DE10339705B4

DE10339705B4 - Hochfester Aluminiumlegierungsguss und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE10339705B4
Application number: DE10339705A
Authority: DE
Inventors: Kouji Kariya Yamada; Tomoyuki Kariya Hatano; Susumu Kariya Miyakawa; Hiromi Kariya Takagi; Hiroshi Shizuoka Horikawa; Akio Numazu Hashimoto
Original assignee: Denso Corp; Nippon Light Metal Co Ltd
Current assignee: Denso Corp; Nippon Light Metal Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2003-08-28
Publication date: 2008-03-13
Anticipated expiration: 2023-08-29
Also published as: US20050100472A1; US20100192888A1; US20080083478A1; DE10339705A1; US8246763B2

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses, mit den Schritten:
Füllen einer Schmelze einer Aluminiumlegierung aus 7,5 bis 11,5 Gew.-% Si, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Cu, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Mg, 0,4 bis 0,7 Gew.-% Fe, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Mn und Rest Al sowie nicht mehr als 0,2 Gew.-% unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei diese Aluminiumlegierung 0,1 bis 1,0 Gew.-% wenigstens eines Elements enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe der Zusatzelemente bestehend aus Rb, K, Ba, Sr, Zr, Nb, Ta, V und Pd und seltenen Erdmetallen, in eine Form, um einen Guss zu erhalten, Entnehmen des Aluminiumlegierungsgusses aus der Form,
Lösungsglühen des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden,
Abschrecken des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses nach dem Lösungsglühen, und
Kaltaushärten des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden nach dem...

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen hochfesten Aluminiumlegierungsguss mit ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften, einen hochfesten Aluminiumlegierungsguss mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement zur Erhöhung der Festigkeit (nachfolgend auch als „NCDE" bezeichnet) und Teile aus diesem hochfesten Aluminiumlegierungsguss wie beispielsweise eine Spirale für einen Kompressor für eine Klimaanlage, einen Schaufelrotor einer Ventileinstellungs-Reguliervorrichtung und ein Gehäuse eines Antiblockierbremssystems. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des obigen hochfesten Aluminiumlegierungsgusses, ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement und ein Verfahren zur Herstellung von Teilen aus diesem hochfesten Aluminiumlegierungsguss wie beispielsweise einer Spirale für einen Kompressor einer Klimaanlage, eines Schaufelrotors einer Ventileinstellungs-Regulierungsvorrichtung und eines Gehäuses eines Antiblockierbremssystems.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Als frühere Druckgusstechnologie bezüglich der Erhöhung der Festigkeit einer Spirale aus einem Aluminiumlegierungsguss, wie sie in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 9-256127 offenbart ist, gibt es ein Verfahren der Wasserkühlung oder Kaltaushärtung eines gegossenen oder druckgegossenen Spiraldruckgusses unmittelbar nach dessen Lösen aus dem Stempel. D.h. das Verfahren der Herstellung des Druckgusses in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 9-256127 stellt den Anteil der Aushärteelemente Cu und Mg in den in der Aluminiumlegierung enthaltenen Elementen ein und führt ein Ablöschen und Kaltaushärten durch, um so den Zustand der Aushärtung von Cu und Mg zu verbessern und die Festigkeit dieser Legierungen zu erhöhen. Ferner wurde in dem Herstellungsverfahren bestätigt, dass die Zugfestigkeit, die Umformfestigkeit und die Dauerfestigkeit der Druckgusse erhöht waren, aber diese Aluminiumlegierungsdruckgusse haben als Maschen geformte Gussstrukturen, sodass sie im Vergleich zu Aluminiumlegierungsdruckgüssen, die lösungsgeglüht und kaltausgehärtet wurden, um das eutektische Si sphärisch zu machen (T6-Behandlung), schlechtere Eigenschaften hatten.
Ferner offenbart die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2000-192180 einen Druckguss aus einer Aluminiumlegierung mit einer chemischen Zusammensetzung ähnlich der obigen und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Dieses Herstellungsverfahren versucht, die Festigkeit des Druckgusses durch Niederhalten der in dem Druckguss der Aluminiumlegierung enthaltenen Gasmenge und Lösungsglühen der Legierung zu verbessern. Jedoch haben sich in Klimaanlagen vorgesehene Spiralen aus Aluminiumlegierung in den letzten Jahren zusammen mit der höheren Effizienz der Klimatisierung und Veränderungen in dem verwendeten Kältemittel geändert. Gerade mit den Verbesserungen des in der japanischen ungeprüften Patentveröffentlichung (Kokai) Nr. 2000-192180 beschriebenen Herstellungsverfahrens ist es nicht möglich, den Konstruktionsanforderungen von Spiralen aus Aluminiumlegierung zu genügen.
Auf dem Gebiet der Pulvermetallurgie ist weiter zum Beispiel aus dem US-Patent Nr. 5,722,036 eine Aluminiumlegierung bestehend aus 2,4 bis 23,5 Gew.-% Si, 2 bis 5 Gew.-% Cu, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Mg, 0,01 bis 1 Gew.-% eines Übergangsmetalls und Rest Al, wobei das Übergangsmetall ausgewählt ist aus Titan, Vanadium, Chrom, Mangan, Eisen, Kobalt, Nickel, Zirkonium und Niobium.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses vorzusehen, das Kapitalkosten niedrig hält, die Produktivität erhöht, die Lebensdauer der Guss- oder Druckgussform verlängert und die Kosten des Produkts reduziert. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses vorzusehen, der die Zugfestigkeit, die Umformfestigkeit, die Dauerfestigkeit, usw. des Aluminiumlegierungsgusses verbessert, Gießfehler reduziert und die Dispersionsfeinheit der Struktur erhöht. Es ist eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Spirale für eine Klimaanlage, einen Schaufelrotor einer Ventileinstellungs-Regulierungsvorrichtung und ein Gehäuse eines Antiblockierbremssystems aus diesem hochfesten Aluminiumlegierungsguss vorzusehen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses vorgesehen, mit den Schritten des Füllens einer Schmelze einer Aluminiumlegierung bestehend aus 7,5 bis 11,5 Gew.-% Si, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Cu, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Mg, 0,4 bis 0,7 Gew.-% Fe, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Mn und Rest Al sowie nicht mehr als 0,2 Gew.-% unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei diese Aluminiumlegierung 0,1 bis 1,0 Gew.-% wenigstens eines Elements enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe der Zusatzelemente, bestehend aus Rb, K, Ba, Sr, Zr, Nb, Ta, V und Pd und seltenen Erdmetallen, in eine Form, um einen Guss zu erhalten, des Entnehmens des Aluminiumlegierungsgusses aus der Form, des Lösungsglühens des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden, des Abschreckens des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses nach dem Lösungsglühen und des Kaltaushärtens des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden nach dem Abschrecken.
