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Behandlung von Gußkörpern aus siliziumhaltigen Aluminiumlegierungen
zwecks Verbesserung ihrer physikalischen Eigenschaften Die Erfindung betrifft die
Behandlung von Gußkörpern aus Aluminium-Silizium-Legierungen mit einem über i °/"
betragenden Gehalt an Silizium. Außer Silizium können diese Legierungen noch Kupfer
und auch andere Metalle erhalten. Zweck der Behandlung gemäß Erfindung ist die Erzeugung
von Gußkörpern von geringem spezifischen Gewicht, die noch dazu günstige physikalische
Eigenschaften in einer bisher noch unerreichten Zusammenstellung aufweisen, insbeson-(lere
was die Elastizitätsgrenze, die Zugfestigkeit und Streckgrenze anbetrifft.
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Wie aus nachfolgender Beschreibung der rrfindung ersichtlich ist,
beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß solche Legierungen ganz besonders fähig
sind, nach dein Gießen durch eine Wärmebehandlung sich verbessern zu lassen. Ferner
erstrecht sich die Erfindung auf die Ermittlung der zweckmäßigen Temperatur und
Zeitdauer der Wiirinebehandltm,f mit Rüclzsicht atif dieEigenarten der Legierungen
sowie auf deren Gieß--\-erfahren. llit Hilfe der Erfindung ist es gelängen, Gußlcörper
herzustellen, die eine Erli<ihung der Elatizitätsgrenze, der Zugfestigkeit und
der Streckgrenze in einem bisher unerreichtem Maße aufzuweisen haben, so claß es
jetzt möglich ist, Gußstücke aus Aluminiumlegierung für technische Zwecke zu verwenden,
für die ihre Benutzung bisher untunlich erschien.
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Zweistofflegierungen des Aluminiums und Silizitnns sind als. Gußmaterial
schon vorgeschlagen «-orden, z.B. von Schirmeister; dieser hat auch solche Legierungen
für wissenschaftliche Zwecke neben zahlreichen anderen Legierungen zwecks Herstellung
von Walzbarren in eiserne Kokillen gegossen und unmittelbar verwalzt. Es fehlte
jedoch noch die technische Regel, daß Aluminium-Silizium-Legierungen durch thermische
Behandlung eine die Eigenschaften der Legierungen verbessernde Gefügeänderung erfahren,
durch die die Legierungen überhaupt erst praktisch als Gußmaterial brauchbar «-erden.
Infolgedessen haben bis zum Jahre 192o die Aluminiumlegierungen verbrauchenden Gießereien
einen den normalen, also etwa i °4 übersteigenden Siliziumgehalt im Handelsaluminium
für die Herstellung von Gußlegierungen abgelehnt, und es galt die von Minet und
anderen aufgestellte Regel, daß ein höherer Siliziumgehalt als i °/" für Legierungen
schädlich und am besten sogar nicht mehr als o._# "f" Silizium 'zuzulassen sei (vgl.
Minet,
L'Aluminium, Bd. I, Seite 245, letzten Absatz, und Bd. II,
Seite 112, drittletzten Absatz, Reinglaß, Chemische Technologie der Legierungen,
I. Teil, Seite i19).
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Es wurde nun ermittelt, daß solche Siliziumlegierungen durch eine
geeignete Wärmebehandlung bedeutend verbessert werden können, durch die sowohl das
Silizium als auch die Bestandteile an schweren Metallen kristallin beeinflußt werden.
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Die Vergütung von Aluminiumlegierungen mit normalem Siliziumgehalt,
wie er als Unreinigkeit auftritt, durch Wärmebehandlung war bekannt; für solche
Magnesium enthaltende Legierungen war auch die sogenannte Abschreckglühung mit anschließender
Nachhärtung bei höherer Temperatur (künstliche Alterung) üblich. Daß auch Aluminiumlegierungen
mit einem höheren Siliziumgebalt, d. h. mit absichtlich über den normalen Gehalt
erhöhtem Gehalt, durch thermische Behandlung wesentlich bessere mechanische Eigenschaften
erhalten als .die bisher verwendeten siliziumhaltigen Gußaluminiumlegierungen, ist
eine überraschende Tatsache.
