DE1932537A1

DE1932537A1 - Aluminium-Legierungen

Info

Publication number: DE1932537A1
Application number: DE19691932537
Authority: DE
Inventors: Bainbridge Ian Frank; Strong Frederick James
Original assignee: Comalco Aluminum Ltd
Current assignee: Rio Tinto Aluminium Ltd
Priority date: 1968-06-25
Filing date: 1969-06-23
Publication date: 1970-02-05
Also published as: AU3970368A; FR2011660A1

Description

1937537 Patentanwälte iv.öto.or

Dipi.-ing. Walter Meissner Dipi-ing. Herbert Tischer

1 BERLIN 33, HERBERTSTRASSE 22 Fernsprecher: 8 87 72 37 —Drahtwort: Invention Berlin Pottecheckkonto: W. Meissner, Berlin West 122 82 Bankkonto: W. Meissner, Berliner Bank A.-Q., Depka 36, Berlln-Halensee, KurtUretendamm 130, Konto Nr. 95 716

MÜNCHEN 1 BERLIN 33 (GRUNEWALD), den

HerbertetraBe 22

GOC-D 479

1969

COMALCO ALUMINIUM (BELL BAY) Ltd., Bell Bj^,Tasmania^.Australien

Aluminium-Legierungen

Die Erfindung betrifft allgemein Aluminiumlegierungen und insbe-. sondere Gußlegierungen auf der Grundlage von Aluminium-Silizium, die beständige mechanische und Gießeigenschaften aufgrund deren gesteuerter MikroStruktur und Vefestigungscharakteristika besitzen.

Allgemein bekannt sind die Eigenschaften eutektischer Aluminium-Silizium- Legierungen, die durch Zusatz von Natrium modifiziert sind und derartige Legierungen werden allgemein zum Herstellen von Gußstücken angewandt. Die durch die Modifizierung der Legierung erzielte Verbesserung der mechanischen und Gießeigenschaften hängt von der Veränderung der Form des Eutektikums des Aluminium-Siliziums ab, wodurch sich gleichzeitig eine Veränderung des Verfestigungsverfahrens von einer wahllos Kritallkernbildung aufweisenden, nicht planen Feststoff-Flüssigkeits-Grenzflache,, die zur Bildung von Schrumpfhohlräumen in einem Gußstück neigt zu einer planen Feststoff-Flüssigkeits-Grenzflacheergibt, die günstig für das Bilden von Gußstücken ist, die frei von ■ Schrumpf porösität., sind,

Das Verfahren zum Modifizieren der eutektischen Struktur vermittels Natrium weist bestimmte Nächteile dahingehend auf, daß die Modifizierung,des Eutektikums schnell aufgrund eines Verlustes an Natrium aus der Schmelze durch Verflüchtigen verloren geht: Die Viskosität nimmt zu und somit nimtot die Fließfähigkeit ab bei Zunahme des Natriumgehaltes der Legierung, und die Legierung zeigt veränderliche Gießeigenschaften bedingt durch veränderliche Oberflächenspannungs und Fließfähigkeitseigenschaften, Die Legierung neigt somit zur Bidlung von Schrumpfhohlräumen im Inneren

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eines Gußstückes und zeigt ebenfalls veränderliche schrumpf- --bildende Eigenschaften von Ansatz zu Ansatz der Legierung, Weiterhin ist es schwierig, bestmögliche mechanische Eigenschaften, der Legierung aufrechtzuerhalten und diese Eigenschaften zeigen ■ eine ausgeprägte Veränderung von Ansatz zu Ansatz der Legierung.:*

Allgemein bekannt, sind die übermäßig dicken und zähen Krätzefilme, die auf Schmelzen dieser Legierungsklasse ausgebildet werden, und zwar insbesondere wo die Menge an.Natrium über 0,02$ liegt. Weiterhin sind allgemein bekannt geworden dienachteiligen Wirkungen auf die mechanischen Eigenschaften bei einer übermodifizierun gder Legierung bedingt durch übermäßige Zusätze an Natrium, die dazu dienten die Wirkung der Verflüchtigung auszugleichen. . _: . '■".'- .'-..-

