Potentiale von Standard-Druckgusslegierungen

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1 Potentiale von Standard-Druckgusslegierungen Klaus-Peter Tucan (V), Peter Hofer, Reinhold Gschwandtner Österreichisches Gießerei-Institut Austrian Foundry Research Institute I Parkstraße 21 I 8700 Leoben I Austria Tel.: I Fax: I office@ogi.at I Accredited testing laboratory EN ISO/IEC 17025

2 Agenda Gebräuchliche Druckgusslegierungen Gefüge und Bestandteile Mechanische Eigenschaften Lunkerneigung Zusammenfassung und Ausblick Quelle: DIN Norm EN 1706 Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 2

3 Gebräuchliche Druckgusslegierungen Quelle: VDS Verein Deutscher Schmelzhütten, Legierungsbezeichnungen Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 3

4 Legierungsbreite nach Norm EN 1706 EN AC AlSi9Cu3 (Fe) 8,0-11,0 % Si % Fe % Cu % Mn % Mg max. 1,30 2,0-4,0 max. 0,55 0,05-0,55 Si: 3 % Fe: 1,3 % Cu: 2 % Mn: 0,55 % Mg: 0,50 % EN AC AlSi12Cu1(Fe) 10,5-13,5 max. 1,30 0,7-1,2 max. 0,55 max. 0,35 Si: 3 % Fe: 1,3 % Cu: 0,5 % Mn: 0,55 % Mg: 0,35 % Quelle: DIN Norm EN 1706 Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 4

5 Legierungselemente Haupt-Legierungselemente: Element Vorteile Nachteile Si Fließfähigkeit, Schmelztemperatur Verschleißfestigkeit Mg Korrosionsbeständigkeit (- 0,6 %) Kalt- und Warmaushärtbarkeit Eloxier- und Anodisierbarkeit Fe Klebeneigung (ab 0,55 %) Festigkeit (mit Mg, Fe soll < 1,1 %) Schonung Formwerkstoff (ab 0,6 %) Cu Zn Wärmeinhalt der Legierung Festigkeit, Härte (mit WBH) Viskosität (ähnlich Si), Festigkeit und Härte Gefahr von groben Si-Primärkristallen mit steigendem Gehalt abrasiv auf Wkz-Stahl Viskosität verschlechtert mit Gehalt Abbrand erhöht mit Gehalt Wasserstofflöslichkeit (ab 0,25 %) Verschlechterung der Dehnung (ab 0,25 % Fe), Anodisierbarkeit (Mn wirkt Fe entgegen) Porosität und Schwindungslunker Korrosionsbeständigkeit Korrosionsbeständigkeit Dehnungswerte Bearbeitbarkeit bei hohen Zn (+Fe)- Gehalten erschwert Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Quelle: Aleris, Aluminium-Gusslegierungen, (2012) 18 Seite 5

6 Temperatur [ C] Legierungsbreite Silizium L 600 Al 580 Si + L AlSi9Cu3 (Fe) 500 AlSi12Cu1 (Fe) Al + Si Al at % Si Quelle: Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 6

7 Erstarrungsintervall AlSi9Cu3 (Fe) nach Norm Erstarrungsintervall: Quelle: Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 7

8 Volumenkontraktion Rein-Aluminium Quelle: VDG-Merkblatt P202, Volumendefizite von Gussstücken aus Aluminium-, Magnesium- und Zinkgusslegierungen Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I (2010) Seite 83

9 Wirkung des Erstarrungsintervalls auf die Erstarrungsschrumpfung Quelle: Temperaturabhängigkeit der Schrumpfung bei der Erstarrung einer Gusslegierung, Stand August 2014 Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I (2010) Seite 93

10 Temperatur in C dt/dt c in C/s Thermische Analyse (OCC) A/D A/D-Wandler und Verstärker Quick-Cup mit Thermoelement Bereiche in der 1. Ableitung 1. Bildung a-al-dendriten 2. Dendriten wachsen in die Schmelze 3. Dendritenvergrößerung 4. Bildung Si-Kristalle 5. Si-Kristallwachstum 6. Bildung Mg 2 Si-Phase 7. Ende der Erstarrung PC T C 3 dt/dt c Bereiche in der Abkühlkurve 1. Beginn der primären Erstarrung 2. Eutektische Erstarrung 4 5 Zeit in s ,00 0,75 0,50 0,25 0,00-0,25-0,50-0,75-1,00 Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 10

