Verfahren zur Herstellung von stranggegossenen Bändern und Drähten

Abstract

 Bei einem Verfahren zur Herstellung von mit großer Gieß- und Abkühlgeschwindigkeit einer auf eine Temperatur oberhalb der Entmischungstemperatur erhitzten Schmelze stranggegossenen, plastisch verformten und wärmebehandelten Bändern und Drähten aus monotektischer Aluminium-Silizium-Legierung, bei der in der aus Aluminium und Aluminium-Silizium-Eutektikum bestehenden Matrix als Minoritätsphase Blei oder Wismut eingelagert ist, wird die in Form langgestreckter Plättchen in den Bändern oder Drähten eingebettete Minoritätsphase durch eine Wärmebehandlung bei Temperaturen von 550 bis 600°C in kompaktere Formen umgewandelt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von mit großer Gieß- und Abkühlgeschwindigkeit einer auf eine Temperatur oberhalb der Entmischungstemperatur erhitzten Schmelze stranggegossenen, plastisch verformten und wärmebehandelten Bändern und Drähten aus monotektischer Aluminium-Silizium-Legierung, bei der in der aus Aluminium und Aluminium-Silizium-Eutektikum bestehenden Matrix 1 bis 50 Gew.-% Blei oder Wismut eingelagert sind.

[0002] Bei auf Temperaturen oberhalb der Entmischungstemperatur erhitzten Schmelzen monotektischer Legierungen mit großen Dichteunterschieden der entmischten flüssigen Phasen und großen Entmischungs-Temperaturintervallen kommt es bei Temperaturen im Bereich der Mischungslücke infolge der Schwerkraft zur Sedimentation und Koagulation der relativ schwereren Tröpfchenform besitzenden Minoritätsphase. Die Sedimentationsgeschwindigkeit ist entsprechend dem Stokes'schen Gesetz proportional dem Quadrat des Tröpfchendurchmessers. Unterschiedliche Tröpfchendurchmesser fördern daher die Häufigkeit von Tröpfchenkollisionen und Tröpfchenverschmelzungen und beschleunigen dadurch zusätzlich die Sedimentation. Eine gleichmäßige Dispersion kugelförmiger Tröpfchen kleinen Durchmessers in der Matrix monotektischer Legierungen kann jedoch erreicht werden, wenn die Schmelze vertikal zu einem Band oder Draht von 5 bis 20 mm Dicke bzw. Durchmesser mit relativ großer Gieß- und Abkühlgeschwindigkeit stranggegossen wird, so daß vor der Phasengrenze fest/flüssig ein sehr steiler Temperaturgradient aufrechterhalten wird. Dadurch ist der Abstand zwischen der Entmischungs- und der Solidus-Isothermen innerhalb des Systems und damit die Sedimentationsstrecke möglichst kurz. Das Temperatur- bzw. Wegintervall ist gegeben durch die Isothermen der Entmischungstemperatur und die Temperatur der monotektischen Reaktion, bei welcher die Matrixphase erstarrt und dabei die zweite noch flüssige Phase in der dann vorliegenden Verteilung einschließt. Dieses Verfahren eignet sich ganz besonders für die Herstellung von Gußbändern bzw. -drähten aus monotektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, in deren aus Aluminium und Aluminium-Silizium-Eutektikum bestehender Matrix 1 bis 50 Gew.-% Blei oder Wismut als Minoritätsphase in Form feiner Tröpfchen eingelagert ist.

[0003] Da jedoch die Abmessungen und/oder die mechanisch-technologischen Eigenschaften eines solchen Gußgefüges häufig den gestellten Anforderungen nicht entsprechen, wird das Gußband bzw. -draht einer Walz- und/oder Wärmebehandlung unterzogen, um die Werkstoffeigenschaften zu optimieren. Beim Walzen eines solchen Gußgefüges wird die ursprünglich kugelförmige Blei- oder Wismutphase zu langgestreckten Plättchen verformt. Derartige langgestreckte Einschlüsse beeinträchtigen jedoch die mechanische Belastbarkeit und die technologischen Eigenschaften des Werkstoffs, so daß zur Einstellung der gewünschten Werkstoffeigenschaften die Umbildung der langgestreckten Plättchen zu kompakten Gefügeformen notwendig ist, was durch eine nachfolgende Wärmebehandlung erfolgen kann.