Vorzugsweise ist das Herstellungsverfahren ein Druckgussverfahren und weist ferner die Schritte des Schließens von Formhälften, des Gießens einer Aluminiumschmelze in eine Schmelzkammer einer Druckgussmaschine, dann des Benutzens eines Spritzkolbens zum Schließen eines Schmelzgießeinlasses der Druckgussmaschine und des Reduzierens des Drucks in der Form auf nicht mehr als 13,3 kPa und des Füllens einer hochfesten Aluminiumlegierung in die Form nach dem Reduzieren des Drucks auf.
Alternativ ist das Herstellungsverfahren ein Druckgussverfahren und weist ferner die Schritte des Schließens von Formhälften, des Gießens einer Aluminiumschmelze in eine Schmelzkammer einer Druckgussmaschine, dann des Benutzens eines Spritzkolbens zum Schließen eines Schmelzgießeinlasses der Druckgussmaschine und des Reduzierens des Drucks in der Form auf nicht mehr als 13,3 kPa, des Einstellens der Atmosphäre durch Einblasen von Sauerstoff eines Drucks von wenigstens Atmosphärendruck und des Füllens einer hochfesten Aluminiumlegierung in die Form nach dem Einstellen des Drucks auf.
Alternativ ist das Herstellungsverfahren ein Druckgussverfahren und weist ferner die Schritte des Schließens von Formhälften, des Gießens einer Aluminiumschmelze in eine Schmelzkammer einer Druckgussmaschine, dann des Verwendens eines Niedergeschwindigkeitsdruckgusses zum Füllen einer hochfesten Aluminiumlegierung in die Form, während ein Spritzkolben mit niedriger Geschwindigkeit vorgeschoben wird, um so Luft und Wärmezersetzungsgas, das aus einem Trennmittel erzeugt wird, davon abzuhalten, mitgerissen zu werden, auf.
Vorzugsweise ist das seltene Erdmetall wenigstens ein Element, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus La, Ce, Pr, Nb, Pm, Sm, Eu, Ga, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y und Sc.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und weitere Aufgaben und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen klarer. Darin zeigen:
1 eine Darstellung des Verteilungszustandes von Legierungsbestandteilen durch eine EPMA-Beobachtung für eine Aluminiumlegierung, der Ag hinzugefügt ist, und eine Legierung, der kein Ag hinzugefügt ist, als Vergleichsbeispiele;
2A und 2B die Festigkeiten eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses der vorliegenden Erfindung und eines herkömmlichen Materials, wobei 2A die relative Zugfestigkeit zeigt und 2B die relative Dauerfestigkeit zeigt;
3A bis 3C die Verbesserung der Festigkeit der Aluminiumlegierung einer Basiszusammensetzung durch Einstellen und Hinzufügen von Cu, Mg und Mn, wobei 3A die Zugabe von Cu zeigt, 3B die Zugabe von Mg zeigt und 3C die Zugabe von Mn zeigt;
4A und 4B die Beziehung zwischen dem Anteil der Bestandteile und der relativen Festigkeit, wobei 4A den Fall von Cu zeigt und 4B den Fall von Mg zeigt;
5 die Beziehung zwischen den Dimensionen von Gießfehlern und der Dauerfestigkeit,
6A und 6B Strukturen einer Aluminiumlegierung, die auf verschiedene Weise behandelt wurde, beobachtet durch EPMA, wobei 6A ein Vergleichsbeispiel zeigt, bei dem die Aluminiumlegierung nur einer T6-Behandlung unterzogen wird, und 6B ein Beispiel zeigt, bei welchem eine Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement einer T6-Behandlung unterzogen wird;
7 den Verteilungszustand von Mg- und Cu-Legierungsbestandteilen, der aus der Zugabe eines Gießfehler-Neutralisierungselements resultiert, durch eine EPMA-Beobachtung, wobei 7A das Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt und 7B ein Vergleichsbeispiel zeigt;
8 die Ergebnisse einer Analyse einer Wasserstoffemission durch Atmosphärendruckionisations-Massenspektrometrie (API-MS);
9 die Ergebnisse einer statistischen Extremwertverarbeitung von insgesamt 100 Gießfehlern für einen D10FM-Aluminiumlegierungsguss mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement und einen Legierungsguss ohne dieses;
10 die Ergebnisse eines Dauertests (Dauerfestigkeitskurve) in einer Umgebung einer Temperatur von 180°C für einen Guss mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement (NCDE) und einen Guss ohne dieses;
11A und 11B Fotografien einer Bruchfläche eines Startpunkts einer Zerstörung gemäß einem Dauertest, wobei 11A ein Vergleichsbeispiel zeigt und 11B das Beispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;
12A und 12B Darstellungen einer relativen Zugfestigkeit (12A) und einer relativen Dauerfestigkeit (12B) zwischen Beispielen, bei denen ein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist, und Vergleichsbeispielen, bei denen es nicht hinzugefügt ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren im Detail beschrieben.
Um die Festigkeit eines Aluminiumlegierungsgusses zu erhöhen, ist der erste hochfeste Aluminiumlegierungsguss eines Vergleichsbeispiels ein Legierungsguss aus einer Aluminiumlegierung, bestehend aus 7,5 bis 11,5 Gew.-% Si, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Cu, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Mg, 0,4 bis 0,7 Gew.-% Fe, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Mn und Rest Al sowie nicht mehr als 0,2 Gew.-% unvermeidbaren Verunreinigungen, der 0,1 bis 0,3 Gew.-% Ag hinzugefügt sind. Zuerst dispergieren in der vorliegenden Erfindung durch Einstellen der Mengen von Cu, Mg und Mn, wie in 3A bis 3C dargestellt, um die Festigkeit zu verbessern, und durch Hinzufügen einer geringen Menge Ag zu der Aluminiumlegierung der obigen Grundzusammensetzung die Verbindungen der in der Legierung enthaltenen Aushärteelemente, d.h. Cu, Mg und Si, feiner in der Legierung und härten aus, sodass es möglich ist, die Festigkeit des Aluminiumlegierungsgusses durch die feine Dispersion dieser Ausfällungen zu verbessern. Ferner ist zweitens durch Hinzufügen einer geringen Menge Ag zu der Aluminiumlegierung der obigen Grundzusammensetzung die Eisenguss-Nadelstruktur, welche eine Verringerung der Festigkeit bewirkt, falls sie in der Legierung gröber wird, feiner gemacht, sodass der Abfall der Festigkeit des Aluminiumlegierungsgusses unterdrückt werden kann. Ferner ist es drittens durch Hinzufügen einer geringen Menge Ag zu der Aluminiumlegierung der obigen Grundzusammensetzung möglich, die Festigkeit des Aluminiumlegierungsgusses zu verbessern.
