AT511207B1 - ALUMINUM ALLOY WITH SCANDIUM AND ZIRCON - Google Patents
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Abstract
Aluminiumlegierung für Druckguss, enthaltendSilizium: 1,5 bis 3,0 Gew.-%,Mangan:0,3 bis 0,8 Gew.-%,Magnesium: 4,5 bis 6,5 Gew.-%,Scandium und Zirkon: zusammen 0,2 - 0,65 Gew.-%,herstellungsbedingte Verunreinigungen, und Rest Aluminium.Aluminum alloy for die casting, containing silicon: 1.5 to 3.0% by weight, manganese: 0.3 to 0.8% by weight, magnesium: 4.5 to 6.5% by weight, scandium and zirconium: together 0.2 - 0.65 wt .-%, production-related impurities, and balance aluminum.
Description
österreichisches Patentamt AT511 207B1 2012-10-15Austrian Patent Office AT511 207B1 2012-10-15
Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft Aluminiumlegierungen für Druckguss zur Herstellung hochfester Teile für den Automobil- und Flugzeugbau. Für solche Teile ist nicht nur höchste Zugfestigkeit gefordert, sondern auch eine Reihe weiterer Eigenschaften: hohe Streckgrenze und Bruchdehnung, gute Schweißbarkeit und Korrosionsfestigkeit, und auch hohe Duktilität (große Energieaufnahme bei plastischer Verformung). Weil solche Teile oft komplizierte Formen aufweisen und zur Gewichtsersparnis auch möglichst dünnwandig sind, ist gutes Formfüllungsvermögen und robustes Abkühlungsverhalten gefordert. Aus Kostengründen und wegen möglichen Verzugs des Werkstückes ist möglichst einfache bis wenn möglich gar keine thermische Nachbehandlung der Gussstücke anzustreben.Description: The invention relates to aluminum alloys for die-casting for producing high-strength parts for the automotive and aircraft industries. For such parts not only the highest tensile strength is required, but also a number of other properties: high yield strength and elongation at break, good weldability and corrosion resistance, and also high ductility (high energy absorption in plastic deformation). Because such parts often have complicated shapes and are as thin as possible to weight savings, good mold filling capacity and robust cooling behavior is required. For reasons of cost and because of possible distortion of the workpiece as simple as possible, if at all possible, no thermal aftertreatment of the castings is desirable.
[0002] Aus dem Datenblatt „Gusswerkstoff MAXXALLOY 59" der Salzburger Aluminium Group ist eine für Druckguss geeignete Aluminiumlegierung bekannt, die 5 - 6 % Magnesium, 0,5 -0,8% Mangan, 1,8-2 % Silizium, und jeweils maximal 0,07 % Zink, 0,02 % Kupfer, 0,15 % Eisen und 0,05 - 0,15 % Titan enthält. Diese Legierung erreicht auch ohne Wärmebehandlung ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und ist korrosionsbeständig und hervorragend schweißbar. Für bestimmte Anwendungen ist allerdings eine noch höhere Zugfestigkeit und Duktilität zu wünschen.[0002] From the data sheet "Cast material MAXXALLOY 59 " Salzburger Aluminum Group is well-known for diecasting aluminum alloy containing 5-6% magnesium, 0.5-0.8% manganese, 1.8-2% silicon, and a maximum of 0.07% zinc, 0.02% Copper, 0.15% iron and 0.05 - 0.15% titanium. This alloy achieves excellent mechanical properties even without heat treatment and is corrosion resistant and excellent weldability. For certain applications, however, an even higher tensile strength and ductility is desired.
