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Die
Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Druckgusslegierung
sowie deren Verwendung bei einem Gussbauteil insbesondere für einen
Kraftwagen. Darüber
hinaus betrifft die Erfindung ein Gussbauteil insbesondere für einen
Kraftwagen aus einer derartigen Aluminiumlegierung.
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Bei
der Herstellung von Gussbauteilen aus Aluminium-Silizium-Gusslegierungen
insbesondere zum Einsatz in der Automobilindustrie werden heute
grundsätzlich
zwei Wege begangen.
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Der
eine Weg beschreibt den Einsatz von relativ kostengünstigen
Sekundärlegierungen
beispielsweise des Typs AlSi10Mg, welche jedoch einen relativ hohen
Eisengehalt von etwa 0,5 bis 1,2 Gew.-% Fe und einen geringen Mangangehalt
von etwa 0,1 Gew.-% Mn aufweisen. Der hohe Eisengehalt ist dabei
unter anderem vor dem Hintergrund des relativ geringen Manganzusatzes
erforderlich, so dass die Klebeneigung der Aluminiumlegierung innerhalb
der Druckgussform reduziert wird und das gefertigte Gussbauteil
prozesssicher entformt werden kann.
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Als
problematisch bei derartigen Sekundärlegierungen ist jedoch der
Umstand anzusehen, dass sich bedingt durch den hohen Eisengehalt
eine intermetallische AlFeSi-Phase im Gefüge ausbildet, welche eine äußerst große nadelförmige Struktur aufweist
und dem Gussbauteil demzufolge äußerst spröde Materialeigenschaften
verleiht. Des Weiteren ergibt sich bei derartigen Sekundärlegierungen
eine relativ grobe und nadelförmige
Ausbildung von Silizium innerhalb des AlSi-Eutektikums, durch welches
die Duktilität
des Gussbauteils in erheblichem Maße reduziert wird. Daher müssen derartige
Sekundärlegierungen
im Anschluss an das Entformen wärmebehandelt
werden, um entsprechend hinreichende mechanische Eigenschaften,
beispielsweise hinsichtlich ihrer Härte und Duktilität, erreichen
zu können.
Dies kann gegebenenfalls jedoch zu einem Verzug der Gussbauteile
führen.
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Ein
aus einer derartigen Sekundärlegierung
hergestelltes Gussbauteil in Form einer Ölwanne für ein Kraftfahrzeug ist aus
der
EP 0 611 832 B1 als
bekannt zu entnehmen, bei welchem eine lokale Wärmebehandlung bei einer entsprechenden
Temperatur bzw. einem entsprechenden Zeitraum durchgeführt wird,
so dass sich Bauteilbereiche unterschiedlicher Härte einstellen lassen. Insbesondere
ist es dabei vorgesehen, dass die Ölwanne im Bereich eines Flansches
weitestgehend unbehandelt bleibt und demgemäß eine Härte von 85 bis 110 HB und eine
Duktilität
von 0,5 bis 2,5 % aufweist, während
diese in einem Bodenbereich entsprechend wärmebehandelt wird, so dass
sie eine Härte
von 55 bis 80 HB und eine Duktilität von oberhalb 4 % aufweist. Mit
anderen Worten soll hierdurch erreicht werden, dass im Bereich des
Flansches die bereits im Gusszustand vorhandene hohe Härte bzw.
geringe Duktilität
beibehalten wird, wogegen im Bodenbereich die Härte reduziert bzw. die Duktilität erhöht wird,
um die Gefahr von durch Steinschlag bedingten Rissen oder dergleichen
Beschädigungen
der Ölwanne
zu reduzieren. Allerdings ist eine derartige Wärmebehandlung zeitintensiv
und dementsprechend kostspielig, so dass die durch den Einsatz einer
Sekundärlegierung
ermöglichte
Kosteneinsparung mehr als aufgezehrt wird.
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Der
alternativ zur oben beschriebenen Sekundärlegierung begehbare Weg beschreibt
den Einsatz von Primärlegierungen
beispielsweise ebenfalls des Typs AlSi10, deren neben den Legierungselementen
vorhandenes Restaluminium einzeln maximal 0,05 Gew.-% und insgesamt
maximal 0,2 Gew.-% herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweist.