Man beachte, dass, falls der Gehalt von Ag geringer als 0,1 Gew.-% ist, sein Beitrag zu der erhöhten Feinheit der Struktur des eutektischen Si, der erhöhten Feinheit der Fe-Nadelstruktur und der erhöhten Gleichmäßigkeit und Feinheit der aushärtenden Legierungen von Cu, Mg und Si zu klein ist. Falls der Gehalt von Ag über 0,3 Gew.-% liegt, verschwindet ferner der Beitrag zu der erhöhten Feinheit der Struktur des eutektischen Si, der erhöhten Feinheit der Fe-Nadelstruktur und der erhöhten Gleichförmigkeit und Feinheit der aushärtenden Legierungen von Cu, Mg und Si beinahe vollständig. Deshalb ist die Menge des zu der Aluminiumlegierung hinzugefügten Ag auf den Bereich von 0,1 bis 0,3 Gew.-% beschränkt. Ferner betragen die unvermeidbaren Verunreinigungen vorzugsweise nicht mehr als 0,2 Gew.-%.
Ferner wird die Menge des in dem Aluminiumlegierungsguss enthaltenen Gases auf nicht mehr als 1,5 cm³, vorzugsweise nicht mehr als 0,5 cm³, bezüglich 100 g der hochfesten Aluminiumlegierung gehalten und ein Lösungsglühen und Kaltaushärten wird durchgeführt. Durch Definieren der Gasmenge in dem Aluminiumlegierungsguss gibt es selbst bei der Durchführung des als nächstes erläuterten langen Hochtemperatur-Lösungsglühens und Kaltaushärtens keinen Fall, in dem sich mitgerissenes Gas ausdehnt und Gussblasen verursacht, welche einen Abfall der Festigkeit des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses bewirken.
Um weiter die Festigkeit des Aluminiumlegierungsgusses zu erhöhen, wird der hochfeste Aluminiumlegierungsguss durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden angelöst, dann abgeschreckt und dann weiter durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden kaltausgehärtet. Durch Lösungsglühen des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses unter den obigen Bedingungen dispergieren die Verbindungen der in der Legierung enthaltenen Aushärteelemente, d.h. Cu, Mg und Si, zusammen mit dem Ag der geringen Menge des Zusatzelements fein und gleichmäßig, sodass das Aushärten des Aluminiumlegierungsgusses verbessert wird. Ferner wird durch Abschrecken nach dem Lösungsglühen und dann Kaltaushärten die Struktur des eutektischen Si, die durch das Ag des Zusatzelements in der Legierung feiner gemacht ist, körniger, sodass der Aluminiumlegierungsguss weiter verfestigt wird. Als obiges Abschrecken werden zusätzlich zu Abschrecken mit Wasser, auch Abschrecken mit Öl, Abschrecken mit Öl-Wasser-Emulsion, usw. eingesetzt.
Man beachte, dass in dem hochfesten Aluminiumlegierungsguss, falls die Menge des in diesem hochfesten Aluminiumlegierungsguss enthaltenen Gases 1,5 cm³ bezüglich 100 g des Legierungsgusses übersteigt, in dem Guss eine Gussblasenbildung stattfindet und der Guss während des Anlösens bei etwa 500°C für 6 Stunden verformt wird. Deshalb ist die Menge des in dem hochfesten Aluminiumlegierungsguss enthaltenen Gases auf nicht mehr als 1,5 cm³ bezüglich 100 g des Legierungsgusses gemacht. Ferner ist es durch Reduzieren des Drucks in der Form der Druckgussmaschine auf nicht mehr als 13,3 kPa oder dann Einblasen von Sauerstoff eines Drucks von wenigstens Atmosphärendruck in die Form möglich, die Menge des in dem Aluminiumlegierungsguss enthaltenen Gases auf nicht mehr als 1,5 cm³ bezüglich 100 g der hochfesten Aluminiumlegierung zu halten. Ferner ist es auch möglich, dies in dem Verfahren des Schließens von Formhälften, des Gießens einer Aluminiumschmelze in eine Schmelzkammer einer Druckgussmaschine, dann des langsamen Vorschiebens eines Spritzkolbens, um so zu verhindern, dass Luft, aus dem Trennmittel erzeugtes Wärmezersetzungsgas, Schmiermittel, usw. in dem Hohlraum mitgerissen wird, wenn eine hochfeste Aluminiumlegierung in die Form gefüllt wird, zu unterdrücken.
Der lösungsgeglühte und kaltausgehärtete hochfeste Aluminiumlegierungsguss der vorliegenden Erfindung hat eutektisches Si einer Teilchengröße von durchschnittlich nicht mehr als 12 μm, eine Cu-Verbindung einer Teilchengröße von nicht mehr als durchschnittlich 8 μm, eine Mg-Si-Verbindung einer Teilchengröße von nicht mehr als durchschnittlich 12 μm und eine Fe-Verbindung einer Teilchengröße von nicht mehr als durchschnittlich 6 μm. Durch Verleihen des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses mit Ag die obige Teilchengröße durch das obige Lösungsglühen und Kaltaushärten war es möglich, die Zugfestigkeit, die Umformfestigkeit und die Dauerfestigkeit um etwa 5 bis 10% im Vergleich zu einem herkömmlichen Aluminiumlegierungsguss ohne Ag, aber mit Legierungsbestandteilen äquivalent zu diesem Vergleichsbeispiel zu verbessern.
Der hochfeste Aluminiumlegierungsguss der vorliegenden Erfindung erzielt eine Verbesserung der Festigkeit und eine Reduzierung der Festigkeitsschwankungen des Aluminiumlegierungsgusses durch Reduzieren der Gießfehler des gegossenen oder druckgegossenen Aluminiumlegierungsgusses, Gleichmäßiger-Machen der Struktur und Feiner-dispergiert-Machen der Struktur und Hinzufügen geeigneter Mengen Cu und Mg.
Als Verfahren des Reduzierens der Gießfehler des Aluminiumlegierungsgusses gibt es 1) das Verfahren des Evakuierens der Luft und des Gases des Trennmittels, usw. in dem Hohlraum zum Unterdrücken von Mitreißfehlern und das Füllen der Aluminiumlegierungsschmelze in den Hohlraum mit einer geringen Geschwindigkeit sowie 2) eine lokale Druckbeaufschlagung zum Unterdrücken von Einfallstellen. Diese Fehlerverhinderungstechniken sind jedoch dahingehend problematisch, dass die Gusstechnologie schwierig ist. Es ist schwierig, Fehler nur durch die Gusstechnologie niederzuhalten. Um solche Fehler zu verhindern, besteht die Lösung darin, zu dem Gussmaterial hinzuzufügen:

(1) eine geringe Menge eines seltenen Erdmetalls, das eine Verbindung mit dem die Hohlraumfehler bildenden Wasserstoff bilden kann, und
(2) eine geringe Menge eines seltenen Erdmetalls zum Dispergieren des Gases und Niederhalten der offensichtlichen Fehlerdimensionen durch Erhöhen der Feinheit der Dispersion des sich langsam verfestigenden eutektischen Si durch das seltene Erdmetall, d.h. Erhöhen der Feinheit der Teile eutektischen Si, wo sich Gasbestandteile in dem Prozess der Verfestigung leicht gesammelt haben.

