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Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Duktilität von Aluminium-Silicium-Gußlegierungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit und Duktilität
von untereutektischen Aluminium-Silicium-Gußlegierungen.
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Bisher bestand eine erhebliche Lücke zwischen der Zugfestigkeit käuflicher
duktiler Aluminiumgußlegierungen und derjenigen der Knetlegierungen. Bei vielen
Anwendungen, wie z. B. in -der Flugzeugindustrie, ist die zur Erzielung ausreichender
Festigkeit notwendige Verwendung großer Aluminiumgußstücke mit relativ hohem Gewicht
von erheblichem Nachteil. Geht man bei hochbeanspruchten Teilen auf - Knetlegierungen
über, so erfordert dieses wiederum vielseitige maschinelle Arbeitsgänge bei Aluminiumschmiedestücken
und damit hohe Produktionskosten. Für Spezialzwecke sind einige Legierungen, insbesondere
Aluminiumgußlegierungen, bekannt, die aber entweder für hohen Schlag- oder Vibrationsbeanspruchungen
ausgesetzte Konstruktionsteile zu spröde oder in anderer Weise nicht zuverlässig
sind und eine bessere Gußkontrolle erfordern, als sie in einer Gießerei gewöhnlich
möglich ist.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird eine Legierung aus einem
untereutektischen Aluminium-Silicium-System geschaffen, das mit geringen Mengen
an Magnesium, Beryllium und in einigen Fällen mit Titan, Bor, Niob, Zirkonium, Tantal
oder Molybdän legiert ist, um eine leicht gießbare Legierung zu gewinnen, die eine
außerordentlich hohe Zugfestigkeit hinsichtlich ihrer guten Duktilität beim Vergleich
mit bisherigen Aluminiumgußlegierungen aufweist. Diese Legierung findet besonders
Verwendung in der Flugzeugindustrie; sie ist jedoch auch für andere Industriezweige
geeignet, wo man duktile Aluminiumgußlegierungen hoher Festigkeit benötigt. Mit
dieser Legierung können bei Gußteilen beträchtliche Gewichtsverminderungen erzielt
werden.
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Im allgemeinen ist es bekannt, daß die Zugfestigkeit von Gußlegierungen
mit dem Anstieg eines bestimmten härtenden Bestandteils zunimmt, jedoch auf Kosten
der - Duktilität. Die festigkeitsverleihenden Eigenschaften des für Aluminium als
Legierungsbestandteil verwendeten Siliciums sind bekannt. Es wurde festgestellt,
daß für das erfindungsgemäße Verfahren der Siliciumgehalt auf einen Bereich von
6 bis 10 Gewichtsprozent der Legierung beschränkt sein muß. Ein Senken des Siliciumgehaltes
unter 6 °/o mindert die Ver- und Bearbeitungsqualitäten der Legierung unzweckmäßig
herab, während ein über etwa 10 °/o hegender Siliciumgehalt zu einer Legierung führt,
die zu spröde ist, um als Konstruktionsmaterial für solche Vorrichtungen, die Schlag-
und Rüttelbeanspruchungen widerstehen müssen, praktische Verwendung finden zu können.
Um die beste Abstimmung von hoher Festigkeit und guter Duktilität zu erzielen, liegt
ein bevorzugter Siliciumgehalt in dem Bereich von 7,6 bis 8,6 Gewichtsprozent der
Legierung. In dieser Beziehung wird hier eine gute Duktilität durch jeden Dehnungswert
als bewiesen angesehen, der einer minimalen Bruchdehnung von 3 °/o oder darüber
entspricht.
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Ein Gehalt von 0,2 bis 0,6 Gewichtsprozent Magnesium im Aluminium-Silicium-System
zur Bildung eines Aluminium-Magnesium-Silicides erhöht die Festigkeit der Legierung.
Bekanntlich beschleunigt Magnesium die Erhöhung der Härte der Legierung, wenn man
sie einer Wärmebehandlung unterwirft. Man muß aber dafür Sorge tragen, eine Oxydation
des Magnesiums zu verhindern, denn solche Oxyde sind beim Verfestigen der Legierung
wertlos und verursachen nur eine Erschöpfung der Magnesiummenge, die für Legierungshärtungszwecke
zur Verfügung steht.
