DE102009036056A1 - Impact-resistant aluminum alloy suitable for thick-walled die castings, especially crank cases, has specified composition - Google Patents

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Abstract

Expressed as percentages by weight, the die casting alloy composition comprises: Si 9.0-10.0, Cu 1.0-2.0, Mg 0.10-0.30, Cr up to 0.20, Fe up to 1.2, Mn up to 0.8. Given Fe content of 0.60-1.2, the Mn content is 0.30-0.50. Alternatively with Fe content of up to 0.60, the Mn content is 0.30-0.80. At least one of Sr, Na and Sb is present, the respective quantities being adjusted to 70-250 ppm, 40-100 ppm and 0.08-0.4 wt%. At least one of Ti, Zr, Hf, and B is present, their total content being 0.08-0.40 wt%, with individual contents in the range 0.08-0.3 wt%. Al makes up the remainder of the alloy. The ratio Fe:Mn is less than 4:1. At least one of the following is present, in each case expressed as a maximum percentage by weight: Zn 1.2, Ni 0.30, Pb 0.15 and Sn 0.10.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Druckgusslegierung, die geeignet ist, um dickwandige Druckgussteile herzustellen. Bei dem Druckgussteil kann es sich insbesondere um ein Kurbelgehäuse handeln.The The invention relates to an aluminum die cast alloy suitable is to produce thick-walled die-cast parts. In the die-cast part can it is in particular a crankcase.

Kurbelgehäuse werden zunehmend nicht mehr aus Grauguss, sondern aus Aluminium beziehungsweise Aluminiumlegierungen hergestellt und in einem Druckgussverfahren gefertigt, um Leichtbaukonzepte im Automobilbau zu realisieren. Um bei der Leichtbauweise eine weitere Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs zu erreichen, werden die Kurbelgehäuse immer höheren mechanischen als auch thermischen Belastungen ausgesetzt.crankcase are increasingly no longer made of gray cast iron, but of aluminum or aluminum alloys produced and in a die-casting process manufactured to realize lightweight construction concepts in the automotive industry. To the lightweight construction, a further reduction in fuel consumption To reach, the crankcases are getting higher exposed to mechanical and thermal stresses.

Die Legierung EN AC-AlSi9Cu3(Fe), die derzeit Einsatz für den obigen Anwendungszweck findet, weist eine erhebliche Sprödigkeit auf und ist kerbempfindlich, so dass insbesondere in den dickwandigen und thermomechanisch hoch belasteten Lagerstuhlbereichen der Kurbelgehäuse, bedingt durch eine schlechte Gussgüte bei der Erstarrung durch Bildung von Lunkern, von grober Gefügeausbildung und/oder von Heißrissen, Dauerbrüche in kerbwirkenden Bohrungen und Geometrien der Lagerstühle zum Versagen des Kurbelgehäuses führen können. Durch die erstarrungsbedingte schlechte Gussgüte ergibt sich eine geringe Werkstoffduktilität bzw. dynamische Festigkeit, obwohl der Abguss meist nicht mehr wasserabgeschreckt, sondern an Luft gekühlt und dann sogar zusätzlich stabilisierungsgeglüht wird. Eine Verbesserung der Kurbelgehäuse durch Verwendung eines duktileren, höherwertigen Kokillengusses anstelle eines Druckgusses würde aber zu hohen Mehrkosten der Kurbelgehäuse führen.The Alloy EN AC-AlSi9Cu3 (Fe), currently in use for the The above application has considerable brittleness on and is notch sensitive, so especially in the thick-walled and thermomechanically highly loaded bearing block areas of the crankcase, due to a poor casting quality during solidification through the formation of voids, rough structure formation and / or of hot cracks, fatigue fractures in notched holes and geometries of the bearing blocks for failure of the crankcase being able to lead. Due to the solidification-related bad Gussgüte results in a low material ductility or dynamic strength, although the casting is usually no longer water-quenched, but cooled in air and then even in addition stabilization annealed. An improvement of the crankcase by using a more ductile, higher quality chill casting instead of a die-cast but would cost too much lead the crankcase.

