EP1978120A1 - Aluminium-Silizium-Gussleglerung und Verfahren zu Ihrer Herstellung - Google Patents

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EP1978120A1
EP1978120A1 EP08075254A EP08075254A EP1978120A1 EP 1978120 A1 EP1978120 A1 EP 1978120A1 EP 08075254 A EP08075254 A EP 08075254A EP 08075254 A EP08075254 A EP 08075254A EP 1978120 A1 EP1978120 A1 EP 1978120A1
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EP
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aluminum
carbon
alloy
silicon
weight
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EP08075254A
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Kostyantyn Gzovsky Dr.-Ing.
Dr.-Ing. Babette Tonn Prof.
Hennadiy Zak Dr.-Ing.
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Technische Universitaet Clausthal
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Technische Universitaet Clausthal
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys

Definitions

  • the invention relates to high and heat resistant silicon-containing aluminum casting alloys, their production and their use for the production of engine components.
  • Al casting alloys are known. Al castings are widely used because of their low specific weight, ease of molding and ease of processing. Also, through various casting methods, complicated workpieces such as e.g. Make pistons, cylinder heads, crankcases or engine blocks.
  • Al-Si alloys A proven alloy group for the production of engine components are Al-Si alloys. These materials are typically with silicon contents between 6 and 18 wt .-%, in some cases up to 24 wt .-% and with admixtures of magnesium from 1 to 1.5 wt .-%, copper between 1 and 4 wt .-% and often nickel between 1 to 3 wt .-% alloyed (catalog "aluminum casting alloys", VAW-IMCO).
  • a heat resistant alloy with reduced specific gravity is used in the DE-PS 747 355 described as particularly advantageous for pistons.
  • This material is characterized by a magnesium content between 4 and 12 wt.% And a silicon content between 0.5 and 5 wt .-% of. Furthermore, between 0.2 and 5 wt .-% copper and / or nickel may be alloyed.
  • the high magnesium content leads to gas porosity due to the strong hydrogen absorption. The additional oxidation also involves the risk of oxide inclusions, which significantly degrade the mechanical properties of the casting.
  • the invention has for its object to provide a suitable alloy for the production of engine components, which has high strength, heat resistance, good creep strength and sufficient ductility with low susceptibility to corrosion and is also inexpensive.
  • This object is inventively by the selective adjustment of carbon in the Al-Si alloys in effective amounts of from 0.0007 to 0.1 wt .-%, preferably from 0.0007 to 0.05 wt .-%, more preferably 0.001 to 0.05 wt .-%, more preferably 0.001 to 0.01 wt .-%, more preferably 0.001 to 0.005 wt .-% dissolved.
  • the aluminum-silicon casting alloy contains 5 to 18 wt .-%, in particular 12.5 to 14.5 wt .-% silicon.
  • the aluminum-silicon casting alloy according to the invention is preferably characterized by the fact that in its microstructure fine primary silicon (less than 50 ⁇ m) and refined eutectic are present simultaneously, as can be seen from the micrograph. This condition is particularly desirable in near and hypereutectic Al-Si alloys.
  • the degree of finishing of the eutectic can be visually assessed by the foundry expert on the basis of the forms of formation of the eutectic silicon precipitates, for example with the aid of micrographs.
  • foundry practice No. 11/12 - 1993, page 206 - 209, G. Chai, L. Bifferud, "Effective refining with strontium”.
  • the modifying effect of the carbon on microstructures and properties of the Al-Si alloys was not known until the invention. It has been found that the carbon content according to the invention causes a change in the overall solidification behavior of the Al-Si casting alloys and brings about an excellent microstructure modification. As essential features of the structure modification by carbon are a considerable refining and homogeneous distribution of the intermetallic phases, a good refinement of the Al-Si eutectic and good refining of the primary silicon crystals. This results in a significant improvement of the mechanical and casting technology properties.
  • the melt shows a significantly improved mold filling and flow behavior, and the finished castings can be a significantly increased casting quality and in particular a significantly lower gas porosity can be detected.
  • the basic constituents selected for the composition are melted together.
  • the melting temperature is preferably from 650 ° C to 1000 ° C, more preferably from 720 ° C to 950 ° C. Then it is poured into a mold. "Melted together” also covers the gradual metering of all components into a common melt.
  • Carbon can be used as elemental carbon, e.g. Graphite, but also be added in the form of a compound or master alloy.
  • the carbon content is achieved in particular by adding chemical carbon compounds and / or their mixtures. This can also be done by adding powdered carbides and carbonitrides, also in the form of a sintered product of carbides and carbonitrides.
