DE2551295B2 - Anwendung des Plattengießverfahrens auf Aluminium und Silizium enthaltenden Legierungen und Weiterverarbeitung der GuBplatten - Google Patents
Anwendung des Plattengießverfahrens auf Aluminium und Silizium enthaltenden Legierungen und Weiterverarbeitung der GuBplattenInfo
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Description
In den bekannten Aluminium-Silizium-Legierungen mit einem Siliziumgehalt von 7 bis 10% bildet das
Silizium keine intermetallische Phase und, wenn sie nach dem Stranggußverfahren unter der. für die Herstellung
von Barren wesentlicher Dicke (beispielsweise 10 bis 30 cm) angewendeten Bedingungen vergossen werden,
liegt die Siliziumphase in Form von relativ grobkörnigen, blattähnlichen Bändern mit einer Dicke im Bereich
von 2 bis 5 μιη und einer ziemlich großen Breite vor. Ein
aus solchen Barren gewalztes Legierungsblech hat im gewalzten Zustand eine ausreichende Festigkeit, aber es
ist zu spröde, um eine Weiterverarbeitung zu ermöglichen. Wird das kaltgewalzte Blech bei Temperaturen
oberhalb 250° C geglüht, so wird die Dehnbarkeit und Verarbeitbarkeit wesentlich verbressert, aber die
Streckgrenze sinkt in etwa auf den Wert von geglühten handelsüblichen Reinaluminiumblechen ab. Daher ist
die Verwendung solcher Bleche auf solche Bereiche beschränkt, bei denen eine niedrige mechanische
Festigkeit ausreicht. Da Silizium ein billiges Legierungselement ist und die Legierungen auf billigem Wege
verarbeitet werden können und eine gute Korrosionsbeständigkeit aufweisen, besteht ein Bedürfnis, die
mechanische Festigkeit von aus solchen Legierungen erhaltenen Blechen zu verbessern.
Das Gießen von Aluminium und dessen Legierungen zu Platten mit einer Dicke von 25 mm oder weniger ist
bekannt, z. B. aus E. Herrmann, Handbuch des Stranggießens, 1958, Seiten 532,539 bis 541.
Die Erfindung betrifft die Anwendung des Plattengieß-Verfahrens mit Plattendicken von nicht mehr als
25 mm und einer Wachstumsgeschwindigkeit von mehr als 25 cm/Minute auf Aluminium-Legierungen der
Zusammensetzung
7 bis 10% Silizium
0 bis 1% Kupfer und/oder Magnesium und/oder Mangan
jeweils 0 bis 03% an zulässigen Beimengungen mit
insgesamt höchstens 1% und
Aluminium als Rest,
die im Gußzustand die Anteile an Silizium und
ίο intermetallischen Phasen in Form von Stäbchen eines
mittleren Durchmessers von 0,05 bis 0,5 μιη enthalten
und von groben primären Kristallen frei sind.
Die Weiterverarbeitung der so handgegossenen Platten erfolgt durch eine wenigstens 60%ige Dickenverringerung
der Gußplatten. Dabei werden die Siliziumstäbchen gebrochen und es bildet sich eine
Dispersion von feinen Siliziumteilchen. Die Verringerung der Dicke um wenigstens 60% kann unter heißen
oder kalten Bedingungen erfolgen. Es ist also eine Verringerung der Dicke allein durch Kaltverformung
möglich. Wird die Verringerung der Dicke aber durch Warmwalzen vorgenommen, so erfolgt eine wenigstens
weitere 10%ige Verringerung der Dicke durch Kaltwalzen.
Feine Siliziumteilchen bewirken schon eine gewisse Verbesserung der Streckgrenze in kaltgewalztem Blech,
im gewalzten Zustand hat diese Verbesserung einen geringen praktischen Wert.
