Eigenschaften von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen

Weil beide Aluminium-Gusslegierungen und ihre Knetäquivalente ihre gewünschten Eigenschaften durch Legierungselemente und Wärmebehandlung erhalten, sind sie chemisch gesehen recht ähnlich. Ein Unterscheidungsmerkmal zwischen den beiden ist das Fehlen der Kaltverfestigung während des Prozesses der Entwicklung der Gusseigenschaften. Aufgrund dieses Unterschieds erfüllen bestimmte Legierungselemente in Guss- und Knetlegierungen unterschiedliche Funktionen.

Die Gießbarkeit eines Aluminiumgusslegierung ist das Hauptkriterium zur Unterscheidung von Knetlegierungen. Gusslegierungen weisen im Vergleich zu Knetprodukten, die in der Regel mit Gießtechniken hergestellt werden, bei denen runde oder rechteckige Grundquerschnitte im Vordergrund stehen, besondere Schwierigkeiten auf. Für technische Gussstücke mit komplexen Geometrien und unterschiedlichen Erstarrungsgeschwindigkeiten sind besondere Überlegungen zum Verhalten der Legierungen während der Erstarrung erforderlich. Um diese Tendenzen zu begrenzen, müssen die Legierungen für den Formguss so ausgewählt werden, dass eine Rissbildung während und nach der Erstarrung verhindert und die innere Schrumpfung vermindert wird.

Das Wort "Gießbarkeit" ist ein Schlüsselfaktor, wenn es darum geht, herauszufinden, ob eine Zusammensetzung in einem bestimmten Gießverfahren erstarrt werden kann, was notwendig ist, um sicherzustellen, dass perfekte Gussstücke hergestellt werden. Mehrere Faktoren beeinflussen die Fähigkeit, etwas im Schwerkraftguss zu gießen. Dazu gehören die Fließfähigkeit, die angibt, wie gut die Form gefüllt werden kann, die Widerstandsfähigkeit gegen Heißrisse während und nach der Erstarrung und die Speisungseigenschaften, die das Fließen des Metalls während der Erstarrung erleichtern, wodurch das Risiko von Lunkern verringert wird.

Es ist möglich, die Fließfähigkeit beim Schwerkraftgießen genau zu messen und zu definieren, da sie ein vielschichtiger Faktor ist. Temperaturen oberhalb des Liquidus oder der Grad der Überhitzung haben den größten Einfluss auf diese Eigenschaft. Es ist üblich, dass eutektische oder nahezu eutektische Zusammensetzungen bei normalen Fülltemperaturen eine höhere Fließfähigkeit aufweisen.

Beim Druckguss zählen zu den Faktoren, die etwas gießbar machen, die Heißrissbeständigkeit, das Fließen, das Löten im Druckguss und die Oberflächenbeschaffenheit. Jeder einzelne dieser Faktoren ist für das Funktionieren des Gießverfahrens sehr wichtig. Das richtige Gleichgewicht zwischen diesen Faktoren ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Gussteile frei von Fehlern sind, dass sie den Anforderungen der verschiedenen Gießverfahren entsprechen und dass das Endprodukt fest bleibt.

Schmale Solidus-Liquidus-Bänder werden häufig mit besseren Fütterungseigenschaften in Verbindung gebracht, insbesondere wenn der Flüssigkeitsanteil bei der eutektischen Temperatur höher ist. Die Auswirkungen der Elemente auf die Hochtemperaturfestigkeit und die Erstarrungsgeschwindigkeit sind ausschlaggebend dafür, wie wahrscheinlich es ist, dass ein Material erstarrt und danach reißt.

Die Metallchemie hat viel mit dem Löten der Form zu tun, das ein wichtiger Bestandteil des Gießens ist. Aber auch der Zustand der Gussform und andere Prozessfaktoren sind sehr wichtig. Die Gießbarkeitsklassen, die von A bis F bzw. 1 bis 10 reichen, d. h. von "ausgezeichneten Gießeigenschaften" bis "schlechten Gießeigenschaften", wurden durch viel Übung geschaffen.

Gusslegierungen, die mehr Silizium enthalten als die meisten Knetlegierungen, werden häufig verwendet, insbesondere bei hohen Stückzahlen. Durch die Zugabe von Silizium zu geformten Gussformen werden diese flüssiger, reißen bei hohen Temperaturen nicht so leicht und lassen sich leichter füllen. Verschiedene Gießverfahren benötigen unterschiedliche Mengen an Silizium, um die besten Ergebnisse zu erzielen. Verfahren, bei denen viel Wärme benötigt wird, bevorzugen Metalle, die mehr Silizium enthalten, wodurch sie flüssiger werden. Das Gießverfahren steuert die Gradienten in der Erstarrungszone, die den Speisemechanismus beeinflussen. Dieser Mechanismus ist sehr wichtig, um die innere Schrumpfung auszugleichen. Im Allgemeinen sind Metalle mit kleineren Erstarrungsbereichen leichter zu gießen.