Ferner existiert als Verfahren zum Verfestigen der Aluminiumlegierung das Verfahren des Erhöhens der Gleichmäßigkeit der Struktur und des Erhöhens der Dispersionsfeinheit der Struktur des Aluminiumlegierungsgusses. Als Stand der Technik gibt es den Zusatz von Bestandteilen wie beispielsweise Ti, Ca, Zr, Na, Sr, usw. Diese Verfahren sind auf das Erhöhen der Feinheit des eutektischen Kristalls und des α-Kristalls gerichtet. Ferner ist es zum Verfestigen der Legierung notwendig, geeignete Mengen der Aushärtungsbestandteile Cu und Mg hinzuzufügen, aber es ist schwierig, das Cu und Mg gleichmäßig in dem Guss dispergieren zu lassen. Beim Hinzufügen wenigstens einer gewissen Menge Cu gibt es den nachteiligen Effekt, dass der Guss während des Gießens leicht platzen kann. Um mit diesem Problem fertig zu werden, ist es durch Hinzufügen eines seltenen Erdmetalls möglich, die Dispersionsfeinheit von Cu und Mg zu erhöhen und die Festigkeit an der Struktur oberfläche mehr zu erhöhen. Ferner ist es bekannt, dass es möglich ist, in der Nadelstruktur des die Festigkeit verhindernden Elements Fe durch Hinzufügen eines gewissen Anteils Mn Klumpen zu bilden, aber wenn es möglich wäre, die Gleichmäßigkeit zu erhöhen und die Feinheit der Verteilung zu erhöhen, würde sich das Fe nicht lokal sammeln und würde schädlich werden. Ein seltenes Erdmetall ist auch für dieses Problem effektiv.
Durch Hinzufügen geringer Mengen seltener Erdmetalle, die Hydridverbindungen mit eingeschmolzenem Wasserstoff bilden können, und Gießfehler-Neutralisierungselementen aus einer zweiten Gruppe von Zusatzelementen von Rb, K, Ba, Sr, Zr, Nb, Ta, V und Pd beim Gießen oder Druckgießen der Aluminiumlegierung werden eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Struktur und eine erhöhte Dispersionsfeinheit erzielt und die Festigkeit des Aluminiumlegierungsgusses wird auffallend verbessert.
Um das obige Problem zu lösen, enthält der hochfeste Aluminiumlegierungsguss der vorliegenden Erfindung 0,1 bis 1,0 Gew.-% wenigstens einer Art eines Gießfehler-Neutralisierungselements (NCDE) der Gruppe von zweiten Zusatzelementen Rb, K, Ba, Sr, Zr, Nb, Ta, V und Pd sowie seltenen Erdmetallen. Während des Gießens oder Druckgießens hält das Gießfehler-Neutralisierungselement (NCDE) die wegen des eingeschmolzenen Wasserstoffes auftretenden Gießfehler durch Bilden eines Hydrids mit dem eingeschmolzenen Wasserstoff in der Aluminiumlegierung nieder. Die Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung enthält 7,5 bis 11,5 Gew.-% Si, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Cu, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Mg, 0,4 bis 0,7 Gew.-% Fe, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0,2 Gew.-% unvermeidbare Verunreinigungen und den Rest Al. Die Menge des in dem hochfesten Aluminiumlegierungsguss der vorliegenden Erfindung enthaltenen Gases wird auf den Bereich von 0,5 bis 1,5 cm³ bezüglich 100 g des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses gedrückt und ein Lösungsglühen und Kaltaushärten werden ausgeführt, um die Festigkeit zu verbessern. Ferner wird der hochfeste Aluminiumlegierungsguss der vorliegenden Erfindung durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden lösungsgeglüht, dann abgeschreckt und dann weiter durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden kaltausgehärtet. Der lösungsgeglühte und kaltausgehärtete hochfeste Aluminiumlegierungsguss der vorliegenden Erfindung besitzt eutektisches Si einer Teilchengröße von durch schnittlich nicht mehr als 12 μm, eine Cu-Verbindung einer Teilchengröße von nicht mehr als durchschnittlich 8 μm, eine Mg-Si-Verbindung einer Teilchengröße von nicht mehr als durchschnittlich 12 μm und eine Fe-Verbindung einer Teilchengröße von nicht mehr als durchschnittlich 6 μm.
Wie in 4A und 4B dargestellt, ist der Anteil Mg stark beeinflussend auf die Festigkeit. Falls zu groß oder zu klein, sinkt die Festigkeit. Um eine höhere Festigkeit zu erzielen, ist Cu ferner auf 3,8 bis 4,8 Gew.-% und Mg auf 0,45 bis 0,65 Gew.-% beschränkt.
Um das obige Problem zu lösen, weist das Herstellungsverfahren eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses der vorliegenden Erfindung die Schritte des Lösungsglühens eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden, des Abschreckens des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses mit Wasser nach dem Lösungsglühen und des Kaltaushärtens des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden nach dem Wasserhärten auf.
Ferner ist eine Spirale für einen Kompressor einer Klimaanlage der vorliegenden Erfindung aus diesem hochfesten Aluminiumlegierungsguss gemacht. Das Herstellungsverfahren einer Spirale für einen Kompressor einer Klimaanlage weist die Schritte des Reduzierens des Drucks in der Form auf nicht mehr als 13,3 kPa und des Füllens der Form mit der hochfesten Aluminiumlegierung nach der Reduzierung des Drucks für den Druckguss oder den Schritt des Schließens von Formhälften, des Gießens einer Aluminiumschmelze in eine Schmelzkammer einer Druckgussmaschine, dann Füllen der hochfesten Aluminiumlegierung in die Form während des Vorschiebens eines Spritzkolbens mit einer niedrigen Geschwindigkeit, um so Luft, von einem Trennmittel erzeugtes Wärmezersetzungsgas, usw. vom Mitreißen abzuhalten, auf. Ferner weist das Herstellungsverfahren der Spirale die Schritte des Reduzierens des Drucks in der Form auf nicht mehr als 13,3 kPa, des Einstellens der Atmosphäre durch Einblasen von Sauerstoff eines Drucks von wenigstens Atmosphärendruck und des Füllens einer hochfesten Aluminiumlegierung in die Form nach dem Einstellen des Drucks auf.
Wie in 5 dargestellt, ist in dem Bereich, in dem Gießfehlerdimensionen, die eine starke Wechselbeziehung zu der Gasmenge haben, klein sind, die Festigkeit empfindlich, während unter der Grenze der Gießfehlerdimension die Festigkeit nicht durch einen Gießfehler beeinflusst wird. In der vorliegenden Erfindung ist es durch Hinzufügen eines Seltenerdmetalls zu einem Druckgussmaterial mit einer auf weniger als 1,5 cm³ pro 100 g Al gehaltenen Gasmenge möglich, die Gießfehlerdimensionen klein genug zu machen, um so die Festigkeit nicht zu beeinflussen. Als Ergebnis werden eine Verbesserung der Festigkeit und eine Verringerung der Festigkeitsschwankungen erzielt.
