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24.09.2008

Chemische Beständigkeit unterschiedlicher Warmarbeitsstähle in Aluminiumschmelzen (Chemical resistance of different hot work tool steels in aluminium melts)

Dipl.-Ing. Christoph Rechberger, Dipl.-Ing. Dr. Ingo Siller, Dipl.-Ing. Gerhard Schindelbacher

Dipl.-Ing. Christoph Rechberger,
Anwendungstechnik Warmarbeitsstahl und Schnellarbeitsstahl,
Böhler Edelstahl GmbH & Co KG, Kapfenberg, Österreich

Dipl.-Ing. Dr. Ingo Siller,
Produktentwicklung Warmarbeitsstahl, Kunststoffformenstahl
Böhler Edelstahl GmbH & Co KG, Kapfenberg, Österreich

Dipl.-Ing. Gerhard Schindelbacher,
Geschäftsführer
Österreichisches Gießerei-Institut, Leoben,
Österreich

1 Einleitung

Der Druckguss gehört zu den wichtigsten Verfahren zur Herstellung hochwertiger Gussteile und hat an den Gießverfahren für Aluminium-Gusslegierungen den mengenmäßig größten Anteil. Dabei wird das flüssige Metall mit hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck in den Formhohlraum gepresst, wodurch die Druckgießform extremen thermischen, mechanischen, sowie chemischen Angriffen durch die flüssige Aluminiumlegierung während des Gießbetriebes ausgesetzt ist. Als Werkstoffe für Druckgussformen und Gießkammern werden vorwiegend Warmarbeitsstähle eingesetzt, die aufgrund der herrschenden Einsatzbedingungen folgende Eigenschaften aufweisen sollten [1]:

Da vor allem zu dem letztgenannten Punkt insbesondere in Hinblick auf neue Aluminiumlegierungen unzureichende Untersuchungsergebnisse vorliegen, ist es Zweck der vorliegenden Arbeit, unterschiedliche Warmarbeitsstähle hinsichtlich des chemischen Angriffs in unterschiedlichen flüssigen Aluminiumlegierungen zu untersuchen.

Unter dem Angriff von Aluminiumschmelzen versteht man dabei einen Überbegriff für eine Kombination aus Auflösungserscheinung, Klebeerscheinungen (Soldering) und einem Erosionsangriff. Bei den beiden erstgenannten Mechanismen (Auflösen, Kleben) handelt es sich um chemische Angriffsmechanismen. Im Gegensatz dazu wird Erosion durch mechanische Wechselwirkungen zwischen festen Partikeln in der Aluminiumschmelze und der Werkzeugoberfläche hervorgerufen.

Wird die Gießkammer mit flüssiger Aluminiumschmelze gefüllt, so kommt es zur Ausbildung von spröden, intermetallischen Phasen im Grenzflächenbereich WerkzeugstahlAluminiumschmelze. Bei dem darauf folgenden Füllvorgang der Aluminiumschmelze in die Druckgussform müssen diese intermetallischen Phasen gelöst werden, wodurch eine starke mechanische Schädigung der Gießkammeroberfläche hervorgerufen wird. Ein ähnlicher Schädigungsverlauf kann auch beim Erstarren und anschließenden Entformen des Aluminiumdruckgussteiles in der Druckgussform auftreten.

Das Ziel der Arbeit ist es, durch experimentelle Simulation den Mechanismus des Angriffes von flüssigen Aluminiumlegierungen auf Warmarbeitsstähle in Abhängigkeit der verwendeten Form- bzw. Gießkammerwerkstoffe zu untersuchen.

2 Grundlagen der Metallkorrosion

Die Entwicklung der sich bildenden intermetallischen Schicht während eines chemischen Angriffs durch eine flüssige Aluminiumlegierung auf einen Warmarbeitsstahl zeigt Abb. 1, wobei die Schichtdicke in Abhängigkeit der Zeit für 2 Schmelztemperaturen dargestellt ist. Die Kurven ergeben sich hierbei aus zwei miteinander im Wettbewerb stehenden Mechanismen:

  • Wachstum einer intermetallischen Schicht und
  • Auflösung der Schicht.

Beim Zusammentreffen des Warmarbeitsstahls mit der flüssigen Aluminiumgusslegierung wächst zu Beginn eine intermetallische Schicht FexAly reaktionskontrolliert in Richtung Flüssigaluminium auf.


Abb.1: Wachstum und Auflösung der intermetallischen Schichten [2].


Demgegenüber steht die Neigung der Aluminiumschmelze Eisen zu lösen, wodurch es nach Bildung einer intermetallischen Schicht mit definierter Schichtdicke zum Auflösen dieser intermetallischen Phase kommt. Mit erhöhter Schmelzetemperatur steigt die Löslichkeit des Eisens im Aluminium, wodurch auch die Bedeutung des Auflösens im chemischen Angriffprozess zunimmt.

Die im System Eisen-Aluminium möglichen intermetallischen Phasen sind im Phasendiagramm in Abb. 2 dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich mit zunehmendem Eisengehalt bei einer Temperatur von 750°C zuerst die Phase FeAl3, gefolgt von der Phase Fe2Al5 bildet. Untersuchungen von Chen et al. [3] als auch eigene EDX-Messungen haben ergeben, dass es sich bei der gebildeten intermetallische Phase im Grenzbereich zwischen Warmarbeitsstahl und Aluminiumschmelze um die Phase Fe2Al5 handelt. Die Messung ergab ähnliche Werte wie die theoretische Zusammensetzung der Fe2Al5- Phase (54,71 Gew% Aluminium und 45,3 Gew% Eisen).


Abb.2: Phasendiagramm Eisen - Aluminium [4].

Das bevorzugte Auftreten der Fe2Al5-Phase kann durch den orthorhombischen Aufbau mit einer abnorm hohen Leerstellenkonzentration erklärt werden, wodurch diese Phase nach deren Bildung besonders rasch durch Diffusion wachsen kann. Ein solch rasches Wachstumsvermögen ist bei anderen intermetallischen Phasen entsprechend dem binären Phasendiagramm Fe-Al nicht gegeben [5].


Abb. 3: Mögliche Einflüsse auf das Auflösungs- und Klebeverhalten [6].

Generell ist anzumerken, dass chemische Angriffsmechanismen im Druckgussprozess, wie das Kleben, Auflösen oder Erosionserscheinungen durch eine Vielzahl von Faktoren beeinflusst werden, siehe Abb. 3. Neben dem Schmelzetyp, definiert über die Schmelztemperatur, Zusammensetzung und feste Phasenanteile spielen Formgeometrie, Formtemperierung, Schutzschichten und Formwerkstoff eine wesentliche Rolle. In der vorliegenden Arbeit wurde der Fokus aber bevorzugt auf die chemische Reaktion zweier unterschiedlicher Warmarbeitsstähle mit unterschiedlichen Aluminiumlegierungen gelegt.<break>

3 Versuchsdurchführung

Mit Hilfe eines Rührwerkes (siehe Abb. 4 und 5) wurden die Warmarbeitsstahlproben (Ø 20mm, Länge 200mm) zur Untersuchung des Auflösungsverhaltens (Korrosion) und des Klebeverhaltens (Soldering, Ausbildung intermetallischer Phasen) in jeweils 140kg flüssige Aluminiumschmelze bei einer konstanten Temperatur von 750°C getaucht.


Abb.4: Rührwerk und Schmelzofen


Abb.5: Versuchsanordnung schematisch

Zur Untersuchung des Auflösungsverhaltens wurden Rührversuche von bis zu 10 Stunden durchgeführt und nach definierten Zeiten der Gewichtsverlust gemessen. Die Versuchsdauer für die Beschreibung der Klebeneigung der unterschiedlichen Warmarbeitsstähle betrug 50 Minuten, wobei Proben nach festgelegten Zeitintervallen entnommen wurden und die Dicke der sich gebildeten intermetallischen Schicht gemessen wurde.

Generell wurde die Annahme getroffen, dass eine erhöhte Klebeneigung mit der Ausbildung von dickeren Schichten intermetallischer Phasen im Interface korreliert.

Das Versuchsprogramm umfasste die Warmarbeitsstahlsorten W300 (Werkstoff Nr. DIN 1.2343), als Standard-Werkzeugstahl für den Bereich Druckguss und die Böhlermarke W360, die sich durch ein hohes Härteniveau bei sehr guten Zähigkeitseigenschaften auszeichnet. Verglichen wurden jeweils nichtnitrierte und nitrierte Zustände. Die chemische Zusammensetzung und die Vergütehärte der verwendeten Stähle zeigt Tabelle 1.

Tabelle 1: Nominelle chemische Zusammensetzung und Vergütehärte der verwendeten Warmarbeitsstähle

Als Testschmelzen für die Versuche wurden die Aluminiumlegierungen 226 (Schmelze 1) und eine Sonderschmelze (Schmelze 2) herangezogen. Die Aluminiumlegierung 226 (AlSi9Cu3(Fe)) ist aufgrund des guten Fließ- und Formfüllungsvermögens bei guten mechanischen Eigenschaften die meistverwendete Aluminium-Druckgusslegierung.

Die Sonderschmelze ist eine, gegenüber der Aluminiumlegierung 226 großteils niedriger legierte, eisenarme Druckgusslegierung, welche sich durch eine hohe Duktilität in Verbindung mit guten Festigkeitseigenschaften auszeichnet. Einzig im Magnesiumgehalt ist die Sonderschmelze gegenüber der Aluminiumlegierung 226 höher legiert, wodurch eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit erzielt wird. Die chemische Zusammensetzung beider Aluminiumlegierungen zeigt Tabelle 2.

Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung der verwendeten Aluminiumlegierungen


4 Versuchsergebnisse

4.1 Schichtdickenversuche – Prüfung des Klebeverhaltens

Abb. 6 und Abb. 7 zeigen Lichtmikroskopbilder von dem sich ausbildenden Grenzflächenbereich zwischen dem Warmarbeitsstahl W300 und den Schmelzen 1 und 2 nach einer Reaktionszeit von 3000 Sekunden bei 750°C nach anschließender Wasserabkühlung.


Abb.6: LIMI-Aufnahme des Grenflächenbereiches zwischen Warmarbeitsstahl W300 und Aluminiumlegierung Schmelze 1 nach 3000 Sekunden bei 750°C


Abb.7: LIMI-Aufnahme des Grenflächenbereiches zwischen Warmarbeitsstahl W300 und Aluminiumlegierung Schmelze 2 nach 3000 Sekunden bei 750°C

Wie in Abb. 6 und 7 ersichtlich, ruft die Aluminiumlegierung Schmelze 2 eine wesentlich ausgeprägtere Bildung der intermetallische Phase Fe2Al5 hervor. Darüber hinaus ist in den lichtmikroskopischen Aufnahmen das Auflösen des Warmarbeitsstahls besonders in Abb. 6 deutlich zu erkennen, wodurch es zur Ausbildung einer welligen Grenzfläche zwischen Stahl und intermetallische Phase kommt.


Abb.8: Schichtdicke vs. Versuchsdauer bis 3000 Sekunden für W300 und W360 in den Aluminiumschmelzen 1 und 2

 

Den zeitlichen Verlauf der Dicke der sich ausbildenden intermetallischen Schicht der Warmarbeitsstähle W300 und W360 in den beiden Aluminiumschmelzen zeigt Abb. 8. Es ist für alle Versuche eine Zu- und Abnahme der Schichtdicke zu erkennen, die sich, wie bereits beschrieben, aus dem Bildungs- und Wiederauflösungsprozess ergibt.

Weiters zeigt sich, dass sich über dem gesamten Versuchszeitraum bei der Reaktion der Aluminiumlegierung 2 mit den Werkzeugstählen wesentlich dickere Schichten ausbilden. Ein möglicher Grund dafür ist der geringere Legierungsanteil in Schmelze 2 und somit eine höhere Neigung Eisen zu lösen und eine intermetallische Schicht zu bilden.


