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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Auflegieren einer Aluminium-haltigen Ausgangslegierung, entsprechende Verfahrensprodukte eines solchen Verfahrens sowie Kraftfahrzeugteile, welche derartige Verfahrensprodukte umfassen.
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Aluminiumlegierungen sind insbesondere in der Kraftfahrzeug-Industrie weit verbreitet und müssen verschiedene Anforderungen beispielsweise an Temperaturbeständigkeit und/oder mechanische Belastbarkeit erfüllen. Beispiele für entsprechende Aluminiumlegierungen sind beschrieben in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2016 004 216 A1 sowie in der deutschen Patentschrift
DE 60 2004 008 934 T2 .
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Mit dem Bestreben eines nachhaltigen Wirtschaftens wird zunehmend auch Material aus Aluminiumlegierungen wiederverwendet, beispielsweise Ausschussmaterial der Produktion sowie Kraftfahrzeugteile aus abgewrackten Kraftfahrzeugen. Die entsprechenden Teile aus Aluminiumlegierungen werden dabei erneut eingeschmolzen und die Schmelze als Ausgangsmaterial für neu herzustellende Teile verwendet. Enthalten die Ausgangsteile aus Aluminiumlegierungen jedoch einen hohen Fe-Anteil (Eisenanteil), beispielsweise bis zu 1,1 Gewichtsprozent, so können beim erneuten Erstarren nach einem vorhergehenden Einschmelzen nadelartige intermetallische Phasen, insbesondere Al5FeSi-Phasen, die üblicherweise vorwiegend in Form langgezogener, nadliger Phasen ausgebildet sind, in der erkalteten Schmelze auftreten. Derartige Al5FeSi-Phasen stellen eine Qualitätsbeeinträchtigung dar. Beispielsweise führen derartige intermetallische Phasen zu erhöhter Sprödigkeit der erhaltenen Aluminiumlegierung. Insbesondere wenn die erhaltenen Aluminiumlegierungen für hochkritische Bereiche eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden sollen, so können sich auch noch weitere Nachteile ergeben. Beispielsweise sind Aluminiumlegierungen mit den vorgenannten Al5FeSi-Phasen praktisch nicht für Motorblöcke verwendbar, in die Zylinderinnenrohre gefräst werden müssen, da die Al5FeSi-Phasen die dafür verwendeten Schneidwerkzeuge beschädigen können. Bei beschädigten Schneidwerkzeugen jedoch kann die gewünschte Rauheit der Oberfläche der Zylinderinnenrohre nicht eingehalten werden, welche erforderlich ist, um in nachgeschalteten Verfahren, wie beispielsweise Lichtbogendrahtspritzen, definierte Innenoberflächen auf die Zylinderinnenrohre aufzubringen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, Verfahren zur Herstellung von Aluminiumhaltigen Legierungen bereitzustellen, welche frei sind oder im Wesentlichen frei sind von störenden intermetallischen Phasen.
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Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Aufgabe ist in einem ersten Aspekt gelöst durch ein Verfahren zum Auflegierten einer Aluminium-haltigen Ausgangslegierung, umfassend folgende Schritte: Bereitstellen einer Schmelze einer Al-haltigen Ausgangslegierung, die einen Fe-Gehalt von bis zu 1,2 Gewichtsprozent aufweist, in einem Schmelztiegel mit Rührmöglichkeit bei einer Temperatur von wenigstens 650°C; Zugabe einer AlMo10-Vorlegierung (Aluminium-Molybdän-Vorlegierung) zur Erreichung eines Endgehalts von 0,10 bis 0,15 Gewichtsprozent Mo in der Schmelze, wobei Mo-haltige Phasen in der Vorlegierung einen Durchmesser von < 175 μm aufweisen; Rühren der Schmelze bis zum vollständigen Schmelzen und Vermischen der Vorlegierung in der Schmelze.
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Durch Zugabe der Mo-haltigen (molybdänhaltigen) Vorlegierung und damit das Einbringen von Molybdän in Al-haltige Legierungen, die einen Fe-Gehalt von bis zu 1,2 Gewichtsprozent aufweisen, insbesondere einen Fe-Gehalt im Bereich von 0,4 bis 1,0 Gewichtsprozent, wird bei Erstarren der Schmelze, die den angegebenen Endgehalt von 0,10 bis 0,15 Gewichtsprozent Mo aufweist, die Bildung von nadeligen Al5FeSi-Phasen weitgehend oder vollständig unterdrückt. Im Ergebnis wird dadurch die Sprödigkeit der auflegierten Aluminiumlegierung verringert bzw. deren Duktilität verbessert. Als zusätzlicher abschließender Schritt des Verfahrens kann somit das Abkühlen der Schmelze unter Erstarrung und Erhalt einer auflegierten Aluminiumlegierung erfolgen.