Es erfolgt jedoch eine sehr bemerkenswerte Verbesserung der Streckgrenze des Bleches, nachdem dieses
bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 400° C geglüht wurde, wobei die Verarbeitbarkeit des Bleches
sich bis zu einem Grad verbessert hat, daß ein solches Blech zum Tiefziehen oder für starke Streckverformun-
j5 gen verwendet werden kann. Für diese Zwecke ist eine
Bruchdehnung von mehr als 15%, vorzugsweise etwa 20%, erforderlich.
Es wird angenommen, daß der hauptsächliche vorteilhafte Effekt der feinen Siliziumteilchen für die
Kombination brauchbarer Verarbeitbarkeit und verbesserter Streckgrenze im geglühten Zustand im Erhalten
einer feinen gleichmäßigen Korngröße oder Subkorngröße während der letzten Glühbehandlung liegt. Um
optimale Ergebnisse zu erhalten, ist deshalb die
41-, Teilchengröße wichtig und die Dispersion der Teilchen
in der Legierung sollte so gleichmäßig wie möglich sein.
Die Gegenwart von primären Teilchen in der
Legierung zusätzlich zu den feinen Partikelchen kann zwar bis zu einer Größe von etwa 2 Vol.-% toleriert
■-,ο werden, aber diese großen Partikelchen führen zu einer
Verschlechterung der Verarbeitbarkeit, so daß deren Bildung soweit wie möglich vermieden werden soll.
Die Entwicklung der gewünschten Struktur in dem Gußmaterial kann nur durch kontinuierliches Gießen
ν, der Legierung unter Bedingungen erreicht werden, die
zu einer Wachstumsrate von wenigstens 25 cm/Minute, vorzugsweise wenigstens 40 cm/Minute und insbesondere
50 bis 85 cm/Minute, führen. Der Durchmesser der Siliziumstäbchen vermindert sich mit dem Anstieg der
bo Wachstumsrate; wie schon bemerkt, sollte die Teilchengröße
der Siliziumteilchen nicht weniger als etwa 0,05 μιη betragen. Die Wachstumsrate während des
Gießens sollte einen Wert von etwa 250 cm/Minute nicht übersteigen. Es ist auf jeden Fall außerordentlich
h<-, schwierig, eine so hohe Wachstumsrate in einem
üblichen kontinuierlichen Gießverfahren zu erreichen. Das Gußmaterial wird normalerweise als kontinuierliche
Platte mit einer Dicke von etwa 6 mm gegossen.
Die erfindungsgemäß zu verwendenden Aluminium-Silizium-Legierungen
können noch 0 bis 1% Kupfer und/oder Magnesium und/oder Mangan und jeweils 0
bis 03% an zulässigen Beimengungen, jedoch insgesamt
höchstens 1 % enthalten. Dabei werden alle legierenden Elemente, außer Kupfer, Magnesium und Mangan, als
Beimengungen angesehen.
Ein nichtkontinuierliches Gießverfahren, wie beispielsweise das Gießen in Kokillen, ergibt nicht die
gewünschte Struktur; diese kann auch nicht mitiels Verfahren, ate die Umwandlung des flüssigen Metalls in
einzelne Tröpfchen erforderlich machen, wie beispielsweise das sogenannte Metallspritzen, erreicht werden.
Um optimale Eigenschaften zu erhalten, sollte das angewendete Gießverfahren zu der spezifizierten
hohen Wachstumsrate führen, und zwar im wesentlichen in der gesamten Dicke des Gußmaterials.
Beim Verfahren zum Gießen von dünnen Aluminiumplutten
unter Verwendung direkter Wasserkühlungoder eines Kaltmetallkühlungssystems liefe t die Fortschrittsrate
der Solidus-Liquidusschicht (Qachstumsrate)
nahe bei der Gußrate. Mit einem dicken Barren oder einer Forin mit niedriger Wärmeleitungsrate, wie
beispielsweise eine Bandgießvorrichtung, wird die Wachstumsrate viel geringer sein als die Gießrate. Die
Wachstumsrate ist der wichtigste Parameter, da mit wachsender Wachstumsrate die Anzahl der Siliziumstäbchen
ansteigt (mit entsprechend reduziertem Durchmesser).