  • a carbonaceous aluminum master alloy may be incorporated into the melt from the remainder of the alloyed ingredients or may be added in advance to the components to be melted.
  • the carbonaceous additives can contain not only carbon but also phosphorus and / or nitrogen.
  • a particularly preferred method of this invention is to use an aluminum-titanium-carbon master alloy.
  • castings produced from the alloy according to the invention can be subjected to all heat treatments.
  • the aluminum-silicon casting alloys according to the invention are particularly suitable for casting pistons and other machine parts for internal combustion engines, for cylinder heads, crankcases, liners or engine blocks.
  • the solution of the object of the invention therefore also includes these uses.
  • the AlSi12CuNiMg secondary alloy was selected as a representative of the large group of Al-Si casting alloys.
  • the experimental alloy was in cylindrical specimens with a casting temperature of 780 ° C in a reduced to 300 ° C. heated steel mold. Carbon was added using the self-made Al-Ti-C master alloy.
  • a medium-frequency induction furnace was used to produce the AlTi6C1 master alloy.
  • 2000 g of AlTi6 master alloy were first melted at 1400 ° C in a graphite crucible. To this melt was added 30 grams of graphite powder wrapped in aluminum foil.
  • the casting of the Al-Ti-C prealloy thus prepared was carried out after a holding time of about 30 in a copper mold.
  • the master alloy consists of an aluminum matrix, in which Al 3 Ti and TiC particles are embedded.
  • Table 1 shows the composition of the alloys investigated. ⁇ u> Table 1. ⁇ / u> Composition of Al-Si Cast Refining,% by Weight Si C Cu Ni mg Fe Mn Cr Ti Zn Erfg. Leg. 1 12.4 0,003 1.3 0.8 1.4 1.2 0.3 0.15 0.07 0.3 Vergl.Leg. 2 12.6 - 1.5 0.9 1.6 1.3 0.4 0.13 0.05 0.4
  • the secondary alloy AlSi12CuNiMg has very coarse needle-shaped iron-containing phases (predominantly Al5FeSi needles) in the cast structure, Fig. 1 .
  • alloying with the carbon causes both a well-refined eutectic and precipitates of small intermetallic phases in a very uniform distribution, Fig. 2 ,
  • a hypereutectic Al-Si casting alloy was compared to the alloy of the invention having an approximately similar composition, Table 3. Both alloys were treated with an equal amount of phosphorus.
  • Table 3 ⁇ / u> Composition of hypereutectic Al-Si casting alloys, wt% Si Cu C mg Fe Mn Ti Zn P Erfg. Leg. 3 14.1 3.7 0.02 0.33 0.94 0.29 0.21 0.33 0,006 Comp. Leg. 4 14.6 4.1 - 0.32 0.73 0.28 0.22 0.35 0,006
  • the alloy 5 according to the invention has a good strength for a casting alloy, as results from the above-mentioned tabular data.
  • the alloy 5 according to the invention has a significantly better heat resistance than the comparative alloy 6, the R p0.2 value of which drops sharply at 250 ° C. after a preliminary storage at 250 ° C. when the mechanical properties are measured at 250 ° C.
  • heat-resistant we mean here an alloy whose R p0.2 value after storage at 250 ° C. for at least 50 h, tested at 250 ° C., is above 55 MPa.

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Abstract

Die neue für die Herstellung von Motorenkomponenten geeignete hoch- und warmfeste Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit wenigstens 65 Gew.-% Aluminium, 5 bis 25 Gew.-% Silizium, gegebenenfalls weiteren Bestandteilen und unvermeidbaren Verunreinigungen und 0,0007 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff, besitzt eine hohe Festigkeit, Warmfestigkeit, gute Kriechfestigkeit sowie ausreichende Duktilität bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfälligkeit und kann vergleichsweise preiswert hergestellt werden. Der Einsatz von Kohlenstoff, auch in Form von Vorlegierungen, beeinflusst vorteilhaft die intermetallischen Verbindungen, die Feinheit des Primärsiliziums sowie die eutektische Phase in Al-Si-Legierungen.

Description

  • Die Erfindung betrifft hoch- und warmfeste siliziumhaltige Aluminium-Gusslegierungen, deren Herstellung und deren Verwendung zur Herstellung von Motorenkomponenten.
  • Zur Reduzierung von Emissionen und Kraftstoffverbrauch sowie zur Steigerung der Motorleistung sind in den letzten Jahren die Verbrennungsdrücke und Verbrennungstemperaturen der Bennstoffmotoren bzw. Verbrennungskraft-maschinen, vor allem im Dieselmotor, gestiegen. Dies führte zu erhöhten Anforderungen an die thermomechanischen Belastungen für Motorenkomponenten.
