DRUCKGUSSLEGIERUNG

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Druckgusslegierung auf Aluminium-Silizium Basis mit einer Zusammensetzung bestehend aus: 8,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium; 0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium; 0,3 bis 0,8 Gew.-% Mangan; 0,02 - 0,5 Gew.-% Eisen; 0,005 - 0,5 Gew.-% Zink; 0,02 bis 0,3 Gew.-% Molybdän; 0,1 bis 0,5 Gew.-% Kupfer; 0,02 bis 0,15 Gew.-% Titan; 0,02 bis 0.3 Gew-.% Zirkon, 5 bis 250 ppm Phosphor, 10 bis 200 ppm Gallium und der Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen. Die Legierung ist mit einem Recyclinganteil von 50 % herstellbar.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Druckgusslegierung auf der Basis von Aluminium und Silizium, insbesondere für den Einsatz in leichten Fahrzeug-Strukturteilen.

[0002] Mit der erfindungsgemässen Legierung wird den immer höheren Anforderungen nach Leichtbau in der Automobilindustrie Rechnung getragen. Die Anwendung eines Werkstoffes mit höherer Festigkeit ermöglicht es dem Konstrukteur, dünnwandigere und somit leichtere Strukturen zu realisieren. Auf diese Weise ist ein weiterer Schritt hin zu geringem Kraftstoffverbrauch im Automobil realisierbar.

[0003] Legierungen vom Typ AlSi10Mg oder AlSi7Mg zählen zu den am weitesteten in der Industrie verbreiteten Gusslegierungen.

[0004] An dieser Stelle seien zwei aus dem Stand der Technik bekannte und im Automobilbau eingesetzte Druckgusslegierungen genannt, welche von der Anmelderin selbst entwickelt wurden.

[0005] Die EP 1612286 B1 offenbart eine AlSi-Legierung, welche bereits im Gusszustand ohne eine weitere Wärmebehandlung hohe Dehnwerte aufweist. Mit dieser Legierung lassen sich bei Druckgussteilen im Gusszustand gute Werte für die Dehngrenze und die Zugfestigkeit erzielen, sodass die Legierung insbesondere zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen im Automobilbau geeignet ist. Bei dieser aus dem Stand der Technik bekannten Legierung hat sich gezeigt, dass durch die Zugabe von Molybdän oder einer kombinierten Zugabe von Molybdän und Zirkon die gewünschten Werte für die Zugfestigkeit und die Dehngrenze erzielt werden.

[0006] Die EP0687742B1 offenbart ebenfalls eine Druckgusslegierung auf Aluminium-Silizium Basis, welche insbesondere bei Sicherheitsbauteilen im Automobilbau zum Einsatz kommt. Anders als bei der Legierung aus der EP 1612286 B1, werden die hergestellten Druckgussstücke einer Wärmebehandlung unterzogen. Bei dieser Legierung wurde festgestellt, dass die erreichten gesteigerten Festigkeitswerte in starkem Mass vom Magnesiumgehalt abhängig sind und dieser Gehalt daher in der Fertigung sehr eng zu tolerieren ist.

[0007] Weitere aus dem Stand der Technik bekannte AlSi-Legierungen sind in der EP 2 653 579 B1 und in der EP 2 735 621 A1 angeführt. Beide Legierungen begrenzen den Eisenanteil auf max. 0.2 Gew. %.

[0008] Ausgehend von der in der EP 0687742B1 beschriebenen Legierung besteht die Aufgabe darin, eine hochfeste Aluminium-Druckgusslegierung zu entwickeln, welche verbesserte mechanische Kennwerte hinsichtlich der Zugfestigkeit, der Dehngrenze und der Bruchdehnung zeigt. Darüber hinaus soll die erfindungsgemässe Legierung eine gute Giessbarkeit, keine erhöhte Klebeneigung, kein erhöhtes Risiko zur Warmrissneigung sowie keine Einschränkung hinsichtlich der Formfüllfähigkeit aufweisen.

[0009] Es ist eine weitere Aufgabe eine hochfeste Aluminium-Druckgusslegierung mit den vorgängig genannten Eigenschaften zu entwickeln, wobei die Aluminiumbasis der Legierung einen Anteil von mindestens 50% Sekundärmetall (Recylingmaterial) enthalten darf.

[0010] Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe gelöst durch eine Druckgusslegierung auf Basis von Aluminium-Silizium, bestehend aus:

8,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium

0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium

0,3 bis 0,8 Gew.-% Mangan

0,02 - 0,5 Gew.-% Eisen

0,005 - 0,5 Gew.-% Zink

0,1 bis 0,5 Gew.-% Kupfer

0,02 bis 0,3 Gew.-% Molybdän

0,02 bis 0,3 Gew.-% Zirkon

0,02 bis 0,25 Gew.-% Titan

3 bis 50 ppm Bor

10 bis 200 ppm Gallium

[0011] Wahlweise 30 bis 300 ppm Strontium oder 5 bis 30 ppm Natrium oder 1 bis 30 ppm Calcium zur Dauerveredelung und 5 bis 250 ppm Phosphor und/oder 0,02 bis 0,25 Gew.-% Titan und 3 bis 50 ppm Bor zur Kornfeinung und der Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

[0012] Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben.

