende Untersuchung verwendete Form weist vier Dorne (Stäbe) auf.
Anschließend Bezug nehmend auf die 3 und 4 sind Beispiele für Gießprodukte 200 und 300 dargestellt, in denen der Mischung der Legierung GM220 vor dem Formen als eine Schmelze Korn verfeinernde Mittel zugegeben worden sind. Es wird erachtet, dass die Anwesenheit von einem oder mehreren von Sc, Zr und TiB₂ in der Schmelze die Beständigkeit der Legierung gegenüber Warmriss verbessert. Es wird ferner erachtet, dass Nukleierungsmittel, wie beispielsweise die Metallcarbide, -nitride und -boride aufgrund dessen, dass diese im Wesentlichen ungelöst verbleiben, den Kornverfeinerungsprozess erleichtern. Beispielsweise kann TiB₂ eingesetzt werden, um die Nukleierung zu initiieren, um dadurch kleine Körner in GM220 und in verwandten Aluminiumlegierungen zu liefern. Beispiele für die Stammlegierungen, welche TiB₂-Nukleierungsmittel liefern, schließen Al-3%, Ti-1%B, Al-5%Ti-1B, Al-2,5%Ti-2,5%B und Al1–1,5%Ti-4%B ein.
Diese Verfahren der Zugabe von Zr, Sc oder von beiden vor der Zugabe eines Titan enthaltenden Korngrößenverfeinerers ist eine Verbesserung gegenüber der bloßen Zugabe von Ti, Bor (B) oder einer Mischung der beiden vor dem Gießen des Gussteils. Es ist ebenfalls herausgefunden worden, dass die Zugabe von lediglich mehr als einem Prozent Seltenerdelementen über Mischmetall zu ähnlichen Ergebnissen führt. Sc verbessert die Festigkeit und die Schweißbarkeit der Gusslegierung durch Verringern der Sensitivität gegenüber Warmrissbildung. Ähnlich dazu erhöht es die Rekristallisationstemperatur und verbessert es die Fähigkeit, die Kornstruktur zu steuern. Zr wirkt, wie dies TiB₂ tut, als ein Rekristallisationsinhibitor.

Um die Wirkungen der verschiedenen Korn verfeinernden Mittel, welche zu der Legierung MG220 hinzugegeben worden sind, zu untersuchen, haben die vorliegenden Erfinder eine Reihe von fünfzig Güssen durchgeführt. Die Tabelle 1 zeigt die Ergebnisse dieser Güsse und zeigt insbesondere die Anzahl der Warmrisse, welche erzeugt worden sind.

Legierung	Anzahl an Warmrissen pro fünfzig Güßen
GM220	30
GM220 + 150 ppm Sr	40
GM220 + TiB	18
GM220 + Sr + TiB	10
GM220 + 1,0 Gew.-% Si	0
GM220 + 2,0 Gew.-% Si	0
GM220 + 0,15 Gew.-% Sc	0
GM220 + TiB + 0,15 Gew.-% Sc	0
GM220 + TiB + Sc + Zr	0
GM220 + Sr + TiB + 0,7 Gew.-% Zr	0
GM220 + Sr + TiB + 0,7 Gew.-% Zr + 0,7 Gew.-% Ag	0
GM220 + Gew.-% Zr	0
GM220 + TiB + 0,7 Gew.-% Zr	0
GM220 + TiB + 0,15 Gew.-% Zr	0
GM220 + TiB + 0,3 Gew.-% Zr	0
GM220 + TiB + 0,5 Gew.-% Zr	0
GM220 + 1,5 Gew.-% Seltenerde	0
GM220 + TiB + Sc + Zr + Ag	0

