EP2236637A2 - Pressure casting mould made of a hypereutectic aluminium silicon cast alloy and method for producing same - Google Patents

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EP2236637A2
EP2236637A2 EP10003560A EP10003560A EP2236637A2 EP 2236637 A2 EP2236637 A2 EP 2236637A2 EP 10003560 A EP10003560 A EP 10003560A EP 10003560 A EP10003560 A EP 10003560A EP 2236637 A2 EP2236637 A2 EP 2236637A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
alloy
weight
silicon
die
calcium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP10003560A
Other languages
German (de)
French (fr)
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EP2236637A3 (en
Inventor
Babette Tonn
Hennadiy Zak
Olga Zak
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Clausthal
Original Assignee
Technische Universitaet Clausthal
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Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Clausthal filed Critical Technische Universitaet Clausthal
Publication of EP2236637A2 publication Critical patent/EP2236637A2/en
Publication of EP2236637A3 publication Critical patent/EP2236637A3/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D17/00—Pressure die casting or injection die casting, i.e. casting in which the metal is forced into a mould under high pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02F—CYLINDERS, PISTONS OR CASINGS, FOR COMBUSTION ENGINES; ARRANGEMENTS OF SEALINGS IN COMBUSTION ENGINES
    • F02F7/00—Casings, e.g. crankcases or frames
    • F02F7/0085—Materials for constructing engines or their parts
    • F02F2007/009—Hypereutectic aluminum, e.g. aluminum alloys with high SI content

