DE1269364B

DE1269364B - Process for achieving a long-lasting refining effect in aluminum-silicon alloys

Info

Publication number: DE1269364B
Application number: DE19661269364
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: 1968-05-30

Description

Verfahren zur Erzielung eines lang anhaltenden Veredelungseffektes in Aluminium-Silizium-Legierungen Es ist bekannt, in AI-Si-Legierungen mit 5 bis 13 % Si eine feine eutektische Gefügeausbildung durch Zusätze herbeizuführen und dadurch die mechanischen Eigenschaften dieser Legierungen zu verbessern. Nach bekannten Vorschlägen sollen solche AI-Si-Legierungen mit zahlreichen Alkalimetallen und Erdalkalimetallen oder Gemischen dieser Metalle oder ihrer Verbindungen veredelt werden können (deutsche Patentschriften 459 508, 496 856). Zur Unterstützung des Veredelungseffektes mit Natrium wird auch das Beryllium genannt (deutsche Patentschrift 1136 830). Es ist ferner bekannt, in AI-Si-Legierungen mit 5 bis 13 1/o Si durch Zusatz von Calcium einen Veredelungseffekt zu erzielen, dessen zeitliche Wirkung über den von einer Natriumveredelung her bekannten hinausgeht (Patentschrift 19 234) des Amtes für Erfindungs- und Patentwesen in Ost-Berlin. Der überwiegende Teil der bekannten Verfahren zur Veredelung von AJ-Si-Legierungen, insbesondere die seit über vierzig 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.Process for achieving a long-lasting refinement effect in aluminum-silicon alloys It is known to use additives in Al-Si alloys with 5 to 13 % Si to bring about a fine eutectic structure and thereby improve the mechanical properties of these alloys. According to known proposals, such Al-Si alloys should be able to be refined with numerous alkali metals and alkaline earth metals or mixtures of these metals or their compounds (German patents 459 508, 496 856). Beryllium is also mentioned to support the refinement effect with sodium (German patent specification 1136 830). It is also known to achieve a refinement effect in Al-Si alloys with 5 to 13 1 / o Si by adding calcium, the temporal effect of which goes beyond that known from sodium refinement (patent 19 234) of the Office for Invention and Patent system in East Berlin. The majority of the known processes for refining AJ-Si alloys, in particular the proposals that have been known for more than forty years, which have the use of alkaline earth metals as their subject, have not been implemented in practice, and the experts have these proposals as paper Prior art is not given any practical importance.

Lediglich die Veredelung mit Natrium bzw. Natrium abgebenden 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-Legierungssehmelzen periodisch nachveredelt werden, was den kontinuierlichen Arbeitsablauf stört. Die Einstellung des richtigen Veredelungsgrades gelingt in AI-Si-Schmelzen erfahrungsgemäß nicht immer mit genügender Treffsicherheit, da Dosierungs- und Verfahrensfehler bei der Einbringung von metallischem Natrium oder Natrium abgebenden 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 Caleium veredelte AI-Si-Legierungsschmelzen zeigen zwar einen gewissen Veredelungseffekt, der allerdings schwächer als der des Natriums ist, dessen zeitliche Wirkung jedoch über die mit Natrium erzielbare Wirkung anhält. Nur mit Caleium behandelte AI-Si-Legierungen weisen jedoch schwerwiegende Nachteile auf. So wird durch den Calciumzusatz die Oxydationsneigung eutektischer AI-Si-Legierungen in starkem Maß gefördert, und derart behandelte Legierungen zeigen mit ihrer schmutziggrauen Farbe bereits äußerlich ein unansehnliches, nicht metallisch glänzendes Erscheinungsbild. Sie weisen ferner an den Anschnittstellen von Gußstücken die in der Gießereipraxis als »Elefantenhaut« bezeichnete Erscheinung der Oxydhautbildung auf, die in höchstem Maß unerwünscht ist. Der entscheidende Nachteil von caleiumveredelten 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.Only the refinement with sodium or sodium-releasing substances could find its way into foundry technology, but so far the refinement effect could only be maintained for an insufficient period by adding sodium once. For this reason, Al-Si alloy melts have to be periodically refined in the chill casting process, for example, which disrupts the continuous workflow. Experience has shown that the setting of the correct degree of refinement in Al-Si melts does not always succeed with sufficient accuracy, since dosing and procedural errors when adding metallic sodium or sodium-releasing substances to the corresponding melts cannot be avoided, which could lead to serious defects or rejects the castings produced from these melts lead. The use of degassing or other melt cleaning agents in sodium-refined Al-Si alloy melts are also subject to narrow limits due to the easier volatility and the strong reactivity of sodium. Al-Si alloy melts refined with Caleium show a certain refining effect, which is, however, weaker than that of sodium, but whose temporal effect persists beyond the effect that can be achieved with sodium. Al-Si alloys treated only with Caleium, however, have serious disadvantages. By adding calcium, the tendency to oxidation of eutectectic Al-Si alloys is strongly promoted, and alloys treated in this way, with their dirty gray color, have an unsightly, non-metallic appearance on the outside. In addition, at the cut-off points of castings, they show the phenomenon of oxide skin formation, known in foundry practice as "elephant skin", which is extremely undesirable. The decisive disadvantage of caleium-refined Al-Si alloys, however, is to be seen in the fact that only very rapidly solidified cast parts, for example in chill cast parts with wall thicknesses of 3 mm, have a pseudo-refined structure, with lamellar structure occurring at points of local overheating. The slower the solidification takes place, the more zones of lamellar structure occur, which results in the increased formation of the voids typical of lamellar structures. These shrinkage phenomena are extremely disadvantageous because they cannot be eliminated by the usual feeding measures.

