CH682307A5

CH682307A5 -

Info

Publication number: CH682307A5
Application number: CH348/91A
Authority: CH
Inventors: Jean-Claude Jaquet; Rolf Maeder; Roman Fuchs; Marcus Textor
Original assignee: Alusuisse Lonza Services Ag
Priority date: 1991-02-05
Filing date: 1991-02-05
Publication date: 1993-08-31
Also published as: EP0498719A1; ES2114552T3; DE69225163D1; DE69225163T2; EP0498719B1

Description

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Beschreibung description

Die Erfindung betrifft ein Einsatzteil aus einem Aluminiumwerkstoff für das Um- oder Angiessen mit einer Schmelze aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zu einem Verbundgussstück mit metallischer Bindung in der Verbundgrenzfläche. The invention relates to an insert made of an aluminum material for casting or casting with a melt of aluminum or an aluminum alloy to form a composite casting with a metallic bond in the composite interface.

Unter Verbundgiessen wird allgemein die Herstellung von Gussstücken verstanden, die aus mindestens zwei verschiedenen, fest miteinander verbundenen metallischen Werkstoffen bestehen. Hierbei wird üblicherweise ein Einsatzteil aus dem einen Werkstoff in eine Giessform eingesetzt und mit der Schmelze aus dem anderen Werkstoff um- oder angegossen. Composite casting is generally understood to mean the production of castings which consist of at least two different, firmly interconnected metallic materials. Here, an insert made of one material is usually inserted into a casting mold and cast or cast with the melt from the other material.

Während in früheren Jahren das Verbundgiessen hauptsächlich der Herstellung von Aluminiumgussstücken mit Einsatzteilen aus Stahl diente, wird das Verfahren in neuerer Zeit durch die Entwicklung von Aluminiumwerkstoffen mit gegenüber konventionellen Aluminiumlegierungen stark verbesserten mechanischen Eigenschaften vermehrt zur Herstellung reiner Leichtmetallverbunde angewendet. Als Werkstoffe für die Einsatzteile kommen beispielsweise schwer giessbare Legierungen, intermetallische Phasen, Kompositwerkstoffe mit Aluminium-Matrix und eingelagerten metallischen oder nichtmetallischen Bestandteilen, sprühkompaktierte oder gesinterte Materialien und andere sogenannte Aluminium-Sonderwerkstoffe in Betracht. Ein wesentliches Erfordernis bei Verbundgussstücken für mechanisch hoch beanspruchte Teile ist die metallische Bindung in der Verbundgrenzfläche. Diese metallische Bindung kann nur dann erzielt werden, wenn die auf der Oberfläche von Einsatzteilen aus Aluminiumwerkstoffen unter den üblichen atmosphärischen Bedingungen immer vorhandene kompakte Oxidschicht vor dem Verbundgiessen entfernt wird. Hierzu ist aus der CH-PS 318 530 ein Verfahren bekannt, bei welchem das Einsatzteil nach Ablösung seiner oberflächlichen Oxidschicht mit einer metallischen Schutzschicht aus Zink, Cadmium, Kupfer, Silber, Nickel oder Chrom versehen wird, die beim Verbundgiessen durch Berührung mit der Metallschmelze abgelöst wird. Bei diesem Verfahren wird die Benetzung des Einsatzteils während des Um- oder Angiessens der Schmelze stark verbessert. Da eine gute Verbundhaftung nur erreicht werden kann, wenn das Einsatzteil oberflächlich anschmilzt, wobei die Formstabilität des Einsatzteils bei der Schmelzetemperatur gegeben sein muss, ist dieses Verfahren auf Einsatzteile aus hoch warmfesten Aluminium-Sonderwerkstoffen beschränkt. While in earlier years composite casting was mainly used to produce aluminum castings with steel insert parts, the process has recently been increasingly used for the production of pure light metal composites due to the development of aluminum materials with mechanical properties that are greatly improved compared to conventional aluminum alloys. Suitable materials for the insert parts include, for example, hard-to-cast alloys, intermetallic phases, composite materials with an aluminum matrix and embedded metallic or non-metallic components, spray-compacted or sintered materials and other so-called special aluminum materials. An essential requirement for composite castings for mechanically highly stressed parts is the metallic bond in the composite interface. This metallic bond can only be achieved if the compact oxide layer that is always present on the surface of insert parts made of aluminum materials under the usual atmospheric conditions is removed before the composite casting. For this purpose, a process is known from CH-PS 318 530, in which the insert is provided with a metallic protective layer made of zinc, cadmium, copper, silver, nickel or chromium after detaching its surface oxide layer, which is released during composite casting by contact with the molten metal becomes. With this method, the wetting of the insert part is greatly improved while the melt is being cast or poured on. Since a good bond can only be achieved if the insert melts on the surface, and the shape of the insert must be stable at the melt temperature, this process is limited to inserts made from high-temperature-resistant special aluminum materials.

