Wärmebehandlung von aushärtbaren Aluminium-Gusslegierungen

Die meisten Aluminium (Al)-Gusslegierungen können nach dem Abguss durch eine Wärmebehandlung gezielt in ihrem Eigenschaftsprofil verändert werden. Dies gilt sowohl für die Sand- und Kokillengusslegierungen aber auch für einige Druckgusslegierungen (insbesondere die duktilen Druckgusslegierungen).

Für die im konventionellen Druckgießverfahren (ohne Vakuumunterstützung) produzierten Teile gelten jedoch hinsichtlich des Lösungsglühens einige Restriktionen aufgrund des Blistereffekts bei Verwendung zu hoher Temperaturen.

In vielen Fällen wird das in den aushärtbaren Legierungen steckende Potential aus mangelnder Kenntnis über die Vielfalt der WBH-Varianten (siehe Bild 1 und Tabelle 1) nicht voll ausgenutzt bzw. die Parameter ungünstig oder mitunter sogar falsch gewählt.

Die Wahl der Art der Wärmebehandlung und deren Parameter haben entsprechend dem Legierungstyp, dem Herstellungsverfahren, dem späteren Verwendungszweck und den produktionsbedingten Rahmenbedingungen zu erfolgen. Grundsätzlich beinhaltet die Durchführung einer Wärmebehandlung immer einen erhöhten Kosten- als auch Zeitaufwand. In diesem Beitrag werden beispielhaft einige Methoden zur Verringerung der Wärmebehandlungskosten und zugleich des Zeitaufwandes vorgestellt bzw. ein Überblick gegeben, wie der Wärmebehandlungsprozess und das daraus resultierende Eigenschaftsprofil gezielt in Bezug auf den späteren Verwendungszweck des Gussteiles optimiert werden können.

Mechanismus der Ausscheidungshärtung

Die Al-Gusslegierungen zur Herstellung von Formgussteilen sind im Vergleich zu den Al-Knetlegierungen durch ihre hohen Gehalte an Legierungselementen, ihren überwiegend hohen Anteile an eutektischem Gefüge und die gute Gießbarkeit gekennzeichnet. Maßgeblich für das Verhalten bei mechanischer Beanspruchung sind die im Kristallgitter vorhandenen Störungen, insbesondere die Versetzungen. Diese sind unter der Wirkung von mechanischen Spannungen im Kristallgitter leicht beweglich, wenn sie nicht durch andere Gitterstörungen behindert werden. Zur Festigkeitssteigerung wird daher die Behinderung der Versetzungsbewegung gezielt genutzt. Die Teilchenverfestigung bzw. das gezielte Ausscheidungshärten (auch Aushärtung) kann aber nur bei solchen Legierungssystemen genutzt werden, die die dazu notwendigen metallkundlichen Voraussetzungen aufweisen [1, 2, 3].

Aushärtbar sind bei den Al-Gusslegierungen insbesondere die Legierungssysteme AlCu, AlCuMg, AlSiMg, AlMgSi, AlSiCu und AlZnMg. Die klassische T6-Wärmebehandlung, der Normalfall des Aushärtens, besteht aus den Prozessschritten Lösungsglühen - Abschrecken - Warmauslagern, wobei sich durch die Sonderfälle des Aushärtens ein bestimmtes Eigenschaftsportfolio einstellen lässt (Bild 2).

Optimierte Lösungsglühdauer

Die Voraussetzung für die Ausscheidung von Teilchen in aushärtbaren Al-Gusslegierungen ist das Vorliegen eines stark übersättigten Mischkristalls. Dies geschieht vor allem dadurch, dass nach dem Lösungsglühen, das bei möglichst hoher Temperatur zu erfolgen hat, die Gussteile schnell abgeschreckt werden. Aus Zeit-Temperatur-Umwandlungs- (ZTU--) Diagrammen (siehe Bild 3) könnten die Lösungsglühtemperatur und die Abschreckgeschwindigkeit bzw. Warmauslagerungstemperatur und -dauer entnommen werden. Leider existieren in der Literatur nur für wenige Legierungen ZTU-Schaubilder [4], die überwiegend nur isothermisch und nicht kontinuierlich aufgenommen wurden. Kann aus bestimmten Gründen (z. B. Blistergefahr) keine Lösungsglühung vorgenommen werden, so gilt es, die Bauteile so schnell wie möglich aus der Gießhitze abzuschrecken. Dies gilt z.B. für Druckgussteile und Kokillengussteile, um dadurch noch einen möglichst hohen Anteil an übersättigtem Mischkristall zu erhalten.

