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(11) | EP 1 229 141 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Aluminiumgusslegierung |
(57) Eine Gusslegierung auf der Basis von Aluminium ist gekennzeichnet durch
Aus der Gusslegierung hergestellte Gussteile weisen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit hoher Duktilität sowie eine hohes Wärmeleitvermögen und eine hohe Kriechfestigkeit auf und eignen sich demzufolge für sicherheitsrelevante Komponenten im Fahrzeugbau, insbesondere für Lenker, Träger, Rahmenteile und Räder, sowie für Brat- und Kochgeschirr. |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Gusslegierung auf der Basis von Aluminium sowie deren Verwendung.
[0002] Für sicherheitsrelevante Anwendungen z.B. im Fahrzeugbau werden derzeit u.a. die Legierungen AISi7Mg (AA 356, EN AC 42000 - 42200) und die Legierungen der Gruppe AISi10 Mg (AA 360, EN AC 43000 - 43300) in Kokille oder im Sandguss vergossen. Die Legierungen sind in der Regel mit Strontium oder Natrium veredelt und müssen einer T6 oder T64 Wärmebehandlung unterzogen werden, um die geforderten mechanischen Eigenschaften zu erreichen, vgl. Europäische Norm EN 1706 "Gussstücke, chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften". Diese Wärmebehandlung beinhaltet auch eine Lösungsglühung. Beim Lösungsglühen wird das Gussstück für eine bestimmte Zeit auf eine Temperatur nahe der Solidustemperatur erwärmt, mit dem Ziel, hier die für die anschliessende Aushärtung relevanten Elemente in Lösung zu bringen und die verbleibenden Gussphasen einzuformen. Das Gussstück ist bei diesen Temperaturen relativ weich, was bereits im Lösungsglühofen bei unsachgemässer Lagerung bzw. nach dem anschliessenden Abschrecken zu einem Verzug führt. Auch die Norm EN 1706 (1998) erwähnt in Punkt 4.3 "Bezeichnung der Werkstoffzustände" als Anmerkung: "Bei Aluminiumgusslegierungen, die nach dem Lösungsglühen abgeschreckt werden, können Verformungen auftreten". Das Abschrecken ist jedoch notwendig, um einen nachfolgenden Aushärteprozess in gang zu setzen, da sonst die geforderten mechanischen Eigenschaften nicht erreicht werden. Dieser Wärmebehandlungsprozess ist daher nicht wünschenswert, weil sowohl durch den Prozess an sich als auch durch erhöhten Ausschuss bzw. Richtarbeit erhebliche Kosten anfallen.
[0003] AISi-Gusslegierungen haben zudem den Nachteil, dass bei diesem Legierungstyp, bedingt durch das eutektische Silizium, die insbesondere für sicherheitsrelevante Komponenten im Fahrzeugbau geforderte hohe Duktilität oftmals nicht erreicht werden kann. Die Legierungen der AlSi-Gruppe müssen deshalb zur Verbesserung der Giessbarkeit und der mechanischen Eigenschaften mit Natrium oder Strontium veredelt werden. Diese Veredelungselemente wirken sich aber nachteilig aus, indem sie einerseits schnell abbrennen (besonders Natrium) und andererseits die Tendenz der Schmelze zur Wasserstoffaufnahme stark erhöhen (besonders Strontium). Dies führt in der Praxis zur erhöhter Gasporosität und damit zur Verringerung der Duktilität und der Dauerfestigkeit.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumgusslegierung zu schaffen, welche die geforderten Eigenschaften nach dem Abguss ohne eine Wärmebehandlung bereits durch eine Auslagerung bei Raumtemperatur von mindestens 14 Tagen bzw. nur mit einer eingeschränkten Wärmebehandlung T5, d.h. ohne Lösungsglühung, erreicht. Die Gusslegierung soll sich vor allem für den Kokillenguss und den Sandguss eignen.
[0005] Die Legierung soll insbesondere auch für sicherheitsrelevante Komponenten im Fahrzeugbau Anwendung finden, d.h. die aus der Legierung hergestellten Gussstücke müssen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit hoher Duktilität aufweisen. Die im Gussstück angestrebten mechanischen Eigenschaften sind wie folgt definiert:
| Dehngrenze | Rp0.2 > 170 MPa |
| Zugfestigkeit | Rm > 230 MPa |
| Bruchdehnung | A5 > 6% |
[0006] Bedingt durch die Anwendungen soll die Korrosionsneigung der Gusslegierung möglichst tief gehalten werden und die Legierung muss auch eine entsprechend gute Dauerfestigkeit aufweisen. Die Giessbarkeit der Legierung sollte vergleichbar sein mit den derzeit angewendeten AISi-Gusslegierungen, und die Legierung darf keine Tendenz zu Warmrissen zeigen.