[0004] Eine für die Umbildung und anschließende Einformung einer dispergierten niedrigschmelzenden Minoritätsphase übliches Verfahren ist die längerzeitige Erwärmung der monotektischen Legierung auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur der niedrigschmelzenden Minoritätsphase. Dabei erfolgt die Umbildung und Einformung der Minoritätsphase durch Lösungs- und Transportvorgänge des Matrixmetalls vorzugsweise innerhalb der geschmolzenen Phase, da die Löslichkeiten und Diffusionskoeffizienten in Schmelzen sehr viel größer als in Feststoffen sind.

[0005] Die Voraussetzungen sind jedoch bei monotektischen Aluminium-Silizium-Legierungen, bei denen die niedrigschmelzenden flüssigen Phasen Blei und Wismut in einer Matrix aus Aluminium und Aluminium-Silizium-Eutektikum eingeschlossen sind, nicht gegeben, da die Löslichkeiten der Blei- und Wismutschmelzen für Aluminium, aber auch die Diffusionskoeffizienten von Aluminium und Silizium in Blei und Wismut nur sehr gering sind, so daß eine Umbildung und Einformung der aus Blei oder Wismut bestehenden Minoritätsphase eine vergleichsweise sehr lange Wärmebehandlung erfordern. Die Blei- bzw. Wismutphase schmilzt bei einer Temperatur von 330 bzw. 270°C. Danach erfolgt das Schmelzen des Aluminium-Silizium-Eutektikums mit einer monotektischen Vierphasenreaktion bei 570 bzw. 580°C und schließlich schmilzt die Aluminiummatrix auf.

[0006] Um bei einer monotektischen Aluminium-Blei-Legierung eine feine und gleichmäßige Verteilung der nach dem Walzen des Gußbandes fadenförmig gestreckten, im festen Aluminium unlöslichen Bleiphase zu erreichen, ist in Z. Metall 36, Heft 9, 9/1982, S. 970-976, vorgesehen, die Aluminium-Blei-Legierung mit Zinn zu legieren. Durch dieses Vorgehen wird die Löslichkeit vergrößert und die Diffusion von Blei in Aluminium beschleunigt. Da andererseits durch Zinn die Schmelztemperatur des Bleis sehr stark erniedrigt wird, ist diese legierungstechnische Maßnahme nur dann anwendbar, wenn der Aluminium-Blei-Zinn-Werkstoff bei seiner Verwendung keiner thermischen Belastung ausgesetzt ist.

[0007] Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung, bei nach dem eingangs beschriebenen Verfahren hergestelltem Band bzw. Draht, bestehend aus einer monotektischen Aluminium-Silizium-Legierung mit in deren Matrix fein dispergierter Blei- oder Wismutphase, eine Umwandlung der nach dem Walzen langgestreckten Plättchen der im festen Aluminium unlöslichen Blei- bzw. Wismutphase in kompaktere Formen zu erzielen.

[0008] Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß die Bänder oder Drähte einer Wärmebehandlung bei einer Temperatur von 550 bis 600°C unterzogen werden.

[0009] Bei diesen Temperaturen schmilzt neben der Blei- bzw. Wismutphase auch das Aluminium-Silizium-Eutektikum wenigstens teilweise auf. Die Umbildung bzw. Einformung der flüssigen Blei- bzw. Wismutphase innerhalb der eutektischen Schmelzbereiche geschieht sehr schnell.

[0010] Im Rahmen der vorzugsweisen Ausgestaltung wird die monotektische Aluminium-Silizium-Legierung mit in der Matrix eingeschlossener Bleiphase einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 580 bis 590°C unterworfen.

