DE102004013777A1

DE102004013777A1 - Al/Si-Gusslegierung und Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer solchen Legierung

Info

Publication number: DE102004013777A1
Application number: DE200410013777
Authority: DE
Inventors: Matthew Fort Wayne Otte
Original assignee: Hydro Aluminium Deutschland GmbH
Current assignee: Hydro Aluminium Deutschland GmbH
Priority date: 2004-03-20
Filing date: 2004-03-20
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-21
Also published as: DE102004013777B4; WO2005090628A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetall-Gussteilen, bei dem folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden: Vergießen einer Al/Si-Schmelze mit (in Gew.-%) Zn: 4-5%, Mg: 0,3-0,5%, Fe: 0,2-0,6%, Mn: 0,15-0,45%, Si: 5-18%, wahlweise Cu in Gehalten von 0,1-0,5%, Rest Aluminium und herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen zu einem Gussteil; Lösungsglühung mit anschließender gesteuerter Abkühlung des Gussteils; Durchführen einer Alterungsbehandlung des lösungsgeglühten und abgekühlten Gussteils, umfassend ein Halten des Gussteils bei Raumtemperatur für eine Haltezeit; anschließendes kontrolliertes Aufheizen des Gussteils auf eine 150-240 DEG C betragende Alterungstemperatur mit einer höchstens 1200 K/h betragenden Heizrate, Halten des Gussteils bei Alterungstemperatur für mindestens 2 Stunden, Abkühlen des alterungsbehandelten Gussteils. Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht es, sicher und zielgerichtet Gussteile zu erzeugen, bei denen gute mechanische Eigenschaften mit einer geringen Empfindlichkeit gegen die Entstehung von bleibenden Eigenspannungen und Verwerfungen seiner Gefügestruktur kombiniert sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Al/Si-Gusslegierung und ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer solchen Legierung.
Mit den bekannten Al/Si-Legierungen, die für die Herstellung von Gussteilen verwendet werden, und die bei der Herstellung der Gussteile angewendeten Wärmebehandlungen ist es vielfach nur unter Schwierigkeiten möglich, eine optimale Kombination der mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig minimierten Eigenspannungen und Verwerfungen nach der jeweiligen Wärmebehandlung sicher zu gewährleisten. So können Gussstücke, die beispielsweise aus der unter der Bezeichnung "226S" bekannten Al-Si-Cu-Mg-Legierung gegossen wurden, zwar ohne die Gefahr des Zurückbleibens größerer Eigenspannungen an Luft abgeschreckt und zur Verbesserung ihrer Verarbeitbarkeit einer künstlichen Alterung unterzogen werden. Es zeigt sich jedoch, dass die aus der 226S-Legierung erzeugten Gussteile nach der Wärmebehandlung die hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Dehngrenze und Dehnung, bei vielen Anwendungen gestellten Anforderungen nicht erfüllen. Andere Al/Si-Legierungen gewährleisten zwar die erforderlichen mechanischen Eigenschaften. Ihre Verwendung zieht jedoch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen und die Gefahr der Bildung von Gefügeverwerfungen im fertigen Gussstück nach sich.

Versuche, diese Nachteile durch eine Änderung der bekannten Legierungen oder durch Zugabe anderer oder weiterer Legierungselemente zu beseitigen, sind in der Regel erfolglos geblieben. So weist eine unter der Bezeichnung "Autodur" (AlSi10Zn8) bekannte Legierung neben Magnesium zwar zusätzlich hohe Anteile an Zink von ca. 10 Gew.-% auf. Diese ermöglichen es, ein aus der Autodur-Legierung erzeugtes Gussstück ohne Wärmebehandlung weiterzuverarbeiten. Es zeigt sich jedoch, dass die im Gussstück erhaltene Mikrostruktur und die mechanischen Eigenschaften der bekannten Legierung unstabil sind. Hinzukommt eine erhöhte Korrosions- und Abschreckempfindlichkeit des bekannten Werkstoffs.

Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, eine Al/Si-Gusslegierung zu schaffen, bei der gute mechanische Eigenschaften mit einer geringen Empfindlichkeit gegen die Entstehung von bleibenden Eigenspannungen und Verwerfungen seiner Gefügestruktur kombiniert sind. Darüber hinaus soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich sicher und zielgerichtet Gussteile mit entsprechend optimierter Eigenschaftskombination erzeugen lassen.

