CZ20012658A3 - Produkt z hypereutektické hliníko-křemíkové slitiny pro tváření v polotuhém stavu - Google Patents

Description

Vynález se týká produktů ze slitiny Al-Si, která případně obsahuje další přídavné prvky a ve které je takový obsah křemíku, že je buď roven nebo je vyšší než obsah odpovídající složení eutektika (11,7 % v případě, kdy není obsažen žádný přídavný prvek). Tyto produkty, jakými jsou sochory (cágly), následně nařezané na kusy, odpovídající množství kovu potřebnému pro díl, který má být zhotoven, nebo předkovky, jsou určeny k opětovnému zahřátí do polotuhého stavu, t.j. na teplotu mezi teplotou liquidu a teplotou solidu uvedené slitiny, za účelem tváření, zejména kováním nebo vstřikováním pod tlakem.

Dosavadní stav techniky

Hliniko-křemíkové slitiny, které obsahují případně další přídavné prvky, jakými jsou měď, hořčík, mangan, zinek, nikl nebo kobalt, a ve kterých je obsah křemíku rovný nebo vyšší než obsah křemíku v eutektiku, se používají pro výrobu odlitků majících nízkou tepelnou dilataci a dobrou odolnost proti otěru, například pístů a válcových vložek spalovacích motorů nebo dílů brzdových a spojkových systémů. Tyto slitiny jsou však obtížně tvarovatelné a obrobitelné a to tím více, čím je vyšší jejich obsah křemíku.

Je tedy žádoucí mít k dispozici způsob, při kterém by nedocházelo k úplnému roztavení slitiny a který by vedl ke tvaru slitiny, který se pokud možno co nejvíce blíží požadovanému finálnímu tvaru vyráběného dílu. To je případ tváření v polotuhém stavu, které bývá označováno jako tixotváření. Tato technika byly vyvinuta asi před dvaceti lety na základě prací Pr.Flemingse v MIT, zejména pro hliníkové slitiny.

Uvedená technik’ spočívá v odlévání polotovarů, jakými jsou sochory, při kterém se aplikuje na slitinusmykové namáhání, například vyvolané mechanickým mícháním nebo elektromagnetickým mícháním, a převádí se dendritická struktura tuhnutí slitiny na globulární strukturu, v opětovném zahřátí kusů těchto polotovarů do polotuhého stavu a v jejich tváření vstřikováním pod tlakem nebo kováním. Získané díly mají dobrou metalurgickou zdravost a nevykazují staženiny (lunkry) a segregaci krystalů primárního křemíku, přičemž tento způsob umožňuje zvýšenou produktivitu, která je v dobrém souladu s produkcí velkých sérií produktů v automobilovém průmyslu.

Většina průmyslových aplikaci využívá slitinu AS7G obsahující 7 % křemíku (A356 a 357 podle označení sdružení 1'Aluminium Association). Tixotváření hypereutektických hliníkových slitin je popsáno v evropské patentové přihlášce EP 0572683 přihlašovatele Honda Giken. Podle této patentové přihlášky se vychází z tuhého materiálu,. ve kt«rerr maximální velikost krystalů primárního křemíku menší než 100 mikrometrů, což zabraňuje velmi rychlému opotřebení vtokového otvoru a dutiny vstřikovací formy. V uvedené přihlášce však nejsou poskytnuty žádné instrukce o způsobu odlévaní vedoucímu k takové struktuře.

Patentová přihláška JP 08-323461 (Asahi Tec) popisuje způsob tváření hypereutektické slitiny AISi v polotuhém stavu, při kterém se smykové napětí provedené za účelem • ΦΦΦ φφφφ · φ φ φφφ zlepšení reologie a plnění formy realizuje současně, takže vstupující kov způsobuje míchání, které vede k tixotropní struktuře a omezuje segregaci krystalů primárního křemíku.

Článek autorů I.Diewwanit-a a M.C.Flemings-e Semi-Solid Forming of Hypereutectonic Al-Si Alloys Light Metals 1996, The Minerals, Metals and Materials Society, str.787-793 obsahuje ve svém úvodu úplný přehled bibliografie týkající se tvářená, hypereutektických slitin AlSi v polotuhém stavu a popisuje reotvářecí testy s mchanickým mícháním. Žádný ze zde popsaných prostředků neumožňuje zlepšit jednoduchým způsobem schopnost tixotváření hypereutektických hliníkových slitin.

Patentový dokument US 5,701,942 (Ube Industries) popisuje způsob tváření hypereutektických hliníkových slitin v polotuhém stavu. V příkladech jsou uvedeny různé kompozice s obsahy křemíku pohybujícími se od 3 do 11 % a kompozici obsahující 7 % Si, 0,15 % Ti a 0,005 % B, což představuje značný přebytek Ti vzhledem stechiometrickému množství odpovídajícímu TiB₂ .