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Eine
solche Primärlegierung
ist beispielsweise bereits aus der
EP 0 997 550 B1 als bekannt zu entnehmen,
welche – im
Unterschied zu den vorbeschriebenen Sekundärlegierungen – einen
geringeren Eisengehalt von 0,15 bis 0,35 Gew.-% Fe und einen demgegenüber hohen
Mangangehalt von 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mn aufweist. Neben der Tatsache,
dass eine derartige Primärlegierung
eine verminderte Klebeneigung in der Druckgussform aufweist und
dementsprechend gut entformbar ist, existieren die bei Sekundärlegierungen üblichen
intermetallischen AlFeSi-Phasen bei einer derartigen Primärlegierung
nicht. Dafür
entsteht beispielsweise eine im Querschnitt eher rundliche, intermetallische
Al
12(Mn, Fe)Si
2-Phase,
die dementsprechend keine bzw. keine ausgeprägte nadelförmige Ausbildung hat. Hierdurch
ergibt sich eine deutlich verbesserte Morphologie, so dass sich
ein Werkstoff mit einer Härte
von etwa 80–100
HB im Gusszustand realisieren lässt.
Um die grobe bzw. nadelförmige
Ausbildung von Silizium im AlSi-Eutektikum zu reduzieren, wird bei
der vorbeschriebenen Primärlegierung
bevorzugt Strontium beigefügt,
welches das nadelförmige
Wachstum des Siliziums innerhalb des AlSi-Eutektikums aufhält.
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Da
jedoch zumindest ein Teil der durch eine derartige Primärlegierung
hergestellten Gussbauteile nach dem Entformen in ihrem Gusszustand
lediglich eine Bruchdehnung von A5 von 4
bis < 5 % aufweisen, werden
diese zum Einsatz als Sicherheitsbauteile in der Automobilindustrie
in einem nachfolgenden Wärmebehandlungsverfahren
zunächst
auf eine Temperatur von 400 bis 490°C während einer Zeitdauer von 20
bis 120 min partiell lösungsgeglüht und anschließend an
der Luft abgekühlt.
Hierdurch wird eine deutliche Erhöhung der Duktilität des Gussbauteils
erreicht, so dass sich eine Bruchdehnung von A5 > 12 % einstellt. Mit
der Wärmebehandlung
sinkt die Härte
des Gussbauteils auf einen Wert von etwa 60 bis 65 HB.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Aluminiumlegierung
sowie deren Verwendung für
ein Gussbauteil insbesondere eines Kraftwagens der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit welchen sich die Herstellung eines derartigen
Gussbauteils deutlich einfacher und dementsprechend kostengünstiger
realisieren lässt.
Darüber
hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein aus einer derartigen Aluminiumlegierung
hergestelltes Gussbauteil insbesondere für die Kraftwagenindustrie mit
entsprechend hohen mechanischen Anforderungen einfacher und kostengünstiger
herzustellen.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
eine Aluminiumlegierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1,
mit deren Verwendung bei einem Gussbauteil insbesondere eines Kraftwagens
mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie durch ein Gussbauteil
aus einer derartigen Aluminiumlegierung insbesondere für einen
Kraftwagen mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Zur
Lösung
der erfindungsgemäßen Aufgabe
umfasst die Aluminiumlegierung, welche insbesondere als Druckgusslegierung
einzusetzen ist, folgende Legierungselemente:
6,5 | bis | < 9,5 | Gew.-%
Silizium |
0,3 | bis | 0,6 | Gew.-%
Mangan |
0,15 | bis | 0,35 | Gew.-%
Eisen |
0,22 | bis | 0,4 | Gew.-%
Magnesium |
max. 0,1 | | Gew.-%
Titan |
90 | bis | 180 | ppm
Strontium |
und als Rest Aluminium mit einzeln maximal 0,05
Gew.-% und insgesamt maximal 0,2 Gew.-% herstellungsbedingten Verunreinigungen.
