DE102014217823A1

DE102014217823A1 - Hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102014217823A1
Application number: DE102014217823.1A
Authority: DE
Inventors: Hoon Mo Park; Tae Gyu Lee
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2014-04-15
Filing date: 2014-09-05
Publication date: 2015-10-15
Anticipated expiration: 2034-09-06
Also published as: US20150292064A1; KR101646326B1; CN105002406B; US9725792B2; KR20150119584A; CN105002406A; DE102014217823B4

Abstract

Es wird eine hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung offenbart, die enthält: Titan (Ti) und Bor (B), wobei ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B 3,5 bis 5:1 beträgt, Bor (B) in einer Menge von 0,5 bis 2 Gew.-% enthalten ist und sowohl Al3Ti als auch TiB2 als Verstärkungsmittel enthalten sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung, die aufgrund von sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel eine verbesserte Elastizität aufweisen kann und die durch ein allgemeines Gießverfahren oder durch ein Stranggießverfahren gegossen werden kann. Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung der hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung bereitgestellt.
HINTERGRUND
Die vorliegende Erfindung betrifft ein hochelastisches Aluminiummaterial, das verbesserte Festigkeits- und Geräusch-, Vibrations- und Rauheits-(NVH-)Eigenschaften (NVH = Noise, Vibration and Harshness) aufweisen kann.
Eine herkömmliche Aluminiumlegierung wird durch Bilden eines Verstärkungsmittels, wie zum Beispiel einer Metallverbindung, Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) und dergleichen, die in Pulverform vorliegen können, hergestellt. Dies kann jedoch zu einer Verringerung der preislichen Wettbewerbsfähigkeit führen. Wenn ein Verstärkungsmittel in einem Aluminium-Gießverfahren in Pulverform angewendet wird, kann sich ferner die Benetzbarkeit und Dispergierbarkeit mit einer Aluminium-(Al-)Matrix verringern. Insbesondere kann ein übereutektisches Aluminium-Gussmaterial dahingehend problematisch sein, dass sein Herstellungsverfahren auf ein Niederdruckgussverfahren begrenzt ist und seine Verarbeitung aufgrund des Vorhandenseins von groben Si-Partikeln schwierig ist. Um diese Probleme zu überwinden, können die Bearbeitbarkeit und Formbarkeit des übereutektischen Aluminiumgussmaterials durch Erhöhen der Abkühlgeschwindigkeit und feines Vermahlen eines Verstärkungsmittels verbessert werden.
Um ein maximales Elastizitätsmodul zu erzielen und die Reproduzierbarkeit sicherzustellen, kann daher ein hochelastisches Material durch Bilden von Titanverbindungen, wie zum Beispiel Al₃Ti und TiB₂ als Verstärkungsmittel, optimiert werden und wesentlich zur Verbesserung der Elastizität beitragen. Ferner kann das hochelastische Material mit derartigen gleichförmigen Verstärkungsmitteln bei einem allgemeinen Gießverfahren, einschließlich Hochdruckgießen, angewendet werden.
Es versteht sich, dass die vorstehende Beschreibung lediglich dem besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung dienen soll und nicht bedeutet, dass die vorliegende Erfindung in den Bereich des Standes der Technik fällt, der Fachleuten bereits bekannt war.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung kann eine technische Lösung für die oben erwähnten Probleme liefern und eine hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung bereitstellen. Die Elastizität einer neuen hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung in der vorliegenden Erfindung kann aufgrund von sowohl Al₃Ti als auch TiB₂, die in der hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung als Verstärkungsmittel enthalten sein können, deutlich verbessert werden. Ferner kann die hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung durch allgemeines Gießen sowie durch Stranggießen gegossen werden. Zudem wird in der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen der hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung bereitgestellt.
In einem Aspekt wird eine neue hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung bereitgestellt. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung enthalten: Titan (Ti) und Bor (B). Die hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung kann ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 aufweisen, und Bor (B) kann in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-% enthalten sein. Insbesondere können sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel enthalten sein.
