DE970393C - Verwendung einer Aluminium-Magnesium-Legierung fuer Kokillenguss - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBEN AM 18. SEPTEMBER 1958

/1701 VI/ 40 b

Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung einer bestimmten Aluminium-Magnesium-Legierung für Kokillenguß.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugründe, eine für Kokillenguß hervorragend geeignete Legierung zu schaffen, die gleichzeitig gute Festigkeitseigenschaften besitzt, eine hohe Korrosionsbeständigkeit, hohen Glanz, leichte Polierbarkeit, Anlaufbeständigkeit und leichte Bearbeitbarkeit mit spanabhebenden Werkzeugen aufweist, ohne daß es einer Wärmebehandlung bedarf. Die Lösung dieser Aufgabe hat sich als außerordentlich schwierig erwiesen, da die gleichzeitige gute Eignung für Kokillenguß und die Erzielung aller anderen oben aufgeführten Eigenschaften bisher nicht zu erlangen war. Die eigentliche Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, wird auf Grund systematischer Untersuchungen und eingehender Überlegungen darin erblickt, eine Legierung zu schaffen, die die Vorzüge des Kokillengusses aufweist, die in der schnellen Abkühlung bzw. Abschreckung mit der Folge einer harten und polierfähigen Oberfläche feinkörniger Struktur zu sehen sind, ohne daß die bisherigen Nachteile beim Kokillenguß auftreten, die darin zu erblicken sind, daß das noch nachfließende flüssige Metall sich wie

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ein Fremdkörper zum erstarrten Oberflächenmetall verhält und so die Ausbildung eines einheitlichen dichten Gefüges verhindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für Kokillenguß eine Aluminium-Magnesium-Legierung verwendet wird, die aus ι bis 9°/o- Magnesium, ο,οοι bis 0,4% Titan, ο,οοι bis unter 0,01% Bor, 0,001 bis 1,2% Beryllium, Rest Aluminium besteht.
Diese für den angegebenen Zweck geschaffene Legierung besitzt nicht nur alle oben angegebenen Eigenschaften, sondern vereinigt in sich eine hohe Zugfestigkeit mit außergewöhnlicher Dehnbarkeit, also Eigenschaften, die sich in der Regel gegenseitig ausschließen. Sie eignet sich daher in hohem Maße für" den Guß komplizierter Formen. Auch bedarf die erfindungsgemäße Gußlegierung keiner nachfolgenden Wärmebehandlung und entwickelt ihre Eigenschaften unmittelbar.

Die Schaffung der erfindungsgemäßen Legierung war nur dadurch möglich, daß althergebrachte Anschauungen über die Wirkung von Zusätzen bei Aluminiumlegierungen überwunden wurden. So steht Bor ebenso· wie Titan, Molybdän und Vanadin im Ruf, das Korn von Legierungen auf Aluminiumbasis zu verfeinern. Demgegenüber kam der Erfinder bei den Untersuchungen zu Ergebnissen, die nunmehr an Hand der Diagramme von Fig. ι im einzelnen erläutert werden: Sie zeigen, daß durch den. Zusatz von 0,001 % Bor der Korndurchmesser der sich ergebenden Aluminium-Magnesium-Legierung von 0,59 auf 0,99 mm und durch den Zusatz von 0,005 ⁰/o £>^0Γ der Korndurchmesser noch weiter bis zu 1 mm vergrößert wird (Kurve A).

Es ergibt sich weiterhin aus der Kurve B bzw. C₃ daß Bor auch in Gegenwart von 0,05 °/o Beryllium bzw. 0,2% Mangan in einer Aluminium-Magnesium-Legierung mit 6,5% Magnesium als außerordentlicher Kornvergröberer wirkt. Bei Gegenwart von 0,1 °/o Titan in der besagten Aluminium-Magnesium-Legierung führt der Zusatz von Bor, wie die Kurve D zeigt, nicht zu einer Verfeinerung des Korns. Eine solche Kornverfeinerung durch Borzusatz wird gemäß den Kurven B, F und G nur erreicht, wenn die Aluminium-Magnesium-Legierung Zusätze von 0,05% Titan + 0,01 °/o Beryllium bzw. 0,2% Titan + 0,01 %> Beryllium bzw. 0,1 %> Titan + 0,01 % Beryllium enthält. Demgegenüber wird für die erfindungsgemäße Legierung vorgesehen, daß der Anteil von Bor zwischen 0,001 % bis weniger als 0,01 % beträgt.

