DE1284632B

DE1284632B - Verwendung einer Al-Si-Ni-Gusslegierung

Info

Publication number: DE1284632B
Application number: DEJ31606A
Authority: DE
Inventors: Badia Frank Arthur
Original assignee: Inco Ltd
Current assignee: Inco Ltd
Priority date: 1965-08-24
Filing date: 1966-08-23
Publication date: 1968-12-05
Also published as: SE304114B; ES330496A1; NL6611898A; GB1084347A; US3392015A; BE685903A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf die Verwendung sili- 5,5 % Nickel, 0,5 bis 0,85% Eisen, 0,2 bis 0,65% Mazium- und nickelhaltiger Aluminium-Guß-Legierun- gnesium, 0 bis 1% Kupfer, 0 bis 1% Blei, 0 bis 0,5% gen bei höheren Temperaturen. Titan, 0 bis 0,1 % Natrium und 0 bis 0,03 % Bor, Rest

Die bekannten Aluminiumlegierungen besitzen eine Aluminium einschließlich erschmelzungsbedingter VerReihe von charakteristischen Eigenschaften, wie ge- 5 unreinigungen für Gegenstände mit guter Warmfestigringes Gewicht und gute Verschleißfestigkeit, unter- keit vorgeschlagen.

liegen jedoch einem wesentlichen Festigkeitsverlust, Vorzugsweise besteht die zu verwendende Legierung

wenn sie auf höhere Temperaturen erhitzt werden, so aus 11,5 bis 12% Silizium, 4,7 bis 5,2% Nickel, 0,55 daß ihre Festigkeit bei 315° C bereits unzulässig niedrig bis 0,7 % Eisen, 0,25 bis 0,6 % Magnesium und 0,5 bis ist, vor allem wenn die Legierungen im Gebrauch über io 1 % Kupfer.

einen langen Zeitraum auf erhöhte Temperaturen er- Die Legierung ist besonders geeignet für Kokillen-

hitzt worden sind. Da diese im allgemeinen als Guß- guß. Im Kokillenguß- bzw. Spritzgußverfahren herlegierungen verwendet werden, müssen sie eine gute gestellte Legierungen besitzen ein ternäres eutektisches Vergießbarkeit, Zerspanbarkeit, eine angemessene Mikrogefüge aus «-Aluminium und eutektischen SiIi-Zähigkeit bei Raumtemperatur sowie eine Festigkeit 15 zium- und Nickel-Aluminiden. Sofern es sich um eine besitzen, die nicht nur bis zu Temperaturen von 315° C eutektische Zusammensetzung handelt, ist die Vergießausreichend ist, sondern auch dann bestehenbleibt, barkeit der Legierung besonders gut. wenn das Gußstück-über eine längere Zeit auf eine Der Siliziumgehalt darf jedoch nicht unter 11 % üe-

derartige Temperatur erhitzt worden ist. gen oder 13 % übersteigen, da außerhalb dieser Ge-

Eine weiterhin benutzte Aluminiumlegierung ist ao haltsgrenze liegende Siliziumgehalte nicht das charaknickelfrei und besteht aus 3 % Kupfer, 1 °/o Magnesium teristische ternäre Mikrogefüge ergeben und die Le- und 9,5 % Silizium, Rest Aluminium, ist jedoch bei gierung daher nicht die optimale Vergießbarkeit, die 300° C und mehr nicht stabil. Ihre Festigkeit fällt auf hohe Festigkeit und Stabilität bei erhöhten Temperatueinen unbrauchbar niedrigen Wert, wenn sie derartigen ren sowie eine angemessene Duktilität und Zähigkeit Temperaturen über eine längere Zeit hin ausgesetzt 25 bei Raumtemperatur besitzt. Die Legierung muß minworden ist. destens 4,5 % Nickel und wenigstens 0,5 % Eisen ent-