  • Im Stand der Technik sind insbesondere im Motorenbau Al-Gusslegierungen bekannt. Al-Gussteile finden aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichts, der einfachen Formgebung und leichten Verarbeitbarkeit vielseitig Verwendung. Ebenfalls lassen sich über verschiedene Gießverfahren komplizierte Werkstücke, wie z.B. Kolben, Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse oder Motorblöcke herstellen.
  • Eine bewährte Legierungsgruppe zur Herstellung von Motorenkomponenten sind Al-Si-Legierungen. Diese Werkstoffe werden typischerweise mit Siliziumgehalten zwischen 6 und 18 Gew.-%, in Einzelfällen auch bis zu 24 Gew.-% sowie mit Beimengungen von Magnesium von 1 bis 1,5 Gew.-%, Kupfer zwischen 1 und 4 Gew.-% und häufig auch Nickel zwischen 1 bis 3 Gew.-% legiert (Katalog "Aluminium-Gusslegierungen", VAW-IMCO).
  • Um die Warmfestigkeit der Al-Si-Legierungen zu verbessern, wird z.B. gemäß der US 6 419 769 B1 empfohlen, den Kupfergehalt zwischen 5,6 und 8 Gew.-% einzustellen. Der Verbesserung der mechanischen Festigkeit stehen aber in diesem Fall eine Verschlechterung der Duktilität, Steigerung des spezifischen Gewichts sowie eine verminderte Korrosionsbeständigkeit gegenüber.
  • Eine warmfeste Legierung mit reduziertem spezifischem Gewicht wird in der DE-PS 747 355 als für Kolben besonders vorteilhaft beschrieben. Dieser Werkstoff zeichnet sich durch einen Magnesiumgehalt zwischen 4 und 12 Gew.% und einen Siliziumgehalt zwischen 0,5 und 5 Gew.-% aus. Ferner können zwischen 0,2 und 5 Gew.-% Kupfer und/oder Nickel zulegiert sein. Der hohe Magnesiumgehalt führt wegen der starken Wasserstoffaufnahme zur Gasporosität. Die zusätzliche Oxidation birgt darüber hinaus die Gefahr von Oxideinschlüssen, die die mechanischen Eigenschaften des Gussteils erheblich verschlechtern.
  • Bei allen oben genannten Al-Gusslegierungen bilden sich zwar über eine Wärmebehandlung festigkeitssteigernde Mg2Si- und Al2Cu-Ausscheidungen, jedoch sind diese oberhalb 150 °C nicht stabil und daher den thermomechanischen Belastungen moderner Motoren nicht gewachsen. Dagegen bleiben die intermetallischen Phasen, wie Al6Mn, Al3Fe, Al7Cr, Al3Ni, Al8Fe2Si, Al7Cu4Ni, Al15Mn3Si2, Al5FeSi, Al3Ti und Al3Zr bei thermischer Langzeitbeanspruchung unbeeinflusst und können bei günstiger Ausbildung (in Menge, Größe, Form und Verteilung) einen erheblichen Beitrag zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften der Al-Si-Legierungen für den Motorenbau leisten. Dabei ist jedoch von besonderer Bedeutung, dass die homogene Verteilung und feine Ausbildung der intermetallischen Phasen im Gussgefügte gewährleistet wird, um die Duktilität der Legierung und ihre gießtechnologischen Eigenschaften nicht zu beeinträchtigen.
  • Im Patent DE 101 17 298 C1 wird eine Möglichkeit zur Gefügemodifizierung der AI-Si-Basislegierung durch Zugabe von bis zu 3 Gew.-% Seltenen Erden offenbart. Die Zusätze an Seltenen Erden bewirken eine wesentliche Feinung der intermetallischen Phasen, die eine erhebliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften insbesondere Dauerfestigkeit bei erhöhten Temperaturen, zur Folge hat. Die Seltenen Erden sind jedoch sehr teuer und werden in der Praxis selten eingesetzt.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für die Herstellung von Motorenkomponenten geeignete Legierung bereitzustellen, die eine hohe Festigkeit, Warmfestigkeit, gute Kriechfestigkeit sowie ausreichende Duktilität bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfälligkeit aufweist und zudem preiswert ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die gezielte Einstellung von Kohlenstoff in den Al-Si-Legierungen in wirksamen Mengen von 0,0007 bis 0,1 Gew.-%, bevorzugt von 0,0007 bis 0,05 Gew.-%, weiter bevorzugt 0,001 bis 0,05 Gew.-%, weiter bevorzugt 0,001 bis 0,01 Gew.-%, weiter bevorzugt 0,001 bis 0,005 Gew.-% gelöst.
