EP2705171B1 - Verfahren zur raffination und gefügemodifikation von almgsi- legierungen - Google Patents

Verfahren zur raffination und gefügemodifikation von almgsi- legierungen Download PDF

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EP2705171B1 EP12722272.7A EP12722272A EP2705171B1 EP 2705171 B1 EP2705171 B1 EP 2705171B1 EP 12722272 A EP12722272 A EP 12722272A EP 2705171 B1 EP2705171 B1 EP 2705171B1
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    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon

Definitions

  • the present invention relates to a process for refining and microbial modification of AlMgSi alloys.
  • Alloys of the AlMgSi type are preferably used in die-casting processes, and they are particularly advantageous for producing thin-walled components.
  • a significant deterioration of the elongation at break with increasing wall thickness recorded.
  • AlMgSi-type AlMgSi-type workpieces produced in mold or sand casting have poor mechanical properties, in particular with regard to breaking elongation.
  • the elongation at break [A5] is 3% for a workpiece with 20 mm wall thickness made by sand casting, and also 3% for a workpiece with 16 mm wall thickness made with chill casting. This results in comparable poor elongation at break values as in the die casting process.
  • grain refining treatment is not required in die casting and may even be detrimental.
  • microstructure of AlMgSi alloys can be controlled by adding alloying elements such as Mn, Cr, Zr, please refer ASM Specialty Handbook: Aluminum and Aluminum Alloys, 1993, ASM International, p. 44 ,
  • AlSiMg in contrast to AlMgSi, means that such an alloy contains a higher proportion of Si than of Mg.
  • Hypereutectic AlSiMg alloys are those having a Si content of slightly or considerably more than 12% Si. At a content of 12% Si is exclusively a eutectic in the form of a fine-grained Al-Si mixed crystal.
  • the present invention provides a process for refining AlMgSi alloys for mold or sand casting, which AlMgSi alloys have the general composition 5.0-10.0 wt .-% Mg; 1.0-5.0 wt% Si; 0.001-1.0 wt% Mn, 0.01-0.2 wt% Ti, less than 0.001 wt% Ca, less than 0.001 wt% Na, and less than 0.001 wt% Sr and the remainder Al, and wherein the alloy melt is added to phosphorus in an amount ranging from 0.01 to 0.06 wt .-%, based on the total mass of the alloy.
  • -% Sr and the balance Al have, more preferably.
  • the phosphorus addition causes the eutectic to grow decoupled.
  • the morphology of the eutectic Mg 2 Si phase changes from lamellar and coarse to globular and fine.
  • the phosphorus binds the calcium and thereby suppresses the formation of the intermetallic phases CaMg 2 , Al 2 Ca, Al 4 Ca, and so on.
  • These phases are nucleation sites for the eutectic Mg 2 Si; if they are absent, the nucleation sites are absent at the host level and the Mg 2 Si phase is formed by supercooling. Since nucleation is necessary for each particle, growth is extremely slow compared to unmodified alloys. The nucleation is self-sufficient or on the aluminum, which is also a poor nucleating agent and thereby minimizes the growth rate.
  • the peak of the ternary eutectic disappears or decreases with increasing phosphorus content.
  • the addition of the phosphorus can be in the form of a phosphor master alloy or phosphorus salt mixtures.
  • Preferred phosphor master alloys which can be used in the present invention include CuP8, AlCuP, AlFeP, and FeP master alloys.