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, eine Aluminiumlegierung zu schaffen, die beständige und überlegene mechanische und Gießeigenschaften besitzt. Es wurden ausgedehnte Forschungsarbeiten mit dem Ziel unternommenj ein oder mehrere ; Zusatzmittel für eine Alüminium-Silizium-Legierung zu finden, die die Modifizierungsvorteile erbringen _t wie sie durch Anwenden von Natrium erzielt werden, jedoch unter wesentlicher-Ver-' ringerung oder Ausschluß der mit der Anwendung von-Natrium verbundenen Nachteile.

Eine erhebliche Anzahl an Untersuchungen hat sich mit, dem Zusatz.; von Spurenelementen zu den Gießlegierungen mit dem Versuch. be-„ . faßt, den Zusatz an Natrium auszuschließen. Bezüglich verschiedener Elemente wurde berichtet, daß dieselben in unterschiedlichem. Ausmaß die eutektische Struktur modifizieren* Die Wirtschaftliche Entwicklung von Legierungen jedoch, die zusätzliche Elemente für einen vollständigen Austausch des Natriums enthalten, ist.jedoch in der Vergangenheit nicht erfolgreich gewesen.

Es wurde nun jedoch gefunden, daß Strontium'Eigenschaften äüi- -' weist die einen vollständigen Austausch des Natriums in diesen Legierungen ermöglichen, in denen dasselbe bisher als Modifizierungsmittel angewandt wurde, und dies hat die Entwicklung

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wirtschaftlicher Legierungen möglich gemacht.

Weiterhin führt das Anwenden geringer Mengen an Strontium in Legierungen auf der Grundlage von Alguninium-Silizium, bei denen Natrium bisher nicht angewandt worden ist, zu einer Modifizierung dieser Legierungen unter Erzielen verbesserter Gieß- und Gießereieigenschaften. Die hier angegebenen Legierungen sind diejenigen, bei denen eine Modifizierung zweckmäßig ist, bei denen jedoch die mit dem Anwenden von Natrium bedingten Nachteile die günstigen Eigenschaften überwiegen, die durch eine derartige Modifizierung erreicht werden.

Die Erfindung beruht auf der Feststellung, daß der Austausch des Natriums in den Legierungen nach dem Stande der Technik durch Strontium in geeigneten Mengen vollständig die INstabilitätsprobleme der Legierungen und die unzweckmäßigen Nebenwirkungen der Natriumzusätzebezüglich der Viskosität, Fließfähigkeit und der Krätzebildung ausräumt.

Es wurde gefunden, daß dieses Element.zu einer Modifizierung in Spurenmengen (0,001 bis 0,10£) führt, und bei den Temperaturen beständig ist, die bei dem Schmelzen und Gieftan der Legierungen auftreten und weiterhin keine unzweckmäßigen Nebenwirkungen auf die Viskosität, Fließfähigkeit oder Krätzebildung aufweist.

Weiterhin wurde gefunden, daß das Element eine günstige Wirkung auf die normalerweise in der Legierung vorliegenden Aluminium-Eisen-Verbindungen dahingehend aufweist, daß eine gewisse Verbesserung bezüglich der normalerweise vorliegenden langen Nadeln erfolgt, wodurch sich eine Verringerung des "Kerbeffektes" dieser Verbindungen und somit eine Verbesserung der Duktilität der Legierungen ergibt.

Eine erfindungsgemäße Ausführungsform kann darin bestehen, daß eine Aluminium-Silizium-Gußlegierung Strontium als Zusatzmittel ineiner Menge von 0,001 bis 0,1OX enthält.

Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausfhrungsform wird eine Gußlegierung mit Silizium in einer Menge von ¹I bis 15Jf und Strontium in einer Menge von 0,001 bis 0,10? geschaffen, wobei der Rest Aluminium und die üblichen Verunreinigungen mit oder ohne zusätzliche Zusatzmittel darstellt.

