DE10206035A1

DE10206035A1 - Aluminium-Silizium-Gusslegierung sowie daraus hergestellter Kolben und Gussstück

Info

Publication number: DE10206035A1
Application number: DE10206035A
Authority: DE
Inventors: Herbert Moeding; Thomas Steffens; Otto Stenzel
Original assignee: KS Aluminium Technologie GmbH; KS Kolbenschmidt GmbH
Current assignee: KS Kolbenschmidt GmbH; KS Huayu Alutech GmbH
Priority date: 2002-02-14
Filing date: 2002-02-14
Publication date: 2003-08-28
Also published as: EP1340827A1; EP1340827B1; DE50300161D1

Abstract

Die Erfindung hat eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung zum Gegenstand mit 7-25 Gew.-% Silizium und mit einem geringen Magnesium-Anteil von 0,1-1,2 Gew.-% Magnesium, gegebenenfalls mit folgenden Legierungsbestandteilen: DOLLAR A Fe >= 1,2 Gew.-% DOLLAR A Cu >= 5,5 Gew.-% DOLLAR A Mn >= 1,2 Gew.-% DOLLAR A Ni >= 4 Gew.-% DOLLAR A Zn >= 2,5 Gew.-% DOLLAR A Pb >= 0,2 Gew.-% DOLLAR A Ti >= 0,2 Gew.-% DOLLAR A sonstige Verunreinigungen jeweils 0,1 Gew.-%, wobei die Legierung außerdem 0,01 bis 0,2 Gew.-% Vanadium und 0,0005 bis 0,01 Gew.-% (5-100 ppm) Beryllium umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit 7-25 Gew.-% Silizium und mit einem geringen Magnesium- Anteil von 0,1-1,2 Gew.-%.

Aus EP 0 967 294 A1 sind Aluminium-Magnesium-Gusslegierungen mit wenigstens 2,5 Gew.-%, vorzugsweise wenigstens 3,5 Gew.-% Magnesium und höchstens 2,5 Gew.-% Silizium bekannt. Bei diesen Aluminium-Magnesium-Legierungen mit hohem Magnesiumgehalt, der bei allen Ausführungsbeispielen über 5 Gew.-% liegt, kommt es an der Oberfläche der Metallschmelze nicht zur Ausbildung einer schützenden dünnen Aluminiumoxidhaut, welche den Sauerstoffeintritt in die Schmelze verhindert, sondern es baut sich eine dicke poröse Schicht, die sog. Krätze, auf, bei der es sich um eine Verbindung zweier Oxide, ein sog. Spinell, handelt, welches gebildet ist aus dem Oxid des Magnesiums (MgO) und Aluminiumoxid (Al₂O₃). Obschon diese Krätze sehr viel dicker ist als eine das Schmelzenbad schützende Aluminiumoxidhaut, ist sie porös und bleibt für den Eintritt und Durchtritt von Sauerstoff zur Schmelze durchlässig. Wenn ein solches Bad über längere Zeit steht, bspw. an Wochenenden, so können sogar Brocken dieser Krätze auf den Boden des Ofens absinken, so dass noch mehr Sauerstoff zur Oberfläche gelangen und mit Magnesium reagieren und zur weiteren Bildung einer Spinellschicht beitragen kann. Doch auch im Gießbetrieb muss die Ofenoberfläche fortlaufend von der Krätze befreit werden, womit ein Austrag von wertvoller Aluminiumschmelze und damit ein Kostennachteil verbunden ist.

Die Ausbildung der Krätze wurde bei derartigen Aluminium- Magnesium-Legierungen seit jeher durch Zusatz von Beryllium reduziert, man sprach von einer Erhöhung des Verkrätzungswiderstands. Mit EP 0 967 294 A1 wurde erkannt, dass durch Zusatz von Vanadium geringere Mengen von Beryllium zugesetzt werden mussten, also der Verkrätzungswiderstand durch geringere Beigaben an Beryllium erhöht werden konnte.

Die vorliegende Erfindung befasst sich hingegen mit Aluminium- Silizium-Legierungen mit demgegenüber sehr geringem Magnesiumgehalt von nur 0,1-1,2 Gew.-%. Obschon Magnesium mit Silizium die Phase Mg₂Si ausbildet, wodurch die Festigkeit eines aus einer solchen Legierung vergossenen Gussstücks erhöht werden kann, wurde festgestellt, dass die Oxidhaut an der Oberfläche der Schmelze MgO enthält.

