CZ376398A3

CZ376398A3 - Strukturní konstrukční součást z hliníkové slitiny pro lití pod tlakem

Info

Publication number: CZ376398A3
Application number: CZ983763A
Authority: CZ
Inventors: Jürgen Wüst; Reinhard Winkler
Original assignee: Alusuisse Technology & Management Ag
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1998-11-19
Publication date: 1999-12-15
Also published as: ES2192257T3; BR9804709A; PL329760A1; ATE235575T1; PL186936B1; HUP9802626A1; EP0918095B1; HU220128B; EP0918095A1; DK0918095T3; PT918095E; HU9802626D0; DE59709638D1

Description

Strukturní konstrukční součást z hliníkové slitiny pro lití pod tlakem

Vynález se týká bezpečnostní konstrukční vyrobené z hliníkové slitiny litím hliníková slitina je zvolena tak, konstrukční součást, pokud jde o konstrukční součásti, zejména součásti pro stavbu vozidel, pod tlakem, přičemž že požadavky kladené na pevnost a tažnost, jsou splněny již ve stavu po odlití, popř. po tepelném zpracování v teplotní oblasti vysokou teplotu.

230

350 °C„ avšak bez žíhání na

Dosavadní stav techniky je dnes možné z hliníkových ovšem splňovat

Pomocí moderních způsobů odlévání vyrobit vysoce zatížitelné odlitky také slitin. Použité hliníkové materiály musí celou Čadu požadavků. Podstatným předpokladem vhodnosti materiálu je dodržení určitých mechanických ukazatelů. Nosnost konstrukce určují nejmenší hodnoty tažnosti a pevnosti. Ve vozidle k tomu přistupuje požadavek, aby konstrukční součásti deformované při srážce absorbovaly před co možná nejvíc prasknutím deformací, což vyžaduje Dalším předpokladem je energie svou plastickou vysokou tažnost použitých součástí, možnost nákladově příznivé výroby odlitku. Zde se nabízí tlakové lití, přičemž se pro nejvyšší kvalitativní požadavky dává přednost speciálním způsobům, kterými lze dosáhnout dobrého vyplnění formy i při malých tloušťkách stěn odlitku, a omezit tvorbu plynových vměstků, • · snižujících tažnost konstrukční součásti.

K výrobě? tlakových odlitků dnes ještě používá podstatný s podílem 7 až 10 7.

přísadou hořčíku křemíku. Tyto se vyznačují z hliníkových materiálů se podíl hliníkových slitin AISi-slitiny s malou mimořádně; dobrou odlévatelností při malém sklonu k nalepování odlitku ve formě. Tyto slitiny však vyžadují pro vytvoření eutektika žíhání na vysokou teplotu při teplotách alespoň 480 °C. Aby konstrukční součást měla požadovaně hodnoty pevnosti, musí se takto rozpouštěcím způsobem vyžíhaná konstrukční součást prudce ochladit a následně ponechat za tepla zestárnout; to je důsledkem malé přísady, až 0,4 X, hořčíku.

Konstrukční součásti s částečně malými tloušťkami stěn, které se používají například jako konstrukční součásti při stavbě automobilů, se deformují při ochlazování, a proto musí být orientovány. Kromě toho může vysoká žíhací teplota v důsledku zbytkové plynové parazity vést k tvoření bublin na povrchu konstrukční součásti. Pro výrobu konstrukčních součástí uvedeného druhu litím pod tlakem byly proto hledány možnosti, jak dosáhnout požadovaných hodnot pevnosti a pružnosti v tahu také s volně tvrzenými slitinami, bez provádění rozpouštěcího žíhání. Pro omezení nalepování odlitku ve formě bylo, za cenu škodlivého vlivu na tažnost, používáno až 1 X železa.