Nun zu speziellen Beispielen, besitzt eine Aluminiumlegierung des Vergleichsbeispiels, die zum Verbessern der Festigkeit des Legierungsgusses vorbereitet ist, eine chemische Grundzusammensetzung von 10,5 Gew.-% Si 4,5 Gew.-% Cu, 0,6 Gew.-% Mg, 0,5 Gew.-% Fe, 0,4 Gew.-% Mn, unvermeidbare Verunreinigungen und einen Rest Al sowie auch 0,2 Gew.-% Ag. Als Aluminiumlegierung eines weiteren Vergleichsbeispiels wurde die Grundzusammensetzung ohne Ag vorbereitet.
Diese Legierungen wurden durch eine herkömmliche Druckgussmaschine druckgegossen. Die Verteilungszustände der Legierungsbestandteile wurden durch EPMA beobachtet. 1 zeigt den Verteilungszustand der Legierungsbestandteile durch Beobachtung durch EPMA für die Aluminiumlegierung mit hinzugefügtem Ag und der Legierung ohne hinzugefügtes Ag des Vergleichsbeispiels.
In „a" von 1 zeigte die Verteilung des eutektischen Si der Probe ohne hinzugefügtes Ag des Vergleichsbeispiels relativ grobes eutektisches Si. Andererseits zeigt in „e" von 1 die Verteilung des eutektischen Si der Ag enthaltenden Probe eutektisches Si mit größerer Feinheit. Ferner zeigen die Verteilungen der Cu-Verbindung, der Mg-Si-Verbindung und der Fe-Verbindung der Probe ohne hinzugefügtes Ag des Vergleichsbeispiels eine lokale Verteilung relativ grober Partikel. Da insbesondere die Aushärtebestandteile der Cu-Verbindung und der Mg-Si-Verbindung gröber und lokal verteilt werden, bewirken sie einen Abfall und eine Schwankung der Festigkeit. Falls insbesondere die Menge Cu zu viel erhöht wird, tritt das Problem des Brechens während des Gießens auf, aber indem die Verteilung der Cu-Verteilung gleichmäßiger gemacht wird, entsteht das Problem des Brechens nicht einfach, selbst wenn der Anteil von Cu relativ höher gemacht wird. Ferner zeigt die Verteilung der Fe-Verbindungen eine relativ lange Nadelstruktur. Andererseits neigen in „f", „g" und „h" von 1 die Verteilungen der Cu-Verbindung, der Mg-Si-Verbindung und der Fe-Verbindung der Ag enthaltenden Probe zu gleichmäßigen Verteilungen feiner Partikel. Da die Aushärteelemente Cu und Mg feiner sind und gleichmäßig verteilt sind, ist es möglich, die Festigkeit zu erhöhen und die Festigkeitsschwankungen zu reduzieren. Ferner bewirkt die Verteilung des Fe beinahe keine schädlichen Nadelstrukturen aufgrund des Synergieeffekts des größeren Klumpens wegen der Zugabe von Mn und der durch die Zugabe von Ag verursachten Zerstreuung von Fe.
Beispiel 1
Eine Legierung mit 10,5 Gew.-% Si, 4,5 Gew.-% Cu, 0,6 Gew.-% Mg, 0,5 Gew.-% Fe, 0,4 Gew.-% Mn, unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Al und ferner mit 0,2 Gew.-% Ag wurde vorbereitet (Vergleichsbeispiel).
Eine Schmelze der Aluminiumlegierung wurde in eine Spirale für einen Kompressor einer Klimaanlage mittels einer herkömmlichen Druckgussmaschine druckgegossen. Nach Entfernen aus der Form wurde der Guss der Spirale der Aluminiumlegierung durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden lösungsgeglüht. Der lösungsgeglühte Guss der Spirale wurde dann in dem vorliegenden Beispiel wassergehärtet. Nach dem Wasserhärten wurde der Guss der Spirale durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden kaltgehärtet. Der erhaltene Guss der Spirale für einen Kompressor einer Klimaanlage konnte in Zugfestigkeit, Umformfestigkeit und Dauerfestigkeit um etwa 5 bis 15% erhöht werden.
Beispiel 2
In diesem Ausführungsbeispiel wurde zuerst das Innere der Form einer Druckgussmaschine im Druck auf nicht mehr als 13,3 kPa (100 Torr) mittels einer Vakuumpumpe reduziert. Der aus der Form entnommene Guss der Spirale der Aluminiumlegierung wurde wie in Beispiel 1 durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden lösungsgeglüht und dann im vorliegenden Beispiel wassergehärtet und durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden kaltausgehärtet. Auch beim Unterziehen des erhaltenen Gusses der Spirale für einen Kompressor einer Klimaanlage der obigen hohen Temperatur, dem langen Lösungsglühen und Kaltaushärten, wurde das Mitreißen des Gases durch Evakuieren des Innern der Form beim Druckgießen unterdrückt, sodass es weniger Blasenbildung und kein Problem eines Abfalls der Festigkeit gab.
Beispiel 3
In diesem Beispiel wurde auf die gleiche Weise wie in Beispiel 2 die Atmosphäre durch Reduzieren des Drucks in der Form der Druckgussmaschine auf nicht mehr als 13,3 kPa (100 Torr) mittels einer Vakuumpumpe, dann Einblasen von Sauerstoff mit wenigstens Atmosphärendruck in die Form eingestellt. Die Schmelze der in Beispiel 1 gezeigten Aluminiumlegierung wurde in die Form gefüllt, um eine Spirale eines Kompressors einer Klimaanlage druckzugießen. Der aus der Form entnommene Guss der Spirale einer Aluminiumlegierung wurde wie in Beispiel 1 durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden lösungsgeglüht und dann im vorliegenden Beispiel wassergekühlt und durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden kaltausgehärtet. Selbst beim Unterziehen des erhaltenen Gusses der Spirale für einen Kompressor einer Klimaanlage der obigen hohen Temperatur, dem langen Lösungsglühen und Kaltaushärten, wurde das Mitreißen von Gas durch Evakuieren des Innern der Form und Einblasen von Sauerstoff beim Druckgießen unterdrückt, sodass es weniger Blasenbildung gab und das Problem des Abfalls der Festigkeit nicht auftrat.
Der Grund für das Auftreten von ersten Gießfehlern sind die Blasen, die durch das Mitreißen des Gases im Hohlraum in der Schmelze beim Einfüllen einer Aluminiumlegierungsschmelze in einen Hohlraum einer Form einer Druckgussmaschine mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck verursacht werden, d.h. diese sind Gießfehler, die durch Gas in dem Hohlraum verursacht werden. Der Grund für das Auftreten von zweiten Gießfehlern ist die Feuchtigkeit in der Form (Gießform) und die Feuchtigkeit des Trennmittels, usw., das mit der Schmelze der Aluminiumlegierung reagiert, um Wasserstoff in der Schmelze zu erzeugen, welches dann während des Verfestigungsprozesses in dem Produkt als Blasen eingeschlossen wird. D.h. diese sind Gießfehler, die durch während des Einfüllens in der Schmelze erzeugten eingeschmolzenen Wasserstoff verursacht werden.