Die erfindungsgemäße Lehre, bei einer 5-Komponenten-Legierung auf Aluminium-Magnesium-Basis in dieser Zusammensetzung Bor zu verwenden, wird dadurch nicht berührt, daß an sich ein Verfahren bekannt ist, nach welchem Aluminium oder eine Aluminiumlegierung im Schmelzfluß gehalten und mit flüssigen oder festen Borverbindungen, deren Schmelzpunkt unter dem Schmelzpunkt von Aluminium oder dem Schmelzpunkt der Aluminiumlegierungen liegt, so lange behandelt wird, bis im Aluminium oder in der Aluminiumlegierung der Betrag an freiem Bor von 0,005 bis zu ο, ι % beträgt. Abgesehen davon, daß bei der erfindungsgemäßen 5-Komponenten-Legierung für Kokillenguß der Borgehalt 0,01 °/o· nicht erreichen darf, ist dem an sich bekannten Verfahren schon bereits die der Erfindung zugrunde liegende technische Aufgabe, vor allem aber die Erkenntnis fremd, daß Bor nur in der beanspruchten Menge in Verbindung mit Beryllium und Titan bei einer Aluminium-Magnesium-Legierung kornverfeinernd wirkt. Es wird ausdrücklich erklärt, daß für den Zusatz von Bor zu Aluminium oder einer Aluminiumlegierung kein Schutz begehrt wird, ebensowenig für die Verwendung von Beryllium als Oxydationsschutz oder Titan als Kornverfeinerer. Auch wird fraglos die Erfindung dadurch nicht berührt, daß eine Aluminiumlegierung mit 12% Magnesium und Zusätzen von Beryllium und Titan an sich bekannt und auch grundsätzlich für Kokillenguß verwendbar ist. Jene an sich bekannte Legierung bedarf einer besonderen Wärmebehandlung; außerdem schafft sie im Sinne der Erfindung keine Legierung einheitlicher Struktur für Kokillenguß.

Bei Kokillenguß erweist sich ein Beryllium gehalt von etwa 0,2% als günstig; es ist indessen am wirtschaftlichsten, wenn der Berylliumgehalt auf weniger als 0,07 %> gehalten wird. In jedem Fall sollte mehr als 0,001% Beryllium Verwendung finden.

Es hat den Anschein, daß man mit Titan die beste Wirkung erzielt, wenn es in Beträgen vorhanden ist, die sich im Bereiche zwischen 0,01 bis 0,2% bewegen. Es steht indessen nichts im Wege, größere Mengen bis zu mindestens 0,4% Titan zu verwenden. Indessen ist es wahrscheinlich, daß Beträge über 0,25 °/o. hinaus ungelöst in der Legierung über den ganzen Erstarrungsbereich verbleiben und deshalb von geringem zusätzlichem Nutzen sind. Außerdem hat es den Anschein, daß das überschüssige Titan, wenn die flüssige Legierung durch den Erstarrungsbereich hindurchgeht, dazu neigt, Ausscheidungen von intermetallischen Verbindungen mit anderen Metallen zu bilden. Im Hinblick hierauf empfiehlt es sich, weniger als 0,25%Titan zu benutzen; dabei werden die besten Ergebnisse gewährleistet, wenn die Beträge zwisehen 0,1 bis 0,25% Titan liegen. So gelangt man zu einer Legierung folgender Zusammensetzung: 3 bis 9% Magnesium, 0,1 bis 0,25% Titan, 0,001 bis weniger als 0,01% Bor, 0,001 bis 0,2 °/o Beryllium, Rest Aluminium.