11 Thermische Analyse Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 11

12 Thermische Analyse Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 12

13 Thermophysikalische Messungen (DSC) Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 13

14 Thermophysikalische Messungen (DSC) Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 14

15 Charakteristische Gefügeausbildung Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 15

16 Gefügebestandteile Quelle: Rockenschaub, FT&E, Phasen in untereutektischen AlSiCuFe-Systemen, Stand August 2014 Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 16

17 Wirkung von Fe krit 3D-Rekonstruktion von Phasenanalysen im Schliff Al 5 FeSi Al 15 (Fe,Mn) 3 Si 2 β-fe-phase α-fe-phase Quelle: Dinnis et al., Iron-related porosity in Al Si (Cu) foundry alloys, Materials Science and Engineering A 425 (2006) Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 17

18 Wirkung von Fe krit Ternäres Al-Fe-Si-System Quelle: Dinnis et al., Iron-related porosity in Al Si (Cu) foundry alloys, Materials Science and Engineering A 425 (2006) Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 18

19 Metallografische Untersuchung (Cu und Fe konstant) Fe = 1,3 Cu = 2 Si = 8% Si = 9,5% Si = 11% Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 19

20 Zugfestigkeit Datenpunkte sind Mittelwerte aus 10 Zugproben Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 20

21 Zugfestigkeit Datenpunkte sind Mittelwerte aus 10 Zugproben Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 21

22 Sanduhrkokille Abgüsse mittels Sanduhrkokille: Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 22

23 Sanduhrkokille Aussagekraft SK-Probe: Idealform: Abguss: Speisungsverhalten und Erstarrungsmorphologie Schwammiges Gefüge (Mikrolunker) Einfallstelle (Makrolunker) Vergleiche und Auswertung von Idealform und Abguss mittels: Computertomographie (Volumendeffizite, Soll-Ist-Vergleich) Metallografie (Gefügeinhomogenitäten) Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 23

24 Sanduhrkokille Computertomographieuntersuchung: Al226: Al231: Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 24

25 Metallografische Untersuchung Lunkerneigung aufgrund Fe: Fe-Platten bilden Barrieren, die bei der Nachspeisung hinderlich sein können! Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 25

26 Zusammenfassung Triviale Ergebnisse: Große Legierungsbandbreite von AlSi9Cu3(Fe) (VDS 226) und Al Si12Cu1(Fe) (VDS 231) Starker Einfluss auf die Gussqualität, insbesondere in Hinblick auf den Silizium- und Eisengehalt. Mit steigendem Siliziumgehalt sinken Liquidustemperatur sowie Zugfestigkeit. Steigender Eisengehalt wirkt sich ebenfalls in einer Absenkung der Zugfestigkeit aus. Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 26

27 Zusammenfassung Technologische Ergebnisse: Unterschiedliche Entartungen des Eisens im Gefüge in Abhängigkeit vom Eisengehalt zu Al 15 (Fe,Mn) 3 Si 2 (α-fe-phase) und Al 5 FeSi (β-fe-phase) Durch die Anhebung des Si-Gehaltes wird die Menge der Bildung der intermetallischen α- und β-fe-phase verändert, welche sich in ihrem Erscheinungsbild unterscheiden (Knäuel / Platten). Die nadelförmige, bzw. dreidimensional betrachtet, plattenförmige β-fe- Phase führt zu einer Absenkung der Zugfestigkeit gepaart mit einer Erhöhung der Lunkerneigung aufgrund der Behinderung der Nachspeisung im Guss. Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 27

28 Ausblick Weitere Untersuchungen in Richtung Legierungszusammensetzung sind geplant. Des Weiteren laufen Untersuchungen von duktilen Systemen wie AlSi10MgMn. Der Einfluss der Legierungselemente auf die Lunkerneigung, insbesondere im DG-Verfahren ist eines der Ziele des FFG-Forschungsprojektes CONAN am Österr. Gießerei-Institut (ÖGI). Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 28

29 Danke für die Aufmerksamkeit! Österreichisches Gießerei-Institut I office@ogi.at I Seite 29