DE1255928B

DE1255928B - Verfahren zur Erzielung eines langanhaltenden Veredelungseffektes in Aluminium-Silicium-Legierungen

Info

Publication number: DE1255928B
Application number: DEM67990A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Eckhard Dunkel; Dr-Ing Wolfgang Thiele
Original assignee: Metallgesellschaft AG
Current assignee: GEA Group AG
Priority date: 1966-01-13
Filing date: 1966-01-13
Publication date: 1967-12-07
Also published as: US3466170A; FR1507664A; LU52759A1; NL6618414A; GB1169104A; BE692488A

Description

Verfahren zur Erzielung eines langanhaltenden Veredelungseffektes in Aluminium-Silicium-Legierungen Es ist bekannt, in Al-Si-Legierungen mit 5 bis i3% Si eine feine eutektische Gefügeausbildung durch Zusätze herbeizuführen und dadurch die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen zu verbessern. Nach bekannten Vorschlägen sollen solche Al-Si-Legierungen mit zahlreichen Alkalimetallen und Erdalkalimetallen oder Gemischen dieser Metalle oder ihrer Verbindungen veredelt werden können. In gleicher Weise wird hierbei auch das Beryllium genannt. Es ist ferner bekannt, in Al-Si-Legierungen mit 5 bis 13 % Si durch Zusatz von Calcium einen Veredelungseffekt zu erzielen, dessen zeitliche Wirkung über den von einer Natriumveredelung her bekannten hinausgeht. Schließlich sind Al-Si-Legierungen mit geringen Strontiumgehalten und guten technologischen Eigenschaften für die Verwendung als Werkstoff für hochbeanspruchte Kolben und Zylinderköpfe bekanntgeworden. Der überwiegende Teil der bekannten Verfahren zur Veredelung von Al-Si-Legierungen, insbesondere die seit über 40 Jahren bekannten Vorschläge, welche die Verwendung der Erdalkalimetalle zum Gegenstand haben, hat sich in der Praxis nicht durchsetzen lassen, und die Fachwelt hat diesen Vorschlägen als papierenen Stand der Technik keinerlei praktische Bedeutung zugemessen.
Lediglich die Veredelung mit Natrium bzw. natriumabgebenden Substanzen konnte Eingang in die Gießereitechnik finden, jedoch ließ sich bisher der Veredelungseffekt durch einmalige Natriumzugabe nur für eine ungenügende Dauer aufrechterhalten. Aus diesem Grunde müssen beispielsweise beim Kokillengießverfahren Al-Si-Legierungsschmelzen periodisch nachveredelt werden, was den kontinuierlichen Arbeitsablauf stört. Die Einstellung des richtigen Veredelungsgrades gelingt in Al-Si-Schmelzen erfahrungsgemäß nicht immer mit genügender Treffsicherheit, da Dosierungs- und Verfahrensfehler bei der Einbringung von metallischem Natrium oder natriumabgebenden Substanzen zu den entsprechenden Schmelzen nicht vermieden werden können, die zu schwerwiegenden Mängeln oder zu Ausschuß der aus diesen Schmelzen hergestellten Gußstücke führen. Auch sind der Anwendung von entgasend wirkenden oder anderweitigen Schmelzereinigungsmitteln bei natriumveredelten Al-Si-Legierungsschmelzen auf Grund der leichteren Flüchtigkeit und der starken Reaktivität des Natriums enge Grenzen gesetzt. Mit Calcium veredelte Al-Si-Legierungsschmelzen zeigen zwar einen Veredelungseffekt, der allerdings schwächer als der des Natriums ist, dessen zeitliche Wirkung jedoch über die mit Natrium erzielbare Wirkung anhält. Calciumveredelte AI-Si-Legierungen weisen jedoch schwerwiegende Nachteile auf. So wird durch den Calciumzusatz die Oxydationsneigung eutektischer AI-Si-Legierungen in starkem Maße gefördert, und derartig behandelte Legierungen sind mit ihrer schmutziggrauen Farbe bereits äußerlich unansehnlich (üblich behandelte AI-Si-Legierungen sind metallisch glänzend) und weisen ferner an den Anschnittstellen von Gußstücken die in der Gießereipraxis als »Elefantenhaut« bezeichnete Erscheinung der Oxydhautbildung auf, die in höchstem Maße unerwünscht ist. Der entscheidende Nachteil von calciumveredelten AI-Si-Legierungen ist jedoch darin zu sehen, daß lediglich nur sehr rasch erstarrte Gußstückpartien, beispielsweise in Kokillengußteilen mit Wandstärken von 3 mm, ein pseudoveredeltes Gefüge aufweisen, wobei an Stellen örtlicher überhitzung lamellares Gefüge auftritt. Je langsamer die Erstarrung vor sich geht, desto mehr Zonen lamellaren Gefüges treten auf, was die vermehrte Bildung der für lamellares Gefüge typischen Lunkererscheinungen zur Folge hat. Diese Lunkererscheinungen sind äußerst nachteilig, da sie durch die üblichen Speisungsmaßnahmen nicht zu beseitigen sind.
