DE3240041A1

DE3240041A1 - Aluminium-gusslegierung

Info

Publication number: DE3240041A1
Application number: DE19823240041
Authority: DE
Inventors: Akio Nuzuma Hashimoto; Tadao Fuji Ito
Original assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 1981-10-28
Filing date: 1982-10-28
Publication date: 1983-05-11
Also published as: FR2515214A1; GB2111078B; CA1204002A; JPS6238419B2; US4462961A; GB2111078A; FR2515214B1; DE3240041C2; JPS5873740A

Description

-3-Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung für Gießzwecke, die hinsichtlich der Gießbarkeit, der Festigkeit und der Beständigkeit gegenüber Hitze, thermischem Schock und permanenter Deformation durch Hitze überlegene Eigenschaften aufweist.

Aluminium wird neuerdings für einen weiten Bereich von Anwendungszwecken einschließlich der Herstellung von Fahrzeugen und Maschinen verwendet. Es besteht daher ein starkes Bedürfnis nach einer Aluminium-Gußlegierung, die hinsichtlich der Festigkeit und der Hitzebeständigkeit überlegene Eigenschaften aufweist.

*' In der JA-OS 69234/80 ist schon eine Gußlegierung mit verbesserter Gießbarkeit,, Festigkeit und Hitzebeständigkeit beschrieben worden. Diese Legierung enthält mehr als 6 % und bis zu 13 % Silizium, mehr als 3 % und bis zu 5 % Kupfer, mehr als 0,2 % und bis zu 1 % Magnesium und mehr als 0,03 % und bis zu 1 % Antimon sowie zum Rest Aluminium und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Sie besitzt eine maximale Festigkeit, die so hoch wie 40 kg/cm² ist, und eine Dehnung von 3 bis 4 %. Hinsichtlich der thermischen Schockbeständigkeit ist sie jeder bekannten Legierung dieser Art, beispielsweise der JIS-Muminium-Gußlegierung AC8A oder AC8Bj weit überlegen. Diese Legierung ist daher für die Herstellung von Maschinenteilen geeignet, die wiederholt einen intensiven Erhitzen ausgesetzt sind, wie z.B. Kolben in Verbrennungsmotoren,, 30

Weitere Untersuchungen haben jedoch gezeigt, daß die oben erwähnte Legierung eine Anzahl von Nachteilen besitzt. So wurde beispielsweise festgestellt, daß, wenn ein aus dieser Legierung hergestellter Kolben über einen langen Zeitraum verwendet wird, derjenige Teil des Kolbens, der wiederholt der Hitzeeinwirkung ausgesetzt worden war, eine permanente

Volumenschrumpfung erfährt, die von derjenigen verschieden ist, welche von der üblichen thermischen Expansion und Kontraktion herrührt. Diese Schrumpfung erhöht den Abstand zwischen dem Kolben und dem Zylinder, was zu einem Durchblasen oder Klopfen des Kolbens führt. Weiterhin kann es in diesem Fall vorkommen, daß die Legierung einen lamellaren Abrieb erfährt und zwar beispielsweise in einer Rille, in die ein Kolbenring eingepaßt ist, was dazu führt, daß der Ring nicht mehr richtig funktionieren kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, die oben erwähnten Nachteile der Legierung unter Aufrechterhaltung ihrer ausgezeichneten Eigenschaften zu überwinden. Insbesondere soll eine Aluminiumlegierung zur Verfügung gestellt werden, die zum Gießen von Maschinenteilen geeignet ist, die auch nach langdauerndem Erhitzen einwandfrei funktionieren.