Es versteht sich, dass die Gewichtsprozente der Legierungsbestandteile, wie hierin offenbart, auf dem Gesamtgewicht der Legierung basieren, wenn nicht anders angegeben. In einer beispielhaften Ausführungsform kann die hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung enthalten: Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 4,5 Gew.-%, Magnesium (Mg) in einer Menge von ungefähr 0,60 Gew.-%, Silizium (Si) in einer Menge von 17 bis 19 Gew.-%, Zink (Zn) in einer Menge von ungefähr 0,50 Gew.-%, Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-%, Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 4, bis 6 Gew.-% und als Rest Aluminium (Al). Insbesondere kann ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 betragen, und sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ können als Verstärkungsmittel enthalten sein.
Die Erfindung stellt auch die obigen Legierungen bereit, die im Wesentlichen aus oder aus den offenbarten Materialien bestehen. Beispielsweise wird eine hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung bereitgestellt, die im Wesentlichen besteht aus oder besteht aus: Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 4,5 Gew.-%, Magnesium (Mg) in einer Menge von ungefähr 0,60 Gew.-%, Magnesium (Mg) in einer Menge von ungefähr 0,60 Gew.-%, Silizium (Si) in einer Menge von ungefähr 17 bis 19 Gew.-%, Zink (Zn) in einer Menge von ungefähr 0,50 Gew.-%, Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-%, Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 4 bis 6 Gew.-% und als Rest Aluminium (Al). Insbesondere kann ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 betragen, und sowohl Al₃Ti und TiB₂ können als Verstärkungsmittel enthalten sein.
In einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen einer hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung bereit. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Verfahren die folgenden Schritte umfassen: Einführen von Al und einer Al-B-Vorlegierung, und einer Al-Ti-Vorlegierung oder eines Ti-Materials in einen Schmelzofen; erstes Rühren des geschmolzenen Metalls, um eine Reaktion zu ermöglichen; Zuführen eines Additivs; und zweites Rühren des geschmolzenen Metalls. Beim Einführen von Al und einer Al-B-Vorlegierung kann ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 betragen, und B ist in einer Menge von 0,5 bis 2 Gew.-% enthalten, wodurch ein geschmolzenes Metall hergestellt wird. Beim ersten Rühren können sowohl Al₃Ti und TiB₂ als Verstärkungsmittel ausgebildet werden. Beim zweiten Rühren können die gebildeten Verstärkungsmittel in dem geschmolzenen Metall gleichförmig dispergiert werden. Insbesondere kann die Al-B-Vorlegierung enthalten: Bor (B) in einer Menge von ungefähr 3 bis 8 Gew.-% und als Rest Al, und die Al-Ti-Vorlegierung kann Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 5 bis 10 Gew.-% und als Rest Al Aluminium enthalten.
Ferner werden Fahrzeuge und Fahrzeugteile bereitgestellt, die aus einer oder mehreren der hierin offenbarten Legierungen bestehen. Bevorzugt ist ein Fahrzeugteil, das aus einer Legierung, wie hierin offenbart, besteht.
Weitere Aspekte der Erfindung werden unten stehend offenbart.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Fahrzeug” oder ”fahrzeugmäßig” oder ein anderer ähnlicher Ausdruck, wie er hierin benutzt wird, Motorfahrzeuge im Allgemeinen beinhaltet, wie z. B. Personenkraftwagen einschließlich geländegängiger Sportwagen (SUV), Busse, Lastwagen, verschiedene Nutzfahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielzahl von Booten und Schiffen, Luftfahrzeuge und dergleichen, und Hybridfahrzeuge, elektrische Fahrzeuge, Plug-In-Hybrid-Elektrofahrzeuge, mit Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und andere mit alternativen Kraftstoffen betriebene Fahrzeuge (z. B. Kraftstoffen, die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden) umfasst. Wie hierin bezeichnet, ist ein Hybridfahrzeug ein Fahrzeug, das über zwei oder mehr Energiequellen verfügt, beispielsweise sowohl benzingetriebene als auch elektrisch angetriebene Fahrzeuge
Die hierin verwendete Terminologie dient lediglich dem Zweck des Beschreibens von speziellen Ausführungsformen und soll die Erfindung nicht begrenzen. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen ”ein, eine” und ”der, die, das” ebenso die Pluralformen umfassen, wenn es der Zusammenhang nicht deutlich anders aufzeigt. Es ist ferner offensichtlich, dass die Ausdrücke ”enthält” und/oder ”enthaltend”, wenn sie in dieser Patentschrift verwendet werden, das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente und/oder Bestandteile spezifizieren, jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines oder mehrerer Merkmale, Ganzzahlen, Schritte, Operationen, Elemente, Bestandteile und/oder deren Gruppen ausschließen. Der Ausdruck ”und/oder”, wie er hierin verwendet wird, beinhaltet sämtliche Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgeführten Begriffe.