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Die Zugfestigkeit von üblicher Handelsware reinen Aluminiumgusses
beträgt etwa 8,5 kg/mm-' und die Dehnung etwa 25 "/". Durch Zusatz wechselnder Verhältnismengen
von härtermachenden Metallen, insbesondere von Kupfer und Zink, ist es möglich,
die Zugfestigkeit derart zu erhöhen, daß ein in Sand gegossener Legierungskörper
eine höchste Zugfestigkeit von 2,1 kg/mm2 besitzt. Jedoch wird dabei die Dehnung
auf weniger als 5 °% herabgemindert. Durch Zusatz einer sehr großen Menge von Zink
kann die Zugfestigkeit auf annähernd 28 kg/mm2 gesteigert werden, während aber die
Dehnung fast auf Null herabgeht, die Legierung also sehr spröde wird. Dadurch, daß
man solche Legierungen in gekühlte Formen (Kokille) gießt, kann die Zugfestigkeit
im allgemeinen um annähernd 3,5kg/mm` gesteigert werden. Auch die Dehnung kann auf
einen höheren Wert gebracht werden, jedoch ist es bisher nicht möglich gewesen,
gleichzeitig Zugfestigkeiten von mehr als 2i kg/mm-' und eine Dehnung von 8 °/"
oder mehr zu erreichen.
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Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung ist es indessen gelungen, die
Grenzen der Zugfestigkeit und Dehnung noch sehr bedeutend zu erhöhen, und zwar auch
gleichzeitig, so daß man Gußkörper bekommt, die sowohl eine höhere Zugfestigkeit
haben, als auch eine höhere Streckgrenze aufweisen als diejenigen, die man bisher
bei Gußkörpern solcher Legierungen erreicht hat, was um so auffallender ist, da
im allgemeinen die Dehnung abnimmt, wenn die Zugfestigkeit wächst. Indessen gestattet,
wie erwähnt, das neue Verfahren, sehr viel bessere Resultate beider Eigenschaften
gleichzeitig zu erreichen.
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Es ist ferner bemerkenswert, daß die bisher bekannten Legierungen
von verhältnismäßig hoher Zugfestigkeit die Anwesenheit beträchtlicher Mengenanteile
von Zink erforderten, in manchen Fällen sogar bis zu 33 °/". Solches Material war
daher beträchtlich schwerer als reines Aluminium. Gemäß der Erfindung wenden dagegen
die günstigen Resultate mit einem Zusatz erreicht, der im allgemeinen 5 bis io Gewichtsprozente
an Schwermetallen nicht übersteigt und dennoch ein Gußstück liefert, das nicht allein
fester und dehnbarer, sondern auch verhältnismäßig leicht ist.
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Von besonderer Wichtigkeit ist die Ausübung des Erfindungsverfahrens
bei Legierungen, die eine beträchtliche Menge, nämlich zwischen 3 und
15 %, Silizium enthalten. Mit solchen Legierungen werden gewöhnlich die besten
Ergebnisse erzielt, wenn die Gußkörper in einer gekühlten Form (Kokille) angefertigt
werden. Beispielsweise zeigte ein in Kokillen gegossener Stab einer Legierung, die
etwa io "/" Silizium und kein Kupfer enthielt, eine Zugfestigkeit von rund 2i kg/mm2
und eine Dehnung von ungefähr 71/2 "/". Nach einer 40stündigen Erwärmung auf 56o°
C und anschließendem Abschrecken betrug die Zugfestigkeit etwa 19,5 kg/mm', aber
die Dehnung hatte bis auf 21 "/" zugenommen. Gemäß der Erfindung ist man daher in
der Lage, einen Gußkörper aus einer Aluminium-Silizium-Legierung herzustellen, der
große Streckbarkeit besitzt und gleichzeitig eine Zugfestigkeit von der doppelten
Größe oder mehr des Aluminiums mit dem weiteren Vorzug guter Gießfähigkeit. Der
Zusatz von Kupfer zu diesen Aluminium-Silizium-Legierungen erhöht die Zugfestigkeit
enorm, vermindert aber die Streckbarkeit. Kok iilengußstäbe einer Legierung, die
6 "/" Silizium und 4'1" Kupfer enthielt und 4.5 Stunden lang bei einer Temperatur
von 5oo bis 5i5° erhitzt und anschließend abgeschreckt wurde, zeigten eine Zugfestigkeit
von etwa 30 kg/mm2 und eine Dehnung von 8 "/". Bei den Legierungen mit hohem
Siliziumgehalt liegt der vorteilhafteste Gehalt an Kupfer zwischen 2 und 5 "/".