[0013] In einer Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0,15-0,5 Gew. % Eisen.

[0014] In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0,05 bis 0,20 Gew.-% Molybdän.

[0015] In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung durch 0,05 bis 0,20 Gew.-% Zirkon.

[0016] In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 60 - 120 ppm Gallium.

[0017] In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0.3 bis 0.5 Gew. % Mangan.

[0018] In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0,2 bis 0,4 Gew.-% Zink.

[0019] In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0,15 bis 0,25 Gew.-% Kupfer.

[0020] In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 8,5 bis 10,0 Gew.-% Silizium.

[0021] In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0,3 bis 0,4 Gew.-% Magnesium.

[0022] Bevorzugt wird die erfindungsgemässe Druckgusslegierung zum Druckgiessen crashrelevanter oder festigkeitsrelevanter Strukturteilen im Automobilbau eingesetzt.

[0023] Die geeignete Festigkeit einer Aluminium-Druckgusslegierung wird neben der Wahl der Kombination an Legierungselementen auch durch eine gezielte Wärmebehandlung erreicht. Die erfindungsgemässe Legierung wird einer T6-Wärmebehandlung umfassend Lösungsglühen, Luftabschreckung oder Wasserabschreckung und Warmauslagerung unterzogen. Dabei konnte festgestellt werden, dass verglichen mit der Legierung aus EP 0687742B1 hohe Dehngrenzen von knapp über 200 N/mm² erreicht werden können.

[0024] Die erfindungsgemässe Legierung ist nach der T6-Wärmebehandlung zeitfest, d.h. es tritt keine Selbstaushärtung ein.

[0025] Ferner ist es möglich, durch eine T6-Wärmebehandlung bei Anwendung hoher Glühtemperaturen von 530°C Dehngrenzen von bis zu 280 N/mm² zu erreichen, in dem anschliessend eine Wasserabschreckung erfolgt.

[0026] Ferner kann die erfindungsgemässe Legierung einer T7-Wärmebehandlung unterzogen sein.

[0027] Mit der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung lassen sich bei Druckgussteilen im Werkstoffzustand T6 bzw. T7 verbesserte Werte für Zugfestigkeit, die Dehngrenze und die Bruchdehnung erzielen.

[0028] Verglichen mit der Legierung aus EP 0687742B1 konnte festgestellt werden, dass die Wahl des Gehalts an Kupfer von 0,1 bis 0,5 Gew.-%, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-%, für die Verbesserung der mechanischen Kennwerte der Legierung verantwortlich ist. Gemäss EP 0687742 B1 sind das Einbringen von Kupfer beim Einschmelzen zu vermeiden, da Kupfer einen nachteiligen Einfluss auf die Korrosionsbeständigkeit hat. Die Zusammensetzung der erfindungsgemässen Legierung wurde so gewählt, dass die Entstehung von korrosionsfördernden Phasen wie z.B. Al₂Cu vermieden wird. Ein Salzsprühnebel-Wechseltest (ISO 9227) und ein interkristalliner Korrosionstest (ASTM G110-92) dienten zur Überprüfung der Korrosionsneigung. Es konnte eine vergleichbare Korrosionsbeständigkeit wie die der bereits im Automobilbau eingesetzten Legierung aus EP1612286 B1, welche den Kupfergehalt jedoch ausdrücklich auf max. 0.1 Gew. % Kupfer beschränkt, festgestellt werden. Weitere Elemente, die die mechanischen Kennwerte, insbesondere die Dehnung, verbessern, sind die Wahl des Molybdän-Gehalts und die Zugabe von Zirkon. Die Zugabe von mind. 0,08 % Zirkon bewirkt eine Steigerung der Dehnwerte ohne einen Abfall der Festigkeit des Werkstoffs. Diese Wirkung wird durch eine hochschmelzende Phase erreicht. In diesem Zusammenhang spielt der Zeitfaktor eine besondere Rolle. Größe und Ausprägung hochschmelzender Phasen sind stets abhängig von den Erstarrungsbedingungen. Im Druckguss beginnt die Erstarrung in der Regel bereits in der Giesskammer, setzt sich während der Formfüllung fort und endet in dickwandigen Bereichen oftmals erst nach der Bauteilentnahme. Die erfindungsgemäße Legierung ist für diese Abläufe entwickelt worden. Nur im Druckgießprozess haben die Ausscheidungen die richtige Größe und Ausprägung, um nach einer T6-Wärmebehandlung optimale Werkstoffkennwerte zu zeigen.