Definitions

  • the invention relates to a die-cast body made of a hypereutectic aluminum-silicon casting alloy with more than 15 to 25 wt .-% silicon and a total of 0 to 10 wt .-% of minor constituents and ad 100 wt .-% aluminum, a process for the preparation of a Diecasting Body of This Alloy Containing Calcium and / or Strontium The manufacturing process enables the process-reliable and cost-effective production of wear-stressed cast aluminum parts by die casting.
  • hypereutectic aluminum-silicon alloys for wear-stressed components, such as cylinder crankcases, pistons, pumps, compressor housings, propellers has increased significantly.
  • the good wear resistance of these alloys is based on the presence of primary silicon precipitates in the structure, which should be present in an advantageous and homogeneous as possible size distribution and geometric shape.
  • a refining of the primary silicon with phosphorus has proved successful, which produces nuclei in the melt, at which point the primary silicon crystals are formed ( Foundry 78, 1991, No. 23, pp. 848-852 ).
  • the currently required high casting temperature for hypereutectic Al-Si alloys from 760 ° C to 800 ° C leads to significant decrease in the viscosity of the melt and significantly increases the risk of spewing out of the mold. This is further promoted by the high heat of crystallization released during the precipitation of primary silicon crystals. In addition, the oxidation and hydrogen uptake promoted by higher temperatures lead to increased formation of oxide inclusions and porosities.
  • the relatively high crystallization temperature of the primary silicon in known aluminum-silicon casting alloys for die casting enhances the abrasive effect of the primary silicon particles on the casting tools and thus significantly reduces their service life. All these factors lower the limits for the processing of hypereutectic Al-Si alloys by the die casting process.
  • the invention has for its object to provide an alloy and a method that enables a process-reliable and cost-effective production of wear-stressed aluminum castings in die casting.
  • the die-cast body according to the invention is one with the main alloying constituents aluminum and silicon, more precisely with silicon contents of> 15 wt. 25 wt .-%, and zirconium as a minor alloying ingredient in an amount of 0.005 to 0.3 wt .-%. It is a hypereutectic alloy.
  • the sum of the secondary alloy constituents should not exceed 18% by weight and preferably 10% by weight.
  • Particularly advantageous die-cast alloys are obtained if the silicon content is more than 16% by weight and more preferably more than 18% by weight.
  • the phosphorus content in the alloy is limited to a few ppm. It has been found that precisely the avoidance of phosphorus and the use of calcium or else strontium or a combination of the elements Ca and Sr brings about the desired effects. Phosphorus additives increase the crystallization temperature of the primary silicon, which inevitably leads to higher casting temperatures and higher precipitation temperatures of the abrasive primary silicon particles. The high mold wear with conventional hypereutectic Al-Si die cast alloys can therefore be attributed to the addition of phosphorus. According to the invention, therefore, the content of phosphorus is kept less than 0.002 wt .-% (20 ppm). Preferably, the phosphorus content does not exceed 10 ppm and more preferably not 9 ppm, more preferably not 7 ppm.
  • the carbon content is as low as possible. Carbon entrained by incompletely pure starting materials worsens the casting results.
  • the carbon content should therefore be less than 0.0007% by weight in the alloy according to the invention. be.
  • the results of the inventors show that the refining and formation of the primary silicon in die-cast alloys according to the invention is markedly improved by zirconium additions of 0.005 to 0.3% by weight, without increasing the precipitation temperature of the primary silicon crystals. This is because the Si2Zr particles formed upon Zr addition in the melt are less patent than AIP nuclei and require significant supercooling to be ineffective.
  • the inventively provided treatment of the hypereutectic aluminum-silicon melt by additions of calcium or strontium in effective amounts added causes a significant decrease in the excretion temperature of the primary silicon and makes it possible to significantly increase the casting temperatures of hypereutectic Al-Si alloys compared to the prior art to reduce.
  • Low casting temperatures and correspondingly higher viscosity of the melt ensure a low-risk processing of the pressure casting process without the risk of spillage.
  • Additional advantages are the lower thermal load of the casting tools and a significant increase in their service life. The mold wear is significantly reduced.
  • the shift of the precipitation temperature of the primary silicon at a later time ensures that this hard phase is formed only in the die, so that the long-known abrasive effect of the hard primary silicon crystals on the casting tools in the new process is eliminated.
  • the smaller solidification interval of the hypereutectic Al-Si alloys achieved with the method according to the invention contributes to the significant improvement in their hot cracking behavior, which is of great advantage, particularly in the production of monolithic engine blocks in die casting because of their elaborate ribbing.
  • the calcium or strontium addition according to the invention brings about an excellent microbial modification.
  • the essential features of the structure modification are a considerable refining and homogeneous distribution of the primary silicon particles and at the same time a good refinement of the Al-Si eutectic.
  • the primary silicon crystals are present in the microstructure in the desired polyhedral shape.
  • the long-sought combined refining of the primary silica and refining of the Al-Si eutectic are known to provide the best wear resistance and to improve the mechanical properties.
  • Total impurity elements should not exceed 0.6 wt% in The alloy may be present in order to exclude uncontrollable effects on the properties of the alloy. In particular, it should be ensured that the antimony content is below 0.01% by weight, since higher contents impair the effect of Ca and Sr.
  • primary silicon crystals in predominantly polyhedral form are present in the microstructure of the die-cast body according to the invention.
  • Star-shaped primary silicon crystals should not be present or only in small quantities.
  • the invention further comprises a process for producing a die-cast hypereutectic aluminum-silicon alloy with calcium and / or strontium addition.
  • the object of the invention is therefore also achieved by a method for producing a die-cast body, in which a hypereutectic Al-Si alloy containing calcium and / or strontium of each element or in total from 0.001 to less than 0.05 wt. % (? 0.001 to ⁇ 0.05 wt .-%), a content of phosphorus less than 0.002 wt .-% and a content of carbon less than 0.0007 wt .-% with mold filling times of 10 to 300 milliseconds processed by die casting is, wherein the excretion of the primary silicon takes place only in the mold.
  • the temperature of the melt in the casting chamber approx. between 670 ° C and 700 ° C.
  • the hypereutectic Al-Si alloys with silicon contents of more than 15 or 16 or 18 wt .-% are characterized by wide solidification intervals. Therefore, they require short mold filling times and rapid pressure build-up at mold filling end in order to avoid premature solidification and to achieve maximum pore compression.
  • the exact composition of the hypereutectic Al-Si alloy is preferred as described above.
  • the calcium may be added in the form of a calcium master alloy and / or the strontium may be added in the form of a strontium master alloy, for which AlCa10, AlSr90 and AlSr10 are used in particular.
  • castings made from the alloy according to the invention can be subjected to all heat treatments.
  • the cast part after the casting is subjected to a heat treatment, a mechanical treatment, a honing operation or a combination of several treatments.
  • the cast skin of the alloy according to the invention may be depleted of primary silicon by rapid solidification in the die casting process. Therefore, the primary silicon depleted edge zone can be removed. This can be z. B. by mechanical processing or by honing.
  • a wear-resistant product namely a die-cast part produced by the die casting method according to the invention for a technical component, in particular a piston, a cylinder crankcase, a bushing, a propeller, a propeller blade, a pump, a pump housing, a compressor housing, an engine block, or generally a machine or device part.
  • AlSi17Cu4Mg alloys were selected.
  • the test alloys with calcium and with phosphorus were produced in an electrically heated crucible furnace.
  • the addition of phosphorus to the comparative alloy was carried out with wire master alloy AlCu20P1,4.
  • the casting tests were carried out on the GDK 750 die casting machine (Müller Weingarten (Germany)) with a casting speed of 50 m / s.
  • the casting temperature was 700 ° C and the mold temperature was 180 ° C.
  • the properly discharged with the inventive method test specimen is in Fig. 1 shown.
  • Table 1 shows the composition of the alloys investigated.
  • Table 1. Composition of Al-Si Cast Alloys, wt% Si Ca P Cu Ni mg Fe Mn Cr Ti Zr Erf.Leg 16.5 0,007 0.0009 3.7 0.02 0.6 0.18 0.14 0.03 0.07 0.005 Leg. Gem. State of the art 16.5 0.0009 0.005 3.9 0.03 0.6 0.16 0.16 0.04 0.05 -
  • Fig. 2 represents the casting technology advantages of the method according to the invention over the prior art convincing.
  • the lowering of the excretion temperature of the primary silicon by 27 ° C by treatment of the melt with 70 ppm of calcium is clearly visible.

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Abstract

The die cast body consists of hypereutectic aluminum-silicon alloy with silicon (15-25 wt.%), zirconium (0.005-0.3 wt.%), auxiliary alloy component (0-10 wt.%), aluminum (100 wt.%), calcium and/or strontium (0.001-0.05 wt.%), phosphorus (0.002 wt.%) and carbon (0.0007 wt.%). The auxiliary alloy component consists of copper (0-6 wt.%), magnesium (0-1 wt.%), iron (0-2 wt.%), nickel (0-3 wt.%), chromium (0-0.3 wt.%), manganese (0-1 wt.%), zinc (0-3 wt.%), cobalt (0-0.5 wt.%), titanium (0-0.3 wt.%), boron (0-0.1 wt.%) and vanadium (0-0.1 wt.%). The die cast body consists of hypereutectic aluminum-silicon alloy with silicon (15-25 wt.%), zirconium (0.005-0.3 wt.%), auxiliary alloy component (0-10 wt.%), aluminum (100 wt.%), calcium and/or strontium (0.001-0.05 wt.%), phosphorus (0.002 wt.%) and carbon (0.0007 wt.%). The auxiliary alloy component consists of copper (0-6 wt.%), magnesium (0-1 wt.%), iron (0-2 wt.%), nickel (0-3 wt.%), chromium (0-0.3 wt.%), manganese (0-1 wt.%), zinc (0-3 wt.%), cobalt (0-0.5 wt.%), titanium (0-0.3 wt.%), boron (0-0.1 wt.%) and vanadium (0-0.1 wt.%). The alloy consists of a content of impurity element of greater than 0.6 wt.%. The primary silicon crystals in the structure do not exceed an average diameter of 50 mu m and exist in the form of polyhedral crystals. The hypereutectic aluminum-silicon alloy is treated with mold filling time of 10-300 milliseconds in die casting. The deposition of the primary silicon is carried out in the mold. The calcium is added in the form of a calcium alloy (AlCa10) and/or the strontium is added in the form of a strontium-alloy (AlSr90 and AlSr10). The die cast part is subjected to heat treatment, a mechanical processing or a honing operation.