[0007] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt eine Gusslegierung auf der Basis von Aluminium mit
| Silizium | max. 0,25 | Gew.-% |
| Eisen | max. 0,2 | Gew.-% |
| Kupfer | max. 0,3 | Gew.-% |
| Mangan | 0,05 bis 0,5 | Gew.-% |
| Magnesium | 0,2 bis 1,0 | Gew.-% |
| Zink | 4 bis 7 | Gew.-% |
| Titan | max. 0,2 | Gew.-% |
| Chrom | 0,15 bis 0,45 | Gew.-% |
| Bor | max. 0,0065 | Gew.-% |
| Nickel | max. 0,25 | Gew.-% |
| Zinn | max. 0,25 | Gew.-% |
| Silber | max. 0,25 | Gew.-% |
| Cer | max. 0,25 | Gew.-% |
| Zirkonium | max. 0,25 | Gew.-% |
| Scandium | max. 0,25 | Gew.-% |
[0008] Für die einzelnen Legierungselemente werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt:
| Silizium | max. 0,15 Gew.-%, insbesondere max. 0,10 Gew.-% |
| Eisen | max. 0,15 Gew.-%, insbesondere max. 0,10 Gew.-% |
| Kupfer | max. 0,1 Gew.-%, insbesondere max. 0,07 Gew.-% |
| Mangan | 0,1 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,15 bis 0,25 Gew.-% |
| Magnesium | 0,4 bis 0,8 Gew.-% |
| Zink | 4,5 bis 6 Gew.-%, insbesondere 4,7 bis 5,8 Gew.-% |
| Titan | 0,03 bis 0,15 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,10 Gew.-% |
| Chrom | 0,20 bis 0,30 Gew.-% |
| Bor | 0,0005 bis 0,005 Gew.-% |
[0009] Anstelle von oder zusätzlich zu Chrom kann die Legierung 0,10 bis 0,25 Gew.-% Nickel, insbesondere 0,10 bis 0,15 Gew.-% Nickel enthalten.
[0010] Die erfindungsgemässe Gusslegierung weist wegen der Kaltaushärtung als Hauptlegierungselement Zink auf. Dieser Legierungstyp hat so gut wie kein Eutektikum auf den Korngrenzen und führt daher zu einer guten Duktilität, ist aber bekanntermassen giesstechnisch problematisch wegen der ausgeprägten Tendenz zur Warmrissneigung, siehe z.B. John E. Hatsch, Properties and Physical Metallurgy Seite 347.
[0011] Im Verlauf der Legierungsentwicklung hat sich nun überraschend gezeigt, dass die erfindungsgemässe Gusslegierung sowohl die geforderten mechanischen Eigenschaften nach einer Kaltauslagerung erreicht, als auch giesstechnisch unproblematisch ist und keine Tendenz zur gefürchteten Warmrissneigung besteht, dies sowohl im Kokillen- als auch im Sandguss.
[0013] Zink in Verbindung mit Magnesium führt zu einer entsprechenden Aushärtung bei Raumtemperatur, wobei die Lagerdauer üblicherweise mehr als 14 Tage betragen sollte. Ist eine schnellere Aushärtung notwendig, kann auch eine T5 Wärmebehandlung durchgeführt werden, also z.B. eine Glühung bei 180°C während 6 Stunden mit anschliessender Luftabkühlung.
[0014] Um einer mit hohem Zinkgehalt auftretenden Tendenz zu Spannungsrisskorrosion und zu interkristalliner Korrosion entgegenzutreten, wird bevorzugt darauf geachtet, dass der Zinkgehalt unter 6 Gew.-% bleibt.
[0015] Silizium sollte möglichst tief gehalten werden, da sich sonst die Giessbarkeit der Legierung verschlechtert, was sich in einer zunehmenden Warmrissneigung zeigt.
[0016] In bezug auf die Giessbarkeit wurde gefunden, dass geringe Mengen von Mangan hier äusserst hilfreich sind. Ohne Mangan tendiert die Legierung stark zu Warmrissen. Eine Zugabe von Mangan vermindert auch die Tendenz zur Korrosion, insbesondere zu Spannungsrisskorrosion.
[0017] Chrom verbessert zusätzlich die mechanischen Eigenschaften, insbesondere in Richtung höherer Duktilität, da es die Morphologie der Fe/Mn-haltigen Phasen von einer mehr kantigen zu einer runden Form hin verändert.
[0018] Eine gewisse Menge an Titan in Verbindung mit Bor wird zur Kornfeinung benötigt. Eine gute Kornfeinung trägt wesentlich zur Verbesserung der Giesseigenschaften bei.
[0019] Ein bevorzugter Anwendungsbereich der erfindungsgemässen Gusslegierung ist die Herstellung sicherheitsrelevanter Komponenten im Fahrzeugbau, insbesondere Lenker, Träger, Rahmenteile und Räder. Auch für Brat- und Kochgeschirr, insbesondere für Bratpfannen, ist die erfindungsgemässe Legierung hervorragend geeignet.
