DE69215156T2 - Übereutektische Aluminium-Silicium Legierungen - Google Patents
Übereutektische Aluminium-Silicium LegierungenInfo
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Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierungen, die durch pulvermetallurgische Techniken erhältlich sind. Insbesondere betrifft die Erfindung hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierungen mit verfeinerten primären Siliciumteilchen, die eine verbesserte Verarbeitbarkeit und verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen.
- Hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierungen sind durch Gießverfahren hergestellt worden. Es ist erwartet worden, daß hypereutektische Aluminium-Silicium-Gießlegierungen auf verschiedenen Gebieten auf Grund ihres geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, ihres hohen Moduls und ihrer guten Verschleißbeständigkeit verwendet würden; in der Praxis werden sie jedoch nicht eingesetzt. Der hauptsächliche Grund besteht darin, daß sie grobe primäre Siliciumteilchen enthalten, die den Legierungen eine schlechte Verarbeitbarkeit und schlechte mechanische Eigenschaften geben. Um die Verarbeitbarkeit und die mechanische Festigkeit zu verbessern, wird eine Verfeinerung der primären Siliciumteilchen in der hypereutektischen Aluminium-Silicium-Gießlegierung durch Zugabe eines Modifikationsmittels zur Verfeinerung der primären Siliciumteilchen und insbesondere eines Phosphor enthaltenden Modifikationsmittels bewirkt. Allerdings ergibt die Zugabe des Modifikationsmittels keine gut verfeinerten primären Siliciumteilchen. Insbesondere wenn die hypereutektische Aluminium-Silicium-Gießlegierung 20 Gew.-% oder mehr an Silicium enthält, dann finden sich grobe primäre Siliciumteilchen.
- JP-A-62/112 706 beschreibt ein hypereutektisches Si-Al-Legierungspulver für die Verwendung bei der Herstellung von verschleißbeständigen Gleitteilen. Das Pulver kann zum Beispiel ein Al-255i-3Cu-0,5% Mg-Legierungspulver sein.
- Kürzlich ist vorgeschlagen worden, eine hypereutektische Aluminium- Silicium-Legierung durch ein rasches Verfestigungsverfahren herzustellen. Nach diesem Verfahren kann eine hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung mit verfeinerten primären Siliciumteilchen erhalten werden, selbst wenn sie 20 Gew.-% oder mehr an Silicium enthält. In diesem Fall ist die Verbesserung der Verarbeitbarkeit bis zu einem gewissen Grad zufriedenstellend, die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften ist jedoch begrenzt. Die Zugabe des Modifikationsmittels zur Verfeinerung der primären Silidumteilchen verbessert die mechanischen Eigenschaften nicht in einem zufriedenstellenden Maße.
- Wir haben festgestellt, daß der Grund für eine unzureichende Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der mechanischen Festigkeit der hypereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung, die nach einer pulvermetallurgischen Technik hergestellt wird, selbst wenn ein Modifikationsmittel für die Verfeinerung der primären Siliciumteilchen in einer geeigneten Menge zugegeben wird, darin liegt, daß außerdem mehr als 0,03 Gew. -% Calcium als Verunreinigung vorhanden sind. Das Calcium stammt aus den Aluminium- und Silicium-Rohmaterialien.
- Die vorliegende Erfindung stellt eine hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung bereit, die durch eine pulvermetallurgische Technik erhältlich ist und 12 bis 50 Gew.-% Silicium, 0,01 bis 0,05 Gew. -% Phosphor und wahlweise 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 2,0 Gew.-% Magnesium und/oder 0,2 bis 2,0 Gew.-% Mangan enthält, wobei der Gehalt an Calcium als Verunreinigung 0,03 Gew.-% oder weniger beträgt und es sich bei dem Rest um Al und zufällige Verunreinigungen handelt.
- Die vorliegende Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung einer hypereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung bereit, die der vorstehenden Definition entspricht, wobei das Verfahren es umfaßt, entsprechende Mengen an Aluminium, Silicium und einem Phosphor enthaltenden Modifikationsmittel zur Verfeinerung der primären Siliciumteilchen einer pulvermetallurgischen Technik zu unterwerfen, wobei der Calciumgehalt der Rohmaterialien so gewählt wird, daß die Legierung 0,03 Gew.-% oder weniger an Calcium enthält.
- Die vorliegende Erfindung stellt außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines verfestigten Produkts bereit, wobei das Verfahren es umfaßt, eine hypereutektische Aluminium-Si 1 icium-Legierung gemäß der vorstehenden Definition einer Kaltverformung und anschließend einer Warmbearbeitung unter Erwärmen an der Luft oder in einem inerten Gas zu unterwerfen.
- Die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung umfaßt gut verfeinerte primäre Siliciumteilchen und weist eine hervorragende Verarbeitbarkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften auf.