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Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine Legierung der oben angegebenen Art mit einem oder mehreren Zusatzmitteln aus der Gruppe aus Titan, Bor, Magan, Beryllium und seltenen Erdelementen in Einzelmengen bis zu 0,50^, wobei der Zusatz insgesamt nicht über 1% liegt, geschaffen.

Vorzugsweise liegt der Strontiumgehalt innerhalb eines Bereiches von 0,005 bis 0,040#, während bezüglich der Verunreingiungen und weiterer Zusatzmittel der Eisengehalt für die meisten Anwendungszwecke vorzugsweise nicht über 0,3055 und der Gehalt an Zink, Nikkei, Chrom, Zinn, Calcium, Vanadin und Gallium jeweils vorzugsweise rieht über 0,1Oi liegt.

Der größte Eisengehalt von 0,3055 wird im wesentlichen aus wirtschaftlihenÜberlegungen gewählt. Wenn der Eisengehalt über 0,30$ liegt, kann die Legierung immer noch untei Verbesserung bezüglich der normalerweise vorliegenden langen Nadeln modifiziert werden, jedoch erfordert eine vollständige Modifizierung den Zusatz höherer Prozentsätze an Strontium. Da Strontium kostspielig ist, ist es bevorzugt, den Eisengehalt unter 0,3056 zu halten.

In der folgenden Tabelle sind die Zusammensetzungen einer Anzahl an Standard-Gießlegierungen angegeben, bei denen sich Strontium als wirksam für dien Austausch von Natrium als ein Modifizierungsmittel erwiesen hat. .

	§i	Cu	Tabelle	Mg	Pe	I	Zn	Ni	Ti
Legierung		%	%	%	Mn	%	%	%
Nr.	11,5.	0,10	0,04	0,2	%	0,10	0,04	0,04
1.	bis			bis	0,04
	13,0	max.	max.	0,4		max.	max.	max.
	400	2,0	0,04	0,2	mpx.	0,10	0,04	0,04
2.	bis	bis		bis	0,3
	6,0	4,0	max.	0,4	bis	max.	max.	max.
	6,5	0,10	0,2	0,15	0,7	0,10	0,04	0,05
	bis		fcis	bis	0₃04			bis
	. 7,5	max.	0,4	0,30		max.	max.	0,20
	8,5	2,0	0,5	0,3	max.	0,10	0,5	0,04
4.	bis	bis	bis	bis	0,04		bis
	10,5	4,0	1,5	0,7		max.	1,5	max, - 5 -
		90	9886 - t,	/1023	max.

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• - 5 - ■

Die hier angegeii eneh Legierungen sind lediglich als beispielsweise ZfU verstehen und begrenzen somit in gär keiner Weise den umfang des Erfindungsgegenstandes.Der Zusatz an Strontium führt zu einer wirksamen Modifizierung der Legierungen innerhalb des hier angegebenen Bereiches des Siliziumgehältes ,■" und die Modifizierung wird erzielt, im wesentlichen unabhängig von dem Vorliegen oder der Abwesenheit weiterer Legierungselmenete.

Erfindungsgemäß wird ebenfalls ein Verfahren zum Herstellen einer Legierung der oben angegebenen Art geschaffen> bei dem die folgenden Arbeitsschritte durchgeführtwerden: Es wird eine nicht modifizierte Alüminium-Siliizium-Lägierung, die durch Zusatz von Silizium au Aluminium entweder in der ReduktiohSzelle ode* im Anschluß daran in einem getrennten Ofen hergestellt worden ist, mit eiiiem Zusatz einer geringen Menge an Strontium entweder in Jletallform öder gebunden als chemische Verbindung z.B. als Strointiumsalz versetzt.

