AT501867B1

AT501867B1 - Aluminiumlegierung

Info

Publication number: AT501867B1
Application number: AT0085705A
Authority: AT
Original assignee: Aluminium Lend Gmbh & Co Kg
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2009-07-15
Also published as: RU2007147204A; NO337042B1; TW200704785A; US8337644B2; EP1896621A2; CA2645677C; BRPI0611421B1; CA2645677A1; JP5435939B2; KR20080017374A; AT501867A1; US20090214381A1; AU2006246965A1; NO20076429L; RU2453622C2; BRPI0611421A2; KR101466395B1; AU2006246965B2; EP1896621B1; JP2008540843A

Description

2 AT 501 867 B1

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.

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 AISiMg- bzw. AlMgSi-Druckgußlegierungen und einer dem Gießprozeß nachfolgenden Wärmebehandlung.

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, Obis 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.

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.

Diese bekannten AlMgSi-Legierungen sind für die Verwendung in Druckgußverfahren und damit verwandten Verfahren vorgesehen. Sie besitzen bereits im Gußzustand ähnliche Festigkeitsund Dehnungswerte wie AISiMg-Legierungen, z.ß. die bekannte Legierung vom Typ AISi7MgO,3, im vollausgehärteten Zustand (welcher als ’T6" bezeichnet wird). Ein wesentlicher Nachteil dieser AlMgSi-Legierungstypen ist jedoch die - verglichen mit AISiMg-Legierungen -geringere 0,2%-Dehngrenze.

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.

Aus dem Stand der Technik sind ferner Legierungen unter Verwendung von Seltenerdmetallen bekannt: Die europäische Patentanmeldung EP 1 138 794 A1 zeigt eine chromfreie AlMgSi-Druckgusslegierung, welche weniger als 1,4 Gew.-% Silizium und neben weiteren Legierungsbestandteilen Scandium als einzigen Vertreter aus der Gruppe der Seltenerdmetalle in einer Menge von max 0,3 Gew.-% enthält. Die Legierung soll im Gusszustand bestimmte mechanische Mindestkennzahlen aufweisen, darunter eine 0,2 % Dehngrenze von mindestens 120 MPa. Der EP 1 138 794 ist kein Hinweis zu entnehmen, dass durch die Zugabe von Seltenerdmetallen im allgemeinen und Samarium, Cer und Lanthan im besonderen bzw. von Kombinationen derselben eine weitere Verbesserung der hier besonders interessierenden Ό.2 % Dehngrenze bei Aluminium-Magnesium-Legierungen im Gusszustand erreicht werden kann, welche sich von den beschriebenen Legierungen hinsichtlich der Legierungsbestandteile wesentlich unterscheiden.

Die internationale Patentanmeldung WO 2000/66800 A1 beschreibt eine Aluminium-Magnesium-Legierung zur Herstellung eines gewalzten, gezogenen oder extrudierten Produkts, welche Legierung Silizium in einer Menge von max 0,5 Gew.-% enthält. Die Legierung kann fakultativ die Seltenerdmetalle Scandium, Cer und Yttrium jeweils in einer Menge von 0,01 bis 0,3 Gew.-% enthalten. Die Legierungen sollen gegenüber der Standard-Legierung AA5454 verbesserte Langzeit-Korrosionsbeständigkeit und eine gegenüber der Standard-Legierung AA5083 verbesserte Festigkeit aufweisen. Werte der hier interessierenden 0,2 % Dehngrenze sind nur für Legierungserzeugnisse angeführt, welche aus dem Gussstück durch weitere Behandlungen, darunter ein Heiß- und Kaltwalzen mit anschließender Wärmebehandlung, erhalten wurden. 3 AT 501 867 B1

Die europäische Patentanmeldung EP 0 918 095 A1 betrifft ua eine AlMgSi-Legierung, welche Silizium in einer Menge von max 0,5 Gew.-% und als einen weiteren Legierungsbestandteil Scandium als einzigen Vertreter aus der Gruppe der Seltenerdmetalle in einer Menge von 0,01 bis 0,4 Gew.-% enthält. Diese Legierungen sollen Erzeugnisse liefern, welche Minimalwerte im Gusszustand bzw. nach einer Wärmebehandlung ohne Lösungsglühen für die 0,2 % Dehngrenze von 120 MPa erreichen sollen. Aus der Beschreibung ergibt sich für einen Scandiumzusatz eine festigkeitssteigernde Wirkung zu einem geringen Teil während des eigentlichen Druckgießvorganges. Eine wesentliche Erhöhung der Festigkeit erfordert jedoch eine nachfolgende Wärmebehandlung.

