SK10002001A3

SK10002001A3 - Produkt z hypereutektickej hliníkovo-kremíkovej zliatiny na tvárnenie v polotuhom stave

Info

Publication number: SK10002001A3
Application number: SK1000-2001A
Authority: SK
Inventors: G�Rard Laslaz; Francois Cosse; Michel Garat
Original assignee: Aluminium Pechiney
Priority date: 1999-01-21
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2002-02-05
Also published as: WO2000043559A1; CZ20012658A3; EP1147237A1; AU3055600A; FR2788788A1; BR0007637A; FR2788788B1; DE60004010D1; US6200396B1; CA2360673A1; PL349340A1; JP2002535488A; ATE245714T1; EP1147237B1; NO20013576L; NO20013576D0

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka produktov zo zliatiny Al-Si, ktorá prípadne obsahuje ďalšie prídavné prvky a v ktorej je taký obsah kremíka, že je buď rovný alebo je vyšší ako obsah zodpovedajúci zloženiu eutektika (11,7 % v prípade, keď nie je obsiahnutý žiadny prídavný prvok). Tieto produkty, akými sú sochory, následne narezané na kusy, zodpovedajúce množstvu kovu potrebnému na diel, ktorý má byť zhotovený, alebo predkovky, sú určené na opätovné zahriatie do polotuhého stavu, t.j. na teplotu medzi teplotou likvidu a teplotou tuhého stavu uvedenej zliatiny, za účelom tvárnenia, najmä kovaním alebo vstrekovaním pod tlakom.

DoteraiSÍ stav techniky

Hliníko-kremíkové zliatiny, ktoré obsahujú prípadne ďalšie prídavné prvky, akými sú meď, horčík, mangán, zinok, nikel alebo kobalt, a v ktorých je obsah kremíka rovný alebo vyšší ako obsah kremíka v eutektiku, sa používajú na výrobu odliatkov majúcich nízku tepelnú dilatáciu a dobrú odolnosť proti oteru, napríklad piestov a valcových vložiek spaľovacích motorov aiebo dielov brzdových a spojkových systémov. Tieto zliatiny sú však ťažko tvarovateľné a obrobiteľné a to tým viac, čím je vyšší ich obsah kremíka.

Je teda žiadúce mať k dispozícii spôsob, pri ktorom by nedochádzalo k úplnému roztaveniu zliatiny a ktorý by viedol k tvaru zliatiny, ktorý sa pokiaľ možno čo najviac blíži požadovanému finálnemu tvaru vyrábaného dielu. To je prípad tvárnenia v polotuhom stave, ktoré býva označované ako tixotvárnenie. Táto technika bola vyvinutá asi pred dvadsiatimi rokmi na základe prác Pr. Flemingsa v MIT, najmä pre hliníkové zliatiny.

Uvedená technika spočíva v odlievaní polotovarov, akými sú sochory, pri

31756/T ·· ···· ·· ·· ·· • e · ···· ··· • · · · · ·· · e • · ··· ·· ··· · ···· ···· ·· ·· ·· ·· ·· ·· · ktorom sa aplikuje na zliatinu šmykové namáhanie, napríklad vyvolané mechanickým miešaním alebo elektromagnetickým miešaním, a uskutočňuje sa dendritická štruktúra tuhnutia zliatiny na globulámu štruktúru, v opätovnom zahriatí kusov týchto polotovarov do polotuhého stavu a v ich tvárnení vstrekovaním pod tlakom alebo kovaním. Získané diely majú dobrú metalurgickú zdravosť a nevykazujú zmrašteniny (lunkre“) a segregáciu kryštálov primárneho kremíka, pričom tento spôsob umožňuje zvýšenú produktivitu, ktorá je v dobrom súlade s produkciou veľkých sérií produktov v automobilovom priemysle.

Väčšina priemyselných aplikácii využíva zliatinu AS7G obsahujúcu 7 % kremíka (A356 a 357 podľa označenia združenia I'Alumínium Association). Tixotvámenie hypereutektických hliníkových zliatin je opísané v európskej patentovej prihláške EP 0572683 prihlasovateľa Honda Giken. Podľa tejto patentovej prihlášky sa vychádza z tuhého materiálu, v ktorom je maximálna veľkosť kryštálov primárneho kremíka menšia ako 100 mikrometrov, čo zabraňuje veľmi rýchlemu opotrebeniu vtokového otvoru a dutiny vstrekovacej formy. V uvedenej prihláške však nie sú poskytnuté žiadne inštrukcie o spôsobe odlievania vedúcemu k takejto štruktúre.