In einigen fällen kann entweder vor oder nach dem Zusatz des Strontiums ein Zusatz eines oder läehrerer heiterer Zusatnzmittel erfolgen, die aus. döir Gruppe a?itan> Bor, Mangan> Berylliuffi, den seltenen Erdelementen und Legieruftgen und chemischen Äqfuivalenteri derselben ausgewählt sind» wobei sich die Mengen jedes der weiteren Zusatzmittel auf nicht mehr als O^ 505t belaufen und die gesamte Menge an weiteret* iusätznütteln nicht über 1,0| liegt.. . .'■'■ - - .; ■' ■■.-.■;..' ■-"..- :-■. '-, '. ■; ^: ; '-..-

Nach einel· iibigewähdelten Aüsfiihrüngslt>rm des erfinäüngfcgemäßen Verfahrens icanh der Zusatz an Silizium erfölgeh nach dem Zusatz des Strontiums und/öder nach dem Zusatz des weiteren Zusatzmittels öder der weiterβΊα ZuBatZffiLttel*

ES ürurde geftindeni daß eine eirflnäüngsgeiöäße Legierung die fol*- genden Verbesse^ungen bezüglich der mechaniischen und Sießeigen"-ächäften gegenüber denjenigen aü^&ist^ wie ^ie durch eine ähnliche ,£egie*ung normäleiiifeisö ^&zeigt Herden, äsreli Struktur durch aas Ähwemäön v&h NStritüist moSiti^ieTt i»t.

Die mechanischen Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Legierung erweisen sich zunächst als gleichwertig,, jedoch üblicherweise insbesondere bezüglich der Duktilität, überlegen gegenüber denjenigen einer mit Natrium modifizierten Legierung, verbleiben jedoch bei den weiter oben angegebenen bevorzugten Zusatzwerten bis zu 20 Stunden bei praktisciien Temperaturen nach dem erneuten Erschmelzen bis zu dem Dreifachen oder nach dem Halten bei Temperaturen bis zu 95Ö°C 1 Stunde lang stabil, während die Wirkung derartiger Behandlungen auf mit Natrium modifizierte Legierung schnell zu einer Verarmung des Natriumgehaltes der Legierung durch Verflüchtigung führt, wodurch sich eine Zurückführung in W eine nicht modifizierte Legierungsstruktur und somit ^&hnelchte , mechanische Eigenschaften ergeben* Bei praktischen GieBtemperaturen wird die Gesamtmenge an Natrium aus der Legierung nach 30 Minuten verloren sein. Die Eigenschaften einer natriumodi-' fizierten Legierung können lediglich durch Zusatz weiteren Natriums wieder hergestellt werden, während unter praktischen Produktionsbedingungen weitere Zusätze an Strontium zu der erfindunggemäßen Legierung zwecks Aufrechterhalten der modifizierten Struktur nicht erforderlich sind.

Insbesondere wird die strukturelle Stabilität der mit Strontium modifizierten Legierung im Vergleich zu der Instabilität der mit Natrium modifizierten Legierung, wie es sich durch die mecha-J}\-- '" nischen Eigenschaften der Legierung wiederspiegelt, anhand der in der folgenden Tabelle wiedergegebenen Ergebnisse erläutert.

Tabelle II

Legierung Zustand (alle Zerreißfestig¹- Streck- Deh-

Eroben Kokillen- keit _o . grenze nung

~ß) (t/cm²) (t/cm²) (X)

Al-12.,2% Si im geschmolzenen 1,93 öyü/97¹»

modifiziert nach 60 minü'tigem HaI-

mit Natrium ten bei 7ÖÖ°C 1,67 0,685 4,7

Al-l'Z_tO% Si :geschmolzen 2,00 0,73 15»0

modifaaieYt bach 120 minütigem HaI-

mit Strontium teil bei TOO⁰C 2,02 0,715 18,7

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Weiterhin wird die Wirkung der Strontiummodifizierung auf die Aluminium-Eisen-Verbindungen und somit die Duktilität der Legierung vermittels der in der folgenden Tabelle wiedergegebenen Ergebnisse nachgewiesen,, die vermittels einer Legierung Nr. 3 nach der obigen Tabelle I in dem Τ6 wärmebehandelten Zustand (d.h. lösungsbehandelt, voll alterungsgehärtet) erhalten werden.'