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Das Molybdän in der Vorlegierung kann homogen verteilt sein, jedoch wurde überraschenderweise gefunden, dass auch Vorlegierungen mit inhomogener Molybdän-Verteilung, die entsprechend Mo-haltige Phasen und Mo-freie Phasen, oder zumindest Phasen mit erhöhtem Mo-Gehalt und Phasen mit vergleichsweise geringem Mo-Gehalt aufweisen, zu einem schnellen Lösen des Molybdäns in der Schmelze führen, wenn die Mo-haltigen Phasen feinkörnig sind. Unter feinkörnigen Phasen werden hierin Phasen verstanden, die einen Durchmesser, gemessen an der größten Stelle der gegebenenfalls unregelmäßigen Form, von weniger als 175 μm aufweisen, wobei gegebenenfalls geringfügige Abweichungen und Ausreißer, beispielsweise ein Durchmesser von mehr als 175 μm bei maximal 10% der Mo-haltigen Phasen, akzeptabel sind. Vorzugsweise beträgt der größte Durchmesser weniger als 150 μm.
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Die Temperatur der Schmelze beträgt wenigstens 650°C, und ist ansonsten so gewählt, dass die Temperatur mindestens der Liquidustemperatur der Legierung entspricht, oder geringfügig über der Liquidustemperatur liegt, beispielsweise 1°C bis 15°C, wie etwa 1°C bis 10°C über der Liquidustemperatur.
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Gemäß einer Ausführungsform handelt es sich bei der Al-haltigen Ausgangslegierung um eine AlSiCuFe-Legierung, wobei der Si-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 8–11 Gewichtsprozent, insbesondere bei 10 Gewichtsprozent, und der Cu-Gehalt vorzugsweise im Bereich von 2 bis 4 Gewichtsprozent, insbesondere bei 3 Gewichtsprozent, liegt. Beispielsweise handelt es sich um eine AlSiCuFe-Legierung mit 10 Gewichtsprozent Si und 3 Gewichtsprozent Cu, wobei die vorstehend angegebenen Gewichtsprozente um ±10% abweichen können, so dass beispielsweise ein Si-Gehalt von 9,9 bis 10,1 Gewichtsprozent und ein Cu-Gehalt von 2,7 bis 3,3 Gewichtsprozent vorliegen können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform handelt es sich bei der Al-haltigen Ausgangslegierung um AlSiCuMgFeMnTiSr mit einem Si-Gehalt von 8–11 Gewichtsprozent, insbesondere 10 Gewichtsprozent, einem Cu-Gehalt von 2–4 Gewichtsprozent, insbesondere 3 Gewichtsprozent, einem Mg-Gehalt von 0,2–0,4 Gewichtsprozent, insbesondere 0,3 Gewichtsprozent, einem Fe-Gehalt von 0,5–1,5 Gewichtsprozent, insbesondere 1,0 Gewichtsprozent, einem Mn-Gehalt von 0,05–0,4 Gewichtsprozent, insbesondere 0,08 bis 0,35 Gewichtsprozent, wie etwa 0,10 bis 0,15 Gewichtsprozent, einem Ti-Gehalt von 0,05–0,15 Gewichtsprozent, insbesondere 0,1 Gewichtsprozent, und einem Sr-Gehalt von 0,01–0,03 Gewichtsprozent, insbesondere 0,02 Gewichtsprozent. In Bezug auf die vorstehend gemachten Angaben in Gewichtsprozent sind gegebenenfalls wiederum Abweichungen von ±10% ebenfalls erfasst.
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Die beiden vorstehend genannten Formen von Al-haltigen Ausgangslegierungen fallen insbesondere an als Teile von Verbrennungsmotoren, sodass beim Recycling von Verbrennungsmotoren entsprechende Al-haltige Legierungen zur Verfügung stehen, die im Rahmen eines Auflegierens über das hierin beschriebene Verfahren behandelt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform liegt die Temperatur der bereitgestellten Schmelze im Bereich von 650 bis 730°C. Gemäß einer besonderen Weiterbildung liegt die Temperatur in einem Bereich von 650 bis 675°C, insbesondere 650 bis 660°C. Derartige Temperaturen sind ausreichend, um ein sicheres Schmelzen von Al-haltigen Ausgangslegierungen, insbesondere der in den letzten beiden Ausführungsformen beschriebenen Al-haltigen Ausgangslegierungen, zu ermöglichen und keine unnötigen Kosten durch Energieaufwand für im Grunde genommen nicht erforderliche noch höhere Temperaturen zu verursachen.