Es sind auch Aluminiumlegierungen mit Silizium, halten, um hohe Festigkeit und Stabilität bei hohen Kupfer und Magnesium sowie Nickel — zwecks Er- . Temperaturen zu gewährleisten. Nickelgehalte über höhung der Warmfestigkeit — bekannt. So enthält eine 5,5 % führen zur Bildung nadeiförmiger primärer aus der schweizerischen Patentschrift 142 802 bekannte 3° Nickelaluminide, die die Duktilität und Zähigkeit bei Aluminiumlegierung 7 bis 15% Silizium, 0,2 bis 3% Raumtemperatur beeinträchtigen. 0,85 %übersteigende Magnesium, 0,5 bis 7% Nickel und 0,3 bis 7% Kupfer Eisengehalte begünstigen die Bildung grobkörniger sowie die üblichen Verunreinigungen. Nickel führt je- Nickel-Eisen-Aluminide im Mikrogefüge und beein-

doch zu dem beträchtlichen Nachteil, daß die Legie- trächtigen daher die Duktilität und Zähigkeit der Le-

rung bei Raumtemperatur spröde wird. Aus diesem 35 gierung bei Raumtemperatur.

Grund lag der Nickelgehalt in der Praxis bislang stets Darüber hinaus muß die Legierung wenigstens 0,2 %

unter 4%· Magnesium enthalten, um eine angemessene Festigkeit

In der britischen Patentschrift 996 804 ist eine Alu- bei Raumtemperatur sicherzustellen, doch führen Maminiumlegierung mit guter Zähigkeit bei Raumtempe- gnesiumgehalte über 0,65% bei Legierungen mit dem ratur beschrieben, in welcher der Gehalt des als Ver- 40 erfindungsgemäßen Nickelgehalt zu einer Beeinträchunreinigung vorliegenden Eisens begrenzt und mit den tigung der Duktilität bei Raumtemperatur. Kupfer Gehalten an Nickel, Silizium, Kupfer und Magnesium wirkt sich insbesondere im Bereich von 0,5 bis 1 % in Beziehung gesetzt ist. Eine solche Aluminiumlegie- verbessernd auf die Festigkeit bei Raumtemperatur rung besteht aus 5 bis 25 % Silizium, 4 bis 9 % Nickel, aus, besitzt jedoch nur eine geringe Wirkung in bezug bis je 1 % Kupfer und/oder Magnesium bei einem Ge- 45 auf die Stabilität und Festigkeit, wenn die Legierung samtgehalt an Kupfer und Magnesium von 0,2 bis 2% längere Zeit einer Temperatur von etwa 315°C aus-

sowie Eisen mit einem Gehalt, der kleiner ist als gesetzt ist; die guten Eigenschaften bei dieser Tempera-

I _ 0 1 (o/ Ni) — 0 02 (⁰I Si) ^{tur wer}^^en durch die anderen Komponenten der Le-

' 4-Ό 05 Γ2 - (⁰I Cu 4- °/ Me)I gierung sichergestellt.

^T ' ^L Wo^u-r Io ^m ₅₀ Sowohl Titan als auch Bor bedingen eine Verfeinerung

Nun kommt jedoch Eisen in der Praxis in sämtlichen der Korngröße im Gußzustand. Die bevorzugten Geim industriellen Maßstab hergestellten Aluminium- halte dieser Elemente liegen, wenn eines von beiden legierungen vor, so daß besondere Maßnahmen er- enthalten ist, bei 0,1 bis 3 % Titan und 0,005 bis 0,03 % griffen werden müssen, um den Eisengehalt auf dem vor- Bor.

erwähnten niedrigen Niveau zu halten. Darüber hin- 55 Geringe Bleigehalte verbessern die Zerspanbarkeit aus ist die 0,2-Grenze dieser Aluminiumlegierungen _ der zu verwendenden Legierung, doch darf der Bleimit niedrigem Eisengehalt bei 315° C nach einem län- gehalt 1% nicht übersteigen und beträgt vorzugsweise geren Glühen bei 315° C nicht ausreichend hoch". nicht mehr als das im Hinblick auf die Zerspanbarkeit

Die erfindungsgemäße Verwendung der Legierung erforderliche Mindestmaß.

basiert auf der überraschenden Feststellung, daß eine 60 Vorzugsweise wird die Schmelze vor dem Gießen Aluminiumlegierung die obenerwähnten guten Eigen- mit 0,1 bis 0,2 % Natrium geimpft, da auf diese Weise schäften ohne den Nachteil besonderer Maßnahmen das eutektische Gefüge verfeinert wird, was sich zur Erniedrigung des Eisengehaltes besitzt, wenn die wiederum günstig auf die Zähigkeit bei Raumtempe-Elemente Silizium, Nickel, Eisen und Magnesium inner- ratur auswirkt. Somit können bis 0,1% Natrium in halb besonders enger kritischer Grenzen gehalten wer- 65 der Legierung vorliegen.

