Die Erfindung betrifft Aluminium-Siliziumgusslegierungen und insbesondere eine Wärmebehandlung für solche Legierungen, um eine hohe Festigkeit bei hohen Temperaturen bereitzustellen.

Aluminiumgussteile werden in großer Zahl aus einer Vielzahl von Aluminiumlegierungen gefertigt. Solche Gussteile finden Anwendung, wo relativ geringes Gewicht und eine hohe Festigkeit gewünscht sind. Unter den Stoffklassen von Aluminiumgusslegierungen gibt es eine Reihe von Aluminium-Siliziumlegierungen, die auch geringe Mengen an Magnesium oder Magnesium und Kupfer als Legierungsbestandteile enthalten können.

Es ist seit langem bekannt, dass die Zugabe von Silizium zu Aluminium die Fließfähigkeit solcher Schmelzlegierungen zum Gießen komplizierter Formen wesentlich erhöht. Aluminium und Silizium bilden bei ungefähr 12 Gewichts-% Silizium eine eutektische Mischung, und untereutektische Aluminium-Siliziumlegierungen, eutektische Legierungen und übereutektische Aluminium-Siliziumlegierungen werden verwendet, um Gussteile herzustellen. Beispielsweise wird in Sandformgussteilen häufig ein Siliziumgehalt von ca. 5 bis 7 Gewichts-% verwendet. Für Kokillengussteile beträgt ein geeigneter Siliziumanteil häufig 7 bis 9 Gewichts-%. Für Druckgussteile kann der Siliziumgehalt ungefähr 8 bis 12 Gewichts-% betragen. Es gibt übereutektische Aluminium-Siliziumgusslegierungen, in denen der Siliziumanteil 16 bis 20 Gewichts-% beträgt.

Magnesium oder Magnesium mit geringen Mengen an Kupfer und Nickel werden als zusätzliche verstärkende Elemente in Aluminium-Siliziumgusslegierungen verwendet. Bei Legierungen, die in geeigneter Weise wärmebehandelt sind, können diese Elemente eine Vielzahl von verstärkenden Phasen wie z. B. Mg₂Si, CuMgAl₂ und CuAl₂ zusätzlich zum ubiquitären Silizium bilden. Darüber hinaus werden komplexere intermetallische Teilchen gebildet, die verschiedene Kombinationen aus Ni, Cu, Mg, Si und Fe enthalten.

Die metallurgische Mikrostruktur von Aluminium-Silizium-Gussteilen umfasst normalerweise Dendriten von aluminiumreicher Zusammensetzung mit Siliziumteilchen und abgeschiedenen Legierungsbestandteilen, die in den Dentritenarmen verteilt sind. Somit eignet sich die Chemie von Aluminium-Siliziumlegierungen zum Härten oder Verstärken durch Wärmebehandlung. Der Zweck solcher Verfahren besteht darin, die Härte des Gussteiles für eine verbesserte Bearbeitbarkeit zu erhöhen. Ein zusätzlicher Zweck besteht darin, seine Festigkeit zu erhöhen, oder mechanische Eigenschaften zu erzeugen, die einem bestimmten Materialzustand zugehörig sind. Wärmebehandlungen werden auch verwendet, um mechanische und physikalische Eigenschaften zu stabilisieren oder Formbeständigkeit als eine Funktion der Zeit unter Einsatzbedingungen sicherzustellen.

Es gibt eine Reihe von Standard-Wärmebehandlungsverfahren und Bezeichnungen der Aluminium Association zur industriellen Verwendung.

Unter den standardisierten Härtebezeichnungen, die für Gussteile anwendbare sind, befinden sich:

• T4 – bei dem das Gussteil lösungsgeglüht, abgeschreckt und kalt ausgelagert wird;
• T5 – bei dem das Gussteil durch Erwärmen über einige Stunden auf eine geeignete Temperatur in der Größenordnung von 200° C beschleunigt gealtert wird; und
• T6 – bei dem der Gussteil lösungsgeglüht, abgeschreckt und dann bei ungefähr 200° C beschleunigt gealtert wird.

Beim Lösungsglühen werden die Gussteile auf eine Temperatur erwärmt, um die löslichen Bestandteile in der festen Aluminiummatrix zu lösen. Für eine typische Aluminium-Silizium-Gusslegierung liegt ein geeignetes Lösungsglühen im Bereich von ca. 500° C bis 540° C.