Beim Lösungsglühen wird bei Al-Si-(Cu-Mg)-Legierungen auch das eutektische Silizium (Si) rundlich eingeformt, wodurch bei äußerer Belastung eine geringere Kerbspannung um die eingeformten Partikel vorliegt und somit die Duktilität ansteigt. Da die Diffusionsgeschwindigkeit mit steigender Temperatur zunimmt ist es möglich, die Lösungsglühdauer bei geringen und mittleren Wanddicken (5 bis 16 mm) zu reduzieren, ohne dass dadurch ein Festigkeitsverlust auftritt. Zur Optimierung der Lösungsglühdauer empfiehlt es sich daher, die Einformung über die Zeit zu beobachten und mittels metallografischer und bildanalytischer Methoden an Bauteilproben auszuwerten (Bild 4).

Aufgrund der Ergebnisse der Si-Einformung in Bild 4 konnte für einen mittelständischen Gießer die Lösungsglühdauer für ein Gussteilsegment aus der Legierung Al Si7Mg0,3 von 6 auf 4 Stunden verringert werden. Die Durchlaufzeit der Lose wurde dadurch um 25 % verkürzt und es konnten pro Tag und Ofen vier anstatt wie bisher drei Wärmebehandlungen durchgeführt werden. Auf das gesamte Jahr ergibt sich ein zusätzlicher Durchsatz von 50.000 Gussteilen. Im Vergleich zur bisher üblichen Wärmebehandlung können somit ca. 550.000 kWh an Strom eingespart werden. [5].

Der Verlauf der Aushärtung und die sich dadurch ergebenden charakteristischen Festigkeitsverläufe bei unterschiedlichen Warmauslagerungstempertaturen und – dauern für die Legierung Al Si7Mg0,3KT6 sind schematisch in Bild 5 ersichtlich.
Optimierung der Auslagerungsdauer und -temperatur

Die meisten Warmauslagerungen dauern aus fertigungstechnischer und wirtschaftlicher Sicht sehr lang. Durch Erhöhung der Auslagerungstemperatur kann die Zeitdauer verringert werden. Es gilt aber zu berücksichtigen, dass die max. erreichbare Festigkeit abnimmt, da ein Teil der Legierungselemente bei höheren Temperaturen im Mischkristall gelöst bleibt und sich auch die Ausscheidungssequenzen verändern können (Bild 6). Die Bestimmung der mechanischen Eigenschaften an den ausgelagerten Proben ist dabei unumgänglich.

Für im Druckgieß- oder Kokillengießverfahren hergestellte Bauteile aus den Legierungen vom Typ Al-Si-Cu (z.B. VDS 226: Al Si9Cu3(Fe) oder VDS 225: Al Si6Cu4), die der Gruppe der selbstaushärtenden Legierungen zugeordnet werden können, kann bzw. muss aufgrund der Gasporosität das Lösungsglühen entfallen, eine Warmauslagerung kann aber durchgeführt werden [6, 7]. Da die Legierungen aufgrund der raschen Erstarrung in einem metastabilen Zustand vorliegen, wird das Aushärten durch Zuführung thermischer Energie signifikant beschleunigt und auch höhere Werte als bei der Selbstaushärtung erzielt (Bild 7). Der Grad der Übersättigung hängt dabei vor allem von der Entformungstemperatur und der anschließenden Abkühlungsgeschwindigkeit ab. Die Wirkung ist daher besser, wenn die Gussstücke nach der Entnahme aus dem Gießwerkzeug sofort in kaltes Wasser getaucht werden. So dauert die Auslagerung bei Raumtemperatur bei einer druckgegossenen Al Si9Cu3(Fe) ca. 4 bis 8 Tage. Die Warmauslagerung bei 200 °C unmittelbar nach dem Guss führt mit einer Rp0,2 von 210 MPa bereits nach 1,5 Stunden zu höheren Festigkeitswerten. Zur Bestimmung und Interpretation der Ausscheidungssequenz sind Messungen der Wärmekapazität (DSC) und hochauflösende, elektronenmikroskopische Untersuchungen (HRTEM) hilfreich (Bild 8, Bild 9). Diese Optimierung kann dazu benutzt werden, um verbesserte Bauteileigenschaften zu erzielen.
Erhöhung der mechanischen Eigenschaften durch Kombination von Kalt- mit Warmauslagerung der Legierung Al Si9Cu3(Fe) (Legierung 226)

Bei einigen selbstaushärtenden Legierungen bilden sich bei niedrigeren Temperaturen eher fein verteilte, kleine, kohärente Ausscheidungen und bei höheren Auslagerungstemperaturen eher wenige, dafür grobe, inkohärente Teilchen. Eine Kombination der beiden Ausscheidungsvarianten kann daher zu optimalen Festigkeitswerten im Gussteil führen [8].