Bisher wurde Titan in Beträgen von 0,05 bis 0,1 % zugesetzt, um die nachteilige kornvergröbernde Wirkung von Beryllium zu neutralisieren. Eingehende Untersuchungen haben jedoch ergeben, daß nach Überschreiten eines kritischen Bereiches jenseits von 0,1% Titan weitere unerwartete Verbesserungen bei einer Aluminium-Magnesium-Beryllium-Legierung sicherzustellen sind. Die Tatsache, daß Titan jenseits von o,i% eine weitere Verbesserung der technisch wichtigen Eigenschaften ohne weitere Kornverfeinerung gibt, ist auf

der Basis erklärlich, daß Titan in höheren Bereichen wie eine Legierungskomponente wirkt. Von dieser Tatsache konnte man bisher deshalb keine Notiz nehmen, weil Titan für gewöhnlich nur als Kornverfeinerer betrachtet wird. Bisher wußte man nichts von der Tatsache, daß größere Beträge über die Grenze der Kornverfeinerung hinaus zu einer Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Legierung führen.

ίο Diese Beziehung wird nunmehr an Hand von Fig. 2 näher erläutert. Hier bedeuten I die Größe der Streckgrenze, II die Zugfestigkeit und III die Dehnung. Sie sind dargestellt in Abhängigkeit vom Titanzusatz zu einer mit Beryllium gebildeten Aluminium-Magnesium-Legierung. Die Kurven zeigen, daß in durchaus wünschenswerter Weise die technischen Eigenschaften zunehmen, wenn Titan der Legierung bis zu 0,05 °/o einverleibt wird, daß aber bei größeren Beträgen bis zu ο, ι °/o die Tendenz zur Verminderung dieser Eigenschaften vorhanden ist. Vielleicht ist es diese letztere Tendenz, die die Untersuchung höherer Beträge abgeschreckt hat. Die unter Überwindung dieses Vorurteils durchgeführten Untersuchungen haben ergeben, daß weitere Zusätze von Titan bis zu 0,2 %, vielleicht bis zu 0,25 °/o, ein unerwartetes Ergebnis zeitigen; nehmen doch die Funktionen I, II und III in sehr wünschenswerter Weise zu.

Die Bruchfestigkeit von etwa 2730 kg/cm² stellt zusammen mit 15,3% Dehnung eine ungewöhnliche Vereinigung beider Eigenschaften gegenüber

dem bisherigen Maximum von etwa 2240 kg/cm² und 10% Dehnung für eine 6,5% Magnesium enthaltende Legierung dar. Diese Verbesserung allein bedeutet einen wertvollen Fortschritt in der Metallurgie der Aluminium-Magnesium-Legierungen.

Ein Zusatz sowohl von Bor wie von Mangan zu Beryllium und Titan enthaltenden Aluminium-Magnesium-Legierungen hat jedes die gewünschte Wirkung einer Erhöhung der Streckgrenze über den gewöhnlichen Wert von etwa 1190 kg/cm² hinaus. Dies wird aber nur mit einem gewissen Verlust von Duktilität und an Zugfestigkeit erreicht. Das größte Interesse hat daher die Tatsache zu beanspruchen, daß durch den Zusatz von Mangan und Bor zugleich zu der Aluminium-Magnesium-Beryllium und Titan enthaltenden Legierung nicht nur die Streckgrenze vergrößert wird, sondern diese Vergrößerung ohne nennenswerte Opfer an Dehnung und mit dem weiteren Vorteil einer Erhöhung der Zugfestigkeit erzielt wird. Danach wird in Weiterbildung des Erfindungsgedankens vorgesehen, daß die Legierung unter entsprechender Verringerung des Aluminium-Gehalts noch bis i»5°/o, vorzugsweise 0,01 bis 0,6°/o Mangan enthält.