Patentová prihláška JP 08-323461 (Asahi Tec) opisuje spôsob tvárnenia hypereutektickej zliatiny AISi v polotuhom stave, pri ktorom sa šmykové napätie uskutočnené za účelom zlepšenia reológie a plnenia formy realizuje súčasne, takže vstupujúci kov spôsobuje miešanie, ktoré vedie k tixotropnej štruktúre a obmedzuje segregáciu kryštálov primárneho kremíka.

Článok autorov I.Diewwanit-a a M.C.FIemings-a Semi-Solid Forming of Hypereutectonic Al-Si Alloys“ Light Metals 1996, The Minerals, Metals and Materials Society, str. 787-793 obsahuje vo svojom úvode úplný prehľad bibliografie týkajúci sa tvárnenia hypereutektických zliatin AISi v polotuhom stave a opisuje reotvámiace testy s mechanickým miešaním. Žiadny z tu opísaných prostriedkov neumožňuje zlepšiť jednoduchým spôsobom schopnosť tixotvárnenia hypereutektických hliníkových zliatin.

31756ΛΓ

··	····	··	··	·· ·
• ·	•	• ·	• ·	• · ··
• · ·	• ·	··	• · ·
·· ··	··	··	·· ···

Patentový dokument US 5,701,942 (Ube Industries) opisuje spôsob tvárnenia hypereutektických hliníkových zliatin v polotuhom stave. V príkladoch sú uvedené rôzne kompozície s obsahmi kremíka pohybujúcimi sa od 3 do 11 % a kompozícia obsahujúca 7 % Si, 0,15 % Ti a 0,005 % B, čo predstavuje značný zvyšok Ti vzhľadom k stechiometrickému množstvu zodpovedajúcemu TiB₂.

Podstata vynálezu

Teraz bolo zistené, že je možné dosiahnuť pri eutektických alebo hypereutektických zliatinách AISi v polotuhom stave Teologické vlastnosti, ktoré sú veľmi priaznivé na tvárnenie tixotvámením v prípade, že sa vychádza z tuhého produktu majúceho špecifickú štruktúru tuhnutia získanú jednoduchým spôsobom bez mechanického alebo elektromechanického miešania.

Predmetom vynálezu je takto produkt z eutektickej alebo hypereutektickej hliníko-kremíkovej zliatiny schopný tixotvárnenia, ktorý hmotnostné obsahuje 10 až 30 % kremíka a prípadne meď (< 10 %), horčík (< 3 %), mangán (< 2 %), železo (<2 %), nikel (< 4 %), kobalt < 3 %) a ďalšie prvky (<0,5 každého a spolu 1 %) a ktorého mikroštruktúra v surovom stave liatia je tvorená kryštálmi primárneho kremíka, hliníkovými dendritmi rovnoosého typu s veľkosťou menšou ako 4 mm a eutektikom tvoreným zrnami eutektického kremíka a zrnami eutektického hliníka s veľkosťou menšou ako 4 mm.

Predmetom vynálezu je rovnako spôsob získania tejto mikroštruktúry, ktorého podstata spočíva vtom, že sa k zliatine pridá 50 až 2000 ppm (hmotnostné) boru, pričom toto pridané množstvo je v prebytku vzhľadom na množstvo, ktoré je striktne nevyhnutné na vyzrážanie nečistôt.

Štruktúra tuhnutia hypereutektických zliatin AISi, ktorú možno pozorovať na metalografickom reze, obsahuje;

a) častice primárneho kremíka, ktorých veľkosť môže byť zjemnená najmä

31756/T

··	····	··	··	·· ·
• ·	•	•	•	• ·	•	•	··
• ·	•	•	•	··	•	•
• ·	•	• ·	•	• ·	• ·	•
··	··		··	··		··	··

pridaním 20 až 500 ppm fosforu,

b) hliníkové dendrity vytvorené na počiatku eutektického stupňa, ktoré často dosahujú veľkosť väčšiu ako 5 mm,

c) eutektikum tvorené zrnami eutektického kremíka a zrnami eutektického hliníka a prípadne intermetalické fázy umožňujúce uplatniť i ostatné prvky zliatiny, akými sú napríklad Cu, Mg alebo Ni. Veľkosť zŕn eutektického hliníka je v korelácii s veľkosťou dendritov a má v podstate rovnakú hodnotu. Možno zaznamenať i prítomnosť a veľkosť uvedených zŕn eutektického hliníka stĺpcového vzhľadu vystavením vzorky pôsobenia chloridu železitého alebo troch kyselín.