Es wurde nun gefunden, daß die Zugabe von Nickel in einer Menge von mehr als 0,1 Gew.% und bis zu 0,5 Gew.% und von Kupfer und Magnesium in einem Gewichtsverhältnis von etwa 3 : 1 bis 8 : 1 zu der oben genannten Legierung dazu wirksam ist, die oben erwähnte Volumenschrumpfung zu verhindern und die Verschleißfestigkeit der Legierung zu verbessern, ohne daß eine nennenswerte Verschlechterung ihrer ausgezeichneten Eigenschaften mit Einschluß der Festigkeit und der thermischen Schockbeständigkeit bewirkt wird.

Durch die Legierung wird daher eine Aluminium-Gußlegierung zur Verfügung gestellt, die mehr als 6 Gew.% und bis zu 13 Gew.% Silizium, mehr als 2 Gew.% und bis zu 5 Gew.% Kupfer, mehr als 0,25 Gew.% und bis zu 1 Gew.% Magnesium, mehr als 0,1 Gew.% und bis zu 0,5 Gew.% Nickel und mehr als 0,03 Gew.% und bis zu 1 Gew.% Antimon enthält, und zum Rest aus Aluminium und erschmelzungsbedxngten Verunreinigungen besteht, wobei das Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Aluminium etwa 3 : 1 bis 8 : 1 beträgt.

BAD

Die erfindungsgemäße Legierung hat ausgezeichnete thermische Eigenschaften mit Einschluß einer ausgezeichneten thermischen Schockbeständigkeit und Beständigkeit gegenüber einem lamellaren Abrieb. Selbst nach langdauerndem Aussetzen an hohe Temperaturen ist sie praktisch von einer Volumenschrumpfung frei ο Die erfindungsgemäße Legierung ist daher zur Herstellung von Maschinenteilen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind, wie z.B. Kolben in Motoren, geeignet.

Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die permanente volumetrische Veränderung« die in Gußteilen aus der Legierung nach langdauerndem Aussetzen an hohe Temperaturen in Abhängigkeit vom Verhältnis von Kupfer zu Magnesium irr einer erfindungsgemäßen, Nickel enthaltenden Legierung (a) und einer nickelfreien Legierung (b), auftritt, .

Fig. 2 die Beziehung zwischen der in Gewichtsprozent ausgedrückten Nickelmenge in der erfindungsgemäßen Legierung und der Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß durch Abblättern, und

Fig» 3 einen Vergleich der erfindungsgemäßen Legierung mit einer herkömmlichen Legierung(nach der JIS-Norm als AC8A bezeichnet) und einer Vergleichslegierung bezüglich der thermischen Schockbeständigkeit.

Silizium ist ein Element, das im wesentlichen zur Verstärkung der Legierung erforderlich ist, das ihr eine Verschleißfestigkeit verleiht und das ihre Gießbarkeit verbessert. Die vollen Vorteile der Verwendung von Silizium können bei Mengen von 6 Gew.% oder weniger nicht erwartet werden, während umgekehrt die Verwendung von 13 Gew.% oder mehr Silizium zu einer Verminderung der Zähigkeit und der thermischen Schockbeständigkeit der Legierung führen kann.

QRIGSMÄL

Das Kupfer trägt zu einer Verbesserung der Festigkeit der Legierung durch künstliche Alterung bei. Bei Verwendung von nur 2 Gew.% oder weniger von Kupfer ist es jedoch unmöglich/ irgend eine wirksame Verbesserung der Legierungsfestigkeit zu erwarten, während andererseits aber auch die Verwendung von 5 Gew.% oder mehr Kupfer vermieden werden sollte, da bei derart großen Mengen eine intermetallische Verbindung zwischen dem Aluminium und dem Kupfer gebildet wird, die nicht in Form einer festen Lösung vorliegt und daher in der Matrix zurückbleiben kann. Diese bewirkt eine Verminderung der Zähigkeit und der Dauerfestigkeit der Legierung und sie führt auch dazu, daß der Gußkörper gegenüber einer Rißbildung anfälliger wird.