Hier nachfolgend werden verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben werden, sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung. Die hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung kann aufgrund von sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel eine verbesserte Elastizität aufweisen und kann aufgrund einer sehr niedrigen Verfahrenstemperatur oder Kristallisationstemperatur des primären Siliziums (Si) durch allgemeines Gießen ebenso wie durch Stranggießen gegossen werden.
Die hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann enthalten: Titan (Ti) und Bor (B). Die hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung kann ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 aufweisen, und Bor (B) kann in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-% enthalten sein. Insbesondere können sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel enthalten sein.
Bei einer Aluminiumlegierung nach dem Stand der Technik, wie einer hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung, kann der Gehalt an Silizium (Si) auf einen Bereich von ungefähr 17 bis 19 Gew.-% begrenzt werden, der Gehalt an Bor (B) kann in einem Bereich von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-% festgelegt werden, um die Bildung von Titanbestandteilen, beispielsweise TiB₂ (570 GPa) oder Al₃Ti (220 GPa), zu maximieren, was sehr zur Verbesserung der Elastizität beitragen kann. Ferner kann das Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B in einem Bereich zwischen ungefähr 3,5 bis ungefähr 5:1 gemäß einem Grundsystem für Legierungen festgelegt werden.
Silizium (Si), wie hierin verwendet, kann als Hauptelement der Aluminiumlegierung für das Gießen die Fluidität und die Gussqualität stark beeinflussen und die Elastizität verbessern. Wenn Silizium (Si) jedoch in einer Menge von 19 Gew.-% oder mehr zugegeben wird, können primäre Si-Partikel gebildet werden, und somit kann die Mikrostruktur der Aluminiumlegierung uneinheitlich sein, und deren Bearbeitbarkeit kann sich verschlechtern. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bedarf eine Aluminiumlegierung, die eine beträchtliche Menge an Si enthält, eines Stranggussverfahrens anstelle eines allgemeinen Gießverfahrens und eines der Formgebung nachgeschalteten Verfahrens. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zum Erhalt einer Aluminiumlegierung mit einer gleichmäßigen und feinen Struktur selbst zum Zeitpunkt des Anwendens eines allgemeinen Gießverfahrens, wie zum Beispiel des Schwerkraftgießens, Niederdruckgießens oder Ähnlichem, der Gehalt an Si in dem Legierungssystem 17 bis 19 Gew.-% betragen.
Ti und B können gemäß einer beispielhaften Ausführungsform die wichtigsten Elemente in der übereutektischen Aluminiumlegierung sein, da TiB₂ und Al₃Ti als Verstärkungsmittel gebildet werden können, wenn Ti und B dem Aluminium zugegeben werden. Insbesondere wenn das Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B ungefähr 3,5:1 oder weniger beträgt, kann TiB₂ im Wesentlichen ohne Al₃Ti gebildet werden, und somit kann die Verbesserung der Elastizität unzureichend sein. Ferner kann sich, wenn das Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B ungefähr 6:1 oder mehr beträgt, der Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung auf ungefähr 800°C oder mehr erhöhen, und somit kann eine sehr große Menge an Oxideinschlüssen in dem geschmolzenen Metall erzeugt werden, und die Gaskonzentration in dem geschmolzenen Metall kann sich erhöhen, was sich negativ auf die innere Qualität des Gussproduktes auswirkt.