Pro splnění požadavků, dnes kladených na bezpečnostní konstrukční součásti ve stavbě vozidel a zejména automobilů pokud jde o pevnost a tažnost, bylo dosaženo značného pokroku zavedením materiálů s nízkým obsahem železa. Tímto opatřením se snižuje objemový podíl křehké intermetalické fáze železa s hliníkem. Nalepování odlitku na stěny formy, nastávající při nízkém obsahu železa, se kompenzuje vyšším obsahem manganu, který má podobný účinek jako železo. Přídavkem manganu se ovšem opět zvětšuje podíl intermetalických fází typu Al(MnFe). Protože však rozdělení a velikost intermetalických částic obsahujících mangan je ve srovnání s fázemi obsahujícími železo značně příznivější, vyplývá z toho při přibližně stejné úrovni pevnosti zvýšená tažnost. Takovéto materiály s nízkým obsahem železa, t.zn, slitiny, ve kterých je železo substituováno manganem, byly v poslední době s úspěchem zavedeny do výroby.

Podstata vvnálezu

Vynález je založen na úkolu, pro výše uvedené strukturní konstrukční součásti vyráběné litím pod tlakem poskytnout vhodné materiály a dále zlepšenými mechanickými vlastnostmi. Zejména má dále zlepšit volně tvrzené slitiny, známé pro lití pod tlakem, pokud jde o jejich kombinované vlastnosti pevnosti a tažnosti. Pro bezpečnostní součásti ve stavbě automobilů je třeba dosáhnout následujících minimálních hodnot ve stavu po odlití popř. po tepelném zpracování bez rozpouštěcího žíhání 5

Mez tažnosti (Rp0,2)s 120 MPa

Pevnost v tahu (Rm)s 180 MPa

Protažení <A5)s 10 L

Řešení tohoto úkolu poskytuje podle vynálezu slitina, která sestává z max. 0,5 hmot. 7. křemíku max. 1,0 hmat. 7. železa

0, 1 až 1,6	hmot.	Z	manganu
max. 5,0	hmot.	Z	hořč í ku
max. 0,3	hmot.	Z	titanu
max. 0,1	hmot.	Z	zinku
0,05 až 0,4	hmot.	Z	skandia
a může volitelně	obsahovat i
0,1 až 0,4	hmot.	Z	zirkonu

a jako zbytek obsahuje hliník s dalšími nečistotami jednotlivě max. 0,02 hmot. Z, celkem max. 0,2 hmot. X.

Ve výše uvedených mezích obsahů prvků slitiny se jako zvlášť výhodné ukázaly dva slitinové systémy.

U prvního slitinového systému (AlMnFe) sestává slitina s výhodou z

0, 1	až 0,8,	s výhodou 0,15 až 0,25	hmot.	Z	křemíku
0,2	až 0,8,	s výhodou 0,5 až 0,7	hmot.	Z	železa
0,5	až 1,8,	s výhodou 1,2 až 1,4	hmot.	Z	manganu
max.	1,5	hmot. Z hořčíku
max.	0, 3	hmot. Z titanu
max.	0, 1	hmot. Z zinku
0, 05	cA Ž 0 ·, 4 t	s výhodou 0,05 až 0,2	hmot.	Z	skandia
a mů	že volitelně obsahovat dále
0, 1	až 0,4,	s výhodou 0,1 až 0,2	hmot.	Z	zirkonu

a jako zbytek obsahuje hliník dalšími nečistotami jednotlivě max. 0,02 hmot. Z, celkem max. 0,2 hmot. Z.

U druhého výhodného slitinového systému (AlMgMn) sestává slitina s výhodou z

0,05 až 1,0, s výhodou 0,15 až 0,25 0,05 až 0,2, s výhodou max. 0,15 hmot. Z křemíku hmot. Z železa

0,5	až	1,8,	s výhodou 0,8	až 1,	0	hmot.	7.	manganu
2,0	•a Cl Am	4, 5,	s výhodou 2,5	až 3,	5	hmot.	7.	hořč í ku
max.	. 0,	O A*.	hmot. 7. titanu
max.	. 0,	1	hmot. Z zinku
0,05 až	0,4,	s výhodou 0,05	až 0	',2	hmot.	7.	skandia
a může	volitelně obsahovat	dále
0, 1	až	0,4,	s výhodou 0,1	až 0,		hmot.	Z	zirkonu

a jako zbytek obsahuje jednotlivě max. 0,02 hmot hliník s Z, celkem ma dalšími nečistotami . 0,2 hmot. X.