Bei calciumveredelten Al-Si-Legierungsschmelzen bleibt zwar der Veredelungseffekt bei einem Umschmelzprozeß erhalten, jedoch verstärken sich auch hierbei wiederum die oxydischen Einflüsse.
Insgesamt gesehen hat daher die Veredelung von AI-Si-Legierungen mit Calcium mehr nachteilige Wirkungen im Gefolge, denen gegenüber der beobachtete länger anhaltende Veredelungseffekt zwangläufig in den Hintergrund tritt. Daher hat sich auch dieses Verfahren trotz scheinbarer Vorteile in der Praxis nicht einführen und durchsetzen lassen. Man hat sich im Gegenteil in den Aluminiumhütten darum bemüht, das Calcium aus Al-Si-Legierungen zu entfernen.
Es ist daher wünschenswert, ein Verfahren in der Praxis zur Verfügung zu haben, das die Vorteile der bekannten Verfahren aufweist und deren Nachteile dabei gleichzeitig vermeidet und das ferner einen Werkstoff für die Herstellung hochbeanspruchter Konstruktionsteile bereitstellt.
Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Erzielung eines langanhaltenden Veredelungseffektes von Aluminium-Silicium-Legierungen durch Einbringung eines Erdalkalimetalls in geringer Menge in Al-Si-Legierungsschmelzen. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß einer AI-Si-Legierungsschmelze mit 5 bis 14% Silicium, die gegebenenfalls noch Gehalte an Magnesium und/oder Zink, sowie weitere übliche Zusätze neben den Verunreinigungen aufweisen kann, Strontium und Barium einzeln oder gemeinsam in einer Menge von 0,001 bis 2,0%, vorzugsweise 0,05 bis 0,2% zugesetzt wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur für binäre Aluminium-Silicium-Legierungen, sondern im gleichen Maße für AI-Si-Legierungen mit weiteren Zusätzen an Legierungskomponenten. Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete AI-Si-Legierungen sind beispielsweise warmaushärtbare magnesiumhaltige Al-Si-Legierungen des Typs G AI Si l O Mg, G A1 Si 7 Mg und G AI Si 5 Mg oder kaltaushärtbare Zn- und Mg-haltige Legierungen des Typs GAISi8Zn10Mg. Die verwendeten Al-Si-Legierungen können die an sich üblichen Zusätze aufweisen; so wirken Gehalte an Cu, Mn, Fe, Ni, Ti, Pb oder Sn in einer Gesamtmenge von 8% keineswegs nachteilig oder störend.
Die gemäß dem Verfahren der Erfindung erforderlichen Zusätze von Strontium und Barium oder von beiden gemeinsam können als reine Metalle erfolgen. In manchen Fällen ist es jedoch zweckmäßig, Vorlegierungen dieser Metalle zu verwenden. Geeignete Legierungen sind beispielsweise AI-Sr-Legierungen mit 7% Sr oder Al-Ba-Legierungen mit 5% Ba. Die Einbringung erfolgt hierbei in an sich bekannter Weise, d. h., die Al-Si-Legierung wird beispielsweise im Hüttenbetrieb nach üblicher Schmelzung und Schmelzereinigung mit einer AI-Sr- oder AI-Ba-Legierung durch Eintauchen, Übergießen oder Einrühren behandelt und legiert und in an sich bekannter Weise zu Masseln vergossen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch vorteilhaft in der Weise ausgeführt werden, daß Strontium und/oder Barium in Form von Metallsalzen bzw. -verbindungen der Al-Si-Legierungsschmelze zugesetzt werden. Zweckmäßig werden hierbei die Oxyde, Sulsate und/oder Karbonate verwendet. In an sich bekannter Weise kann hierbei durch Zusatz von Halogensalzen der Alkalien oder anderer Erdalkalien der Schmelzpunkt solcher Gemische und damit deren Reaktivität verbessert werden, d. h., Strontium und/oder Barium werden leichter von der Al-Si-Legierungsschmelze aufgenommen. Die Salzgemische lassen sich auch in gepreßter Form anwenden und können auch noch reduzierende feinteilige Metalle, wie Aluminium oder Magnesium, enthalten, wodurch die Freisetzung des Strontiums oder Bariums und die Aufnahme in die AI-Si-Legierungsschmelze erleichtert wird.
Es hat sich ferner gezeigt, daß gemäß dem Verfahren der Erfindung durch einen Zusatz von Beryllium in einer Menge von 0,001 bis 2,01/o, vorzugsweise 0,05 bis 0,2%, der Gesamteffekt des Strontium- und/oder Bariumzusatzes in der AI-Si-Legierung unterstützt werden kann.