Bei ealciumveredelten Al-Si-Legierungsschmelzen bleibt zwar ein gewisser Veredelungseffekt bei einem Umschmelzprozeß erhalten, jedoch verstärken sich auch hierbei wiederum die oxydischen Einflüsse.With ealcium-refined Al-Si alloy melts, a certain amount remains Refinement effect obtained in a remelting process, but also intensify here again the oxidic influences.

Insgesamt gesehen hat daher die Veredelung von AI-Si-Legierungen mit Caleium 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 AI-Si-Legierungen zu entfernen.Overall, therefore, has the refinement of Al-Si alloys with Caleium has more adverse effects in the wake compared to those observed longer lasting finishing effect inevitably takes a back seat. Therefore has also failed to introduce this procedure in practice despite its apparent advantages and let it prevail. One has on the contrary in the aluminum smelters endeavored to remove the calcium from Al-Si alloys.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Erzielung eines lang anhaltenden Veredelungseffektes in calciumhaltigen Aluminium-Silicium-Legierungen. Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß einer caleiumhaltigen 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, Beryllium und Calcium jeweils in einer Menge von 0,001 bis 2,0% zugesetzt werden.The invention therefore relates to a method for achieving a long-lasting refining effect in calcium-containing aluminum-silicon alloys. According to the invention, this is achieved in that a calcium-containing Al-Si alloy melt with 5 to 14% silicon, which may also contain magnesium and / or zinc and other common additives in addition to the impurities, beryllium and calcium each in one amount from 0.001 to 2.0% can be added.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich nicht nur für binäre Aluminium-Silicium-Legierungen, sondem im gleichen Maß für AI-Si-Legierungen mit weiteren Zusätzen an Legierungskomponenten. Für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete AI-Si-Legierungen sind beispielsweise warinaushärtbare magnesiumhaltige AI-Si-Legierungen des Typs G AlSilOMg, G AlSi7Mg und G AlSi5Mg oder kaltaushärtbare Zn- und Mg-haltige Legierungen des Typs G AlSi8ZnIOMg. Die verwendeten AI-Si-Legierungen können die an sich üblichen Zusätze aufweisen; so wirken Gehalte an Cii, Mn, Fe, Ni, Ti, Pb oder Sn in einer Gesamtmenge von 8% keineswegs nachteilig oder störend.The method according to the invention is not only suitable for binary aluminum-silicon alloys, but to the same extent for Al-Si alloys with further additions of alloy components. Al-Si alloys suitable for the process according to the invention are, for example, hardenable magnesium-containing Al-Si alloys of the type G AlSilOMg, G AlSi7Mg and G AlSi5Mg or cold-hardenable Zn and Mg-containing alloys of the type G AlSi8ZnIOMg. The Al-Si alloys used can have the usual additives; for example, contents of Cii, Mn, Fe, Ni, Ti, Pb or Sn in a total amount of 8% are by no means disadvantageous or disruptive.