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Raffination und Gefügemodifikation von AlMgSi-Legierungen.
  • Legierungen vom Typ AlMgSi finden bevorzugt in Druckgussverfahren Verwendung, wobei sie insbesondere zur Herstellung von dünnwandigen Bauteilen vorteilhaft sind.
  • Beispielsweise beträgt die Bruchdehnung [A5] für eine AlMgSi-Legierung der allgemeinen Zusammensetzung: 5,0-6,0 Gew.-% Mg, 1,8-2,6 Gew.-% Si, 0,5-0,8 Gew.-% Mn und A1 als restlichem Bestandteil für Bauteile mit einer Wanddicke von 4 mm 16%, einer Wanddicke von 18 mm 7% und einer Wanddicke von 24 mm nur 4%. Somit ist bei Werkstücken, die mittels Druckguss hergestellt werden, eine deutliche Verschlechterung der Bruchdehnung mit zunehmender Wanddicke zu verzeichnen.
  • Ferner ist bekannt, dass Werkstücke aus Legierungen vom AlMgSi-Typ, die im Kokillen- bzw. Sandguss hergestellt wurden, schlechte mechanische Eigenschaften, insbesondere hinsichtlich der Bruchdehnung, aufweisen.
  • Wird beispielsweise eine Legierung mit der allgemeinen Zusammensetzung: 4,5-6,5 Gew.-% Mg, 1,5 Gew.-% Si, 0,45 Gew.-% Mn und A1 als restlichem Bestandteil im Kokillen- oder Sandguss verwendet, liegt die Bruchdehnung [A5] beispielsweise bei 3% für ein Werkstück mit 20 mm Wanddicke, hergestellt mittels Sandguss, und ebenfalls bei 3% für ein Werkstück mit 16 mm Wanddicke, hergestellt mit Kokillenguss. Damit werden vergleichbar schlechte Bruchdehnungswerte wie beim Druckgussverfahren erhalten.
  • Zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Bauteilen können u.a. Kornfeinungsbehandlungen vorgenommen werden.
  • Im Allgemeinen ist eine Kornfeinungsbehandlung beim Druckguss nicht erforderlich und sie kann sich sogar negativ auswirken. Die Erstarrungsbedingungen beim Druckguss, insbesondere die hohe Kühlrate, wirken bereits einem Kornwachstum ausreichend entgegen. Allerdings ist im Stand der Technik eine Behandlung mit halogenhaltigen Schmelzbehandlungssalzen, wie MgCl2, oder sogenannten Aktivgasen, wie Chlorgas mit Stickstoff oder Argon, in verschiedenen Konzentrationen zur Erzielung eines feinen Gefüges und damit guten mechanischen Eigenschaften bekannt.
  • Außerdem ist bekannt, dass die Gefügestruktur von AlMgSi-Legierungen, insbesondere für den Druckguss, durch Zugabe von Legierungselementen, wie Mn, Cr, Zr gesteuert werden kann, siehe ASM Speciality Handbook: Aluminium and Aluminium Alloys, 1993, ASM International, S. 44.
  • Allen Datenblättern der entsprechenden Legierungen und der Literatur ist zu entnehmen, dass jedwede absichtliche oder unbeabsichtliche Phosphorzugabe zu vermeiden ist, da sie einer vorteilhaften Gefügeausbildung entgegenwirkt und damit die mechanischen Eigenschaften der Werkstücke aus diesen Legierungen verschlechtert.
  • Im Stand der Technik bekannt ist hingegen eine Phosphorzugabe zu AlSiMg-Legierungen, siehe beispielsweise ASM Speciality Handbook: Aluminium and Aluminium Alloys, 1993, ASM International, S. 44 ff. Dabei bedeutet die Bezeichnung AlSiMg im Gegensatz zu AlMgSi, dass eine solche Legierung einen höheren Anteil an Si als an Mg enthält.
  • Die Phosphorzugabe erfolgt dabei insbesondere bei naheutektischen und übereutektischen AlSiMg-Legierungen. Übereutektische AlSiMg-Legierungen sind solche mit einem Si-Gehalt von geringfügig oder beträchtlich mehr als 12% Si. Bei einem Gehalt von 12% Si liegt ausschließlich ein Eutektikum in Form eines feinkörnigen Al-Si-Mischkristalls vor.
  • Bei übereutektischen AlSiMg-Legierungen bilden sich beim Abkühlen der Legierungsschmelze zuerst grobkörnige Si-Kristalle aus, die in der Folge im feinkörnigen Mischkristallgefüge eingebettet sind. Durch die groben Si-Kristalle verschlechtern sich die mechanischen Eigenschaften. Eine Zugabe von AlP bewirkt eine Feinung dieser Si-Kristalle, weil AlP als Keimbildner für Si-Kristalle wirkt und diese daher mit deutlich verkleinerter Dimension im erhaltenen Gefüge vorliegen, was eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften mit sich bringt.
  • Eine solche Phosphorzugabe zu untereutektischen AlSiMg-Legierungen ist hingegen wirkungslos, da beim Abkühlen dieser Legierungen zuerst α-Al-Kristalle, und keine Si-Kristalle, und anschließend das Al-Si-Eutektikum ausgebildet werden.
  • Überaschenderweise wurde nun festgestellt, dass eine Phosphorzugabe zu einer AlMgSi-Legierung, wie sie im Druckguss eingesetzt werden kann, die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Bruchdehnung, bei Werkstücken mit stärkeren Wanddicken verbessern kann, wenn diese aus den Phosphor-enthaltenden Legierungen in Kokillen- oder Sandgussverfahren hergestellt werden.