In Bezug auf den Werkstoff wird diese Aufgabe durch eine Al/Si-Gusslegierung gelöst, die neben Aluminium, Silizium und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 4–5% Zn, 0,3–0,5% Mg, 0,2–0,6% Fe, 0,15–0,45% Mn sowie wahlweise 0,1–0,5% Cu enthalten. Die Silizium-Gehalte liegen dabei üblicherweise im Bereich von 5–18 Gew.-%.

Die Erfindung geht von einer Al-Legierung aus, die Gehalte an Silizium aufweist, welche im für eine gute Vergießbarkeit üblichen Umfang liegen. Dieser Grundlegierung sind Gehalte an Magnesium und Zink zugegeben, um eine auf dem Ausscheidungssystem Al-Mg-Zn basierende Ausscheidungshärtung zu bewirken. Dabei gewährleisten die erfindungsgemäß vorgesehenen Gehalte an Zn und Mg einen flexibel anpassbaren Startpunkt für die Einstellung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung.

Die Si-Gehalte der erfindungsgemäßen Legierungen können in weiten Grenzen variiert werden, um einerseits die Vergießbarkeit der Legierung zu optimieren oder andererseits verbesserte Verschleißeigenschaften zu erreichen. Die Si-Gehalte werden dabei bevorzugt im Bereich von 5–18 Gew.-% variiert.

Der Gehalt an Mg ist auf höchstens 0,5 Gew.-% beschränkt worden, da bei höheren Mg-Gehalten die Entstehung von Mg-Fe-'pi'-Phasen in Primär- oder Sekundäraluminium nicht ausgeschlossen werden kann. Diese Phasen sind im weiteren Prozess schwer aufzulösen und wirken sich negativ auf die Dehnbarkeit des Werkstoffs aus. Daher ist der Bereich der Gehalte an Mg bei einer erfindungsgemäßen Legierung bevorzugt auf 0,3–0,4 Gew.-% Magnesium beschränkt.

Die Gehalte an Zn sind erfindungsgemäß auf 4–5 Gew.-% beschränkt, um einerseits die festigkeitssteigernde Wirkung von Zn zu nutzen und andererseits zu vermeiden, dass es zu einem Anstieg der Abschreckempfindlichkeit und der Bildung von Rissen infolge von Spannungskorrosion kommt.

Die erfindungsgemäße Legierung kann erforderlichenfalls bis zu der vorgegebenen Obergrenze Cu enthalten, um die Warmfestigkeit der Legierung zu verbessern. Diese Verbesserung tritt bereits bei Gehalten von mindestens 0,1 Gew.-% Cu ein. Besonders wirksam lässt sich der positive Einfluss von Cu jedoch dann nutzen, wenn der Cu-Gehalt mindestens 0,3 Gew.-% beträgt.

Fe kann bis zu der angegebenen Obergrenze in erfindungsgemäßen Al/Si-Zusammensetzungen als Begleitbestandteil des Primär- oder Sekundäraluminiums vorhanden sein, aus dem die Legierung erzeugt worden ist. Eine erfindungsgemäße Legierung verhält sich insoweit wie jede andere Fe-enthaltende Al/Si-Legierung. Allzu hohe Fe-Gehalte führen allerdings zu einer Abnahme der Dehnfähigkeit und können die Wirksamkeit der Wärmebehandlung durch Bildung von "pi"-Phasen (FeMg₃Si₆Al₈) beeinträchtigen.

In Bezug auf das Verfahren wird die oben angegebene Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetall-Gussteilen gelöst, bei dem folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden:

a) Vergießen einer erfindungsgemäß zusammengesetzten Al/Si-Schmelze zu einem Gussteil;
b) Lösungsglühung mit anschließender gesteuerter Abkühlung des Gussteils;
c) Durchführen einer Alterungsbehandlung des lösungsgeglühten und abgekühlten Gussteils, umfassend c.1) ein Halten des Gussteils bei Raumtemperatur für ein bis fünf Tage (Kaltauslagerung), c.2) anschließendes kontrolliertes Aufheizen des Gussteils auf eine 150–240°C betragende Alterungstemperatur mit einer höchstens 1200°C/h betragenden Heizrate, c.3) Halten des Gussteils bei Alterungstemperatur für mindestens 2 Stunden, c.4) Abkühlen des alterungsbehandelten Gussteils.

Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung lassen sich besonders gut nutzen, wenn sie im T6 oder T7 Zustand eingesetzt wird. Dazu wird das Gussteil nach dem Abgießen zunächst einer Lösungsglühung unterzogen. Die Glühtemperatur liegt bevorzugt im Bereich von 430°C bis 540°C. Im tieferen Abschnitt dieses Bereichs liegende Glühtemperaturen erweisen sich in der überwiegenden Zahl solcher Anwendungsfälle als günstig, bei denen Mg und Zn homogenisiert werden sollen. Diese Legierungselemente werden insbesondere bei Temperaturen von 430°C–450°C gelöst. Sollen dagegen abgerundete Silizium-Phasen in dem Werkstück erzeugt werden, so ist es günstig, im höheren, oberhalb von 450°C liegenden Temperaturabschnitt zu glühen. Bei über 480°C liegenden Temperaturen werden die aushärtenden Elemente in Lösung gebracht werden, so dass bei einer Erwärmung auf diese Temperaturen Festigkeitssteigerungen erzielt werden können.
Nach dem Lösungsglühen wird das Gussteil in an sich bekannter Weise gesteuert abgekühlt. Dazu kann es an ruhender Luft kontrolliert abgekühlt oder beschleunigt durch gezielte Aufgabe von Luft oder Wasser abgeschreckt werden. Das erhaltene Werkstück weist eine stabile Mikrostruktur und ebenso stabile mechanische Eigenschaften auf.
An die gesteuerte Abkühlung schließt sich zunächst eine natürliche Alterung an. Dabei wird das Gussteil bei Raumtemperatur für eine ausreichende Zeitdauer, die bevorzugt 1 bis 5 Tage beträgt, gehalten. Anschließend wird das Werkstück auf die Alterungstemperatur aufgeheizt, auf der es für mindestens 2 Stunden gehalten wird.
Die Alterungstemperatur beträgt vorteilhafterweise 160°C bis 220°C. Es hat sich herausgestellt, dass sich bei Einhaltung dieser Temperaturen besonders günstige Eigenschaften einstellen. Dabei haben Versuche ergeben, dass sich insbesondere bei der Erzeugung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren gute Eigenschaftsprofile einstellen, wenn mit hohen Alterungstemperaturen gearbeitet wird.
Die Erwärmung erfolgt dabei mit einer 400°C/h bis 1200°C/h, bevorzugt ca. 800°C/h betragenden Heizrate.
Die Erwärmung auf die Alterungstemperatur kann bei nicht kontinuierlicher Temperaturzunahme erfolgen. Sie umfasst in diesem Fall bevorzugt mindestens einen Halteabschnitt, in dem das Werkstück für eine bestimmte Haltezeit auf einer 90°C–110°C betragenden Haltetemperatur gehalten wird. Im genannten Temperaturbereich um 100°C kommt es zur vermehrten Ausscheidung von GPII-Phasen. Diese unterstützen die Bildung von η-Phasen, welche die Steigerung der Festigkeit bewirken.
Mit einer solchen erfindungsgemäßen Vorgehensweise lassen sich Gussteile erzeugen, die bei einer mindestens 140 MPa betragenden Dehngrenze, bei einer mindestens 250 MPa betragenden Zugfestigkeit eine mindestens 5% bis zu 12 und mehr betragende Dehnung besitzen. Gleichzeitig erweisen sich die erfindungsgemäß erzeugten Gussteile als unempfindlich gegen die Bildung von Eigenspannungen und die Entstehung von Verwerfungen im Gefüge in Folge der Wärmebehandlung.
Dies wird nach heutigem Kenntnisstand dadurch erreicht, dass durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Legierung und durch den erfindungsgemäßen Herstellprozess die Bildung von GP-Zonen im Werkstück bei Raumtemperatur bzw. bei der erhöhten Haltetemperatur einsetzt. Anschließend kommt es dann während des Haltens auf der Alterungstemperatur zur Bildung von n'-Ausscheidungen (MgZn₂) aus den GP-Zonen, die sich dann zu n-Ausscheidungen umbilden.
Zum Nachweis der mit der Erfindung erzielten Effekte wurde eine 7 Gew.-% Si, 0,3 Gew.-% Mg, 4 Gew.-% Zn, 0,12 Gew.-% Fe, 0,5 Gew.-% Cu und als Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen enthaltende, erfindungsgemäße Al/Si-Schmelze S1 erschmolzen. Ebenso wurde eine Al/Si-Schmelze S2 erschmolzen, die hinsichtlich ihrer Gehalte an Al, Si, Mg, Zn und Fe mit der Schmelze S1 übereinstimmte, jedoch kein Cu enthielt.
Die Schmelzen S1 und S2 sind jeweils zu Probestücken vergossen worden. Diese Probestücke sind anschließend bei einer Temperatur von 530°C für 6 Stunden lösungsgeglüht worden.
Eine erste Gruppe von aus den Schmelzen S1 und S2 gegossenen Gussteilen ist daraufhin beschleunigt mit Wasser und eine zweite Gruppe von aus den Schmelzen S1 und S2 gegossenen Gussteilen beschleunigt an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt worden.
Die Gussteile sind dann auf eine Haltetemperatur von 90°C erwärmt worden, bei der sie für 4 Stunden gehalten worden sind.
Anschließend sind die Gussteile auf eine 180°C betragende Alterungstemperatur aufgeheizt worden, bei der sie für ebenfalls 8 Stunden gehalten worden sind.
Die Erwärmungsgeschwindigkeit betrug jeweils ca. 1000°C/h.
Nach Beendigung der Alterungsbehandlung konnten folgende Eigenschaften an den verschiedenen Probenstücken festgestellt werden:
Unabhängig davon, wie die Gussteile nach dem Lösungsglühen abgekühlt worden sind, wiesen die untersuchten Probenstücke somit jeweils besonders hohe Werte ihrer mechanischen Eigenschaften auf. Gleichzeitig waren die in ihnen feststellbaren Eigenspannungen auf ein Minimum reduziert und sie besaßen ein homogenes, von Verwerfungen freies Gefüge.

