Ein Gussbauteil mit guter Warmfestigkeit besteht aus einer Legierung mit
Die Erfindung betrifft ein Gussbauteil aus einer Aluminiumlegierung mit guter Warmfestigkeit.
Für thermisch beanspruchte Bauteile werden heute üblicherweise AlSi-Legierungen eingesetzt, wobei die Warmfestigkeit durch Zulegieren von Cu erreicht wird. Kupfer erhöht allerdings auch die Warmrissneigung und wirkt sich negativ auf die Giessbarkeit aus. Anwendungen, bei denen insbesondere Warmfestigkeit gefordert wird, findet man Hauptsächlich im Bereich der Zylinderköpfe im Automobilbau, siehe z.B. F. J. Feikus, "Optimierung von Aluminium-Silicium-Gusslegierungen für Zylinderköpfe", Giesserei-Praxis, 1999, Heft 2, S. 50-57.
Aus der WO-A-0043560 ist eine Aluminiumlegierung mit 2,5 - 7,0 Gew.-% Mg, 1,0 - 3,0 Gew.-% Si, 0,3 - 0,49 Gew.-% Mn, 0,1 - 0,3 Gew.-% Cr, max. 0,15 Gew.-% Ti, max. 0,15 Gew.-% Ti, max. 0,15 Gew.-% Fe, max. 0,00005 Gew.-% Ca, max. 0,00005 Gew.-% Na, max. 0,0002 Gew.-% P, sonstige Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-% und Aluminium als Rest zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen im Druckguss-, Squeezecasting-, Thixoforming- oder Thixoforging-Verfahren bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Herstellung thermisch beanspruchter Bauteile geeignete Aluminiumlegierung mit guter Warmfestigkeit bereitzustellen. Die Legierung soll sich vor allem für den Schwerkraft-Kokillenguss, den Niederdruck-Kokillenguss und den Sandguss eignen.
Die aus der Legierung gegossenen Bauteile sollen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit hoher Duktilität aufweisen. Die im Bauteil angestrebten mechanischen Eigenschaften sind wie folgt definiert:
Bedingt durch die Anwendungen soll die Korrosionsneigung der Legierung möglichst tief gehalten werden, und die Legierung muss auch eine entsprechend gute Dauerfestigkeit aufweisen. Die Giessbarkeit der Legierung sollte besser sein, als die der derzeit angewendeten AlSiCu-Gusslegierungen, und die Legierung sollte keine Tendenz zu Warmrissen zeigen.
Unter den Begriff Gussbauteil fallen neben den reinen, nur durch Giessen hergestellten Bauteilen auch solche, die als Vorform gegossen und nachfolgend durch Kneten kalt oder warm auf Endmass geformt werden.
Beispiele für reine Gussbauteile sind solche, die ausschliesslich durch Sandgiessen, Schwerkraft-Kokillengiessen, Niederdruck-Kokillengiessen, Druckgiessen, Thixogiessen oder Squeezecasting hergestellt werden.
Umformoperationen, die an einer gegossenen Vorform durch Kneten durchgeführt werden, sind beispielsweise Schmieden und Thixoschmieden.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt eine Aluminiumlegierung mit
2 bis 4 Gew.-% Magnesium
0,9 bis 1,5 Gew.-% Silizium
0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan
0,1 bis 0,4 Gew.-% Chrom
max. 0,2 Gew.-% Eisen
max. 0,1 Gew.-% Kupfer
max. 0,2 Gew.-% Zink
max. 0,2 Gew.-% Titan
max. 0.3 Gew.-% Zirkonium
max. 0,008 Gew.-% Beryllium
max. 0,5 Gew.-% Vanadium
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Elementen und herstellungsbedingten Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
Für die einzelnen Legierungselemente werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt:
Die Wirkung der Legierungselemente kann etwa wie folgt charakterisiert werden:
Silizium in Verbindung mit Magnesium führt zu einer entsprechenden Aushärtung, wobei vor allem die Warmaushärtung interessiert. Bevorzugt wird eine Wärmebehandlung zum Zustand T6, z.B. eine Lösungsglühung bei 550 °C während 12 h mit anschliessender Warmauslagerung bei 160 -170 °C während 8 - 10 h.
Die Kombination von Mangan und Chrom führt zu einer guten Warmfestigkeit bei einer Dauertemperatur bis zu 180 °C.
Titan und Zirkonium dienen der Kornfeinung. Eine gute Kornfeinung trägt wesentlich zur Verbesserung der Giesseigenschaften bei.
Beryllium in Verbindung mit Vanadium vermindert die Krätzebildung.
Ein bevorzugter Anwendungsbereich der erfindungsgemässen Gussbauteile sind thermisch beanspruchte Bauteile, insbesondere Druckbehälter, Kompressorengehäuse und Motorkomponenten wie Zylinderköpfe im Automobilbau. Die Bauteile werden bevorzugt im Sand- oder Kokillengiessverfahren hergestellt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Eine erfindungsgemässe Legierung mit der Bezeichnung AlMg3Si1MnCr und eine Vergleichslegierung mit der Bezeichnung AlSi7MgCu1 aus F. J. Feikus, "Optimierung von Aluminium-Silicium-Gusslegierungen für Zylinderköpfe", Giesserei-Praxis, 1999, Heft 2, S. 50-57 mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen wurden hinsichtlich ihres Langzeitverhaltens unter Dauertemperaturbelastung miteinander verglichen.
Die erfindungsgemässe Legierung wurde in einer Probestabkokille nach Diez zu Rundstäben von 16 mm Durchmesser vergossen. An den Probestäben wurden die mechanischen Eigenschaften Dehngrenze (Rp0.2), Zugfestigkeit (Rm) und Bruchdehnung (A5) im Zustand T6 (165 °C / 6h) nach einer Dauertemperaturbelastung von 500 h bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. Die entsprechenden Werte für die Vergleichslegierung wurden dem obigen Artikel von F. J. Feikus entnommen. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 in Diagrammform dargestellt.
Die erfindungsgemässe Legierung AlMg3Si1MnCr erreicht zwar hinsichtlich der Dehngrenze und der Zugfestigkeit nicht die Spitzenwerte der Vergleichslegierung AlSi7MgCu1, ist aber in ihrem Temperaturverhalten "weniger wechselhaft". Diese Wechselhaftigkeit drückt sich im Betrieb insofern störend aus, als geringe Änderungen der Temperatur große Veränderungen der mechanischen Eigenschaften verursachen können. Die Streckgrenze der erfindungsgemässen Legierung bleibt bis etwa 180 °C auf einem nahezu gleichen Niveau, fällt bis 200 °C allmählich ab und beginnt erst ab ca. 200 °C kontinuierlich abzufallen. Der kontinuierliche Abfall geschieht im Vergleich zur Legierung AlSi7MgCu1 mit geringerer Neigung.
Hinsichtlich der Bruchdehnung zeichnet sich die erfindungsgemässe Legierung durch einen nahezu konstanten Wert bis 180 °C aus. Hohe Dehnungswerte liefern ein günstiges Bruch-/ Versagensverhalten. Dem Bruch des Bauteils geht eine sichtbare Verformung voraus. Oberhalb 180 °C steigt die Dehnung kontinuierlich an. Bei der Vergleichslegierung AlSi7MgCu1 erkennt man hier den deutlichen Aushärtungseffekt. Niedrige Dehnungswerte bewirken ein ungünstiges Versagensverhalten, d.h. das Bauteil verformt sich nur geringfügig oder gar nicht. Bei Belastungsspitzen bricht das Bauteil ohne Vorwarnung.