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In der Legierung können auch geringe Mengen an anderen Bestandteilen
oder Verunreinigungen vorhanden sein, so z. B. Eisen bis maximal 0,60/" das
einen nachteiligen Einftuß auf die Legierung ausübt.
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Um den in der Legierung befindlichen Eisenverunreinigungen entgegenzuwirken
und die Oxydation des Magnesiums auszuschalten, wird zur Verbesserung
der
Festigkeit und Duktilität untereutektischer AI-Si-Gußlegierungen mit 6 bis 10 °/o
Silicium, 0,2 bis 0,6 °/a Magnesium und bis zu 0,60/, Eisen erfindungsgemäß
Beryllium in Mengen von 0,05 bis 0,5 °/o, bezogen auf das Gewicht der Legierung,
hinzugefügt, wodurch die Eisenverunreinigungen in unschädliche Form gebracht werden.
Das Beryllium hat eine zweifache wichtige Funktion. Seine grundlegende Wirkung liegt
darin, daß die neuartige Legierung zu ihrer außerordentlich hohen Festigkeit gebracht
wird, ohne eine Einbuße hinsichtlich ihrer Duktilität zu erleiden, und zwar insofern,
als dadurch die kristalline langnadelige Struktur der Eisenverunreinigungen in eine
relativ unschädliche abgerundete, kugelige oder sphäroide Form überwechselt. Diese
typische nadelige Mikrostruktur jeglicher Eisenverunreinigung, wie sie sich im Aluminium
befindet, ist von Natur aus mechanisch schwach und führt zu einer verhältnismäßig
schwachen und spröden Legierung. Demzufolge erreicht man durch Umwandlung der Nadelstruktur
des Eisens in eine kugelige Form die Ausschaltung solcher schwachen Stellen in der
Legierung, eine Erhöhung ihrer Duktilität und durch eine vollkommenere und effektivere
Ausnutzung der hohen Festigkeit, die die Legierung in nicht mit Eisen verunreinigtem
Zustand aufweist, eine Zunahme der Zugfestigkeit der Legierung. Je weniger Eisen
in der Legierung zugegen ist, um so weniger Beryllium wird benötigt.
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Die zweite Funktion des Berylliums wirkt sich in einer Oxydation eines
Teiles des Berylliums durch Bildung einer schützenden Haut auf der Schmelzenoberfläche
aus, um während des Schmelzprozesses eine Oxydation des Magnesiums zu verhindern.
Dann ist dieses dazu fähig, Aluminium-Magnesium-Silicid ohne irgend merklichen Verlust
durch Oxydation zu bilden. So trägt es effektiv zur Verfestigung der Legierung bei.
Der erfindungsgemäße Zusatz von Beryllium ist für die Erhöhung der duktilen Eigenschaften
und Zugfestigkeitseigenschaften der neuartigen Legierung maßgeblich, da die Berylliumkomponente
die Zugabe höherer prozentualer Mengen an dem verfestigenden Bestandteil, wie Silicium,
gestattet, ohne diejenige Sprödigkeit herbeizuführen, die normalerweise das Kennzeichen
solcher Gußlegierungen hoher Festigkeit ist.
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Um die Bedeutung des Berylliumbestandteiles hinsichtlich der Erhöhung
der Festigkeit und Duktilität der Legierung darzulegen, werden hier die Ergebnisse
von Prüfungen wiedergegeben. Die für die Bestimmung der Zugfestigkeit verwendeten
Prüfstäbe wurden aus einer Schmelze vergossen, die praktisch dieselbe Aluminium-Silicium-Magnesium-Titan-Zusammensetzung
aufweisen wie die erfindungsgemäße Legierung, jedoch kein Beryllium enthielten.