Die gemäß dem Verfahren der Erfindung erforderlichen Zusätze von Beryllium und Calcium können als reine Metalle erfolgen. In vielen Fällen ist es jedoch zweckmäßig, Vorlegierungen dieser Metalle zu verwenden. Geeignete Legierungen sind beispielsweise AI-Be-Legierungen mit 5 % Be und gegebenenfalls bis 1 1/o Mg oder Al-Ca-Legierungen mit 5 % Ca. Die Einbringung erfolgt hierbei in an sich bekannter Weise, d. h., die AI-Si-Legierung wird beispielsweise im Hüttenbetrieb nach üblicher Schmelzung und Schmelzereinigung mit einer Al-Be- oder AI-Ca-Legierung durch Eintauchen, übergießen oder Einrühren behandelt und legiert und in an sich bekannter Weise zu Masseln vergossen.The additions of beryllium and calcium required according to the method of the invention can be made as pure metals. In many cases, however, it is advisable to use master alloys of these metals. Suitable alloys are, for example Al-Be alloys with 5% Be and optionally up to 1 1 / o Mg or Al-Ca alloys with 5% Ca. The introduction takes place here in a conventional manner, d. That is, the Al-Si alloy is treated and alloyed, for example in the ironworks after the usual melting and smelt cleaning, with an Al-Be or Al-Ca alloy by immersion, pouring over or stirring in, and cast into pigs in a manner known per se.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann aber auch vorteilhaft in der Weise ausgeführt werden, daß Beryllium und Caleium in Form von Metallsalzen bzw. -verbindungen der Al-Si-Legierungsschmelze zugesetzt werden. Zweckmäßig werden z. B. die Oxyde, Sulfate 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., Beryllium und Caleium werden leichter von der AI-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 Berylliums und Calciums und die Aufnahme in die Al-Si-Legierungsschmelze erleichtert wird. Der Berylliumzusatz kann gleichzeitig mit bzw. vor oder nach dem Zusatz des Calciums erfolgen. Um den Ausbrand des Calciums niedrig zu halten, ist es jedoch zweckmäßig, das Beryllium vor dem Caleium in die Schmelze einzubringen. Während Beryllium für sich allein weder einen Veredelungseffekt in AI-Si-Legierungen hervorruft, noch auf die Oxydation caleiumfreier Al-Si-Legierungen einen merklichen oder nennenswerten Einfluß ausübt, wird durch die gemeinsame Anwesenheit dieser Elemente ein synergistischer Effekt erzielt, der eine volle Veredelung herbeiführt. Die Oxydation des Calciums wird durch Beryllium verhindert, so daß in der Schmelze kein Caleium verlorengeht und der Veredelungseffekt noch länger aufrechterhalten wird.The process according to the invention can, however, also advantageously be carried out in such a way that beryllium and calcium are added to the Al-Si alloy melt in the form of metal salts or compounds. Appropriate z. B. the oxides, sulfates and / or carbonates are used. In a manner known per se, the melting point of such mixtures and thus their reactivity can be improved by adding halogen salts of alkalis or other alkaline earths . i.e., beryllium and caleium are more easily absorbed by the Al-Si alloy melt. The salt mixtures can also be used in pressed form and can also contain reducing, finely divided metals such as aluminum or magnesium, which facilitates the liberation of the beryllium and calcium and their absorption into the Al-Si alloy melt. The addition of beryllium can take place simultaneously with or before or after the addition of calcium. In order to keep the burnout of the calcium low, however, it is advisable to introduce the beryllium into the melt before the caleium. While beryllium by itself neither causes a refining effect in Al-Si alloys, nor does it have a noticeable or significant influence on the oxidation of Al-Si alloys free of calories, the combined presence of these elements achieves a synergistic effect that brings about full refinement . The oxidation of the calcium is prevented by beryllium, so that no calcium is lost in the melt and the refining effect is maintained even longer.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Reihe von Vorteilen auf: Die erfindungsgemäß behandelten Al-Si-Legierungsschmelzen besitzen eine stark verminderte Oxydationsneigung, lassen sich lunkerfrei und frei von oxydischen Einschlüssen gießen und sind frei von sogenannter »Elefantenhaut«. Demzufolge sind auch die mechanischen Eigenschaften bemerkenswert besser als die berylliumfreier und mit Caleium veredelter AI-Si-Legierungen, so daß das bekannte Verfahren erst durch die Verwendung von Beryllium in der Gießereipraxis einsatzfähig wird. Die mit Beryllium und Calcium herbeigeführte Veredelungswirkung bleibt ferner über einen sehr großen Zeitraum erhalten. Dieser Effekt hält mindestens 2 und bis zu 10 Stunden an, wobei fallweise in Ab- hängigkeit von Zugabemengen und Temperatur der AI-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 Schmelzenehargen während des Prozesses einschalten zu müssen. Darüber hinaus geht der Veredelungseffekt durch wiederholtes Aufschmelzen nicht nur nicht verloren, sondem 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 Beryllium. und Calcium veredelten AI-Si-Legierungsschmelzen weisen ferner ein ausgezeichnetes Fließverhalten auf, welches besser als dasjenige der mit Natrium veredelten AI-Si-Legierungen ist und etwa demjenigen der unbehandelten AI-Si-Legierungen entspricht.The process according to the invention has a number of advantages: The Al-Si alloy melts treated according to the invention have a greatly reduced tendency to oxidize, can be poured free of voids and oxidic inclusions and are free of so-called "elephant skin". As a result, the mechanical properties are also remarkably better than the beryllium-free Al-Si alloys refined with Caleium, so that the known method can only be used in foundry practice through the use of beryllium. The refining effect brought about by beryllium and calcium is also retained over a very long period of time. This effect lasts for at least 2 and up to 10 hours, wherein the case, the service life can also exceed this value as a function of added amounts and temperature of the Al-Si alloy. This makes it possible in operational practice to process large batches continuously or discontinuously without having to switch on post-processing of the melt batches during the process. In addition, the refining effect is not only not lost through repeated melting, but rather an improvement in the mechanical properties of the Al-Si alloys treated according to the invention is achieved through the remelting process of the alloy, whereby the silicon-rich phase of the eutectic is even finer and more rounded than in the castings of the alloy of the first melt. The ones with beryllium. and calcium refined Al-Si alloy melts also have excellent flow behavior, which is better than that of the Al-Si alloys refined with sodium and corresponds approximately to that of the untreated Al-Si alloys.