Předložený vynález využívá poznatku, že skandium a zirkon při prudkém ochlazení zůstávají z největší části v přesyceném roztoku a při teplotách v oblasti mezi asi 230 a 350 °C vedou k jemně disperzní, submikronové precipitaci. Přísadou skandia tak může být dále zvýšena pevnost základní slitiny precipitačním vytvrzením. Skandium může být částečně nahrazeno zirkonem; kombinace obou prvků vede v důsledku tvoření izomorfních fází Al^Sc a AlsZr, které se obě označují jako kubické plošně centrované superstrukturní fáze v A1--matricové mřížce, podle vynálezu k příznivému vlivu na tvrdost.

Na základě účinku skandia je možno předpokládat, že efekt zvýšení pevnosti se projevuje u všech volně tvrzených hliníkových slitin pro lití pod tlakem, které vykazují malý obsah křemíku, a vyrábějí se za podmínek rychlého ztuhnutí a tím dosažením přesycení prvky skandiem a zirkonem.

Účinek přísady skandia zvyšující pevnost se částečně projevuje již během vlastního procesu tlakového lití. Podstatného zvýšení pevnosti však může být dosaženo následným tepelným zpracováním v teplotní oblasti 230 až 350 °C. Odpovídající volbou teploty a doby trvání tepelného zpracování se může nastavit požadované optimum mezi vysokou • ·

4 4 4 · 4

9 9 9 4

4 944 444

4 4

494 44 44 tažností a pevností. Cíleným řízením skandia popř. skandia a zirkonu právě požadovaných mechanických konstrukční součásti.

vytvrzovacího účinku je možné nastavení vlastností strukturní

Přísadou skandia popř. zirkonu podle vynálezu je možné značně zlepšit známé volně tvrzené hliníkové slitiny pro lití pod tlakem pokud jde o pevnost a tažnost. Slitiny jsou tak zvlášť vhodné pro výrobu strukturních konstrukčních součástí, kterých se používá jako bezpečnostních konstrukčních součástí ve automobilů, například jako uzlů nárazových prvků. Strukturní vhodné zejména pro použití, při namáhání až asi 180 °C« stavbě vozidel, zejména prostorového rámu nebo jako konstrukční součásti jsou kterých dochází k teplotnímu

Výhodný účinek přísady skandia popř. skandia a zirkonia na volně tvrzené hliníkové slitiny pro lití pod tlakem je zřejmý z následujících výsledků zkoušek příkladných slitin.

Vyšetřované slitiny jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1

Slitina	Složení (hmot. X)
	Si	Fe	Mn	Mg	Zr	Ti	Sc
1	0, 10	0, 10	1,2	“?· /n Z		0,016	0, 15
	0,043	0,077	1,32	0,01	0, 089	0,099	0, 14

• · ··· ··· · ·

Ze slitiny 1 byl vyroben odlitek litý pod tlakem. Slitina 2 byla pro simulaci chlazení při lití pod tlakem odlita způsobem lití do kokil na desky o tloušťce 3 mm. Z odlitků byly zpracovány zkušební tyče pro tahové zkoušky a na nich byly měřeny mechanické vlastnosti ve stavu po odlití s následným tepelným zpracováním a bez něho. Výsledky jsou uvedeny v tabulce 2. Zde znamená Rp 0,2 mez tažnosti, Rm pevnost v tahu a A5 protažení při přetržení.

