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Herstellung von Gußstücken aus Aluminiumlegierungen mit erheblichem
Siliciumgehalt. Die Erfindung bezieht sich auf die an sich bekannten Aluminiumlegierungen,
mit erheblichem Gehalt an Silicium, und ihr Hauptzweck liegt darin, ein verbessertes
Gießverfahren für solche Legierungen zu schaffen, das deren physikalische Eigenschaften,
besonders die Zugfestigkeit und Duktilität, verbessert. Die Erfindung gründet sich
auf die Feststellung, daß der Zusatz von metallischem Natrium oder Kalium oder beider
eine wichtige Wirkung auf das Gefüge der Legierungen ausübt, die Silicium in wesentlichen
Mengen enthalten.
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In den Mischungsverhältnissen der Metalle ist eine beträchtliche Verschiedenheit
zulässig. Im allgemeinen wächst mit steigendem Siliciumgehalt bei Guß in gewöhnlicher
Sandform die Zugfestigkeit der Legierung bis zu einem Siliciumgehalt von etwa z
o % , die Dehnung nimmt dabei aber ab. Beispielsweise zeigen in Sand gegossene Stäbe
aus einer Legierung von ro Teilen Silicium mit 9o Teilen Aluminium bei einer Probierlänge
von 5o,8 mm und einem Durchmesser von z2,7 mm eine durchschnittliche Zugfestigkeit
von etwa z qoo kg/qcm und eine Dehnung von etwa 3 %, während gleiche Stäbe aus gewöhnlichem
Aluminium von handelsüblicher Reinheit eine Zugfestigkeit von ungefähr 88o kg pro
Quadratzentimeter und eine Dehnung von etwa 25 % haben. Durch gegenwärtige Erfindung
ist es möglich, nicht nur eine wesentliche Steigerung der Zugfestigkeit der siliciumhaltigen
Legierungen, sondern auch eine Steigerung der Dehnung auf das Doppelte und sogar
Dreifache des bisherigen Maßes zu erzielen.
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Bei Ausführung der Erfindung wird eine Legierung aus Aluminium und
Silicium hergestellt, die vorzugsweise etwa 5 bis 15 % Silicium enthält. Dies kann
beispielsweise so geschehen, daß man metallisches Silicium in geschmolzenem Aluminium
bei etwa 75o° bis 8oo° C verrührt. Bei dieser Temperatur werden der Legierung das
oder die erwähnten Alkalimetalle in- metallischer Form zugesetzt, und das Bad wird
kräftig umgerührt. Es ist nur eine geringe Menge von Natrium oder Kalium- nötig,
beispielsweise etwa o, r % ; bessere Ergebnisse erhält man aber, wenn Natrium und
Kalium zusammen in Mengen von je etwa o,o5 % verwendet werden. Zwecks bester Ergebnisse
sollte das Umrühren heftig geschehen und der Guß rasch erfolgen. Der Silieiumgehalt
liegt am besten zwischen 8 und 13 %. Bei der erwähnten Zusammensetzung zeigten
runde sandgegossene Stäbe ohne mechanische Bearbeitung, wie Walzen, Schmieden u.
dgl., mit einer Probierlänge von 5o,8 mm und r2,7 mm
Durchmesser
eine Zugfestigkeit von etwa i 8oo kg pro Quadratzentimeter und eine Dehnung von
12 bis 14 %.
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Es ist sehr erwünscht, daß der Eisengehalt gering, und zwar vorzugsweise
unter o,6% gehalten wird, obschon in Ausnahmefällen 1,501, Eisen nicht zu
hoch zu sein braucht, wenn es minder auf Duktilität ankommt.
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Es hat sich gezeigt, daß die Legierung, wenn man sie nach dem Zusatz
des Alkalimetalls in geschmolzenem Zustande stehenläßt, eine Veränderung erleidet,
welche die Erzielung der besten Eigenschaften im Gußstück verhindert. Daher sollte
das Gießen ohne alle unnötige Verzögerung nach Erreichung der richtigen Gießtemperatur
von beispielsweise 7oo° C erfolgen. Es ist unmöglich, bestimmt anzugeben, wie lange
Zeit bei Beibehaltung der Vorteile der Erfindung vor dem Gießen verstreichen darf,
da dies hauptsächlich von den an das Gußstück gestellten Anforderungen abhängt.