Der Verlauf der Dehngrenzen bei vorangegangener vollständiger Kaltauslagerung in Abhängigkeit der nachfolgenden Warmauslagerungstemperaturen für Proben aus Druckgussteilen der Legierung Al Si9Cu3(Fe) ist durch die Kurven in Bild 10 beschrieben. Das Bild ist wie folgt zu interpretieren: Das Eigenschaftsfeld der Legierung Al Si9Cu3(Fe) wird bei reiner Kaltauslagerung durch das T1-Feld beschrieben. Durch eine reine T5-Behandlung wird ein zusätzliches Eigenschaftsfeld kreiert, das zu signifikant höheren Festigkeiten führt. Die gezielte Kombination einer T1- und T5-Auslagerung erweitert nochmals deutlich den Festigkeitsbereich, wobei bei höheren Temperaturen (200 bis 240 °C) die Maxima bei sehr kurzen Auslagerungszeiten (< 1 h) erreicht werden können. Das Gefüge wird dabei thermisch stabilisiert und Maßänderungen bzw. Verzug treten bei den später im Betrieb auftretenden Einsatztemperaturen nicht mehr auf, zudem bleibt die Dehnung noch auf höherem Niveau erhalten [9, 10]. Aufgrund der Ergebnisse und der erzielten hohen Festigkeiten konnte das Kurbelgehäuse mit geringerer Wanddicke konstruiert und damit eine Gewichtseinsparung von 10 % im Vergleich zum ursprünglichen Bauteil realisiert werden. Aufgrund dieses Gewichtsvorteils und durch die Vergleichmäßigung der Festigkeitseigenschaften konnten die Kosten des Bauteiles trotz kurzer aber zusätzlicher Wärmbehandlung beibehalten werden.

Gezielte Wärmbehandlung zur Eigenschaftsoptimierung einer Kolbengusslegierung Al Si12CuNiMg

Die Legierung Al Si12CuNiMg gehört zur Gruppe der warmaushärtenden Legierungen, weshalb in der Norm EN 1706 keine Werte für den Gusszustand angegeben werden, sondern lediglich für eine T5- und T6-Behandlung. Die in der Literatur angegebenen Lösungsglühzeiten von 5 bis 10 h bei 525 °C bzw. Warmauslagerungsdauern von 7 bis 12 h bei 165 bis 185 °C sind für eine praktische Anwendung verhältnismäßig lang, weshalb nachfolgend vor allem auf die T5-Auslagerung und deren Optimierung eingegangen wird [11, 12].

Bereits seit Mitte der 60er Jahre ist bekannt, dass eine Raumtemperatur-Zwischenlagerung in manchen Fällen zu einer viel feineren Ausscheidungsverteilung führen kann, verglichen mit einer direkten Warmauslagerung unmittelbar nach dem Guss [13, 14, 15]. Dieser Effekt kann durch eine Keimbildung der Ausscheidungen an den GP1-Zonen erklärt werden, die sich während der Zwischenlagerung bilden. Es folgt daher eine umso feinere Ausscheidungsverteilung bei der Warmauslagerung, je höher die Dichte der GP1-Zonen ist. Das Wachstum dieser Zonen ist jedoch beendet, wenn keine Leerstellendefekte mehr zur Verfügung stehen. Eine frühzeitige Annihilation der Leerstellen kann allerdings verhindert werden, wenn Elemente wie Kupfer und Magnesium zulegiert werden, die eine starke Wechselwirkung mit den Leerstellen aufweisen. Dies führt zur Bildung einer größeren Anzahl von GP1-Zonen oberhalb des kritischen Keimradius [16].

Bild 11 zeigt die sehr feinen (Durchmesser 5 bis 10 nm) und homogen verteilten GP1-Zonen, die nach vollständiger Kaltauslagerung entstehen. Diese, bewusst initiierte, hohe Ausscheidungsdichte führt zu einer Steigerung der Festigkeit, die vor allem auf Spannungsfelder (Kohärenzspannungen) zurückgeführt werden kann, die aufgrund der Gitterverzerrung entstehen. Von einigen Legierungsherstellern wird empfohlen, eine verkürzte T5-Wärmebehandlung bei 225 °C mit einer Dauer von 3 Stunden durchzuführen. Aufgrund der dabei bereits eintretenden Überalterungsvorgänge und den Verlust an Oberflächenhärte ist diese Variante aber oft wenig sinnvoll. Die Verwendung von Temperaturen über 235 °C scheidet in der betrieblichen Praxis aus verfahrenstechnischen Gründen aus, da die Festigkeitsmaxima sehr schnell auftreten und durchfahren werden. Aufgrund der Trägheit der industriellen Öfen, der nicht immer exakt einzuhaltenden Zeitdauer der manuellen Tätigkeiten wie Chargieren und Entnehmen, lassen sich bei Temperaturen um oder über 250 °C keine reproduzierbaren mechanischen Eigenschaften erzielen. Eine kurze Zeitverzögerung bis zur Entnahme würde bereits einen drastischen Abfall der Festigkeits- und Härtewerte verursachen.