Das Magnesium trägt zu einer Verbesserung der Festigkeit der Legierung Eei, da eine intermetallische Verbindung, be-' stehend aus Magnesium und Silizium oder Aluminium, Kupfer und Magnesium, durch künstliches Altern ausgefällt wird.Bei Mengen von nur 0,25 Gew.% oder weniger von Magnesium kann jedoch eine derartige Ausfällung nicht in genügender Menge erfolgen, während umgekehrt auch die Verwendung von mehr als 1 Gew.% Magnesium vermieden werden sollte, da hierdurch eine drastische Verminderung der Zähigkeit und der thermischen Schockbeständigkeit der Legierung bewirkt wird und der Effekt des Antimons in der Legierungsstruktur schwerwiegend verschlechtert wird.

Das Antimon verbessert die Legierungsstruktur, wodurch die thermische Schockbeständigkeit erheblich erhöht wird. Die Verwendung von nur 0,03 Gew.% oder weniger reicht jedoch nicht aus, während andererseits Mengen von mehr als 1 Gew.% zu keinen entsprechenden Verbesserungen der Ergebnisse führen.

Das Nickel verhindert eine nennenswerte permanente Schrumpfung der Legierung nach dem Aussetzen an hohe Temperaturen

BAD ORIGINAL

und es verbessert die Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß durch Abblättern» Jedoch sind Mengen von nur 0,1 Gew.% oder weniger nicht ausreichend, während umgekehrt die Verwendung von 0,5 Gew.% oder mehr zu einer drastischen Verminderung der thermischen Schockbeständigkeit der Legierung führen kann. Nickel ist wirksam, um eine solche Schrumpfung zu verhindern, wenn das Kupfer und das Magnesium in der Legierung im Gewichtsverhältnis von etwa 3 s 1 bis 8 : 1 vorliegen. Wenn dieser Bedingung nicht genügt wird, dann kann die Verwendung des Nickels sich nicht als vollständig wirksam erweisen.

Die erfindungsgemäße Legierung kann Verunreinigungen, wie Eisen, Zink, Vanadin und Chrom, in solchen Mengen enthalten, wie sie üblicherweise in den Rohmaterialien vorhanden "sind, aus 'denen die Legierung hergestellt wird. Sie enthält auch unvermeidbar kleine Mengen von Elementen, wie Titan, Bor und Beryllium_Γ als Ergebnis der Schmelzbadbehandlung „ Diese Verunreinigungen üben keinerlei nachteiligen Effekt auf die Qualität der Legierung aus. Das Vorhandensein von Titan ist sogar günstig, da dieses Element dazu dient, die Schrumpfung von aus der Legierung hergestellten Gußkörpern zu verbessern«

Um die thermische Beständigkeit der Legierung zu verbessern, ist es wirksam, mehr als 0,1 Gew.%, jedoch nicht mehr als 0,5 Gew.% Zirkon und/oder mehr als 0,1 Gew.%, jedoch nicht mehr als 1 Gew.% Mangan zuzusetzen.

Die Erfindung wird in den Beispielen erläutert.

. Beispiel 1

Effekte des Vorhandenseins von Nickel und des Verhältnisses von Kupfer zu Magnesium auf die permanente Deformation eines Gußkörpers nach langandauerndem Erhitzen Es wurden verschiedene Aluminiumlegierungen mit verschiede-

BAD ORSGfMAL

dener Zusammensetzung auf die permanente Deformation bei hoher Temperatur untersucht. Die Legierungen enthielten Gew.% Silizium, 0,15 Gew.% Antimon, 2, 3 oder 4 Gew.% Kupfer und Magnesium in einer Menge, die durch ein Gewichtsverhältnis von Kupfer zu Magnesium von 3:1,6:1 oder 9 : 1 ausgedrückt wird. Einige der Legierungen enthielten zusätzlich Nickel, während dies bei den anderen Legierungen nicht der Fall war. Fig. 1 zeigt die Testergebnisse bei den Gußkörpern der Nickel enthaltenden Legierung (a) und den Gußkörpern der nickelfreien Legierung (b).