Es ist bemerkenswert, daß die eutektische Mischung von Aluminium und Silizium bei
57o bis 58o° C schmilzt, welcher Schmelzpunkt höher liegt als derjenige der eutektischen
Mischung von Aluminium und Kupfer (54o°). Es ist daher vorteilhaft, die genannten
Legierungen bei höheren Temperaturen, etwa bei 53o bis 57o° C, der Hitzebehandlung
zu unterwerfen. Wenn Kupfer zu den Aluminium-Silizium-Legierungen zugesetzt wird,
kann sich ein eutektisches Gemisch bilden mit einem Schmelzpunkt von etwa 52o°,
und
infolgedessen müßte die Temperatur der Wärmebehandlung entsprechend erniedrigt werden.
In gleicher Weise muß auch bei Zink-und Magnesiumgehalten die Temperatur der Wärmebehandlung
herabgesetzt werden. Im übrigen bewirkt Magnesium im allgemeinen in Altiminium-Silizium-Legierungen
eine Erhöhung der Zugfestigkeit und eine Verminderung der Dehnung.
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Zink ist in Aluminiumlegierungen, die bedeutende Teilmengen von Silizium
oder von Silizium und Kupfer enthalten, ein wirksamer Zusatz. Z. B. zeigte ein in
Kokillen gegossener Stab einer Legierung, die neben Aluminium 8 °/" Silizium, io
"/" Zink und 2.5 °/" Kupfer enthielt, eine Zugfestigkeit von etwa 23kg/mmz und eine
Dehnung von 2,5°/". Wird dieser Stab der Wärmebehandlung gemäß Erfindung, und zwar
ähnlich der zuvor beschriebenen, unterworfen, so hatte die Zugfestigkeit auf über
31 kg/mm' und die Dehnung bis auf 7 "/" zugenommen. Wenn nur Silizium und Zink in
der Legierung vorhanden sind, so hat sich herausgestellt, daß die Wärmebehandlung
weniger günstig die Zugfestigkeit, jedoch die Dehnung sehr günstig beeinflußt. Z.
B. wurde für einen in Kokillen gegossenen Probestab aus einer Legierung, die neben
Aluminium 8 °/" Silizium und io °/" Zink enthielt, mit Zugfestigkeit von knapp 2i
kg/inm= und einer Dehnung von 4'/" nach der Wärmebehandlung eine Zugfestigkeit von
etwa 21,5 kg/min= und eine Dehnung von i i "/" ermittelt.
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Nach dem Glühen wirkt ein schroffes Abschrecken günstiger äls ein
langsames Abkühlen, jedoch können in einigen Fällen auch gute Ergebnisse erreicht
werden, wenn die Abkühlung durch einen Luftstrom erfolgt. Außerdem wurde beobachtet,
daß einerseits durch Abkühlen in einem Luftstrom und andererseits durch Abkühlen
in ruhiger Luft verschiedene Wirkungen erzielt werden, und zwar liefert die langsame
Abkühlung nach dein Erhitzen außer einer Besserung hinsichtlich der Festigkeit und
Dehnung auch eine solche hinsichtlich der Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion.
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Die Wärmebehandlung gemäß Erfindung kann ferner noch dadurch abgeändert
werden, ((aß unmittelbar nach dem Abkühlen ein abernialiges Erhitzen auf ioo bis
i5o° C erfolgt. Im allgemeinen genügt. hierzu eine Stunde. Hierdurch wird eine weitere
Steigerung der Zugfestigkeit und der Elastizitätsgrenze, jedoch eine Verminderung
der Dehnung erreicht.