Wie angeführt, besteht der Zweck solcher Wärmebehandlungen in der Erhöhung der Härte und Festigkeit von Aluminiumgussteilen oder anderen Werkstücken bei hauptsächlich Raumtemperatur. Während jedoch Aluminiumlegierungen nicht speziell als hochtemperaturbeständige Werkstoffe bekannt sind, werden einige solcher Legierungen zur Herstellung von beispielsweise Kraftfahrzeugkolben und anderen Produkten, die bei hohen Temperaturen von Nutzen sind, verwendet. Es ist daher sehr wünschenswert, Gussteile aus einer Aluminiumlegierung mit verbesserter Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen, beispielsweise in der Größenordnung von 300° C, zu erzeugen.

Die US-A 4 336 076 offenbart ein Lösungsglühen von Gussteilen aus Aluminiumlegierung mit einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung, Abschrecken und wieder Erwärmen auf 200 – 300° C, um die Formbeständigkeit der Gussteile zu erhöhen.

Die Erfindung stellt ein Wärmebehandlungsverfahren für Gussteile aus der Stoffgruppe von Aluminium-Siliziumlegierungen der Art, die Silizium und andere Legierungsbestandteile enthalten und für eine verbesserte Zugfestigkeit auf diese Bestandteile vertrauen, bereit. Der Zweck der Erfindung besteht darin, eine erhöhte Festigkeit, d. h., Zugfestigkeit, bei Gussteilen bereitzustellen, die für eine anhaltende Beanspruchung bei hohen Temperaturen in der Größenordnung von 300° C vorgesehen sind.

Dieses Ziel wird durch das Verfahren gemäß Anspruch 1 erreicht. Optionale Merkmale sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.

In den Vereinigten Staaten hat die Aluminium Association Aluminium-Silizium-Magnesium-Legierungen als entweder die Legierungsstoffgruppe 1xx oder 3xx klassifiziert. Im Allgemeinen ist die Umsetzung der Erfindung auf Gussteile aus diesen Legierungen anwendbar. Insbesondere ist die Erfindung auf Legierungen auf Aluminiumbasis anwendbar, die als wesentliche Bestandteile, in Gewichtsanteilen, ungefähr 4 bis 20 % Silizium, ungefähr 0,1 bis 2 % Magnesium, und Aluminium enthalten. Diese Gusslegierungen enthalten auch häufig kleine Mengen von einem oder mehreren aus der Gruppe Kupfer (z. B. 1 – 4 %), Eisen (z. B. 0,2 – 2 %), Nickel (z. B. 0,2 – 3 %), Mangan (z. B. 0,2 – 0,6 %), Titan (z. B. 0,1 – 0,3 %) oder dergleichen als Härteträger.

Gussteile aus Aluminium werden durch eine Vielzahl von Verfahren, die Sandformguss, Kokillenguss, Squeeze-Giessen, Druckguss und dergleichen umfassen, hergestellt. Gemäß der Erfindung wird/werden das/die Gussteil/e aus seiner/ihrer Form oder Hohlform entfernt. In Abhängigkeit von dem Fertigungsverlauf kann das Gussteil luftgekühlt und vorübergehend gelagert werden, oder es kann, während es noch warm ist, von der Gießlinie zu einem geeigneten Wärmebehandlungsofen für die folgende Verarbeitung befördert werden.

Das Gussmaterial besitzt eine Mikrostruktur, die aluminiumreiche Dendriten mit Siliziumphasen, und abgeschiedene intermetallische Teilchen sowie andere Härteträger, die unter den Dentritenarmen fein verteilt sind, enthält. Die Größe und Verteilung der Teilchen sind eine Folge des thermischen Verlaufes des Gussverfahrens und folglich besitzt das Gussteil keine optimale Festigkeit bei hohen Temperaturen. Demgemäß werden die Gussteile auf eine Temperatur im Bereich von z. B. 500° C bis 540° C erwärmt, um Magnesium und weitere Legierungselemente aus den intermetallischen Abscheidungen zu lösen oder freizusetzen und einen erhöhten Anteil solcher Elemente in fester Lösung über das gesamte Innere der Aluminiumdendriten neu zu verteilen. In Abhängigkeit von Faktoren wie die Größe des Gussteils und die Ofenbeschickung kann dieser Schritt des Lösens wenige Minuten bis zu einige Stunden erfordern.