Hierbei kann der Berylliumzusatz gleichzeitig mit bzw. vor oder nach dem Zusatz des Strontiums und/ oder Bariums erfolgen. Während Beryllium für sich allein weder einen Veredelungseffekt in AI-Si-Legierungen hervorruft, noch auf die Oxydation strontium-oder bariumfreier AI-Si-Legierungen einen merklichen oder nennenswerten Einfluß ausübt, wird ,durch die gemeinsame Anwesenheit dieser Elemente ein synergistischer Effekt erzielt. Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf: Die Oxydation des Strontiums wird durch Beryllium verhindert, so daß in der Schmelze kein Strontium verlorengeht und der Veredelungseffekt noch länger aufrechterhalten wird.
Dieser Effekt hält mindestens 2 und bis zu 10 Stunden an, wobei fallweise in Abhängigkeit von Zugabemengen und Temperatur der Al-Si-Legierung die Standzeiten auch über diesen Wert hinausgehen können. Hierdurch wird es in der betrieblichen Praxis ermöglicht, große Chargen kontinuierlich oder auch diskontinuierlich zu verarbeiten, ohne eine Nachveredelung der Schmelzenchargen während des Prozesses einschalten zu müssen. Darüber hinaus geht der Veredelungseffekt durch wiederholtes Aufschmelzen nicht nur nicht verloren, sondern vielmehr wird durch den Umschmelzprozeß der Legierung eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäß behandelten AI-Si-Legierungen erzielt, wobei sich die siliciumreiche Phase des Eutektikums noch feiner und noch stärker abgerundet ausscheidet als in den Gußstücken der Legierung der ersten Schmelzung. Die mit Strontium und/oder Barium veredelten AI-Si-Legierungsschmelzen weisen ferner ein ausgezeichnetes Fließverhalten auf, welches besser als dasjenige der mit Natrium veredelten Al-Si-Legierungen ist und etwa demjenigen der unbehandelten AI-Si-Legierungen entspricht.
Die erfindungsgemäß behandelten AI-Si-Legierungen können mit besonderem Vorteil einer Behandlung mit entgasend wirkenden oder anderen Schmelzereinigungsmitteln für die Herstellung eines porenfreien Gusses unterworfen werden, da sich solche AI-Si-Schmelzen mit inerten oder auch reaktiven Gasen zwecks Beseitigung eines schädlichen Gasgehaltes behandeln lassen, ohne daß die Feinkörnigkeit der Legierung dabei verloren geht.
Die gemäß dem Verfahren der Erfindung behau- , delten Legierungen lassen sich mit Vorteil als Werkstoffe für die Herstellung hochbeanspruchter Leichtkonstruktionsteile verwenden, bei denen es auf eine Dehnung ankommt, wobei :diese Teile eine Bruchdehnung über 10 %, eine Zugfestigkeit über 19 kp/mm2 und eine Streckgrenze über 9 kp/mm2 aufweisen müssen. Ferner lassen sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten Al-Si-Legierungen auch als Werkstoffe für solche Konstruktionsteile verwenden, bei denen es auf eine hohe Zugfestigkeit und Streckgrenze ankommt und die eine Zugfestigkeit über 36 kp/mm2, eine Streckgrenze von 32 kp/mm2, bei einer Bruchdehnung von 3 % aufweisen müssen.
So lassen sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten AI-Si-Legierungen, beispielsweise eine Legierung mit 7% Si, 0,65% Mg und 0,1% Sr, mit besonderem Vorteil für die Herstellung hochbeanspruchter und kompliziert gestalteter Maschinen- und Konstruktionsteile verwenden, beispielsweise für Kurbelgehäuse von Motoren, Fahrwerk-und Lenkungsteile von Automobilen und Flugzeugen, Kettbäume von Textilmaschinen usw.
Ferner sind die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten AI-Si-Legierungen, insbesondere wenn sie einer Aushärtung unterzogen worden sind, sehr gut verarbeitbar. Diese Legierungen eignen sich deshalb vor allem für Teile, die einer spanabhebenden Feinstbearbeitung unterzogen werden müssen, z. B. Ventilgehäuse und Armaturenteile, deren Ventilsitze eine glatte Oberfläche aufweisen müssen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird an Hand der nachstehenden Beispiele näher erläutert. Beispiel 1 Einer Legierung der Zusammensetzung 7% Si, 0,65% Mg, Rest Al, wurden bei 740'° C 0,1% Sr über eine AI-Vorlegierung mit 5% Sr zulegiert. Die Al-Si-Legierung stand im schmelzflüssigen Zustand 2 Stunden ab und wurde danach zu Sand- und Kokillengußstäben vergossen. Der Rest der Schmelze wurde zu Blöcken vergossen. Die Stäbe wurden 8 Stunden bei 535° C geglüht, in Wasser abgeschreckt, 4 Stunden bei Raumtemperatur ausgelagert und danach 12 Stunden bei 160° C warmausgehärtet, wobei sich folgende mechanische Eigenschaften ergaben:

Zug- Streck- Bruch- Brinell-
festigkeit grenze dehnung härte
kp/mm- kp,/mm2 % kp/mm2
Sand ........... 27,8 24,3 1,3 96,3
Kokille . . . . . . . . .
31,5
24,3
6,5
97,2

Das obenerwähnte Blockmaterial wurde wieder aufgeschmolzen, zu Probestäben in Sand und Kokille vergossen und der gleichen Wärmebehandlung -wie oben beschrieben- unterworfen, wobei sich folgende Eigenschaften ergaben-

Zug- Streck- Bruch- Brinell-

festigkeit grenze dehnung härte

kp/mm= kp,/mm2 °/o kp!mm2

Sand . . . . . . . . . . . 32,6 28,3 1,2 111,5

Kokille . . . . . . . . .

37,0

33,2I 3,0

121,7

Beispiel 2 In 8,5 kg einer Al-Si-Legierungsschmelze mit 12 0/0 Silicium wurden bei 700°C Tabletten eingebracht, die aus einer Mischung von 67% SrC03 und 330/ö Mg-Pulver bestanden. Der Strontiumgehalt der eingebrachten Mischung betrug 66,7g. Die behandelte AI-Si-Legierung wies einen Sr-Gehalt von 0,3% auf. Die aus dieser Schmelze nach 4stündiger Standzeit bei 700°C bei derselben Temperatur gegossenen Proben zeigten ein sehr gut veredeltes Gefüge.

Beispiel 3 Zur Ermittlung der Fließfähigkeit wurde eine AI-Si-Legierung mit 9,7% Si neben üblichen Verunreinigungen hergestellt, die Charge in drei Proben gleicher Menge bei 720°C in eine Spiralform nach Ph. S c h n e i d e r vergossen und die Spiralenlänge der vergossenen AI-Si-Legierung ermittelt.
Die Spiralenlänge der nicht veredelten Legierungsprobe betrug 103 cm. Die zweite Probe wurde mit einer Al-Vorlegierung, enthaltend 5% Sr, bei 720°C behandelt und hierdurch ein Gehalt von 0,1% Sr in der AI-Si-Legierungsschmelze eingestellt.
Diese zweite Probe ergab eine Spiralenlänge von 104 cm. Die mit 1,5 % eines handelsüblichen Natriumveredelungssalzes behandelte und gleichfalls bei 720° C abgegossene dritte Probe hatte eine Spiralenlänge von 81 cm.

Claims

Patentansprüche: 1. Verfahren zur Erzielung eines langanhaltenden Veredelungseffektes in Aluminium-Silicium-Legierungen durch Zusatz eines Erdalkalimetalls, dadurch gekennzeichnet, daß einer Al-Si-Legierungsschmelze mit 5 bis 14% Silicium, die gegebenenfalls noch Gehalte an Magnesium und/oder Zink sowie weitere übliche Zusätze neben den Verunreinigungen aufweisen kann, Strontium und Barium einzeln oder gemeinsam in einer Menge von 0,001 bis 2,0%, vorzugsweise 0,05 bis 0,2%, zugesetzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strontium und/oder Barium als reines Metall oder als Vorlegierung eingebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Strontium und/oder Barium in Form der Metallsalze bzw. -verbindungen, insbesondere der Oxyde, Sulfate und/oder Karbonate, gegebenenfalls in Mischung mit reduzierenden feinteiligen Metallen und/oder mit anderen Alkalisalzen, zugesetzt wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Unterstützung des langanhaltenden Veredelungseffektes Beryllium in einer Menge von 0,001 bis 2,0%, vorzugsweise 0,05 bis 0,2%, zugesetzt wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 459 408, 496 856; französische Patentschrift Nr. 723 418; österreichische Patentschriften Nr. 1.36 265, 197 586; Patentschrift Nr. 19 324 des Amtes für Erfindungs-und Patentwesen in der sowjetischen Besatzungszone Deutschlands.