Description

Die Erfindung betrifft einen Druckgusskörper aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit mehr als 15 bis zu 25 Gew.-% Silizium und mit insgesamt 0 bis 10 Gew.-% an Nebenlegierungsbestandteilen sowie ad 100 Gew.-% Aluminium, ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgusskörpers aus dieser Legierung, die Calcium und/oder Strontium enthält Das Herstellungsverfahren ermöglichtdie prozesssichere und kosteneffektive Herstellung von verschleißbeanspruchten Aluminiumgussteilen im Druckguss.The invention relates to a die-cast body made of a hypereutectic aluminum-silicon casting alloy with more than 15 to 25 wt .-% silicon and a total of 0 to 10 wt .-% of minor constituents and ad 100 wt .-% aluminum, a process for the preparation of a Diecasting Body of This Alloy Containing Calcium and / or Strontium The manufacturing process enables the process-reliable and cost-effective production of wear-stressed cast aluminum parts by die casting.

In letzter Zeit hat der Einsatz von übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen für verschleißbeanspruchte Bauteile, wie Zylinderkurbelgehäuse, Kolben, Pumpen, Kompressorgehäuse, Propeller erheblich zugenommen. Die gute Verschleißbeständigkeit von diesen Legierungen beruht auf der Anwesenheit von Primärsiliziumausscheidungen im Gefüge, die in einer vorteilhaften und möglichst homogenen Größenverteilung und geometrischen Form vorliegen sollen. Um dies zu erreichen, hat sich eine Feinung des Primärsiliziums mit Phosphor bewährt, welches in der Schmelze Keime erzeugt, an denen dann die primären Siliziumkristalle entstehen ( Gießerei 78, 1991, Nr. 23, S. 848-852 ).Recently, the use of hypereutectic aluminum-silicon alloys for wear-stressed components, such as cylinder crankcases, pistons, pumps, compressor housings, propellers has increased significantly. The good wear resistance of these alloys is based on the presence of primary silicon precipitates in the structure, which should be present in an advantageous and homogeneous as possible size distribution and geometric shape. In order to achieve this, a refining of the primary silicon with phosphorus has proved successful, which produces nuclei in the melt, at which point the primary silicon crystals are formed ( Foundry 78, 1991, No. 23, pp. 848-852 ).

Aus der EP 1 683 881 A1 ist eine verbesserte Al-Si-Legierung mit 6 bis 22 Gew.-% Si bekannt, die für die Druckgießverfahren entwickelt wurde. Zur Reduzierung der Klebeneigung liegt der Strontiumgehalt in dieser Legierung im Bereich von 0,05 bis 0,2 Gew.-% vor. Nachteilig wirkt sich jedoch aus, dass die im Patent EP 1 683 881 A1 angegebenen Strontiumgehalte eine ungewünschte Änderung der Morphologie des Primärsiliziums von polyedrisch auf sternförmig hervorrufen. Die weiteren Folgen sind eine merkbare Vergröberung der Primärsiliziumkristalle und eine deutliche Abnahme des Volumenanteils dieser harten Phase im Gefüge.From the EP 1 683 881 A1 For example, an improved Al-Si alloy having 6 to 22 weight percent Si, which was developed for die casting processes, is known. To reduce the tendency to adhere, the strontium content in this alloy is Range from 0.05 to 0.2 wt .-% before. However, a disadvantage is that the in the patent EP 1 683 881 A1 Strontium levels indicated cause an undesirable change in the morphology of the primary silicon from polyhedral to star-shaped. The further consequences are a noticeable coarsening of the primary silicon crystals and a significant decrease in the volume fraction of this hard phase in the microstructure.

Aus der EP 1 978 120 A1 ist eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit einem gezielt eingestellten, geringen Kohlenstoffgehalt von 0,0007 bis 0,1 Gew.-% bekannt. Diese Legierung besitzt eine gute Duktilität bei gleichzeitig geringer Korrosionsanfälligkeit.From the EP 1 978 120 A1 For example, an aluminum-silicon casting alloy having a targeted low carbon content of 0.0007 to 0.1 wt% is known. This alloy has a good ductility with low susceptibility to corrosion.

