Kornfeinung und Veredelung von AlSi11-Legierungen Ferdynand Romankiewicz, Remigiusz Romankiewicz, Technische Universität Zielona Góra

Einführung Die Eigenschaften einer Legierung auf der Basis Aluminium-Silizium werden entscheidend durch die Ausbildung des Gußgefüges bestimmt. Unter Gußgefüge versteht man die Gestalt, die Größe und die Orientierung der Kristalle, einschließlich ihrer Substruktur. In eutektischen Legierungen besteht es entsprechend aus eutektischen Körnern, in denen die beteiligten Kristallphasen in Form von Lamellen, Fasern oder Stäbchen gekoppelt oder ungekoppelt nebeneinander gewachsen sind. Unter- bzw. übereutektische Legierungen sind durch Menge, Größe und Verteilung der Primärphasen sowie die Morphologie des Eutektikums charakterisiert. Eutektische und naheutektische Al-Si-Gußlegierungen erstarren bekanntlich normalerweise nicht unter Bildung eines feinkristallinen Eutektikums, sondern scheiden grobkörniges, polyedrisches Primärsilizium und eutektisches Silizium in Form von Plättchen oder groben Lamellen aus. Auch in untereutektischen Legierungen kommt es zu anormaler Erstarrung des eutektischen Siliziums, das meist büschel- oder fächerförmig im Umkreis der Erstarrungszentren angeordnet ist. Diese Ausbildung des Erstarrungsgefüges hat negative Folgen für die mechanischen Werkstoffeigenschaften. Für hochbeanspruchte Gußstücke, sowohl für Sand- wie auch für Kokillenguß, ist demnach in der Regel eine Kornfeinung der primären α-Mischkristalle und eine Veredelung der eutektischen Al-SiPhase erforderlich [1-3]. Feinkörniges Gefüge im Gußstück ist aus verschiedenen Gründen erwünscht: Erzielung besserer Speisungs-eigenschaften und Verminderung von Lunkerfehlern, ferner Verbesserung der mechanischen Eigenschaften, besonders der Zugfestigkeit und Dehnung sowie feiner Verteilung von Mikroporosität und bestimmten versprödenden intermetallischen Verbindungen im Gefüge. Bei der Beinflussung des Gußgefüges durch Zusätze wird im wesentlichen zwischen der Kornfeinung des α-Mischkristalls, der Veredelung des Eutektikums sowie der Feinung der Siliziumprimärkristalle unterschieden. Für α-Aluminium ist die Zugabe Al-Ti-B, Al-B oder Al-TiC eingeführt. Das primäre Silizium dagegen wird durch Phosphorzusätze angekeimt. Die chemischen Elemente wie Natrium, Strontium und Antimon beeinflussen die Form der Siliziumkristalle in eutektischen Al-Si-Legierungen von nadelig über lamellar bis feinfaserig. Einige Übergangselemente, wie z.B. Titan, Zirkon und Niob bewirken bei Aluminium und Aluminiumlegierungen einen guten Kornfeinungseffekt. Die korn-feinenden Übergangsmetalle weisen einige Gemeinsamkeiten auf: - Die Bildung von intermetallischen Verbindungen mit Aluminium des Typs Al3 Me. - Zustandsdiagramme mit einem Peritektikum auf Al-Seite. - Die Bildung von interstitiellen Verbindungen mit Kohlenstoff des Typs MeC mit kubischem oder hexagonalem Gitter, die hohe Schmelzpunkte und metallische Eigenschaften aufweisen. Die bekannten Vorstellungen bei der Erklärung der Kornfeinungsmechanismen in Aluminiumlegierungen lassen sich wie folgt unterteilen [4]:

- Peritektische Theorie, - Borid-Theorie, - Karbid-Theorie. Nach der peritektischen Theorie läuft die Kristallisation des α-Aluminiums entsprechend der peritektischen Reaktion Schmelze + Al3Ti →α-Aluminium. Die Borid-Theorie kann ihrerseits in zwei Theorien, die TiB2 - bzw. (Al,Ti)B2 - Theorie, unterteilt werden. Nach der TiB2-Theorie bilden Bor und Titan, die der Schmelze mittels AlTiBVorlegierungen zugesetzt werden, Titanborid, welches als Keim für α-Aluminium wirkt. Die (Al,Ti)B2-Theorie wiederum sagt aus, daß sich eine metastabile (Al,Ti)B2-Phase bildet, die entweder direkt als Keimbildner wirkt oder das Phasen-diagramm verändert ( s. peritektische Theorie). Neben den drei genannten Theorien existieren noch modifizierte Theorien [4], die aus einer Kombination dieser bestehen. Hierbei handelt sich um eine Kombination von der Karbid- und Borid-Theorie bzw. um eine Kombination der Periktektischen mit der Borid-Theorie. Die KarbidBorid-Theorie besagt, daß sowohl die Karbide als auch Boride des Titans bei unterperitektischen Titangehalten eine Kornfeinung des α-Al-Mischkristalls bewirken. Neuere Untersuchungen haben gezeigt, daß bei der Kornfeinung von hochsiliziumhaltigen Legierungen der Einsatz von AlB-Vorlegierung sinnvoll ist [4]. Nach P.A. Tondel [5] können AlB2Partikel als Kristallisationszentren dienen. Nach dem Einbringen der Vorlegierung in die Schmelze lösen sich die AlB2-Partikel und setzen Bor frei. Dieses scheidet sich beim Abkühlen wieder als AlB2 primär aus. Die Wirkungsweise dieses AlB2 als Kristallisator in hochsiliziumhaltigen Legierungen ist noch nicht geklärt. Über die Veredelung des eutektischen Siliziums mit Natrium oder Strontium gibt es zahlreiche Veröffentlichungen. Trotz dieser Fülle von Veröffentlichungen sind die Mechanismen der Veredelung bis heute nicht restlos geklärt. Die am häufigsten vertretenen Theorien basieren auf der Beeinflussung der Keimbildung des Siliziums bzw. Beeinflussung des Kristallwachstums. Die erste Theorie beruht auf der Annahme einer kugelförmigen Ausscheidung des Siliziums bei der Natriumveredelung. Es wird davon ausgegangen, daß Natrium die Keimbildung des Siliziums hemmt, z.B. durch die Neutralisation der für Silizium sehr wirksamen AlP-Keime [4]. Die zweite Theorie [4] kann wieder unterteilt werden. Hier wird das Kristall-wachstum durch eine Veränderung der Wachstumskinetik des Siliziums (kinetischer Effekt) oder durch die Vergiftung der Wachstumsflächen des Siliziums (Grenzflächen-effekt) beeinflußt.

Untersuchungen Für die Kornfeinung und Veredelung wurde eine AlSi11-Legierung mit folgender chemischer Zusammensetzung (in Gew.-%) benutzt: 11,35% Si: 0,22% Fe; 0,02% Zn und je 0,01% Mn, Cu, Ni, Ti + Zr; Rest Al. Die Schmelzen wurden in einem Kammerofen durchgeführt. Vor der Kornfeinung und Veredelung