[0011] Die monotektische Aluminium-Silizium-Legierung mit in der Matrix eingeschlossener Wismutphase wird bei Temperaturen von 575 bis 585°C wärmebehandelt.

[0012] Zweckmäßig dauert die Wärmebehandlung 0,5 bis 15 min.

[0013] Bei der schnellen Abkühlung erstarrt die eutektische Aluminium-Silizium-Schmelze sehr schnell, wobei das Silizium ein deutlich gröberes Gefüge als im Gußzustand aufweist. Dieser Effekt ist durchaus wünschenswert, da dadurch der Verschleißwiderstand des Werkstoffs erheblich verbessert wird.

[0014] Nach einem weiteren Erfindungsmerkmal wird die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 mm/s gegossen und mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 1500 K/s abgekühlt.

[0015] Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere für die Behandlung von Gleitwerkstoffen auf Aluminium-Silizium-Basis mit in deren Matrix fein dispergierter Blei- oder Wismutphase geeignet.

[0016] Die Erfindung ist nachfolgend durch ein Ausführungsbeispiel eingehender erläutert.

[0017] In Fig. 1 ist in 500-facher Vergrößerung eine photographische Aufnahme eines Schliffs durch ein stranggegossenes, 10 mm dickes und anschließend gewalztes Gußband einer ternären monotektischen Aluminiumlegierung mit 5 % Silizium und 10 % Wismut dargestellt. Wie das Schliffbild erkennen läßt, sind in der aus Aluminium (1) und Aluminium-Silizium-Eutektikum (2) gebildeten Matrix langgestreckte Plättchen der Wismutphase (3) eingebettet.

[0018] Die in Fig. 2 wiedergegebene 500-fache Vergrößerung der photographischen Aufnahme eines Schliffs durch ein stranggegossenes, anschließend gewalztes und danach 5 min lang auf 587,5°C erwärmtes Gußband der vorstehend genannten ternären monotektischen Aluminiumlegierung zeigt, daß die Wismutphase (4) in die im wesentlichen aus Aluminium bestehende Matrix (5) eingeformt ist und das Silizium (6) in deutlich grober Form kristallisiert ist.

[0019] Eine Untersuchung der Verschleißfestigkeit mit der Stift-/Scheibemethode hat ergeben, daß die ternäre monotektische Aluminiumlegierung im gewalzten Zustand nach einer Laufzeit von 72 min einen Verschleiß von 209 µm aufwies, was praktisch ein teilweises Fressen darstellt. Demgegenüber konnte der Verschleiß des erfindungsgemäß behandelten Gußbandes auf 16 µm nach mehr als 90 min Laufzeit begrenzt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von mit großer Gieß- und Abkühlgeschwindigkeit einer auf eine Temperatur oberhalb der Entmischungstemperatur erhitzten Schmelze stranggegossenen, plastisch verformten und wärmebehandelten Bändern und Drähten aus monotektischer Aluminium-Silizium-Legierung, bei der in der aus Aluminium und Aluminium-Silizium-Eutektikum bestehenden Matrix als Minoritätsphase 1 bis 50 Gew.-% Blei oder Wismut eingelagert sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Bänder oder Drähte einer Wärmebehandlung bei Temperaturen von 550 bis 600°C unterzogen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die monotektische Aluminium-Silizium-Legierung mit in der Matrix eingeschlossener Bleiphase einer Wärmebehandlung bei 580 bis 590°C unterzogen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die monotektische Aluminium-Silizium-Legierung mit in der Matrix eingeschlossener Wismutphase einer Wärmebehandlung bei 575 bis 585°C unterzogen wird.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlung 0,5 bis 15 min dauert.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze mit einer Geschwindigkeit von 10 bis 30 mm/s gegossen und mit einer Geschwindigkeit von 300 bis 1500 K/s abgekühlt wird.

Zeichnung