Bei stärkerem Alkalimetallzusatz kann ohne Schaden für das Erzeugnis eine längere
Zeit verstreichen, sonst ist aber in der Regel kein merklicher Gewinn, sondern eher
ein Nachteil in der Verwendung höherer als der hier angegebenen Zusatzmengen begründet.
Man darf nicht erwarten, das ganze zugesetzte Alkalimetall im Gußstück wiederzufinden,
da ein beträchtlicher Teil verlorengeht. Die Ver=-lustmenge kann aber durch Verwendung
des Natriums und Kaliums in Legierung mit einem andern Metall, beispielsweise Zink,
verringert werden, wobei sich gezeigt hat, daß ein Zusatz von o,o2 0% des Alkalimetalls
dieselben Dienste verrichtet wie o, i % bei direktem Zusatz.
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In manchen Fällen ist ein Zusatz von einem oder mehreren Metallen
vorteilhaft, die wie Kupfer und Zink in Aluminium feste Lösungen bilden können.
So hat die Gegenwart von Kupfer bis zu etwa; o,5 1/1o eine günstige Wirkung auf
die Zugfestigkeit. Kupfer in Menge von 0,3 % gibt die größte Verstärkung
der Zugfestigkeit ohne beachtliche Verringerung der Duktilität. Der .Kupfergehalt
kann aber unter ausgesprochener Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der
Legierung bis auf 4 oder 5 % gesteigert werden, wenn die Absghreckungsgußmethode
oder eine Wärmebehandlung durchgeführt wird. Im allgemeinen ist es bei Gegenwart
von Kupfer in beträchtlicher Menge zweckmäßig, den Siliciumgehalt zu verringern,
wobei 3 bis io % Silicium in der Regel angebracht sind. Mikroskopische Prüfung zeigt.
daß der Zusatz der erwähnten Alkalimetalle eine Gefügeänderung der Legierung bewirkt,
insofern die Größe der Siliciumteilchen sich stark- verringert und sie feiner verteilt
sind. So .findet sich in einer Sandgußlegierung mit Silicium, aber ohne Natrium
oder Kalium, das Silicium in großen Platten oder Nadeln, während bei Zusatz von
Natrium oder Kalium oder beider das Silicium in Form sehr kleiner Teilchen auftritt,
die für gewöhnlich gerundet oder kugelförmig und durch die Masse des Eutektikums
gut verteilt sind. Der Zusatz dieser Alkalimetalle scheint auch die Zusammensetzung
der eutektischen Legierung des Aluminium-Silicium-Systems zu verändern. Ohne Alkalimetall
enthält die eutektische Legierung etwa i i bis 12% Silicium. Langsam erhärtete und
unbehandelte Legierungen mit einem geringeren als diesem Siliciumgehalt bestehen
aus Eutektikum plus überschüssigem Aluminium, während Legierungen mit einem stärkeren
Siliciumgehalt als dem angegebenen aus Eutektikum plus überschüssigem Silicium bestehen.
Anderseits ist bei Zusatz der vorerwähnten Alkalimetalle ein Zusammensetzungsbereich
zwischen i i und 15% Silicium vorhanden, innerhalb dessen die Legierung sich als
eine eutektische, hypoeutektische oder hypereutektische Mischung verhalten kann.
Es wurde auch gefunden, daß die Änderung in der eutektischen Zusammensetzung gewöhnlich
von- einer Erniedrigung des Erstarrungspunktes begleitet ist, und zwar manchmal
um volle i2° C unterhalb des `-Krstarrungspunktes des normalen Aluminium-Silicium-Eutektikums.
-Hinsichtlich Verringerung der Teilchengröße des kleineren Bestandteiles ist -nebenbei
bemerkt - die Wirkung des Zusatzes dieser Alkälimetalle zu -Aluminium-Nickel-Legierungen
ähnlich der Wirkung bei Aluminium-Silicium-Legierungen, undbeikup--ferhaltigen Legierungen
b-eeinflußt der Zusatz von Natrium oder Kalium die primären Körner und die Zellengröße,
indem die primären Körner j e nach Menge des -Alkalizusatzes kleiner oder größer
werden, während die Zellengröße allgemein geringer wird.