Tabelle 1

Wie aus der vorstehenden Tabelle entnommen werden kann, erlitt die Basislegierung bei fünfzig Gießvorgängen dreißig Warmrisse. Die Zugabe von 150 ppm Sr als ein eutektisches Modifizierungsmittel verschlimmerte die Warmrisshäufigkeit auf zwischen vierzig und fünfzig. Die Kornverfeinerung mit TiB führte zu einer Verringerung der Warmrisse auf achtzehn.
Die Zugabe von sowohl Sr als auch TiB verringerte diese auf zehn Warmrisse. Die Zugabe von Silizium in einer Menge von 2,0 bis 3,0 Gewichtsprozent eliminierte, zusätzlich zu einer Verbesserung der Gießfähigkeit, die Warmrisse, obwohl bei höheren Mengen eine höhere Si-Menge zu einer höheren Porosität führte (aufgrund der Anwesenheit der eutektischen Si-Phase, welche mit der Zuführung während der Verfestigung interferierte) und zu einer geringeren Festigkeit führte. Die Zugabe von 0,15 bis 0,7 Gewichtsprozent Zr eliminierte die Warmrisse, wie dies die Zugabe von Sc tat. Ferner führten auch alle Mischungen von Sr, TiB mit einem oder beiden von Zr und von Sc zu der Eliminierung von Warmrissen. Ferner eliminierte die Zugabe von Mischmetall, das 1,2 Gewichtsprozent Seltenerden erzeugt, die Warmrisse.
Unter Bezugnahme nunmehr auf die 5 bis 7 sind die Zugfestigkeitseigenschaften der Basislegierung GM220 für verschiedene Gießverfahren und Wärmebehandlungen sowie für verschiedene Additive gezeigt. In jeder der Figuren gibt die Markierung A der Abszisse die Basislegierung (GM220) wieder, wohingegen die Markierung B der Abszisse die Basislegierung plus die Zugabe von 0,01 Gewichtsprozent TiB zeigt, die Markierung C der Abszisse die Markierung B der Abszisse plus 0,15 Gewichtsprozent Zr und die Markierung D der Abszisse die Markierung B der Abszisse plus 0,25 Gewichtsprozent Zr zeigt. Es sind zwei verschiedene Gießverfahren dargestellt, wobei das erste der Verlustform-(LF-)Guss ist und das zweite der Sandguss (SAND) ist. In dem Sandgussverfahren gibt es zwei verschiedene Varianten, von denen die erste gekühlte Bereiche einbaut und die zweite ungekühlte Bereiche einbaut. Bei dem Verlustformverfahren war das hergestellte Bauteil ein Zylinderkopf, wohingegen das des Sandgießens Stäbe waren, wobei bei dem Ziehen der Hälfte der Stäbe ferner eine geringe Abschreckung eingesetzt worden war. Die Gussteile wurden bei einer von zwei Bedingungen wärmebehandelt, von denen die erste die T6-Bedingung war (eine Lösung bei 920°F für acht Stunden gefolgt von einer Heißwasserquenchalterung bei 360°F für acht Stunden) und die zweite die SA-Bedingung war (eine Lösung bei 920°F für acht Stunden gefolgt von einer Heißwasserquenchalterung bei 480°F für eine Stunde, dann bei 360°F für sechs Stunden), wobei die letztgenannte dieser Wärmebehandlungen ein sequentielles Zweischrittalterungsverfahren ist. Bezeichnenderweise beeinträchtigte keines der zuvor genannten Additive die Zugfestigkeiten der Legierung nachteilig und wären als solches für die Verwendung bei der Herstellung von Zylinderköpfen und verwandten Gussteilbauteilen geeignet.
Die vorliegenden Erfinder haben herausgefunden, dass für die Korn verfeinernden Mittel, welche zu der Basislegierung zugegeben werden, verschiedene Bereiche eingesetzt werden können. Beispielsweise kann Sc in einem breiten Bereich zwischen mehr als 0 und 1 Gewichtsprozent zugegeben werden, wobei dieser Bereich vorzugsweise 0,1 bis 0,75 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt zwischen 0,2 und 0,5 Gewichtsprozent beträgt. Gleichermaßen kann Zr in einem breiten Bereich von mehr als 0 bis 1 Gewichtsprozent zugegeben werden, wobei dieser Bereich vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,75 Gewichtsprozent und besonders bevorzugt zwischen 0,15 und 0,25 Gewichtsprozent beträgt. Ti kann in einem breiten Bereich von mehr als 0 bis 0,25 Gewichtsprozent zugegeben werden, wobei dieser Bereich vorzugsweise zwischen 0,02 und 0,15 Gewichtsprozent beträgt und besonders bevorzugt zwischen 0,04 und 0,08 Gewichtsprozent beträgt. B kann in einem breiten Bereich zwischen mehr als 0 und 100 ppm zugegeben werden, wobei ein mittlerer Bereich zwischen 5 und 50 ppm beträgt und ein enger Bereich zwischen 5 und 20 ppm beträgt. Des Weiteren können Seltenerdelemente in einem breiten Bereich von 0 bis 3 Gewichtsprozent zugegeben werden, wobei dieser vorzugsweise 1 bis 2,5 Gewichtsprozent beträgt und besonders bevorzugt 1,25 bis 1,75 Gewichtsprozent beträgt.
