Verwendung einer Aluminiumlegierung zum Druckgiessen

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminiumlegierung zum Druckgiessen.

[0002] Die Druckgusstechnik hat sich heute soweit entwickelt, dass es möglich ist, Gussstücke mit hohen Qualitätsansprüchen herzustellen. Die Qualität eines Druckgussstückes hängt aber nicht nur von der Maschineneinstellung und dem gewählten Verfahren ab, sondern in hohem Masse auch von der chemischen Zusammensetzung und der Gefügestruktur der verwendeten Gusslegierung. Diese beiden letztgenannten Parameter beeinflussen bekanntermassen die Giessbarkeit, das Speisungsverhalten (G. Schindelbauer, J. Czikel "Formfüllungsvermögen und Volumendefizit gebräuchlicher Aluminiumdruckgusslegierungen" Giessereiforschung 42, 1990, S. 88/89), die mechanischen Eigenschaften und -- im Druckguss ganz besonders wichtig -- die Lebensdauer der Giesswerkzeuge (L.A. Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson "General Aspects on Wash-out Mechanism in Aluminium Diecasting Dies", 17. International NADCA Diecastingcongress 1993, Cleveland OH).

[0003] In der Vergangenheit wurde der Entwicklung von speziell für den Druckguss anspruchsvoller Gussstücke geeigneten Legierungen wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Die meisten Anstrengungen wurden auf die Weiterentwicklung der Verfahrenstechnik des Druckgussprozesses verwendet. Gerade von Konstrukteuren der Automobilindustrie wird aber immer mehr gefordert, schweissbare Bauteile mit hoher Duktilität im Druckguss zu realisieren, da bei hohen Stückzahlen der Druckguss die kostengünstigste Produktionsmethode darstellt.

[0004] Damit die geforderten mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine hohe Bruchdehnung, erreicht werden können, müssen die Gussteile einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese Wärmebehandlung ist zur Einformung der Gussphasen und damit zur Erzielung eines zähen Bruchverhaltens notwendig. Eine Wärmebehandlung bedeutet in der Regel eine Lösungsglühung bei Temperaturen knapp unterhalb der Solidustemperatur mit nachfolgendem Abschrecken in Wasser oder einem anderen Medium auf Temperaturen <100°C. Der so behandelte Werkstoff weist nun eine geringe Dehngrenze und Zugfestigkeit auf. Um diese Eigenschaften auf den gewünschten Wert zu heben, wird anschliessend eine Warmauslagerung durchgeführt. Diese kann auch prozessbedingt erfolgen, z.B. durch eine thermische Beaufschlagung beim Lackieren oder durch das Entspannungsglühen einer ganzen Bauteilgruppe.

[0005] Da Druckgussstücke endabmessungsnah gegossen werden, haben sie meist eine komplizierte Geometrie mit dünnen Wandstärken. Während des Lösungsglühens und besonders beim Abschreckprozess muss mit Verzug gerechnet werden, der eine Nacharbeit z.B. durch Richten der Gussstücke oder im schlimmsten Fall Ausschuss nach sich ziehen kann. Die Lösungsglühung verursacht zudem zusätzliche Kosten und die Wirtschaftlichkeit dieser Produktionsmethode könnte wesentlich erhöht werden, wenn Legierungen zur Verfügung stehen würden, die die geforderten Eigenschaften ohne eine Wärmebehandlung erfüllen.

[0006] Aus JP-A-1149938 ist eine Druckgusslegierung mit 3 bis 6% Mg, 0,3 bis 2,5% Si, 0 bis 2% Mn, 0,03 bis 0,40% Ti sowie wahlweise noch 0,001 bis 0,01% Be sowie Al als Rest bekannt. Eine beispielhaft angeführte Legierung weist folgende Zusammensetzung bezüglich ihrer Hauptlegierungselemente auf: 5% Mg-2,2% Si- 0,4% Mn.

[0007] In DE-B-1758441 ist eine Al-Gusslegierung mit 0,6 bis 1,2% Mn, 4,5 bis 7,5% Mg, 0,8 bis 2,5% Si, 0,1 bis 0,3% Ti sowie 0,2 bis 1,0% Cu offenbart.

[0008] GB-A-1384264 beschreibt eine Al-Gusslegierung mit 3,5 bis 7% Mg, 0,8 bis 2,5% Si sowie 0,6 bis 1,8% Mn. Eine beispielhaft angegebene Legierung weist bezüglich ihrer Hauptlegierungselemente die folgende Zusammensetzung auf: 0,85% Mn, 4,7% Mg sowie 1,7% Si.

