ALUMINIUMLEGIERUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung, welche neben Aluminium Magnesium und Silizium als Hauptlegierungsbestandteile enthält und für die Verwendung im Druckguß und verwandten Verfahren vorgesehen ist.

[0002] Aluminium-Druckgußteile haben insbesondere im Automobilbau besondere Bedeutung erlangt. Den steigenden mechanischen Anforderungen an Aluminium-Druckgußteile im Automobilbau, ausgelöst vor allem durch die gewichtsbedingte Substitution von Stahlkomponenten durch solche aus Aluminiumlegierungen, begegnet man durch den Einsatz spezieller AlSiMg- bzw. AlMgSi-Druckgußlegierungen und einer dem Gießprozeß nachfolgenden Wärmebehandlung.

[0003] Aus AT 407 533 ist beispielsweise eine Aluminiumlegierung mit >3,0 bis 7,0 Gew.-% Magnesium, 1,0 bis 3,0 Gew.-% Silizium, 0,3 bis 0,49 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,15 Gew.-% Titan, max. 0,15 Gew.-% Eisen und jeweils max. 0,00005 Gew.-% Kalzium und Natrium und max. 0,0002 Gew.-% Phosphor bekannt.

[0004] In der EP-B-0 792 380 ist eine Legierung beschrieben, welche 3,0 bis 6,0, bevorzugt 4,6 bis 5,8 Gew.-% Magnesium, 1,4 bis 3,5, bevorzugt 2,0 bis 2,8 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 2,0, bevorzugt 0,6 bis 1,5 Gew.-% Mangan, max. 0,2, bevorzugt 0,1 bis 0,2 Gew.-% Titan und max. 0,15, bevorzugt max. 0,1 Gew.-% Eisen enthält und bereits im Rheogefügezustand vorliegt.

[0005] Diese bekannten AlMgSi-Legierungen sind für die Verwendung in Druckgußverfahren und damit verwandten Verfahren vorgesehen. Sie besitzen bereits im Gußzustand ähnliche Festigkeits- und Dehnungswerte wie AlSiMg-Legierungen, z.B. die bekannte Legierung vom Typ AlSi7Mg0,3, im vollausgehärteten Zustand (welcher als "T6" bezeichnet wird). Ein wesentlicher Nachteil dieser AlMgSi-Legierungstypen ist jedoch die - verglichen mit AlSiMg-Legierungen - geringere 0,2%-Dehngrenze.

[0006] Die 0,2%-Dehngrenze charakterisiert den Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung eines Gußteiles und ist insbesondere auch im Zusammenhang mit crashrelevanten Strukturteilen im Automobilbau von Relevanz.

[0007] In der Literatur wird über die Möglichkeit einer kurzen, max. 2 Stunden dauernden, Wärmebehandlung zur Anhebung der 0,2%-Dehngrenze berichtet.

[0008] Eine Wärmebehandlung von Druckgußteilen aus den oben angeführten AlMgSi-Legierungen bringt jedoch zahlreiche Nachteile mit sich. Zunächst wird dadurch der Kostenvorteil, welcher durch derartige Legierungen erzielt werden kann, zunichte gemacht. Weitere wesentliche Nachteile der Wärmebehandlung sind typische Fehler an Druckgußteilen wie Verzug und vor allem Blasen, welche durch thermische Zerstörung von eingeschlossenen Formtrennstoffen entstehen und unter dem Begriff "Blister" bekannt sind. Ein Verzug macht jedoch den Prozessvorteil von Druckgußteilen, nämlich die endabmessungsnahe Fertigung, zunichte.

[0009] Bei Druckgußteilen, welche keiner Wärmebehandlung zur Erhöhung insbesondere der 0,2%-Dehngrenze unterworfen werden, wird als Folge der verhältnismäßig geringen 0,2%-Dehngrenze das Einsatzgebiet der vorstehend beschriebenen Aluminiumlegierungen eingeschränkt, da besonders bei belasteten Druckgußteilen höhere Festigkeitseigenschaften gefordert sind. Einem Einsatz von aus solchen Legierungen hergestellten Druckgußteilen kann dann nur durch eine Vergrößerung der Wandstärke begegnet werden. Die Vergrößerung der Wandstärke verringert jedoch einen durch den Einsatz von Aluminium erreichbaren Gewichtsvorteil oder macht diesen zunichte.