Zum Vergleich wurden aus derselben Schmelze die gleiche Anzahl an Prüfstäben nach
Zugabe von 0,25 °/a Beryllium gegossen. Zu den durchschnittlichen mechanischen Eigenschaften
der kein Beryllium enthaltenden Legierung gehörten Eine Streckgrenze von 23,8 kp/mm2,
eine Zugfestigkeit von 30,5 kp/mm2 und eine Dehnung von nur 3,5 °/o. Im Gegensatz
hierzu zeigte ein 0,25 °/o Beryllium enthaltendes Metall eine Streckgrenze von 24,2
kp/mm2, eine Zugfestigkeit von 32,4 kp/mm2 und eine Dehnung von 7,5 °/a.
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Früher benutzte man Mangan, um die nadelige Struktur der Eisenverunreinigung
in gewissem Ausmaße zu modifizieren. Eine metallographische Untersuchung offenbart
aber, daß das Eisen durch das Mangan nicht weitgehend genug modifiziert wurde, sondern
eher eine langstrahlige spröde Struktur beibehält, die dem Fachmann als sogenannte
»Chinesische Schriftarbc bekannt ist. Weiterhin wirkt in einigen Fällen die Manganzugabe
nachteilig auf die Wärmebehandlung der Legierung und verursacht eine Herabminderung
der Streckgrenze. Dagegen ergibt die sphäroide Eisenmikrostruktur, die durch Zugabe
von Beryllium entsteht, eine festere Legierung mit viel höheren Streckgrenzen und
Zugfestigkeiten und mit ausgezeichneten Eigenschaften für die Wärmebehandlung.
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Titan kann man im Bereich von 0,05 bis 0,3 °/p, bezogen auf das Gewicht
der Legierung, als Kornverfeinerungselement hinzugeben. An seiner Stelle kann man
auch Bor, Niob, Zirkonium, Tantal oder Molybdän als andere geeignete Elemente als
Verfeinerer einführen. Allerdings ist die Zugabe der genannten Kornverfeinerungselemente
nicht unbedingt wesentlich für die Erzielung gleichzeitiger hoher Festigkeit und
guter Duktilität in einer untereutektischen Aluminium-Silicium-Gußlegierung, da
die Korngröße nur einen geringen merklichen Effekt auf die Gießeigenschaften einer
solchen Legierung ausübt. Indessen verbessern in einer derartigen untereutektischen
Legierung die Kornverfeinerungselemente in beträchtlichem Ausmaße den Oberflächenzustand
und verhindern das Runzelig- oder Fleckigwerden, das für ein grobkörniges Material
charakteristisch ist, und die Legierung zeigt dadurch bei Röntgenuntersuchungen
verbesserte Eigenschaften.
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Außerdem können Mangan, Kupfer, Zink und Chrom bis zu einer maximal
zulässigen Menge von je 0,2 °/o vorhanden sein, ohne die erwünschten Eigenschaften
der erfindungsgemäßen verbesserten, neuartigen Legierung nachteilig zu beeinflussen.
Verunreinigungen sollen bei einem maximal zulässigen Betrag von insgesamt 0,15 °/o
jeweils 0,05 °/o nicht übersteigen.
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Je nach Gien geforderten mechanischen Eigenschaften kann in einigen
Fällen eine zusätzliche Einführung von Elementen, wie Kupfer oder Zink, bis annähernd
3 °/o erwünscht sein, um die Härte und Zugfestigkeit des Metalls weiter zu verbessern.
Die Zugabe jedes dieser Legierungselemente führt aber zur Herabminderung der Duktilität,
der Erniedrigung der Beständigkeit gegen korrodierende Einwirkungen, der Vergrößerung
des spezifischen Gewichtes und zur Verringerung der Vergießbarkeit der Legierung.
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Für die neuartige erfindungsgemäße verbesserte Legierung sind die
Grenzen für eine bevorzugte Zusammensetzung folgende: 7,6 bis 8,6°/o Silicium, 0,4
bis 0,55 °/o Magnesium, 0,1 bis 0,30/, Beryllium, 0,1 bis 0,30/, Titan, 0,002
bis 0,006"/, Natrium, bis 0,4 °/o Eisen, bis jeweils 0,2 °/o Kupfer, Mangan, Zink
und Chrom sowie bis jeweils 0,05 °/o von Verunreinigungen bis zu einem Gesamtgehalt
von 0,1501.. Der Rest ist Aluminium.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung verbesserter
Legierungen dient die Tabelle I. In dieser sind die mechanischen Eigenschaften von
drei typischen Schmelzen mit verschiedener chemischer Zusammensetzung wiedergegeben,
die innerhalb der breiteren Grenzen der Legierungszusammensetzung hergestellt wurden.