[0003] Die WO 2006/127812 offenbart eine hochfeste Aluminiumgusslegierung, die folgende Legierungselemente aufweist: 1,0-4 % Magnesium, 4 - 9 % Zink, 1 - 2,5 % Kupfer, maximal 5 % Mangan, maximal 0,1 bzw. 0,12 % Silizium und Eisen, 0,1 - 0,5 % Scandium, 0,02 - 2 % Zirkon, und noch etwas Bor und Titan. Der Erhöhung der Zugfestigkeit dient hier der erhöhte Gehalt an Kupfer und Zink. Magnesium begünstigt eine hohe und thermisch stabile Eigenhärte, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Nachteilig ist der hohe Gehalt an Zink, der der Korrosionsbeständigkeit abträglich ist, die Zähigkeit (Duktilität) erheblich verringert und eine aufwendige Wärmebehandlung erfordert.WO 2006/127812 discloses a high-strength cast aluminum alloy which has the following alloying elements: 1.0-4% magnesium, 4-9% zinc, 1- 2.5% copper, maximum 5% manganese, at most 0.1 or 0.12% silicon and iron, 0.1-0.5% scandium, 0.02-2% zirconium, and some more boron and titanium. Increasing the tensile strength serves here the increased content of copper and zinc. Magnesium favors high and thermally stable hardness, weldability and corrosion resistance. A disadvantage is the high content of zinc, which is detrimental to corrosion resistance, significantly reduces the toughness (ductility) and requires a complex heat treatment.
[0004] Die EP 918095 A1 offenbart eine für Druckguss geeignete Aluminiumlegierung. Sie enthält nur 0,1 - 0,8 % Silizium, 0,5 -0,8 % Eisen, 1,2-1,4 % Mangan, maximal 1,5 % Magnesium und 0,2 bis 0,4 % Scandium, 0,1 - 0,4 % Zirkon, kein Kupfer und nur wenig Zink. Der relativ hohe Anteil an Mangan und Eisen vergrößert allerdings den Anteil an intermetallischen Phasen (AlMnFe). Diese Legierung zeichnet sich wohl durch hohe Duktilität aus, ihre Festigkeitswerte (Dehngrenze (Rp0,2) und Zugfestigkeit (Rm) lassen aber zu wünschen übrig. Sie lassen sich durch sorgfältige Wärmebehandlung verbessern, allerdings auf Kosten der Duktilität.EP 918095 A1 discloses an aluminum alloy suitable for die casting. It contains only 0.1-0.8% silicon, 0.5-0.8% iron, 1.2-1.4% manganese, at most 1.5% magnesium and 0.2-0.4% scandium, 0.1-0.4% zircon, no copper and only a little zinc. However, the relatively high proportion of manganese and iron increases the proportion of intermetallic phases (AlMnFe). Although this alloy is characterized by high ductility, its strength values (yield strength (Rp0.2) and tensile strength (Rm) leave much to be desired and can be improved by careful heat treatment, but at the expense of ductility.
[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die oben an erster Stelle angeführte Legierung bei Beibehaltung ihrer guten Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit, Formfüllung und Duktilität weiter zu verbessern, vor allem für geringe Wandstärken und angesichts der bei geringen Wandstärken höheren Verzugsgefahr möglichst ohne thermischer Nachbehandlung.It is therefore an object of the invention to further improve the above quoted in the first place alloy while maintaining their good properties in terms of tensile strength, mold filling and ductility, especially for low wall thickness and in view of higher wall thickness higher risk of distortion as possible without thermal treatment.
[0006] Erfindungsgemäß wird das mit einer Aluminiumlegierung für Druckguss erreicht, enthaltend [0007] - Silizium: 1,5 bis 3,0 Gew.-%, [0008] - Mangan: 0,3 bis 0,8 Gew.-%, [0009] - Magnesium: 4,9 bis 6,5 Gew.-%, [0010] - Scandium und Zirkon: zusammen 0,2 - 0,65 Gew.-%, [0011] - herstellungsbedingte Verunreinigungen, und [0012] - Rest Aluminium.According to the invention, this is achieved with an aluminum alloy for diecasting, containing [0007] silicon: 1.5 to 3.0% by weight, [0008] manganese: 0.3 to 0.8% by weight, [0009] magnesium: 4.9 to 6.5% by weight, scandium and zirconium together: 0.2-0.65% by weight, [0011] production-related impurities, and [0012] - Rest aluminum.