den. Unter den üblichen Verunreinigungen sollten Man-

Erfindungsgemäß wird daher die Verwendung einer gan und Chrom je 0,3 % nicht übersteigen bzw. so Aluminiumlegierung mit 11 bis 13 % Silizium, 4,5 bis niedrig wie möglich gehalten werden, da sie zur Bildung

schädlicher Aluminide in der Legierung führen. Geringe Gehalte an Zink können vorliegen, doch sollte der Zinkgehalt so niedrig wie möglich liegen und 1 % nicht übersteigen.

In der Praxis ist es vorteilhaft, die Legierung im Kokillenguß herzustellen und die Gußstücke 7 bis 9 Stunden bei 177 bis 232⁰C zu glühen. Nach einer derartigen Wärmebehandlung besitzt die Legierung eine Streckgrenze von mindestens 4,85 kp/mm², selbst wenn sie 1000 Stunden bei 315°C gehalten worden ist, sowie eine angemessene Zähigkeit bei Raumtemperatur. Diese Zähigkeit (mindestens 0,2% Dehnung unter Belastung) macht es möglich, daß die Legierung ohne Bruch bis zu ihrer Streckgrenze belastet werden kann. Die Legierung besitzt darüber hinaus, sofern sie in Kokillen vergossen und wärmebehandelt ist, bei Raumtemperatur eine Streckgrenze von mindestens 17,60 kp/mm^a. Im allgemeinen wird die Streckgrenze bei Raumtemperatur mit fallender Glühtemperatur und die Zähigkeit bei Raumtemperatur mit steigender ao Glühtemperatur erhöht. Eine Wärmebehandlung bzw. -beaufschlagung bei Temperaturen unter 315° C wirkt sich nicht auf die Festigkeit und Zähigkeit bei 315⁰C aus. ;.:.

Die erfindungsgemäß zu verwendende' Legierung wird nachfolgend an Hand einiger Ausführungsbeispiele des näheren erläutert:

Drei Legierungen wurden in einem Induktionsofen erschmolzen, durch Spülen mit einem Stickstoff-Chlor-Gasgemisch entgast und anschließend bei etwa 732 ⁰C in Gußeisenkokillen vergossen, die auf etwa 26O⁰C erwärmt worden waren. Vor dem Gießen wurde die Schmelze mit 0,1 % Natrium geimpft. Die Zusammensetzung der Versuchslegierungen ergibt sich aus der nachfolgenden Tabelle I.

Tabelle I

Legierung	Si	Ni	Fe	Cu	Mg	Al
	(7o)	(7o>	(%)	(7o)	(¹Vo)
1	11,5	5	0,6	0,9	0,25	Rest
2	11,5	5	0,64	0,93	0,56	Rest
3	11,5	5	0,6	<0,03	0,24	Rest

. Auf Größe gegossene Probestücke wurden 8 Stunden geglüht, und zwar aus den Legierungen 1 und' 2 bei 204⁰C und aus der Legierung 3 bei 177 ⁰C, und anschließend bei Raumtemperatur untersucht. Weitere Probestücke wurden 1000 Stunden bei 315⁰C geglüht und alsdann bei 315°C untersucht. Die Versuche erstreckten sich auf die Bestimmung der- Zugfestigkeit, 0,2-Grenze und Dehnung an 50-mm:Stücken| wobei die Dehnung unter Last bei Raumtemperatur und nach dem Bruch bei erhöhter Temperatur bestimmt wurde.

