DE102010055011A1 - Readily castable ductile aluminum-silicon alloy comprises silicon, magnesium, manganese, copper, titanium, iron, molybdenum, zirconium, strontium, and aluminum and unavoidable impurities, and phosphorus for suppressing primary silicon phase - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine gut gießbare, duktile AlSi-Legierung, bestehend aus 6–11,8% Silizium, 0,02–0,5% Magnesium, 0,005–0,7% Mangan, 0,0005–0,6% Kupfer, 0,001–0,06% Titan, 0,03–0,3% Eisen, sowie max. 0,2% Molybdän und max. 0,2% Zirkon, gegebenenfalls 70–400 ppm Strontium,
Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen gemäß
Balance aluminum and production-related impurities according to
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines dünnwandigen Gussteils mit einer Wandstärke von 1,0–50 mm.The invention further relates to a method for producing a thin-walled casting with a wall thickness of 1.0-50 mm.
Grundsätzlich erstarren unveredelte AlSi-Werkstoffe entweder lamellar oder körnig, wobei eine lamellare Struktur häufig zu Fehlern in der Oberfläche und gegebenenfalls auch zu Klebeneigung in der Gussform führt. Daher wird die körnige Struktur bevorzugt, die durch Zusätze von Strontium oder Natrium veredelt werden kann.Basically, unrefined AlSi materials solidify either lamellar or grainy, with a lamellar structure often resulting in surface defects and possibly also sticking in the mold. Therefore, the granular structure which can be refined by adding strontium or sodium is preferred.
Es ist ferner bekannt, dass ein feinkörniges bzw. veredeltes Gefüge mit besseren Gießeigenschaften verbunden ist, wie z. B. besseren Speisungseigenschaften, Verminderung von Lunkerfehlern und einer feineren Verteilung von Mikroporositäten. Analog zur Verbesserung der Gießbarkeit werden auch generelle Verbesserungen der Festigkeitseigenschaften durch Kornfeinung bzw. durch Veredelung festgestellt, allerdings gibt es hier auch immer wieder Ausreißer, die durch schlechte Duktilität bei der Herstellung hochbeanspruchter Großserienteile und infolge von Festigkeitsschwankungen zu erheblichen Schadensfällen führen können.It is also known that a fine-grained or refined structure is associated with better casting properties, such. B. better feeding properties, reduction of voids and a finer distribution of microporosities. Analogous to improving the castability and general improvements in strength properties by grain refining or by refining are found, but there are also outliers that can lead to significant damage due to poor ductility in the production of highly stressed high-volume parts and as a result of strength fluctuations.
Hier setzt nun die Erfindung an. Es bestand die Aufgabe, für hochbeanspruchte Großserienteile eine gut gießbare, duktile AlSi-Legierung zu entwickeln, die im Gusszustand urveredelt bereits eine Mindestfestigkeit Rp0,2 von 60 MPa und eine Dehnung von größer 7% aufweist, bzw. im veredelten Zustand eine Mindestfestigkeit größer 100 MPa bzw. eine Dehnung größer 10% erreicht.This is where the invention begins. The task was to develop a highly castable, ductile AlSi alloy for highly stressed high-volume parts, which already has a minimum strength Rp 0.2 of 60 MPa and an elongation of greater than 7% in the cast state, or a finite strength greater in the finished state 100 MPa or an elongation greater than 10% achieved.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in den Patentansprüchen 1 bis 3 angegebenen Merkmale erreicht. Bei einer eingehenden Untersuchung des Bruchbildes von hochbeanspruchten Gussteilen wurde von den Erfindern festgestellt, dass möglicherweise das Primärsilizium eine entscheidende Rolle bei der Duktilität und dem Erstarrungsverhalten von AlSi-Werkstoffen spielt.This object is achieved by the features specified in the
Ausgehend von dieser Erkenntnis wurden mehrere Versuche mit verschiedenen Legierungen durchgeführt, wobei es sich allerdings zeigte, dass es nicht nur auf die Unterdrückung des Primärsiliziums ankommt, sondern dass auch die übrigen Legierungsbestandteile eng limitiert werden müssen, damit die gewünschte Duktilität und Vergießbarkeit erreicht wird. Überraschend war ferner, dass bei eng limitierten, niedrigen Phosphorgehalten unter den in Patentanspruch 1 und 2 beschriebenen Bedingungen ein nicht-lamellares Gefüge mit besonders günstigen Eigenschaften erreicht werden konnte.On the basis of this finding, several tests were carried out with different alloys, but it has been shown that it is not only important to suppress the suppression of the primary silicon, but also that the other alloy constituents have to be strictly limited in order to achieve the desired ductility and castability. It was further surprising that, with narrowly limited, low phosphorus contents under the conditions described in
Schon bei geringen Mengen von zusätzlichen Legierungsbestandteilen oder bei einer Überschreitung des Phosphorgehaltes von gröber 5 ppm wurde Primärsilizium und eine lamellare Struktur festgestellt. Offenbar können schon geringste Gehalte an Phosphor zusammen mit Aluminium als Aluminiumphosphid eine Keimbildung für Primärsilizium und andere intermetallische Phasen bewirken.Even with small amounts of additional alloy components or exceeding the phosphorus content of coarser 5 ppm primary silicon and a lamellar structure was found. Apparently, even the lowest levels of phosphorus together with aluminum as aluminum phosphide can nucleate primary silicon and other intermetallic phases.