[0013] Der Gehalt an Silizium von 1,5 - 3,0 % bewirkt vorzügliche Gieß- und Schweißeigenschaften und kommt der Korrosionsbeständigkeit zugute, wird aber in diesem Bereich gehalten, um negative Auswirkungen (Härtesteigerung, Warmrissgefahr) hintan zu halten und um ohne Wärmebehandlung auszukommen. Der Gehalt an Mangan ist mit 0,8 % begrenzt, in welcher 1 /8 österreichisches Patentamt AT511 207 B1 2012-10-15The content of silicon of 1.5 - 3.0% causes excellent casting and welding properties and the corrosion resistance benefits, but is held in this area to hold negative effects (increase in hardness, hot cracking hazard) behind and without heat treatment get along. The content of manganese is limited to 0.8%, in which 1/8 Austrian Patent Office AT511 207 B1 2012-10-15
Konzentration er bereits eine Steigerung der Festigkeit und der Rekristallisationstemperatur bewirkt, aber der geringen Löslichkeit von Mangan in Aluminium Rechnung trägt. Der mit 5,0 -6,5 % relativ hohe Gehalt an Magnesium kommt der Härte zugute, ohne dass dazu eine besondere Wärmebehandlung nötig wäre, und die dafür auch durch Schweißen nicht abnimmt.Concentration he already causes an increase in the strength and the recrystallization temperature, but the low solubility of manganese in aluminum takes into account. The 5.0-6.5% relatively high content of magnesium benefits the hardness without the need for a special heat treatment, and does not decrease by welding.
[0014] Scandium oder Scandium und Zirkon, die zusammen zu 0,2 bis 0,65 % vorhanden sind, wirken beide kornfeinend (dadurch keine Warmrissneigung), bewirken beim Aushärten gemischte Phasen (AI3Sc und/oder AI3Zr), welche wesentlich zur Festigkeitssteigerung beitragen, und bewirken weiters eine Verschiebung der Rekristallisationstemperatur zu wesentlich höheren Temperaturen. Dadurch erübrigt sich in den meisten Fällen eine nachfolgende Wärmebehandlung. Es genügt eine kalte Auslagerung. Scandium führt zu einer Veränderung der Gefügemorphologie von dendritisch zu globulitisch, was die genannten Vorteile illustriert. Die herstellungsbedingten Verunreinigungen sind beispielsweise Eisen, Kupfer und Zink.Scandium or scandium and zirconium, which are present together to 0.2 to 0.65%, both act fine grain (thereby no hot cracking tendency), cause on curing mixed phases (AI3Sc and / or AI3Zr), which contribute significantly to the increase in strength , and further cause a shift in the recrystallization temperature to much higher temperatures. As a result, a subsequent heat treatment is unnecessary in most cases. All it takes is a cold outsourcing. Scandium leads to a change in the morphology of the structure from dendritic to globulitic, which illustrates the advantages mentioned. The production-related impurities are, for example, iron, copper and zinc.
[0015] Vorzugsweise enthält die Legierung insgesamt 0,28 bis 0,33 % Scandium und Zirkon. Sie ergeben das Optimum für Zugfestigkeit, Duktilität und weitere Eigenschaften. Die höheren Werte in Anspruch 1 gelten, wenn in extremen Belastungsfällen die zugfestigkeitssenkende Wirkung von Magnesium kompensiert werden soll.Preferably, the alloy contains a total of 0.28 to 0.33% scandium and zirconium. They provide the optimum for tensile strength, ductility and other properties. The higher values in claim 1 apply if the tensile strength-reducing effect of magnesium is to be compensated for in extreme load cases.