	Zugfestigkeit (kp/mm²)	Prüft	Tabelle II	Zugfestigkeit (kp/mm²)	Prüfung bei 315⁰C 0,2-Grenze (kp/mm^a)	Dehnung (⁰Io)
Legie rung	22,36 21,37 21,94		Dehnung (%)	9,21 9,49 8,86	4,99 5,20 5,41	9,5 8 5
1 2 3			0,3 0,3 0,3
	mg bei Raumtemperatur Streckgrenze \| (kp/mm²) j
18,84 i 20,04 I 18,70

Die Bedeutung der engen Gehaltsgrenzen ergibt 40 jedoch hinsichtlich ihrer Zusammensetzung von den sich aus Versuchen mit Legierungen, die in derselben erfindungsgemäß zu verwendenden Legierungen wie Weise wie die Legierungen 1 bis 3 hergestellt wurden, folgt abwichen:

Tabelle III

Legierung	Si (7o)	Ni (7o)	Fe (7o)	Cu (7o)	Mg OVo)	Al
A	11,5	5	0,15	<0,03	0,26	Rest
B	11,5	5	0,13	0,93	0,54	Rest
C	12	2,5	0,6	1	1	Rest
D	11,5	7,5	0,5	0,5	0,3	Rest

Die Ergebnisse der an diesen Legierungen durchgeführten Prüfungen ergeben sich aus der nachfolgenden Tabelle IV:

Tabelle IV

	Zugfestigkeit	Prüfung bei Raumtemperatur	Dehnung	Zugfestigkeit	Prüfung bei 315° C	Dehnung
Legie rung	(kp/mm^a)		(7o)	(kp/mm^a)	0,2-Grenze	(7o)
	24,19		1	6,54	(kp/mm²)	18
A	23,27		0,4	8,01	3,80	6
B	25,31		0.5	8,23	4,50	9
C	18,91		<0,2	—	4,15	—
D			—
	Streckgrenze
(kp/mm²)
16,24
19,76
17,58
—

Keine der Legierungen der Tabelle III besitzt zufriedenstellende Eigenschaften; so enthielt Legierung A nur 0,15 % Eisen und besaß nach dem etwa IQOO-stündigen Glühen bei 315° C eine 0,2-Grenze von nur 3,8 kp/mm². Die Legierung B mit ähnlich niedrigem Eisengehalt von 0,13% enthielt 0,93% Kupfer; obgleich ihre Streckgrenze bei Raumtemperatur höher lag als diejenige der Legierung A, war ihre 0,2-Grenze niedriger als die der Vergleichslegierung 2. Die Legierung C enthielt nur 2,5 % Nickel, ihre 0,2-Grenze war daher völlig unzureichend. Der Nickelgehalt der Legierung D lag mit mehr als 5,5 % zu hoch, so daß diese Legierung eine unzureichende Duktilität bei Raumtemperatur besaß und bereits vor Erreichen der 0,2-Grenze brach.

Die Legierungen lassen sich vorzugsweise als Werkstoff für Kolben, Zylinderköpfe, Motorblöcke, Bootsarmaturen sowie für Ventilkörper und Brückengeländer und deren Teile verwenden.

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Claims

Patentansprüche:

1. Verwendung einer Legierung aus 11 bis 13% Silizium, 4,5 bis 5,5% Nickel, 0,5 bis 0,85 % Eisen, 0,2 bis 0,65% Magnesium, 0 bis; 1 % Kupfer, 0 bis 1% Blei, 0 bis 0,5% Titan, 0 bis 0,1% Natrium und 0 bis 0,03 % Bo^r) Rest Aluminium einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen im wärmebehandelten Zustand als Werkstoff für Gußstücke, die, wie Kolben für Verbrennungskraftmaschinen, bei Raumtemperatur eine Dehnung von mindestens 0,2% und nach einem 1000-stündigen Glühen bei 315^aC eine 0,2-Grenze von mindestens; 4,85 kp/mm^abei 315 ° Cbesitzen müssen,

2. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1, die jedoch aus 11,5 bis 12% Silizium, 4,7 bis 5,2% Nickel, 0,55 bis 0,7 % Eisen, 0,25 bis 0,6% Magnesium und 0,5 bis 1 % Kupfer, Rest Aluminium einschließlich erschmelzungsbedingter Verunreinigungen besteht, für den Zweck nach Anspruch 1.

3. Verwendung einer Legierung nach Anspruch 1 oder 2, die 7 bis 9 Stunden bei 177 bis 232° C geglüht worden ist, für den Zweck nach Anspruch 1.

4. Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, deren natriumfreie Schmelze mit 0,1 bis 0,2% Natrium geimpft worden ist, für den Zweck nach Ansprach 1.

5. Verwendung einer Legierung nach den Ansprüchen 1 und 2 als Werkstoff für Kokillenguß für den Zweck nach Anspruch 1.