Claims

Al/Si-Gusslegierung mit (in Gew.-%) Zn: 4–5%, Mg: 0,3–0,5%, Fe: 0,2–0,6%, Mn: 0,15–0,45%, wahlweise Cu in Gehalten von 0,1–0,5%, Rest Aluminium, Silizium und herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen.
Al/Si-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,3–0,4 Gew.-% Magnesium enthält.
Al/Si-Gusslegierung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Cu-Gehalt mindestens 0,3 Gew.-% beträgt.
Verfahren zum Herstellen von Leichtmetall-Gussteilen, bei dem folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden: a) Vergießen einer Al/Si-Schmelze, die gemäß einem der voranstehenden Ansprüche zusammengesetzt ist, zu einem Gussteil; b) Lösungsglühung mit anschließender gesteuerter Abkühlung des Gussteils; c) Durchführen einer Alterungsbehandlung des lösungsgeglühten und abgekühlten Gussteils, umfassend c.1) ein Halten des Gussteils bei Raumtemperatur für eine Haltezeit; c.2) anschließendes kontrolliertes Aufheizen des Gussteils auf eine 150–240°C betragende Alterungstemperatur mit einer höchstens 1200 K/h betragenden Heizrate, c.3) Halten des Gussteils bei Alterungstemperatur für mindestens 2 Stunden, c.4) Abkühlen des alterungsbehandelten Gussteils.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit ein bis fünf Tage beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil während des Lösungsglühens auf eine 430 °C bis 540°C betragende Lösungsglühtemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil während des Lösungsglühens auf eine 470°C bis 540°C betragende Lösungsglühtemperatur erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Alterungstemperatur 160°C bis 220°C beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrate 400°C/h bis 1200°C/h beträgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizrate ca. 800°C/h beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil während des Erwärmens auf die Alterungstemperatur für eine Haltezeit auf einer 90°C–110°C betragenden Haltetemperatur gehalten wird.