[0016] Wenn auch Scandium und Zirkon auf die Legierung teilweise denselben Einfluss ausüben, so ist das Verhältnis von Scandium zu Zirkon wie 1,5 bis 2,5 zu 1 besonders günstig. Bei dünneren bis dünnen Wandstärken ist das Optimum bei einem Gehalt von 0,12 bis 0,25 % an Scandium und 0,08 bis 0,13 % an Zirkon.Although scandium and zirconium partially exert the same influence on the alloy, the ratio of scandium to zirconium such as 1.5 to 2.5 to 1 is particularly favorable. For thinner to thinner wall thicknesses, the optimum is at a content of 0.12 to 0.25% of scandium and 0.08 to 0.13% of zirconium.
[0017] Die herstellungsbedingten Verunreinigungen sind jeweils mit 0,2 % beschränkt. Insbesondere soll der Gehalt an Eisen und Zink jeweils unter 0,1 % bleiben. Eisen ist in geringen Mengen meist sowieso in Aluminium enthalten, soll 0,3 % nicht wesentlich überschreiten, denn über ca. 0,5 % bilden sich im Gefüge spröde Nadeln, die die Duktilität beeinträchtigen. Titan wirkt in sehr kleinen Mengen (Optimum um 0,3%) kornfeinend und reduziert Kristallgittermissfit drastisch. Der Gehalt an Zink wird klein gehalten, weil mehr Zink der Korrosionsbeständigkeit abträglich ist.The production-related impurities are each limited to 0.2%. In particular, the content of iron and zinc should each remain below 0.1%. Iron is usually present in small amounts anyway in aluminum, should not exceed 0.3% significantly, because about 0.5% form in the structure of brittle needles that affect the ductility. Titanium is very fine in very small amounts (0.3% optimum) and dramatically reduces crystal lattice misfit. The content of zinc is kept small because more zinc is detrimental to corrosion resistance.
[0018] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar: [0019] Fig. 1: [0020] Fig. 2: [0021] Fig. 3: [0022] Fig. 4:In the following the invention will be described and explained with reference to figures. In the drawings: Fig. 1: Fig. 2: Fig. 3: Fig. 4: [0022] Fig. 4:
Tabelle der gemessenen Werte von Zugfestigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung der untersuchten Legierungen;Table of the measured values of tensile strength, yield strength and elongation at break of the tested alloys;
Schliffbild einer Referenzlegierung;Micrograph of a reference alloy;
Schliffbild einer ersten erfindungsgemäßen Legierung; undMicrosection of a first alloy according to the invention; and
Schliffbild einer zweiten erfindungsgemäßen Legierung.Microsection of a second alloy according to the invention.
[0023] In der vorliegenden Offenbarung beziehen sich alle Prozentangaben (%) auf Gewichtsprozent (Gew.-%), soferne nicht ausdrücklich anders angegeben.In the present disclosure, all percentages (%) are by weight (% by weight) unless expressly stated otherwise.
[0024] Zur Beurteilung der Auswirkung der Mengenverhältnisse gewisser Legierungselemente und zu deren Optimierung wurde eine Reihe von Legierungszusammensetzungen auf einer Druckgussmaschine (Bühler SC D/53) abgegossen. Gespült wurde mit Argon. Als Proben wurden Stufenplatten mit stufenweise zunehmender Wandstärke von 1,8; 3,0; 4,7 und 6,9 mm gegossen. An den Stufenplatten wurden Zugversuche und eine Gefügeuntersuchung vorgenommen, weiters wurde eine Spektralanalyse zur Kontrolle der chemischen Zusammensetzung und Schliffbilder angefertigt.To assess the effect of the proportions of certain alloying elements and their optimization, a number of alloy compositions on a die casting machine (Buehler SC D / 53) was poured. Was rinsed with argon. As samples stepped plates with gradually increasing wall thickness of 1.8; 3.0; Poured 4.7 and 6.9 mm. Tensile tests and a microstructural examination were carried out on the step plates, and a spectral analysis was carried out to check the chemical composition and micrographs.