Abb.9: Schichtdicke vs. Versuchsdauer bis 60 Sekunden für W300 und W360 in den Aluminiumschmelzen 1 und 2

 

Da die flüssige Aluminiumschmelze in der Gießkammer verweilt, bevor sie in die Druckgussform gepresst wird, sind vor allem Untersuchungen zum Klebeverhalten für einen kurzen Zeitbereich interessant. In Abb. 9 ist die Entwicklung der intermetallischen Schichten für kurze Reaktionszeiten für die beiden Schmelzen gezeigt. Hieraus ist erkennbar, dass 5%-ige Chromstähle tendenziell ein sehr ähnliches Klebeverhalten (Soldering) aufweisen. Bei diesen kurzen Versuchszeiten unterscheiden sich die Dicken der gebildeten Schichten kaum, doch scheint aufgrund der starken Steigung der Kurven für die Schmelze 2 nach 60 Sekunden das Schichtwachstum noch keineswegs abgeschlossen zu sein.<break>

4.2 Auflösungsverhalten

Bei der Untersuchung der eintretenden Masseverluste der Warmarbeitsstahlsorten in flüssigen Aluminiumschmelzen wurden die gewählten Werkstoffe in 140 kg Aluminiumschmelze (Schmelze 1 und 2) bei 750°C getaucht und Proben nach unterschiedlichen Zeitsequenzen entnommen.

Wie sich das Auflösen der Warmarbeitsstahlproben in einer Aluminiumschmelze prinzipiell darstellt, zeigt Abb. 10. Während einer Versuchsdauer von 32 Stunden, wurden die Proben mit Hilfe des Rührwerks in der Aluminiumschmelze bewegt und nach unterschiedlichen Zeiten jeweils eine Probe entnommen.


Abb.10: Warmarbeitsstahlproben nach dem Rühren in Aluminiumschmelze (Versuchsdauer der Proben von links nach rechts: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 8, 21, 26, 32 Stunden)

Der sich aus Versuchen mit 10 Stunden Reaktionsdauer ergebende, gemessene Masseverlust der Böhler Warmarbeitsstähle W300 und W360 ist (jeweils für die gewählten Aluminiumlegierungen) in Abb. 11 dargestellt. Es zeigt sich, dass das Auflösungsverhalten in der Aluminiumlegierung 2 gegenüber der Aluminiumlegierung 1 wesentlich langsamer vor sich geht und die Werkstoff W300 und W360 im Vergleich nur sehr geringe Unterschiede in ihrem Auflösungsverhalten für jeweils beide Aluminiumlegierungen zeigen.

Dieses Ergebnis war zunächst deshalb überraschend, da die Aluminiumlegierung 2 vor Beginn der Versuche aufgrund des geringeren Eisengehaltes und die damit verbundene, erhöhte Löslichkeitsneigung als auflösungsaktiver als die Aluminiumlegierung 1 eingeschätzt wurde.

Demgegenüber steht aber die stärker ausgeprägte Neigung zur Bildung von intermetallischen Schichten, die ihrerseits der fortschreitenden Auflösung entgegenwirken könnte.

Da es sich bei beiden 5%igen Chromstählen W300 und W360 um ähnliche Eisenbasis-Werkstoffe handelt und der Auflösungsprozess im flüssigen Aluminium über die Bildung von intermetallischen Eisen-Aluminiumphasen läuft, ist dem Unterschied im Legierungsgehalt der beiden Warmarbeitsstähle ein untergeordneter Einfluss auf den Widerstand gegen das Auflösen zuzuordnen.


Abb.11: Probengewicht in Abhängigkeit von der Versuchsdauer für die Werkstoffe W300 und W360 in Schmelze 1 und 2 zur Beschreibung des Auflösungsverhaltens

4.3 Einfluss von Nitrieren auf das Auflösungsverhalten

Abb. 12 zeigt den Einfluss einer klassischen Gasnitrierbehandlung der Warmarbeitsstahlprobe W360 auf das Auflösungsverhalten in der Aluminiumlegierung 1.

Wie ersichtlich, bewirkt die Nitrierschicht eine Verzögerung des Auflösens von ca. 3 Stunden unter den genannten Versuchsbedingungen. Sobald die Nitrierschicht aber aufgelöst ist, zeigt sich dieselbe Auflösungskinetik wie bei nichtnitrierten Proben. Dies gilt tendenziell für alle im Rahmen dieser Arbeit durchgeführten Versuchskombinationen.