Ferner kann der Gehalt an B zumindest ungefähr 0,5 Gew.-% betragen, um eine Mindestmenge an TiB₂ zu bilden, und kann weniger als ungefähr 2 Gew.-% aufgrund des Anstiegs der Auflösungstemperatur, der Regulierung der Einschlüsse und der Kostenerhöhungen eines Rohmaterials betragen. Zur Bildung von sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ können Ti und B mit dem Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B zwischen ungefähr 3,5:1 und 5:1 enthalten sein.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung enthalten: Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 4,0 bis 5,0 Gew.-%, Magnesium (Mg) in einer Menge von ungefähr 0,45 bis 0,65 Gew.-%, Mangan in einer Menge von ungefähr 0,1 Gew.-%, Silizium (Si) in einer Menge von ungefähr 17 bis 19 Gew.-%, Zink (Zn) in einer Menge von ungefähr 0,10 Gew.-% und als Rest Aluminium (Al), wodurch sowohl Elastizität als auch Gießbarkeit erzielt wird. Die übereutektische Aluminiumlegierung kann ferner B in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-% und Titan in einer Menge von ungefähr 4 bis 6 Gew.-% enthalten. Insbesondere kann das Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B in einem Bereich zwischen ungefähr 3,5:1 und 5:1 liegen.
In einer beispielhaften Ausführungsform kann die Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 4,0 bis 5,0 Gew.-%, Magnesium (Mg) in einer Menge von ungefähr 0,45 bis 0,65 Gew.-%, Mangan in einer Menge von ungefähr 0,1 Gew.-%, Silizium (Si) in einer Menge von 17 bis 19 Gew.-%, Zink (Zn) in einer Menge von ungefähr 0,10 Gew.-% und als Rest Aluminium beinhalten, wobei der Gehalt an B eine Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-% betragen kann und der Gehalt an Ti so eingestellt werden kann, dass das Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B in einem Bereich zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 liegen kann. Zudem können weitere Legierungselemente, wie zum Beispiel Si, Cu, Mg und dergleichen, in dem gleichen Zusammensetzungsverhältnis wie dem der Aluminiumlegierung A390 enthalten sein.
Dementsprechend kann die Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel enthalten.

In Tabelle 1 werden die Zusammensetzungen der beispielhaften Al-Si-Ti-B-Legierungen entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. [Tabelle 1]

		Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Zn	Ti	B	Al
Herkömmliche kommerziell erhältliche Legierung	A390	17 bis 19	0,5	4,0 bis 5.0	0,1	0,45 bis 0,65	0,1	0,2	-	Rest
Erfindung	BEISPIEL 1	14 bis 20	-	-	-	-	-	4 bis 6	1 bis 2	Rest.
Erfindung	BEISPIEL 2	17 bis 19	0,5	4,0 bis 5,0	0,1	0,45 bis 0,65	0,1	4 bis 6	1 bis 2	Rest

In Tabelle 2 werden die Ergebnisse der Bewertung des Al-Si-Ti-B-Legierungssystems, wobei der Gehalt von Ti und B eingestellt wurde und der Gehalt an Si ungefähr 17 Gew.-% beträgt, und die Ergebnisse der Bewertung des Al-Si-Ti-B-Legierungssystems, wobei der Gehalt an Si bezüglich des auf 5:1 festgelegten Zusammensetzungsverhältnisses von Ti:B verändert wurde, wiedergegeben. [Tabelle 2]

		Elastizitätsmodul (GPa)	Schmelzpunkt (°C)
Keines von Ti oder B	Al-17Si	78	645
Ti/B = 1	Al-17Si-1B-1Ti	80	653
Ti/B = 2,3	Al-17Si-1B-2,3Ti	83	655
Ti/B = 3,5	Al-17Si-1B-3,5Ti	83,4	645
Ti/B = 5	Al-17Si-1B-5Ti	86,7	627
Ti/B = 6	Al-17Si-1B-6Ti	88,6	675
Ti/B = 7	Al-17Si-1B-7Ti	90,8	708

Ti:B = 5:1		Elastizitätsmodul (GPa)	Schmelzpunkt (°C)
Keines von Ti oder B	Al-17Si	78	645
Si = 13	Al-13Si-16-5Ti	83,2	721
Si = 15	Al-15Si-1B-5Ti	84,8	680
Si = 17	Al-17Si-1B-5Ti	86,7	627
Si = 19	Al-19Si-1B-5Ti	88, 23	655
Si = 21	Al-21Si-1B-5Ti	90	686

Wie in Tabelle 2 gezeigt, kann Si durch die Zugabe von Ti₂ in der übereutektischen Aluminiumlegierung in Al₃Ti als Feststoff dispergiert werden, und somit kann die Wirkung der sich verbessernden Elastizität durch primäres Si begrenzt sein. Daher kann das Steuern des Zusammensetzungsverhältnisses von Ti/B für die Maximierung der Elastizität der übereutektischen Aluminiumlegierung erforderlich sein, um die Bildung eines Verstärkungsmittels zu maximieren. Gleichzeitig kann der Si-Gehalt verändert werden, um seine Wirkung auf die übereutektische Aluminiumlegierung zu untersuchen.
