DE10220656A1

DE10220656A1 - Verfahren zur Verbesserung der Gießeigenschaften einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung

Info

Publication number: DE10220656A1
Application number: DE2002120656
Authority: DE
Inventors: Ute Lohrey; Franz Josef Klinkenberg
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-05-08
Filing date: 2002-05-08
Publication date: 2003-11-20

Abstract

Zur Verbesserung der Gießeigenschaften einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung wird die Schmelze mit Bor gattiert, wodurch die eutektische Makrogefügestruktur vergleichmäßigt und verfeinert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Gießeigenschaften einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung.

In der Entwicklung von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge haben übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen eine besondere Bedeutung erlangt. Man nutzt hier für die Laufflächen in Kurbelgehäusen die entstehenden primären Siliziumausscheidungen als Träger für eine besonders verschleißbeständige Lauffläche. Um diese Siliziumausscheidungen in einer vorteilhaften und möglichst homogenen Größenverteilung und geometrischen Form zu erhalten, hat sich eine Feinung mit Phosphor bewährt, welches in der Schmelze Keime erzeugt, an denen dann die primären Siliziumkristalle entstehen (Z. Metallkd. 91 (2000) 10, S. 807-811). Hierzu wird im wesentlichen eine Vorlegierung auf der Basis AlCuP oder CuP verwendet, wobei unter Berücksichtigung der jeweiligen lokalen Erstarrungsgeschwindigkeit dann die gewünschte primäre Siliziumstruktur erzielt wird. Andererseits müssen die Schmelze und die Werkstoffmatrix, also das eutektische Gefüge, noch andere Voraussetzungen erfüllen. Insbesondere sind aufgrund der zunehmend filigraner werdenden Gussformen vorteilhafte gießtechnische Eigenschaften, wie z. B. verbesserte Speisung und Formfüllungsverhalten sowie ein geringes Mikrolunkervolumen notwendig; außerdem sollte der Werkstoff ein hohes Maß an Festigkeit und günstige Dehnungseigenschaften besitzen. Umfangreiche Untersuchungen mit Strontiumzusätzen, aber auch anderen Metallen der Alkali- und Erdalkaligruppe haben gezeigt, dass mit diesen Zusätzen allenfalls das eutektische Gefüge veredelt, nicht aber das Primärsilizium gefeint werden kann (Giesserei-Praxis Nr. 22/1988, S. 293-305). Vor allem aber war man an einer kombinierten Feinung des Primärsiliziums zusammen mit einer Veredelung des Eutektikums mittels der oben erwähnten Verfahren interessiert. Das grundlegende Problem bei den genannten Behandlungsverfahren zur Feinung des Primärsiliziums einerseits und des eutektischen Gefüges andererseits ist jedoch, dass sie sich nicht nebeneinander vertragen. Phosphor beeinflusst zwar, wie oben beschrieben, die Entstehung primärer Siliziumkörner vorteilhaft, verändert jedoch das eutektische Gefüge nicht in Richtung einer Veredelung. Strontium und die anderen bisher zur Veredelung des eutektischen Gefüges eingesetzten Zusätze verändern hingegen wieder die Größe und Form der primären Siliziumkörner nachteilig, auch wenn vorher Phosphor der Schmelze zugesetzt wurde. Vor allem jedoch konnten die Gießeigenschaften, und hierbei insbesondere das Speisungsverhalten, mit den bisher bekannten Behandlungsverfahren nur unzureichend verbessert werden, was sich letztlich in einer groben und ungleichmäßigen eutektischen Makrogefügestruktur der erstarrten Schmelze zeigt.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Verbesserung der Gießeigenschaften einer übereutektischen Aluminium-Silizium- Legierung zu schaffen, welche sich insbesondere für eine Anwendung im Motorenbau eignet.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Behandlung der übereutektischen Aluminium-Silizium-Schmelze durch Zugabe von Bor führt zu einer Verfeinerung und Homogenisierung der eutektischen Makrogefügestruktur sowie zu der gewünschten Verbesserung der Gießeigenschaften, insbesondere des Speisungsverhaltens, bei einer ansonsten unveränderten eutektischen Mikrogefügestruktur. Der Grund dafür dürfte vor allem in einer Veränderung der Erstarrungsmorphologie nach der Zugabe von Bor zu finden sein. Weiterhin verträgt sich das Verfahren gut mit der bekannten Phosphorbehandlung der Schmelze zur Feinung des Primärsiliziums. Selbst eine Kombination mit den bekannten Verfahren zur Veredelung des eutektischen Gefüges ist möglich, also z. B. eine Zugabe von Strontium in die Schmelze, um neben der eutektischen Makrogefügestruktur auch noch die Mikrogefügestruktur im Hinblick auf eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften zu verändern.