[0025] Die folgenden Legierungszusammensetzungen wurden auf obige Weise untersucht: [0026] Silizium: [0027] Mangan: [0028] Magnesium: 1,5 bis 1,9 Gew.-%, 0,6 bis 0,7 Gew.-%, 4,9 bis 6,5 Gew.-%, 2/8 österreichisches Patentamt AT 511 207 B1 2012-10-15 [0029] wobei die Prozentbereiche der Streuung der einzelnen Legierungen (im Folgenden Nr. 1a, 8, 9 und 10) Rechnung tragen, ferner herstellungsbedingte Verunreinigungen, Rest Aluminium. Die Einschränkung auf die Legierungen 8, 9, 10 ist bereits das Resultat einer Auswahl nach vorbereitenden Versuchen. Die Anteile an Scandium und Zirkon wurden dabei wie folgt variiert, wobei la eine Referenzlegierung ohne Scandium und Zirkon ist:The following alloy compositions were tested in the above manner: Silicon: Mn: Magnesium: 1.5 to 1.9 wt%, 0.6 to 0.7 wt% , 4.9 to 6.5 wt .-%, 2/8 Austrian Patent Office AT 511 207 B1 2012-10-15 wherein the percentage ranges of the scattering of the individual alloys (hereinafter No. 1a, 8, 9 and 10 ) Take into account, further manufacturing-related impurities, balance aluminum. The restriction to alloys 8, 9, 10 is already the result of a selection after preparatory trials. The proportions of scandium and zirconium were varied as follows, where la is a reference alloy without scandium and zirconium:
Nr. interne Nr. Sc [Gew.-%] Zr [Gew.-%] Sc+Zr [Gew.-%] 1a Sc_D_107x 0,00 0,00 0,00 8 Sc_D_108x 0,24 0,09 0,33 9 Sc_D_109x 0,18 0,11 0,29 10 Sc_D_110x 0,14 0,13 0,27 [0030] Das Resultat der Zugversuche an obigen 4 Legierungen, jeweils für die 4 Zonen verschiedener Dicke der Stufenplatten ist in Fig. 1 graphisch dargestellt. Das in Fig. 1 linke Schaubild ist für eine Dicke von 1,8 mm, das rechts benachbarte für eine Dicke von 3,0 mm, das nächste für eine Dicke von 4,7 mm und das rechts äußere für eine Dicke von 6,9 mm. Für jede Legierung und in jedem Schaubild sind neben einander drei vertikale Balken, von links nach rechts der erste für die Zugfestigkeit Rm in MPa (Megapascal), der zweite für die Bruchdehnung A in Prozent der Länge vor dem Zugversuch, und der dritte für die 0,2 % - Dehngrenze Rp0,2 im MPa. Die entsprechenden Skalen sind am linken und rechten Rand eingetragen.No. internal No. Sc [wt%] Zr [wt%] Sc + Zr [wt%] 1a Sc_D_107x 0.00 0.00 0.00 8 Sc_D_108x 0.24 0.09 0.33 9 Sc_D_109x 0.18 0.11 0.29 10 Sc_D_110x 0.14 0.13 0.27 The result of the tensile tests on the above 4 alloys, in each case for the 4 zones of different thickness of the step plates, is shown graphically in FIG , The left-hand diagram in Fig. 1 is for a thickness of 1.8 mm, the adjacent right for a thickness of 3.0 mm, the next for a thickness of 4.7 mm and the right outer for a thickness of 6.9 mm. For each alloy and in each graph, three vertical bars are shown next to each other, from left to right the first one for the tensile strength Rm in MPa (megapascal), the second for the elongation at break A as a percentage of the length before the tensile test and the third for the 0 , 2% - yield strength Rp0.2 in MPa. The corresponding scales are entered on the left and right margins.