Wenn das Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B in einem Bereich zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 festgelegt wurde, wurde demgemäß der Schmelzpunkt der übereutektischen Aluminiumlegierung herabgesetzt, wodurch sich ihre Fluidität und Gussfähigkeit verbesserte. Ferner kann das Herabsetzen des Schmelzpunktes im Hinblick auf das Prozessfenster der Si-Texturregulation in der übereutektischen Aluminiumlegierung vorteilhaft sein.
Indessen kann, wenn das Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B in einem Bereich zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 festgelegt ist und der Gehalt an Si in einem Bereich von ungefähr 17 bis 19 Gew.-% festgelegt ist, die Elastizität der übereutektischen Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung im Vergleich zu dem einer herkömmlichen Aluminiumlegierung um ungefähr 11,5% oder mehr verbessert werden, und ihr Schmelzpunkt kann verglichen mit dem der herkömmlichen Aluminiumlegierung um höchstens 19°C herabgesetzt werden, beispielweise von ungefähr 645 auf ungefähr 627°C.
Ferner können Verstärkungspartikel zusätzlich zu primären Si-Partikeln gebildet werden, wodurch die Verschleißbeständigkeit verbessert wird. Ein Stranggießprozess, wie zum Beispiel eine hohe Auflösungstemperatur oder eine schnelle Abkühlgeschwindigkeit, kann bei allgemeinem übereutektischem Aluminium zum Zwecke der Verfeinerung und gleichförmigen Dispersion von Si-Partikeln angewendet werden. In der vorliegenden Erfindung kann jedoch aufgrund des Herabsetzens des Schmelzpunktes ein hocheffizientes allgemeines Gießverfahren anstelle eines kostenaufwändigen Stranggießverfahrens angewendet werden.
Die Ergebnisse der Bewertung von Elastizität und Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung während der Änderung des Gehalts an Si mit dem Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B von ungefähr 5:1 werden in Tabelle 3 unten angegeben. [Tabelle 3]
Im Falle der A390-Legierung ist der Gehalt an Ti auf ungefähr 0,2 Gew.-% oder weniger begrenzt, und B wird nicht zugegeben. In den Beispielen der Tabelle 3 oben wird der Gehalt an Ti und B eingestellt, der Gehalt an Si variiert um ungefähr 13 Gew.-%, ungefähr 17 Gew.-% und ungefähr 19 Gew.-%, und weitere Bestandteile der Legierungszusammensetzung bleiben die gleichen wie bei einer herkömmlichen A390-Legierung. Beispielsweise ist im Falle der A390-1B-5Ti der Gehalt an B auf ungefähr 1 Gew.-% eingestellt, der Gehalt an Ti wird auf ungefähr 5 Gew.-% eingestellt, weitere zugegebene Bestandteile bleiben die gleichen wie bei der herkömmlichen A390-Legierung, während der Gehalt an Si wie ungefähr 13 Gew.-%, ungefähr 17 Gew.-% und ungefähr 19 Gew.-% variiert und als Rest Al enthalten ist.