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Durch
den gegenüber
der bisher bekannten Primärlegierung
gemäß
EP 0 997 550 B1 erheblich
reduzierten Gehalt an Silizium wird der Anteil an AlSi-Eutektikum
deutlich reduziert und demgegenüber
der Anteil an Aluminium-Mischkristallen deutlich erhöht.
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Somit
ist es mit der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Legierung
möglich,
zwei an sich gegenläufige
Eigenschaften miteinander zu kombinieren. Zum einen können mit
der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung
Gussbauteile geschaffen werden, welche bereits im Gusszustand – also ohne
zusätzliche
Wärmebehandlung
nach der Entformung – eine
Härte von > 80 HB, und vorzugsweise
zwischen 84 HB und 88 HB aufweisen. Dabei ist zu berücksichtigen,
dass diese Werte im Inneren des Gussbauteils – also unterhalb der Gießhaut des
Bauteils – gemessen
sind. Zum anderen ist es mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung möglich, trotz
der relativ hohen Härte
eine sehr hohe Duktilität
des Gussbauteils zu erreichen, deren Bruchdehnung nach dem Entformen – also im
Gusszustand und ohne weitere Wärmebehandlung – einen
Wert von A5 > 5 %, und vorzugsweise 8 % bis 12 % aufweist.
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Während also
bei einem aus einer Aluminiumlegierung gemäß der
EP 0 997 550 B1 geschaffenen Gussbauteil,
welches im Gusszustand eine relativ geringe Bruchdehnung von A
5 bei etwa 4 % aufweisen kann, eine Wärmebehandlung
erforderlich ist, um die insbesondere im Kraftwagenbau erforderlichen
mechanischen Kennwerte zu erreichen, kann bei aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung
geschaffenen Gussbauteilen auf eine derartige Nachbehandlung verzichtet
werden. Vielmehr ist mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung eine
hinreichende Duktilität
gewährleistet,
bei welcher die Bruchdehnung A
5 des Gussbauteils
größer von
5 % liegt. Gleichermaßen
ist gewährleistet,
dass die Härte
des Gussbauteils mit > 80
HB hinreichend hoch ist. Im Ergebnis ist somit eine Legierung geschaffen,
mit welcher Gussbauteile insbesondere für den Kraftwagenbau hergestellt
werden können,
welche bereits ohne eine Wärmenachbehandlung
sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen und demgemäß äußerst einfach
und kostengünstig
herzustellen sind.
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Die
erfindungsgemäße Aluminiumlegierung
weist dabei gegenüber
derjenigen gemäß
EP 0 997 550 B1 einen
ausgewählten
Bereich zwischen 0,22 bis 0,4 Gew.-% Magnesium auf, da die Härte des
aus der Aluminiumlegierung hergestellten Gussbauteils nicht nur
vom Eutektikum, sondern auch von den entstehenden Auslagerungen
abhängt.
Durch den speziell gewählten
Gehalt an Magnesium entstehen Mg
2Si-Feinstausscheidungen,
durch welche die Festigkeit bzw. die Harte des Gussbauteils eingestellt
werden kann. Mit anderen Worten ist die Harte des aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung
hergestellten Gussbauteils auch vom Magnesiumgehalt abhängig. Hierbei
kann – unter
Gewährleistung
einer Bruchdehnung A
5 von > 5 % – eine besonders
hohe Härte
des Gussbauteils aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung geschaffen werden,
wenn der Magnesiumgehalt in einem ausgewählten Bereich von 0,3 bis 0,4
Gew.-%, und vorzugsweise 0,32 bis 0,36 Gew.-% liegt.
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Durch
den Einsatz von Strontium mit einem Gehalt von 90 bis 180 ppm wird
bei der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung
darüber
hinaus erreicht, dass bei deren Erstarrung das nadelförmige Siliziumwachstum
innerhalb des AlSi-Eutektikums aufgehalten wird, so dass die Siliziumkristalle
keine extreme Nadelform annehmen.