Die derzeit erforderliche hohe Gießtemperatur für übereutektische Al-Si-Legierungen von 760 °C bis 800 °C führt zu merklicher Abnahme der Viskosität der Schmelze und steigert erheblich die Gefahr des Herausspritzens aus der Form. Dies wird zusätzlich durch die hohe freiwerdende Kristallisationswärme bei der Ausscheidung von Primärsiliziumkristallen begünstigt. Die durch höhere Temperaturen geförderte Oxidation und Wasserstoffaufnahme führen darüber hinaus zur verstärkten Bildung von Oxideinschlüssen und Porositäten. Die relativ hohe Kristallisationstemperatur des Primärsiliziums in bekannten Aluminium-Silizium-Gusslegierungen für den Druckguss verstärkt die abrasive Wirkung der Primärsiliziumteilchen auf die Gießwerkzeuge und vermindert damit erheblich ihre Standzeit. All diese Faktoren setzen die Grenzen für die Verarbeitung der übereutektischen Al-Si-Legierungen mit dem Druckgießverfahren herab.The currently required high casting temperature for hypereutectic Al-Si alloys from 760 ° C to 800 ° C leads to significant decrease in the viscosity of the melt and significantly increases the risk of spewing out of the mold. This is further promoted by the high heat of crystallization released during the precipitation of primary silicon crystals. In addition, the oxidation and hydrogen uptake promoted by higher temperatures lead to increased formation of oxide inclusions and porosities. The relatively high crystallization temperature of the primary silicon in known aluminum-silicon casting alloys for die casting enhances the abrasive effect of the primary silicon particles on the casting tools and thus significantly reduces their service life. All these factors lower the limits for the processing of hypereutectic Al-Si alloys by the die casting process.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Legierung und ein Verfahren bereitzustellen, das eine prozesssichere und kosteneffektive Herstellung von verschleißbeanspruchten Aluminiumgussteilen im Druckguss ermöglicht.The invention has for its object to provide an alloy and a method that enables a process-reliable and cost-effective production of wear-stressed aluminum castings in die casting.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, nämlich durch gezielte Einstellung von Calcium und/oder Strontium in den übereutektischen Al-Si-Legierungen in wirksamen Mengen von ab 0,001 (≥0,001) Gew.-% bis kleiner 0,05 (< 0,05) Gew.-%, vorzugsweise bis < 0,04 Gew.-%, weiter vorzugsweise bis < 0,03 Gew.-%.This object is achieved by the features of claim 1, namely by targeted adjustment of calcium and / or strontium in the hypereutectic Al-Si alloys in effective amounts of from 0.001 (≥0.001) wt .-% to less than 0.05 (<0.05) wt .-%, preferably to <0.04 wt .-%, more preferably to <0.03 wt .-%.

Der erfindungsgemäße Druckgusskörper ist eine solche mit den Hauptlegierungsbestandteilen Aluminium und Silizium, genauer mit Siliziumgehalten von >15 Gew.-% bis ? 25 Gew.-%, sowie Zirkonium als Nebenlegierungsbestandteil in einer Menge von 0,005 bis 0,3 Gew.-%. Es handelt sich um eine übereutektische Legierung. Die Summe der Nebenlegierungsbestandteile soll dabei 18 Gew.-% und vorzugsweise 10 Gew.-% nicht überschreiten.The die-cast body according to the invention is one with the main alloying constituents aluminum and silicon, more precisely with silicon contents of> 15 wt. 25 wt .-%, and zirconium as a minor alloying ingredient in an amount of 0.005 to 0.3 wt .-%. It is a hypereutectic alloy. The sum of the secondary alloy constituents should not exceed 18% by weight and preferably 10% by weight.

Besonders vorteilhafte Druckgusslegierungen erhält man, wenn der SiliziumGehalt über 16 Gew.-.% und weiter vorzugsweise über 18 Gew.-% ist.Particularly advantageous die-cast alloys are obtained if the silicon content is more than 16% by weight and more preferably more than 18% by weight.

Für die Erfindung ist wesentlich, dass der Phosphorgehalt in der Legierung auf wenige ppm begrenzt ist. Es wurde gefunden, dass gerade die Vermeidung von Phosphor und der Einsatz von Calcium oder auch Strontium oder einer Kombination der Elemente Ca und Sr die gewünschten Effekte erbringt. Phosphorzusätze erhöhen die Kristallisationstemperatur des Primärsiliziums, was zu zwangsläufig höheren Gießtemperaturen und höheren Ausscheidungstemperaturen der abrasiven primären Siliziumteilchen führt. Der hohe Formverschleiß mit konventionellen übereutektischen Al-Si-Druckgusslegierungen kann daher auf den Zusatz von Phosphor zurückgeführt werden. Erfindungsgemäß wird daher der Gehalt an Phosphor kleiner als 0,002 Gew.-% (20 ppm) gehalten. Vorzugsweise übersteigt der Phosphorgehalt nicht 10 ppm und weiter vorzugsweise nicht 9 ppm, besonders bevorzugt nicht 7 ppm.For the invention is essential that the phosphorus content in the alloy is limited to a few ppm. It has been found that precisely the avoidance of phosphorus and the use of calcium or else strontium or a combination of the elements Ca and Sr brings about the desired effects. Phosphorus additives increase the crystallization temperature of the primary silicon, which inevitably leads to higher casting temperatures and higher precipitation temperatures of the abrasive primary silicon particles. The high mold wear with conventional hypereutectic Al-Si die cast alloys can therefore be attributed to the addition of phosphorus. According to the invention, therefore, the content of phosphorus is kept less than 0.002 wt .-% (20 ppm). Preferably, the phosphorus content does not exceed 10 ppm and more preferably not 9 ppm, more preferably not 7 ppm.

Ferner wurde gefunden, dass es wesentlich ist, dass der Kohlenstoffgehalt möglichst gering ist. Durch nicht vollständig reine Ausgangsmaterialien eingeschleppter Kohlenstoff verschlechtert die Gießergebnisse. Der Kohlenstoffgehalt soll daher in der erfindungsgemäßen Legierung kleiner als 0,0007 Gew.-% sein.Furthermore, it has been found that it is essential that the carbon content is as low as possible. Carbon entrained by incompletely pure starting materials worsens the casting results. The carbon content should therefore be less than 0.0007% by weight in the alloy according to the invention. be.