Jede Schmelze wurde bei 700°C im Sandgußverfahren zu Stäben für die Prüfung auf
Zugfestigkeit vergossen, 16 Stunden lang bei 550°C einem Lösungsglühen unterworfen,
in warmem Wasser abgeschreckt und 4 Stunden lang
bei 160°C warmausgelagert
(entsprechende amerikanische Zustandsbezeichnung: »T 6«). Tabelle I
| Mechanische Eigenschaften |
| Chemische Aalyse, °% Streckgrenze Zugfestigkeit Bruchdehnung |
| Si I Mg ( Be ( Ti I Fe kp/mm2 ! kp/mm2 I °/° |
| 8,0 0,51 0,20 0,10 ' 0,33 25,2 32,3 5,5 |
| 7,58 0,44 0,15 0,13 0,28 24,8 32,1 5,0 |
| 9,65 0,57 0,18 0,15 0,36 29,3 I 33,4 2,8 |
Das bekannte Ergebnis bei Erhöhung der prozentualen Siliciummenge, d. h. ein Ansteigen
der Zugfestigkeit unter gleichzeitiger Verminderung der Duktilität, ergibt sich
klar bei den oben angeführten Legierungen. Aber sogar bei der Legierung mit dem
höchsten Gehalt an Silicium (9,650/0) sinkt der Dehnungswert nur wenig unter den
minimalen Betrag von 3 u/0 herab, der in der Flugzeugindustrie bei Gußstücken für
Konstruktionen gefordert wird; und würde auf anderen Anwendungsgebieten, bei denen
solch hohe Schlag- oder Vibrationsbeanspruchung nicht stattfindet, tauglich sein.
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Tabelle II gibt die prozentuale Zusammensetzung, die Wärmebehandlung
und die Ergebnisse aus der Prüfung auf mechanische Eigenschaften für vier Prüfstäbe
-wieder, die drei Schmelzen mit wechselndem chemischem Gehalt innerhalb der bevorzugten
Zusammensetzungsgrenzen entnommen wurden. Tabelle II
Es wird ein deutlicher Einfluß des Ausscheidungshärtungsverfahrens bei erhöhten
Temperaturen beim Vergleich der Festigkeitswerte der 7,6% Silicium enthaltenden
Legierung mit denjenigen, die
8,10/0 Silicium aufweisen, aufgezeigt. Ein
5stündiges Warmauslagern bei 177°C verfestigte die Legierung mit dem niedrigeren
Siliciumgehalt auf einen beträchtlichen höheren Zugfestigkeitswert, als durch 4stündige
Warmauslagerung bei 160°C bei einer Legierung mit höherem Siliciumgehalt erreicht
werden konnte.
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Eine der zur Zeit in der gesamten Flugzeugindustrie für Konstruktionen
am meisten gebrauchten Aluminiumgußlegierungen ist die entsprechend der Legierungsbezeichnungsmethode
der Aluminium Company of America mit »356-T6« bezeichnete Legierung. Die Legierung
356-T6 ist eine Sandgußlegierung mit 6,5 bis 7,5°/o Silicium, 0,2 bis 0,4°/o Magnesium.
Der Rest ist Aluminium. Diese Legierung wird als eine Aluminiumlegierung hoher Festigkeit
für Sandguß angesehen und enthält mehr Silicium, als dies bei Sandgußlegierungen
gewöhnlich der Fall ist. Sie weist im Durchschnitt eine Zugfestigkeit von 23,1 kp/mm2,
eine Streckgrenze von 16,8 kp/mm' und eine Bruchdehnung von 3,5 0/0 auf.