Wie in Tabelle 3 oben gezeigt, kann die Elastizität einer übereutektischen Aluminiumlegierung, wenn das Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B ungefähr 5:1 beträgt und der Gehalt an Si ungefähr 17 Gew.-% beträgt, in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verglichen mit der einer herkömmlichen Aluminiumlegierung um ungefähr 12,2% oder mehr verbessert werden, und ihr Schmelzpunkt und die Kristallisationstemperatur des primären Si können verglichen mit einer herkömmlichen Aluminiumlegierung um höchstens 22°C herabgesetzt werden, beispielsweise von ungefähr 661 auf ungefähr 639°C. Ferner können Verstärkungspartikel zusätzlich zu primären Si-Partikeln gebildet werden, wodurch die Verschleißfestigkeit verbessert wird.
Im Stand der Technik kann ein Stranggießverfahren, wie zum Beispiel eine hohe Auflösungstemperatur und schnelle Abkühlgeschwindigkeit, bei allgemeinem übereutektischen Aluminium zum Zwecke der Verfeinerung und gleichförmigen Verteilung von Si-Partikeln angewendet werden. Jedoch kann gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufgrund des Herabsetzens des Schmelzpunktes ein hocheffizientes allgemeines Gießverfahren anstelle eines kostenaufwändigen Stranggießverfahrens angewendet werden.
Indessen kann das Verfahren zur Herstellung der hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die folgenden Schritte umfassen: Einführen von Al und einer Al-B-Vorlegierung, und einer Al-Ti-Vorlegierung oder eines Ti-Materials in einen Schmelzofen, so dass ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B in einem Bereich zwischen ungefähr 3,5:1 und ungefähr 5:1 liegt und B in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-% enthalten sein kann, wodurch ein geschmolzenes Metall hergestellt wird; erstes Rühren des geschmolzenen Metalls, um eine Reaktion dahingehend zu ermöglichen, dass sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel gebildet werden; Einführen eines Additivs; und zweites Rühren des geschmolzenen Metalls, so dass die gebildeten Verstärkungsmittel gleichmäßig in dem geschmolzenen Metall dispergiert werden.
Insbesondere kann die Al-B-Vorlegierung B in einer Menge von ungefähr 3 bis 8 Gew.-% und als Rest Al enthalten. Ferner kann die Al-Ti-Vorlegierung Ti in einer Menge von ungefähr 5 bis 10 Gew.-% und als Rest Al enthalten. Im Falle des Ti-Materials kann ein hochkonzentriertes, beispielsweise von ungefähr 75 bis ungefähr 95 Gew.-%, Ti-Material enthaltend natriumfreies Flussmittel als Reaktionsbeschleuniger oder ein reines (100 Gew.-%) Ti-Material verwendet werden. In einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Ti-Material mit einer Konzentration von ungefähr 75 Gew.-% verwendet werden.
Indessen kann in dem ersten und dem zweiten Rührschritt die Rührgeschwindigkeit ungefähr 500 UpM oder mehr betragen. Ferner kann der Durchmesser eines Rührkerns ungefähr 40 mm oder mehr betragen, da dessen Durchmesser Einfluss auf die Beschleunigung der Reaktion und die Dispersion der Verstärkungspartikel haben kann. Wenn die Rührgeschwindigkeit weniger als ungefähr 500 UpM beträgt, kann aufgrund der verbleibenden rauen Al₃Ti-Partikel eine Verschlechterung der Fluidität auftreten, kann aufgrund der unzureichenden Bildung von TiB₂ eine Verschlechterung der Elastizität auftreten und kann die Abweichung gemäß dem Bereich des geschmolzenen Metalls verursacht werden.