Die Gussteile werden dann rasch auf eine Temperatur im Bereich von ca. 350° C bis 450° C für eine Zeitdauer von einigen Minuten bis zu einigen Stunden abgekühlt. Das Abkühlen kann durch Überführen der Gussteile in einen niedrigeren Temperaturbereich eines Ofens, oder, beispielsweise, durch Abschrecken in einem Salzbad, das auf einer gewünschten Temperatur gehalten wird, erfolgen. Diese Zeitdauer des Haltens auf niedrigerer Temperatur, die unmittelbar dem Schritt des Lösens folgt, erzeugt über die gesamte dendritische Matrix eine Fülle von nur solchen Härterteilchen, die bei dieser hohen Temperatur stabil sind. Es ist diese neue und verbesserte Verteilung von thermisch stabilen Teilchen, die letztlich den Gussteilen Festigkeit bei hohen Temperaturen verleiht.

Nach dem kurzen Halten bei 350° C bis 450° C werden die Gussteile auf Umgebungstemperatur luftgekühlt. Die Gussteile können dann einem herkömmlichen beschleunigten Alterungsverfahren wie einem T5-Temperverfahren unterzogen werden, dies ist aber für die Erfindung nicht notwendig.

Nach dem längeren Ausgesetztsein gegenüber dieser Temperatur weisen die resultierenden Gussteile eine gute Zugfestigkeit bei 300° C auf. Zum Beispiel wurde eine Gruppe von Aluminium-Silizium faserverstärkten AA339-Verbund-Gussteilen hergestellt. Die Gussteile wurden wie vorstehend beschrieben verarbeitet, für 300 Stunden bei 300° C gehalten und dann einer Zugfestigkeitsprüfung bei 300° C unterzogen. Sie zeigten Zugfestigkeiten von 127 MPa.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus einer detaillierten Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlich, die unten stehend folgt. In dieser Beschreibung wird auf die Zeichnung Bezug genommen, die im nächsten Abschnitt beschriebenen wird.

Die Fig. ist ein Diagramm Zugfestigkeit bei 300° C versus Abschreckbadtemperatur für AA339-Verbund-Gussteile, die bei Temperaturen gemäß dieser Erfindung wie auch bei Vergleichstemperaturen verarbeitet wurden.

Die Anwendung der Erfindung wird in Verbindung mit der Herstellung von Gussteilen aus einer Aluminiumlegierung 339 veranschaulicht. AA339 ist eine Legierung, die im Allgemeinen in Kokillenguss- oder Squeeze-Gussverfahren zur Herstellung von Komponenten wie Kraftfahrzeugkolben und dergleichen verwendet wird. Die Spezifikation für AA339 lautet 11,0 bis 13,0 Gewichts-% Silizium, 0,5 Gewichts-% Eisen, 1,5 bis 3,0 Gewichts-% Kupfer, 0,5 Gewichts-% Mangan, 0,5 bis 1,5 Gewichts-% Magnesium, 0,5 bis 1,5 Gewichts-% Nickel, 0,25 Gewichts-% Titan, und der Rest im Wesentlichen Aluminium. Dies ist eine eutektische Aluminium-Siliziumlegierung. Während hauptsächlich Silizium und Magnesium zur Härte und Festigkeit der Legierung beitragen, tragen die weiteren Legierungsbestandteile wie z. B. Kupfer und Nickel auch zu wünschenswerten physikalischen Eigenschaften der Gussteile bei.

Es wurde ein Verbund-Gussteil hergestellt, der 15 Volumen-% Saffil^TM-Fasern (aus 96 % Aluminium und 4 % Silizium) enthielt, so dass der resultierende Körper ein Saffil^TM-339-Aluminium-Legierungs-Verbund war. (Das Verfahren der Erfindung ist in gleicher Weise auf eine nicht verstärkte Legierung anwendbar, da die Wärmebehandlung nur die Mikrostruktur der Legierung beeinflusste). Die Gussteile wiesen die Form von Zylindern auf und wurden aus der Form ausgeworfen und auf Raumtemperatur abgekühlt.

Eine Überprüfung der Gussteile zeigte eine Mikrostruktur von Aluminiumdendriten mit eingestreuten Abscheidungen, die Silizium und intermetallische Verbindungen aus Legierungsbestandteilen mit Silizium und Aluminium umfassten. Die Zug- und Ermüdungsfestigkeit von Aluminiumgusslegierungen wird im Wesentlichen durch die Konzentration und das Wesen dieser Abscheidungen in den Aluminiumdendriten gesteuert. Es ist der Zweck der Erfindung, vorzugsweise jene temperaturbeständigen Abscheidungen zu erzeugen, die für die Festigkeit eines Gussteiles bei hohen Temperaturen notwendige sind.