Die aufgetretenen Gießfehler, insbesondere die aufgetretenen Hohlraumfehler enthalten Mitreißhohlräume aufgrund des Mitreißens von Luft und Wärmezersetzungsgasen, die von dem Trennmittel, usw. erzeugt werden, sowie beim Verfestigungsprozess des Aluminiums oder eines anderen Leichtmetalls in einer Form entstehende Einfallstellen. Der Ansatz zum Reduzieren der ersten Gießfehler, die durch Gas in dem Hohlraum verursacht werden, ist allgemein die Verbesserung des Gießverfahrens. Jedoch führt das Reduzieren der Gießfehler durch eine Verbesserung des Gießverfahrens nicht nur zu einem Preisanstieg des Druckgusses, sondern erfordert auch Einschränkungen in der Form des Produkts. Ferner gibt es Grenzen der Größe der Gießfehler, die durch eine Verbesserung des Gießverfahrens reduziert werden können. Derzeit ist es beinahe unmöglich, Gießfehler einer Größe von weniger als 100 μm zu beseitigen. Als Verfahren zum Reduzieren von Gießfehlern eines Aluminiumlegierungsgusses gibt es zum Zeitpunkt des Gießens 1) das Verfahren des Evakuierens der Luft, des Gases des Trennmittels, usw. in dem Hohlraum zum Unterdrücken von Mitreißhohlräumen und des Füllens der Aluminiumlegierungsschmelze in den Hohlraum mit einer geringen Geschwindigkeit, sowie 2) das Verfahren einer lokalen Druckbeaufschlagung zum Unterdrücken von Einfallstellen. Diese Techniken zum Verhindern von Fehlern leiden jedoch an dem Problem der Schwierigkeit in der Gusstechnologie. Es ist schwierig, Fehler durch gerade die Gusstechnik zu unterdrücken. Um solche Fehler zu verhindern, wird

(1) eine geringe Menge eines Seltenerdmetalls, welches eines Verbindung mit dem die Hohlraumfehler bildenden Wasserstoff bilden kann, hinzugefügt, und
(2) die Dispersionsfeinheit des sich langsam verfestigenden eutektischen Si durch das seltene Erdmetall erhöht, was zu einer erhöhten Feinheit des Teils eutektischen Si führt, wo sich Gasbestandteile in dem Verfestigungsprozess leicht sammeln, wodurch

Strukturbeobachtung
Zuerst werden die Ergebnisse einer Beobachtung der Strukturen eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses eines Beispiels der vorliegenden Erfindung, das ein Gießfehler-Neutralisierungselement enthält und einer T6-Behandlung unterzogen wurde (dargestellt in 6B), und eines Legierungsgusses eines Vergleichsbeispiels, das kein Gießfehler-Neutralisierungselement enthält und einer T6-Behandlung unterzogen wurde (dargestellt in 6A), gezeigt.
Die Aluminiumlegierungen des Beispiels der vorliegenden Erfindung und eines Vergleichsbeispiels enthalten 9,5 bis 11,5 Gew.-% Si, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Cu, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Mg, 0,4 bis 0,7 Gew.-% Fe, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Mn, nicht mehr als 0,2 Gew.-% unvermeidbare Verunreinigungen und Rest Al. Ferner enthält die hochfeste Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung 0,1 bis 1,0 Gew.-% wenigstens eines Typs eines Gießfehler-Neutralisierungselements, das ausgewählt ist aus der Gruppe von Rb, K, Ba, Sr, Zr, Nb, Ta, V, Pd, La und Ce. Um die erhöhte Dispersion und erhöhte Feinheit des eutektischen Si in der Aluminiumlegierung des Beispiels der vorliegenden Erfindung und des Vergleichsbeispiels zu studieren, wurden die Strukturen durch EPMA geprüft. 6 zeigt die mit EPMA beobachteten Strukturen der Aluminiumlegierungen des Beispiels der vorliegenden Erfindung und des Vergleichsbeispiels, die einer T6-Behandlung unterzogen wurden. 6A zeigt ein Vergleichsbeispiel der obigen Aluminiumlegierung, die nur einer T6-Behandlung unterzogen wurde. Es wurde eutektisches Si einer relativ groben Nadelstruktur beobachtet. 6B zeigt ein Beispiel einer Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement, die einer T6-Behandlung unterzogen wurde. Es wurde eutektisches Si frei von irgendeiner Nadelstruktur, von erhöhter Feinheit und erhöhter Dispersion beobachtet. Aus den Ergebnissen in dem Beispiel einer Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung, dem ein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist und das einer T6-Behandlung unterzogen wurde, wurde beobachtet, dass es einen Effekt erhöhter Feinheit und erhöhter Dispersion an den Legierungsbestandteilen Cu, Mg, Mn und Fe gab.
Aufgrund der erhöhten Feinheit und der erhöhten Dispersion wegen dieser Legierungsbestandteile ermöglicht die Zugabe eines Gießfehler-Neutralisierungselements eine Verbesserung der Festigkeit und eine Reduzierung der Schwankungen der Festigkeit eines Aluminiumlegierungsgusses. 7A und 7B zeigen die Beobachtungsergebnisse des Verteilungszustandes der Legierungsbestandteile Mg und Cu aufgrund der Zugabe oder Abwesenheit eines Gießfehler-Neutralisierungselements mittels EPMA. In den Ausführungsbeispielen, wo ein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt wurde, wurden im Vergleich zu dem Vergleichsbeispiel (7A) ohne irgendein Gießfehler-Neutralisierungselement bei beiden Legierungsbestandteilen Mg und Cu erhöhte Feinheit und erhöhte Dispersion festgestellt.
Als nächstes wurde, um die Herstellung eines Hydrids durch ein Gießfehler-Neutralisierungselement klarer zu bestätigen, eine Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS) benutzt, um zu versuchen, irgendein Hydrid (HGE-H₃) und Aluminiumhydrid (HGE (H₄Al)₃) zu erfassen. Ferner wurde eine Analyse eingeschmolzenen Gases durch eine Atmosphärendruckionisations-Massenspektrometrie (API-MS) durchgeführt.