Tabelle III

Legierung und Zustand Zerreißfestig- Dehnung

(alle Proben Kokillenguß) keit (t/cm²) %

7,20$ Si 0,30? Mg 0,105t Pe 2,86 10,0 .

mit Natrium modifizierter T6 Zustand

7,2% Si 0,30? Mg 0,20? Fe 2,68 4,0

mit Natrium modifizierter T6 Zustand

7,2? Si 0,30? Mg 0,25? Pe 2m8O 10,0

mit Stron- modifizierter T6 Zustand

2. Gießeigenschaften

Es wurde gefunden, daß die Gießeigenschaften einer unter Anwenden von Strontium modifizierten Legierung «Überlegen desjenigen einer mit Natrium modifizierten Legierung sind aufgrund:

a) Stabilität der modifizierten Struktur unter praktischen Bedingungen der Haltezeit des geschmolzenen Metalls vor dem Gießen, Temperatur des geschmolzenen Metalls und erneutes Schmelzen,

und somit neigt die Legierung bei der Vefestigung weniger zu der Bildung von Schrumpfhohlräumen in einem Gußstück als eine Legierung mit einer nicht modifizierten Struktur. Wie weiter oben angegeben, wird eine mit Natrium modifizierte Legierung (aufgrund des Verdampfens des Natriums aus der Schmelze) schnell in die nicht modifizierte Struktur mit einem charakteristischen Verfestigungsverfahren übeführt, das zur Bildung von Schrumpfhohiräumen und allgemein schlechten Eigenschaften der Gußstücke führt. .

b) Eine niedrigere Viskosität und erhöhte Fließßähigkeit werden> mit einer Legierung erzielt, die mit Natrium mödifiziert worden ist, und zwar aufgrund der beständigen chemischen Natur dieses Elementes im Vergleich zu Natrium. Der Zusatz von Natrium zu der

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■■■"■■■ ■ ■ -. 8 . - ■ . " . - - .--.-■-Legierung führt zu der Bildung einer viskosen Oxidhaut und weiterer unzweckmäßiger Verbindungen, die die Viskoisität und die Fließfähigkeit der Legierung beeinflussen. Dieses Merkmal wird anhand der Ergebnisse nachgewiesen, wie sie unter Anwenden des Fließfähigkeits-Spiraltests (Standard American Foundrymen¹S Society) erhalten werden, wie in der folgenden Tabelle angegeben:

Tabelle IV

Legierung und Zustand Fließfähigkeits-Spirale - - - ' Länge (cm)

Al-12,2lSi modifiziert mit

Natrium - geschmolzen - - 41,2

nach 1 Stunde bei- 700⁰C 64,3

Al-12,0% Si modifiziert mit

|k Stronium $ geschmolzen - 6l,7

P nach 2 Stunden bei 700⁰C ■ 64,8

c) Es wird eine geringere Geschwindigkeit der Krätzebildung bei einer mit Strontium modifizierten Legierung bedingt durch die stabile chemische Natur dieses Elementes im Vergleich mit der extremen Reaktionsfähigkeit des Natriums, das übermäßige Krätzemengen in der geschmolzenen Legierung bildet, beobachtet. Dies führt nicht nur zu der Gewinnung von verringerten Metallmengen, sondern bedingt ebenfalls die Gefahr eines Einschlusses derartiger Oxide in dem hergestellten Gußstück.

d) Eine mit Strontium modifizierte Legierung zeigt hohe STabilität unter gesteuerten Bedingungen der Legierungsentgasung. Das Engasen einer Gußlegierung vor dem Gießen ist in bestimmten