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Um zu den besten Ergebnissen zu gelangen, ist es für alle zuvor erwähnten
Legierungen von Aluminium mit Silizium empfehlenswert, den Eisengehalt niedrig zu
erhalten, und zwar womöglich unter o,6 "/". Wie metallographisch festgestellt, bildet
das Eisen in den Legierungen Nadeln, deren Zusammensetzung wahrscheinlich FeAl3
ist, während bei Anwesenheit von Kupfer dieses gewöhnlich in dem Netzwerk als CuAl,
enthalten ist. Diese Nadeln sind nicht in beinerkenswertem Maße in der Aluminiumgrundmasse
löslich. Das CuAl, dagegen wird von den Aluminiumkristallen bei der Wärmebehandlung
aufgenommen. Die Eisennadeln neigen nun zwar zu einer günstigen Beeinflussung .der
physikalischen Eigenschaften der Legierung bei normalem Guß, d. h. wenn keine Wärmebehandlung
vorgenommen wird. Sobald aber das CuA12 im Netzwerk der Aluminiumgrundmasse durch
die Wärmebehandlung in Lösung gegangen ist, bilden die Nadeln die Ursache einer
Schwächung des 1laterials, da sie sowohl die Zugfestigkeit als auch die Dehnung
vermindern.
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Die vollständige Vermeidung eines Eisengehaltes bzw. dessen Verminderung
bis unter etwa o,25 "/" istdaherhöchstwünschenswert, jedoch aus wirtschaftlichen
Gründen nicht immer empfehlenswert. Wenn indessen Silizium im Cberfluß neben Eisen
vorhanden ist, so ist die Menge der entstandenen FeA13-Nadeln geringer, da ein Teil
des Eisens sich mit dem Silizium zu einer Verbindung, die ein Eisensilizid zu sein
scheint, vereinigt. Diese letztgenannte Verbindung erstarrt in einer Form, die weniger
schädlich ist als die Nadeln aus FeA13. Bei abgeschreckten Gußkörpern zeigte sich
dann, daß,die Nadeln aus FeA13 viel kleiner sind als diejenigen, die in Gußkörpern
zti finden waren, die in Sandformen gegossen «-orden sind, woraus erklärlich wird,
daß die Kokillengußkörper für die Wärmebehandlung empfänglicher sind.
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Chrom bis zu 0,5 "/" oder ein wenig mehr steigert die Zugfestigkeit
in dem wärmebehandelten Gußkörper, vermindert aber die Dehnung.
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Hinsichtlich des Kupfergehalts haben die Untersuchungen ergeben, daß
bis etwa 2-1 /" Kupfer fast alles CuAI_ im festen Zustande löslich ist; bei Gehalten
über 5,5 "/" Kupfer bleibt gewöhnlich einiges von dem Cu"A.l, sogar nach der Wärmebehandlung
noch aufgelöst.
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In gewissen Fällen kann das Gußstück über den Schmelzpunkt der eutektischen
Mischung aus CtiAl. und Aluminium hinaus erhitzt werden, ohne die physikalischen
Eigenschaften zu beeinträchtigen, jedoch muß dann das Gußstück auf eine Temperatur,
die ein wenig unterhalb derjenigen der vollständigen Erstarrung liegt, abgekühlt
werden und bei dieser Temperatur einige Zeit lang gehalten werden, bevor das Abschrecken
stattfindet. Wenn wesentliche Prozentsätze von Eisen, Ma;
gnesium
und Zink vorhanden sind oder einige davon, so kann die Temperatur entsprechend mehr
erniedrigt werden.
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Es wurde ferner ermittelt, daß, je grober das Korn nach dem Gießen
ausfällt, die Wärmebehandlung um so länger fortgesetzt werden muß, um möglichst
zufriedenstellende Ergebnisse zu zeitigen. Dementsprechend erfordern Sandgu&körper
mit großen Querschnitten eine längere Erhitzung als Kokillengußkörper. Für gewöhnlich
genügt eine Zeitdauer von 7 Stunden bei Kokillengußkörpern, während für Sandgußkörper
2.f Stunden nötig sind.