Die Zugabe von Zr in Mengen von wenigstens bis zu 0,7 Gewichtsprozent ist für die Zugfestigkeitseigenschaften nicht schädlich; tatsächlich verbessert eine geringe Menge von Zr die Zugfestigkeiten gegenüber sowohl kein Zr als auch gegenüber 0,7 Gewichtsprozent Zr, was einen optimalen Bereich für die Zugfestigkeitseigenschaften impliziert. Wenn lediglich der Einfluss auf die Warmrisse betrachtet wird, wird eine bestimmte minimale Menge von Zr benötigt; solch ein Minimum wird von der Düsentemperatur und von der Verfestigungsgeschwindigkeit sowie teilweise von der Geometrie abhängen. Die vorliegenden Erfinder glauben, dass Zirkoniumoxid(ZrO)-Dispersoide die Hochtemperaturfestigkeitsbeibehaltung der GM220-Legierung verbessern könnte. Gleichermaßen verbessert die Zugabe von Zr plus TiB in den abgeschreckten Bereichen die mechanischen Eigenschaften des Gussteilprodukts.
Die T6 (d. h. vollständig gealterte) Zugfestigkeit ist höher als die des abgeschreckten Sand SA-Gussteilprodukts, wohingegen die Dehnung für SA höher ist. Die Verlustformeigenschaften sind etwas niedriger als für Sandguss, und zwar sowohl hinsichtlich der Festigkeit als auch hinsichtlich der Dehnung.
Von den Fachleuten auf dem relevanten Gebiet wird erkannt werden, dass das in der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung vorliegende Ti sowohl in der gelösten als auch in der ungelösten Form vorliegen kann. Allgemein trägt das Beibehalten von relativ geringen Mengen von gelöstem Ti zu der gewünschten kleineren Korngröße und zu der gleichzeitigen Verringerung bei der Warmrissbildung bei. Die kleinsten Korngrößen werden im Allgemeinen durch die niedrigeren Ti-Mengen erzeugt. Beispielsweise ist ein wichtiger kommerziell verfügbarer Kornverfeinerer die vorstehend erörterte Stammlegierung, welche die Zusammensetzung Al-3%Ti-1%B aufweist, welche sowohl lösliches Ti als auch eine Vielzahl von mikroskopischen Partikeln aus TiB₂ enthält, welche in der Stammlegierung suspendiert sind und in die Schmelze freigesetzt werden, wenn die Stammlegierung zu einem Bad aus flüssigem Aluminium zugegeben wird. Die Partikel weisen typischerweise einen Durchmesser von einem Mikrometer auf und werden daher in dem geschmolzenen Material leicht suspendiert. Diese sind ferner in geschmolzenem Aluminium bei normalen Gusstemperaturen unlöslich. Die Menge der Zugabe von unlöslichem und von löslichem Titan, das in Boridpartikeln vorliegt, kann sowohl variiert als auch berechnet werden. Ferner wird die gesamte Menge des Ti, welche zugegeben worden ist, in Lösung gehen, wenn es der Schmelze ermöglicht wird, für eine ausgedehnte Zeitspanne (beispielsweise für zwei Stunden) stehen zu bleiben, wobei zu dieser Zeit keine zusätzliche Kornverfeinerung erzeugt werden würde.
Eine konstante Zugabe eines Kornnukleierungsmittel, welches Ti und B enthält, kann durch die Zugabe einer Menge von kommerzieller Al-3%Ti-1%B(3 Gew.-% Ti, 1 Gew.-% B, Rest Aluminium)-Stammlegierung zu den Schmelzen erreicht werden, wobei wenigstens ein Teil des Ti in der Form von unlöslichen Boriden vorliegt, wohingegen der Rest in löslicher Form vorliegt.
Zusätzlich zu den vorstehend erörterten Kornverfeinerungsmitteln können die Verarbeitungsbedingungen variiert werden, um die Warmrissbeständigkeit durch eine kleinere Korngröße zu verbessern. Beispielsweise können die Verfestigungszeiten variiert werden, wobei das Gießverfahren die Korngröße beeinflussen kann. Beispielsweise besteht eine dahingehende Tendenz, dass kleinere Abkühlgeschwindigkeiten von Sandgussteilen größere Körner erzeugen als die von permanentem Formgussteilen.

