DE4014430A1 - Verfahren zur herstellung von stranggegossenen baendern und draehten - Google Patents
Verfahren zur herstellung von stranggegossenen baendern und draehtenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit
großer Gieß- und Abkühlgeschwindigkeit einer auf eine
Temperatur oberhalb der Entmischungstemperatur erhitzten
Schmelze stranggegossenen, plastisch verformten und
wärmebehandelten Bändern und Drähten aus monotektischer
Aluminium-Silizium-Legierung, bei der in der aus Aluminium
und Aluminium-Silizium-Eutektikum bestehenden Matrix 1 bis
50 Gew.-% Blei oder Wismut eingelagert sind.
Bei auf Temperaturen oberhalb der Entmischungstemperatur
erhitzten Schmelzen monotektischer Legierungen mit großen
Dichteunterschieden der entmischten flüssigen Phasen und
großen Entmischungs-Temperaturintervallen kommt es bei
Temperaturen im Bereich der Mischungslücke infolge der
Schwerkraft zur Sedimentation und Koagulation der relativ
schwereren Tröpfchenform besitzenden Minoritätsphase. Die
Sedimentationsgeschwindigkeit ist entsprechend dem
Stokes′schen Gesetz proportional dem Quadrat des
Tröpfchendurchmessers. Unterschiedliche Tröpfchendurchmesser
fördern daher die Häufigkeit von Tröpfchenkollisionen und
Tröpfchenverschmelzungen und beschleunigen dadurch
zusätzlich die Sedimentation. Eine gleichmäßige Dispersion
kugelförmiger Tröpfchen kleinen Durchmessers in der Matrix
monotektischer Legierungen kann jedoch erreicht werden, wenn
die Schmelze vertikal zu einem Band oder Draht von 5 bis
20 mm Dicke bzw. Durchmesser mit relativ großer Gieß- und
Abkühlgeschwindigkeit stranggegossen wird, so daß vor der
Phasengrenze fest/flüssig ein sehr steiler
Temperaturgradient aufrechterhalten wird. Dadurch ist der
Abstand zwischen der Entmischungs- und der
Solidus-Isothermen innerhalb des Systems und damit die
Sedimentationsstrecke möglichst kurz. Das Temperatur- bzw.
Wegintervall ist gegeben durch die Isothermen der
Entmischungstemperatur und die Temperatur der monotektischen
Reaktion, bei welcher die Matrixphase erstarrt und dabei die
zweite noch flüssige Phase in der dann vorliegenden
Verteilung einschließt. Dieses Verfahren eignet sich ganz
besonders für die Herstellung von Gußbändern bzw. -drähten
aus monotektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, in deren
aus Aluminium und Aluminium-Silizium-Eutektikum bestehender
Matrix 1 bis 50 Gew.-% Blei oder Wismut als Minoritätsphase
in Form feiner Tröpfchen eingelagert ist.
Da jedoch die Abmessungen und/oder die
mechanisch-technologischen Eigenschaften eines solchen
Gußgefüges häufig den gestellten Anforderungen nicht
entsprechen, wird das Gußband bzw. -draht einer Walz-
und/oder Wärmebehandlung unterzogen, um die
Werkstoffeigenschaften zu optimieren. Beim Walzen eines
solchen Gußgefüges wird die ursprünglich kugelförmige Blei-
oder Wismutphase zu langgestreckten Plättchen verformt.
Derartige langgestreckte Einschlüsse beeinträchtigen jedoch
die mechanische Belastbarkeit und die technologischen
Eigenschaften des Werkstoffs, so daß zur Einstellung der
gewünschten Werkstoffeigenschaften die Umbildung der
langgestreckten Plättchen zu kompakten Gefügeformen
notwendig ist, was durch eine nachfolgende Wärmebehandlung
erfolgen kann.
Eine für die Umbildung und anschließende Einformung einer
dispergierten niedrigschmelzenden Minoritätsphase übliches
Verfahren ist die längerzeitige Erwärmung der monotektischen
Legierung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur
der niedrigschmelzenden Minoritätsphase. Dabei erfolgt die
Umbildung und Einformung der Minoritätsphase durch Lösungs- und
Transportvorgänge des Matrixmetalls vorzugsweise
innerhalb der geschmolzenen Phase, da die Löslichkeiten und
Diffusionskoeffizienten in Schmelzen sehr viel größer als in
Feststoffen sind.
Die Voraussetzungen sind jedoch bei monotektischen
Aluminium-Silizium-Legierungen, bei denen die
niedrigschmelzenden flüssigen Phasen Blei und Wismut in
einer Matrix aus Aluminium und Aluminium-Silizium-Eutektikum
eingeschlossen sind, nicht gegeben, da die Löslichkeiten der
Blei- und Wismutschmelzen für Aluminium, aber auch die
Diffusionskoeffizienten von Aluminium und Silizium in Blei
und Wismut nur sehr gering sind, so daß eine Umbildung und
Einformung der aus Blei oder Wismut bestehenden
Minoritätsphase eine vergleichsweise sehr lange
Wärmebehandlung erfordern. Die Blei- bzw. Wismutphase
schmilzt bei einer Temperatur von 330 bzw. 270°C. Danach
erfolgt das Schmelzen des Aluminium-Silizium-Eutektikums mit
einer monotektischen Vierphasenreaktion bei 570 bzw. 580°C
und schließlich schmilzt die Aluminiummatrix auf.