Die Probekörper aus den einzelnen Legierungen wurden in der Weise hergestellt, daß die Legierung in eine bootförmige Form entsprechend den Erfordernissen der JIS-Norm für die Form Nr. 4 eingegossen wurden, die Gußkörper 10 Std. lang bei 500⁰C einer Lösungsglühungsbehandlung unterworfen wurden, diese in Wasser abgeschreckt wurden, diese 8 Std. bei 200⁰C getempert wurden und zu einer Rundstange mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Länge von 90 mm präzisionsverformt wurden. Die Probekörper wurden 50 Std. lang kontinuierlich auf 350⁰C erhitzt. Nach dem Abkühlen in der Luft wurden sie auf Dimensionsveränderungen entlang ihrer Länge untersucht.

Die 2 Gew.% Kupfer enthaltenden Legierungen enthielten 0,2 Gew.% Nickel, während die anderen Legierungen 0,4 Gew.% Nickel enthielten.

Wie aus Fig. 1b) hervorgeht, zeigten die nickelfreien Legierungen als Ergebnis der 50-stünd. Wärmebehandlung bei 350⁰C eine volumetrische Schrumpfung. Diese Tendenz wurde mit steigendem Kupfergehalt der Legierung und mit steigendem Verhältnis von Kupfer zu Magnesium ausgeprägter. Wie aus Fig. 1(a) ersichtlich wird, war jedoch das Deformationsproblem bei den Probekörpern der erfindungsgemäßen Legierungen, die die richtige Nickelmenge enthielten, erheblich verbessert worden.

Beispiel 2

Mechanische Eigenschaften

Die erfindungsgemäßen Legierungen wurden hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften mit einer herkömmlichen Legierung, die nach der JIS-Norm als AC8A bezeichnet wird, verglichen. Die Legierung bestand aus Aluminium, Silizium, Kupfer, Magnesium und Nickel. Die chemische Zusammensetzung der verwendeten Legierungen ist in Tabelle I gezeigt, während die mechanischen Eigenschaften in Tabelle II zusammengestellt sind. Die Proben Nr. 1 bis 6 sind aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt. Die Probe Nr. 6 ist ein geschmiedetes Produkt, das aus einem säulenförmigen Gußkörper mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Länge von 300 mm durch 2-stünd. Erhitzen bei 480⁰C und Schmieden bei einer Temperatur von 420⁰C bis 450⁰C gebildet worden ist. Die Probe Nr. 7 ist eine herkömmliche AC8A-Legierung.

Tabelle I
Chemische Zusammensetzung (Gew.%)

20	No.	- 'Si	■ Cu	Mn -Mg	Sb	Ti	Ni-	Zr	'Al	■ Cu/Mg	erf.
										gem.
1	7.2	2.7	- ' 0.45	o.io	0.1	0.4	-	BaI.	6:0:1	Il
2	8.0	2.7	-. 0.46'	0.10		0.4	0.3	ti	5:7:1	Il
3	9.2	3.3	0.82	0.15	-	0.4	- ■	H	4:0: 1
25 4	9.1	3.5	0.8 0.81	0.15	-	0.4	-	Il		Il
5	11.2	4.6	0.91	0.15	-	0.4	-	Il	5:0:1	Il
ί 6	9-3	-3.4	0.7 0.90	.0.15	0.1	0.4	0.3	»	3:8:1	ÄC8A
»7	• 12.1	1.0	•1.10	-	0.1	1.8	- ■	Il	0:9: 1