Die Ergebnisse der Erfinder zeigen, dass die Feinung und Ausbildungsform des Primärsiliziums in erfindungsgemäßen Druckguss-Legierungen durch Zirkoniumzusätze von 0,005 bis 0,3 Gew.-% deutlich verbessert wird, ohne die Ausscheidungstemperatur der primären Siliziumkristalle zu erhöhen. Dies liegt daran, dass die nach Zr-Zugabe in der Schmelze gebildeten Si2Zr-Teilchen weniger patent sind als AIP-Keime und eine merkliche Unterkühlung benötigen, um keinmwirksam zu werden.The results of the inventors show that the refining and formation of the primary silicon in die-cast alloys according to the invention is markedly improved by zirconium additions of 0.005 to 0.3% by weight, without increasing the precipitation temperature of the primary silicon crystals. This is because the Si2Zr particles formed upon Zr addition in the melt are less patent than AIP nuclei and require significant supercooling to be ineffective.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Behandlung der übereutektischen Aluminium-Silizium-Schmelze durch Zusätze von Calcium oder Strontium in effektiven Zugabemengen bewirkt eine erhebliche Abnahme der Ausscheidungstemperatur des Primärsiliziums und macht es möglich, die Gießtemperaturen von übereutektischen Al-Si-Legierungen im Vergleich zum Stand der Technik deutlich zu reduzieren. Niedrige Gießtemperaturen und dementsprechend höhere Viskosität der Schmelze gewährleisten eine risikoarme Abwicklung des Druckgießverfahrens ohne Gefahr des Herausspritzens. Zusätzliche Vorteile sind die geringere thermische Belastung der Gießwerkzeuge und erhebliche Steigerung ihrer Standzeit. Der Formverschleiß wird deutlich herabgesetzt. Weiterhin sorgt die Verschiebung der Ausscheidungstemperatur des Primärsiliziums zum späteren Zeitpunkt dafür, dass diese harte Phase erst in der Druckgießform entsteht, so dass die längst bekannte abrasive Wirkung der harten Primärsiliziumkristalle auf die Gießwerkzeuge im neuen Verfahren entfällt.
Das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzielte kleinere Erstarrungsintervall der übereutektischen Al-Si-Legierungen trägt darüber hinaus zur deutlichen Verbesserung ihres Warmrissverhaltens bei, was besonders bei der Herstellung von monolithischen Motorblöcken im Druckguss wegen ihrer aufwändigen Verrippung von großem Vorteil ist.The inventively provided treatment of the hypereutectic aluminum-silicon melt by additions of calcium or strontium in effective amounts added causes a significant decrease in the excretion temperature of the primary silicon and makes it possible to significantly increase the casting temperatures of hypereutectic Al-Si alloys compared to the prior art to reduce. Low casting temperatures and correspondingly higher viscosity of the melt ensure a low-risk processing of the pressure casting process without the risk of spillage. Additional advantages are the lower thermal load of the casting tools and a significant increase in their service life. The mold wear is significantly reduced. Furthermore, the shift of the precipitation temperature of the primary silicon at a later time ensures that this hard phase is formed only in the die, so that the long-known abrasive effect of the hard primary silicon crystals on the casting tools in the new process is eliminated.
Moreover, the smaller solidification interval of the hypereutectic Al-Si alloys achieved with the method according to the invention contributes to the significant improvement in their hot cracking behavior, which is of great advantage, particularly in the production of monolithic engine blocks in die casting because of their elaborate ribbing.

Es hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemäße Calcium- bzw. Strontiumzugabe eine ausgezeichnete Gefügemodifizierung mit sich bringt. Die wesentlichen Merkmale der Gefügemodifizierung sind eine erhebliche Feinung und homogene Verteilung der Primärsiliziumteilchen und gleichzeitig eine gute Veredelung des Al-Si-Eutektikums. Dabei liegen die Primärsiliziumkristalle im Gefüge in der gewünschten polyedrischen Form vor. Die seit langem angestrebte kombinierte Feinung des Primärslilziums und Veredeltung des Al-Si-Eutektikums gewährleisten bekanntlich die beste Verschleißfestigkeit und führen zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften.It has been found that the calcium or strontium addition according to the invention brings about an excellent microbial modification. The essential features of the structure modification are a considerable refining and homogeneous distribution of the primary silicon particles and at the same time a good refinement of the Al-Si eutectic. The primary silicon crystals are present in the microstructure in the desired polyhedral shape. The long-sought combined refining of the primary silica and refining of the Al-Si eutectic are known to provide the best wear resistance and to improve the mechanical properties.

Grundsätzlich sind dem Fachmann geeignete Nebenlegierungselemente für Aluminium-Silizium-Legierungen, die im Druckguss zu technischen Komponenten weiterverarbeitet werden sollen, bekannt. Die Nebenlegierungskomponenten verleihen der Legierung spezielle Eigenschaften, die für die Gebrauchseignung wesentlich sind. In Weiterbildung der Erfindung sind als mögliche Nebenlegierungsbestandteile vorgesehen:

  • 0 bis 6 Gew.-% Kupfer (Cu),
  • 0 bis 1 Gew.-% Magnesium (Mg),
  • 0 bis 2 Gew.-% Eisen (Fe),
  • 0 bis 3 Gew.-% Nickel (Ni),
  • 0 bis 0,3 Gew.-% Chrom (Cr),
  • 0 bis 1 Gew.-% Mangan (Mn),
  • 0 bis 3 Gew.-% Zink (Zn),
  • 0 bis 0,5 Gew.-% Cobalt (Co),
  • 0 bis 0,3 Gew.-% Titan (Ti),
  • 0 bis 0,1 Gew.-% Bor (B),
  • 0 bis 0,1 Gew.-% Vanadium (V).
In principle, suitable secondary alloy elements for aluminum-silicon alloys which are to be further processed by die casting into technical components are known to the person skilled in the art. The minor alloying components impart special properties to the alloy which are essential for usability. In development of the invention are provided as possible secondary alloy components:
  • 0 to 6% by weight of copper (Cu),
  • 0 to 1% by weight of magnesium (Mg),
  • 0 to 2% by weight of iron (Fe),
  • 0 to 3 wt .-% nickel (Ni),
  • 0 to 0.3% by weight of chromium (Cr),
  • 0 to 1 wt .-% manganese (Mn),
  • 0 to 3% by weight of zinc (Zn),
  • 0 to 0.5% by weight of cobalt (Co),
  • 0 to 0.3% by weight of titanium (Ti),
  • 0 to 0.1% by weight boron (B),
  • 0 to 0.1% by weight of vanadium (V).