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 verlorengeht.The Al-Si alloys treated according to the invention can with particular Advantage of treatment with degassing agents or other melt cleaning agents for the production of a pore-free cast, as such Al-Si melts with inert or reactive gases for the purpose of eliminating a harmful Treat the gas content without losing the fine grain of the alloy.

Die gemäß dem Verfahren der -Erfindung behandelten Legierungen lassen sich mit Vorteil als Werkstoffe für die Herstellung von Leichtkonstruktionsteilen verwenden, bei denen es bei normaler Zugfestigkeit und Streckgrenze auf eine hohe Dehnung ankommt. Ferner lassen sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten AI-Si-Legierungen auch als Werkstoffe für solche Konstruktionsteile verwenden, bei denen es auf eine hohe Zugfestigkeit und Streckgrenze ankommt und die eine Bruchdehnung von mindestens 3% aufweisen müssen.Leave the alloys treated according to the method of the invention are advantageous as materials for the production of lightweight construction parts use where there is normal tensile strength and yield strength to a high Stretching matters. Furthermore, those treated by the method according to the invention can be used Al-Si alloys also use as materials for such construction parts where high tensile strength and yield point are important, and elongation at break of at least 3%.

So lassen sich die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelten beryllium- und calciumhaltigen AI-Si-Legierungen mit besonderem Vorteil für die Herstellung hochbeanspruchter und kompliziert gestalteter Maschinen- und Konstraktionsteile verwenden, beispielsweise für Kurbelgehäuse von Motoren, Fahrwerk- und Lenkungsteile von Automobilen und Flugzeugen, Kettbäume von Textilmaschinen USW. Thus, the beryllium and calcium-containing Al-Si alloys treated by the process according to the invention can be used with particular advantage for the production of highly stressed and complex machine and construction parts, for example for crankcases of engines, chassis and steering parts of automobiles and aircraft, warp beams of textile machines, etc.

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.Furthermore, the Al-Si alloys treated by the method according to the invention, especially if they have been subjected to a hardening process, they are very easy to process. These alloys are therefore particularly suitable for parts that require machining Finishing must be subjected to, z. B. valve housing and valve parts, the valve seats of which must have a smooth surface.

Claims

1. A method for obtaining a long lasting refinement effect in ealeiumhaltigen aluminum-silicon alloys, d a d u rch g e -kennzeichnet that an Al-Si alloy melt having 5 to 14 D / o Si, which optionally also contents of magnesium and / or zinc and other customary additives in addition to the impurities, beryllium and calcium can each be added in an amount of 0.001 to 2.0%.

2. The method according spoke 1, characterized in that the beryllium and calcium are introduced as pure metals or as a master alloy. 3. The method according to claim 1, characterized in that beryllium and calcium in the form of the metal salts or compounds, in particular the oxides, sulfates and / or carbonates, optionally mixed with reducing finely divided metals and / or with other alkali salts, are added.

Considered publications: German Patent Specifications Nos. 1136 830, 459 508, 496 856; Patent No. 19 234 of the Office for Invention and Patents in East Berlin; Austrian Patent Nos. 136 265, 197 586; French patent specification No. 723 418.