Podstata vynálezu

Nyní bylo zjištěno, že je možné dosáhnout u eutektických nebo hvpereutektických slitin AlSi v polotuhém stavu reologické vlastnosti, které jsou velmi příznivé pro tváření tixotvářením v případě, že se vychází z tuhého produktu majícího specifickou strukturu tuhnutí získanou jednoduchým způsobem bez mechanického nebo elektromechanického míchání.

Předmětem vynálezu je takto produkt z eutektické nebo hypereutektické hliníko-křemíkové slitiny schopný *« · * 4« ···* · « , < ·»· '9 · < · 4 4 ···»·· « · ' ···*·»» 0 4 · 4 ♦ · · · · · » « » ··«♦·· ·* 4 V· ««« tixotváření, který hmotnostně obsahuje 10 až 30 % křemíku a případně měď (< 10 %) , hořčík (< 3 %) , mangan (< 2 %) , železo (< 2 %) , nikl (< 4 %) , kobalt < 3 %) a další prvky (< 0,5 každého a celkem 1 %) a jehož mikrostruktura v surovém stavu lití je tvořena krystaly primárního křemíku, hliníkovými dendrity rovnoosého typu s velikosti menší než 4 mm a eutektikem tvořeným zrny eutektického křemíku a zrny eutektického hliníku s velikosti menší než 4 mm.

Předmětem vynálezu je rovněž způsob získání této mikrostruktury, jehož podstata spočívá v tom, že se ke slitině přidá 50 až 2000 ppm (hmotnostně) boru, přičemž toto přidané množství je v přebytku vzhledem k množství, které je striktně nezbytné pro vysrážení nečistot.

Struktura tuhnutí hypereutektických slitin AISi, kterou lze pozorovat na metalografickém řezu, obsahuje:

a) částice primárního křemíku, jejichž velikost může být zjemněna zejména přidáním 20 až 500 ppm fosforu,

b) hliníkové dendrity vytvořené na počátku eutektické prodlevy, které často dosahují velikosti větší než 5 mm,

c) eutektikum tvořené zrny eutektického křemíku a zrny eutektického hliníku a případně intermetalické fáze umožňující uplatnit se i ostatní prvky slitiny, jakými jsou například Cu, Mg nebo Ni. Velikost zrn eutektického hliníku je v korelaci s velikostí dendritů a má v podstatě stejnou hodnotu. Lze zaznamenat i přítomnost a velikost uvedených zrn eutektického hliníku sloupkového vzhledu vystavením vzorku působení chloridu železitého nebo třech kyselin.

Bylo zjištěno, že když buď hliníkové dendrity nebo zrna eutektického hliníku měly tvar sloupkového typu (neboli bazaltového, čedičového typu) a velikost větší než 4 mm, potom produkt opětovně ohřátý do takovéhopolotuhého stavu, kdy podíl kapalné frakce činí 20 až 60 %, má špatnou globulární strukturu, přičemž zrna eutektického hliníku mají protažený tvar vedoucí ke reologii, která je nepříznivá pri tváření za srandardních podmínek.

Naopak, jestliže uvedené dendrity a zrna eutektického hliníku mají strukturu rovnoosého typu a velikost menší než 4 mm, potom je struktura produktu opětovně ohřátého do polotuhého stavu dobře globulární, což vede ke reologii, která je příznivá pro snadné tváření vyráběného dílu a pro dobrou metalurgickou kvalitu takového vyrobeného dílu.

Je důležité, aby struktura podle vynálezu se nacházela v celém kusu (špalíku) nebo předkovku určenému k ohřátí. Jestliže se tato struktura nevyskytuje v celé části kusu nebo předkovku, potom tato heterogenita struktury vede k obtížím při tváření.

Účinným prostředkem pro spolehlivé a reprodukovatelné získání struktury podle vynálezu, aniž je zapotřebí uchýlit se k mechanickému nebo elektromagnetickému míchání, je přidat k tekutému kovu určenému k odlití do tvaru sochorů nebo předkovku 0,005 až 0,2, výhodně 0,01 až 0,05 %, boru.

Bor se obvykle používá pro čistění hliníku tím, že tor vysráží nečistoty, kterými jsou například Ti, Zr, Mn nebo V, ve formě intermetalických boridů. Stejně tak se obvykle používají předslitiny titanu a boru, jako například předslitina A-T5B, pro zjemnění zrn hliníku tvorbou částic TiB₂; v těchto slitinách je titan v přebytku oproti stechiometrickému množství nezbytnému pro tvorbu TiB₂ a celkový obsah boru nepřekračuje 50 ppm.

• ·

Je nezbytné, aby bor přidaný podle vynálezu byl v přebytku alespoň stechiometrickému eliminaci nečistot rovném množství ve formě

0,005 % vzhledem ke striktně potřebnému pro intermetalických sloučenin.

Přídavek boru může být realizován ve formě předslitin Al-B (například slitina A-B3 nebo A-B6) , Si-B nebo Al-Si-B (například slitina A-S10B3). Uvedený přídavek může být rovněž realizován ve formě fluoroboritanového tavidla.