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Die in Tabelle III mit 42B-T6 bezeichnete, erfindungsgemäß erhaltene
Legierung hat im Vergleich mit der in der Flugzeugindustrie in großem Ausmaß verwendeten
Standard-Sandgußlegierung 356-T6 eine bis zu 40 0/0 höhere Zugfestigkeit bei einer
gleichen Duktilität und weist außerdem bessere Vergießeigenschaften auf. Die Durchschnittseigenschaften
einer typischen Reihe von dreißig getrennt gegossenen Stäben für die Zugfestigkeitsprüfung,
deren chemische Zusammensetzung innerhalb des bevorzugten Bereiches liegt, werden
in Gruppe A der Tabelle III mit ähnlichen mechanischen Eigenschaften einer gleichen
Anzahl, für die Zugfestigkeitsprüfung getrennt gegossenen Stäben aus der Legierung
356 verglichen, die innerhalb
des Zusammensetzungsbereiches jener
Legierung lagen und lösungsgeglüht, abgeschreckt und warmausgelagert wurden (»T6«).
Die Prüfkörper aus der Legierung 356 wurden aus 30 Glühcbargen einer Legierung 356-T6
entnommen, die in einer Gießerei für den Flugzeugbau unter genauer metallurgischer
Kontrolle hergestellt wurde. Es wurden mechanische Eigenschaften erzielt, die den
normalerweise erreichten überlegen waren. Die mechanischen Eigenschaften des festesten
Stabes der 30 Prüfkörper aus diesen zwei Legierungen werden in Gruppe B der Tabelle
III-verglichen; während die ähnlichen Eigenschaften in Gruppe C der Tabelle III
für den schwächsten Prüf-Stab aus-jeder Gruppe der Prüfkörper in Vergleich gebracht
werden. Der in dieser Tabelle gebrauchte Ausdruck »Spec.« gibt typische Entwurfs-
und Konstruktionsbestimmungen für die einzelnen Metalle an, wie sie für eine Gießerei
in der Flugzeugindustrie aufgestellt wurden (Sollwerte).
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Die Wärmebehandlung für alle Prüfkörper aus der Legierung 42B in Tabelle
III war die gleiche wie bei der Standardwärmebehandlung T6. Es handelte sich um
eine bevorzugte Wärmebehandlung für die erfindungsgemäße verbesserte Legierung.
Diese bestand aus einer Lösungsglühbehandlung bei etwa 538 bis 549°C in einem Zeitraum
von 12 bis 18 Stunden, einer anfänglich bei 66 bis 82°C in warmem Wasser durchgeführten
Abschreckung und einer folgenden 3- bis 6stündigen Ausscheidungshärtung in einem
Temperaturbereich von 154 bis 171°C. Tabelle III
Man ersieht die Überlegenheit der Aluminiumlegierung 42B-T6 über die Standardlegierung
356-T6 beim Vergleich der in Tabelle III widergegebenen Eigenschaften, obwohl die
Legierung 356 nach einem kontrollierten, auf maximale Ergebnisse abgezielten Verfahren
hergestellt wurde, während die Zusammensetzung und- Maßnahmen hinsichtlich der Legierung
42B und das Verfahren vorsätzlich innerhalb spezifischer Grenzen verändert wurden,
um festzustellen, welche Eigenschaften von einem durchschnittlichen Guß zu erwarten
sind. Die durchschnittliche Streckgrenze der 30 Prüfkörper aus der Legierung 42B-T6
ist um 38,6°/o größer als diejenige der 30 Prüfkörper aus der Legierung 356-T6,
während die Zugfestigkeit der ersteren 21 °/o höher als die der letzteren ist. In
gleicher Weise weist für den einzelnen Prüfstab jeder Legierung mit den besten mechanischen
Eigenschaften von allen Prüfkörpern der Stab 42B-T6 eine 410/, größere Streckgrenze
und eine 22 °/o größere Zugfestigkeit als der Stab 356-T6 auf, während der schwächste
geprüfte Stab aus der Legierung 42B-T6 eine 47 °/o größere Streckgrenze und eine
23 °/o größere Festigkeit zeigte. Bei den Entwurfs- und Konstruktionsbestimmungen,
wie sie von der Gießerei für Flugzeugbau aufgestellt und laufend angewendet werden,
wird eine 40 °/o höhere Streckgrenze und Zugfestigkeit der Legierung 42B-T6 im Vergleich
zu denen der Legierung
356-T6 verlangt.