1	No.	Zugfe- stigk. .{kg/mm²)	Tabelle	4,6	II	Bedingungen der Wärmebehandlg. Lösungsglühen/Abschrecken/Al- tern
δ""	31,4	0,2% Streck- Dehnung festigkeit (%) (kg/mm²)	4,1	Härte (HB)	500⁰C,6 h/Wasser/200°C, 8 h
2	31,8	26,0	3,8	98	If
3	32,5	27,9	3,3	103	Il
4	32,7	29,8	3,1	110
(JI	■ 33,7	30,0	5,0	115	Il
ΙΟ⁶	34,6	31,6	0,7	119	500⁰C,1 h/Wasser/200°C, 8 h
7	29,7	30,6	118	500°C,10h/Wasser/200°C, 8 h
		28,9	109

Aus Tabelle II wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäßen Legierungen der herkömmlichen Legierung nicht nur hinsichtlieh der Festigkeit vergleichbar sind, sondern dieser auch hinsichtlich der Dehnung und daher der Zähigkeit weitaus überlegen sind.

Beispie.13

Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß durch Abblättern Zweck dieses Beispiels ist es, die Beständigkeit eines aus der erfindungsgemäßen Legierung, hergestellten Maschinenteils gegenüber einem lamellaren Abrieb bei Bedingungen zu zeigen, wo eine wiederholte Druckbeanspruchung bei hoher Temperatur erfolgt. Ein Beispiel ist die Verschleißbeständigkeit beim Abblättern eines Kolbens in einem Automobilmotor .

Die Testergebnisse sind in Fig. 2 dargestellt. Jeder Probekörper wurde bei hoher Temperatur gehalten und einer wiederholten Druckbeanspruchung mit einer maximalen Last von 100 kg und einer minimalen Last von 10 kg unterworfen.Dies geschah unter Verwendung einer Stahlkugel in einem FRICTOLON -Reibungstester (Warenzeichen) (Modell EMP-III-B"F-855). Es wurde die gebildete Eindrucktiefe gemessen. Die Tests wurden bei 300⁰C durchgeführt und die Anwendung der Druckbeanspruchung wurde mit einer Rate von 2 700 Zyklen/min.wiederholt.

BAD

Die Proben waren aus Aluminiumlegierungen mit unterschiedlicher Zusammensetzung hergestellt. Die Legierungen enthielten 9 Gew.% Silizium, 3 Gew.% Kupfer, 1 Gew.% Magnesium, 0,15 Gew.% Antimon und 0, 0,2, 0,5,1,0 oder 2,0 Gew.% Nickel. Die Probekörper waren durch Eingießen der Legierung in eine bootförmige Form Nr. 4 gemäß der JIS-Norm, 6-stünd. Lösungsglühen bei 500⁰C, Abschrecken in Wasser und 8-stünd. Temperung bei 200⁰C hergestellt worden.

Aus Fig. 2 wird ersichtlich, daß die Proben eine drastische Verminderung des Verschleißes zeigten, wenn die Legierung etwa 0,2 Gew.% Nickel enthielt. Die Proben aus den Legierungen mit 0,5 Gew.% oder mehr Nickel zeigten nur ein geringes Ausmaß des Verschleißes, das bei den verschiedenen Nickelgehalten der Legierung oberhalb etwa 0,5 % praktisch konstant war. Die Testergebnisse zeigen daher, daß es ausreichend ist, bis zu 0,5 Gew.% Nickel zuzusetzen, um die Beständigkeit gegenüber einem Verschleiß durch Abblättern der Legierung zu verbessern.

Beispiel 4
Thermische Schockbeständigkeit

Fig. 3 zeigt die Testergebnisse, die die ausgezeichnete thermische Schockbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung zeigen. Die Tests wurden durchgeführt, um eine erfindungsgemäße Legierung mit 9,2 Gew.% Silizium, 3,3 Gew.% Kupfer, 0,9 Gew»% Magnesium, 0^15 Gew.% Antimon und 0,41 Gew.% Nickel, Restgehalt Aluminium und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen, mit einer Vergleichslegierung mit 0,6 Gew.% Nickel und einer herkömmlichen Legierung entsprechend der Probe Nr. 7 in Beispiel 2 zu vergleichen. Die Tests wurden mit Legierungen durchgeführt, die jeweils einer 6-stünd. Lösungsglühung bei 500⁰C, einem Abschrecken in Wasser, und 8-stünd. Tempern bei 200⁰C unterworfen worden waren.