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Der Schmelztiegel mit Rührmöglichkeit kann ein fachüblicher Schmelztiegel sein, beispielsweise ein Staplerfahrtiegel. Gemäß einer Ausführungsform wird das Verfahren in an sich fachbekannter Weise als Impeller-Verfahren unter Verwendung eines Impeller-Systems durchgeführt.
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Die Vorlegierung kann in Form von sogenannten Waffelplatten oder deren Bruchstücken der Schmelze zugegeben werden. Beispiele für entsprechende Vorlegierungen mit feinkörnigen Mo-Phasen können beispielsweise bezogen werden von KBM Affilips (Niederlande), etwa unter der Bezeichnung „Aluminium-Molybdän 90/10”.
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Das Rühren der Schmelze kann nach Zugabe der Vorlegierung, beispielsweise in Form der Waffelplatten oder deren Bruchstücken, gestartet werden, erfolgt jedoch vorzugsweise bereits während der Zugabe der Vorlegierung, um das Schmelzen und Verteilen der Vorlegierung in der Schmelze zu fördern. Gemäß einer Weiterbildung erfolgt das Rühren über einen Zeitraum von 3 bis 5 Minuten. Das Rühren erfolgt generell solange, bis eine homogene Schmelze erreicht wurde, wobei überraschenderweise festgestellt wurde, dass unter Verwendung der Vorlegierung mit feinkörnigen Mo-Phasen in einem Impeller-Verfahren mit 1 kg Vorlegierung in 100 kg Schmelze bereits innerhalb von etwa 4 Minuten ein vollständiges Lösen des rechnerisch maximal überhaupt von der Schmelze aufnehmbaren Molybdäns erfolgte.
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In einem weiteren Aspekt ist die Aufgabe gelöst durch eine auflegierte Aluminiumlegierung, die erhältlich ist oder erhalten wurde über ein Verfahren wie vorstehend beschrieben.
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Eine derartige auflegierte Aluminiumlegierung ist frei oder im Wesentlichen frei von Al5FeSi-Phasen. Dies bedeutet, dass in metallographischen Schliffen keine oder im Wesentlichen keine nadeligen Strukturen mit einer Länge von üblicherweise 10 bis 50 μm und einer Dicke von wenigen Mikrometern nachweisbar sind. Vorteilhaft wird mit einer derartigen auflegierten Aluminiumlegierung die Möglichkeit bereitgestellt, nicht mehr verwendete Teile aus Aluminiumlegierungen einzuschmelzen und nach dem Auflegieren in anderen Formen erstarren zu lassen, ohne dass die Al5FeSi-Phasen, die ohne das Auflegieren in einem nennenswerten Anteil vorhanden wären, jedoch durch das Auflegieren weitgehend oder vollständig unterdrückt werden, die Eigenschaften der erstarrten Aluminiumlegierung beeinträchtigen.
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Das Fehlen bzw. weitgehende Fehlen derartiger nadeliger Strukturen ist darauf zurückzuführen, dass sich beim Abkühlen der Schmelze die üblicherweise zu erwartenden intermetallischen Al5FeSi Phasen nicht bilden können, da aufgrund des eingebrachten Molybdäns AlFeMOMnSi-Phasen mit anderer Gitterstruktur gebildet werden, beispielsweise Al15(Fe,Mn)3Si2-Phasen im Zusammenwirken mit Molybdän. Diese intermetallischen Phasen weisen in metallographischen Schliffen üblicherweise eine abgerundete bis polygonale Form mit einem Durchmesser von maximal 12 μm, gemessen an der Stelle der größten Erstreckung, auf, beispielsweise insbesondere maximal 10 μm.
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Die vorstehend beschriebenen auflegierten Aluminiumlegierungen sind angesichts des Fehlens der nadeligen Al5FeSi-Phasen insbesondere auch geeignet für Kraftfahrzeugteile, in die über entsprechende Schneidewerkzeuge Oberflächen mit definierter Rauheit eingebracht werden sollen.
