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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft ein Gussprodukt aus einer Aluminium-Magnesium-Gusslegierung.
Ferner betrifft die Erfindung die Anwendung einer Aluminiumgusslegierung
insbesondere in Gussprodukten für Automobil- bzw. Fahrzeugteile.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Wie
weiter unten zu verstehen sein wird, beziehen sich bei jeder Beschreibung
von Legierungszusammensetzungen oder bevorzugten Legierungszusammensetzungen
alle Prozentangaben auf Gewichtsprozente, sofern nicht anders angegeben.
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Aluminiumgusslegierungen
werden routinemäßig mittels Spritz- bzw. Druckguss,
Dauerformen, Grün- und Trockensand und Investmentguss hergestellt.
Güsse bzw. Gussstücke werden durch das Füllen
von Formen mit geschmolzenem Aluminium hergestellt, die oft als
Gusslegierungen oder Gießereilegierungen bezeichnet werden,
und für Produkte mit schwierig herstellbaren Konturen und
hohlen oder mit Kern versehenen Bereichen benutzt werden. Die Wahl
der Güsse bzw. Gussteile basiert oft auf Erwägungen
hinsichtlich der Endform mit engen Maßtoleranzen. Wobei
Aluminiumknetlegierungsprodukte jene Aluminiumprodukte sind, die
einer Kunststoffver- bzw. -umformung durch Warmbearbeitungs- und/oder
Kaltbearbeitungsverfahren (wie beispielsweise Walzen, Extrudieren,
Schmieden und Ziehen bzw. Zugumformen, entweder einzelnen oder in Kombination)
unterzogen wurden, um einen gegossenen Aluminiumblock bzw. -barren
oder eine -bramme in eine gewünschte Produktform umzuwandeln, typischerweise
in eine gewalzte oder extrudierte Form. Aluminiumknetprodukte fallen
nicht in den Schutzbereich dieser Erfindung.
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Die
US-6,277,217-B1 offenbart
eine AlMg-Gusslegierung, aufweisend Mg in einem Bereich von 3,0
bis 5,5%, Mn in einem Bereich von 1,5 bis 2,0% und Ni in einem Bereich
von 0,5 bis 0,9%. Es wird berichtet, dass insbesondere Ni in diesem Bereich
die Zähigkeit des Spritz- bzw. Druckgussprodukts erhöht.
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Die
US-4,847,048 offenbart eine AlMg-Druck-
bzw. Spritzgusslegierung, aufweisend unter anderem 2 bis 5,5% Mg,
1 bis 5,5% Ni, 0,5 bis 2,5% Mn. Das Spritzgussprodukt soll eine
hohe Zähigkeit und Beständigkeit gegenüber
Abnutzung und Korrosion haben.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, ein Gussprodukt aus einer Al-Mg-Gusslegierung
mit verbesserter Zähigkeit anzugeben.
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Eine
weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Gussprodukt anzugeben,
das mithilfe von Sandgussverfahren gegossen werden kann.
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Diese
und andere Aufgaben und weitere Vorteile werden erreicht oder durch
die vorliegende Erfindung übertroffen, die ein Gussprodukt
aus einer Aluminiumgusslegierung betrifft, bei der die Legierung
umfasst, in Gew.-%:
Mg etwa 2,8 bis 5,3
Mn etwa 0,5 bis
2,0
Zn etwa 0,2 bis 0,9
Cu etwa 0,1 bis 0,9
Ti < 0,2
Sc < 0,4
Si < 1,2
Fe < 0.85,
wahlweise
ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe:
(0,05
bis 0,3 Zr, 0,05 bis 0,3 Cr, 0,05 bis 0,3 V),
Rest Aluminium
und Verunreinigungen.
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Das
Gussprodukt gemäß der Erfindung sorgt für
eine hohe Festigkeit in Kombination mit einer hohen Zähigkeit,
ohne die Notwendigkeit, Ni in beträchtlichen Mengen hinzufügen
zu müssen.
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Mg
ist das primäre (ver)festigende Element in der Gusslegierung.
Abhängig von dem angewendeten Gussverfahren und den Festigkeitserfordernissen
für die Anwendung des Gussprodukts, gibt es drei bevorzugte
Mg-Bereiche:
- i) 2,8% bis 3,8%, bevorzugt etwa
2,9% bis 3,5%.
- ii) 3,8% bis 4,5%, bevorzugt etwa 4,1% bis 4,5%.
- iii) 4,5% bis 5,2%, bevorzugt etwa 4,7% bis 5.4%.