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In Sandformgußkörpern von Legierungen, die größere Mengen von Silizium
enthalten, tritt eine beträchtliche Menge des Siliziums in Form von breiten Schuppen
oder Nadeln auf. In Kokillengußstücken von solchen Legierungen findet sich das Silizium
im allgemeinen in kleineren Teilchen, von denen mindestens einige mehr oder weniger
abgerundet sind. Die Wärmebehandlung verändert das Aussehen und zuweilen auch die
Gestalt der Siliziumteilchen, da diese hierdurch eine rundere Form bekommen. Es
wird daher angenommen, daß die Verbesserung in den physikalischen Eigenschaften,
welche durch die Wärmebehandlung solcher Legierungen erzielt wird, teilweise dieser
Formverwandlung zuzuschreiben ist.
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Die Zeitdauer der Wärmebehandlung hängt in weitem Umfange bei sonst
gleichbleibenden Bedingungen von dem Grade ab, bis zu welchem man die physikalischen
Eigenschaften des Gußkörpers verbessern will. In dem Fall von Siliziumlegierungen
liegt es an der Lang' amkeit im Formwechsel der Siliziumteilchen. s s
Falls
sowohl Kupfer als auch Silizium in größeren --Mengen vorhanden sind, muß für beide
Umwandlungen hinreichende Zeit gelassen werden, wenn die Materialverbesserung in
dem gewünschten Umfang eintreten soll.
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Es wurde ferner gefunden, daß bei Legierungen mit größerem Gehalt
an Silizium die Formänderung der Siliziumteilchen schneller und vollständiger stattfindet,
wenn höhere Temperaturen angewandt werden. Bei solchen Legierungen ergibt eine Erhitzung
von 12 Stunden bei 52o° eine sehr beträchtliche Materialverbesserung, jedoch kann
der Zeitaufwand mit dem Erfolg geringer zusätzlicher Verbesserung nach Bedarf noch
ausgedehnt werden. Bei einer Temperatur von 55o bis 57o° C können die Aluminium-Silizium-Legierungen
mit günstigeren Ergebnissen der Wärmebehandlung ausgesetzt werden, als wie es bei
Temperaturen um 5oo° herum möglich wäre.
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Um vorstehenden Bedingungen zu entsprechen, kann_man auch -in der
Weise verfahren, daß die Gußstücke nach dem Vergießen bis auf eine Temperatur von
über 5oo° C abgekühlt und sodann bei der betreffenden Temperatur, vorzugsweise aber
zwischen 530 und 570°, längere Zeit erhalten werden, um darauf schnell abgekühlt
oder abgeschreckt zu werden.
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Außer für die Herstellung von besserem Sandguß und Kokillenguß einschließlich
Spritzguß o. dgl. ist die Anwendung der Erfindung sehr wichtig für die Zwecke des
Schmiedens und Pressens- von Aluminiumlegierungen. Wenn man beabsichtigt, ein Schmiedestück
von bestimmten Abmessungen zu erzeugen, so wird zunächst ein Gußkörper von passender
Zusammensetzung hergestellt. Das Gießen geschieht in einer Kokille, und der Gußkörper
wird einer nachträglichen Wärmebehandlung nach dem Verfahren gemäß der Erfindung
unterworfen, um ein Ausgangsmaterial für die Schmiedearbeit zu schaffen. In diesem
Falle erweist es sich als zweckmäßiger, anstatt nach dem Abschrecken aus der Wä
rmebehandlungstemperatur eine Wiedererhitzung des Gegenstandes auf die Schmiedetemperatur
vorzunehmen, einfach von der Wärmebehandlungstemperatur unmittelbar langsam kühlend
auf die Schmiedetemperatur überzugehen. Das Arbeitsstück wird alsdann unter der
Presse oder dem Hammer auf seine endgültigen Abmessungen gebracht, worauf es wiederum
eine kurze Erwärmung bekommt, etwa auf 52o° C, auf welche dann das Abschrecken folgt.