Nunmehr auf die 8A und 8B Bezug nehmend sind die HTS-Eigenschaften von zwei repräsentativen Legierungen als eine Funktion der Formtemperatur gezeigt. Die 8B zeigt die HTS-Eigenschaften der vorstehend erörterten GM220, wohingegen die 8A die HTS-Eigenschaften einer Legierung (Legierung 206) zeigt. Ein Vergleich der theoretischen Zusammensetzungen der beiden Legierungen ist in der Tabelle 2 gezeigt, wobei die Elemente, wie beispielsweise Ni, Sn und Ti, Beispiele für tolerierbare Verunreinigungen sind, wohingegen andere Komponenten, wie beispielsweise Sr (welches in bestimmten Mengen, wie beispielsweise in einer Menge von bis zu 0,05 Gewichtsprozent, ebenenfalls eine tolerierbare Verunreinigung sein kann), in der Spalte ”andere” enthalten sind, um die Elemente anzuzeigen, von denen nicht bekannt ist, dass diese die Eigenschaften der Legierung merklich verändern.

Legierung	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Ni	Zn	Sn	Ti	Ca	P	Andere
GM220	1,1 1,3	0,4 0,5	1,9 2,5	0,5 0,75	0,3 0,5	0,05	0,5	0,05	0,02 0,20	0,04	0,04	0,05
206	0,1	0,1	4,2 5,0	0,2 0,5	0,2 0,35	0,03	0,5	0,05	0,15 0,25	0,05	0,05	0,05

Tabelle 2

Die in der 8A dargestellte Legierung, welche eine kommerziell verfügbare Aluminiumlegierung ist, welche als Legierung 206 bekannt ist, wird für Anwendungen, in denen sehr hohe Festigkeiten erforderlich sind, eingesetzt. Diese ist schwieriger zu gießen als GM220, und zwar insbesondere bei Metallformgießverfahren. Die Kornverfeinerung vor dem Gießen verbessert die Beständigkeit gegenüber Warmrissen, während das thermische Formmanagement und das Gießdesign auch eine starke Rolle spielen. Es ist gezeigt worden, dass die Kornverfeinerungsbehandlung, welche hier erörtert wird, die Warmrisstendenz der Legierung 206 wie die von GM220 stark verbessert, und zwar bis an den Punkt, wo diese nahezu frei von Warmrissen gegossen werden kann. Der hohe Cu-Gehalt führt zu einem längeren Wärmebehandlungsverfahren, während der löslichmachende Schritt bei einer geringeren Temperatur begonnen werden muss und dann erhöht werden muss, sobald die Phasen mit dem niedrigsten Schmelzpunkt gelöst werden. Eine Bewertung der beiden Figuren zeigt, dass zusätzliche Tendenzen ebenfalls erkennbar sind. Beispielsweise erhöht Sr die HTS beider Legierungen, wohingegen die Zugabe von Ti alleine nicht ausreichend ist, um an sich eine robuste Lösung auszubilden.
Eine typische Wärmebehandlung der Legierung 206 kann wie folgt durchgeführt werden. Der löslichmachende Schritt beträgt 480 Grad Celsius für eine Stunde, gefolgt von einem Anstieg auf 495 Grad Celsius über eine halbe Stunde, wonach diese bei 495 Grad Celsius für zwei Stunden gehalten wird, gefolgt von einem Anstieg auf bis zu 528 Grad Celsius über eine halbe Stunde, dann einem Halten bei 528 Grad Celsius für zehn Stunden. Daran anschließend wird ein Abschreckschritt gefolgt von einem Alterungsschritt bei 200 Grad Celsius für vier Stunden durchgeführt. Im Vergleich dazu kann GM220 mit dem herkömmlicheren T6-Verfahren wärmebehandelt werden, wohingegen (beispielsweise) der löslichmachende Schritt bei 495 Grad Celsius für sechs Stunden stattfindet, gefolgt von einem Abschrecken und einem nachfolgenden Altern bei 190 Grad Celsius für sechs Stunden.
Während bestimmte beispielhafte Ausführungsformen und Details zum Zwecke der Illustrierung der vorliegenden Erfindung gezeigt worden sind, ist es für die Fachleute auf dem hier relevanten Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Veränderungen durchgeführt werden können, ohne den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, welcher durch die beigefügten Patentansprüche definiert ist.