[0009] Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Aluminium-Gusslegierung zu entwickeln, die folgende Eigenschaften aufweist:

• gute mechanische Eigenschaften im Gusszustand, insbesondere eine hohe Bruchdehnung
• gute Vergiessbarkeit
• keine Klebeneigung, gute Entformbarkeit
• hohe Gestaltsfestigkeit
• gute Schweissbarkeit

[0010] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt eine Aluminiumlegierung bestehend aus

4,6 bis 5,8 Gew.% Magnesium

1,8 bis 2,5 Gew.% Silizium

0,5 bis 0,9 Gew.% Mangan

max. 0,2 Gew.%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-% Titan

max. 0,15 Gew.% Eisen

sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.%. Der zur Herstellung der Legierung verwendete Reinheitsgrad des Aluminiums entspricht einem Hütten-Aluminium der Qualität Al99.8H.

[0011] Diese Legierung weist im Gusszustand eine gut eingeformte α-Phase auf. Das Eutektikum, überwiegend bestehend aus Mg₂Si- und Al₆Mn-Phasen, ist sehr fein ausgebildet und führt daher zu einem hochduktilen Bruchverhalten. Der eutektische Anteil von etwa 30% gewährleistet eine ausgezeichnete Giessbarkeit. Durch den Anteil an Mangan wird das Kleben in der Form vermieden und eine gute Entformbarkeit gewährleistet. Der Magnesiumgehalt in Verbindung mit Mangan gibt dem Gussstück eine hohe Gestaltsfestigkeit, so dass auch beim Entformen mit sehr geringem bis gar keinem Verzug zu rechnen ist.

[0012] Obwohl die erfindungsgemässe Aluminiumlegierung zur Verarbeitung im Druckguss vorgesehen ist, kann sie selbstverständlich auch mit anderen Verfahren vergossen werden, z.B.

Sandguss

Schwerkraftkokillenguss

Niederdruckguss

Giessschmieden

Thixocasting/Thixoschmieden

[0013] Die grössten Vorteile ergeben sich jedoch bei Giessverfahren, die mit hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten ablaufen, wie beispielsweise beim Druckgiessverfahren.

[0014] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung sowie deren hervorragende Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels.

[0015] Eine Legierung mit der Zusammensetzung

Si:

2,2 Gew.%

Mn:

0,86 Gew.%

Mg:

5,4 Gew.%

Ti:

0,14 Gew.%

Fe:

0,1 Gew.%

[0016] Rest auf der Basis Hütten-Aluminium der Qualität Al99.8H, wurde im Druckguss vergossen. Als Form diente eine Platte mit einer Dicke von 4mm. Aus diesen Platten wurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet.

[0017] Die nachfolgenden mechanischen Eigenschaften, Mittelwerte aus 21 Einzelmessungen, wurden im Gusszustand ermittelt:

R_p0,2

: 180 N/mm²

R_m

: 314 N/mm²

A₅

: 17,2%

[0018] Vergleichsweise werden für eine Legierung des Typs AlMg5Si für die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand die folgenden Werte angegeben:

R_p0,2

: 110-150 N/mm²

R_m

: 150-240 N/mm²

A₅

: 3-8%

[0019] Der Vergleich zeigt, dass die erfindungsgemssse Aluminiumlegierung im Gusszustand sowohl bezüglich der Dehngrenze (R_p0,2) als auch bezüglich der Bruchdehnung (A₅) den heute bekannten Legierungen weit überlegen ist.

[0020] Die Legierung ist wärmebehandelbar, schweissbar und zeigt ein ausgezeichnetes Giessverhalten. Ein bevorzugter Einsatz der erfindungsgemässen Aluminiumlegierung liegt im Druckguss für Bauteile mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, ohne dass hierzu eine Wärmebehandlung erforderlich ist.

Ansprüche

1. Verwendung einer Aluminiumlegierung bestehend aus

4,6 bis 5,8 Gew.% Magnesium

1,8 bis 2,5 Gew.% Silizium

0,5 bis 0,9 Gew.% Mangan

max. 0,2 Gew.% Titan

max. 0,15 Gew.% Eisen

sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.%, zum Druckgiessen.

2. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 für ohne nachfolgende Wärmebehandlung hergestellte Bauteile mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften.