übereutektische Al-Si-Gusslegierung

Metallurgie

Gusswerkstoff mit einem Siliziumgehalt > 12,5 %, praktisch > 15 %. Das bei der Erstarrung primär ausgeschiedene Silizium hat hohe Härte und ist Träger hoher Verschleißbeständigkeit, (Primärsilizium). Außerdem nimmt die thermische Ausdehnung dieser Legierungen mit steigendem Siliziumgehalt ab, während sie zugleich hohe Temperaturleitfähigkeit aufweisen. Dadurch sind diese Werkstoffe gut geeignet für verschleiß- und wärmebeanspruchte Gussstücke, vor allem im Motorenbau und sie werden daher vorwiegend zur Herstellung von Kolben (Kolbenlegierung) sowie von Kurbelgehäuse und Zylinderköpfen verwendet.

Die Zusammensetzung einiger Legierungen aus dieser Gruppe ist in der Tabelle aufgeführt.

Mit steigendem Siliziumgehalt erhöht sich die Liquidustemperatur und mit ihr erweitert sich der Erstarrungsbereich. Da die Legierungen überdies hohe Schmelzwärme besitzen, erstarren sie relativ langsam und breiartig, sodass starke Neigung zu Mikrolunkerung besteht. Daher müssen übereutektische Al-Si-Legierungen zu rascher Erstarrung gezwungen werden durch entsprechende Gießverfahren, wie Kokillen- und Druckguss, wenngleich sich die Feinporosität nicht immer sicher unterdrücken lässt. Im Allgemeinen wird deshalb ein Siliziumgehalt von maximal 20 % als obere praktikable Grenze angesehen, obgleich für bestimmte Verwendungszwecke höhere Siliziumgehalte durchaus erwünscht sind. Das Problem ist lösbar durch Verzicht auf Kupfer als Legierungsbestandteil, weil dadurch das ternäre Al-Si-Cu-Eutektikum entfällt und der Erstarrungsbereich verkürzt wird; gleiches gilt auch für Nickel.

Das Formfüllungsvermögen und die Gießbarkeit dieser Legierungen sind sehr gut. Da mit zunehmenden Siliziumgehalten auch die Liquidustemperatur ansteigt, werden zur Vermeidung hoher Gießtemperaturen Legierungen mit höchstens 22 % Si bevorzugt. Im Gegensatz zur sonst üblichen Praxis müssen bei dieser Werkstoffgruppe erforderlichenfalls auch Warmhaltetemperaturen der Schmelze von 800 bis 850 °C zugelassen werden, die eine besonders sorgfältige Schmelze- und Badbehandlung bedingen. Kornfeinungen dieser übereutektischen Legierungen werden mit phosphorabgebenden Gefügebeeinflussungsmitteln durchgeführt (Bild 1). Natriumzusätze oder Veredelungssalze, wie sie bei untereutektischen G-AI-Si-Legierungen üblich sind, bewirken hier das Gegenteil, nämlich eine Kornvergröberung. Zur Phosphorzugabe kann man Phosphorkupfer verwenden. Die in DIN EN 1981 genormte Phosphorkupfer-Vorlegierungen enthalten 9,5 bis 15,0 % P und haben Liquidustemperaturen von etwa 900 °C. Um schnelleres Lösen, vor allem bei knapp übereutektischen Al-Si-Gusslegierungen zu erreichen, wird Phosphorkupfer mit circa 10 % P bevorzugt. Auch Drahtfeinung wird angewandt.

Die Kornfeinung lässt sich auch durch Zusatz von rotem Phosphor sowie in Form von Phosphorhexachlorethan oder Phosphorpentachlorid durchführen. Am meisten gebräuchlich ist aber Phosphorkupfer.

Nach dem Reynolds-Verfahren werden die Laufflächen von Kurbelgehäusen durch ein spezielles Ätzverfahren gebildet wird, sodass auf Laufbüchsen verzichtet werden kann. Beim Ätzen wird die Aluminiumgrundmasse aus der Oberflächenschicht auf eine Tiefe von 0,001 bis 0,0025 mm abgetragen. Es bleiben lediglich die Siliziumkörner mit ihrer gehonten Vorderfläche stehen und eine zähe verschleißfeste Lauffläche bildet sich aus (Bild  2). Die zwischen den Siliziumkörnern entstandenen winzigen Vertiefungen nehmen beim Betrieb des Motors das Schmieröl auf und verbessern damit das Verschleißverhalten.

Übereutektische Aluminium-Silizium-Legierungen sind die härtesten Aluminium Gusswerkstoffe. Die hohe Härte verleiht das Silizium, das bei der Erstarrung als relativ grobkörniges Primärsilizium ausgeschieden wird und in feinerer Form Bestandteil des Eutektikums ist. Zu beachten gilt, dass das Randgefüge auf eine Tiefe bis etwa 0,4 mm an Primärsilizium verarmt und daher abgearbeitet werden muss, wenn es sich um Verschleißflächen handelt, die optimale Verschleißbeständigkeit erreichen sollen (Bild  3).

Das Ätzen der Zylinderbohrungen, zum Beispiel nach dem Reynolds-Verfahren, erübrigt sich, wenn die Legierung hohen Siliziumgehalt (etwa 22 bis 25 %) besitzt, wobei allerdings die zunehmende Flotationsneigung des Primärsiliziums in der Schmelze durch entsprechende Maßnahmen zu minimieren ist (eine Voraussetzung für Legierungen mit so hohen Siliziumgehalten). Kupferfreie Legierungen dieser Art weisen eine sehr gleichmäßige Verteilung des Primärsiliziums im Gefüge auf, wobei durch den Magnesiumgehalt die Dichte der flüssigen Legierung auf Werte gesenkt wird, die nahe jener des Primärsiliziums liegen. Ein Aufschwemmen des Primärsiliziums in einer Schmelze von annähernd gleicher Dichte wird dadurch erschwert beziehungsweise verlangsamt.

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