Von diesen Bestandteilen können einzelne oder mehrere zugefügt werden.Of these components, one or more can be added.

An Verunreinigungselementen sollten insgesamt nicht mehr als 0,6 Gew.-% in der Legierung vorhanden sein, um unkontrollierbare Effekte auf die Eigenschaften der Legierung ausschließen zu können. Verunreinigungselemente sind hier insbesondere Sn, Pb, Bi und Sb. Besonders ist darauf zu achten, dass der Antimongehalt unter 0,01 Gew.-% liegt, da höhere Gehalte die Wirkung von Ca und Sr beeinträchtigen.Total impurity elements should not exceed 0.6 wt% in The alloy may be present in order to exclude uncontrollable effects on the properties of the alloy. In particular, it should be ensured that the antimony content is below 0.01% by weight, since higher contents impair the effect of Ca and Sr.

Vorzugsweise sind in dem Gefüge der erfindungsgemäßen Druckgusskörper Primärsiliziumkristalle in vorwiegend polyedrischer Form vorhanden. Sternförmige Primärsiliziumkristalle sollten nicht oder nur in geringer Menge vorhanden sein.Preferably, primary silicon crystals in predominantly polyhedral form are present in the microstructure of the die-cast body according to the invention. Star-shaped primary silicon crystals should not be present or only in small quantities.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass die Primärsiliziumkristalle im Gefüge einen mittleren Durchmesser (= (maximale Ausdehnung des Teilchens + minimale Ausdehnung des Teilchens )/2) von 50 µm, vorzugsweise 20 µm, weiter vorzugsweise 10µm und besonders bevorzugt 7 µm nicht überschreiten, bzw. im Mittel nicht überschreiten.Furthermore, it is preferred that the primary silicon crystals in the microstructure do not exceed an average diameter (= (maximum expansion of the particle + minimum expansion of the particle) / 2) of 50 μm, preferably 20 μm, more preferably 10 μm and particularly preferably 7 μm, respectively on average do not exceed.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer im Druckguss verarbeitbaren übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit Calcium- und/oder Strontium-Zugabe.The invention further comprises a process for producing a die-cast hypereutectic aluminum-silicon alloy with calcium and / or strontium addition.

Die Aufgabe der Erfindung wird daher auch gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgusskörpers, bei welchem eine übereutektische Al-Si-Legierung mit einem Gehalt an Calcium und/oder Strontium von je Element oder in Summe ab 0,001 bis kleiner 0,05 Gew.-% (?0,001 bis < 0,05 Gew.-%), einem Gehalt an Phosphor kleiner als 0,002 Gew.-% und einem Gehalt an Kohlenstoff kleiner als 0,0007 Gew.-% mit Formfüllzeiten von 10 bis 300 Millisekunden im Druckguss verarbeitet wird, wobei die Ausscheidung des Primärsiliziums erst in der Gießform erfolgt.The object of the invention is therefore also achieved by a method for producing a die-cast body, in which a hypereutectic Al-Si alloy containing calcium and / or strontium of each element or in total from 0.001 to less than 0.05 wt. % (? 0.001 to <0.05 wt .-%), a content of phosphorus less than 0.002 wt .-% and a content of carbon less than 0.0007 wt .-% with mold filling times of 10 to 300 milliseconds processed by die casting is, wherein the excretion of the primary silicon takes place only in the mold.

Je nach Siliziumgehalt kann die Temperatur der Schmelze in der Gießkammer ca. zwischen 670 °C und 700 °C liegen.Depending on the silicon content, the temperature of the melt in the casting chamber approx. between 670 ° C and 700 ° C.

Die übereutektischen Al-Si-Legierungen mit Siliziumgehalten von über 15 bzw. 16 oder 18 Gew.-% zeichnen sich durch breite Erstarrungsintervalle aus. Daher benötigen sie kurze Formfüllzeiten und raschen Druckaufbau bei Formfüllende, um vorzeitige Erstarrung zu vermeiden und maximale Porenverdichtung zu erzielen.The hypereutectic Al-Si alloys with silicon contents of more than 15 or 16 or 18 wt .-% are characterized by wide solidification intervals. Therefore, they require short mold filling times and rapid pressure build-up at mold filling end in order to avoid premature solidification and to achieve maximum pore compression.

Die genaue Zusammensetzung der übereutektischen Al-Si-Legierung ist dabei bevorzugt wie oben beschrieben.The exact composition of the hypereutectic Al-Si alloy is preferred as described above.

In Weiterbildung der Erfindung kann das Calcium in Form einer Calcium-Vorlegierung und/oder das Strontium in Form einer Strontium-Vorlegierung zugefügt wird, wofür insbesondere AlCa10, AlSr90 und AlSr10 verwendet werden.In a development of the invention, the calcium may be added in the form of a calcium master alloy and / or the strontium may be added in the form of a strontium master alloy, for which AlCa10, AlSr90 and AlSr10 are used in particular.