  • Die Aluminium-Silizium-Legierung nach der Erfindung besitzt demnach folgende Zusammensetzung:
    • 5 bis 25 Gew.-% Silizium,
    • 0,0007 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff,
    • jeweils 0 bis 4 Gew.-% der folgenden Legierungsbestandteile, wobei bevorzugt wenigstens einer dieser Bestandteile vorhanden ist und deren Summe bis 10 Gew.-%, vorzugsweise bis 6 Gew.-%, weiter vorzugsweise bis 4 Gew.-% beträgt:
      • Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob,
      • Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Calzium, Antimon, Schwefel, Barium, Phosphor,
    • und als Rest auf 100 Gew.-% wenigstens 65 Gew.-% Aluminium einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen, wobei es sich insgesamt um eine Gusslegierung handeln soll.
  • Vorzugsweise enthält die Aluminium-Silizium-Gusslegierung 5 bis 18 Gew.-%, insbesondere 12,5 bis 14,5 Gew.-% Silizium.
  • Weiterhin kann es vorteilhaft sein, wenn weitere Elemente in der Legierung vorhanden sind, wie oben angegeben. Hierbei handelt es sich um Zusätze, die im Vergleich mit Aluminium und Silizium in untergeordneter Menge beigegeben wurden. So können beispielsweise die folgenden Mengen an zusätzlichen Legierungsbestandteilen für das gewünschte Eigenschaftsprofil von Vorteil sein:
    • 0,1 bis 1,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,6 Gew.-% Magnesium;
    • 0,001 bis 0,5 Gew.%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-% Titan;
    • 0,001 bis 0,7 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium;
    • 0,001 bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,6 Gew.-% Mangan;
    • 0,001 bis 2,5 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 0,8 Gew.-% Eisen;
    • 0,001 bis 0,5 Gew.%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kobalt;
    • 0,001 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,4 Gew.-% Chrom;
    • 0,0001 bis 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,01 Gew.-% Beryllium;
    • 0,001 bis 2 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 1,5 Gew.-% Zink;
    • 0,001 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 1,8 Gew.-% Kupfer;
    • 0,001 bis 4 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 3,0 Gew.-% Nickel;
    • 0,001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% Vanadium;
    • 0,0001 bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,5 Gew.-% Hafnium;
    • 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,4 Gew.-% Niob;
    • 0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,2 Gew.-% Blei;
    • 0,0001 bis 0,08 Gew.-%, insbesondere 0,005 bis 0,04 Gew.-% Strontium;
    • 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,02 Gew.-% Natrium;
    • 0,0001 bis 0,006 Gew.-%, insbesondere 0,002 bis 0,004 Gew.-% Calcium;
    • 0,0001 bis 0,08 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,06 Gew.-% Bor;
    • 0,0001 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Cer;
    • 0,0001 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-% Scandium;
    • 0,0001 bis 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,01 Gew.-% Phosphor.
  • Die Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach der Erfindung zeichnet sich vorzugsweise dadurch aus, dass in ihrem Gefüge feines Primärsilizium (kleiner als 50 µm) und veredeltes Eutektikum gleichzeitig vorliegen, wie anhand des Schliffbildes zu erkennen ist. Dieser Zustand ist bei nah- und übereutektischen Al-Si-Legierungen besonders anzustreben.
  • Der Veredelungsgrad des Eutektikums kann vom Gießereifachmann anhand der Ausbildungsformen der eutektischen Silizium-Ausscheidungen visuell - beispielsweise mit Hilfe von Schliffbildern - beurteilt werden. Für die visuelle Beurteilung siehe auch "Gießerei-Praxis" Nr. 11/12 - 1993, Seite 206 - 209, G. Chai, L. Bäckerud, "Wirksame Veredelung mit Strontium".
  • Die modifizierende Wirkung des Kohlenstoffs auf Gefüge und Eigenschaften der Al-Si-Legierungen war bis zur Erfindung nicht bekannt. Es hat sich gezeigt, dass der erfindungsgemäße Kohlenstoffgehalt eine Änderung des gesamten Erstarrungsverhaltens der Al-Si-Gusslegierungen bewirkt und eine ausgezeichnet Gefügemodifizierung mit sich bringt. Als wesentliche Merkmale der Gefügemodifizierung durch Kohlenstoff sind eine erhebliche Feinung und homogene Verteilung der intermetallischen Phasen, eine gute Veredelung des Al-Si-Eutektikums und gute Feinung der Primärsiliziumkristalle zu nennen. Das hat eine deutliche Verbesserung der mechanischen und gießtechnologischen Eigenschaften zur Folge.