Weiterhin offenbart die DD-PS 141 121 ein Verfahren, bei welchem das Einsatzteil nach einer Flussmittelbehandlung durch Eintauchen in eine Metallschmelze, die eine hohe Legierbarkeit mit Aluminium besitzt, mit einem metallischen Überzug versehen wird. Durch die Flussmittelbehandlung können aber bei Einsatzteilen mit komplizierter Form Flussmittelreste zurückbleiben und die Verbundhaftung an diesen Stellen verschlechtern. Furthermore, DD-PS 141 121 discloses a method in which the insert is provided with a metallic coating after a flux treatment by immersion in a molten metal which has a high alloyability with aluminum. However, the flux treatment can leave residues of flux in the case of insert parts with a complicated shape and impair the bond strength at these points.

Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder das Ziel gesetzt, ein Einsatzteil der eingangs erwähnten Art bereitzustellen, mit welchem die Schmelzetemperatur beim Verbundgiessen möglichst tief gehalten und die Verbundhaftung weiter verbessert werden kann. In view of these circumstances, the inventor has set itself the goal of providing an insert of the type mentioned at the outset, with which the melt temperature during composite casting can be kept as low as possible and the bond strength can be further improved.

Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass zumindest die mit der Schmelze um-oder anzugiessende oxidfreie Oberfläche des Einsatzteils eine erste Schicht mit aus einem oxidati-onsbeständigen Metall oder Metallegierung bestehender Oberflächenschicht und eine auf diese erste Schicht unmittelbar aufgebrachte zweite Schicht aus einem Metall oder einer Metallegierung mit hoher Löslichkeit in Aluminium im festen Zustand und einem Schmelzpunkt zwischen 350 und 500°C aufweist. In order to achieve the object according to the invention, at least the oxide-free surface of the insert part to be cast or melted on has a first layer with a surface layer consisting of an oxidation-resistant metal or metal alloy and a second layer made of a metal or a layer applied directly to this first layer Metal alloy with high solubility in aluminum in the solid state and a melting point between 350 and 500 ° C.

Damit wird es möglich, die ganze Palette von Aluminiumwerkstoffen als Material für Einsatzteile einzusetzen und gleichzeitig eine hohe Verbundhaftung im Verbundgussstück zu erzielen. Mit der ersten Schicht wird eine gute Haftung mit metallischer Bindung zur zweiten Schicht sichergestellt. Die erste Schicht ist im einfachsten Fall einheitlich aus einem einzigen Metall oder Metallegierung aufgebaut. Es ist jedoch bereits ausreichend, wenn bloss die Oberflächenschicht der ersten Schicht aus einem oxidationsbeständigen Metall oder Metallegierung besteht. Die erste Schicht kann daher auch ein Mehrschichtensystem sein, dessen äusserste Schicht aus einem oxidationsbeständigen Metall oder Metallegierung besteht. This makes it possible to use the entire range of aluminum materials as a material for insert parts and at the same time to achieve a high level of bond strength in the composite casting. The first layer ensures good adhesion with a metallic bond to the second layer. In the simplest case, the first layer is built up uniformly from a single metal or metal alloy. However, it is sufficient if only the surface layer of the first layer consists of an oxidation-resistant metal or metal alloy. The first layer can therefore also be a multi-layer system, the outermost layer of which consists of an oxidation-resistant metal or metal alloy.