In praktischen Gießausrüstungen kann die Bedingung für eine hohe Wachstumsrate am leichtesten dadurch
erzielt werden, daß Doppelwalzengießmaschinen, wie beispielsweise kontinuierliche Bandgießmaschinen, verwendet
werden, in welchen das geschmolzene Metall im Spalt eines stark gekühlten Walzenpaares verfestigt
wird. Das gegossene Material liegt bei Verwendung solcher Gießvorrichtungen typischerweise in Form von
Platten mit einer Stärke im Bereich von 5 bis 8 mm vor und wird mit einer Geschwindigkeit von 60 bis 100
cm/Minuie (mit einer entsprechenden Wachstumsrate im Bereich von 50 bis 85 cm/Minute) gegossen. Das
Metall ist im wesentlichen vollständig erstarrt, wenn es die Mittellinie der Gießwalzen passiert und es wird dann
einem starken Druck ausgesetzt, während es durch den
ίο Spalt zwischen den Walzen hindurchgeht mit der
Konsequenz, daß dessen Oberflächen in ausgezeichnetem Wärmeaustauschkontakt mit den Gießwalzen
stehen.
Im Vergleich mit Aluminium-SilLzium-Legierungsblechen gleicher Zusammensetzung, die aber durch Warmwalzen von Barren konventioneller Abmessungen hergestellt wurden, die beispielsweise eine Dicke von 15 cm, hergestellt durch kontinuierliches Gießen unter direkter Kühlung mit einer Gießgeschwindigkeit von 15 cm/Minute (und entsprechender Wachstumsrate in der Größenordnung von 6 bis 8 cm/Minute) aufwiesen, zeigten die Aluminium-Silizium-Legierungsbleche, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Eine erwünschte Kombination von Streckgrenze und Verarbeitbarkeit erhält man, wenn man das kaltbearbeitete Blech glüht, beispielsweise zwei Stunden bei 30O0C.
Das folgende Beispiel vergleicht die Struktur der
Im Vergleich mit Aluminium-SilLzium-Legierungsblechen gleicher Zusammensetzung, die aber durch Warmwalzen von Barren konventioneller Abmessungen hergestellt wurden, die beispielsweise eine Dicke von 15 cm, hergestellt durch kontinuierliches Gießen unter direkter Kühlung mit einer Gießgeschwindigkeit von 15 cm/Minute (und entsprechender Wachstumsrate in der Größenordnung von 6 bis 8 cm/Minute) aufwiesen, zeigten die Aluminium-Silizium-Legierungsbleche, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurden, eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften. Eine erwünschte Kombination von Streckgrenze und Verarbeitbarkeit erhält man, wenn man das kaltbearbeitete Blech glüht, beispielsweise zwei Stunden bei 30O0C.
Das folgende Beispiel vergleicht die Struktur der
jo Aluminium-Siliziumlegierung mit 9,5% Silizium im gegossenen Zustand, wenn der Barren einerseits
konventionell als Stranggußbarren hergestellt wurde, oder wenn andererseits eine dünne Platte mit hohen
Wachstumsraten von mehr als 40 cm/Minute gegossen
r> wird.
| Vergleich von Aluminium-Siliziumlegierungen mit 9,5% | Konventioneller Strangguß (D.C.) |
Silizium im gegossenen Zustand | Platte aus der Doppel walzengießmaschine |
| Guß | 10X23 cm | Dünne Platte direktgekühlt |
0,7X83 cm |
| Querschnitt | 7,5-lCcm/Min. | 0,6X30 cm | 60-80 cm/Min. |
| Gießgeschwindigkeit | 6-8 cm/Min. | 75-120 cm/Min. | 50-75 cm/Min. |
| Wachstumsrate (Erstarrung) | blattähnliche Siliziumbänder |
40-60 cm/Min. | feine verzweigte Siliziumstäbchen |
| MikroStruktur | 2-5 [im | feine verzweigte Siliziumstäbchen |
weniger a!s '/2 am |
| Siliziumphasc, Querschnitt | weniger als '/2 um |
Das folgende Beispiel vergleicht die Festigkeit und die Dehnung von kaltgewalztem Blech, das aus einer
Doppelwalzengießmaschine hergestellt wurde, und einer dünnen Platte, die unter Direktkühlung hergestellt
wurde, unter den hohen Wachstumsraten von Beispiel 1, mit kaltgewalztem Blech, hergestellt aus einem normalen
Stranggußbarren, gegossen bei konventionellen Wachstumsraten der Größenordnung von 6 bis 8
cm/Minute.