  • Durch Einstellung des erfindungsgemäßen Kohlenstoffgehaltes ist es auch möglich, die Konzentrationsgrenzen wichtiger Legierungskomponenten, wie Titan, Zirkonium, Eisen, Mangan, Chrom, Kobalt, Molybdän und je nach Anwendungsfall anderer Übergangselemente, zu höheren Werten zu verschieben, ohne Legierungsqualität dabei zu beeinträchtigen.
  • Zum Beispiel bilden sich bei bekannten AI-Si-Legierungen mit Zirkonium-Gehalten von über 0,3 Gew.-%, Titan-Gehalten von über 0,3 Gew.-% oder Eisengehalten von über 0,6 Gew.-% im Gefüge sehr lange nadelförmige spröde Phasen.
    Die Bildung dieser groben intermetallischen Phasen, wie sie bei den konventionellen Aluminiumlegierungen zu erwarten wäre, d. h. vor allem langer Nadeln intermetallischer Phasen mit Übergangselementen wie z. B. Al3Zr, Al3Ti und Al5FeSi, wird durch Kohlenstoff unterdrückt. Die für hohe Gehalte an Übergangselementen typischen sehr langen nadelförmigen intermetallischen Phasen erscheinen in den kohlenstoffhaltigen Al-Si-Legierungen meist als "Chinesische Schrift" bzw. als kleine Plättchen bis zu maximal 30 - 40 µm Länge. Dies bringt wesentliche Vorteile mit sich, wie z. B. eine erhebliche Verbesserung der Kornfeinungswirkung der Übergangselemente, sowie eine deutliche Steigerung der mechanischen Eigenschaften, Warm-, Kriech- und Dauerfestigkeit der erfindungsgemäßen Legierung. Beim Gießen zeigt die Schmelze ein deutlich verbessertes Formfüllungs- und Fließverhalten, und an den fertigen Gussteilen kann eine merklich erhöhte Gussqualität und insbesondere eine wesentlich geringere Gasporosität nachgewiesen werden.
  • Bei übereutektischen AI-Si-Legierungen ist die gleichzeitige Feinung des primären Siliziums, die Veredelung des eutektischen Siliziums sowie die möglichst kleine Ausbildung und homogene Verteilung der intermetallischen Phasen für die Einstellung des gewünschten Eigenschaftsprofils besonders wichtig. Diese seit langem angestrebte Modifizierung der Gefüge konnte bisher nicht erzielt werden, da sich die Wirkungen von Strontium und Phosphor gegenseitig aufheben. Durch Zulegieren der naheeutektischen und übereutektischen Al-Si-Legierungen (besonders für Kolben und Motorblöcke) mit dem Kohlenstoff bei gleichzeitiger Zugabe von bis zu 100 ppm Phosphor ist es gelungen, die gewünschte kombinierte Gefügebeeinflussung zu erreichen.
  • Zur Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung sind grundsätzlich alle Gießverfahren geeignet. Hierzu gehören u. a. Sandguss, Vollformguss, Schwerkraft-Kokillenguss, Niederdruck-Kokillenguss, Differenzdruck-Kokillenguss, Druckguss und Vakuum-Druckguss.
  • Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist vorzugsweise vorgesehen, dass die für die Zusammensetzung ausgewählten Grundbestandteile gemeinsam erschmolzen werden. Die Schmelztemperatur beträgt vorzugsweise von 650 °C bis 1000 °C, weiter vorzugsweise von 720 °C bis 950 °C. Anschließend wird in eine Gussform abgegossen. "Gemeinsam erschmolzen" erfasst auch das allmähliche Zudosieren aller Bestandteile in eine gemeinsame Schmelze. Kohlenstoff kann als elementarer Kohlenstoff, z.B. Graphit, aber auch in Form einer Verbindung oder Vorlegierung zugegeben werden.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird der Kohlenstoffgehalt insbesondere dadurch erzielt, dass chemische Kohlenstoffverbindungen und/oder ihre Mischungen zugegeben werden. Dies kann auch erfolgen, indem pulverförmige Karbide und Karbonitride, auch in Form eines Sinterproduktes aus Karbiden und Karbonitriden zugegeben werden.