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Als
weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung
als weiteres Legierungselement 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kupfer beizugeben.
Hierdurch wird die Kaltauslagerung verstärkt, über welche die Härte des
aus der Aluminiumlegierung hergestellten Gussbauteils zusätzlich beeinflusst
werden kann.
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Da
die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung
bzw. das aus dieser hergestellte Gussbauteil bereits im Gusszustand
die oben beschriebene hohe Harte bzw. die hohe Bruchdehnung aufweist,
ist diese in besonders hohem Maße
zur Verwendung im Kraftwagenbau geeignet. Als insbesondere vorteilhaft
hat sich dabei die Verwendung der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Legierung
bei Ölwannen
für Kraftwagen
gezeigt, da diese dort eine relativ hohe Duktilität mit einer
Bruchdehnung A5 von > 5 % aufweisen muss, um eine hinreichende Sicherheit
gegen Rissbildungen innerhalb der Ölwanne bieten zu können, welche
insbesondere aufgrund von Steinschlag unterhalb des Kraftwagens
entstehen können.
Da die Ölwannen
im Anschluss- bzw. Flanschbereich mit einem jeweils korrespondierenden
Motorgehäuse
abgedichtet befestigt werden müssen,
ist es erforderlich, dass sie eine entsprechend hohe Härte von > 80 HB aufweisen. Da
ein aus der vorliegenden Aluminium-Silizium-Legierung hergestelltes
Gussbauteil diese Anforderungen bereits im Gusszustand ohne weitere Wärmebehandlung
erfüllt,
kann somit eine einfach zu fertigende und demgemäß kostengünstige Ölwanne bzw. ein anderes Bauteil
für einen
Kraftwagen geschaffen werden.
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Da
bei einer Vielzahl von im Kraftwagenbau eingesetzten Gussbauteilen
die bei der Verwendung der vorliegenden Aluminiumlegierung erzielbaren
mechanischen Eigenschaften hinsichtlich der Harte und der Duktilität ausreichen,
können
diese nunmehr ohne weitere Wärmebehandlung
eingesetzt werden. Dies hat nicht nur den Vorteil einer einfacheren
und kostengünstigeren
Herstellung, sondern darüber
hinaus kann der bei der Wärmebehandlung
gegebenenfalls einhergehende Verzug der Gussbauteile auf einfache
Weise dadurch vermieden werden, dass gerade keine Nachbehandlung
notwendig ist.
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Besonders
vorteilhaft kann die Aluminiumlegierung in einem Druckgussverfahren
zur Herstellung der Gussbauteile insbesondere für einen Kraftwagen eingesetzt
werden, da hierdurch eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellung
der Gussbauteile möglich
ist.
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Sollten
Gussbauteile mit gegenüber
deren Gusszustand anderen mechanischen Eigenschaften insbesondere
hinsichtlich deren Duktilität
bzw. Härte
erforderlich sein, um beispielsweise als Sicherheitsbauteile oder
als Bauteile im Antriebsstrang des Kraftwagens eingesetzt werden
zu können,
kann die erfindungsgemäße hierzu
verwendete Aluminium-Silizium-Legierung im Anschluss an den Gießprozess
einem Wärmebehandlungsverfahren
unterzogen werden.
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Dabei
hat es sich insbesondere als vorteilhaft gezeigt, wenn das Gussbauteil
in einem Temperaturbereich von 400 bis 490°C, und insbesondere zwischen
420 bis 460°C
während
einer Zeitdauer von 20 bis 120 min lösungsgeglüht und anschließend an
der Luft abgekühlt
wird. Durch diese äußerst schonende
Wärmebehandlung
mit der Abkühlung
des Gussbauteils an der Luft wird dabei insbesondere erreicht, dass
sich die Gussteile nicht bzw. nicht übermäßig verziehen.