Produkty podle vynálezu mohou být použity pro všechny obvyklé aplikace eutektických nebo hypereutektických slitin obsahujících až 30 % křemíku, zejména pro výrobu dílů trpících opotřebením otěrem, jakými jsou například brzdové bubny a kotouče, písty a vidlice rychlostních skříní.

V následující části popisu bude vynález blíže objasněn pomocí příkladů jeho provedení, přičemž tyto příklady mají pouze ilustrační charakter a nikterak neomezují vlastní rozsah vynálezu, který je jednoznačně vymezen definicí patentových nároků a obsahem popisné části.

Příklady provedení vynálezu

Vyrobí se slitiny A-S17U4G obsahující hmotnostně 17 % Si, 4 % Cu a 0,6 % Mg a přídavek 100 ppm fosforu pro zjemnění zrn primárního křemíku. Slitina A neobsahuje žádný další přídavek, přičemž slitina B byla vyrobena za přídavku 0,15 % titanu a 0,3 % AT5B, což je předslitina obsahující 5 % titanu a 1 % boru. Slitina C podle vynálezu byla vyrobena za přídavku 0,03 % boru.

Kov byl odlit do tvaru sochoru o průměru 75 mm semikontinuální odléváním v šaržích bez mechanického nebo elektromagnetického míchání.

• · • · • · ··· ·· · · • · · · · · · · «····· ·♦ ··

Vzorek metalografického řezu sochoru ze slitiny A ukázal buď v celém průřezu sochoru nebo v alespoň části průřezu, která je nejbližší k obvodu sochoru, strukturu obsahující hliníkové dendrity a zrna eutektického hliníku mající sloupkový (neboli bazaltový) tvar a velikost mezi 3 a 10 mm. Po opětovném zahřátí do polotuhého stavu, při kterém tekutá frakce slitiny činí asi 40 %, lze pozorovat neglobulární eutektický hliník. Reologická zkouška ukázala, že tento kov není schopen tváření v polotuhém stavu. Dokonce i když střední část sochoru měla strukturu méně nepříznivou, docházelo při plnění formy k obtížím způsobeným heterogenitou reologie mezi střední a okrajovou částí sochoru.

Vzorek metalografického řezu sochoru ze slitiny B ukazuje směsnou strukturu, která je spíše sloupkovitou směrem ven ze sochoru a spíše rovnoosá směrem ke středu sochoru, přičemž velikost dendritů a zrn eutektického hliníku se mění od 0,2 do 10 mm. Po opětovném ohřátí do polotuhého stavu se získá částečně globulární struktura. Stejně jako v předchozím případě způsobuje heterogenita struktury změny reologie, které vedou k obtížím, ke kterým dochází při plnění formy.

Vzorek metalografického řezu sochoru ze slitiny C ukazuje strukturu s dendrity a zrny hliníku majícími rovnoosý vzhled dokazující homogenní tvorbu zárodků zrn a velikost mezi 0,2 a 2 mm. Po opětovném ohřátí do polotuhého stavu je eutektický hliník dokonale globulární a reologický test poskytuje systematicky dobré výsledky.

Claims (8)

1. Produkt z eutektické nebo hypereutektické hliníko-křemíkové slitiny schopný tixotváření, vyznačený t i m, že obsahuje hmotnostně 10 až 30 % křemíku a případně měď (<10 %) , hořčík (<3 %) , mangan (<2 %) , železo (< 2 %), nikl (< 4 %) , kobalt (< 3 %) a další prvky (< 0,5 % každého a 1 % celkem) a že jeho mikrostruktura je tvořena krystaly primárního křemíku, hliníkovými dendrity s velikostí menší než 4 mm a eutektikem tvořeným zrny eutektického křemíku a zrny eutektického hliníku s velikostí menší než 4 mm.

2. Produkt podle nároku 1,vyznačený tím, že obsahuje 0,002 až 0,05 % fosforu.

3. Produkt podle nároku 1,vyznačený tím, že obsahuje 0,005 až 0,2 % boru.

4. Produkt podle nároku 3, v y z n a č e n ý t í m, že obsahuje alespoň 0,005 % boru nesloučeného ve formě intermetalické sloučeniny s alespoň jedním z prvků Ti, Zr, Mn nebo V.

5. Produkt podle některého z nároků 3 nebo 4, vyznačený t 1 m, že obsahuje 0,01 až 0,05 % boru.

• · · ·

6. Způsob výroby produktu podle nároku 3, vyznačený t í m, že se k tekuté slitině sloužící pro přípravu tohoto produktu přidá množství boru v přebytku vzhledem k množství boru, které je nezbytné pro odstranění nečistot.

7. Způsob podle nároku 4,vyznačený tím, že se bor zavede do tekuté slitiny ve formě předslitiny A1B, SiB nebo AISiB.

8. Způsob podle nároku 5,vyznačený tím, že se bor zavede do tekuté slitiny ve formě tavidla na bázi fluoroboritanu.