Geeignete Metalle für die erste Schicht bzw. deren Oberflächenschicht sind Zn, Cd, Cr, Cu sowie insbesondere Ag, Au, Ni und Legierungen dieser Elemente. Hierbei ist eine Schichtdicke von 0,002 bis 20 jim im allgemeinen ausreichend, wobei in den meisten Fällen die Dicke unter 5 um betragen und grundsätzlich bereits eine Schichtdicke von wenigen Atomlagen genügen kann. Suitable metals for the first layer or its surface layer are Zn, Cd, Cr, Cu and in particular Ag, Au, Ni and alloys of these elements. In this case, a layer thickness of 0.002 to 20 μm is generally sufficient, in most cases the thickness being less than 5 μm and in principle a layer thickness of just a few atomic layers can suffice.

Mit der zweiten, verhältnismässig niedrig schmelzenden Schicht an der Oberfläche des Einsatzteils muss sichergestellt werden, dass beim Verbundgiessen an der Grenzfläche zwischen Einsatzteil und Metallschmelze während einer genügend langen Zeit eine flüssige Schicht vorliegt, welche die Haftung durch Interdiffusion gewährleistet. Geeignete Metalle oder Metallegierungen mit hoher Löslichkeit in Aluminium im festen Zustand, d.h. sogenannte Lotlegierungen, sind Zink oder Zinklegierungen vom Typ ZnAI5, ZnMg3 und ZnCu5, wobei der genaue Gehalt am Legierungselement in einem relativ breiten Bereich variieren und womit die gewünschte Schmelztemperatur eingestellt werden kann. Besonders günstig sind Legierungen elektischer Zusammensetzung, die bekanntlich ein sehr geringes Erstarrungsintervall aufweisen. Die Dicke der zweiten Schicht liegt bevorzugt zwischen 20 und 300 (im. With the second, comparatively low melting layer on the surface of the insert part, it must be ensured that in the case of composite casting at the interface between the insert part and the metal melt, a liquid layer is present for a sufficiently long time, which guarantees the adhesion by interdiffusion. Suitable metals or metal alloys with high solubility in solid aluminum, i.e. So-called solder alloys are zinc or zinc alloys of the types ZnAI5, ZnMg3 and ZnCu5, the exact content of the alloy element varying within a relatively wide range and with which the desired melting temperature can be set. Alloys with an electrical composition that are known to have a very short solidification interval are particularly favorable. The thickness of the second layer is preferably between 20 and 300 (in.

Um beim Verbundgiessen eine optimale Benetzung des Einsatzteils mit der um- oder anzugies-senden Schmelze zu gewährleisten, kann die zweite Schicht unmittelbar mit einer dritten Schicht versehen sein, die bezüglich Materialwahl und Dicke der ersten Schicht entspricht. Als dritte Schicht kann an Stelle eines oxidationsbeständigen Metalls auch eine Flussmittelschicht dienen, wobei diese beispielsweise durch Eintauchen in ein Flussmittel In order to ensure optimal wetting of the insert with the surrounding or casting melt during composite casting, the second layer can be immediately provided with a third layer which corresponds to the choice of material and thickness of the first layer. Instead of an oxidation-resistant metal, a third layer can also be a flux layer, for example by immersion in a flux

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appliziert werden oder aber durch Aufbringen eines Flussmittels auf die Metallschmelze unmittelbar während des Verbundgiessens an die Oberfläche des Einsatzteils gelangen kann. Ein geeignetes Flussmittel ist beispielsweise feZrFe. can be applied or can reach the surface of the insert directly by applying a flux to the molten metal during the composite casting. A suitable flux is, for example, feZrFe.

