METHOD OF CASTING ALUMINIUM ALLOYS

Abstract: 1. Method for casting aluminum alloys which contain more aluminium than corresponds to the eutectic mixture with the alloy partners to achieve improved strength values by reducing the spacings of the secondary dendrite arm spacings formed by solidification, characterized in that the inner wall of the casting mould is produced with large numbers of roughnesses in the micro-range, in that the inner wall is provided with a thin layer of a salt mixture, the cations of the salt mixture consisting predominantly of those of the alkali and/or alkaline-earth metals and its anions consisting prominently of those of the halogens, and in that the liquidus temperature of the salt mixture is set lower than the casting temperature of the aluminium alloy.

Description: Verfahren zum Vergiessen von Aluminium-Legierungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Vergiessen von Aluminium-Legierungen, die mehr Aluminium enthalten, als dem Eutektikum mit den Legierungspartnern entspricht, zur Erzielung verbesserter Festigkeitswerte durch Verringerung der Abstände der sekundär durch Erstarrung gebildeten Dendritenarmabstände. Es ist bekannt, dass man die technologischen Eigenschaften der Aluminium Legierungen, insbesondere die Festigkeit, die Streckgrenze und die Dehnung durch Feinkörnigkeit des Gussstückes verbessern kann. Bekanntlich sind die Festigkeitseigenschaften bei Aluminium-Legierungen direkt abhängig von der Zahl und der Feinheit der möglichst kleinen Dendritenarmabstände - den sekundären Dendritenarmabständen. Nach Foundry, Juni 1963, S. 78 - 82, wird die Feinkörnigkeit von Aluminium- und Aluminium-Basis-Legierungen dadurch verbessert, dass in die Aluminium-Legierung vor dem Abguss eine Vorlegierung zugefügt wird, die als heterogene Keime z.B. Titan-Diborid enthält. Aus der US-PS 3 259 948 ist es bekannt, die Feinkörnigkeit von Gussstücken aus Kobalt- oder Nickel-Basis-Legierungen durch Einbringen von Keimen in die innere Giessformoberfläche zu verbessern. Diese Keine, z.B. Kobaltaluminat und Kobaltsilikat werden nach der US-PS auf das Wachsmodell aufgetragen und durch das anschliessende Eintauchen des Wachsmodelles in einen Schlicker aus feuerfestem Formmaterial und Ausschmelzen des Wachsmodelles zum Teil in die innere Formoberfläche eingebettet (Dippen). Nach der US-PS 3 019 497 werden, ebenfalls zum Zwecke der Kornverfeine rung, Keime mit dem Feuerfestmaterial für das Dippen gemischt und auf das Wachsmodell aufgetragen. Nach der US-PS 3 158 912 werden dem Feuerfestmaterial für das Dippen in gleicher Weise wie in der eben genannten Schrift als Keime, Edelmetalle oder reduzierbare Metalloxyde beigefügt. Die US-PS 3 157 926 arbeitet in gleicher Weise und nennt Nickel-III Oxyd, Kobalt-II-Oxyd und -III-Oxyd und Nickel-Kobaltoxy-hydrat als Keime. Die Keime der genannten US-Patentschriften sind für die Verringerung der sekundären Dendritenarmabstände und damit zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften von untereutektischen Aluminium-Legierungen nicht wirksam und werden von den US-Patentschriften nicht vorgeschlagen. Für Aluminium-Basisschmelzen sind noch keine entsprechenden Keime, die sich zur Einbettung in die Formwand zur Erzeugung eines feinkörnigen Gussstücks eignen, gefunden worden. Nach Foundry 1963 wird die Feinkörnigkeit von Aluminium-Legierungen durch Zugabe der Keime mit der Vorlegierung verbessert. Dies ist jedoch bezüglich der Zuverlässigkeit und des möglichst geringen sekundären Dendritenarmabstandes unbefriedigend. Die DE-PS 963 642 lehrt, die Oberfläche von Gusskörpern durch Zusätze zum Formwerkstoff zu beeinflussen und legiert die Oberfläche mit durch chemische Reaktion mit dem Giessmetall freigesetzten Blei. Zur Vermeidung der Randentkohlung werden nach der DE-AS 12 71 909 dem Formstoff reduzierende Schutzstoffe zugesetzt, deren Schmeizpunkt zwischen der Giesstemperatur und der Brenntemperatur der Giessform liegt. Die DE-AS 12 65 