Die dünne, unter Direktkühlung hergestellte platte wurde nach einem Verfahren, das den Standardgießver-W)
br>
fahren unter direkter Kühlung ähnlich war, gegossen,
ausgenommen, daß ein sehr dünner Rohblock gegossen wurde. Die Form war eine wassergekühlte Kupferform
von 19 mm Länge; es wurde ein Kühlwasserfilm hoher Geschwindigkeit (150cm/Sek.) auf die entstehende
Platte gerichtet.
Die Gießgeschwindigkeit lag irn Bereich von 75 bis 120 cm/Minute. Die hohe GieOgeschwindigkeit in
Verbindung mit der hohen Wärmeentzugsrate der dünnen Platte ergab sehr hohe Wachstumsraten in dem
Mittelteil der Platte.
Aluminium-Silizium-Legierungen Dehnungseigenschaften1) von 1 mm dicken Blechen
Material
wie gewalzt
ob
σο.2
N/mm2 N/mm2
Dehnung
geglüht bei 300 C (2 h)
no,2 Dehnunj
N/mm2 %
σ«
N/mm2
N/mm2
Doppelwalzenplatte 9,4% Silizium
(Platte bei 275 C geglüht)2) 9,4% Silizium
(Platie bei 350 C geglüht)
Dünne Stranggußplatte
| 290 | 220 | 7 | 200 | 150 | 16 |
| 270 | 200 | 6 | 190 | 130 | 21 |
| 9,5% Silizium - 0,6% Kupfer | C | Konventioneller Stranggußbarren | 380 | 190 | 2 | 220 | 160 | 17 |
| (Platte bei 325 C geglüht) | 9,5% Silizium | |||||||
| 11,6% Silizium | (Barren bei 35OC geglüht)3) | 270 | 200 | 5 | 200 | 140 | 15 | |
| (Platte bei 350 C geglüht) | 12.0% Silizium | |||||||
| C Konventioneller Stranggußbarren |
||||||||
| 9,5% Silizium | 240 | 180 | 7 | 140 | 60 | 33 | ||
| (Barren bei 350 C geglüht)3) | ||||||||
| 12,0% Silizium | 230 | 190 | 7 | 140 | 60 | 25 | ||
| (Barren bei 350 C geglüht) | ||||||||
| Tabelle 2 (Fortsetzung) | ||||||||
| Material | geglüht | bei 350 C (2 h) | geglüht | bei 4(XTC (2 h) | ||||
| ob | σ0.2 | Dehnung | σΒ | "0,2 | Dehnunj | |||
| N/mm2 | N/mm2 | % | N/mm2 | N/mm2 | % | |||
| A | ||||||||
| Doppelwalzenplatte | ||||||||
| 9,4% Silizium | 190 | 130 | 20 | 180 | 100 | 20 | ||
| (Platte bei 275 C geglüht)2) | ||||||||
| 9,4% Silizium | 180 | 110 | 21 | 160 | 80 | 24 | ||
| (Platte bei 350 C geglüht) | ||||||||
| B Dünne Stranggußplatte |
||||||||
| 9,5% Silizium - 0,6% Kupfer | 210 | 120 | 19 | 200 | 100 | 20 | ||
| (Platte bei 325 C geglüht) | ||||||||
| 11,6% Silizium | 190 | 120 | 18 | |||||
| (Platte bei 350C geglüht) | ||||||||
| 150 | 50 | 28 | 140 | 50 | 30 | |||
| 140 | 60 | 24 | 150 | 60 | 23 |
(Barren bei 350'C geglüht) Anmerkung:
') Zugfestigkeit (cB) und Streckgrenze (Oq-2) sind Mittelwerte aus longitudinalen und transversalen Zugproben von Standard
blechen; die Dehnungen wurden über 5 cm Länge gemessen.