Tabulka 2

SIitina	Tepelné zpracován í	Mechanické	vlastnosti
Rc0,2 (MPa)	Rm (MPa)	A5(Z)
1		140	260	18
1	270 oc/5 h	210	300	8
r?		60	130
	350 «C/ά h	120	180	16

Zkoušky zřetelně ukazují potenciál skandia popř. skandia a zirkonia pokud jde o možnosti nastavení pevnosti a tažnosti litých konstrukčních součástí pomocí příslušně uzpůsobeného tepelného zpracování.

.......p.wčs-v

9 9 9 9 999 9 99 9

9 9 9 9 9 9 9 9

9 9 9 9 9 9 999999

9 9 9 9 9 9

999 999 99 999 99 ··

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Strukturní konstrukční součást, zejména bezpečnostní konstrukční součást pro stavbu vozidel, vyrobená z hliníkové slitiny litím pod tlakem, přičemž hliníková slitina je zvolena tak, že požadavky kladené na konstrukční součást, pokud jde o pevnost a tažnost, jsou splněny již ve stavu po odlití, popřípadě po tepelném zpracování v teplotní oblasti 200 až 400 °C, avšak bez žíhání na vysokou teplotu, vyznačující se tím, že slitina sestává z

max. 0,5 hmot. X křemíku ma x. 1,0 hmot. X železa 0, 1 až 1,6 hmot. X manganu ma x. 5,0 hmot. X hořčíku max. 0,3 hmot. X titanu max. 0, 1 hmot. X zinku 0,05 až 0,4 hmot. X skandia a volitelně dále 0, 1 až 0,4 hmot» X zirkonu

2. Strukturní konstrukční součást podle nároku 1,

vyznačující se tím, že slitina sestává ** A. 0, 1 až 0,8, s výhodou 0,15 až 0,25 hmot. X křemíku 0,2 až 0,8, s výhodou 0,5 až < 3,7 hmot. X železa 0,5 až 1,8, s výhodou 1,2 až 1,4 hmot. X manganu

• ·

max. 1,5 hmot. Z hořčíku max. 0,3 hmot. Z titanu max. 0,1 hmot. Z zinku 0,05 až 0,4, s výhodou 0,05 až 0,2 hmot. Z skandia a může volitelně obsahovat dále 0,1 až 0,4, s výhodou 0,1 až 0,2 hmot. Z zirkonu

a jako zbytek obsahuje jednotlivé max. 0,02 hmot hliník s Z, celkem ma dalšími nečistotami . 0,2 hmot. Z.

podle nároku

1,

Strukturní konstrukční součást

vyznačující se tím, že slitina sestává •ζ» 0,05 až 1,0, s výhodou 0,15 až 0,25 hmot. Z křemíku 0, 05 až 0,2, s výhodou max. 0,15 hmot. Z železa 0,5 a .ž 1,8, s výhodou 0,8 až 1,0 hmot. Z manganu 2,0 a ž 4,5, s výhodou 2,5 až 3,5 hmot. z hořčíku max. 0,2 hmot. Z titanu max. 0, 1 hmot. Z zinku 0, 05 až 0,4, s vý hod ou 0,05 až 0,2 hmot. z skandia

a může volitelné obsahovat dále 0,1 až 0,4, s výhodou 0,1 až 0, hmot.

Z zirkonu a jako zbytek obsahuje jednotlivé max. 0,02 hmot.

hliník s Z, celkem ma dalšími nečistotami . 0,2 hmot. Z.
4. Strukturní konstrukční součást podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že konstrukční součást je pro zvýšení pevnosti tepelně zpracována v rozmezí teplot 230 až 350 OC.

Použití strukturní konstrukční součásti podle ·· 99 > · · · > 9 9 9

999 99 9

9 9

9 9 9 9 • · některého z nároků součásti při stavbě
6. Použití nároků 1 až 5 pro ISO OC.

1 až 4 jako bezpečnostní konstrukční vozidel.

strukturní součásti podle některého z aplikaci s teplotním zatížením až asi