Gießfehler-Neutralisierungselemente und Hydrid
Die Analyseergebnisse der Gasmenge eines Gusses, dem ein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist, und eines Gusses ohne einen solchen Zusatz unter Verwendung des Lansley-Verfahrens (Tabelle 1) werden als nächstes erläutert. Die Gasmenge betrug 0,4 bis 0,5 cm³ je 100 g Al oder keinen Unterschied zwischen einem Guss ohne Zugabe und einem Guss mit Zugabe. Wenn jedoch eine statistische Bearbeitung durchgeführt wurde und die Größe der an den Gussflächen auftretenden Hohlraumfehler untersucht wurde, wurde ein Effekt der Reduzierung der Fehlerdimensionen beobachtet, wie in 8 dargestellt. Bezüglich der Ergebnisse wurde in den Ergebnissen der Sekundärionen-Massenspektrometrie ein Spitzenwert entsprechend dem Gießfehler-Neutralisierungselement für die Legierung beobachtet, der das Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt wurde, Ergebnisse der Massenspektrometrie des Gießfehler-Neutralisierungselements H₃ entsprechend einer Wasserstoffverbindung wurden erhalten, und es wurde bestätigt, dass der Wasserstoff in dem Aluminium in dem Gießfehler-Neutralisierungselement gespeichert wurde. Um dies zu bestätigen, wurde ferner eine Atmosphärendruckionisations-Massenspektrometrie (API-MS) für eine Wasserstoffemissionsanalyse (8) benutzt, woraufhin festgestellt wurde, dass die Spitzentemperatur für die Wasserstoffemission für einen Guss ohne hinzugefügtes Gießfehler-Neutralisierungselement nahe 220°C war, während die Spitzentemperatur für einen Guss mit hinzugefügtem Gießfehler-Neutralisierungselement zu etwa 350°C verschoben war. Auch hieraus ergibt sich, dass sich die Form, durch welche der Fehler bewirkende Wasserstoff integriert wird, aufgrund der Zugabe eines Gießfehler-Neutralisierungselements verändert.
Hydrid und eingeschmolzenes Gas

Das Hydrid und eingeschmolzenes Gas eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement eines Beispiels der vorliegenden Erfindung und eines Gusses ohne Gießfehler-Neutralisierungselement eines Vergleichsbeispiels werden nachfolgend gezeigt. Die Ergebnisse der Gesamtgasanalyse der Aluminiumlegierungsgusse aus der Auswertung sind in Tabelle 1 gezeigt. TABELLE 1: Ergebnisse der Gesamtgasanalyse

Art der Legierung	Wasserstoff (cc/100 g)	andere Gase (cc/100 g)
Vergleichsbeispiel (ohne Gießfehler-Neutralisierungselement) T6	0,40	< 0,01
Erfindungsbeispiel (mit Gießfehler-Neutralisierungselement) T6	0,50	< 0,01

Das in dem Aluminiumlegierungsguss enthaltene Gas war sowohl im Erfindungsbeispiel mit dem Gießfehler-Neutralisierungselement als auch im Vergleichsbeispiel ohne dieses hauptsächlich Wasserstoff. Die Gesamtgasmengen waren ebenfalls im wesentlichen die gleichen. 8 zeigt die Analyseergebnisse der Wasserstoffemission durch die Atmosphärendruckionisations-Massenspektrometrie (API-MS). Aus den Ergebnissen der Wasserstoffemission von 8 stieg die Wasserstoffemissions-Spitzentemperatur der Legierung, der das Gießfehler-Neutralisierungselement (NCDE) hinzugefügt wurde, auf der Hochtemperaturseite stark an. Dies zeigt wahrscheinlich an, dass die Wasserstoffemissions-Spitzentemperatur aufgrund der Veränderung der Wasserstoffeinfangstellen aufgrund der Zugabe des Gießfehler-Neutralisierungselements (NCDE) anstieg. Zusammen mit der Messung einer Spitze des Gießfehler-Neutralisierungselements und von Spitzen entsprechend dem Gießfehler-Neutralisierungselement und unter der Annahme, dass H₃ das Ergebnis des Einfangens des Wasserstoffs ist, wird angenommen, dass der in der Schmelze der Aluminiumlegierung vorhandene oder während des Füllens der Schmelze erzeugte Wasserstoff sich mit dem Gießfehler-Neutralisierungselement verbindet, was in der Bildung eines Hydrids resultiert.
Gießfehler
Die Größe der Gießfehler eines Gusses der vorliegenden Erfindung mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement und einem Guss eines Vergleichsbeispiels ohne ein Gießfehler-Neutralisierungselement sind unten dargestellt. 9 zeigt die Ergebnisse einer statistischen Extremwertbearbeitung von insgesamt 100 Gießfehlern für einen Guss eines Erfindungsbeispiels mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement und einen Guss eines Vergleichsbeispiels ohne dieses. In 9 zeigte die Extremwertstatistik eines Gusses des Erfindungsbeispiels, dem das Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist, im Vergleich zu der Extremwertstatistik eines Gusses des Vergleichsbeispiels, dem das Gießfehler-Neutralisierungselement nicht hinzugefügt ist, eine Änderung in der Verteilung der Gießfehler und eine Reduzierung in den Dimensionen der Gießfehler. Die maximale Fehlerdimension je zehn Gussproben des Erfindungsbeispiels, denen das Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt wurde, betrug 60 μm, während die maximale Fehlerdimension je zehn Gussproben des Vergleichsbeispiels, denen kein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt wurde, 145 μm betrug. D.h. die maximale Fehlerdimension der Gussprobe des Erfindungsbeispiels, der das Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt wurde, wurde auf weniger als die Hälfte der maximalen Fehlerdimension der Gussprobe des Vergleichsbeispiels, der kein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt wurde, reduziert. Deshalb wurde durch Hinzufügen eines Gießfehler-Neutralisierungselements zu der Aluminiumlegierung beobachtet, dass die Gussstruktur verbessert wurde und dadurch die Gießfehler verringert wurden.
Dauertest
10 zeigt die Ergebnisse eines Dauertests (Dauerfestigkeitskurve) in einer Umgebung einer Temperatur von 150°C für einen Guss eines Erfindungsbeispiels mit einem Gießfehler-Neutralisierungselement und einen Guss eines Vergleichs beispiels ohne dieses. Die Dauerfestigkeit der Gussprobe des Erfindungsbeispiels, der ein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist, zeigte eine Verringerung der Schwankung der Dauerfestigkeit und eine Verbesserung der Dauerfestigkeit im Vergleich zu der Dauerfestigkeit einer Gussprobe des Vergleichsbeispiels, wo kein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist. Eine Fotografie der Bruchfläche eines Startpunktes einer Zerstörung in einem Dauertest ist in 11 gezeigt. Bei allen beobachteten Bruchflächen hat die Gussprobe, der kein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist, einen Startpunkt eines Hohlraumfehlers von etwa 100 bis 150 μm, während die Gussprobe mit dem hinzugefügten Gießfehler-Neutralisierungselement von der Matrix ohne Starten von einem Gießfehler zerstört wurde. In der Gussprobe, der das Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist, entstand die Zerstörung von der Matrix aufgrund der Gießfehler, die über die gesamte Matrix feiner werden.
Im Vergleich zu der Gussprobe ohne hinzugefügtes Element war die Gussprobe, der das Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt wurde, in der Festigkeit um 7% verbessert und in Schwankungen der Festigkeit um wenigstens 40% verbessert.