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Wie durch röntgenographische Untersuchung festgestellt wurde, ist
die Gußgüte der erfindungsgemäß verbesserten neuartigen Legierung mindestens so
gut wie diejenige der Legierung 356, was auch für die Bearbeitbarkeit trotz des
höheren Siliciumgehaltes zutrifft. Dies läßt sich aus der größeren Härte zusammen
mit der Modifikation des Siliciums und Eisens erklären. Die Widerstandsfähigkeit
gegen korrodierende Einflüsse ist, wahrscheinlich infolge der Zugabe von Beryllium,
besser als diejenige der Legierung 356. Bei der neuartigen Legierung ist die Fließfähigkeit
in der Form eindeutig verbessert und gestattet ein leichtes Vergießen von zusammengesetzten
Formen bei niedrigeren Temperaturen. Weiterhin weist die erfindungsgemäß verbesserte
Legierung, weil Silicium, Magnesium und Beryllium ein niedrigeres spezifisches Gewicht
als Aluminium haben, ein geringeres spezifisches Gewicht auf als die meisten sehr
festen Aluminiumlegierungen, einschließlich der Legierung 356. Dies ergibt sich
noch deutlicher hinsichtlich solcher Legierungen, die Kupfer oder Zink als härtende
Bestandteile enthalten. Es sei darauf hingewiesen, daß, obgleich diese Legierung
als Sandgußlegierung geprüft und benutzt wurde, sie auch für Druckgußstücke oder
bei Dauerformen unter noch größerer. Zunahme der Festigkeit verwendet werden kann.
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Das Verfahren zur Herstellung dieser Legierungen kann so durchgeführt
werden, daß man entweder reine Aluminiumbarren mit reinem Magnesium und Aluminium-Silicium-,
Aluminium-Beryllium- und Aluminium-Titan-Grundlegierungen legiert, oder man kann
sie durch Legieren von käuflichen Aluminium-Silicium-Magnesium-Titan-Legierungen,
wie z. B. von 356, mit reinen Magnesium-Aluminium-Silicium- und Aluminium-Beryllium-Grundlegierungen
gewinnen. Während des Legierungsvorganges soll die Temperatur im Bereich von mindestens
750 bis maximal 790°C liegen.
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Ein Modifizieren des Aluminium-Silicium-Eutektikums mit Natrium ist
notwendig, um die groben Siliciumkristalle in kleine sphäroide Kristalle unter Erzielung
einer Zunahme der Duktilität und Zugfestigkeit umzuwandeln. Eine günstige und zufriedenstellende
Behandlung zu diesem Zweck besteht in der
Zugabe von 0,02 bis 0,06
°/o metallischem. Natrium zu jeder Charge bei einer Schmelztemperatur von 750 bis
760°C. Für eine derartige Modifizierung kann man auch Kalium oder Lithium verwenden.
Eine Zugabe von Natrium wirkt sich normalerweise in einer ausgesprochenen Einbuße
an Metallfließfähigkeit aus. Der höhere Siliciumgehalt der Legierung führt indessen
zu solchen außergewöhnlichen Fließfähigkeitseigenschaften der Legierung, daß sie
sich ausgezeichnet bei einer Temperatur von 677 bis 705°C vergießen läßt.
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Die erfindungsgemäß verbesserte Legierung wurde nicht nur laboratoriumsmäßig,
sondern auf Grund von Produktionserfahrungen eines gewöhnlichen Gießereibetriebes
mit Überlegung entwickelt. Es ist z. B. bekannt, daß sowohl die Festigkeit als auch
die Duktilität eines Gußmetalls mit der Geschwindigkeit der Erstarrung größer werden.
So konnten sogar noch bessere Ergebnisse durch Benutzung von Abschreckplatten in
der Form an operativen Stellen zur Förderung der Erstarrung erzielt werden,. doch
liegt das genaue Anordnen solcher Abschreck-Gußformen oft nicht im Können des durchschnittlichen
Gießereifacharbeiters, so daß kein Gebrauch davon gemacht wurde.