356 offenbart, die Giessform in ihrem Formhohlraum mit einem Wasserstoff freisetzenden Metallhy- drid zu versetzen. Der Wasserstoff soll die Oxydhaut von z B. einlaufendem Eisen als Giessmaterial reduzieren und damit die Fliessfähigkeit erhöhen. Bekanntlich ist das Aluminiumoxyd der Gusshaut von Aluminium nicht mit Wasserstoff reduzierbar. Die Gegenwart von Wasserstoff beim Abguss von Aluminium-Legierungen ist zudem in höchstem Masse unerwünscht, da Gasblasenbildung einsetzt. Die deutschen aenannten Schriften offenbaren lediglich, dass man das Gussstück mit Hilfe von in die Form eingebrachten Stoffen an seiner Oberfläche beeinflussen kann. Das Problem der Erzielung einer verbesserten Feinkörnigkeit, insbesondere der verringerten sekundären Dendritenarm abstände untereutektischer Aluminium-Legierungen wird dabei weder anqesprochen, noch ist es mit den darin genannten Massnahmen lösbar. Es ist Aufgabe der Erfindung, die Feinkörnigkeit von Aluminium-Legierungen und insbesondere auch die Zuverlässigkeit bei deren Einstellung wesentlich zu verbessern. Die Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Gattung dadurch gelöst, dass die Innenwand der Giessform mit zahlreichen Rauhigkeiten im Mikrobereich hergestellt wird, dass die Innenwand mit einer dünnen Schicht einer Salzmischung versehen wird, wobei die Kationen der Salzmischung überwiegend aus denen der Alkali- und/oder Erdalkali-Metalle bestehen und deren Anionen überwiegend aus denen der Halogene bestehen, und dass die Liquidustemperatur der Salzmischung tiefer eingestellt wird als die Abgusstemperatur der Aluminium-Legierung. Mit diesem Verfahren wurden gegenüber den bekannten Verfahren wesentlich höhere Festigkeits- und Dehnungswerte erreicht. Dies ist nach Ansicht der Anmelderin darauf zurückzuführen, dass bei den erfindungsgemä ssen Verfahren die Metallschmelze mit Hilfe der Salzmischung, die nach Abguss der Metallschmelze möglichst dünnflüssig sein sollte, auch feinste Poren und andere Rauhigkeiten der Formschalen-Innenwand auffüllt. Das Metall kühlt dort zuerst ab und erstarrt, so dass viele Kristallisationszentren in der schon auf Grund der durch die Geometrie der Formschale vorgegebenen Richtung der Wärmeabfuhr in einer kristallin günstigen Ausrichtung mit dem noch flüssigen Gussstück in Verbindung stehen und als arteigener Keim wirksam werden können. Darüber hinaus wird wohl auch durch Transport von abgebrochenen Dendritenarmen durch die Schmelze in zentrale Bereiche des Gussstückes hinein zusätzlich zu dem Heranwachsen der feinen dendritischen Erstarrungsfront die Feinkörnigkeit im Inneren noch weiter verbessert oder auch Bereiche der Forminnenwand, die wenig wirksam sind, mit einer genügenden Anzahl arteigener Keime versorgt. Dadurch, dass die keramische Form mit den Rauhigkeiten und Poren nach dem Trocknen und Brennen mit der dünnen Salzschicht versehen wird, deren Liquidustemperatur geringer ist als die Abgusstemperatur der Legierung, kann sich die Salzmischung als dünne, filmartige Schicht, die sich bei Fingiessen der Legierung verflüssigt, qleichmässig auch in die Vertiefun qen der Rauhigkeiten hinein ausbreiten und hindert wegen der dünnen Schicht das eingegossene Aluminium auch nicht am Eindringen in die Poren. Die Salze, deren Kationen überwiegend aus Alkali und/oder Erdalkali und deren Anionen iiberwiegend aus Halogenen bestehen, bewirken nach Versuchen der Anmelderin zuverlässig eine Verringerung der Dendritenarmabstände. Im einzelnen kann die Erfindung wie folgt vorteilhaft ausgestaltet sein. Man benötigt für die Erzielung eines möglichst geringen Unterkühlungsintervalles der Erstarrung beim Aluminium-Guss Kristallisationszentren mit Durchmessern in der Grössenordnung von zehn bis einigen hundert Angström, so dass der Geometrie der Rauhigkeiten eine besondere Bedeutung zukommt. 