[0020] Zur Verarbeitung der erfindungsgemässen Legierung sind grundsätzlich alle Giessverfahren geeignet. Hierzu gehören u.a. Sandguss, Lost Form-Guss, Schwerkraft-Kokillenguss, Niederdruck-Kokillenguss, Differenzdruck-Kokillenguss, Squeeze Casting und Thixocasting, in besonders gelagerten Fällen auch Druckguss.
[0021] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Betrachtung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
[0022] Legierungen mit einer Zusammensetzung gemäss Tabelle 1 auf der Basis von Aluminium mit weiteren herstellungsbedingten Verunreinigungen einzeln max. 0,05 Gew.-%, insgesamt max. 0,15 Gew.-% wurden in einer Probestabkokille nach Diez zu Rundstäben von 16 mm Durchmesser vergossen. Die Legierungen Nr. 1 und 2 sind erfindungsgemässe Zusammensetzungen, die Legierungen 3 - 9 sind Vergleichsbeispiele. An Probestäben wurden die mechanischen Eigenschaften Dehngrenze (Rp0.2), Zugfestigkeit (Rm) und Bruchdehnung (A5) im Gusszustand bestimmt. Die Warmrisszahl als Mass für die Warmrissneigung wurde aufgrund einer visuellen Beurteilung eines speziell für diese Bestimmung hergestellten Gussteiles bestimmt. Dieses spezielle Gussteil weist einen Zentrumsbereich auf, von dem 6 verschieden lange Arme gleichen Durchmessers sternförmig ausgehen, wobei am Ende jedes Armes ein kugelförmiges Endstück angeformt ist. Beurteilt wird die Anzahl der abgerissenen Arme und der aufgetretenen Risse. Die Auswertung erfolgt über eine Bewertungsschema mit den Stufen 0 bis 6. Die Warmrisszahl bedeutet:
| 0 | keine Risse |
| 1 bis 5 | Zunahme von Rissen, angefangen von Rissen, die nur mit der Lupe zu sehen sind bis hin zu mehreren abgerissenen Armen |
| 6 | alle Arme abgerissen |
1. Gusslegierung auf der Basis von Aluminium, gekennzeichnet durch
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Elementen und herstellungsbedingten Verunreinigungen
einzeln max. 0,05 Gew.-%, insgesamt max. 0,15 Gew.-%.
| Silizium | max. 0,25 | Gew.-% |
| Eisen | max. 0,2 | Gew.-% |
| Kupfer | max. 0,3 | Gew.-% |
| Mangan | 0,05 bis 0,5 | Gew.-% |
| Magnesium | 0,2 bis 1,0 | Gew.-% |
| Zink | 4 bis 7 | Gew.-% |
| Titan | max. 0,2 | Gew.-% |
| Chrom | 0,15 bis 0,45 | Gew.-% |
| Bor | max. 0,0065 | Gew.-% |
| Nickel | max. 0,25 | Gew.-% |
| Zinn | max. 0,25 | Gew.-% |
| Silber | max. 0,25 | Gew.-% |
| Cer | max. 0,25 | Gew.-% |
| Zirkonium | max. 0,25 | Gew.-% |
| Scandium | max. 0,25 | Gew.-% |
2. Gusslegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch max. 0,15 Gew.-% Si, insbesondere max. 0,10 Gew.-% Si.
3. Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch max. 0,15 Gew.-% Fe, insbesondere max. 0,10 Gew.-% Fe.
4. Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch max. 0,1 Gew.-% Cu, insbesondere max. 0,07 Gew.-% Cu.
5. Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch 0,1 bis 0,3 Gew.-% Mn, insbesondere 0,15 bis 0,25 Gew.-% Mn.
6. Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet, durch 0,4 bis 0,8 Gew.-% Mg.
7. Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet, durch 4,5 bis 6 Gew.-% Zn, insbesondere 4,7 bis 5,8 Gew.-% Zn.
8. Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet, durch 0,03 bis 0,15 Gew.-% Ti, insbesondere 0,05 bis 0,10 Gew.-% Ti.
9. Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet, durch 0,20 bis 0,30 Gew.-% Cr.
10. Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet, durch 0,0005 bis 0,0055 Gew.-% B.
11. Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich oder anstelle von Cr 0,10 bis 0,25 Gew.-% Ni, insbesondere 0,10 bis
0,15 Gew.-% Ni enthält.
12. Verwendung einer Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zur Herstellung von
Gussteilen mit hoher Festigkeit in Verbindung mit hoher Duktilität und/oder mit hohem
Wärmeleitvermögen und hoher Kriechfestigkeit.
13. Verwendung nach Anspruch 13 für sicherheitsrelevante Komponenten im Fahrzeugbau, insbesondere
für Lenker, Träger, Rahmenteile und Räder.
14. Verwendung nach Anspruch 15 für Brat- und Kochgeschirr, insbesondere für Bratpfannen.