  • Alternativ kann eine kohlenstoffhaltige Aluminium-Vorlegierung in die Schmelze aus den übrigen für die Legierung vorgesehenen Bestandteilen eingebracht oder vorab den einzuschmelzenden Bestandteilen hinzugefügt werden.
  • Die kohlenstoffhaltigen Zusätze können neben Kohlenstoff auch Phosphor und/oder Stickstoff enthalten.
  • Ein besonders bevorzugtes Verfahren nach dieser Erfindung besteht darin, eine A-lumnium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierung zu verwenden.
  • Zwar ist aus der DE 37 29 937 A1 bereits eine Kornfeinung mit AI-Ti-C-Legierungen bekannt, diese bezieht sich jedoch ausdrücklich auf AI-Ti-Hauptlegierungen. Dabei werden lange bekannte Schwierigkeiten bei der Erhöhung des Kohlenstoffgehalts von Aluminium-Titan-Legierungen darauf zurückgeführt, dass es in diesen Zusammensetzungen schwierig ist, eine Benetzung zwischen dem Kohlenstoff und dem geschmolzenen Aluminium zu erzielen. Die beschriebenen Vorlegierungen sind bei der Herstellung von dünnem Flachmaterial, Folien oder Dosenmaterial besonders nützlich.
  • Auch ist die Zugabe von kohlenstoffhaltigen Vorlegierungen zu Reinaluminium und Aluminiumknetlegierungen mit dem Ziel der Kornfeinung als solches bekannt, wie z.B. in "Z. Metallkd. 91 (2000) Heft 10, S. 800 - 806 beschrieben. Die Wirkung von bekannten Al-Ti-C-Vorlegierungen beruht auf dem Einbringen von TiC-Teilchen, die als Keimbildner für den □-Mischkristall dienen, in die Schmelze und erfordert nach dem Stand der Technik eine strenge Einhaltung bestimmter Parameter bei der Schmelzeführung, wie z. B. möglichst niedrige Schmelzetemperaturen und möglichst kleine Siliziumgehalte, um die Stabilität der TiC-Partikel in der Schmelze zu gewährleisten und ihre Reaktion mit den anderen Legierungskomponenten zu vermeiden. Bei Silizium-Gehalten von über 3 Gew.-% kommt es nach Angaben von Greer u. a. (Advanced Engeneering Materials (2003) Nr. 1-2, Seiten 81 - 91 und "Continuous Casting, Ed. by K Ehrke and W. Schneider, DGM (2000), A. Tronche and A. L. Greer, "Effect of Solute Elements on the Grain Structures of Al-Ti-P and Al-Ti-C Grain-Refined Al Alloys", S. 218-222; 221, 222) zur Vergiftung von TiC durch Silizium, so dass die Kornfeinungswirkung von TiC auf die □-Aluminium-Mischkristallphase bei der Al-Si-Gusslegierungen verhindert wird. Die Wirkung des Kohlenstoffs auf die intermetallischen Verbindungen, das Primärsilizium sowie die eutektischen Phasen in Al-Si-Gusslegierungen ohne Auswirkung auf die □-Mischkristallphase (d.h. ohne Kornfeinungswirkung durch Kohlenstoff oder das Karbid in dieser Phase) war bisher nicht bekannt.
  • Obwohl im Gusszustand schon gute mechanische Werte vorhanden sind können aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gussteile allen Wärmebehandlungen unterzogen werden.
  • Die erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierungen sind zum Gießen von Kolben und anderen Maschinenteilen für Verbrennungskraftmaschinen, für Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, Laufbuchsen oder Motorblöcke besonders geeignet. Die Lösung der Aufgabe der Erfindung umfasst daher auch diese Verwendungen.
  • Unter Bezugnahme auf die Figuren und Beispiele soll die Erfindung näher illustriert werden, ohne dass die Beispiele beschränkend zu verstehen wären. Der Fachmann kann die Erfindung mit Hilfe dessen, was in Beispielen und Figuren anschaulich erläutert ist, ohne weiteres im gesamten oben angegebenen Umfang ausführen.