- Die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung umfaßt 12 bis 50 Gew.-% Si. Wenn der Si-Gehalt weniger als 12 Gew.-% beträgt, dann sind die primären Si-Teilchen nicht kristallisiert. Wenn er andererseits über 50 Gew.-% liegt, dann ist die Menge an primären Si- Teilchen zu groß. Die Verarbeitbarkeit und die mechanische Festigkeit sind dann schlecht, selbst wenn die primären Si-Teilchen gut verfeinert sind. Der bevorzugte Si-Gehalt beträgt 20 bis 30 Gew.%.
- Die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung enthält 0,01 bis 0,05 Gew. -% P. P ist enthalten, so daß die primären Si- Teilchen verfeinert werden. Auf diese Weise wird eine hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung mit einer gleichmäßigen Verteilung der gut verfeinerten primären Si-Teilchen erhalten. Wenn der P-Gehalt weniger als 0,01 Gew.-% betrigt, dann ist die Verfeinerung der primären Si-Teilchen nicht gut, und daher werden grobe primäre Si-Teilchen beobachtet, und die Verbesserung hinsichtlich der Verarbeitbarkeit ist nicht zufriedenstellend. Wenn andererseits der Gehalt über 0,05 Gew.-% liegt, dann können die primären Si-Teilchen nicht weiter verfeinert werden. Der bevorzugte P-Gehalt beträgt 0,015 bis 0,05 Gew. -% und insbesondere 0,02 bis 0,05 Gew.-%.
- In der erfindungsgemäßen hypereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung wird der Gehalt an Ca als Verunreinigung auf 0,03 Gew.-% oder weniger eingestellt. Wenn die Ca-Verunreinigung in einer Menge von mehr als 0,03 Gew.-% in der hypereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung enthalten ist, die die vorstehend definierten Mengen an Si und P enthält, dann ist die Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und insbesondere der mechanischen Festigkeit nicht zufriedenstellend. Dies wird in den nachstehend vorgelegten Beispielen gezeigt. Vorzugsweise wird der Ca-Gehalt auf 0,01 Gew.-% oder weniger eingestellt.
- Gegebenenfalls kann die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium- Silicium-Legierung 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer, 0,05 bis 2,0 Gew.-% Magnesium und/oder 0,2 bis 2,0 Gew.-% Mangan enthalten, um die mechanische Festigkeit weiter zu verbessern.
- Die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung wird nach einer pulvermetallurgischen Technik hergestellt. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen hypereutektischen Aluminlum-Silicium-Legierung ist die Verwendung von Al- und Si-Rohmaterialien, deren Ca-Gehalt in geeigneter Weise eingestellt ist, wesentlich. Als Modifikationsmittel für die Verfeinerung der primären Si-Teilchen wird ein P enthaltendes Modifikationsmittel, wie Cu-8 Gew.-% P, Cu-15 Gew.-% P, PCl&sub5; und ein Gemisch, das hauptsächlich aus rotem Phosphor besteht, verwendet. Wenn die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung zum Beispiel durch Atomisierung hergestellt wird, dann kann sie in Form eines atomisierten Pulvers erhalten werden. Es ist günstig, das resultierende atomisierte Pulver zu sieben, so daß man ein atomisiertes Pulver mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 350 µm erhält, das für die praktische Verwendung geeignet ist. Wenn die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung nach einem anderen Verfahren als dem der Atomisierung hergestellt wird, dann kann sie in Form von Flocken oder Bändern erhalten werden.
- Die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung wird hauptsächlich für die Herstellung von verfestigten Produkten verwendet. Im allgemeinen wird das verfestigte Produkt hergestellt, indem die Legierung einer Kaltverformung und anschließend einer Warmbearbeitung, wie Warmstrangpressen oder Warmschmieden, unterworfen wird, während sie an der Luft oder in einem inerten Gas, wie Argon oder Stickstoff, erwärmt wird. Die auf diese Weise hergestellten verfestigten Produkte werden auf verschiedenen Gebieten eingesetzt. Beispiele für verfestigte Produkte, die aus der erfindungsgemäßen hypereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung hergestellt werden, umfassen Automobilteile, elektrische Teile und mechanische Teile.
- Die vorliegende Erfindung wird durch die nachstehenden Beispiele weiter erläutert.
- Atomisierte Pulver wurden hergestellt, indem geschmolzene Aluminiumlegierungen mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen einer Luftatomisierung unterworfen wurden. Anschließend wurden sie gesiebt, so daß sie eine Teilchengröße von 100 bis 150 mesh (105 bis 149 µm) aufwiesen, so daß die Abkühlungsgeschwindigkeit so gesteuert wurde, daß sie konstant war. Die Größe der primären Si-Teilchen in den atomisierten Pulvern wurde unter einem Lichtmikroskop bestimmt.