[0010] AT 412 726 zeigt eine Aluminiumlegierung, welche, bezogen auf das Gewicht, 0,3 bis 4,5% Si, 1,0 bis 8,0% Mg, 0,05 bis 0,5% Sc, weniger als 0,7% Fe, weniger als 0,2% Zn und Cu, wahlweise eines oder mehrere Elemente ausgewählt von der Gruppe 0,01 bis 1,0% Mn, 0,01 bis 1,0% Cr, 0,01 bis 1,0 % Ni, 0,01 bis 0,3% Ce, 0,01 bis 0,3% La und weitere wahlweise Nebenlegier- ungselemente aufweist. Aus der Legierung sollen Bauteile endabmessungsnah durch Gießen herstellbar sein und hohe Werte der mechanischen Festigkeiten aufweisen bzw. auf solche vergüt- bar sein. Die WO 00/43560 offenbart eine AlMgSi-Legierung, welche, bezogen auf das Gewicht, 2,5 bis 7% Mg, 1,0 bis 3,0% Si, 0,3 bis 0,49 % Mn, 0,1 bis 0,3% Cr, 0 bis 0,15% Ti, max. 0,15% Fe, max. 0,00005% Ca, max. 0,00005% Na, max. 0,0002% P, sonstige Verunreinigungen in einer Menge von jeweils max. 0,02% und als Rest Al und wahlweise 0,05 bis 0,02% Zr aufweist. Die Legierung soll u.a. gute mechanischen Eigenschaften im Gusszustand, besonders eine hohe Duktilität aufweisen. Z.Yin et al., "Effect of minor Sc and Zr on the micro- structure and mechanical properties of Al-Mg based alloys", Materials Science and Engineering, Bd. A280, 2000, S. 151-155, untersuchen die Wirkung der Zugabe vom Zirkonium und Scandium auf die Struktur und die mechanische Festigkeit von Legierungen ais Aluminium und Magnesium. Die gleichzeitige Zugabe von Scandium und Zirkonium bewirkt eine gegenüber der alleinigen Zugabe von Scandium oder Zirkonium außerordentliche Erhöhung mechanischer Kennwerte. Chen Yuyong et al., "Influence of cerium and mischmetall on the hardness and brightness of AL-Mg-Si alloys", Journal of Less Common Metals, Bd. 110, 1985, S. 175-178, beschreiben die Erhöhung der Brinellhärte und des Glanzes bei AlMg- und AlMgSi-Legierungen durch die Zugabe von Cer oder Mischmetall. Die Legierungen werden als Ornamente und für Haushaltswaren eingesetzt.

[0011] Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, Aluminiumlegierungen vom Typ AlMgSi bereitzustellen, welche für die Verwendung im Druckguß geeignet sind und im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Legierungen vergleichbare Festigkeitseigenschaften, jedoch höhere Werte hinsichtlich der 0,2%-Dehngrenze aufweisen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin derartige Aluminiumlegierungen bereitzustellen, welche die gewünschten Festigkeitseigenschaften bereits im Gußzustand aufweisen, sodaß eine Wärmebehandlung von Druckgußteilen und die damit verbundenen Nachteile vermieden werden. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung Aluminiumlegierungen bereitzustellen, welche für Aluminiumkomponenten im Automobilbau, insbesondere auch solche, welche hohen mechanischen Anforderungen genügen müssen, verwendet werden können, um so das Anwendungsgebiet von Aluminiumkomponenten beispielsweise im Automobilbau zu erweitern.

[0012] Diese Ziele werden erfindungsgemäß durch eine Legierung erreicht, welche die folgende Zusammensetzung besitzt:

4,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium,

1,0 bis 3,0 Gew.-% Silizium,

0,3 bis 1,0 Gew.-% Mangan,

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

0,02 bis 0,2 Gew.-% Titan,

0,02 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium,

0,0050 bis 1,6 Gew.-% eines oder mehrerer Seltenerdmetalle, ausgewählt unter Samarium, Cer und Lanthan, max. 0,2 Gew.-% Eisen und als Rest Aluminium.

[0013] In einer weiteren Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Legierung die folgende Zusammensetzung:

5,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium

2,4 bis 2,8 Gew.-% Silizium

0,4 bis 0,6 Gew.-% Mangan

0,05 bis 0,15 Gew.-% Chrom.