  • Es zeigen:
    • Fig. 1 zeigt das Mikrogefüge einer AlSi12CuNiMg-Sekundärlegierung, x 500
    • Fig. 2 zeigt das Mikrogefüge einer erfindungsgemäß legierten AlSi12CuNiMg-Sekundärlegierung unter Zugabe von Kohlenstoff, x 500
    • Fig. 3 zeigt das Mikrogefüge einer AlSi14Cu3Mg-Legierung mit Phosphorzugabe, x 100
    • Fig. 4 zeigt das Mikrogefüge einer erfindungsgemäß legierten AlSi14Cu3Mg-Legierung unter Zugabe von Kohlenstoff und Phosphor, x 100
    (Maßstab in den Figuren = 50 µm) Beispiel 1 Naheutektische Al-Si-Gusslegierung mit Kohlenstoff
  • Stellvertretend für die große Gruppe der Al-Si-Gusslegierung wurden die Sekundärlegierung AlSi12CuNiMg ausgewählt. Die Versuchslegierung wurde in zylindrischer Probekörper mit einer Gießtemperatur von 780 °C in eine geschlichtete auf 300 °C erwärmte Stahlkokille. Die Zugabe von Kohlenstoff erfolgte mit Hilfe der selbst hergestellten Al-Ti-C-Vorlegierung.
  • Zur Herstellung der AlTi6C1-Vorlegierung kam ein Mittelfrequenz-Induktionsofen zum Einsatz. In einem Graphittiegel wurde zunächst 2000 g AlTi6-Vorlegierung bei 1400 °C erschmolzen. Dieser Schmelze wurde 30 g Graphitpulver, eingewickelt in Aluminiumfolie, zugegeben. Der Abguss der so hergestellten Al-Ti-C-Vorlegierung erfolgte nach einer Haltezeit von etwa 30 in eine Kupferform. Die Vorlegierung besteht aus einer Aluminium-Matrix, in der Al3Ti- und TiC-Teilchen eingelagert sind.
  • Die Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der untersuchten Legierungen. Tabelle 1. Zusammensetzung der Al-Si-Gussleigerung, Gew.-%
    Si C Cu Ni Mg Fe Mn Cr Ti Zn
    Erfg. Leg. 1 12,4 0,003 1,3 0,8 1,4 1,2 0,3 0,15 0,07 0,3
    Vergl.Leg. 2 12,6 - 1,5 0,9 1,6 1,3 0,4 0,13 0,05 0,4
  • Die Ergebnisse der metallographischen Untersuchungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Tabelle 2. Veredelungsgrad und Länge der intermetallischen Teilchen in der untersuchten Legierung AlSi12CuNiMg
    Veredelungsgrad Länge der intermetallischen Teilchen, µm
    Erfg. Leg. 1 Grad 6: gut veredelt 20-30
    Vergl. Leg. 2 Grad 3: teilveredelt 100-600
  • Die Sekundärlegierung AlSi12CuNiMg weist im Gussgefüge sehr grobe nadelförmige eisenhaltige Phasen (vorwiegend Al5FeSi-Nadeln) aus, Fig. 1. Dagegen bewirkt Zulegieren mit dem Kohlenstoff sowohl ein gut veredeltes Eutektikum als auch Ausscheidungen kleiner intermetallischer Phasen in einer sehr gleichmäßigen Verteilung, Fig. 2.
    • Beispiel 2 Übereutektische Al-Si-Legierung mit Kohlenstoff
  • In diesem Beispiel ist eine übereutektische Al-Si-Gusslegierung mit der erfindungsgemäßen Legierung mit einer annähernd gleichen Zusammensetzung verglichen wurde, Tabelle 3. Beide Legierungen wurden mit einer gleichen Menge Phosphor behandelt. Tabelle 3. Zusammensetzung der übereutektische Al-Si-Gusslegierungen, Gew.-%
    Si Cu C Mg Fe Mn Ti Zn P
    Erfg. Leg. 3 14,1 3,7 0,02 0,33 0,94 0,29 0,21 0,33 0,006
    Vergl. Leg. 4 14,6 4,1 - 0,32 0,73 0,28 0,22 0,35 0,006
  • Eine gleichzeitige Feinung des Primärsiliziums und des Al-Si-Eutektikums war bisher nicht möglich, Fig. 3. Unsere Ergebnisse zeigen, dass sich Phosphor und Kohlenstoff in ihrer Wirkung nicht gegenseitig behindern. Auf dem Bild 4 ist es zu sehen, dass bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,005 Gew.-% eine gute Feinung des primären Siliziums sowie einen akzeptablen Veredelungsgrad des eutektischen Siliziums erreicht werden kann. Auch die kompakte Ausbildung und homogene Verteilung der intermetallischen Phasen in der erfindungsgemäßen Legierung ist von großem technologischem Vorteil.