Claims

Verfahren zum Erhöhen der Warmrissbeständigkeit in einer Aluminiumgusslegierung, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Mischung, welche bis zu 0,5 Gewichtsprozent Zink, zwischen 0,2 und 0,5 Gewichtsprozent Magnesium, zwischen 0,1 und 0,5 Gewichtsprozent Eisen, zwischen 0,2 und 0,75 Gewichtsprozent Mangan, wobei das Verhältnis von Mangan zu Eisen zwischen 1,25 und 1,45 beträgt, zwischen mehr als 0,5 und 1,3 Gewichtsprozent Silizium, zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent Kupfer, bis zu 0,05 Gewichtsprozent Calcium und bis zu 0,05 Gewichtsprozent Phosphor enthält, wobei der Rest im Wesentlichen Aluminium und andere Legierungsbestandteile sind, wobei die anderen Legierungsbestandteile bis zu 0,05 Gewichtsprozent der Mischung ausmachen, Zugabe von wenigstens zwei Korn verfeinernden Mitteln zu der Mischung, wobei eines der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Titandiborid ist und das andere der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Scandium und/oder Zirkonium ist, Formen der Mischung und der Korn verfeinernden Mittel zu einer gießfähigen Schmelze, Gießen der Schmelze in eine Form und Verfestigen der Schmelze in der Form, um ein im Wesentlichen warmrissfreies Gießprodukt aus der Aluminiumlegierung zu erzeugen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Mischung zwischen mehr als 0,18 und 0,75 Gewichtsprozent Zirkonium zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Zugabe von Scandium und/oder Zirkonium vor der Zugabe von Titandiborid erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Mischung bis zu 0,15 Gewichtsprozent Scandium zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Mischung Scandium und Zirkonium zugegeben werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses zudem die Zugabe von bis zu 0,7 Gewichtsprozent Silber zu der Mischung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dieses zudem die Zugabe von bis zu 1,5 Gewichtsprozent wenigstens eines Seltenerdelements zu der Mischung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das wenigstens eine Seltenerdelement aus der Zugabe von Mischmetall zu der Mischung stammt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die mehr als 0,5 bis 1,3 Gewichtsprozent Silizium zwischen 1,1 und 1,3 Gewichtsprozent Silizium umfassen, die zwischen 0,1 und 0,5 Gewichtsprozent Gesamteisen zwischen 0,4 und 0,5 Prozent Eisen umfassen, die zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent Kupfer zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent Kupfer umfassen, die zwischen 0,2 und 0,75 Gewichtsprozent Mangan zwischen 0,5 und 0,75 Gewichtsprozent Mangan umfassen, die zwischen 0,2 und 0,5 Gewichtsprozent Magnesium zwischen 0,3 und 0,5 Gewichtsprozent Magnesium umfassen, die bis zu 0,05 Gewichtsprozent Calcium bis zu 0,04 Gewichtsprozent Calcium umfassen und die bis zu 0,05 Gewichtsprozent Phosphor bis zu 0,04 Gewichtsprozent Phosphor umfassen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die anderen Legierungsbestandteile bis zu 0,05 Gewichtsprozent Nickel, bis zu 0,05 Gewichtsprozent Zinn und zwischen 0,02 und 0,2 Gewichtsprozent Titan umfassen.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Gießen der Schmelzen permanentes Formgießen umfasst.
Aluminiumlegierung enthaltend: zwischen mehr als 0,5 und 1,3 Gewichtsprozent Silizium, zwischen 0,1 und 0,5 Gewichtsprozent Eisen, zwischen 1,9 und 2,5 Gewichtsprozent Kupfer, zwischen 0,2 und 0,75 Gewichtsprozent Mangan, wobei das Verhältnis von Mangan zu Eisen zwischen 1,25 und 1,45 beträgt, zwischen 0,2 und 0,5 Gewichtsprozent Magnesium, bis zu 0,5 Gewichtsprozent Zink, bis zu 0,05 Gewichtsprozent Calcium, bis zu 0,05 Gewichtsprozent Phosphor, wenigstens zwei Korn verfeinernde Mittel, wobei eines der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Titandiborid ist und das andere der wenigstens zwei Korn verfeinernden Mittel Scandium und/oder Zirkonium ist, und Rest im Wesentlichen Aluminium und andere Legierungsbestandteile, wobei die anderen Legierungsbestandteile in einer Menge bis zu 0,05 Gewichtsprozent der Mischung enthalten sind.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 12, wobei diese zwischen mehr als 0,18 und 0,75 Gewichtsprozent Zirkonium enthält.