[0014] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung ist ein Zirkoniumgehalt von 0,05 bis 0,2 Gew.-% vorgesehen.

[0015] Die Seltenerdmetalle Samarium, Cer oder Lanthan können allein oder in jedweder Kombination miteinander zulegiert werden. Besonders vorteilhaft sind Kombinationen aus Samarium und Cer oder Samariam und Lanthan. Eine besonders bevorzugte Legierung enthält die Seltenerdmetalle Samarium und Cer in einer Menge von 0,0050 bis 0,8 Gew.-% Samarium und 0,0050 bis 0,8 Gew.-% Cer.

[0016] Die Zugabe von Samarium und Cer führt bei der Erstarrung der Legierung zur Bildung von Ausscheidungen des Typs AlCe und AlSm in unterschiedlichen Zusammensetzungen, welche einen Verfestigungseffekt bewirken.

[0017] Durch die Zugabe von Cer wird zudem auch die Klebeneigung der Legierung im Druckgußwerkzeug vermindert, was sich auf die Qualität der Druckgußteile zusätzlich vorteilhaft auswirkt.

[0018] Die vorliegende Erfindung wird an Hand der für die nachstehenden Legierungen ermittelten mechanischen Kennwerte weiter veranschaulicht. Die mechanischen Kennwerte wurden an mittels Druckguß hergestellten Stufenplatten im Zugversuch nach DIN EN 10002 ermittelt, wobei für den Zugversuch die 2,7 mm Stufe herangezogen wurde. Dieser Wandstärkenbereich wird bevorzugt zur Herstellung von schweißbaren und unter Umständen crashrelevanten Strukturteilen verwendet. Die mechanischen Kennwerte stellen den Mittelwert aus 25 Messungen dar.

[0019] Die Ergebnisse der durchgeführten Zugversuche sind in der Tabelle 1 angeführt. Bei den darin angeführten Legierungen sind die Legierungen der Versuche 1 bis 4 erfindungsgemäß; bei der Referenzlegierung handelt es sich um eine Legierung, deren Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Legierung entspricht, jedoch keine Seltenerdmetalle zulegiert enthält.

Tabelle 1

Versuch	Variante	Zugfestigkeit RM [MPa]	0,2%-Dehngrenze Rp0,2 [MPa]	Bruchdehnung A [%]
1	AlMg5Si2MnCr+ 0,02% Sm	330	200	10,4
2	AlMg5Si2MnCr+ 0,04% Sm+0, 02% Ce	360	220	9,8
3	AlMg5Si2MnCr+ 0,05% Sm+0,03% Ce	330	200	11,5
4	AlMg5Si2MnCr+ 0,11% Sm+0,06% Ce	340	200	9,5
Referenz	AlMg5Si2MnCr	297	179	12,8

[0020] Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, führt die Zugabe von Cer und Samarium im Vergleich zur unmodifizierten AlMg5Si2MnCr-Basislegierung zu einem signifikanten Anstieg der 0,2%-Dehngrenze.

[0021] Die mit den erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen erreichbaren Festigkeitswerte liegen zudem auf einem Niveau, welches mit Schmiedestücken aus AlSi1MgMn im Zustand T6, also nach einer Wärmebehandlung erreicht, wird. Aufgrund dessen und der gegenüber den bekannten Aluminiumlegierungen vom AlMgSi-Typ verbesserten 0,2%-Dehngrenze sind die erfindungsgemäßen Legierungen für neue Anwendungsgebiete, insbesondere zur Herstellung von hochbelasteten Aluminiumdruckgußteilen, wie sie vermehrt in der Automobilindustrie von Interesse sind, geeignet.

[0022] Ähnliche Ergebnisse hinsichtlich der mechanischen Festigkeitswerte können auch durch erfindungsgemäße Legierungen werden, worin Cer teilweise oder zur Ganze durch Lanthan ersetzt ist.

[0023] Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung wird für den Einsatz im Druckguß-, Squeezecasting-, Thixoforming- oder Thixoforging-Verfahren und weiteren Verfahren, welche auf der Formgebung im teilflüssigen Zustand beruhen, eingesetzt.