" Fällen zweckmäßig, um die Bildung der Porösität in dem erhaltenen Gußstück hintenanzuhalten. Es ist unmöglich, eine mit Natrium modifizierte Legierung unter Anwenden von Chlorgas, Chlor erzeugenden Tabletten, Stickstoff oder einem inerten gas, wie Argon ohne gleichzeitigem Entfernen des Natriums aus der Legierung entweder durch chemische Umsetzung oder durch Verflüchtigung zu entgasen, während einemit Strontium modifizierte Legierung entwedermit Stickstoff oder einem inerten Ga?, wie z.B. Argon ohne nachteilige Wirkung auf die modifizierte Struktur der Legierung entgast werden kann. Eine mit Strontium modifizierte

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Legierung kann jedoch nicht mit Chlor entgast werden, da eine chemische Umsetzung zu einem Entfernen des Strontiums aus der Schmelze führt. - " ,

e)Die ΰμΓΟΙι Zusatz von Natrium zu der "Legierung ausgebildete modifizierte Struktur kann unter bestimmten praktischen Arbeitsbedingungen unstabil gemacht werden, obgleich eine ausreichende Natriummenge vorliegen kann, die unter normalen Bedingungen zu einer Modifizierung der Struktur führt. Dieses instabile Verhalten der mit Natrium modifizierten Legierung ist dem Gießereifachmann seit einiger Zeit bekannt, und einige der Bedingungen, die zu einer Zerstörung der modifizierten Struktur führen, sind nur Laboratoriumsmäßig untersucht worden. Es wurde hierbei gefunden, daß der Zusatz von Krätze oder Oxid zu der Schmelze die Struktur instabil macht und der Zusatz von starken Kristallkernbildnern, z.B. Titany Bor-eder Kombinationen kann zur Kristallkernbildung primären Siliziums und somit Zerstören der modifizierten Struktur insbesondere in den Gebieten benachbart zu den primären Siliziumteilchen führen. Andererseits zeigt eine mit Strontium modifizierte Legierung keine deaartigen Charakteristika und während es möglich ist, die primären Siliziumteilchen in der Legierung zur Kristalikernbildung zu veranlassen, verbleibt doch das modifizierte Eutektikum vollständig stabil. Hierdurch wird sichergestellt, daß ein planes Veriestigungsmuster unter allen praktischen Umständen vorliegt, das nicht nur als solches den günstigsten Veriestigungszustandfür ein geringstmögliches Bilden einer Sch^umpfporösität in einem Gußstück darstellt, sondern es handelt sich hierbei ebenfalls um einen konstanten Zustand, wodurch es möglich wird, die, Produktionsbedingungen konstant zu halten. Es wurde gefundeiH daß ein Überschuß an Strontium gegenüber dem oben angegebenen Bereich keine nachteilige Wirkung auf * die Eigenschaften der Gußlegierung besitzt, und der angegebene obere Grrizwert stellt lediglich den oberen Grenzwert für wir t- ."'■">" schaftliehe.Zwecke 4ar. In einigen Fällen kann es zweckmäßig sein, überschüssiges Strontium zuzusetzen, wenn die Legierung bei einer Gußtemperatur Über eine längere Zeitspanne hin gehalten werden soll«

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Claims

Patentansprüche

1. Aluminum-Silizium-Gußlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe als ein Zusatzmittel Strontium in einer Menge von 0,001 bis 0,10* enthält.

2. Gußlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe Silizium in einer Menge von 4 bis 1555 enthält,-wobei , der Rest Aluminium und die üblichen Verunreinigungen mit oder ohne zusätzliche Zusatzmittel darstellt.

3. Gußlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere Zusatzmittel aus der Gruppe Titan, Bor, Mangan, Beryllium und seltenen Erdelementen in.Einzelmengen bis zu 0,50£ vorliegen, wobei der Gesatofczusätz nicht über 1% liegt.

4. Gußlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche ,dadurch gekennzeichnet, daß der Strontiumgehalt sich auf 0,005 bis 0,040? beläuft.

5. Gußlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen von Eisen als Verunreinigung der Gehalt nicht über Ο,3Ο5ί liegt.

6. Gußlegierung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen von Zink, Nickel, Chrom, Zinn, Calcium und Vanadin der Gehalt derselben*nicht Jber 0,102 liegt.

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