EP0456296B1 - Verfahren zur Herstellung von stranggegossenen Bändern und Drähten - Google Patents

Verfahren zur Herstellung von stranggegossenen Bändern und Drähten Download PDF

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EP0456296B1
EP0456296B1 EP91200921A EP91200921A EP0456296B1 EP 0456296 B1 EP0456296 B1 EP 0456296B1 EP 91200921 A EP91200921 A EP 91200921A EP 91200921 A EP91200921 A EP 91200921A EP 0456296 B1 EP0456296 B1 EP 0456296B1
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aluminum
lead
heat treatment
silicon
matrix
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Alberto Romero
Ingrid MÜLLER
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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent
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    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
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    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a method for producing at a high casting and cooling rate of a melt heated to a temperature above the segregation temperature, plastically deformed and heat-treated strips and wires made of monotectic aluminum-silicon alloy, in which in the aluminum and aluminum-silicon -Eutectic matrix 1 to 50 wt .-% lead or bismuth are stored.
  • a uniform dispersion of spherical droplets of small diameter in the matrix of monotectic alloys can, however, be achieved if the melt is continuously cast vertically to form a strip or wire of 5 to 20 mm thickness or diameter with a relatively high casting and cooling rate, so that before the phase boundary solid / liquid a very steep temperature gradient is maintained.
  • the distance between the segregation and solidus isotherms within the system and thus the sedimentation distance is as short as possible.
  • the temperature or path interval is given by the isotherms of the separation temperature and the temperature of the monotectic Reaction in which the matrix phase solidifies and thereby includes the second still liquid phase in the distribution that is then present.
  • This method is particularly suitable for the production of cast strips or wires made of monotectic aluminum-silicon alloys, in the matrix of which aluminum and aluminum-silicon eutectic exist, 1 to 50% by weight of lead or bismuth as a minority phase in the form of fine Droplet is stored.
  • the cast strip or wire is subjected to a rolling and / or heat treatment in order to optimize the material properties.
  • a rolling and / or heat treatment in order to optimize the material properties.
  • the originally spherical lead or bismuth phase is deformed into elongated platelets.
  • elongated inclusions adversely affect the mechanical resilience and the technological properties of the material, so that in order to set the desired material properties, it is necessary to transform the elongated platelets into compact structural shapes, which can be done by subsequent heat treatment.
  • a common method for the transformation and subsequent molding of a dispersed low-melting minority phase is the long-term heating of the monotectic alloy to a temperature above the melting temperature of the low-melting minority phase.
  • the minority phase is transformed and shaped by dissolving and transporting the matrix metal, preferably within the molten phase, since the solubilities and diffusion coefficients in melts are much greater than in solids.
  • US-A-4 471 031 an aluminum alloy which contains 0.5 to 5% silicon and 0.5 to 8% lead and bismuth among other metals.
  • the melt is cast at a speed of 1.5 to 2.5 m / mm and the cast strip is annealed after forming at 350 to 550 ° C and with a max. Cooled to 200 ° C / h. About the behavior of the lead minority phases or bismuth, no information is given.
  • US-A-3 827 882 discloses an aluminum-silicon-lead alloy with 3 to 26% by weight of lead, 0.5 to 11.3% by weight of silicon, up to 1% by weight of bismuth and up to 1% by weight % Cerium or lithium.
  • the melt heated to a temp above the development temperature, is continuously cast at a high cooling rate.
  • the lead phase is prevented from oozing out, and there is a fine distribution in the matrix.
  • the alloy contains 1% cerium or lithium.
  • the solution to this problem is that the melt is poured at a speed of 10 to 30 mm / s and cooled at a speed of 300 to 1500 K / s and the strips or wires are subjected to a heat treatment at a temperature of 550 to 600 ° C be subjected.
  • the aluminum-silicon eutectic also melts at least partially.
  • the transformation or shaping of the liquid lead or bismuth phase within the eutectic melting range takes place very quickly.
  • the monotectic aluminum-silicon alloy with the lead phase enclosed in the matrix is subjected to a heat treatment at temperatures of 580 to 590 ° C. or 575-585 ° C.
  • the heat treatment expediently takes 0.5 to 15 minutes.
  • the method according to the invention is particularly suitable for the treatment of sliding materials based on aluminum-silicon with a lead or bismuth phase finely dispersed in their matrix.
  • Fig. 1 a photographic image of a cut through a continuously cast, 10 mm thick and then rolled cast strip of a ternary monotectic aluminum alloy with 5% silicon and 10% bismuth is shown in 500 times magnification.
  • elongated plates of the bismuth phase (3) are embedded in the matrix formed from aluminum (1) and aluminum-silicon eutectic (2).
  • the 500-fold enlargement of the photographic image of a cut through a continuously cast, then rolled and then heated to 587.5 ° C. for 5 minutes of the abovementioned ternary monotectic aluminum alloy shown in FIG. 2 shows that the bismuth phase (4) into the matrix (5) consisting essentially of aluminum is molded in and the silicon (6) is crystallized in a significantly coarse form.

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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 unlösliche 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 Diffusions 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 thermatischen Belastung ausgesetzt ist.
  • Aus der US-A-4 471 031 ist eine Aluminium-Legierung bekannt, die 0,5 bis 5% Silizium und 0,5 bis 8% Blei und Wismut neben anderen Metallen enthält. Die Schmelze wird mit einer Geschwindigkeit von 1,5 bis 2,5 m/mm gegossen und das Gußband nach dem Umformen bei 350 bis 550 °C geglüht und mit max. 200 °C/h abgekühlt. Über das Verhalten der Minoritätsphasen Blei bzw. Wismut sind keine Angaben gemacht. Die US-A-3 827 882 offenbart eine Aluminium-Silizium-Blei-Legierung mit 3 bis 26 Gew.% Blei, 0,5 bis 11,3 Gew.% Silizium, bis zu 1 Gew.% Wismut und bis zu 1 Gew.% Cer oder Lithium. Die auf eine Tempreatur oberhalb der Entwicklungstemperatur erhitzte Schmelze wird mit großer Abkühlgeschwindigkeit stranggegossen. Infolge des steilen Temperaturgradienten wird ein Ausseigern der Bleiphase verhindert, und es erfolt eine Feinverteilung in der Matrix. Um eine globulitische Ausbildung der Bleiphase zu erreichen, enthält die Legierung 1% Cer oder Lithium.
  • Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, bei nach dem eingangs beschriebenen Verfahren hergestellten 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 langestreckten Plättchen der im festen Aluminium unlöslichen Blei- bzw. Wismutphase in kompaktere Formen erzielen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, 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 und 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 monotektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit in der Matrix eingeschlossener Bleiphase einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 580 bis 590 °C bzw. 575-585°C unterworfen.
  • 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.
  • 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 500-facher 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 500-fache 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 (4)

  1. Verfahren zur Herstellung von mit großer Gieß- und Abkühlgeschwindigkeit einer auf eine Temperatur oberhalb der Entmischungstemperatur erhitzten Schmelze stranggegossener, 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 Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 mm/s gegossen und mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 1500 K/s abgekühlt wird und die Bänder und 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.
EP91200921A 1990-05-05 1991-04-18 Verfahren zur Herstellung von stranggegossenen Bändern und Drähten Expired - Lifetime EP0456296B1 (de)

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