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Mangan
ist auch ein essentielles Legierungselement. In Kombination mit
Mg, Zn und Cu sorgt es für Festigkeit und erhöhte
Zähigkeit bei dem Gussprodukt. Ein bevorzugterer Bereich
liegt bei 0,5% bis 1,3%, und bevorzugter etwa 0,55% bis 0,95%. Ferner
reduziert das Vorhandensein von Mn die Guss(form)haftung, wenn in
einem Dauerformgussverfahren oder mittels Druck- bzw. Spritzguss verarbeitet
wird.
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Zn
ist auch ein essentielles Legierungselement. In Kombination mit
dem Mg, Mn und Cu sorgt es für Festigkeit im Gusszustand
und den Schweißnähten in dem Gussprodukt. Zn sollte
in einem Bereich von etwa 0,2% bis 0,9% liegen, und bevorzugt in
einem Bereich von 0,25% bis 0,6%.
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Cu
ist ein wichtiges Legierungselement, insbesondere um die Zähigkeit
des Gussprodukts zu erhöhen. Ein bevorzugter Bereich für
den Cu-Gehalt liegt bei etwa 0,2% bis 0,65%, and bevorzugter bei etwa
0,35% bis 0,6%.
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Ti
ist als Kornfeinungsmittel während der Verfestigung bzw.
dem Festwerden sowohl der Gussprodukte als auch der Schweißnähte
wichtig, die unter Verwendung der erfindungsgemäßen
Legierung hergestellt werden. Ein bevorzugtes Maximum für
Ti ist 0,2%, und wobei ein bevorzugterer Bereich etwa 0,1% bis 0,14%
beträgt. Ein weiteres optionales Legierungselement wäre
Strontium in einem Bereich von bis zu 0,04%.
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Sc
kann der Legierung zur Verbesserung der Schweißbarkeit
des Gussprodukts zugefügt werden. Ein weiterer Vorteil
des Hinzufügens von Sc besteht darin, dass es die Thermostabilität
oder thermische Beständigkeit des Gussprodukts verbessert.
Das Sc kann alleine hinzugefügt werden oder in Kombination mit
Zr in einem Bereich von etwa 0,05% bis 0,25%, und bevorzugt Zr in
einem Bereich von etwa 0,05% bis 0,15%. Wird Sc hinzugefügt,
sollte das resultierende Gussprodukt wärmebehandelt werden,
bevorzugt im Anschluss an den Gussvorgang, indem das Gussprodukts
wenigstens einmal bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa
250°C bis 425°C für eine Durchwärmzeit
von bis zu 12 Stunden, zum Beispiel vier Stunden bei etwa 300°C,
gehalten wird. Das Sc-Niveau sollte 0,4% nicht übersteigen
und liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,02% bis 0,3%, und noch
bevorzugter in einem Bereich von 0,07% bis 0,25%.
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Obwohl
Si gemeinhin als ein Verunreinigungselement in AlMg-Gusslegierungen
angesehen wird, hat sich herausgestellt, dass Si die Gieß-
bzw. Vergießbarkeit der Aluminiumlegierung steigern kann.
Der Si-Gehalt sollte 1,2% nicht überschreiten, und eine
bevorzugtere Obergrenze liegt bei etwa 0,8%. Eine bevorzugte Untergrenze
liegt bei etwa 0,15%, und bevorzugter bei etwa 0,3%.
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Fe
ist ein in Gusslegierungen bekanntes Element und kann in Höhe
von bis zu 0,85% vorhanden sein. Bei höheren Niveaus kann
Fe unerwünschte große Verbindungen mit Mn und
Zr in den Warmhalteöfen, die typischerweise in Gießvorgängen
eingesetzt werden, bilden. Eine bevorzugtere Obergrenze für
den Fe-Gehalt liegt bei etwa 0,7%.
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Das
Gussprodukt kann ferner ein oder mehrere Elemente enthalten, ausgewählt
aus der Gruppe Zr, Cr und V. Jedes Element kann in einem Bereich von
0,05% bis 0,3% vorhanden sein. In einer Ausführungsform
des Gussprodukts wird die allei nige Hinzufügung von Zr
bevorzugt, während Cr und V, sofern vorhanden, dies auf
Verunreinigungsniveaus sind und bevorzugter ganz fehlen.
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Der
Rest ist Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen. Typischerweise
ist jede Verunreinigung mit maximal 0,05% vorhanden, und die Gesamtmenge
der Verunreinigungen sollte etwa 0,3% nicht überschreiten.
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Für
diese Erfindung sollte es sich verstehen, dass bei dem Gussprodukt
bevorzugt kein Ni vorhanden ist, außer als unvermeidbares
Verunreinigungselement. Ni kann bis zu einem Niveau von höchstens etwa
0,05%, z. B. etwa 0,03% oder weniger, toleriert werden. Somit ist
die Gusslegierung im Wesentlichen frei von Ni.