Die obengenannten Eigenschaften zeigen sich bereits deutlich ab einer Zugabemenge von etwa 250 ppm Bor, welches vorteilhafterweise in Form einer Bor- Aluminium-Vorlegierung der Schmelze zugegeben wird; als besonders wirkungsvoll und ökonomisch hat sich ein Anteil von 500 bis 1000 ppm Bor erwiesen. Die Schmelztemperaturen können in einem Bereich zwischen 720 und 830°C liegen, wobei die Schmelze innerhalb von 20 Stunden vergossen werden sollte.

Die Zugabe von Bor zu Aluminium-Silizium-Legierungen ist zwar an sich bekannt (DE 37 39 187 C1 oder DE 36 32 609 C2), jedoch nur bei untereutektischen Legierungen mit dem Ziel einer Kornfeinung. Eine Wirkung auf das Gießverhalten und die Makrogefügestruktur in übereutektischen Legierungen war bisher nicht bekannt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der in den beiden Figuren dargestellten Makroätzbilder zweier Gussproben näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 ein Makroätzbild einer Kokillengussprobe einer mit Phosphor behandelten Aluminium-Silizium-Legierung; und
Fig. 2 ein Makroätzbild einer Kokillengussprobe einer zusätzlich mit Bor behandelten Legierung gemäß Fig. 1.
Bei der in Fig. 1 dargestellten Probe wurde eine Aluminium-Silizium-Legierung mit Phosphor gattiert, deren Gehalt dann 95 ppm P betrug, und ohne weitere Behandlung bei einer Gießtemperatur von 791°C vergossen. Das Makroätzbild zeigt eine typische grobe und unregelmäßige eutektische Makrogefügestruktur, in welcher lediglich eine Verringerung der Korngröße des Primärsiliziums durch die Phosphorbehandlung bewirkt wurde.
Bei der in Fig. 2 dargestellten Probe wurde die gleiche Aluminium-Silizium- Ausgangslegierung wie in Fig. 1 mit einer annähernd gleichen Menge Phosphor von 100 ppm in der Schmelze gattiert, zusätzlich jedoch mit einer Zugabemenge von 500 ppm Bor behandelt. Die Gießtemperatur betrug 796°C. In dem Makroätzbild ist nunmehr eine fein verteilte, homogene eutektische Makrogefügestruktur zu erkennen, mit einer ähnlich reduzierten Korngröße des Primärsiliziums aufgrund der Phosphorbehandlung wie bei der vorherigen Probe.

Claims

1. Verfahren zur Verbesserung der Gießeigenschaften einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze der Aluminium-Silizium-Legierung mit Bor gattiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze mindestens 250 ppm lösliches Bor zugegeben wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelze 500 bis 1000 ppm lösliches Bor zugegeben wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Bor in Form einer Bor-Aluminium-Vorlegierung der Schmelze zugegeben wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Al Si 17 Cu 4 Mg-Gußlegierung als Ausgangslegierung verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangslegierung Phosphor und/oder Strontium enthält.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine Gießtemperatur von 680 bis 850°C aufweist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze eine Gießtemperatur von 720 bis 830°C aufweist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelze innerhalb von 20 Stunden vergossen wird.

10. Übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung, insbesondere für Kurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren, gekennzeichnet durch eine Zugabemenge von mindestens 250 ppm Bor.

11. Übereutektische Aluminium-Silizium-Legierung nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen Anteil von mindestens 50 ppm Phosphor.