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Vorstehend ist auf den Zusatz des Alkalimetalls in metallischer Form
Bezug genommen worden, um die Verwendung der Metalle in Form von Salzen auszuschließen.
Nicht aber soll der Zusatz des Alkalitnetalls oder der Alkalimetalle in Legierung
oder chemischer Kombination mit einem oder mehreren andern Metällen ausgeschlossen
sein. Es hat sich gezeigt, daß es - in manchen Fällen angebracht ist, eine Legierung
zuzusetzen, -die aus 98 % Zink und a % Natrium besteht, wie weiter unten
noch erläutert.
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Es wurde übrigens nebenbei auch festgestellt, daß Cadmium und Wismut
in Mengen von etwa z %. oder weniger ähnlich wie Natrium und Kalium wirkt.
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Wie oben erwähnt, kann sich bei Einführung
des niedrigschmelzenden
und leichten Alkalimetalls in reiner Form in die geschmolzene Aluminium-Silicium-Legierung
beträchtlicher Verlust ergeben. Dieser kann unter Erzielung weiterer Vorteile unter
Verwendung einer Legierung von Natrium oder Kalium oder beiden mit einem Schwermetall
verringert werden. Beispielsweise kann eine Legierung aus Zink mit etwa :2% Natrium
hergestellt werden, die sehr widerstandsfähig gegen Oxydation ist und deren Alkalimetallgehalt
keine besondere Sorgfalt bei der Hantierung erfordert. Da diese Legierung einen
relativ hohen Schmelzpunkt hat, so löst sie sich langsam in der geschmolzenen Aluminium-Silicium-Legierung
und kann mit Zangen gehalten und in der Legierung durch Umrühren gründlich verteilt
werden. Legierungen von Natrium oder Kalium oder beiden mit andern Schwermetallen
können statt der reinen Alkalimetalle in der beschriebenen Art überall verwendet
werden, wo die Gegenwart des zusätzlichen Legierungsmetalls nicht schädlich ist.
Die Wahl des mit dem Alkalimetall zu legierenden Metalls hängt zum Teil von seiner
Wirkung auf die Eigenschaften der resultierenden Legierung ab. Die Menge der erforderlichen
Alkalimetallegierung richtet sich nach ihrem Alkalimetallgehalt und der Wirksamkeit
der Ausnutzung. Wie schon oben erwähnt, hat sich bei Verwendung einer Natrium-Zink-Legierung
gezeigt, daß die Verwendung einer zur Einführung von o,o2 °,'o Natrium genügenden
Menge ausreichte, um befriedigende Ergebnisse erzielen zu lassen.
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Die Bezeichnung »Alkalimetalle« deckt für gewöhnlich Lithium, Natrium,
Kalium, Rubidium und Cäsium. Von diesen sind nur Natrium und Kalium im allgemeinen
im Handel zu vernünftigem Preis und in ausreichenden Mengen zu haben. In manchen
seiner Eigenschaften steht das Lithium den Metallen der alkalischen Erden näher
als dem Natrium und Kalium, und tatsächlich wurde festgestellt, daß Lithium nicht
die gewünschte Wirkung auf Aluminium-Silicium-Legierungen ausübt. Rubidium und Cäsium
sind jedenfalls gegenwärtig noch zu selten, um für die Erfindung praktisch verwertbar
zu sein.
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GuBstücke aus Aluminium-Silicium-Legierungen mit dem beschriebenen
Zusatz von Alkalimetall haben sich als besonders gut geeignet zumWalzen und Schmieden
in warmem und kaltem Zustande erwiesen. Allgemein verbessert das durch den Alkalimetallzusatz
erzeugte feine Gefüge die Eigenschaften der Legierungen für alle Zwecke, wo gesteigerte
Zugfestigkeit und Duktilität erwünscht sind.
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Man hatte bereits früher vorgeschlagen, zu Aluminiumlegierungen Alkalimetall
zuzusetzen, hat dabei aber nicht Aluminium-Silicium-Legierungen vor Augen gehabt.
Die spezifische Wirkung von Alkalimetall auf Aluminium-Silicium-Legierungen war
vielmehr bisher unbekannt.