- Ferner wurden die atomisierten Pulver gesiebt, so daß sie eine Teilchengröße von bis 100 mesh (nicht mehr als 149 µm) aufwiesen. Dann wurden die gesiebten atomisierten Pulver bei 3 Tonnen pro cm² in Stäbe (30 mm Durchmesser und 80 mm Länge) kalt gepreßt und anschließend einem Warmstrangpressen bei einer Temperatur von 480ºC und einem Extrusionsverhältnis von 10:1 zu Platten (20 mm Breite und 4 mm Dicke) unterworfen. Nachdem die resultierenden Platten T6-Behandlungen unterworfen worden waren, wurden ihre Biegefestigkeiten gemäß JIS Z2203 bestimmt. Der Abstand zwischen 2 Markierungen wurde auf 30 mm eingestellt.
- Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Tabelle 1
- Die in den Beispielen 1 bis 4 hergestellten erfindungsgemäßen hypereutektischen Aluminium-Silicium-Legierungen wiesen gut verfeinerte primäre Si-Teilchen auf und zeigten hohe Biegefestigkeiten.
- Die in Vergleichsbeispiel 1 hergestellte hypereutektische Aluminium- Silicium-Legierung, die im wesentlichen kein P enthielt, wies grobe primäre Si-Teilchen auf.
- Die in Vergleichsbeispiel 2 hergestellte hypereutektische Aluminium- Silicium-Legierung, in der der P-Gehalt nicht ausreichend war, um die primären Si-Teilchen zu verfeinern, wies primäre Si-Teilchen auf, deren Verfeinerung im Vergleich mit denen in Vergleichsbeispiel 1 verbessert war, jedoch nicht stark.
- Die in Vergleichsbeispiel 3 hergestellte hypereutektische Aluminium- Silicium-Legierung, in der der P-Gehalt groß genug war, um die primären Si-Teilchen zu verfeinern, wies gut verfeinerte primäre Si-Teilchen auf; ihre Biegefestigkeit war jedoch aufgrund ihres höheren Ca-Gehalts schlecht.
- Die in Vergleichsbeispiel 4 hergestellte hypereutektische Aluminium- Silicium-Legierung, in der der P-Gehalt nicht ausreichend war, um die primären Si-Teilchen zu verfeinern, zeigte Ergebnisse ähnlich denen aus Vergleichsbeispiel 2.
- Aus den vorstehenden Ergebnissen ist klar, daß gut verfeinerte primäre Si-Teilchen in der hypereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung, die durch eine pulvermetallurgische Technik gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde, verteilt sind. Die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung weist also eine hervorragende Verarbeitbarkeit auf. Ferner wird der Ca-Gehalt in der hypereutektischen Aluminium-Silicium-Legierung, die durch die pulvermetallurgische Technik gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wird, eingestellt. Die erfindungsgemäße hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung weist also eine hervorragende mechanische Festigkeit auf.
Claims (9)
1. Nach einer pulvermetallurgischen Technik erhältliche
hypereutektische Aluminium-Silicium-Legierung, die 12 bis 50 Gew.-% Silicium,
0,01 bis 0,05 Gew.-% Phosphor und wahlweise 1,0 bis 5,0 Gew.-% Kupfer,
0,5 bis 2,0 Gew. -% Magnesium und/oder 0,2 bis 2,0 Gew.-% Mangan enthält,
wobei der Gehalt an Ca als Verunreinigung 0,03 Gew.-% oder weniger
beträgt und es sich bei dem Rest um Al und zufällige Verunreinigungen
handelt.
2. Legierung nach Anspruch 1, die 20 bis 30 Gew.-% Silicium
enthält.
3. Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die 0,015 bis 0,05 Gew.-%
Phosphor enthält.
4. Legierung nach einem der vorstehenden Ansprüche;wobei der
Gehalt an Ca 0,01 Gew.-% oder weniger beträgt.
5. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die 1,0 bis 5,0
Gew.-% Kupfer, 0,5 bis 2,0 Gew.-% Magnesium und/oder 0,2 bis 2,0 Gew.-%
Mangan enthält.
6. Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, die in Form eines
atomisierten Pulvers mit einer Teilchengröße von nicht mehr als 350 µm
vorliegt.
7. Verfahren zur Herstellung einer hypereutektischen Aluminium-
Silicium-Legierung gemäß der Definition in Anspruch 1, wobei das
Verfahren es umfaßt, entsprechende Mengen an Aluminium, Silicium und einem
Phosphor enthaltenden Modifikationsmittel zur Verfeinerung der primären
Siliciumteilchen einer pulvermetallurgischen Technik zu unterwerfen,
wobei der Calciumgehalt der Rohmaterialien so gewählt wird, daß die
Legierung 0,03 Gew.-% oder weniger an Calcium enthält.
8. Verfahren zur Herstellung eines verfestigten Produkts, wobei
das Verfahren es umfaßt, eine hypereutektische
Aluminium-Silicium-Legierung gemäß der Definition in einem der Ansprüche 1 bis 6 einer
Kaltverformung und anschließend einer Warmbearbeitung unter Erwärmen an der Luft
oder in einem inerten Gas zu unterwerfen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei es sich bei dem verfestigten
Produkt um ein Automobilteil, ein elektrisches Teil oder ein mechanisches
Teil handelt.
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