[0029] Wird gleichzeitig Molybdän zugegeben, wirken diese beiden Elemente zusammen und es wird zusätzlich eine Steigerung der Festigkeit erreicht. Eine Erhöhung dieser Elemente über 0,2 % hinaus hat keine positive Wirkung auf die Kennwerte des Werkstoffs.

[0030] Eine ähnliche Wirkung zeigte die Zugabe von Gallium auf die erfindungsgemäße Legierung. Mit der Zugabe von Gallium, neben Zirkon und Molybdän, konnte ein feineres Gefüge erreicht werden, insbesondere bei leicht erhöhtem Eisengehalt.

[0031] Die Zugabe von Mo, Zr und Ga spielt eine besondere Rolle, wenn Recyclingmaterial, sprich Sekundäraluminium zur Herstellung der Legierung, verwendet wird. Bei einem Eisengehalt von 0,2 % ist es möglich, die schädliche Wirkung des Eisens auf die Bruchdehnung zu minimieren. Es entsteht ein deutlich feineres Gefüge, in dem AlMgFeSi-Phasen kleiner und gleichmäßiger verteilt sind.

[0032] Dem leicht erhöhten Eisengehalt wird durch eine Senkung des Mangananteils Rechnung getragen, ansonsten besteht die Gefahr von Schlammbildung im Warmhalteofen an der Gießmaschine. Die Klebeneigung der Legierung sinkt dennoch, da hierbei Eisen ebenso wie Mangan positiv wirkt und die Reduktion von Mn durch den Fe-Gehalt überkompensiert wird.

[0033] Zudem wird durch das MnFe-Verhältnis die Entstehung von sog. Betaphasen vermieden, also plattenförmingen AlMnFeSi-Ausscheidungen, wodurch die Duktilität des Werkstoffs entscheidend reduziert wird. Solche Ausscheidungen sind unter dem Mikroskop als sog. Eisennadeln bekannt.

[0034] Die Alpha-AlMnFeSi-Ausscheidungen werden bei der erfindungsgemässen Legierung durch die Zugabe der Elemente Mo, Zr und Ga sehr fein ausgebildet, sodass ihre schädliche Wirkung auf Dehnwerte und Korrosionsneigung minimiert werden kann.

[0035] Durch den gewählten, geringen Anteil an Zink in Verbindung mit den anderen, erfindungsgemässen Elementen wurden eine Verbesserung der Gießbarkeit und eine Erhöhung der Bruchdehnung erreicht. Im Allgemeinen zeigt ein Zinkgehalt von bis zu 0.5 Gew. % noch keine Wirkung auf Werkstoffkennwerte. Die gegenüber Patent EP 0687742B1 verbesserte Gießbarkeit der Legierung wirkt sich aber auf die Oberflächenqualität der Bauteile und somit auf die Werkstoffkennwerte aus.

[0036] Die Zugabe von Strontium oder Natrium führt zu einer feinkristallinen Ausscheidung des Siliziums, was die Ausbildung eines veredelten Eutektikums zur Folge, und ebenfalls einen positiven Einfluss auf die Festigkeit und Dehnung der erfindungsgemässen Legierung hat.

[0037] Bevorzugt wird bei der erfindungsgemässen Legierung eine Kornfeinung durchgeführt. Hierzu kann der Legierung vorzugsweise 1 bis 30 ppm Phosphor zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Legierung zur Kornfeinung auch Titan und Bor enthalten, wobei die Zugabe von Titan und Bor über eine Vorlegierung mit 1 bis 2 Gew.-% Ti und 1 bis 2 Gew.-% B, Restaluminium, erfolgt. Bevorzugt enthält die Aluminium-Vorlegierung 1,3 bis 1,8 Gew.-% Ti und 1,3 bis 1,8 Gew.-% B und weist ein Ti/B Gewichtsverhältnis von etwa 0,8 bis 1,2 auf. Der Gehalt der Vorlegierung in der erfindungsgemässen Legierung wird bevorzugt auf 0,05 bis 0,5 Gew.-% eingestellt.

[0038] Im Rahmen der Untersuchungen war es möglich, die erfindungsgemässe Legierung mit einem Recyclinganteil von 50-70 % herzustellen.

[0039] Notwendig hierfür ist hochwertiges Recyclingmaterial, wie beispielsweise Schrotte von Rädern, Strangpressprofilen, Blechen und auch Spänen sowie die Verwendung eines bewährten Kipp-Trommelofens zum Schmelzen der Legierung. Bis zu einem Eisengehalt von 0,25 % konnten die Anforderungen an crashrelevante Strukturbauteile erfüllt werden, bis zu einem Eisengehalt von 0,40 % war ein Einsatz in festigkeitsrelevanten Strukturbauteilen möglich.