Es wurde weiterhin erkannt, dass intermetallische Phasen auf Eisen-Silizium-Basis, beispielsweise sog. ”FeSi-Phasen” mit Vorteil am Wachstum unter folgenden Bedingungen gehindert werden können:
- a) Si = 6–11,8%
- b) Mg = 0,02–0,5%
- c) Fe = 0,03–0,3% wobei das Mg/Si-Verhältnis im Bereich gehalten wird
- d) Mg ≤ 1,018–0,083% Si
- a) Si = 6-11.8%
- b) Mg = 0.02-0.5%
- c) Fe = 0.03-0.3% keeping the Mg / Si ratio within the range
- d) Mg ≤ 1.018-0.083% Si
Unter diesen Bedingungen wird erreicht, dass die FeSi-Phasen später kristallisieren, und zwar erst dann, wenn das AlSi-Eutektikum erstarrt. Die FeSi-Phase wird dabei am Phasenübergang flüssig/fest (siehe
Als zusätzliche Maßnahme e) empfiehlt sich nach den Erfahrungen der Erfinder eine Überwachung der Gießbedingungen mit entsprechender Einstellung der Gießparameter, sodass der Dendritenarmabstand DAS unterhalb von 60 μm liegt, vorzugsweise unterhalb von 40 μm. Unter diesen Bedingungen ist auch bei Großserienteilen eine konstante Vergießbarkeit der duktilen AlSi-Legierung mit hohen Festigkeitswerten gewährleistet. Auf diese Weise lassen sich hoch beanspruchbare KfZ-Teile, z. B. Zylinderköpfe von Dieselmotoren, Strukturbauteile oder Felgen von PKW- oder LKW-Rädern herstellen.As an additional measure e), according to the experience of the inventors, a monitoring of the casting conditions with appropriate setting of the casting parameters is recommended so that the dendrite arm spacing DAS is below 60 μm, preferably below 40 μm. Under these conditions, even with high-volume parts a constant castability of the ductile AlSi alloy with high strength values is guaranteed. In this way, high-stress automotive parts, such. B. cylinder heads of diesel engines, structural components or rims of car or truck wheels.
Das unter den beschriebenen Bedingungen entstandene Gefüge enthält keine großen oder gar plattenförmige Ausscheidungen, sondern ist durch viele kleine feinteilige Partikel gekennzeichnet, die interdendritisch in das AlSi-Gefüge eingebaut sind. Unter „großen Partikeln” wird ein Partikeldurchmesser von ca. 5–10 μm verstanden.The structure produced under the conditions described does not contain large or even plate-like precipitates, but is characterized by many small finely divided particles interdendritically incorporated into the AlSi structure. By "large particles" is meant a particle diameter of about 5-10 microns.
Zur Erläuterung der Vorgänge wird auf die anliegende Thermoanalyse-Kurve verwiesen (siehe
Dies wird auch durch die an zahlreichen Proben durchgeführten Messungen der elektrischen Leitfähigkeit belegt. Die Steigerung der Leitfähigkeit, insbesondere bei unveredelten Legierungen, um über 10% zeigt, welchen starken Einfluss die erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung auf die Ausbildung eines feinzelligen, besonders gleichmäßigen Gefüges hat.This is also evidenced by the measurements of the electrical conductivity carried out on numerous samples. The increase in the conductivity, in particular in the case of unrefined alloys, by more than 10% shows how much influence the alloy composition according to the invention has on the formation of a fine-cell, particularly uniform microstructure.
Die Wirkungsweise der übrigen Legierungsbestandteile konnte nicht im Einzelnen geklärt werden, allerdings ergab sich außerhalb der in den Patentansprüchen genannten Bereiche eine Beeinflussung der Kristallstruktur, die mit einer Verschlechterung der Duktilität einherging. Überraschend war außerdem, dass entgegen der Annahme, bei geringen Gehalten an Veredelungszusätzen ein lamellares Gefüge zu erzielen, im erfindungsgemäßen Anwendungsbereich hier eine körnige Struktur auftrat mit entsprechend günstigen Verarbeitungseigenschaften. Somit kann eine quasi veredelte Gussstruktur mit sehr geringen Zusätzen gemäß den Patentansprüchen 1 und 2 erreicht werden.The mode of action of the other alloy components could not be clarified in detail, however, outside of the areas mentioned in the claims an influence on the crystal structure, which was accompanied by a deterioration of the ductility. It was also surprising that, contrary to the assumption that a lamellar structure was obtained at low levels of finishing additives, a granular structure appeared in the field of application according to the invention with correspondingly favorable processing properties. Thus, a quasi-finished casting structure with very low additions according to
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:In the following the invention will be explained in more detail with reference to several embodiments. Show it:
Aus
In
Die Legierungstabelle in
Die
Die erfindungsgemäß festgestellten günstigen mechanischen Eigenschaften bei einer Unterbindung der Primärsiliziumphasen im Gussgefüge lassen sich nicht nur bei unveredelten, sondern auch bei veredelten Gusslegierungen erreichen, obwohl der Zuwachs an Dehnung und Festigkeit bei den veredelten Legierungen nicht mehr so deutlich wie bei den unveredelten ist. Dies zeigt die Gegenüberstellung der Tabellen in den
Aus der Gegenüberstellung sind die besonders vorteilhaften Wirkungen auf die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Gusslegierungen ersichtlich. Aus
Dies wurde auch durch eine Wirbelstromprüfung mit der Förstersonde bestätigt. Das Prinzip der Prüfung beruht darauf, dass durch Vergröberungen im Gefüge die Leitfähigkeit σ, gemessen in m/Ω mm2, niedrige Werte aufweist, z. B. Legierung 1 (Standard AlSi 7) den Wert von 22,2 (siehe Tabellen gem.
Demgegenüber weisen die erfindungsgemäßen Legierungen 7 bzw. 9a deutlich höhere Leitwerte mit 26,4 (erf. AlSi 7) und 22,2 (erf. AlSi 7 Mg 0,3) auf, wodurch auf ein feines und gleichmäßiges Gefüge geschlossen werden kann. Dieses Ergebnis wurde anhand von Schliffbildern, z. B.
In den Schliffbildern der erfindungsgemäßen Legierung AlSi 7 (Versuchsnuammer 7) und der erfindungsgemäßen Legierung AlSi 11 (Versuchsnummer 11) sind relativ gleichmäßig geformte, abgerundete Dendritenarme des α-Aluminiums zu erkennen (siehe
Die unveredelte AlSi 7-Legierung (Versuchsnummer 7) zeigt im Schliffbild
In den Versuchen hat sich gezeigt, dass ein Mindestgehalt an 0,1 ppm Phosphor erforderlich ist, um der Gefahr eines Umschlags in der Wachstumsmorphologie während der Abkühlungsphase mit der Bildung unerwünschter Primärsiliziumpartikel zu begegnen.The tests have shown that a minimum content of 0.1 ppm of phosphorus is required in order to counteract the danger of a change in the growth morphology during the cooling phase with the formation of unwanted primary silicon particles.
Phosphor begünstigt die frühe Reimbildung von Silizium und führt zu einer körnigen Erstarrungsmorphologie. Zur Bildung einer feinen eutektischen Phase mit einem geringen Anteil fein verteilter FeSi-Phasen muss jedoch eine zu starke Unterkühlung der Schmelze verhindert werden. Erfindungsgemäß wird hierzu bei einer Legierung gemäß Patentanspruch 1 oder 2 eine Steuerung der Abkühlungsrate gemäß Patentanspruch 4 vorgenommen. Dies sei anhand von
Folgt man bei sinkenden Temperaturen der Abkühlungskurve C entlang der Zeitachse, so setzt mit Beginn der Erstarrung die Bildung von α-Mischkristall ein. Dabei kann durch das gezielt beeinflusste exotherme Wachstum der Dendriten die Abkühlungsgeschwindigkeit gebremst und somit der Kurvenverlauf im Bereich a, b einen steileren oder flacheren Neigungswinkel γ mit der Zeitachse bilden.If one follows the cooling curve C along the time axis at decreasing temperatures, the formation of α-mixed crystal begins with the onset of solidification. In this case, the deliberately influenced exothermic growth of the dendrites slows down the cooling rate and thus the curve in the region a, b form a steeper or shallower inclination angle γ with the time axis.
Mit einem Gehalt von 0,1–5 ppm Phosphor und der Einstellung der Legierungszusammensetzung gemäß Patentanspruch 1 gelingt es, die Ausscheidung der FeSi-Phasen durch einen steileren Verlauf der Abkühlungskurve zu unterdrücken, aber dennoch ein Siliziumgerüst für die Bildung des Eutektikums zu erzeugen. Dieses könnte durch Aufnahmen mit dem Raster-Elektronenmikroskop bestätigt werden.With a content of 0.1-5 ppm of phosphorus and the adjustment of the alloy composition according to
Die bisher als zwingend angesehene fortschreitende Umwandlung von einem gerüstbildenden Silizium zunächst in eine lamellare Gussstruktur und weiter in eine körnige bis kompakte Struktur mit der Bildung von FeSi-Phasen konnte durch gezielte Einstellung der Legierungsgehalte gestoppt werden. Dabei ergab sich neben dem α-Aluminium ein reines Eutektikum, in das etwaige noch vorhandene feinstteilig kristallisierte intermetallische Phasen eingebaut sind.The advancing conversion of a framework-forming silicon into a lamellar casting structure, which was previously regarded as mandatory, and further into a granular to compact structure with the formation of FeSi phases could be stopped by deliberate adjustment of the alloy contents. This resulted in a pure next to the α-aluminum Eutectic, in which any existing finely divided crystallized intermetallic phases are incorporated.
Nachfolgend werden die Gießbedingungen gegenübergestellt, so dass erkennbar ist, dass die Gussteile mit erfindungsgemäßer Gefüge-Struktur gemäß Anspruch 3 – hergestellt unter den in Patentanspruch 4 angegebenen Bedingungen – besonders vorteilhafte Verarbeitungseigenschaften, insbesondere bei der Herstellung von Großserienteilen, mitbringen.Subsequently, the casting conditions are compared, so that it can be seen that the castings with inventive structure structure according to claim 3 - manufactured under the conditions specified in claim 4 - bring particularly advantageous processing properties, especially in the production of mass production parts.
Kokillengusschill casting
Die Legierung wurde in einem 60 kg-Tiegel aufgeschmolzen und auf eine Temperatur von ca. 730°C erhitzt. Es folgte eine Entgasungsbehandlung mittels Rotor. Als Gas wurde Stickstoff eingeleitet. Nach einer Abstehzeit von ca. 20 min wurden Proben gemäß
Druckgussdiecast
In einem 200 kg-Ofen wurden die einzelnen Legierungsvarianten aufgeschmolzen und auf eine Temperatur von 720°C gebracht. Gegossen wurde auf einer 850 t-Druckgussmaschine. Die Füllkammer wurde manuell gefüllt. Die Form war mit einer Vakuumentlüftung versehen, um Luft- oder Trennmitteleinschlüsse in dem Probekörper zu vermeiden.In a 200 kg oven, the individual alloy variants were melted and brought to a temperature of 720 ° C. Casting was done on a 850 t die casting machine. The filling chamber was filled manually. The mold was provided with a vacuum vent to prevent air or mold inclusion in the sample.
Ergebnisse:Results:
Es zeigt sich bei den erfindungsgemäßen Varianten überraschenderweise, dass die Probestäbe mit einem P-Gehalt < 5 ppm immer in der Dehnung weit überlegen waren.It is surprisingly found in the variants according to the invention that the test bars with a P content <5 ppm were always far superior in terms of elongation.
Bei der metallografischen Auswertung zeigte sich, dass bei P-Gehalten P > 5 ppm Primärsilizium auch bei 7% Silizium auftrat. Die Proben mit P < 5 ppm zeigten sogar ein veredeltes Gefüge, obwohl kein Veredelungsmittel zugegeben wurde.The metallographic evaluation showed that at P-contents P> 5 ppm primary silicon also occurred at 7% silicon. The samples with P <5 ppm even showed a grafted texture, although no finishing agent was added.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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