  • Demgemäß stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Raffination von AlMgSi-Legierungen für den Kokillen- oder Sandguss bereit, welche AlMgSi-Legierungen die allgemeine Zusammensetzung 5,0-10,0 Gew.-% Mg; 1,0-5,0 Gew.-% Si; 0,001-1,0 Gew.-% Mn, 0,01-0,2 Gew.-% Ti, weniger als 0,001 Gew.-% Ca, weniger als 0,001 Gew.-% Na, und weniger als 0,001 Gew.-% Sr sowie als Rest Al besitzen, und wobei der Legierungsschmelze Phosphor in einem Mengenbereich von 0,01 bis 0,06 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Legierung, zugefügt wird.
  • Zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sind AlMgSi-Legierungen, welche die allgemeine Zusammensetzung 6-9 Gew.-% Mg; 2,5-4,5 Gew.-% Si; 0,02-0,5 Gew.-% Mn, 0,01-0,2 Gew.-% Ti, weniger als 0,001 Gew.-% Ca, weniger als 0,001 Gew.-% Na, und weniger als 0,001 Gew.-% Sr und als Rest Al besitzen, besonders bevorzugt.
  • So werden für eine Legierung mit der Zusammensetzung 7,88-7,96 Gew.-% Mg, 4,53-4,60 Gew.-% Si, 0,017-0,018 Gew.-% Mn, 0,0003-0,0007 Gew.-% Ca und jeweils weniger als 0,0001 Gew.-% Na und Sr, sowie als Rest Al für ein Werkstück mit einer Wanddicke von 25 mm, hergestellt mittels Kokillenguss, die nachfolgenden Bruchdehnungswerte gemessen:
    P-Gehalt in Gew.-%. Bruchdehnung A5[%]
    Probe 1 0,0004 (d.h. mit einem P-Gehalt wie im Stand der Technik bei Druckguss) 1,3
    Probe 2 0,0078 3,8
    Probe 3 0,0129 (erfindungsgemäßer P-Gehalt) 9,3
  • Aus der vorstehenden Tabelle ist ersichtlich, dass Werkstücke mit der erfindungsgemäßen Phosphorzugabe (Probe 3) eine Verbesserung der Bruchdehnung um mehr als das Siebenfache gegenüber dem Stand der Technik (Probe 1) aufweisen.
  • Ohne an die Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die Phosphorzugabe dafür sorgt, dass das Eutektikum entkoppelt wächst. Dadurch ändert sich die Morphologie der eutektischen Mg2Si-Phase von lamellar und grob auf globular und fein. Es wird angenommen, dass der Phosphor das Calcium bindet und dadurch die Ausbildung der intermetallischen Phasen CaMg2, Al2Ca, Al4Ca, usw. unterdrückt. Diese Phasen sind Keimstellen für das eutektische Mg2Si, sind sie nicht vorhanden fehlen die Keimstellen auf der Wirtebene und die Mg2Si-Phase entsteht durch Unterkühlung. Da für jedes einzelne Partikel eine Keimbildung notwendig ist, erfolgt das Wachstum extrem langsam gegenüber den unmodifizierten Legierungen. Die Keimbildung erfolgt autark oder auf dem Aluminium, das jedoch auch ein schlechter Keimbildner ist und dadurch die Wachstumsgeschwindigkeit minimiert. In der thermischen Analyse verschwindet bzw. verringert sich der Peak des ternären Eutektikums mit zunehmendem Phosphorgehalt.
  • Die Zugabe des Phosphors kann in Form einer Phosphorvorlegierung oder phosphorabgebenden Salzgemischen erfolgen. Bevorzugte Phosphorvorlegierungen, die erfindungsgemäß verwendet werden können, umfassen CuP8-, AlCuP-, AlFeP-, und FeP-Vorlegierungen.
  • Die erfindungsgemäße Herstellung einer Legierung mit verbesserten mechanischen Eigenschaften für den Kokillen- oder Sandguss erfolgt nach folgendem Schema:
    • Aufschmelzen von Reinaluminium oder geeignetem Sekundäraluminium in ausreichender Qualität (z.B. von AlMg-Blechen)
    • Auflegieren von Silizium, Magnesium, Titan durch Zugabe von Reinmetallen (Silizium, Magnesium, Titan) oder sogenannten Vorlegierungen aus z.B. 90% Aluminium und 10% Titan
    • Bestimmung der Schmelzezusammensetzung (z.B. durch Funkenemissionsspektrometrie)
    • Reinigung der Schmelze durch Zugabe von Reinigungssalzen (z.B. MgCl2), durch Spülen mit Aktivgasgemischen (z.B. Ar:Cl2 98:2) oder Inertgasen (z.B. N2 oder Ar). Ziel der Metallreinigung ist die Entfernung von Oxiden, Wasserstoff und Spurenverunreinigungen, wie Natrium und Calcium
    • Einstellen der Schmelzetemperatur auf 730 - 780°C
    • Auflegieren des Phosphors auf 0,01 - 0,06% durch Zugabe von CuP8-, AlCuP-, AlFeP- oder FeP-Vorlegierungen
    • Kontrolle der chemischen Zusammensetzung und gegebenenfalls Korrektur durch erneute Zugabe von Legierungselementen
    • Einstellen der Gießtemperatur
    • Abguss der Schmelze im horizontalen Strangguss oder anderen geeigneten Verfahren wie z.B. Vergießen in Kokillen (sog. Masselgießband) oder im Properziverfahren.