2) 6 mm dick gegossene Platten, die eine Stunde lang bei den angegebenen Temperaturen geglüht wurden, bevor sie zu 1 mr
dicken Blechen gewalzt wurden.
3) Im normalen Strangguß hergestellte Barren, 10cm dick, auf 350 C vorerhitzt, warm auf 6mm gewalzt und dann auf 1 mr
kaltgewalzt
Eine unter direkter Kühlung hergestellte dünne Platte wurde aus Aluminium-Silizium-Legierungen verschiedener
Siliziumgehalte in einer Dicke von 6 mm mit einer Wachstumsrate von 40 bis 60 cm/Minute hergestellt.
Diese wurde dann auf 1 mm Dicke kaltgewalzt. Das Blech wurde dann bei 3000C bzw. 350° C zwei Stunden
lang geglüht. Die Streckgrenze wurde dann gegen den prozentualen Siliziumgehalt graphisch aufgetragen, wie
es in der beiliegenden Figur dargestellt ist, aus der ersehen werden kann, daß die Streckgrenze mit
r> steigendem Siliziumgehalt innerhalb des Bereiches von
6% Silizium bis 11,5% Silizium anstieg.
Die geogssene Platte, die die stäbchenähnliche Siliziumphase aufweist, kann aufgewickelt werden und
zum Walzen und anschließendem Glühen an andere
ι» Orte befördert werden.
Eine Aluminium-Silizium-Legierung der Zusammensetzung 9,4% Silizium, 0,17% Eisen, 0,03% Titan und
Rest Aluminium, (die Verunreinigungen liegen jeweils unterhalb 0,01%), wurde in einer Hunter-Engineering-Doppelwalzengießmaschine
mit einer Geschwindigkeit von 70 cm/Minute gegossen, und zwar auf eine Dicke von 7,4 mm und Breite von 84 cm. Die Schmelze wurde
dem Oberteil der Maschine bei einer Temperatur von etwa 610° C zugeführt.
I)
Die gegossene Platte wurde einer Glühung bei einer Temperatur im Bereich von 250 bis 400°C während
wenigstens '/2 Stunde unterworfen, bevor kaltgewalzt wurde.
Diese Glühbehandlung vermindert die Tendenz zum Brechen, das sonst während des Kaltwalzens erfolgen
kann. Es ist in der Tat sehr schwierig, die Platte erfolgreich kaltzuwalzen, es sein denn, die Platte wurde
vorher einer Glühbehandlung unterzogen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Anwendung des Plattengieß-Verfahrens mit Plattendicken von nicht mehr als 25 mm und einer
Wachstumsgeschwindigkeit von mehr als 25 cm/Minute auf Aluminium-Legierungen der Zusammensetzung
7 bis 10% Silizium
0 bis 1% Kupfer und/oder Magnesium und/oder
Mangan,
jeweils 0 bis 0,3% an zulässigen Beimengungen mit insgesamt höchstens 1% und
Aluminium als Rest,
die im Gußzustand die Anteile an Silizium und intermetallischen Phasen in Form von Stäbchen
eines mittleren Durchmessers von 0,05 bis 0,5 μπι
enthalten und von groben primären Kristallen frei sind.
2. Verfahren zur Weiterverarbeitung der nach Anspruch 1 handgegossenen Platten, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gußplatten um wenigstens 60% in ihrer Dicke verringert werden, wobei
wenigstens 10% der Verringerung durch Kaltverformung
erfolgt und schließlich die erhaltenen Bleche oder Bänder im Temperaturbereich von 250 bis
4000C geglüht werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gußplatten vor dem Walzen bei
250 bis 400° C geglüht werden.
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|---|---|
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ID=10453048
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|---|---|---|---|
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