Wie oben beschrieben, kann eine herkömmliche übereutektische Aluminiumlegierung dahingehend problematisch sein, dass aufgrund der Hochtemperaturauflösung und schnellen Abkühlgeschwindigkeit ein Stranggießverfahren angewendet werden muss, und dass vermehrt Einschlüsse auftreten können und sich die Wirtschaftlichkeit verringern kann.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kann jedoch zusätzlich zu einem Stranggießverfahren ein allgemeines Gießverfahren angewendet werden, da die Verfahrenstemperaturen, wie die Auflösungstemperatur, die Kristallisationstemperatur von primärem Silizium (Si) und dergleichen bei der Herstellung der übereutektischen Aluminiumlegierung geringer sein kann als jene einer kommerziell erhältlichen übereutektischen Aluminiumlegierung bei ihrer Herstellung, und das Verfahren kann im Wesentlichen gesteuert werden, obwohl ein Stranggießverfahren angewendet wird.
Ferner können gemäß der vorliegenden Erfindung die Elastizität, Festigkeit, Verschleißbeständigkeit, Bearbeitbarkeit und dergleichen der übereutektischen Aluminiumlegierung durch die Optimierung einer Titanverbindung durch Bilden einer maximalen Menge an feinen TiB₂-Partikeln, gleichmäßiges Verteilen der feinen TiB₂-Partikel und Bilden von Al₃Ti-Partikeln und dergleichen mittels Regulierung eines Zusammensetzungsverhältnisses verbessert werden. Obwohl die beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung zu darstellenden Zwecken offenbart wurden, werden Fachleute verstehen, dass verschiedene Modifikationen, Ergänzungen und Substitutionen möglich sind, ohne vom Umfang und Geist der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen offenbart, abzuweichen.

Claims

Hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung, umfassend: Titan (Ti) und Bor (B), wobei ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B ungefähr 3:5 bis ungefähr 5:1 beträgt, Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-% enthalten ist und sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel enthalten sind.
Hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung, umfassend: Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 4,5 Gew.-%, Magnesium (Mg) in einer Menge von ungefähr 0,60 Gew.-%, Silizium (Si) in einer Menge von ungefähr 17 bis 19 Gew.-%, Zink (Zn) in einer Menge von ungefähr 0,50 Gew.-%, Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-%, Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 4 bis 6 Gew.-% und als Rest Aluminium, wobei ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B ungefähr 3,5 bis ungefähr 5:1 beträgt und sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel enthalten sind.
Hochelastische übereutektische Aluminiumlegierung, im Wesentlichen umfassend: Kupfer (Cu) in einer Menge von ungefähr 4,5 Gew.-%, Magnesium (Mg) in einer Menge von ungefähr 0,60 Gew.-%, Silizium (Si) in einer Menge von ungefähr 17 bis 19 Gew.-%, Zink (Zn) in einer Menge von ungefähr 0,50 Gew.-%, Bor (B) in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-%, Titan (Ti) in einer Menge von ungefähr 4 bis 6 Gew.-% und als Rest Aluminium (Al), wobei ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B ungefähr 3,5 bis ungefähr 5:1 beträgt und sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel enthalten sind.
Verfahren zum Herstellen der hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, umfassend die folgenden Schritte: Einführen von Al und einer Al-B-Vorlegierung, und einer Al-Ti-Vorlegierung oder eines Ti-Materials in einen Schmelzofen, wobei ein Zusammensetzungsverhältnis von Ti:B ungefähr 3,5 bis ungefähr 5:1 beträgt und B in einer Menge von ungefähr 0,5 bis 2 Gew.-% enthalten ist, wodurch ein geschmolzenes Metall hergestellt wird; erstes Rühren des geschmolzenen Metalls, um eine Reaktion zu ermöglichen, wobei sowohl Al₃Ti als auch TiB₂ als Verstärkungsmittel gebildet werden; Zugeben eines Additivs; und zweites Rühren des geschmolzenen Metalls, so dass die gebildeten Verstärkungsmittel in dem geschmolzenen Metall gleichmäßig verteilt werden.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Al-B-Vorlegierung eine Menge von ungefähr 3 bis 8 Gew.-% B und als Rest Al enthält.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Al-Ti-Vorlegierung eine Menge von ungefähr 5 bis 10 Gew.-% Ti und als Rest Al enthält.
Fahrzeugteil, hergestellt aus der hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung nach Anspruch 2.
Fahrzeugteil, hergestellt aus der hochelastischen übereutektischen Aluminiumlegierung nach Anspruch 3.