[0040] Die Schweisseignung konnte in WIG-Schweißtests überprüft werden. In Stanznietversuchen war die erfindungsgemäße Legierung trotz ihrer hohen Festigkeit rissfrei nietbar.

Vergleichsbeispiel

[0041] Im Folgenden sind die Zusammensetzungen einer beispielhaften Legierung aus der EP0687742B1 (Legierung 1) und zwei Ausführungsbeispiele (Legierungen A, B) der erfindungsgemässen Legierung gegenübergestellt. Die Angaben verstehen sich in Gew.-%. Anhand dieser zwei Legierungen wurden die mechanischen Kennwerte (R_m, R_p0.2 und A₅) an druckgegossenen 3 mm-Platten gemessen. Bei allen Versuchen wurde dieselbe T6-Wärmebehandlung mit Luftabschreckung und mit Wasserabschreckung angewendet. Dargestellt ist jeweils der Mittelwert aus ca. 30 Zugprüfungen.

Erzielte Resultate

[0042] 

T6-Wärmebehandlung, Abschreckung an Luft

	Rm [N/mm2]	Rp0,2 [N/mm2]	A5 [%]
Legierung 1	236	167	7,9
Legierung A	288	209	11,0
Legierung B	280	189	9,6

T6-Wärmebehandlung, Abschreckung in Wasser

	Rm [N/mm2]	Rp0,2 [N/mm2]	A5 [%]
Legierung 1	326	241	7,9
Legierung A	332	257	10,0
Legierung B	348	264	8,2

Ansprüche

1. Druckgusslegierung auf Basis Aluminium-Silizium, bestehend aus:

8,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium

0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium

0,3 bis 0,8 Gew.-% Mangan

0,02 - 0,5 Gew.-% Eisen

0,005 - 0,5 Gew.-% Zink

0,1 bis 0,5 Gew.-% Kupfer

0,02 bis 0,3 Gew.-% Molybdän

0,02 bis 0.3 Gew.-% Zirkon

10 bis 200 ppm Gallium

wahlweise

30 bis 300 ppm Strontium oder 5 bis 30 ppm Natrium oder 1 bis 30 ppm Calcium zur Dauerveredelung und 5 bis 250 ppm Phosphor und/oder 0,02 bis 0,25 Gew.-% Titan und

3 bis 50 ppm Bor zur Kornfeinung

und der Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

2. Druckgusslegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 0,15-0,5 Gew. % Eisen.

3. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,20 Gew.-% Molybdän.

4. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,20 Gew.-% Zirkon.

5. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 60 - 120 ppm Gallium

6. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0.3 bis 0.5 Gew. % Mangan.

7. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,2 bis 0,4 Gew.-% Zink.

8. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,15 bis 0,25 Gew.-% Kupfer.

9. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 8,5 bis 10,0 Gew.-% Silizium.

10. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,3 bis 0,4 Gew.-% Magnesium.

11. Verwendung einer Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche zum Druckgiessen von crashrelevanten oder festigkeitsrelevanten Strukturteilen im Automobilbau.

Amended claims

Geänderte Patentansprüche gemäss Regel 137(2) EPÜ.

1. Druckgusslegierung auf Basis Aluminium-Silizium, bestehend aus:

8,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium

0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium

0,3 bis 0,8 Gew.-% Mangan

0,02 - 0,5 Gew.-% Eisen

0,005 - 0,5 Gew.-% Zink

0,1 bis 0,5 Gew.-% Kupfer

0,02 bis 0,3 Gew.-% Molybdän

0,02 bis 0.3 Gew.-% Zirkon

60 - 120 ppm Gallium

wahlweise

30 bis 300 ppm Strontium oder 5 bis 30 ppm Natrium oder 1 bis 30 ppm Calcium zur Dauerveredelung und 5 bis 250 ppm Phosphor und/oder 0,02 bis 0,25 Gew.-% Titan und

3 bis 50 ppm Bor zur Kornfeinung

und der Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

2. Druckgusslegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 0,15-0,5 Gew. % Eisen.

3. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,20 Gew.-% Molybdän.

4. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,20 Gew.-% Zirkon.

5. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0.3 bis 0.5 Gew. % Mangan.

6. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,2 bis 0,4 Gew.-% Zink.

7. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,15 bis 0,25 Gew.-% Kupfer.

8. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 8,5 bis 10,0 Gew.-% Silizium.

9. Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch 0,3 bis 0,4 Gew.-% Magnesium.

10. Verwendung einer Druckgusslegierung nach einem der vorangegangenen Ansprüche zum Druckgiessen von crashrelevanten oder festigkeitsrelevanten Strukturteilen im Automobilbau.