    • Beispiel 3 Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Al-Si-Gusslegierungen
  • Den positiven Einfluss von Kohlenstoff auf Al-Si-Legierungen geben auch die bereits im Gusszustand erzielten mechanischen Eigenschaften deutlich wieder, Tabelle 4 und Tabelle 5. Tabelle 4. Chemische Zusammensetzung der untersuchten Legierungen
    Si C Cu Ni Mg Fe Mn Zr Ti Zn
    Erfg. Leg. 5 11,8 0,025 1,8 0,8 0,7 0,7 0,3 0,1 0,18 0,4
    Vergl. Leg. 6 12,5 - 1,5 1,1 1,1 0,4 0,3 - 0,15 0,1
    Tabelle 5. Vergleich der mechanischen Eigenschaften bei RT und 250 °C
    Mechanische Eigenschaften Prüfung bei RT Mechanische Eigenschaften nach Vorauslagerung bei 250 °C/100 h Prüfung bei 250 °C
    Rm, MPa Rp0,2, MPa A5, % Rm, MPa Rp0,2, MPa A5, %
    Erfg. Leg. 5, F 241 171 0,6 147 105 3,2
    Vergl. Leg. 6, F 225 152 0,7 112 83 9,3
    Rm - Zugfestigkeit (MPa); Rp0,2 - Dehngrenze (MPa); A5 % - Bruchdehnung in %
  • Die erfindungsgemäße Legierung 5 besitzt für eine Gusslegierung eine gute Festigkeit, wie sich aus den o. a. Tabellendaten ergibt. Die erfindungsgemäße Legierung 5 hat zusätzlich eine deutlich bessere Warmfestigkeit als die Vergleichslegierung 6, deren Rp0,2-Wert bei einer Messung der mechanischen Eigenschaften bei 250 °C nach Vorauslagerung bei 250 °C stark absinkt.
  • Unter "warmfest" verstehen wir hier eine Legierung, deren Rp0,2-Wert nach Vorauslagerung bei 250 °C über wenigstens 50 h, geprüft bei 250 °C, über 55 MPa beträgt.

Claims (13)

  1. Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit 5 bis 25 Gew.-% Silizium und wenigstens 65 Gew.-% Aluminium als Hauptlegierungsbestandteilen sowie gegebenenfalls weiteren Bestandteilen und unvermeidbaren Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,0007 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff enthält.
  2. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach Anspruch 1 mit 5 bis 25 Gew.-% Silizium und 0,0007 bis 0,1 Gew.-% Kohlenstoff sowie jeweils bis 4 Gew.-% wenigstens eines der folgenden und in Summe bis 10 Gew.-% der folgenden Legierungsbestandteile: Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Calzium, Antimon, Schwefel, Barium, Phosphor und als Rest wenigstens 65 Gew.-% Aluminium einschließlich unvermeidbarer Verunreinigungen.
  3. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 5 bis 18 Gew.%, insbesondere 12,5 bis 14,5 Gew.-% Silizium enthält.
  4. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Gefüge feines Primärsilizium und veredeltes Eutektikum gleichzeitig vorliegen.
  5. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in ihrem Gefüge intermetallische Phasen als Nadeln oder kleine Plättchen bis zu maximal 40 µm Länge vorhanden sind.
  6. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, erhältlich durch gezielte Einstellung des Kohlenstoffgehaltes auf 0,0007 bis 0,1 Gew.-%.
  7. Verfahren zur Herstellung einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt durch Zugabe von Kohlenstoff in beliebiger Form gezielt eingestellt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Zusammensetzung ausgewählten Grundbestandteile gemeinsam erschmolzen, dabei auf eine Temperatur im Intervall von 650 °C bis 1.000 °C, vorzugsweise von 720 °C bis 950 °C erwärmt und in eine Gussform abgegossen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kohlenstoffgehalt erzielt wird durch Zugabe von chemischen Kohlenstoffverbindungen und/oder ihren Mischungen, insbesondere durch Zugabe pulverförmiger Karbide und Karbonitride, auch in Form eines Sinterproduktes aus Karbiden und Karbonitriden.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8,, dadurch gekennzeichnet, dass eine kohlenstoffhaltige Aluminium-Vorlegierung in die Schmelze aus den übrigen für die Legierung vorgesehenen Bestandteilen eingebracht oder vorab den einzuschmelzenden Bestandteilen hinzugefügt wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Alumnium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierung verwendet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorlegierung neben Kohlenstoff auch Phosphor enthält.
  13. Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zum Gießen von thermisch hochbelasteten Maschinenelementen, insbesondere Kolben, Zylinderköpfen, Kurbelgehäusen, Laufbuchsen oder Motorblöcken jeweils für Verbrennungskraftmaschinen.
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