Festigkeitseigenschaften
Die relative Zugfestigkeit und die relative Dauerfestigkeit der Aluminiumlegierungsgüsse der Beispiele der vorliegenden Erfindung, denen Gießfehler-Neutralisierungselemente hinzugefügt sind, und der Vergleichsbeispiele sind in 12A und 12B dargestellt. Als Beispiele einer Anwendung des Materials der Beispiele der vorliegenden Erfindung sind eine Spirale eines Kompressors einer Klimaanlage wie beispielsweise eines Spiralkompressors oder CO₂-Kompressors, ein Schaufelrotor in einer in einem Antriebsgetriebesystem zum Übertragen einer Antriebskraft von einer Antriebswelle eines Verbrennungsmotors zu einer angetriebenen Welle, welche ein Ansaugventil oder Abgasventils eines Verbrennungsmotor öffnet und schließt, vorgesehener Ventileinstellungs-Reguliervorrichtung, ein Gehäuse von Chassis-Teilen wie beispielsweise eines Antiblockierbremssystems, usw. Die relative Zugfestigkeit eines Aluminiumlegierungsgusses, dem ein Gießfehler-Neutralisierungselement der vorliegenden Erfindung hinzugefügt ist, erreicht 1,5 und die relative Dauerfestigkeit erreicht 1,2. Der Legierungsguss der vorliegenden Erfindung ist mit extrem hohen Festigkeitseigenschaften versehen.
Die Effekte der Erfindung zusammenfassend, kann der erste Legierungsguss des Vergleichsbeispiels einen hochfesten Aluminiumlegierungsguss geben, bei dem durch die Zugabe einer winzigen Menge Ag zu der Aluminiumlegierung eine erhöhte Feinheit der Kristallisationslegierungselemente und der Aushärtungselemente erzielt wird.
Wie in 2A dargestellt, zeigt der hochfeste Aluminiumlegierungsguss, dem Ag hinzugefügt ist und der einer T6-Wärmebehandlung unterzogen wird, im Vergleich zu einem herkömmlichen Material, das einer T5-Behandlung unterzogen wird, eine 1,47-mal größere relative Zugfestigkeit. Ferner zeigt, wie in 2B dargestellt, ein hochfester Aluminiumlegierungsguss, dem Ag hinzugefügt ist und der einer T6-Wärmebehandlung unterzogen wird, im Vergleich zu einem herkömmlichen Material, das einer T6-Wärmebehandlung unterzogen wird und kein Ag enthält, das 1,2-fache der relativen Zugfestigkeit und der relativen Dauerfestigkeit.
Ferner werden in dem ersten Legierungsguss eine erhöhte Feinheit und erhöhte Gleichmäßigkeit der Gussstruktur erzielt, wodurch der Aluminiumlegierungsguss der vorliegenden Erfindung sowohl eine Verbesserung der Festigkeit als auch eine Reduzierung der Schwankung der Festigkeit erzielt.
Die Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung, der ein Gießfehler-Neutralisierungselement hinzugefügt ist, ist kostengünstig. Ferner ermöglicht die Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung eine Reduzierung der Gießfehler beim Druckguss unabhängig von der Form des Produkts und erzielt eine erhöhte Feinheit und größere Gleichmäßigkeit der Gussstruktur, wodurch der Aluminiumlegierungsguss der vorliegenden Erfindung sowohl eine Verbesserung der Festigkeit als auch eine Reduzierung der Festigkeitsschwankungen erzielen kann.
Während die Erfindung unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben worden ist, die zu Veranschaulichungszwecken ausgewählt wurden, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass zahlreiche Modifikationen daran ausgeführt werden können, ohne das Grundkonzept und den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines hochfesten Aluminiumlegierungsgusses, mit den Schritten: Füllen einer Schmelze einer Aluminiumlegierung aus 7,5 bis 11,5 Gew.-% Si, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Cu, 0,45 bis 0,65 Gew.-% Mg, 0,4 bis 0,7 Gew.-% Fe, 0,35 bis 0,45 Gew.-% Mn und Rest Al sowie nicht mehr als 0,2 Gew.-% unvermeidbaren Verunreinigungen, wobei diese Aluminiumlegierung 0,1 bis 1,0 Gew.-% wenigstens eines Elements enthält, das ausgewählt ist aus der Gruppe der Zusatzelemente bestehend aus Rb, K, Ba, Sr, Zr, Nb, Ta, V und Pd und seltenen Erdmetallen, in eine Form, um einen Guss zu erhalten, Entnehmen des Aluminiumlegierungsgusses aus der Form, Lösungsglühen des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 495 bis 505°C für 2 bis 6 Stunden, Abschrecken des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses nach dem Lösungsglühen, und Kaltaushärten des hochfesten Aluminiumlegierungsgusses durch Erwärmen in einem Temperaturbereich von 160 bis 220°C für 2 bis 6 Stunden nach dem Abschrecken.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Herstellungsverfahren ein Druckgussverfahren ist und ferner die Schritte des Schließens von Formhälften, des Gießens einer Aluminiumschmelze in eine Schmelzkammer einer Druckgussmaschine, dann des Verwendens eines Spritzkolbens zum Schließen eines Schmelzgießeinlasses der Druckgussmaschine und des Reduzierens des Drucks in der Form auf nicht mehr als 13,3 kPa und des Füllens einer hochfesten Aluminiumlegierung in die Form nach dem Reduzieren des Drucks aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Herstellungsverfahren ein Druckgussverfahren ist und ferner die Schritte des Schließens von Formhälften, des Gießens einer Aluminiumschmelze in eine Schmelzkammer einer Druckgussmaschine, dann des Verwendens eines Spritzkolbens zum Schließen eines Schmelzgießeinlasses der Druckgussmaschine und des Reduzierens des Drucks in der Form auf nicht mehr als 13,3 kPa, des Einstellens der Atmosphäre durch Einblasen von Sauerstoff eines Drucks von wenigstens Atmosphärendruck, und des Füllens einer hochfesten Aluminiumlegierung in die Form nach dem Einstellen des Drucks aufweist.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Herstellungsverfahren ein Druckgussverfahren ist und ferner den Schritt des Schließens von Formhälften, des Gießens einer Aluminiumschmelze in eine Schmelzkammer einer Druckgussmaschine, dann des Verwendens eines Niedergeschwindigkeits-Druckgusses zum Füllen einer hochfesten Aluminiumlegierung in die Form unter Vorschieben eines Spritzkolbens mit einer niedrigen Geschwindigkeit, um so Luft und von einem Trennmittel erzeugtes Wärmezersetzungsgas am Mitgerissen-Werden zu hindern, aufweist.
Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das seltene Erdmetall wenigstens ein Element ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe mit La, Ce, Pr, Nb, Pm, Sm, Eu, Ga, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Y und Sc.
Verwendung eines Herstellungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung einer Spirale für einen Kompressor einer Klimaanlage aus einem hochfesten Aluminiumlegierungsguss.
Verwendung eines Herstellungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines Schaufelrotors einer Ventileinstellungs-Reguliervorrichtung, die in einem Antriebsgetriebesystem vorgesehen ist, aus einem hochfesten Aluminiumlegierungsguss.
Verwendung eines Herstellungsverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Herstellung eines Gehäuses eines Antiblockierbremssystems aus einem hochfesten Aluminiumlegierungsguss.