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Gemäß einem dritten Aspekt ist die Aufgabe dementsprechend gelöst durch ein Kraftfahrzeugteil, umfassend eine auflegierte Aluminiumlegierung oder bestehend aus einer auflegierten Aluminiumlegierung wie hierin beschrieben. Ein Beispiel für ein derartiges Kraftfahrzeugteil ist ein Zylinderblock, in den angesichts des Fehlens der nadeligen Al5FeSi-Phasen mit entsprechenden Schneiden Zylinderrohre eingefräst werden können, ohne dass eine Beschädigung der Schneiden durch die nadeligen Al5FeSi-Phasen und als Folge davon undefinierte Schnittoberflächen befürchtet werden müssen. Dementsprechend können Zylinderrohre mit definierter Rauheit bereitgestellt werden, die in nachfolgenden Arbeitsschritten beispielsweise über Lichtbogendrahtspritzen definierte Oberflächenbeschichtungen aufgebracht werden können.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der – gegebenenfalls unter Bezug auf die Figuren – zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Es zeigen:
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1 ein schematisches Ablaufdiagramm eines Verfahrens,
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2 eine schematische Ansicht eines metallographischen Schliffs,
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3 den zugrundeliegenden metallographischen Schliff.
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Beispiel:
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100 kg einer Universallegierung vom Typ 226D der generellen Zusammensetzung AlSi9Cu3Fe (im Detail: AlSi10Cu3Mg0,3Fe1,0Mn0,3Ti0,1Sr0,02), die bezogen worden waren von Oetinger (Neu-Ulm/Weißenhorn) wurden als Al-haltige Ausgangslegierung in einem Schmelztiegel aus Graphit auf eine Temperatur von 670°C erhitzt, entsprechend einem Verfahrensschritt 100 gemäß 1. Nach vollständigem Schmelzen der Al-haltigen Ausgangslegierungen wurden, ausgehend von Platten einer AlMo10-Vorlegierung mit einem Gewicht von 7 kg entsprechende Plattenbruchstücke mit einem Gesamtgewicht von 1 kg der Schmelze zugegeben, entsprechend einem Verfahrensschritt 110 gemäß 1. Die AlMo10-Vorlegierung wies Mo-haltige Phasen mit einem Durchmesser von weniger als 175 Mikrometer auf, wie in einem schematischen metallographischen Schliff der 2, der die ungefähren Umrisse der Mo-haltigen Phasen darstellt, bzw. im originalen metallographischen Schliff der 3 dargestellt ist. Anschließend wurde ein Rühren in Form eines Impeller-Verfahrens gestartet, entsprechend einem Verfahrensschritt 120 gemäß 1. Es wurden jeweils Proben entnommen, die zeigten, dass nach 4-minütigem Rühren das gesamte zulegierte Molybdän in der Schmelze gelöst war. Nach Erstarren der Schmelze wurden metallographische Schnitte angefertigt, die Fe-haltige intermetallische Phasen in Form von AlFeMoMnSi-Phasen mit abgerundeter bis polygonaler Form mit einem Durchmesser von maximal 12 μm zeigten, jedoch keine nadeligen Al5FeSi-Phasen.
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1 zeigt ein schematisches Ablaufdiagramm des hierin beschriebenen Verfahrens. In einem Schritt 100 wird eine Schmelze einer Al-haltigen Ausgangslegierung bereitgestellt, die einen Fe-Gehalt von bis zu 1,2 Gewichtsprozent aufweist. Die dazu verwendete Al-haltige Ausgangslegierung basiert vorzugsweise auf wiederzuverwendenden Teilen aus Aluminiumlegierungen, etwa Teilen von Kraftfahrzeugen. Die Temperatur in dem Schmelztiegel beträgt wenigstens 650°C, der Schmelztiegel selbst weist eine Rührmöglichkeit auf. Gemäß einer besonderen Ausführungsform ist der Schmelztiegel ausgelegt für ein Impeller-Verfahren. In einem Schritt 110 erfolgt eine Zugabe einer AlMo10-Vorlegierung zur Erreichung eines Endgehalts von 0,10 bis 0,15 Gewichtsprozent Molybdän in der Legierung, wobei Mo-haltige Phasen in der Vorlegierung einen Durchmesser von < 175 μm aufweisen. Die Schritte 100 und 110 sind üblicherweise getrennt, sodass die entsprechende Zugabe der AlMo10-Vorlegierung in eine bereits ausgebildete Schmelze erfolgt, gemäß einer Ausführungsform ist es jedoch auch denkbar, die AlMo10-Vorlegierung einer nur teilweise ausgebildeten Schmelze der Al-haltigen Ausgangslegierung zuzugeben, sodass nachfolgend sowohl ein Schmelzen der Al-haltigen Ausgangslegierungen als auch ein Schmelzen der AlMo10-Vorlegierung erfolgt. In einem Schritt 120 erfolgt ein Rühren der Schmelze bis zum vollständigen Schmelzen und Vermischen der Vorlegierung in der Schmelze.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen, beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente, vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 100–120
- Verfahrensschritte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016004216 A1 [0002]
- DE 602004008934 T2 [0002]