Ansprüche

1. Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie

4,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium,

1,0 bis 3,0 Gew.-% Silizium,

0,3 bis 1,0 Gew.-% Mangan,

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

0,02 bis 0,2 Gew.-% Titan,

0,02 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium,

0,0050 bis 1,6 Gew.-% eines oder mehrerer Seltenerdmetalle, ausgewählt unter Samarium, Cer und Lanthan, max. 0,2 Gew.-% Eisen

und als Rest Aluminium enthält.

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie

5,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium

2,4 bis 2,8 Gew.-% Silizium

0,4 bis 0,6 Gew.-% Mangan

0,05 bis 0,15 Gew.-% Chrom.

enthält.

3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Zirkonium in einer Menge von 0,05 bis 0,2 Gew.-% enthält.

4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Seltenerdmetall Cer und Samarium enthalten sind.

5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenntzeichnet, dass sie

0,0050 bis 0,8 Gew.-% Samarium und

0,0050 bis 0,8 Gew.-% Cer

enthält.

6. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Seltenerdmetall Lanthan und Samarium enthalten sind.

7. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für den Einsatz in Druckguß-, Squeezecasting-, Thixoforming- oder Thixoforging-Verfahren.

Claims

1. An aluminium alloy, characterised in that it comprises
magnesium 4.5 to 6.5 % by weight,
silicon 1.0 to 3.0 % by weight,
manganese 0.3 to 1.0 % by weight,
chromium 0.02 to 0.3 % by weight,
titanium 0.02 to 0.2 % by weight,
zirconium 0.02 to 0.2 % by weight,
one or more rare earth metals, selected from samarium, cerium or lanthanum, 0.0050 to 1.6 % by weight,
iron max. 0.2 % by weight
and the remainder aluminium.

2. An aluminium alloy according to claim 1, characterised in that it comprises
magnesium 5.5 to 6.5 % by weight,
silicon 2.4 to 2.8 % by weight,
manganese 0.4 to 0.6 % by weight,
chromium 0.05 to 0.15 % by weight.

3. An aluminium alloy according to claim 1 or 2, characterised in that it comprises zirconium in a quantity of 0.05 to 0.2 % by weight.

4. An aluminium alloy according to any one of claims 1 to 3, characterised in that as rare earth metal cerium and samarium are contained.

5. An aluminium alloy according to any one of claims 1 to 4, characterised in that it comprises
samarium 0.0050 to 0.8 % by weight and
cerium 0.0050 to 0.8 % by weight.

6. An aluminium alloy according to any one of claims 1 to 3, characterised in that as rare earth metal lanthanum and samarium are contained.

7. The use of an aluminium alloy according to any one of claims 1 to 6 for die casting, squeeze casting, thixoforming or thixoforging processes.

Revendications

1. Alliage d'aluminium, caractérisé en ce qu'il contient 4,5 à 6,5 % en poids de magnésium,

1,0 à 3,0 % en poids de silicium,

0,3 à 1,0 % en poids de manganèse,

0,02 à 0,3 % en poids de chrome,

0,02 à 0,2 % en poids de titane,

0,02 à 0,2 % en poids de zirconium,

0,0050 à 1,6 % en poids d'un ou de plusieurs métaux de terres rares, sélectionnés parmi le samarium, le cérium et le lanthane,

au maximum 0,2 % en poids de fer
et de l'aluminium en tant que reste.

2. Alliage d'aluminium selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il contient

5,5 à 6,5 % en poids de magnésium,

2,4 à 2,8 % en poids de silicium,

0,4 à 0,6 % en poids de manganèse,

0,05 à 0,15 % en poids de chrome.

3. Alliage d'aluminium selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il contient du zirconium à raison d'une quantité de 0,05 à 0,2 % en poids.

4. Alliage d'aluminium selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que du cérium et du samarium sont contenus en tant que métaux de terres rares.

5. Alliage d'aluminium selon une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il contient

0,0050 à 0,8 % en poids de samarium et

0,0050 à 0,8 % en poids de cérium.

6. Alliage d'aluminium selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que du lanthane et du samarium sont contenus en tant que métaux de terres rares.

7. Utilisation d'un alliage d'aluminium selon l'une des revendications 1 à 6 pour l'emploi dans le procédé de moulage sous pression, de forgeage liquide, de thixoformage ou de thixoforgeage.