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In
einer Ausführungsform des Gussprodukts der Gusslegierung
gemäß dieser Erfindung besteht die Legierung aus,
in Gew.-%:
Mg 2,8 bis 4,5
Mn 0,5 bis 1,3, bevorzugt 0,55
bis 0,95,
Zn 0,2 bis 0,9
Cu 0,1 bis 0,9, bevorzugt 0,35
bis 0,65,
Ti < 0,2
Sc < 0,4
Si 0,15
bis 1,2, bevorzugt 0,3 bis 0,8,
Fe < 0,85,
wahlweise eines oder mehrere
Elemente ausgewählt aus der Gruppe:
(0,05 bis 0,3
Zr, 0,05 bis 0,3 Cr, 0,05 bis 0,3 V),
Rest Aluminium und Verunreinigungen.
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In
einer weiteren Ausführungsform des Gussprodukts der Gusslegierung
gemäß dieser Erfindung, besteht die Legierung
aus, in Gew.-%:
Mg 4,5 bis 5,2
Mn 0,5 bis 1,3, bevorzugt
0,55 bis 0,95,
Zn 0,2 bis 0,9
Cu 0,1 bis 0,9, bevorzugt
0,35 bis 0,65,
Ti < 0,2
Sc < 0,4, bevorzugt
0,02 bis 0,3
Zr 0,05 bis 0,3
Si 0,15 bis 1,2, bevorzugt
0,3 bis 0,8,
Fe < 0,85,
Rest
Aluminium und Verunreinigungen.
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Im
Anschluss an den Gießvorgang wird das Gussprodukt bevorzugt
einer Lösungswärmebehandlung unterzogen, um so
viel wie möglich an einer vollständigen Lösung
jedweder löslicher Phasen (Eutektika) zuzulassen. Die Lösungswärmebehandlung
wird bevorzugt bei einer Temperatur im Bereich von 480°C
bis unter die Solidustemperatur der betreffenden Aluminiumlegierung
ausgeführt, bevorzugt bei einer Temperatur von 560°C
oder weniger, für eine Durchwärmzeit von bis zu
15 Stunden, zum Beispiel in einem Bereich von 4 bis 10 Stunden.
Im Anschluss an die Lösungswärmebehandlung wird
das Gussprodukt rasch abgekühlt, um die unkontrollierte Fällung
von Sekundärphasen zu verhindern oder zu minimieren, was
sich ansonsten nachteilig auf die Zähigkeit des Gussprodukts
auswirken würde.
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Das
rasch abgekühlte Gussprodukt kann anschließend
durch natürliches Altern gealtert werden, typischerweise
bei Raum- bzw. Umgebungstemperatur, oder durch künstliches
Altern. Künstliches Altern erfolgt typischerweise durch
eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von
etwa 150°C bis 195°C. Typische Durchwärmzeiten
betragen etwa 5 bis 12 Stunden. Alternativ kann eine nicht isothermische
Alterungsmethode wie in der
WO-2007/106772-A2 angewendet werden.
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Die
Aluminiumgusslegierung gemäß der Erfindung kann
durch Anwenden verschiedener Gusstechniken verarbeitet werden. Die
besten Ergebnisse werden erzielt, wenn das Aufbringen über
Dauerformgießen, Druck- bzw. Spritzgießen, Pressgießen, Ablationsguss
bzw. ablatives Gießen, Sandgießverfahren oder
Derivaten bzw. Ableitungen von diesen Verfahren erfolgt. Insbesondere
wenn Druck- bzw. Spritzgießverfahren angewendet werden,
einschließlich Vakuumdruck- bzw. -spritzgießverfahren,
wird die Kombination von erwünschten Eigenschaften und Gieß-
bzw. Vergießbarkeitsmerkmalen erzielt. Es versteht sich
hier, dass das Druck- bzw. Spritzgießen Hochdruckspritz-
bzw. -druckgießvorgänge enthält.
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Die
Erfindung besteht auch aus einem Produkt, das aus der oben angegebenen
Aluminiumgusslegierung hergestellt ist. Typische Beispiele für solche
Gussprodukte sind mittels Druck- bzw. Spritzgießen, insbesondere
Hochdruck-Spritzgießen hergestellte Sicherheitsteile, Fahrzeugräder,
Lenkräder, Lenksäulen, Airbag-Module/-Dosen, Bremstrommeln und
Rahmenteile für Fahrzeuge wie beispielsweise Rahmenteile
für Kraftfahrzeuge und Züge.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 6277217
B1 [0004]
- - US 4847048 [0005]
- - WO 2007/106772 A2 [0024]