Aus jeder Legierung wurde ein Probekörper in Form einer Scheibe mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 3 mm hergestellt. Der Probekörper hatte in seiner Mitte ein Loch mit einem Durchmesser von 5 mm. Jeder Probekörper wurde in der Mitte rasch mittels eines Gasbrenners erhitzt und beim Erreichen einer Temperatur von 350⁰C des gesamten Probekörpers wurde er sofort in Wasser mit einer Temperatur von etwa 20⁰C abgeschreckt. Beim Wiederholen dieses Zyklus aus raschem Erhitzen und Abschrecken wurde durch innere Spannungen in dem Probekörper eine thermische Spannung erzeugt, und der Probekörper begann, um sein Mittelloch herum Risse zu bilden. Es wurde die Anzahl der wiederholten Zyklen, bis die Rißbildung auftrat und bis die Risse zu verschiedenen Längen gewachsen waren, bestimmt, um die Legierungen hinsichtlich der thermischen Schockbeständigkeit zu vergleichen.

Aus Fig. 3 wird ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Legierung der herkömmlichen AC8A-Legierung hinsichtlich der thermischen Schockbeständigkeit weit überlegen ist, da bei der erstgenannten Legierung die Rißbildung nach erheblich mehr Zyklen erfolgte, als bei der letztgenannten Legierung. Die Risse wuchsen mit definitiv niedriger Geschwindigkeit (vgl. Kurven a und c). Fig. 3 zeigt auch, daß die Zugabe von Nickel in einer Menge von mehr als 0,5 Gew.% zu einer drastischen Verminderung der thermischen Schockbeständigkeit der Legierung führt (vgl. Kurve b mit Kurve a).

Ende der Beschreibung.
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m ORIGINAL

Leerseite

If-.,-

Claims

KRAUS & WEISERT

PATENTANWÄLTE

UND ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

DR. WALTER KRAUS DIPLOMCHEMIKER ■ D R.-l N G. AN N EKÄTE WEISERT DIPL-ING. FACHRICHTUNG CHEMIE IRMGARDSTRASSE 1B · D-BOOO MÜNCHEN 71 · TELEFON 089/797077-797078 ■ TELEX O5-212156 kpat d

TELEGRAMM KRAUSPATENT

3501 WK/li

NIPPON LIGHT METAL COMPANY LIMITED, Tokyo (Japan)

Aluminium-Gußlegierung

Patentansprüche

1„ Aluminium-Gußlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Silizium im Gewichtsbereich von mehr als 6 % bis zu 13 %, Kupfer im Gewichtsbereich von mehr als 2 % bis zu 5-%, Magnesium im Gewichtsbereich von mehr als 0,25 % bis zu 1 %, Nickel im Gewichtsbereich von mehr als 0,1 % bis zu 0,5 %, und Antimon im Gewichtsbereich von mehr als 0,03 % bis zu 1 % und zum Rest Aluminium und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen enthält, wobei das Kupfer und das Magnesium im Gewichtsverhältnis von etwa 3:1 bis 8 : 1 vorliegen.
2. Aluminium-Gußlegierung nach Anspruch 1, dadurch ge kenn ze ichnet, daß sie mindestens eine Komponente

aus der Gruppe: mehr als 0,1 Gew.%, jedoch nicht mehr als 0,5 Gew.% Zirkonium und mehr als 0,1 Gew.%, jedoch nicht mehr als 1 Gew.% Mangan enthält.
3. Aluminium-Gußlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehr als 0,03 Gew.%, jedoch nicht mehr als 2,0 Gew.% Titan enthält.