[0031] Bei Vergleich der Werte springt zunächst ins Auge, dass die Werte für die dünnste Probe die besten sind und alle Werte mit zunehmender Probendicke abfallen. Die erfindungsgemäßen Legierungen sollen ja besonders für dünnwandige Teile geeignet sein.When comparing the values, it first becomes apparent that the values for the thinnest sample are the best and all values decrease with increasing sample thickness. The alloys of the invention should indeed be particularly suitable for thin-walled parts.
[0032] Die besten mechanischen Werte werden bei Zugaben von Sc und Zr von zusammen 0,29 bis 0,33 % erreicht, siehe Werte der Legierungen 8 und 9. Im Einzelnen lag das Optimum bei 0,24 % Sc und 0,09 % Zr (Legierung 8) beziehungsweise 0,18 % Sc und 0,11 % Zr (Legierung 9).The best mechanical values are achieved with additions of Sc and Zr of 0.29 to 0.33% together, see values of alloys 8 and 9. Specifically, the optimum was 0.24% Sc and 0.09%. Zr (Alloy 8) or 0.18% Sc and 0.11% Zr (Alloy 9).
[0033] Bei Legierung 8 wurde eine Zugfestigkeit bis über 280 MPa und eine Bruchdehnung von bis über 5,5 % gemessen. Bei Legierungen mit optimalen Anteilen an Sc und Zr (Legierungen 8 und 9) war Festigkeit und Dehnung besser als bei der Referenzlegierung 1a. Man sieht auch, dass die Bruchdehnung durch Variieren der Zugabe von Sc und Zr am meisten beeinflusst wurde. Die Beeinflussung der Dehngrenze Rp0,2 war moderat bis gering.For alloy 8, a tensile strength up to over 280 MPa and an elongation at break of more than 5.5% were measured. For alloys with optimum proportions of Sc and Zr (alloys 8 and 9), strength and elongation were better than for the reference alloy 1a. It can also be seen that the elongation at break was most affected by varying the addition of Sc and Zr. The influence on the yield strength Rp0,2 was moderate to low.
[0034] Diese Resultate werden bei Vergleich von mit dem Lichtmikroskop hergestellten Gefügebildern bestätigt, welche für die Referenzlegierung 1a und die Legierungen 8 und 9 in Fig. 2 bis 4 abgebildet sind. In diesen entspricht 1 cm ungefähr 200 Mikrometer.These results are confirmed by comparison of micrographs produced with the light microscope, which are shown for the reference alloy 1a and the alloys 8 and 9 in Figs. In these, 1 cm corresponds to approximately 200 microns.
[0035] Die Referenzlegierung 1a zeigt noch weitgehend dendritisches Gefüge mit einer durchschnittlichen Korngröße von 90 Mikrometer. Die Legierung 9 zeigt ein dendritisch - globuliti-sches Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 50 Mikrometer. Legierung 8 schließlich ein besonders feines rein globulitisches Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 23 Mikrometer. Das besonders feine globulitische Gefüge bietet über die obigen Messwerte hinaus weitere Vorteile: Hohe Energieaufnahme bei Verformung (im Fahrzeugbau im Fall einer Kollision), hervorragende Schweißbarkeit weil von thermischen Einflüssen weitgehend unabhängig, keine Anfälligkeit auf Warmrissbildung, Korrosionsbeständigkeit. 3/8The reference alloy 1a still shows largely dendritic microstructure with an average grain size of 90 microns. Alloy 9 shows a dendritic-globular structure with a mean grain size of 50 microns. Finally, alloy 8 is a particularly fine, purely globulitic microstructure with a mean particle size of 23 microns. The particularly fine globulitic structure offers additional advantages beyond the above measured values: high energy absorption during deformation (in vehicle construction in the event of a collision), excellent weldability because largely independent of thermal influences, no susceptibility to hot cracking, corrosion resistance. 3.8
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