Die vorstehend beschriebenen Verbund-Gussteile wurden für drei Stunden auf ungefähr 510° C erwärmt (geeigneter Weise auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 500° C bis 540° C), die ausreichte, um Legierungselemente aus den abgeschiedenen intermetallischen Teilchen freizusetzen und zu lösen. Dieses Lösungsglühen verteilt die Legierungselemente aus den Positionen, wo sie während der Verfestigung der Gusslegierung abgeschieden wurden, neu an Positionen über die gesamten dendritischen Mikrostrukturen. Verschiedene Gussteile wurden dann abgeschreckt oder auf andere Weise rasch von einer Temperatur von ungefähr 510° C auf mehrere Haltetemperaturen abgekühlt. Die Abschreck- bzw. Haltetemperaturen betrugen 25° C, 250° C, 300° C, 350° C, 400° C, 450° C und 500° C. Ein Abschrecken in Wasser wurde verwendet, um jene Gussteile, die rasch auf Raumtemperatur abgekühlt wurden, abzuschrecken. Ein Salzschmelzenbad bei gesteuerten Temperaturen wurde verwendet, um die weiteren Probestücke abzuschrecken. Die Probestücke wurden für eine Zeitdauer von ungefähr 5 Minuten auf diesen jeweiligen Temperaturen gehalten, und dann aus ihrem Abschreckbad genommen und auf Raumtemperatur luftgekühlt.

Der Zweck des Lösungsglühens der Gussteile bei 510° C und ihres nachfolgenden Abschreckens auf mittlere Temperaturen bestand darin, einen optimalen Zustand zu finden, in dem die verstärkenden Elemente aus ihren Positionen in dem ursprünglichen Gussteil neu verteilt wurden, um sie über die Gussmikrostruktur auszubreiten und darin vorzugsweise die Abscheidungen zu bilden, die bei hohen Temperaturen stabil sind.

Nach dem Abkühlen der Gussteile auf Umgebungstemperatur und ihrer Reinigung wurden sie einem Standard-T5-Temperverfahren unterzogen, d. h., neuerlich auf 210° C für eine Zeitdauer von acht Stunden erwärmt und danach auf Raumtemperatur luftgekühlt. Dieses Tempern stellte die Stabilität des Gussteiles während der Lagerung bei Raumtemperatur vor der Prüfung sicher und ist der gegenständlichen Wärmebehandlung nicht inhärent.

Um die Zugfestigkeit bei hohen Temperaturen über längere Zeit von derart verarbeiteten Gussteilen zu bewerten, wurden sie vor einer Zugfestigkeitsprüfung für 300 Stunden bei einer Temperatur von 300° C gehalten. Die Fig. der Zeichnung zeigt die Zugfestigkeit von Gussteilen, die auf Umgebungstemperatur abgeschreckt wurden und bei Temperaturen von 200° C bis 500° C in Schritten von 50 Grad. Es ist ersichtlich, dass die optimale Zugfestigkeit nach 300 Stunden bei 300° C in den Verbund-Gussteilen erreicht wurde, die auf Temperaturen von 350° C, 400° C und 450° C abgeschreckt und bei diesen gehalten wurden. Die Zugfestigkeit dieser Materialien lag im Bereich von ungefähr 125 bis 130 MPa.

Das vorstehende Verfahren wurde an einem Guss-Probestück wiederholt, das bei 510° C für 10 Minuten (anstatt drei Stunden) lösungsgeglüht wurde, gefolgt von einem 400° C Abschreckbad. Nach dem Abkühlen auf Raumtemperatur und dem beschleunigten Alterungsverfahren wies das Probestück, nachdem es 300° C ausgesetzt war, eine Zugfestigkeit von 137 MPa auf.

Während das Verfahren der Erfindung unter Bezugnahme auf einen Aluminiumlegierung 339-Saffil^TM-Verbund dargelegt wurde, ist die Erfindung auf Legierungen auf Aluminiumbasis, die von 4 % bis 20 % Silizium, von 0,1 % bis 2 % Magnesium und als Rest Aluminium enthalten, anwendbar. Weitere Legierungsbestandteile zum Härten können in geeigneten, normalerweise relativ geringen Mengen vorhanden sein.