Obwohl bereits im Gusszustand gute mechanische Werte vorhanden sind, können aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gussteile allen Wärmebehandlungen unterzogen werden. In Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das Druckgussteil nach dem Gießen einer Wärmebehandlung, einer mechanischen Bearbeitung , einer Honoperation oder einer Kombination mehrerer Behandlungen unterzogen wird.Although good mechanical properties are already present in the cast state, castings made from the alloy according to the invention can be subjected to all heat treatments. In a further development of the invention, it is therefore provided that the cast part after the casting is subjected to a heat treatment, a mechanical treatment, a honing operation or a combination of several treatments.

Die Gusshaut der erfindungsgemäßen Legierung kann durch rasche Erstarrung beim Druckgießverfahren an Primärsilizium verarmt sein. Daher kann die an Primärsilizium verarmte Randzone entfernt werden. Dies kann z. B. durch mechanische Bearbeitung oder auch durch Honoperation erfolgen.The cast skin of the alloy according to the invention may be depleted of primary silicon by rapid solidification in the die casting process. Therefore, the primary silicon depleted edge zone can be removed. This can be z. B. by mechanical processing or by honing.

Die Aufgabe der Erfindung wird schließlich auch gelöst durch die Verwendung eines verschleißfesten Erzeugnisses nämlich eines mit dem erfindungsgemäßen Druckguss-Verfahren hergestellten Druckgussteils für ein technisches Bauteil, insbesondere einen Kolben, ein Zylinderkurbelgehäuse, eine Laufbuchse, einen Propeller, ein Propellerblatt, eine Pumpe, ein Pumpengehäuse, ein Kompressorgehäuse, einen Motorblock, bzw. allgemein ein Maschinen- oder Geräteteil.Finally, the object of the invention is also achieved by the use of a wear-resistant product, namely a die-cast part produced by the die casting method according to the invention for a technical component, in particular a piston, a cylinder crankcase, a bushing, a propeller, a propeller blade, a pump, a pump housing, a compressor housing, an engine block, or generally a machine or device part.

Unter Bezugnahme auf die Abbildungen soll die Erfindung anhand eines Beispiels noch näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf dieses Beispiel beschränkt wäre.

Fig. 1
zeigt einen im Druckgießverfahren abgegossenen Probekörper;
Fig. 2
zeigt die Abkühlungskurven einer Legierung AlSi17Cu4Mg mit 50 ppm Phosphor und einer erfindungsgemäßen Legierung AlSi17Cu4Mg mit 70 ppm Calcium;
Fig. 3
zeigt das Mikrogefüge einer erfindungsgemäßen Legierung AlSi17Cu4Mg unter Zugabe von 70 ppm Calcium, x 500.
With reference to the figures, the invention will be explained in more detail by way of example, without the invention being limited to this example.
Fig. 1
shows a discharged by die casting test specimen;
Fig. 2
shows the cooling curves of an alloy AlSi17Cu4Mg with 50 ppm phosphorus and an AlSi17Cu4Mg alloy according to the invention with 70 ppm calcium;
Fig. 3
shows the microstructure of an alloy according to the invention AlSi17Cu4Mg with the addition of 70 ppm calcium, x 500.

Beispielexample

Stellvertretend für die große Gruppe der übereutektischen Al-Si-Gusslegierungen wurden die Legierungen der Gruppe AlSi17Cu4Mg ausgewählt. Die Versuchslegierungen mit Calcium und mit Phosphor wurden in einem elektrisch beheizten Tiegelofen hergestellt. Die Zugabe von Calcium erfolge mit Hilfe der handelsüblichen Vorlegierung AlCa10. Die Zugabe von Phosphor zur Vergleichslegierung erfolgte mit Draht-Vorlegierung AlCu20P1,4. Die Gießversuche wurden an der Druckgießmaschine GDK 750 (Fa. Müller Weingarten (Deutschland)) mit einer Gießgeschwindigkeit von 50 m/s durchgeführt. Die Gießtemperatur betrug 700 °C und die Kokillentemperatur lag bei 180 °C. Der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einwandfrei abgegossene Probekörper ist in Fig. 1 gezeigt.Representing the large group of hypereutectic Al-Si cast alloys, AlSi17Cu4Mg alloys were selected. The test alloys with calcium and with phosphorus were produced in an electrically heated crucible furnace. The addition of calcium successes using the commercial master AlCa10 alloy. The addition of phosphorus to the comparative alloy was carried out with wire master alloy AlCu20P1,4. The casting tests were carried out on the GDK 750 die casting machine (Müller Weingarten (Germany)) with a casting speed of 50 m / s. The casting temperature was 700 ° C and the mold temperature was 180 ° C. The properly discharged with the inventive method test specimen is in Fig. 1 shown.

Die Tabelle 1 zeigt die Zusammensetzung der untersuchten Legierungen. Tabelle 1. Zusammensetzung der Al-Si-Gusslegierungen, Gew.-% Si Ca P Cu Ni Mg Fe Mn Cr Ti Zr Erf.Leg 16,5 0,007 0,0009 3,7 0,02 0,6 0,18 0,14 0,03 0,07 0,005 Leg. Gem. Stand der Technik 16,5 0,0009 0,005 3,9 0,03 0,6 0,16 0,16 0,04 0,05 - Table 1 shows the composition of the alloys investigated. Table 1. Composition of Al-Si Cast Alloys, wt% Si Ca P Cu Ni mg Fe Mn Cr Ti Zr Erf.Leg 16.5 0,007 0.0009 3.7 0.02 0.6 0.18 0.14 0.03 0.07 0.005 Leg. Gem. State of the art 16.5 0.0009 0.005 3.9 0.03 0.6 0.16 0.16 0.04 0.05 -

Fig. 2 stellt die gießtechnologischen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik überzeugend dar. Die Absenkung der Ausscheidungstemperatur des Primärsiliziums um 27 °C durch Behandlung der Schmelze mit 70 ppm Calcium ist deutlich zu sehen. Fig. 2 represents the casting technology advantages of the method according to the invention over the prior art convincing. The lowering of the excretion temperature of the primary silicon by 27 ° C by treatment of the melt with 70 ppm of calcium is clearly visible.