Die optimierte Wärmbehandlungsvariante zeichnet sich durch einen raschen und unmittelbaren Härteanstieg aus, der nach ca. 45 min Warmauslagerungsdauer bei 235 °C eintritt, der nachfolgende Abfall der Härte fällt moderat aus. Der Verlauf der Warmauslagerung ist als Rp0,2-Härte-Diagramm in Bild 12 dargestellt. Die Seriengussteile müssen aber relativ genau nach einer Stunde ab dem Einlegen in den Ofen entnommen werden. In dieser Zeit ist dann aber bereits die Aufwärmung und Durchwärmung der Gussteile inkludiert. Damit wird eine Kombination einer Rp0,2 von über 280 MPa bei einer Härte von HB 135 erzielt. Gegenüber den empfohlenen Zeitdauern für eine T5-Wärmebehandlung konnte eine deutliche Verkürzung und damit Kosteneinsparung erzielt werden, wobei die in der Norm EN 1706 für AC-48000 genannten Mindestwerte für Oberflächenhärte, 0,2%-Dehngrenze und Zugfestigkeit deutlich übertroffen wurden.

Literatur:
1 Altenpohl D., Aluminium von innen betrachtet, Aluminium-Verlag, Düsseldorf 1979.
2 Geier G., Rockenschaub H., Pabel T.., Variation of the precipitation mechanisms for high pressure die casting alloy Al Si9Cu3(Fe), Gießereiforschung 58 (2006) Nr.3, S. 2-18.
3 Aluminium-Taschenbuch, Band 2, Aluminium Verlag, Düsseldorf 1999, 15. Auflage.
4 Zschech E., Metallkundliche Prozesse bei der Wärmebehandlung aushärtbarer Aluminiumlegierungen, Härterei-Technische Mitteilungen 51 (1996) Nr. 3, S. 137-144.
5 Dambauer G. et al., Optimierung der Wärmebehandlungsparameter der Legierung EN AC-Al Si7Mg0,x, Gießerei-Rundschau 53 (2006 ) Nr. 3/4, S. 50-56.
6 Rockenschaub H. et al., Beschleunigung der Auslagerungsvorgänge der Druckgusslegierung Al Si9Cu3(Fe) bei gleichzeitiger Erhöhung der mechanischen Eigenschaften – Teil 1, Druckguss-Praxis, 3/2005, S. 95-104.
7 Rockenschaub H. et al., Beschleunigung der Auslagerungsvorgänge der Druckgusslegierung Al Si9Cu3(Fe) – Teil 2, Druckguss-Praxis, 4/2005, S. 137-146.
8 Kelly A. et al., Precipitation Hardening, Progress in Materials Science, Vol. 10, Nr. 3, Pergamon Press, 1963.
9 Pabel T., Rockenschaub H., Geier G., , Improved mechanical properties of the high pressure die casting alloy Al Si9Cu3(Fe), International Journal of Materials Research, 98 (2007) Nr. 6, S. 216-220.
10 Rockenschaub H. et al., Neue Wärmebehandlung für beste mechanische Eigenschaften im Aluminium-Druckguss, Giesserei 93 (2006) Nr. 7, S. 20–33.
11 Rockenschaub H. et al., Charakterisierung der Kolbengusslegierung AlSi12CuNiMg - Teil 1, Gießerei-Praxis 2008, Nr. 1-2, S. 13-25.
12 Rockenschaub H. et al., Charakterisierung der Kolbengusslegierung AlSi12CuNiMg - Teil 2, Gießerei-Praxis 2008, Nr. 3, S.68-78.
13 Holl H. A., Journal of the Institute of Metals 93 (1965), S. 364 ff.
14 Lorimer G.W. et al., Acta Metallurgica 14 (1966), S. 1009 ff.
15 Pashley D.W. et al., Philosophic Magazine 16 (1967), S. 51 ff.
16 Guo Z., Sha W., Quantification of precipitate fraction in Al-Si-Cu alloys, Materials Science Engineering A 392 (2005), S. 449-452.

Zurück zur Übersicht