Abb.12: Probengewicht in Abhängigkeit von der Versuchsdauer für den Werkstoff W360 im gasnitrierten Zustand in Schmelze 1 zur Beschreibung des Auflösungsverhaltens


5 Zusammenfassung

In der vorliegenden  Arbeit wurde das Auflösungs- und Klebeverhalten unterschiedlicher Warmarbeitsstähle in Aluminiumschmelzen untersucht. Die Versuche haben gezeigt, dass 5%-ige Chromstähle tendenziell ein sehr ähnliches Klebeverhalten (Soldering) aufweisen. Dies liegt an der hohen Affinität von Aluminium zum Eisen, wodurch es zu einer sehr raschen Ausbildung von intermetallischen Schichten kommt.

Durch das Aufbringen von Nitrierschichten wird sowohl das Auflösungsverhalten als auch das Klebeverhalten von Werkzeugstählen verringert. Sobald die Nitrierschicht aufgelöst wurde, erfolgt der Auflösungsvorgang mit derselben Kinetik wie bei nichtnitrierten Stählen.

Im Vergleich zwischen den verwendeten Aluminiumschmelzen konnte ein inverser Zusammenhang zwischen Auflösungs- und Klebeverhalten beobachtet werden. Zum einen erfolgt das Auflösen der Werkzeugstähle bei Verwendung der Aluminiumlegierung Schmelze 2 sehr langsam, zum anderen bilden sich im Kontakt mit der Aluminiumschmelze 2 sehr dicke, intermetallische Schichten im Grenzflächenbereich WerkzeugstahlAluminiumlegierung.

Die Aluminiumlegierung 2 sollte in Druckgussanwendungen dennoch die Aluminiumlegierung sein, die zu einer erhöhten Schädigung führt, da bei Ausstoßvorgängen, der im Druckgussprozess erstarrten Druckgussteile, oder bei Füllvorgängen der Aluminiumschmelze von der Gießkammer in die Druckgussform, es zu einem mechanischen Lösen der intermetallischen Schicht kommt und dies zu einer deutlichen Schädigung der Werkzeugstahloberfläche führen kann.

6 Danksagung

Dieser Beitrag ist ein Auszug aus der am Lehrstuhl für Gießereikunde an der Montanuniversität Leoben vorgelegten Diplomarbeit des Autors DI Christoph Rechberger. Die Diplomarbeit wurde in Kooperation mit der Firma Böhler Edelstahl GmbH & Co KG durchgeführt.

Besonderer Dank gilt den beiden Betreuern Herrn Univ. Prof. Dipl. Ing. Dr. Peter Schumacher, Vorstand des Institutes für Gießereikunde an der Montanuniversität Leoben und Geschäftsführer des Österreichischen Gießereiinstitutes (ÖGI), sowie Herrn Dipl. Ing. Dr. Ingo Siller (Firma Böhler Edelstahl GmbH & Co KG, Produktentwicklung Warmarbeitsstahl) für die außergewöhnliche Unterstützung über die gesamte Dauer der Diplomarbeit. Weiterer Dank gilt allen Mitarbeitern des Österreichischen Gießereiinstitutes (ÖGI), welche mit Rat und Tat bei der Durchführung der Versuche zur Seite standen.

7 Literatur

[1] P. Gümpel, K. Rasche, Entwicklungsstand bei Warmarbeitsstählen, Thyssen Edelstahl Technische Berichte 7 (1981) 151-160.
[2] V. Joshi, A. Srivastava, R. Shivpuri, Intermetallic formation and its relation to interface mass loss and tribology in die casting dies, Wear 256 (2004) 1232-1235.
[3] Z. Chen, D. Fraser, M. Jahedi, Structures of intermetallic phases formed during immersion of H13 tool steel in an Al-11Si-3Cu die casting alloy melt, Materials science and Engineering, A260 (1999) 199-196.
[4] K. Bouche, F. Barbier, A. Coulet, Intermetallic compund layer growth between solid iron and molten aluminium, Materials Science and Engineering A249 (1998) 167-175.
[5] T. Heumann, S. Dittrich, Über die Kinetik der Reaktion von festem und flüssigem Aluminium mit Eisen, Zeitschrift Metallkunde 50 (1959) 617-625.
[6] S. Gopal, A. Lakare, R. Shivpuri, Soldering in Die Casting: Aluminium Alloy and Die Steel Interactions, Die Casting Engineer 44 (2000) 70-81.