Bolo zistené, že keď ak hliníkové dendrity alebo zrná eutektického hliníka mali tvar stĺpcového typu (alebo bazaltového, čadičového typu) a veľkosť väčšiu ako 4 mm, potom produkt opätovne ohriaty do takého polotuhého stavu, keď podiel kvapalnej frakcie je 20 až 60 %, má zlú globulárnu štruktúru, pričom zrná eutektického hliníka majú pretiahnutý tvar vedúci k reológii, ktorá je nepriaznivá pri tvárnení za štandardných podmienok.

Naopak, ak uvedené dendrity a zrná eutektického hliníka majú štruktúru rovnoosého typu a veľkosť menšiu ako 4 mm, potom je štruktúra produktu opätovne ohriateho do polotuhého stavu dobre globulárna, čo vedie k reológii, ktorá je priaznivá pre ľahké tvárnenie vyrábaného dielu a pre dobrú metalurgickú kvalitu takéhoto vyrobeného dielu.

Je dôležité, aby sa štruktúra podľa vynálezu nachádzala v celom kuse (klátu“) alebo predkovku určenému na ohriatie. Ak sa táto štruktúra nevyskytuje v celej časti kusu alebo predkovku, potom táto heterogenita štruktúry vedie k ťažkostiam pri tvárnení.

Účinným prostriedkom na spoľahlivé a reprodukovateľné získanie štruktúry podľa vynálezu, bez toho aby bolo potrebné uchýliť sa k mechanickému alebo elektromagnetickému miešaniu, je pridať k tekutému

31756/T ·· ···· ·· ·· ·· ·· · ···· ··· • e · · · ·· · · • · ··· · e ··· · ···· ···· · · kovu určenému na odliatie do tvaru sochorov alebo predkovkov 0,005 až 0,2, výhodne 0,01 až 0,05 %, boru.

Bór sa zvyčajne používa na čistenie hliníka tým, že bór vyzráža neästoty, ktorými sú napríklad Ti, Zr, Mn alebo V, vo forme intermetalických boridov. Rovnako tak sa zvyčajne používajú predzliatiny titánu a boru, ako napríklad predzliatina A-T5B, na zjemnenie zŕn hliníka tvorbou častíc TiB₂; v týchto zliatinách je titán v prebytku oproti stechiometrickému množstvu nevyhnutnému na tvorbu TiB₂ a celkový obsah bóru neprekračuje 50 ppm.

Je nevyhnutné, aby bór pridaný podľa vynálezu bol v prebytku aspoň rovnom 0,005 % vzhľadom k stechiometrickému množstvu striktne potrebnému na elimináciu nečistôt vo forme intermetalických zlúčenín. Prídavok bóru môže byť realizovaný vo forme predzliatin Al-B (napríklad zliatina A-B3 alebo A-B6), Si-B alebo Al-Si-B (napríklad zliatina A-S10B3). Uvedený prídavok môže byť rovnako realizovaný vo forme fluoroboritánového tavidla.

Produkty podľa vynálezu môžu byť použité pre všetky zvyčajné aplikácie eutektických alebo hypereutektických zliatin obsahujúcich až 30 % kremíka, najmä na výrobu dielov trpiacich opotrebením oterom, akými sú napríklad brzdové bubny a kotúče, piesty a vidlice rýchlostných skríň.

V nasledujúcej časti opisu bude vynález bližšie objasnený pomocou príkladov jeho uskutočnenia, pričom tieto príklady majú iba ilustračný charakter a nijako neobmedzujú vlastný rozsah vynálezu, ktorý je jednoznačne vymedzený definíciou patentových nárokov a obsahom opisnej časti.