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Das
durch die neue Aluminium-Silizium-Legierung entstehende Gussbauteil
zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieses im Gusszustand
in allen Bauteilbereichen eine zumindest annähernd einheitliche Härte von > 80 HB und vorzugsweise
zwischen 84 und 88 HB aufweist. Darüber hinaus hat das Gussbauteil
vorteilhafter Weise in allen Bauteilbereichen eine zumindest annähernd einheitliche
Bruchdehnung A5 von > 5 und vorzugsweise 8 % bis 12 %.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
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Dabei
sind eine Mehrzahl von Gussbauteilen in Form von Ölwannen
für einen
Kraftwagen in einem Druckgussverfahren aus einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung
hergestellt worden, welche folgende Zusammensetzung aufweist:
6,5 | bis | < 9,5 | Gew.-%
Silizium |
0,3 | bis | 0,6 | Gew.-%
Mangan |
0,15 | bis | 0,35 | Gew.-%
Eisen |
0,22 | bis | 0,4 | Gew.-%
Magnesium |
max.
0,1 | | | Gew.-%
Titan |
90 | bis | 180 | ppm
Strontium |
und als Rest Aluminium mit einzeln maximal 0,05
Gew.-% und insgesamt maximal 0,2 Gew.-% herstellungsbedingten Verunreinigungen,
wobei wahlweise noch 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kupfer vorgesehen sein können. Im vorliegenden
Ausführungsbeispiel
liegt der Siliziumgehalt dabei zwischen 7 und 9 Gew.-% und der Magnesiumgehalt
zwischen 0,32 und 0,36 Gew.-%.
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Nach
dem Druckgießen
wurden Zugproben aus den Gussteilen bzw. Ölwannen herausgearbeitet und an
diesen die in der nachfolgenden Tabelle abgetragenen mechanischen
Eigenschaften ermittelt:
Nr. | Rp0,2
N/mm2 | Rm
N/mm2 | A5
% | Öl-
Wanne Nr. |
1 | 138,91 | 283,81 | 8,98 | 35 |
2 | 136,06 | 282,10 | 10,43 | 35 |
3 | 138,22 | 281,96 | 9,63 | 35 |
4 | 137,98 | 285,06 | 9,85 | 35 |
5 | 136,79 | 283,33 | 10,40 | 37 |
6 | 135,41 | 282,34 | 10,86 | 37 |
7 | 132,61 | 272,33 | 9,58 | 37 |
8 | 135,34 | 280,79 | 8,64 | 37 |
9 | 133,01 | 280,27 | 10,48 | 52 |
10 | 135,23 | 281,67 | 11,96 | 52 |
11 | 137,56 | 278,42 | 9,00 | 52 |
12 | 133,48 | 278,28 | 8,62 | 52 |
13 | 133,80 | 274,62 | 8,13 | 54 |
14 | 134,47 | 280,03 | 11,60 | 54 |
15 | 136,96 | 280,18 | 10,50 | 54 |
16 | 132,54 | 276,22 | 8,69 | 54 |
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Aus
der Tabelle ist demzufolge erkennbar, dass sämtliche Proben eine Bruchdehnung
A5 zwischen 8 und 12 % aufweisen. Demzufolge
ist die vorliegende Aluminiumlegierung in hervorragendem Maße zur Verwendung
bei der Druckgussherstellung von Ölwannen geeignet, bei welchen
eine Bruchdehnung A5 von > 5 % erreicht werden
muss, insbesondere um bei im Fahrbetrieb des Kraftwagens entstehendem
Steinschlag eine Rissbildung vermeiden zu können.
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In
weiteren Versuchen hat sich darüber
hinaus gezeigt, dass die mittels der vorstehenden Aluminium-Silizium-Legierung
gegossenen Ölwannen
eine Härte
von > 80 HB, und insbesondere
zwischen 84 und 88 HB aufweisen, so dass die Ölwannen im Anbindungs- bzw.
Flanschbereich zu einem korrespondieren Motorgehäuse des Kraftwagens dicht festgelegt
werden können.
Die Gießhaut
der im Gusszustand vorliegenden Ölwannen
wurde dabei durch ein Bearbeitungsverfahren – beispielsweise durch Fräsen – entsprechend
abgetragen, so dass realistische Härtewerte der im Gusszustand
vorliegenden Ölwannen
ermittelt werden konnten.