Claims (4)

  1. Verfahren zur Raffination und Gefügemodifikation von AlMgSi-Legierungen für den Kokillen- oder Sandguss, welche AlMgSi-Legierungen die allgemeine Zusammensetzung 5,0-10,0 Gew.-% Mg; 1,0-5,0 Gew.-% Si; 0,001-1,0 Gew.-% Mn, 0,01-0,2 Gew.-% Ti, weniger als 0,001 Gew.-% Ca, weniger als 0,001 Gwe.-% Na, und weniger als 0,001 Gew.-% Sr und als Rest Al besitzen, und wobei der Legierungsschmelze Phosphor in einem Mengenbereich von 0,01 bis 0,06 Gew.-%, bezogen auf die Gesamtmasse der Legierung, zugefügt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Phosphor in Form von Phosphorvorlegierungen oder phosphorabgebenden Salzgemischen zugefügt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Phosphorvorlegierungen CuP8-, AlCuP-, AlFeP-, und FeP-Vorlegierungen umfassen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die AlMgSi-Legierungen die allgemeine Zusammensetzung 6-9 Gew.-% Mg; 2,5-4,5 Gew.-% Si; 0,02-0,5 Gew.-% Mn, 0,01-0,2 Gew.-% Ti, weniger als 0,001 Gew.-% Ca, weniger als 0,001 Gew.-% Na, und weniger als 0,001 Gew.-% Sr und als Rest Al besitzen.
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