Obwohl sie sich gut zum Gießen eignen, sind viele beliebte Aluminiumlegierungen für Gießereien nicht nur auf Silizium angewiesen. Eines der besten Merkmale von Aluminium ist, dass es recycelt werden kann. Dies hat zur Entwicklung von Gusslegierungen geführt, die speziell für die Herstellung von Gegenständen aus umgeschmolzenem Schrott entwickelt wurden. Diese "sekundären" Legierungen weisen eine größere Bandbreite an Verunreinigungen auf, da sie mehr Elemente als Verunreinigungen enthalten, um den Unterschieden in den Rohstoffen Rechnung zu tragen. Primärlegierungen hingegen werden aus geschmolzenem Aluminium, Industriemetallen und Vorlegierungen hergestellt. Für sie gelten strengere Grenzwerte für Verunreinigungen in Bezug auf Elemente.

Vorteile und Grenzen von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen

Bei der Herstellung von Gussteilen aus Aluminiumlegierungen wird eine breite Palette von Legierungen verwendet, die eine große Vielseitigkeit bei den erreichbaren Eigenschaften aufweisen. Die Aluminum Association verzeichnet über 100 Zusammensetzungen, während weltweit mehr als 300 Legierungen Anwendung finden. Neben der Vielseitigkeit, die Metall-Matrix- und andere Verbundstrukturen bieten, weisen diese Legierungen eine Vielzahl von Eigenschaften auf, darunter:

Zugfestigkeit, ksi (MPa) 10-72 (70-505)
Streckgrenze, ksi (MPa) 3-65 (20-455)
Dehnung, % <1-30
Härte, HB 30-150
Elektrische Leitfähigkeit, %IACS 18-60
Wärmeleitfähigkeit, Btu - in./h - ft2 - °F bei 77 °F
(W/m - K bei 25 °C)
660-1155 (85-175)
Ermüdungsgrenze, ksi (MPa) 8-21 (55-145)
Koeffizient der linearen thermischen Ausdehnung
bei 68-212 °F (20-100 °C)
9.8-13.7 [1] 10-6/°F
(17.6-24.7) [1] 10-6/°C)
Scherfestigkeit, ksi (MPa) 6-46 (42-325)
Elastizitätsmodul, 106 psi (GPa) 9,5-11,2 (65-80)
Spezifisches Gewicht 2,57-2,95

Die Fähigkeit zur Herstellung nahezu präziser Teile mit genauen Abmessungen, geregelter Oberflächenbeschaffenheit, komplizierten Geometrien, einschließlich innerer Durchgänge, und Eigenschaften, die den vorgegebenen technischen Normen entsprechen, stellt einen bemerkenswerten Fertigungsvorteil dar (siehe unten).

• In vielen Fällen können geschweißte oder gefügte Mehrkomponentenbaugruppen durch ein einziges Gussteil ersetzt werden.
• Geringere Bearbeitungsanforderungen tragen zu Kosten- und Zeiteinsparungen bei.
• Gussteile aus Aluminiumlegierungen weisen kontrollierte Schwankungen in der Gussoberfläche auf.
• Kontraste zwischen gegossenen und bearbeiteten Oberflächen können hervorgehoben werden, um ansprechende kosmetische Effekte zu erzielen.
• Der Kapitalbedarf ist im Allgemeinen geringer als bei Schmiedeerzeugnissen.
• Die Werkzeugoptionen reichen von einfachen Mustern bis hin zu komplizierten Werkzeugstahlformen, die den unterschiedlichen Produktanforderungen und Produktionsmengen gerecht werden.
• Der Routineguss umfasst metallurgisch oder mechanisch gebundene Bimetallteile.
• Aluminiumteile werden in verschiedenen Verfahren gegossen, die in Bezug auf Volumen, Produktivität, Qualität, Mechanisierung und spezielle Fähigkeiten vielseitig sind.
• Die meisten Aluminiumgusslegierungen entsprechen den Anforderungen der Gießereien und gewährleisten die Herstellung hochwertiger Teile.
• Mehrere Aluminiumgusslegierungen weisen eine ausgezeichnete Fließfähigkeit auf, die das Gießen von dünnen Profilen und komplizierten Details erleichtert.
• Niedrigere Schmelztemperaturen für Aluminiumgusslegierungen tragen zur Energieeffizienz bei.
• Aluminiumgießverfahren lassen sich in hohem Maße automatisieren, auch wenn es gewisse Einschränkungen gibt, wie z. B. die Probleme mit sehr dünnen Profilen, die möglicherweise nicht gegossen werden können.

Gussteile aus Aluminiumlegierungen stoßen bei bestimmten Gießverfahren auf praktische Größenbeschränkungen, die durch das Erstarrungsverhalten bestimmter Legierungen beeinflusst werden und das Gießen in komplizierten technischen Konfigurationen oder speziellen Gießverfahren behindern können. Trotz der Einfachheit und der geringeren Kapitalintensität des Gießverfahrens im Vergleich zur Herstellung von Schmiedestücken, Strangpressen und gewalzten Produkten kann die Erstarrung in komplexen geometrischen Formen, ähnlich wie bei anderen Herstellungsoptionen, zu Oberflächendiskontinuitäten und inneren Gefügemerkmalen mit unterschiedlichen Qualitätsstufen führen, was sich wiederum auf die Eigenschaften und die Leistung auswirkt.

