Weiterentwicklung von naheutektischen und übereutektischen Aluminium-Silizium-Legierungen für Hochleistungsmotoren durch Mikrolegieren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im Rahmen dieses Forschungsvorhabens gewonnenen neuen Erkenntnisse zeigen, dass definierte Zusätze an Titan, Kohlenstoff, Zirkonium, und Calcium ein enormes Potential für die Weiterentwicklung von Al-Si-Standardlegierungen besitzen. In Kokillengießversuchen mit der Primärlegierung AISi17Cu4Mg konnte die Größe der Primärsiliziumkristalle von 40-50 pm (Stand der Technik) auf 18-25 pm reduziert werden. Dieses wurde erreicht, indem die feinende Wirkung des Phosphors durch gezielte Zugabe der Elemente Titan und Kohlenstoff bzw. durch Zirkonium, welches in Form einer schnell erstarrten Vorlegierung AIZr1,3 zum Einsatz kam, unterstützt wurde. Durch den Zusatz dieser Mikrolegierungselemente konnte bei einem Phosphorgehalt von 60 ppm eine deutliche Verbesserung der Festigkeitseigenschaften um 35 % (Zirkonium) bzw. 17 % (Titan und Kohlenstoff) erreicht werden. Die keimbildende Wirkung von Al-Ti-Si und Al-Zr-Si-Ausscheidungen auf Primärsiliziumkristalle wurde mit den rasterelektronenmikroskopischen Untersuchungen belegt. Durch Zusatz von Calciumcarbid wurde die seit langem angestrebte gleichzeitige Feinung des Primärsiliziums und Veredelung des Eutektikums möglich. Die erreichte Größe der Primärsiliziumteilchen ist gegenüber dem Stand der Technik um 60 % kleiner. Dabei gewinnt die Legierung AtSi17Cu4Mg bis zu 18 % an Zugfestigkeit und 0,2-Dehngrenze. Im Laufe der Versuche wurde festgestellt, dass durch die derzeitige Zugabetechnik eine nur niedrige Calcium- und Kohlenstoffausbeute erreicht wurde. In weiteren Versuchen wurde daher zum Erzielen des kombinierten Veredelungs- und Feinungseffektes anstatt des Caiciumcarbids eine AlCalO-Vorlegierung eingesetzt. Ähnlich wie bei der Caiciumcarbidzugabe bewirkten Calciumzusätze von 60 bis 70 ppm eine Absenkung der Ausscheidungstemperatur des Primärsiliziums. Die erreichte Abnahme der Liquidustemperatur betrug im Vergleich zur phosphorhaltigen Legierung AISi17Cu4Mg etwa 40 K. Die damit verbundene Reduzierung des Erstarrungsintervalls bietet für die caiciumhaltigen Legierung AISi17Cu4Mg erhebliche Vorteile für das Druckgießverfahren, wie geringere abrasive und thermische Belastung der Gießwerkzeuge und damit deutliche Steigerung ihrer Standzeit. Gleichzeitig trägt das kleinere Erstarrungsintervall zur Verbesserung des Warmrissverhaltens der Legierung AISi17Cu4Mg bei. Bei der Verarbeitung modifizierter AISi17Cu4 Legierungsvarianten im Druckguss wurde eine gute Vergießbarkeit der Schmelzen hinsichttich Schmelzeführung und Formfüllung festgestellt. Auffällige Verschleißerscheinungen am Gießwerkzeug, wie sie vom Vergießen einer Standard AISi17Cu4Mg her bekannt sind, konnten auch nach der Herstellung von mehreren hundert Abgüssen nicht beobachtet werden. Die modifizierte Legierung AISi17Cu4Mg erwies sich tendenziell als warmrissanfälliger als die Standard-Druckgusslegierung AISi9Cu3, mit deren Eigenschaften die modifizierte übereutektische Legierung verglichen wurde. Die für praxisübliche übereutekttschen AISi-Legierungen mechanischen Eigenschaften von Rm = 250 N/mm^, Rpo,2= 207 MPa und Bruchdehnung A = 1 % wurden im statischen Zugversuch bei Raumtemperatur bestätigt. Die Gefügeanalyse zeigte, dass ein Veredelungsgrad des eutektischen Siliziums von e-f nach G.Chai [1] gemeinsam mit 75 %iger Verteilung der Primärsiliziumkristalle im Größenbereich kleiner 35 pm eingestellt werden kann. Die Verteilung der Primärsiliziumkristalle ist jedoch partiell auf Grund von Clusterbildung unbefriedigend. Bereiche von unveredeltem eutektischen Silizium im Gefüge wurden ebenfalls sichtbar. Prinzipiell verbessert einen höhere Ca-Zugabe den Veredelungsgrad. Die positiven Ergebnisse dieses Forschungsprojekts, besonders hinsichttich der Reduzierung der Liquidustemperatur der Legierung AISi17Cu4Mg sowie der durch Mikrolegieren bereits im Gusszustand erzielten Steigerung der mechanischen Eigenschaften auf ein Niveau, das sonst erst nach einer Wärmebehandlung erreicht werden kann, bietet eine aussichtsreiche Grundlage für die Herstellung monolithischer Motorblöcke im Druckguss.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Development of Hypereutectic Aluminum-Silicon Alloys for High Pressure Die Casting. NADCA 113th Metallcasting Congress, Las Vegas, Nevada
A.C. Baesgen, L.H. Kallien, O.Zak, B.Tonn
- Einsatz von rasch erstarrten Vorlegierungen zur Feinung des Primärsiliziums der übereutektischen AlSi17Cu4Mg-Legierung. Druckgusspraxis (2007), Ausgabe 7
Olga Zak, Hennadiy Zak, Babette Tonn
- Effect of Different Micro Alloying Elements on the Structure of Hypereutectic Aluminium-Silicon Alloys Used to Produce Monolithic Engine Blocks. In: Hirsch, J. (Hrsg.); Skrotzki, B. (Hrsg.), Gottstein. G. (Hrsg.): Aluminium Alloys Bd.1. Wiley-VCH, 2008, S. 270-275
Zak, O., Tonn, B.
- Gefügebeeinflussung der Legierung AlSi17Cu4Mg durch Calciumcarbidzugabe. Druckguss (2008), Ausgabe 3
Olga Zak, Hennadiy Zak, Babette Tonn