Um bei einer monotektischen Aluminium-Blei-Legierung eine
feine und gleichmäßige Verteilung der nach dem Walzen des
Gußbandes fadenförmig gestreckten, im festen Aluminium
unlöslichen Bleiphase zu erreichen, ist in Z. Metall 36,
Heft 9, 9/1982, S. 970-976, vorgesehen, die
Aluminium-Blei-Legierung mit Zinn zu legieren. Durch dieses
Vorgehen wird die Löslichkeit vergrößert und die Diffusion
von Blei in Aluminium beschleunigt. Da andererseits durch
Zinn die Schmelztemperatur des Bleis sehr stark erniedrigt
wird, ist diese legierungstechnische Maßnahme nur dann
anwendbar, wenn der Aluminium-Blei-Zinn-Werkstoff bei seiner
Verwendung keiner thermischen Belastung ausgesetzt ist.
Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, bei nach dem
eingangs beschriebenen Verfahren hergestelltem Band bzw.
Draht, bestehend aus einer monotektischen
Aluminium-Silizium-Legierung mit in deren Matrix fein
dispergierter Blei- oder Wismutphase, eine Umwandlung der
nach dem Walzen langgestreckten Plättchen der im festen
Aluminium unlöslichen Blei- bzw. Wismutphase in kompaktere
Formen zu erzielen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Bänder oder
Drähte einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 550
bis 600°C unterzogen werden.
Bei diesen Temperaturen schmilzt neben der Blei- bzw.
Wismutphase auch das Aluminium-Silizium-Eutektikum
wenigstens teilweise auf. Die Umbildung bzw. Einformung der
flüssigen Blei- bzw. Wismutphase innerhalb der eutektischen
Schmelzbereiche geschieht sehr schnell.
Im Rahmen der vorzugsweisen Ausgestaltung wird die
monotektische Aluminium-Silizium-Legierung mit in der Matrix
eingeschlossener Bleiphase einer Wärmebehandlung bei
Temperaturen von 580 bis 590°C unterworfen.
Die monotektische Aluminium-Silizium-Legierung mit in der
Matrix eingeschlossener Wismutphase wird bei Temperaturen
von 575 bis 585°C wärmebehandelt.
Zweckmäßig dauert die Wärmebehandlung 0,5 bis 15 min.
Bei der schnellen Abkühlung erstarrt die eutektische
Aluminium-Silizium-Schmelze sehr schnell, wobei das Silizium
ein deutlich gröberes Gefüge als im Gußzustand aufweist.
Dieser Effekt ist durchaus wünschenswert, da dadurch der
Verschleißwiderstand des Werkstoffs erheblich verbessert
wird.
Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird die Schmelze mit
einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 mm/s gegossen und mit
einer Geschwindigkeit von 300 bis 1500 K/s abgekühlt.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die
Behandlung von Gleitwerkstoffen auf Aluminium-Silizium-Basis
mit in deren Matrix fein dispergierter Blei- oder
Wismutphase geeignet.
Die Erfindung ist nachfolgend durch ein Ausführungsbeispiel
eingehender erläutert.
In Fig. 1 ist in 500facher Vergrößerung eine
photographische Aufnahme eines Schliffs durch ein
stranggegossenes, 10 mm dickes und anschließend gewalztes
Gußband einer ternären monotektischen Aluminiumlegierung mit
5% Silizium und 10% Wismut dargestellt. Wie das
Schliffbild erkennen läßt, sind in der aus Aluminium (1) und
Aluminium-Silizium-Eutektikum (2) gebildeten Matrix
langgestreckte Plättchen der Wismutphase (3) eingebettet.
Die in Fig. 2 wiedergegebene 500fache Vergrößerung der
photographischen Aufnahme eines Schliffs durch ein
stranggegossenes, anschließend gewalztes und danach 5 min
lang auf 587,5°C erwärmtes Gußband der vorstehend genannten
ternären monotektischen Aluminiumlegierung zeigt, daß die
Wismutphase (4) in die im wesentlichen aus Aluminium
bestehende Matrix (5) eingeformt ist und das Silizium (6) in
deutlich grober Form kristallisiert ist.
Eine Untersuchung der Verschleißfestigkeit mit der
Stift-/Scheibemethode hat ergeben, daß die ternäre
monotektische Aluminiumlegierung im gewalzten Zustand nach
einer Laufzeit von 72 min einen Verschleiß von 209 µm
aufwies, was praktisch ein teilweises Fressen darstellt.
Demgegenüber konnte der Verschleiß des erfindungsgemäß
behandelten Gußbandes auf 16 µm nach mehr als 90 min
Laufzeit begrenzt werden.
Claims (5)
1. Verfahren zur Herstellung von mit großer Gieß- und
Abkühlgeschwindigkeit einer auf eine Temperatur oberhalb
der Entmischungstemperatur erhitzten Schmelze
stranggegossenen, plastisch verformten und
wärmebehandelten Bändern und Drähten aus monotektischer
Aluminium-Silizium-Legierung, bei der in der aus
Aluminium und Aluminium-Silizium-Eutektikum bestehenden
Matrix als Minoritätsphase 1 bis 50 Gew.-% Blei oder
Wismut eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die
Bänder oder Drähte einer Wärmebehandlung bei Temperaturen
von 550 bis 600°C unterzogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die monotektische Aluminium-Silizium-Legierung mit in der
Matrix eingeschlossener Bleiphase einer Wärmebehandlung
bei 580 bis 590°C unterzogen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die monotektische Aluminium-Silizium-Legierung mit in der
Matrix eingeschlossener Wismutphase einer Wärmebehandlung
bei 575 bis 585°C unterzogen wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung 0,5 bis 15 min
dauert.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 mm/s
gegossen und mit einer Geschwindigkeit von 300 bis
1500 K/s abgekühlt wird.
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