31756/T

··	····	··	··	·· ·
• ·	•	• ·	• ·	• ·	··
• · ·	• ·	··	• ·	•
·· ··	··	··	··	···

Príklady uskutočnenia vynálezu

Vyrobia sa zliatiny A-S17U4G obsahujúce hmotnostné 17 % Si, 4 % Cu a 0,6 % Mg a prídavok 100 ppm fosforu na zjemnenie zŕn primárneho kremíka. Zliatina A neobsahuje žiadny ďalší prídavok, pričom zliatina B bola vyrobená za prídavku 0,15 % titánu a 0,3 % AT5B, čo je predzliatina obsahujúca 5 % titánu a 1 % bóru. Zliatina C podľa vynálezu bola vyrobená za prídavku 0,03 % bóru.

Kov bol odliaty do tvaru sochoru s priemerom 75 mm semikontinuálnym odlievaním v šaržách bez mechanického alebo elektromagnetického miešania.

Vzorka metalografického rezu sochoru zo zliatiny A ukázala buď v celom priereze sochoru alebo v aspoň časti prierezu, ktorá je najbližšia k obvodu sochoru, štruktúru obsahujúcu hliníkové dendrity a zrná eutektického hliníka majúce stĺpcový (alebo bazaltový) tvar a veľkosť medzi 3 a 10 mm. Po opätovnom zahriatí do polotuhého stavu, pri ktorom tekutá frakcia zliatiny je asi 40 %, možno pozorovať neglobulárny eutektický hliník. Reologická skúška ukázala, že tento kov nie je schopný tvárnenia v polotuhom stave. Dokonca i keď stredná časť sochoru mala štruktúru menej nepriaznivú, dochádzalo pri plnení formy k ťažkostiam spôsobeným heterogenitou reológie medzi strednou a okrajovou časťou sochoru.

Vzorka metalografického rezu sochoru zo zliatiny B ukazuje zmesovú štruktúru, ktorá je skôr stípovitá smerom von zo sochoru a skôr rovnoosá smerom k stredu sochoru, pričom veľkosť dendritov a zŕn eutektického hliníka sa mení od 0,2 do 10 mm. Po opätovnom ohriatí do polotuhého stavu je eutektický hliník dokonale globulárny a reologický test poskytuje systematicky dobré výsledky.

Claims

·· ····

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Produkt zeutektickej alebo hypereutektickej hliníko-kremíkovej zliatiny schopný tixotvárnenia, vyznačujúci sa tým, že obsahuje hmotnostné 10 až 30 % kremíka a prípadne meď (<10 %), horčík (<3 %), mangán (<2 %), železo (<2 %), nikel (<4 %), kobalt (<3 %) a ďalšie prvky (< 0,5 % každého a 1 % spolu) a že jeho mikroštruktúra je tvorená kryštálmi primárneho kremíka, hliníkovými dendritmi s veľkosťou menšou ako 4 mm a eutektikom tvoreným zrnami eutektického kremíka a zrnami eutektického hliníka s veľkosťou menšou ako 4 mm.
2. Produkt podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že obsahuje 0,002 až 0,05 % fosforu.
3. Produkt podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že obsahuje 0,005 až 0,2 % boru.
4. Produkt podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že obsahuje aspoň 0,005 % boru nezlúčeného vo forme intermetalickej zlúčeniny s aspoň jedným z prvkov Ti, Zr, Mn alebo V.
5. Produkt podľa niektorého z nárokov 3 alebo 4, vyznačujúci sa tým, že obsahuje 0,01 až 0,05 % boru.
6. Spôsob výroby produktu podľa nároku 3, vyznačujúci sa tým, že sa k tekutej zliatine slúžiacej na prípravu tohto produktu pridá množstvo boru v prebytku vzhľadom na množstvo boru, ktoré je nevyhnutné na odstránenie nečistôt.

3175OT ·· ·· ·· · • · · ···· ···· ··· · · ·· · · · • · ··· ·· ··· · e ···· · · · · · · ·· ·· ·· ·· ·· ··· ·· ····
7. Spôsob podľa nároku 4, vyznačujúci sa tým, že sa bór zavedie do tekutej zliatiny vo forme predzliatiny AIB, SiB alebo AlSiB.
8. Spôsob podľa nároku 5, vyznačujúci sa tým, že sa bór zavedie do tekutej zliatiny vo forme tavidla na báze fluoroboritánu.