Das österreichische Patent AT 412 726 B beschreibt Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen, welche 1,0 bis 8,0 Gew.-% Magnesium, 0,3 bis 4,5 Gew.-% Silizium und 0,05 bis 0,5 Gew.-% Scandium neben Eisen und Zink als weiteren Legierungsbestandteilen enthält. Als fakultative weitere Bestandteile sind ua Mangan, Chrom, Titan, Zirkonium und die Seltenerdmetalle Lanthan und Cer genannt. Diese Legierungen benötigen zur Erzielung der gewünschten Festigkeitseigenschaften ebenfalls eine Wärmebehandlung.

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

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.

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.

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. £s 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.

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, 4 AT 501 867 B1 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, ausgenommen Scandium, 5 max. 0,2 Gew.-% Eisen und als Rest Aluminium.

In einer weiteren Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Legierung die folgende Zu-io sammensetzung: 5,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium 2,4 bis 2,8 Gew.-% Silizium 0,4 bis 0,6 Gew.-% Mangan 15 0,05 bis 0,15 Gew.-% Chrom.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung ist ein Zirkoniumgehalt von 0,05 bis 0,2 Gew.-% vorgesehen. 20 Als Seltenerdmetalle sind Samarium, Cer oder Lanthan bevorzugt. Diese 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. 25

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. 30 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.

Die vorliegende Erfindung wird an Hand der für die nachstehenden Legierungen ermittelten mechanischen Kennwerte weiter veranschaulicht. Die mechanischen Kennwerte wurden an 35 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. 40

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. 45

Tabelle 1

Versuch Variante Zugfestigkeit RM{MPa] 0,2%- Dehngrenze Rpo.2 [MPa] Bruchdehnung A [%] 1 AIMg5Si2MnCr+ 0,02 % Sm 330 200 10,4 55

Claims

5 AT 501 867 B1 Versuch Variante Zugfestigkeit RM{MPa] 0,2%- Dehngrenze Rpo,2 [MPa] Bruchdehnung A [%] 2 AIMg5Si2MnCr+ 0,04 % Sm+0,02 % Ce 360 220 9,8 3 AIMg5Si2MnCr+ 0,05 % Sm+0,03 % Ce 330 200 11,5 4 AIMg5Si2MnCr+ 0,11 % Sm+0,06 % Ce 340 200 9,5 Referenz AIMg5Si2MnCr 297 179 12,8 Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, führt die Zugabe von Cer und Samarium im Vergleich zur unmodifizierten AIMg5Si2MnCr-Basislegierung zu einem signifikanten Anstieg der 0,2%-Dehngrenze. Die mit den erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen erreichbaren Festigkeitswerte liegen zudem auf einem Niveau, welches mit Schmiedestücken aus AISilMgMn 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. Ähnliche Ergebnisse hinsichtlich der mechanischen Festigkeitswerte können auch durch erfindungsgemäße Legierungen werden, worin Cer teilweise oder zur Gänze durch Lanthan ersetzt ist. Patentansprüche: 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, ausgenommen Scandium, 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 zusätzlich 6 AT 501 867 B1 Zirkonium in einer Menge von 0,05 bis 0,2 Gew.-% enthält.
4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Seltenerdmetall Samarium, Cer oder Lanthan ist.
5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Seltenerdmetall Cer und Samarium enthalten sind.
6. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Seltenerdmetall Lanthan und Samarium enthalten sind.
7. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,0050 bis 0,8 Gew.-% Samarium und 0,0050 bis 0,8 Gew.-% Cer enthält.
8. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 für den Einsatz im Druckguß-, Squeezecasting-, Thixoforming- oder Thixoforging-Verfahren und weiteren Verfahren, welche auf der Formgebung im teilflüssigen Zustand beruhen. Keine Zeichnung