Die folgende Tabelle erläutert diesen Erfindungsgedanken, gemäß welchem eine mit Bor und Mangan gebildete Legierung technisch wichtige Eigenschaften hervorbringt, die denen weit überlegen sind, die man durch Zusatz von Mangan allein oder Bor allein oder ohne weitere Zusätze bisher erzielt hat:

Tabelle

Magnesium j Beryllium	0,01 ,, ,J	Prozei Titan	ite an Mangan	Bor	Aluminium	Zugfestigkeit kg/cm2	Streckgrenze kg/cm2	Dehnung
6,5 it jj	0,20	0,20 0,20	0,003 0,004	Rest	2730 2709 2730 2884	1218 1351 1239 1365	15,3 10,7 i3,7 15.1

Aus der Tabelle I ist zu entnehmen, daß der Zusatz von 0,2% Mangan eine sehr erstrebenswerte Erhöhung der Streckgrenze, indessen auch einen Verlust von 33% Dehnung und einen kleinen Verlust an Zugfestigkeit verursacht. Weiter ist zu entnehmen, daß der Zusatz von 0,003 °/° Bor die Streckgrenze in geringerem Grade erhöht, was aber mit einem entsprechenden Verlust an Dehnung verknüpft ist. Außerdem ist zu entnehmen, daß der Zusatz von Bor und Mangan zugleich Grenzzahlen für die Festigkeit ergibt, die höher als jene liegen, die man mit jedem dieser Metalle allein und ohne nennenswerten Verlust an Dehnung erhält. Es hat sich ergeben, daß eine Erhöhung der Streckgrenze, eine hinreichende Dehnung und eine

hohe Zugfestigkeit erzielt werden, wenn der Anteil an Mangan über ο,οοι °/o, jedoch zweckmäßig in dem Bereich zwischen 0,2 bis 0,6% liegt. Eine erhöhte Streckgrenze kann man mit größeren Mangananteilen erhalten, was indessen unter Umständen eine gewisse Beeinträchtigung der Dehnung nach sich zieht. In jedem Fall können bis zu 1,2 °/o Mangan für besondere Anwendungen zugesetzt werden, wo es auf die Entwicklung maximaler Streckgrenzen ankommt. So kann man beispielsweise die außergewöhnlich hohe Streckgrenze von 16 800 kg/cm² mit einem Zusatz von 1,2% Mangan erzielen.

Eine Verbesserung der beschriebenen Legierungszusammensetzung wird erzielt, wenn an

Stelle von Mangan Chrom vorhanden ist. Bei dieser Variante wird Chrom nicht als Äquivalent von Mangan betrachtet. Mit größtem Vorteil verwendet man Chrom bei Kokillenguß in Abwesenheit von Mangan und in Anteilen zwischen 0,15 bis 0,5 Gewichtsprozent.

Mit leichten Änderungen des Mengenverhältnisses der erfindungsgemäß verwandten fünf Elemente innerhalb der vorgeschriebenen Grenzen ist es möglich, eine Legierung zu schaffen, deren technisch wichtigen Eigenschaften im Kokillenguß, und zwar besonders in Formen, die auf etwa 310 bis 480⁰ C erhitzt werden, in vielfacher Hinsicht höher liegen als diejenigen, die man bei den besten Sandgußlegierungen erhält.

Die Erfindung wird an einem weiteren Beispiel für eine Aluminium-Magnesium-Legierung näher erläutert:

Magnesium 1,0 bis 9,0 %

Titan 0,001 bis 0,40%

Mangan 0,001 bis 1,50%

Beryllium 0,001 bis 1,2 %

Bor 0,001 bis weniger als 0,01 %

Aluminium Rest

Leichte Veränderungen der Beträge sind erforderlich, um die besten Ergebnisse für Kokillenguß zu sichern, wie das folgende Beispiel zeigt:

Magnesium 7,0 bis 8,5 °/o

Titan 0,10 bis 0,25 %

Mangan 0,20 bis 0,60%

Beryllium 0,001 bis 0,07 °/o

Bor 0,001 bis weniger als 0,01%

Aluminium Rest

plus Verunreinigungen

Bei jedem dieser besonderen Beispiele kann an Stelle der Mangankomponente Chrom Verwendung finden, und zwar mit 0,15 bis 0,5%. Um für jedes Gußverfahren beste Ergebnisse zu erlangen, sollten die Verunreinigungen, die aus Kupfer, Eisen und Silizium bestehen, insgesamt unter 0,45% gehalten werden, wobei 0,25% das Maximum für jede einzelne Verunreinigung darstellt. Da Alkalimetalle, alkalische Erdmetalle und besonders metallisches Natrium sich auf die physikalisch wichtigen Eigenschaften der Legierungen sehr nachteilig auswirkt, sind Einschlüsse von mehr als 0,001 % zu vermeiden.

Die folgenden Beispiele haben ausgezeichnete Eigenschaften:

Beispiel 1

Magnesium 7,0 °/o

Titan 0,20 °/o

Mangan 0,25 °/o

Beryllium 0,010%

Bor 0,003 %

Aluminium Rest

plus Verunreinigungen

Beispiel 2

Magnesium 7,5 %

Titan 0,20 %

Mangan 0,30 %

Beryllium 0,055 <Vo

Bor 0,003 %

Aluminium Rest

plus Verunreinigungen

Beispiel 3

Magnesium 6,5 %>

Titan 0,20 °/o

Mangan 0,20 °/o

Beryllium 0,050%

Bor 0,003%

Aluminium Rest

plus Verunreinigungen

Beispiel 4

Magnesium 6,5 %

Titan 0,20 0/0

Mangan : —

Beryllium 0,010%

Bor 0,003 %

Aluminium Rest

plus Verunreinigungen ^9C

Zusammenfassend ergibt sich, daß bei vorliegender Erfindung erstmals bisher unbekannte Richtlinien für Legierungen zur Verwendung für Kokillenguß gestaltet werden. Diese Richtlinien schließen verschiedene Legierungselemente ein, um solche Aluminium-Magnesium-Legierungen zu erzeugen, deren Merkmale denen weit überlegen sind, wie sie bisher im Kokillenguß ohne Wämebehandlung hergestellt wurden.

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Aluminium-Magnesium-Legierung aus ι bis 9% Magnesium, 0,001 bis 0,4% Titan, 0,001 bis weniger als 0,01% Bor, 0,001 bis 1,2% Beryllium, Rest Aluminium für Kokillenguß.

2. Verwendung einer Legierung aus 3 bis 9% Magnesium, 0,1 bis 0,25 ^ϋ/ο Titan, 0,001 bis weniger als 0,01% Bor, 0,001 bis 0,2% Beryl-Hum, Rest Aluminium für den Zweck nach Anspruch i.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch ι oder 2, die unter entsprechender Verringerung des Aluminiumgehalts noch Chrom in Mengen bis 0,5'% enthält, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 3 aus 7 bis 8,5^fl/o Magnesium, 0,05 bis 0,4%, vorzugsweise 0,05 bis 0,25 % Titan, 0,001 bis weniger als ο,οΐ^/σ Bor, 0,001 bis 0,11% Beryllium, 0,15 bis 0,5% Chrom, Rest Aluminium für den Zweck nach Anspruch 1.

5. Verwendung einer Legierung nach Anspruch ι oder 2, die unter entsprechender Verringerung des Aluminiumgehalts noch bis 1,5%,

vorzugsweise ο,οΐ bis o,6%> Mangan enthält, für den Zweck nach Anspruch i.

In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschrift Nr. 832821; USA.-Patentschriften Nr. 1 921 998, 2024751, 2085697, 2336512;

Zeitschrift »Die Gießerei«, 1939, Nr. 2, S. 41;

Zeitschrift »Materials & Methods«, Bd. 25, Nr. 1, Januar 1947, S. 69.

Hierzu ι Blatt Zeichnungen

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