wurde die Legierung auf 1003K (730oC) überhitzt. Der Kornfeinungszusatz wurde in Form der Vorlegierung AlB4 und der Veredelungszusatz wurde in Form von AlSr10 verwendet. Die Zugabemenge der Vorlegierungen wurde wie in Tafel 1 variiert. Nach der Behandlung wurde das flüssige Metall 10 Min. auf Über-hitzungstemperatur gehalten. Danach wurde die Metallschmelze in die Metallkokille gegossen. Die Versuchsproben für die metallographischen Untersuchungen wurden als Zylinderproben mit einem Durchmesser von 35 mm und einer Höhe von 60 mm in die Kokille gegossen. Die Zugproben wurden in der Kokille nach PN-65/H-88003 gegossen. Die Kornfeinungseffekte bei der AlSi11-Legierung veranschaulichen die Bilder 1-4. Bild 2 zeigt, daß Strontium keine Feinung des Gußgefüges der AlSi11-Legierung verursacht. Bild 3 zeigt deutlich, daß Bor eine gute Feinung der Körner verursachte. Ähnliche Kornfeinungseffekte verursachten Bor- und Strontium-Zusätze (Bild 4). Die Veredelungseffekte bei der AlSi11-Legierung veranschaulichen die Bilder 5-10. Die Probe ohne Behandlung (Bild 5) enthält im Eutektikum relativ große Si-Kristalle. Die Proben mit Strontiumzusätzen (Bilder 6 und 7) weisen gefeinte Si-Fasern auf. Die Probe mit Borzusatz (Bild 8) zeigt keine Änderung der Morphologie der Si-Kristalle im Eutektikum. Die Kornfeinung mit AlB4 und die Veredelung mit AlSr10 (Bilder 9 und 10) verursachten eine günstige Änderung der Morphologie des Eutektikums. Die Si-Kristalle wurden völlig feinfaserig gestaltet. Die Untersuchungen der mechanischen Eigenschaften ergaben (Tabelle 1), daß die Behandlung der AlSi11-Legierung mit dem Kornfeiner AlB4 und dem Veredler AlSr10 eine wesentliche Verbesserung der Zugfestigkeit und der Bruchdehnung verursachte. Die Zugfestigkeit Rm ist von 196 auf 224 MPa (bei 0,2 Gew.-% AlSr10) gestiegen. Gleichzeitig ist die Bruchdehnung A5 von 3,2 auf 9,5% erhöht. Bei zwei Zusätzen (0,3 Gew.-% AlSr10 und 0,2 Gew.-%AlB4) sind die Zugfestigkeit Rm auf 213 MPa und die Bruchdehnung A5 auf 12,5% gestiegen. Tabelle 1. Einfluß der Zusätze auf die mechanischen Kennwerte der Legierung AlSi11 Schmelze Behandlung Nr. 1. ohne Zusätze 2. mit 0,2% AlSr10 3. mit 0,3% AlSr10 4. mit 0,4% AlSr10 5. mit 0,2% AlB4 6. mit 0,3% AlB4 7. mit 0,4% AlB4 8. mit 0,3% AlSr10 und 0,2% AlB4 9. mit 0,3% AlSr10 und 0,4% AlB4 Die Kornfeinungszusätze in Gew.-%

Rm MPa 196 219 224 208 213 208 192 213 209

A5 % 3,2 10,1 9,5 10,8 10,1 7,2 8,9 12,5 7,6

Bild 1. Makrogefüge der Legierung AlSi11 ohne Behandlung (V 1,5 x)

Bild 2. Makrogefüge der Legierung AlSi11 mit 0,3 Gew.-% AlSr10 (V 1,5 x)

Bild 3. Makrogefüge der Legierung AlSi11 mit 0,2 Gew.-% AlB4 (V 1,5 x)

Bild 4. Makrogefüge der Legierung AlSi11 mit 0,2 Gew.-% AlB4 und 0,3 Gew.-% AlSr10 (V 1,5 x)

Bild 5. Mikrogefüge der Legierung AlSi11 ohne Behandlung (V 500 x)

Bild 6. Mikrogefüge der Legierung AlSi11 mit 0,2 Gew.-% AlSr10 (V 500 x)

Bild 7. Mikrogefüge der Legierung AlSi11 mit 0,3 Gew.-% AlSr10 (V 500 x)

Bild 8. Mikrogefüge der Legierung AlSi11 mit 0,3 Gew.-% AlB4 (V 500 x)

Bild 9. Mikrogefüge der Legierung AlSi11 mit 0,2 Gew.-% AlB4 und 0,3 Gew.-% AlSr10 (V 500 x)

Bild 10. Mikrogefüge der Legierung AlSi11 mit 0,4 Gew.-% AlB4 und 0,3 Gew.-% AlSr10 (V 500 x)

Schlußfolgerungen Die Kornfeinungs- und Veredelungsversuche für AlSI11-Legierung haben bewiesen, daß: • AlB4-Zusatz von 0,2-03 Gew.-% eine gute Feinung des Gußgefüges der Legierung verursachte, • AlSr10-Zusatz von 0,2-0,3 Gew.-% eine günstige Änderung der Morphologie des eutektischen Siliziums verursachte, • die o.g. Gefügeänderungen eine wesentliche Verbesserung der mechanischen Eigen-schaften hervorgerufen haben.

Literatur [1] Günther B., Jürgens H.: Gießerei, 1984, 928-932. [2] Brunhuber E.: Gießerei-Praxis, 1981, 12-15. [3] Chen X.G., Ellerbrok R., Engler S.: Gießereiforschung, 1990, 1-10. [4] Müller K.: Dr.-Ing. Dissertation, TU Berlin, 1996. [5] Tondel P.A., Halverson G., Arnberg L.: Light Metals, 1993, 783-790.