Die Oxidhaut wirkt sich auf die Fließfähigkeit dieser Aluminium-Silizium-Legierung negativ aus, da die Oxidhäute beim Vergießen zerreissen und dabei einfalten und auch ständig neu gebildet werden. Dies führt zu Einschlüssen im Gußstück, die die Festigkeit beeinträchtigen. Außerdem tritt beim Vegießen ein hoher Verschleiß der Schlichte an den Gießformen auf, was zu einer Erhöhung der Oberflächenrauhigkeit der mit Schlichte versehenen Gießformoberflächen führt und ferner dazu, dass der Schlichteauftrag bei den Gießformen häufig erneuert werden muß.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ausgehend von einer gattungsgemäßen Aluminium-Silizium- Gusslegierung die Fließfähigkeit zu verbessern und den Schlichteveschleiß zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird durch eine gattungsgemäße Aluminium- Silizium-Legierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass durch die Zugabe von 0,01-0,2 Gew.-% Vanadium und 0,0005-0,01 Gew.-% Beryllium (5-100 ppm) das Oxidationsverhalten der Legierung dahingehend geändert wird, dass die Oxidschicht von einer fast stöchiometrisch reinen MgO-Schicht gebildet wird, die sich im Gegensatz zu Al₂O₃-haltigen Oxidhäuten dünner ausbildet und dadurch die Fließfähigkeit der Legierung weniger behindert. Es wird eine sehr dünne sauerstoffhaltige Haut gebildet. Die Legierung zeigt beim Vergießen ein gutes Kurzzeitoxidationsverhalten. Dies bedeutet, dass beim Vergießen zwar die Oxidhaut auch zerreißt, jedoch nicht sofort wieder neu gebildet wird, da die Spurenelemente erst wieder durch Diffusion an die Oberfläche gelangen müssen. Beim Befüllen kann daher der Meniskus in der Gießform fortschreiten, und auch dünne Wandbereiche können ohne Oxidhauteinschlüsse gegossen werden. Der Schlichteverschleiß ist ebenfalls erheblich herabgesetzt.

Die bei der erfindungsgemäßen Legierung gebildete Oxidhaut zeichnet sich nicht nur durch Ausbildung eines schützenden sauerstoffundurchlässigen Abschlusses aus, sondern sie ist auch sehr viel dünner. Man fand daher beim Vergießen der erfindungsgemäß ausgebildeten Aluminium-Silizium-Legierung im Anguss überraschenderweise keinen Niederschlag von dicken Oxidhäuten, die von Zeit zu Zeit in aufwendiger Handarbeit entfernt werden mussten.

Es hat sich desweiteren als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Legierung einen gegenüber üblichen Legierungen geringen Calcium-Gehalt aufweist. Üblicherweise liegt der Ca- Gehalt bei etwa 30 ppm. Wenn der Ca-Gehalt unterhalb von etwa 15 ppm, vorzugsweise unterhalb von 10 ppm liegt, so wurde festgestellt, dass dies zu einer weniger porösen Oxidhaut mit einer erhöhten Gas-Dichtigkeit führt.

Bevorzugte Ausführungsformen der Gusslegierung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Kolben für eine Verbrennungskraftmaschine, hergestellt aus einer Aluminium- Silizium-Gusslegierung nach einem oder mehreren der Patentansprüche, mit einem Kupfergehalt der Schmelze bzw. des Kolbens von 1,0-5,5 Gew.-%, vorzugsweise von 3-4,5 Gew.-% und einem Siliziumgehalt von 10-15 Gew.-%. Durch den Kupfergehalt im angegebenen Bereich erhöht sich die mechanische Festigkeit des Kolbens zusätzlich zur Ausbildung von Mg₂Si. Bei der Herstellung von Kolben liegt der Magnesiumgehalt der Schmelze zwischen 0,5 und 1,1, insbesondere zwischen 0,8 und 1,1 Gew.-%.

Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung eignet sich aber auch zum Vergießen von Gussstücken mit einem sehr geringen Kupfergehalt, vorzugsweise eines kupferfreien Gussstücks. Insbesondere Gussstücke zur Verwendung als Fahrwerksteile, die gegenüber Kolben höhere Dehnungsfähigkeit aufweisen müssen, werden mit einem Magnesiumgehalt von nur 0,2-0,6 Gew.-% vergossen. Durch diesen noch geringeren Magnesiumgehalt wird das Gussstück zwar weniger fest, aber damit auch weniger spröde und somit dehnfähig.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen und aus der beiliegenden zeichnerischen Darstellung und nachfolgenden Beschreibung von Schliffbildern. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Oxidhaut im Schliff;
Fig. 2 eine entsprechende Aufnahme unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Gusslegierung.
Fig. 1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer in einer Harzumhüllung 2 präparierten Oxidhaut 4 einer Aluminium-Silizium-Legierung mit 13 Gew.-% Silizium, 3,86 Gew.-% Kupfer, 0,95 Gew.-% Magnesium, 2,02 Gew.-% Nickel, 0,23 Gew.-% Mangan, 0,56 Gew.-% Eisen, 0,11 Gew.-% Zink und 0,055 Gew.-% Titan und 0,007 Gew.-% Vanadium sowie 61 ppm Phosphor.
Man erkennt in Fig. 1 eine 20 µm dicke Oxidhaut 4, die maßgeblich auf eine Spinellbildung von Magnesiumoxid MgO und Aluminiumoxid Al₂O₃ zurückzuführen ist.
Die Zusammensetzung der Aluminium-Silizium-Legierung, welche zu dem Schliffbild nach Fig. 2 führte, unterscheidet sich von der vorstehenden Gusslegierung dadurch, dass 0,114 Gew.-% Vanadium und 30 ppm Beryllium enthalten waren. Überraschenderweise wird hierdurch die Dicke der Oxidschicht auf den Bereich von 1 µm reduziert und die Schicht legt sich wie ein hauchdünner luft- und sauerstoffundurchlässiger Film über die Schmelzenoberfläche. Beim Vergießen derartiger erfindungsgemäßer Aluminium-Silizium-Gusslegierungen wird nicht nur ein geringerer Schmelzenanteil beim Entfernen der Oxidhaut verworfen, sondern auch die Gießwerkzeuge, insbesondere Kokillengießwerkzeuge müssen erst nach sehr viel längeren Zeitperioden aufwendig gereinigt werden.

Claims

1. Aluminium-Silizium-Gusslegierung mit 7-25 Gew.-% Silizium und mit einem geringen Magnesium-Anteil von 0,1-1,2 Gew.-% Magnesium, gegebenenfalls mit folgenden Legierungsbestandteilen:
Fe ≤ 1,2 Gew.-%
Cu ≤ 5,5 Gew.-%
Mn ≤ 1,2 Gew.-%
Ni ≤ 4 Gew.-%
Zn ≤ 2,5 Gew.-%
Pb ≤ 0,2 Gew.-%
Ti ≤ 0,2 Gew.-%
sonstige Verunreinigungen jeweils ≤ 0,1 Gew.-% und in der Summe < 1 Gew.-%, wobei die Legierung außerdem 0,01 bis 0,2 Gew.-% Vanadium und 0,0005 bis 0,01 Gew.-% (5-100 ppm) Beryllium umfasst.

2. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Beryllium-Gehalt 0,005-0,0035 Gew.-% (5-35 ppm) beträgt.

3. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Vanadium 0,05 bis 1,2 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 1,2 Gew.-%, beträgt.

4. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnesium-Gehalt < 1 Gew.-% beträgt.

5. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach Anspruch 4, dass der Magnesium-Gehalt 0,4-0,65 Gew.-% beträgt.

6. Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Calcium-Gehalt bei höchstens 15 ppm, vorzugsweise bei höchstens 10 ppm liegt.

7. Kolben für Verbrennungskraftmaschine, hergestellt aus einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, mit einem Kupfergehalt in der Schmelze bzw. im Kolben von 1,0-5,5 Gew.-%, vorzugsweise von 3-4,5 Gew.-% Kupfer und einem Siliziumgehalt von 10-15 Gew.-%.

8. Kolben nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Magnesium zu 0,5 bis 1,1 Gew.-%, vorzugsweise zu 0,8-1,1 Gew.-% in der Schmelze bzw. im Kolben enthalten ist.

9. Gussstück, insbesondere zur Verwendung als Fahrwerksteil, hergestellt aus einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, mit einem Kupfergehalt der Aluminium-Silizium-Legierung und des Gussstücks von weniger als 0,5 Gew.-%, vorzugsweise weniger als 0,2 Gew.-% und mit einem Magnesiumgehalt von 0,2-0,6 Gew.-%.

10. Gussstück nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch einem Siliziumgehalt von 10-15 Gew.-%.