Der Aluminiumwerkstoff des erfindungsgemässen Einsatzteils kann beispielsweise eine schwer giess-bare Legierung, intermetallische Phasen, sprühkom-paktierte oder gesinterte Materialien sowie ganz allgemein Kompositwerkstoffe mit Aluminium-Matrix, gegebenenfalls verstärkt mit keramischen Partikeln, Kurzfasern, Whiskers oder kontinuierlichen Fasern sowie Hybridenformen und andere Aluminium-Sonderwerkstoffe beinhalten. The aluminum material of the insert according to the invention can, for example, be an alloy that is difficult to cast, intermetallic phases, spray-compacted or sintered materials and, in general, composite materials with an aluminum matrix, optionally reinforced with ceramic particles, short fibers, whiskers or continuous fibers, as well as hybrid shapes and other aluminum shapes. Include special materials.

Als Beschichtungsverfahren für die erste Schicht aus oxidationsbeständigem Metall eignen sich insbesondere galvanische Verfahren, bei welchen die Oxidschicht an der Oberfläche des Einsatzteils im Elektrolyten gleichzeitig mit dem Aufbau der Metallschicht entfernt wird, jedoch sind auch Metallab-scheidungen im Vakuum nach vorgängiger Entfernung der Oxidschicht durch beispielsweise lonenbe-schuss denkbar. Suitable coating processes for the first layer made of oxidation-resistant metal are, in particular, galvanic processes in which the oxide layer on the surface of the insert in the electrolyte is removed at the same time as the metal layer is built up, but metal deposits are also in a vacuum after prior removal of the oxide layer by, for example Ionic shot conceivable.

Die zweite Schicht wird zweckmässigerweise im Tauchbeschichtungsverfahren aufgetragen. The second layer is expediently applied by the dip coating process.

Zur Herstellung eines Verbundgussstückes wird das Einsatzteil üblicherweise in eine Giessform -die auch eine Druckgusskokille sein kann - eingesetzt und mit der Metallschmelze um- oder angegossen. Selbstverständlich kann ein Verbundgussstück auch mehrere Einsatzteile enthalten. To produce a composite casting, the insert is usually inserted into a casting mold - which can also be a die casting mold - and cast or cast with the molten metal. Of course, a composite casting can also contain several insert parts.

Claims

1. insert made of an aluminum material for casting or casting with a melt of aluminum or an aluminum alloy to form a composite casting with a metallic bond in the composite interface, characterized in that at least the oxide-free surface of the insert that is to be cast or melted onto the insert is a has a first layer with a surface layer consisting of an oxidation-resistant metal or metal alloy and a second layer of a metal or a metal alloy with a high solubility in aluminum in the solid state and a melting point between 350 and 500 ° C. applied directly to this first layer.

2. Insert according to claim 1, characterized in that the first layer has a thickness of 0.002 to 20 µm.

3. Insert according to claim 1 or 2, characterized in that at least the surface layer of the first layer consists of Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd or alloys of these elements.

4. Insert part according to one of claims 1 to 3, characterized in that the second layer has a thickness of 20 to 300 µm.

5. Insert according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second layer consists of zinc or a zinc alloy of the type ZnAI5, ZnMg3 or ZnCuö.

6. Insert part according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second layer is provided directly with a third layer with an oxidation-resistant metal or metal alloy surface layer.

7. Insert according to claim 6, characterized in that the third layer has a thickness of 0.002 to 20 µm.

8. Insert according to claim 6 or 7, characterized in that at least the surface layer of the third layer consists of Ag, Au, Ni, Cr, Cu, Zn, Cd or alloys of these elements.

9. Insert part according to one of claims 1 to 5, characterized in that the second layer is directly provided with a third layer of a flux, for example K2ZrF6.

10. Composite casting with at least one insert part according to one of claims 1 to 9, characterized in that the insert part (s) is / are cast or cast with aluminum or an aluminum alloy.

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