5 Dazu empfiehlt die Erfindung, möglichst viele, aber mehr als 10 Rauhig- keiten pro cm# der Forminnenwand herzustellen, deren Verhältnis Tiefe zu Durchmesser oder Tiefe zu Spaltbreite von Rissen grösser als 1 zu 3 ist. Fs-empfehlen sich Rauhigkeiten in Form von Poren, Bruchkanten, Rissen und Spalten sowie vorzugsweise von Folgen mikrokristalliner Bruchkanten gebildete, trichterförmige Vertiefungen, die dem Gussstück mit der sich vergrössernden Uffnung zugewandt sind. Geometrisch besonders günstige Rauhigkeiten werden z.B. erhalten, indem man ein keramisches Material, welches zum Muschelbruch neigt, in besonders feingemahlenen Körnungen mit überwiegend weniger als 10 pm Durchmesser an der Formeninnenwand anordnet. Das geschieht z.B. durch "Dippen", d.h. Tauchen des Wachsmodelles in einem Schlicker auf wässriger oder alkoholischer Basis, der auch einen Binder, z.B. auf Basis von Siliciumdioxyd, enthält. Es können auch andere keramische Pulver benutzt werden, die schon auf Grund ihres llerstellungsweges geeignete Porengrössen und/oder eine geeignete Feinkörnigkeit aufweisen, Dadurch, dass die Salzmischung eine oder mehrere Alkali- und/oder Erd alkali-Pseudohalogenverbindungen oder auch organische Salze der Alkali und/oder Erdalkali-Metalle zusätzlich enthält, kann eine verbesserte Entfernung von Sauerstoffresten, insbesondere in den Poren der Form erreicht werden. Als Alkali- oder Erdalkali-Pseudohalogenverbindungen eignen sich Cyanat-, Cyanid-, Rhodanit-, Hexa- oder Tetracyano-Verbindungen, Amine oder Amide o.ä., den Alkalicyaniden, -cyanaten und -rhodaniden chemisch verwandte Verbindungen. Die Entfernung der Sauerstoffreste ist nicht nur bei Abguss an Luft wirksam, sondern auch bei Abguss im Vakuum bei ca. 10 Torr. Dabei ist es vorteilhaft, diese zusätzlichen Salze in etwa 2 - 40 Gew.% der Gesamtsalzmischung zuzugeben. Zweckmässig wird der Salzzusatz in seiner Menge so begrenzt, dass es durch beim Abguss freiqesetztes Gas nicht zur Bildung von Blasen an der Gussstückoberfläche kommt, das freiqesetzte Gas keinen molekularen Wasserstoff enthält und weiterhin das Salz bei den Druck- und Temperaturbedingungen der Vorwär mung der Formschale keine stabilen Hydrate aufweist. Dadurch, dass die Salzmischung in Form einer Lösung und/oder feindisperser Aufschlämmung durch Ein- und Ausgiessen in die gebrannte Form auf deren Innenwand mit anschliessender Trocknung aufgebracht wird, kann man die Innenwand und deren Poreneingänge mit verschiedenen Salzen gleichzeitig und in gleichmässiger, feinster Verteilung versehen und ausserdem feinstqemahlene, aufgeschlämmte Salze, die nicht löslich oder zu wenig löslich sind, auf die Innenwand aufbringen. Bei der Abgusstemperatur führt die innige Mischung der verschiedenen Salze zu einer schnellen Verflüssigung. Die Vorwärmung der Form, die vor dem Abguss erfolgt, um das Auslaufen des Gussstückes zu verbessern, dient dabei gleichzeitig zum Trocknen der aufgebrachten Salze. Als Lösungsmittel eignen sich Wasser und/oder Alkohol. Dadurch, dass eine überwiegend aus Natrium-Lithium-Chlorid-Fluorid bestehende Salzmischung zur Beschichtung der Innenwand der keramischen Form verwendet wird, deren Schmelzpunkt unterhalb von 6500C liegt, kann eine sehr schnelle Verflüssigung des Salzgemisches erreicht werden. Bei diesen Salzgemischen existieren tiefschmelzende Mischungen reziproker Salzpaare mit geringer Hydrostabilität der Einzelsalze, insbesondere verglichen mit den Salzen des Kaliums Besonders geeignet ist eine wässrige und/oder alkoholische Lösung aus LiCl, NaF, NaCl und Na4Fe (CN)6. Dabei ist kein Vorschmelzen und Mahlen der Salzmischung notwendig. Natriumfluorid ist wasserlöslich. Durch Ionenaustausch mit dem Lithium-Chlorid fällt nach einigen Stunden feinkörniges Lithiumfluorid aus. Dadurch, dass die Lösung und/oder Aufschlämmung des Salzgemisches ein Dispergiermittel enthält, können feinkörnige unlösliche Salze, die sich nach einiger Zeit aus der Lösung ausscheiden wie das Lithiumfluorid, in der Schwebe gehalten werden und eine gleichmässige Verteilung der Salzmischung auf der Forminnenwand gefördert werden. Als Dispergiermittel eignet sich z.B. Methyl-Zellulose. Fördernd für die qleichmässige Verteilung des Salzgemisches bei der Trocknung wirkt auch, dass der Lösung und/oder der Aufschlämmung des Salzgemisches ein die Benetzung der Innenwand der keramischen Form verbesserndes Hilfsmittel wie ein Tensid zugegeben wird. Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Die Untersuchungen ergaben, dass die senkundären Dendritenarmabstände etwa 40 - 50 pm betrugen, während bei nach dem Stand der Technik mit einer Titandiborid-Vorlegierung versetztem Material solche von ca. SO - 90 pm unter gleichen Giessbedingungen gefunden wurden. Ausführungsbeispiel 1 Es wurden 20 Wachstrauben hergestellt, die aus je acht Zugproben-Modellen mit 8 mm Durchmesser zusammengesetzt waren, wobei die Zugproben um einen Einguss kreisförmig angeordnet und mit je einem ringförmigen Oberund Unteranschnitt versehen waren. Die Wachstrauben wurden mit einem ersten Oberzug durch Tauchen in eine Aufschlämmung, bestehend aus einem wässrigen Binder, feingemahlenem ( < 30 #m# Zirkonsilikat und Siliziumdioxyd als Füller, versehen und mit grobem Zirkonsilikatpulver besandet. Nach der Trocknung wurden weitere sechs Schichten durch Tauchen, Besanden und Trocknen in üblicher Weise aufgebracht, so dass keramische Formen mit Wandstärken von ca. 8 mm entstanden. Die Formen wurden unter Druck im Autoklaven entwachst und anschliessend bei ca. 8000C gebrannt. Es wurde weiterhin eine wässrige Lösung aus 20 g LiCl, 20 g NaF, 5 g Na4Fe (CN)6, 40 g NaCl, 1 g Methylzellulose und 0,1 g Tensid pro Liter angesetzt. Die Lösung wurde nacheinander in die keramischen Formen gefüllt, sofort wieder ausgegossen und filtriert, um ggf. ausgespülte Keramikkörner zu entfernen. Die keramischen Formen wurden dann auf ca. 4700C erhitzt, im warmen Zustand in die Vakuumgiessanlage eingesetzt und bei ca. 2500C Formtemperatur mit der Aluminium-Legierung GAlSi7MgO.6 bei einer Temperatur der Schmelze von 7n00C, bei 10 ' Torr gefüllt. Die Aluminium-Schmelze wurde an Luft vorgeschmolzen, dann durch ein Spül gasgemisch entgast und im Vakuum nachentgast. Nach der üblichen Wärmebehandlung, die Lösungsglühen und Aushärten umfasste, wurden folgende Festigkeitswerte bei geringer Streuung erhalten. Zugfestigkeit Rm > 340 N/mm2 m Streckgrenze Ru0.2 > 280 2 N/mm Bruchdehnung A5 > 6.5 % Ausführungsbeispiel 2 Es wurden die Wachsmodelle eines Flugzeugstrukturteiles mit einer mittleren Wandstärke von 5 mm und an den Knotenpunkten mit einer Wandstärke von 15 mm nach der in Ausführungsbeispiel 1 beschriebenen Methode zu Wachstrauben zusammengestellt, mit der keramischen Schale überzogen, im Autoklaven unter Druck entwachst und anschliessend bei ca. 8000C gebrannt. Es wurde weiterhin eine wässrige Lösung aus 20 g LiCl, 20 g NaF, 5 g Na4Fe (CN)6, 40 g NaCl, 1 g Methylzellulose und 0,1 g Tensid pro Liter angesetzt. Die Lösung wurde nacheinander in die keramischen Formen gefüllt, sofort wieder ausgegossen und filtriert, um ggf. ausgespülte Keramikkörner zu entfernen. Die keramischen Formen wurden dann auf ca. 4700C erhitzt, im warmen Zustand in die Vakuumgiessanlage eingesetzt und bei ca. 2500C Formtemperatur mit der Aluminium-Legierung GAlSi7MgO,6 bei einer Temperatur der Schmelze von 700 C, bei io Torr gefüllt. Die Aluminiumschmelze wurde an Luft vorgeschmolzen, dann durch ein Spülqasgemisch entgast und im Vakuum nachentgast. Nach der Wärmebehandlung, die Lösungsglühen und Aushärten umfasste, wurden folgende Festigkeitswerte bei geringer Streuung an Flachproben aus dem Feingussteil erhalten: Zugfestigkeit Rm 350 bis 360 N/mm2 Streckgrenze Rpo 2 290 bis 310 Nlmm Bruchdehnung A5 5 bis 7 % Beim Giessen derselben Schmelze in eine bekannte Form ohne die erfindungsgemässen Massnahmen ergaben sich folgende Werte Zugfestigekeit R 300 N/mm2 m Streckgrenze gp;2 200 NImm2 Bruchdehnung A5 3 % Die technologischen Werte Zugfestigkeit, Streckgrenze und Bruchdehnung wurden durch den Einsatz der Erfindung somit wesentlich verbessert.