Im Mikrogefüge der mit dem neuen Verfahren abgegossenen Legierung wurde gleichzeitig eine gute Veredelung und eine gute Feinung des Primärsiliziums (7 µm) erreicht, Fig. 3.In the microstructure of the casting cast off with the new method, a good finishing and a good fine-tuning of the primary silicon (7 μm) was achieved at the same time. Fig. 3 ,

Claims (9)

Druckgusskörper aus einer übereutektischen Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit mehr als 15 bis zu 25 Gew.-% Silizium, 0,005 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium und mit insgesamt 0 bis 10 Gew.-% an weiteren Nebenlegierungsbestandteilen sowie ad 100 Gew.-% Aluminium, gekennzeichnet durch einen Gehalt in der Legierung an Calcium und/oder Strontium von je Element oder in Summe ab 0,001 bis kleiner 0,05 Gew.%, wobei der Gehalt an Phosphor kleiner als 0,002 Gew.-% und der Gehalt an Kohlenstoff kleiner als 0,0007 Gew.-% ist.Die casting of a hypereutectic aluminum-silicon casting alloy with more than 15 to 25 wt .-% silicon, 0.005 to 0.3 wt .-% zirconium and with a total of 0 to 10 wt .-% of other minor alloying constituents and ad 100 wt. % Aluminum, characterized by a content in the alloy of calcium and / or strontium of each element or in total from 0.001 to less than 0.05 wt.%, Wherein the content of phosphorus is less than 0.002 wt .-% and the content of Carbon is less than 0.0007% by weight. Druckgusskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Nebenlegierungsbestandteil wenigstens eines der folgenden Elemente in der Legierung vorhanden ist: 0 bis 6 Gew.-% Kupfer (Cu), 0 bis 1 Gew.-% Magnesium (Mg), 0 bis 2 Gew.-% Eisen (Fe), 0 bis 3 Gew.-% Nickel (Ni), 0 bis 0,3 Gew.-% Chrom (Cr), 0 bis 1 Gew.-% Mangan (Mn), 0 bis 3 Gew.-% Zink (Zn), 0 bis 0,5 Gew.-% Cobalt (Co), 0 bis 0,3 Gew.-% Titan (Ti), 0 bis 0,1 Gew.-% Bor (B), 0 bis 0,1 Gew.-% Vanadium (V). Diecasting body according to claim 1, characterized in that at least one of the following elements is present in the alloy as secondary alloy constituent: 0 to 6% by weight of copper (Cu), 0 to 1% by weight of magnesium (Mg), 0 to 2% by weight of iron (Fe), 0 to 3 wt .-% nickel (Ni), 0 to 0.3% by weight of chromium (Cr), 0 to 1 wt .-% manganese (Mn), 0 to 3% by weight of zinc (Zn), 0 to 0.5% by weight of cobalt (Co), 0 to 0.3% by weight of titanium (Ti), 0 to 0.1% by weight boron (B), 0 to 0.1% by weight of vanadium (V). Druckgusskörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Verunreinigungselemente insgesamt in einem Gehalt von nicht mehr als 0,6 Gew.-% in der Legierung vorhanden sind.Die-cast body according to claim 1 or 2, characterized in that impurity elements in total in a content of not more than 0.6 wt .-% are present in the alloy. Druckgusskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärsiliziumkristalle im Gefüge einen mittleren Durchmesser von 50 µm nicht überschreiten.Diecasting body according to one of claims 1 to 3, characterized in that the primary silicon crystals in the structure do not exceed an average diameter of 50 microns. Druckgusskörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Gefüge Primärsiliziumkristalle in polyedrischer Form vorhanden sind.Diecasting body according to one of claims 1 to 4, characterized in that primary silicon crystals are present in polyhedral form in the structure. Verfahren zur Herstellung eines Druckgusskörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die übereutektische AlSi-Legierung mit Formfüllzeiten von 10 bis 300 Millisekunden im Druckguss verarbeitet wird, wobei die Ausscheidung des Primärsiliziums erst in der Gießform erfolgt.A process for producing a die-cast body according to one of claims 1 to 5, characterized in that the hypereutectic AlSi alloy is processed with mold filling times of 10 to 300 milliseconds in die casting, wherein the precipitation of the primary silicon takes place only in the casting mold. Verfahren nach Anspruch 6 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Calcium in Form einer Calcium-Vorlegierung und/oder das Strontium in Form einer Strontium-Vorlegierung zugefügt wird, wofür insbesondere AlCa10, AlSr90 und AlSr10 verwendet werden.A method according to claim 6 7, characterized in that the calcium is added in the form of a calcium prealloy and / or the strontium in the form of a strontium master alloy, for which in particular AlCa10, AlSr90 and AlSr10 be used. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussteil nach dem Gießen einer Wärmebehandlung, einer mechanischen Bearbeitung oder einer Honoperation unterzogen wird.A method according to claim 6 or 7, characterized in that the die cast part after the casting is subjected to a heat treatment, a mechanical treatment or a honing operation. Verwendung des mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8 erhältlichen Druckgusskörpers für, technische Bauteile, insbesondere Kolben, Zylinderkurbelgehäuse, Laufbuchsen, Propeller, Propellerblätter, Pumpe, Pumpengehäuse, Kompressorgehäuse, Motorblock, ein Maschinen- oder Geräteteile.Use of the die-cast body obtainable by a method according to one of Claims 6 to 8 for technical components, in particular pistons, cylinder crankcases, liners, propellers, propeller blades, Pump, pump housing, compressor housing, engine block, a machine or equipment parts.
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