Vor allem Gussstücke aus Aluminiumlegierungen haben das Potenzial, Festigkeitseigenschaften aufzuweisen, die mit denen der meisten Schmiedestücke, Strangpressprofile und gewalzten Bleche vergleichbar sind. Die besonderen Merkmale von Kneterzeugnissen, wie fein rekristallisierte Kornstrukturen mit spezifischer Anisotropie und stark texturierten Gefügemerkmalen, führen oft zu einer höheren Duktilität in Längsrichtung im Vergleich zu Gussstücken mit gröberen Kornstrukturen. Umgekehrt vereinfacht das typischerweise einachsige Korngefüge und das Fehlen von Anisotropie in Gussstrukturen die Arbeit der Konstrukteure, da die mit den Beschränkungen der Quereigenschaften verbundenen Herausforderungen wegfallen.

Welche Arten von Aluminiumdruckgussmaterialien werden verwendet?

Beim Aluminiumdruckguss hat die Wahl des Werkstoffs einen erheblichen Einfluss auf die Eigenschaften und die Funktionalität der fertigen Bauteile. Viele Aluminiumlegierungen erfüllen spezifische Anforderungen. Eine Reihe von Kriterien wie Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Gusseigenschaften bestimmen die Auswahl dieser Legierungen. Dies sind einige der am weitesten verbreiteten Werkstoffe, die im Aluminiumdruckguss verwendet werden:

Aluminium-Legierung Gießen Spezifikationen

Für Aluminiumgusslegierungen gelten unterschiedliche Regeln und Spezifikationen. Dies gilt vor allem in den USA, wo die Aluminum Association den Überblick über die Chemie der Legierungen und die Temperaturpraktiken behält. Normen und Anforderungen für die Beschaffung werden von Gruppen wie ASTM, dem Militär und den Bundesbehörden festgelegt und durchgesetzt. Zu den von diesen Normen abgedeckten Verfahren gehören Röntgen- und Eindringprüfungen, Testverfahren zur Ermittlung chemischer, mechanischer und physikalischer Eigenschaften und andere wichtige Schritte. Oftmals ändert der Käufer die Spezifikationen, um bestimmte Teile oder Gruppen von Teilen anzupassen. Es ist sehr wichtig, dass sich der Gusserzeuger und der Kunde vor dem Kauf über die Spezifikationen und Ausnahmen einigen.

Die Spezifikationen für Aluminiumlegierungen enthalten Haupt-, Neben- und Verunreinigungselemente, von denen jedes eine andere Funktion hat:

Wichtige Legierungselemente: Diese legen die Bereiche fest, die bestimmen, wie gut das Metall hergestellt werden kann und wie sich seine Eigenschaften im Laufe der Zeit verändern.

Geringfügige Elemente in Aluminiumgusslegierungen: Sie verändern das Erstarren der Legierung, die Struktur des Eutektikums, die Hauptphasen, die Korngröße und -bildung sowie die Entwicklung der Phasen. Außerdem tragen sie zur Verringerung der Verschmutzung bei.

Verunreinigungselemente: Sie wirken sich darauf aus, wie leicht sich das Material gießen lässt und wie unlöslich die Phasen werden, was die gewünschten Eigenschaften manchmal begünstigt und manchmal beeinträchtigt.

Auch wenn in den Spezifikationen für Aluminiumgusslegierungen nicht genau angegeben ist, welche Konzentrationen und Verhältnisse für Haupt-, Neben- und Verunreinigungselemente am besten geeignet sind, versprechen nominale chemische Zusammensetzungen nicht automatisch die besten Ergebnisse. Innerhalb bestimmter chemischer Grenzen können strukturbestimmende Elemente entweder einzeln oder in Gruppen hinzugefügt werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn sie nicht ausdrücklich unter "Other Elements Each" aufgeführt sind.

Sie können stöchiometrische Verhältnisse für die bevorzugte Phasenbildung angeben, doch sind diese nicht immer eindeutig oder kontrolliert. Konzentrationsgrenzen geben Ihnen die Freiheit, die Zusammensetzung zu ändern, um die Gießbarkeit und den Eigenschaftszuwachs zu verbessern. Es ist möglich, die höchsten Mengen an Elementen zu erhalten, die härtende Phasen bilden, um die stärksten Materialien zu erhalten. Für eine bessere Duktilität hingegen sind feinere Strukturen, geringere Mengen an unlöslichen Elementen und eine sorgfältige Kontrolle der Verunreinigungsgrade erforderlich, um die Bildung der am wenigsten schädlichen intermetallischen Bestandteile zu fördern. Die Vorspannung der Zusammensetzung kann beim Kauf des Barrens festgelegt werden oder bei der Änderung der Legierung in der Schmiede erfolgen.

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