Claims: Ansprüche: 1. Verfahren zum Vergiessen von Aluminium-Legierungen, die mehr Aluminium enthalten, als dem Entektikum mit den Legierungspartnern entspricht, zur Erzielung verbesserter Festigkeitswerte durch Verringerung der Abstände der sekundär durch Erstarrung gebildeten Dendritenarmabstän de, dadurch gekennzeichnet dass die Innenwand der Giessform mit zahlreichen Rauigkeiten im Mikrobe reich hergestellt wird, dass die Innenwand mit einer dünnen Schicht einer Salzmischung verse hen wird, wobei die Kationen der Salzmischung überwiegend aus denen der Alkali- und/oder Erdalkali-Metalle bestehen und deren Anionen überwiegend aus denen der Halogene bestehen und dass die Liquidustemperatrur der Salzmischung tiefer eingestellt wird als die Abgusstemperatur der Aluminium-Legierung. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass die Innenwand der Giessform mehr als 105 Rauhigkeiten pro cm2 aufweist, deren Ver hältnis von Tiefe zu Durchmesser oder Tiefe zu Spaltbreite mehr als 1 zu 3beträgt. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das die In nenwand der Giessform bildende Feuerfestmaterial aus feinstkörnigen, durch Mahlen gewonennen Oxydpulvern durch Eintauchen eines Wachsmo delles in eine Aufschlämmung aus dem Oxydpulver, einem Füller und einem Binder, Trocknen und Brennen unter Bildung einer oxydkeramischen Bindung durch den Binder hergestellt wird. 4. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendete Salzmischung zusätzlich eine oder mehrere Alkali und/oder Erdalkali-Pseudohalogenverbindungen in Form von Cyanat-, Cyanid-, Rhodanid-, Hexa- und/oder Tetracyanoverbindungen, Aminen oder Amiden und/oder ähnlichen, den Alkalicyaniden, -Cyanaten und -Rhodaniden chemisch verwandten Verbindungen und/oder organische Salze und/oder metallorganische Verbindungen der Alkali- und/oder Erdalkalimetalle zusätzlich enthält. 5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass eine überwiegend aus Natrium-Lithium-Chlorid-Fluorid bestehende Salzmischung zur Beschichtung der Innenwand der keramischen Form verwendet wird, deren Schmelzpunkt unterhalb von 6500C liegt. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine wässrige und/oder alkoholische Lösung aus LiCl, NaF, NaCl und Na4Fe (CN)6 verwendet wird. 7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass die Salzmischung in Form der Lösung und/oder einer feindispersen Aufschlämmung durch Ein- und Ausgiessen in die gebrann te Form auf deren Innenwand und sich anschliessende Trocknung aufge bracht wird. 8 Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösung und/oder Aufschlämmung des Salzgemisches ein Dispergiermittel, z.B. Methyl-Zellulose enthält 9. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Lösung und/oder Aufschlämmung des Salzgemisches ein die Be netzung der Innenwand der keramischen Form verbesserndes Hilfsmittel, z.B. ein Tensid zugegeben wird.

Inventors: BALLEWSKI, HEINRICH, DIPL.-ING., BEHR, FRIEDRICH, DR.-ING., GROSSMANN, WOLFGANG
Applicants: THYSSEN INDUSTRIE AG
Application year: 1986
Main classification: B22C3
IPC codes: B22D27, B22C9, B22C3, B22D21