Die aus dem Stand der Technik bekannte, heutzutage verwendete Legierung A226D nach DIN EN 1706 mit der chemischen Normbezeichnung EN AC-AlSi9Cu3(Fe) setzt sich aus 8,0 bis 11,0% Si; max. 1,3% Fe; 2,0–4,0% Cu; max. 0,55% Mn; 0,05–0,55% Mg; max. 0,15% Cr, max. 0,55% Ni, max. 1,2% Zn; max. 0,35% Pb; max. 0,25 Sn und max. 0,25% Ti, wobei stets Gewichtsprozent gemeint sind, zusammen. Andere Beimengungen liegen in der Gesamtheit nicht über 0,25% und einzeln nicht über 0,05%.The Alloy A226D according to the prior art known today DIN EN 1706 with the chemical standard EN AC-AlSi9Cu3 (Fe) consists of 8,0 to 11,0% Si; Max. 1.3% Fe; 2.0-4.0% Cu; Max. 0.55% Mn; 0.05-0.55% Mg; Max. 0.15% Cr, max. 0.55% Ni, max. 1.2% Zn; Max. 0.35% Pb; Max. 0.25 Sn and max. 0.25% Ti, where always weight percent is meant together. Other admixtures are not more than 0.25% in total and individually not more than 0.05%.

Aus der DE 1 033 237 41 B3 ist ferner eine hoch- und warmfeste, zähe Al-Gusslegierung bekannt, die bei Temperaturen von 150°C oder darüber ihre Festigkeitswert beibehält und bei Temperaturen von bis zu 240°C eine geringere irreversible Wärmeausdehnung durch reduzierte Phasenbildung und eine erhöhte thermomechanische Stabilität aufweist. Diese Al-Gusslegierung enthält 5,5–7,5 Gew.-% Si; 0,20–0,32 Gew.-% Mg; 0,03–0,5 Gew.-% Zr und/oder 0,03–1,50 Gew.-% Hf; 0–0,20 Gew.-% Ti; < 0,20 Gew.-% Fe; < 0,50 Gew.-% Mn; < 0,05 Gew.-% Cu; < 0,07 Gew.-% Zn und ist jeweils zu 100 Gew.-% mit Aluminium ergänzt.From the DE 1 033 237 41 B3 Furthermore, a high and heat resistant, tough Al casting alloy is known which retains its strength value at temperatures of 150 ° C or above and at temperatures of up to 240 ° C has a lower irreversible thermal expansion due to reduced phase formation and increased thermomechanical stability. This Al casting alloy contains 5.5-7.5 wt% Si; 0.20-0.32 wt.% Mg; 0.03-0.5 wt% Zr and / or 0.03-1.50 wt% Hf; 0-0.20% by weight of Ti; <0.20 wt% Fe; <0.50 wt% Mn; <0.05% by weight of Cu; <0.07 wt .-% Zn and is supplemented in each case to 100 wt .-% with aluminum.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es wünschenswert, eine Aluminium-Druckgusslegierung bereitzustellen, die gute Gießeigenschaften aufweist und gegenüber dem Stand der Technik legierungstechnisch duktiler beziehungsweise kerbunempflindlicher ist.outgoing From this prior art, it is desirable to have a To provide aluminum die casting alloy, the good casting properties and compared to the prior art alloy technology more ductile or not kerbunempflindlicher.

Ferner soll die Al-Druckgusslegierung warmbeständig sein, eine gute Wärmeleitfähigkeit sowie eine geringe irreversible Wärmeausdehnung bei 150°C aufweisen. Zudem ist es wünschenswert, dass die Al-Druckgusslegierung eine gute Anbindung als Umguss zu eingegossenen verschleißfesten Fe- oder Al-Buchsen/Linern bereitstellt.Further The Al die-casting alloy is said to be heat resistant, one good thermal conductivity as well as a low irreversible Have thermal expansion at 150 ° C. In addition is it is desirable that the Al die cast alloy be a good one Connection as encapsulation to cast wear-resistant Fe or Al jacks / liners provides.

Diese Aufgabe wird durch eine Al-Druckgusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen ausgeführt.These Task is by an Al-diecasting alloy with the features of claim 1. Further developments are set forth in the subclaims.

Ferner wird eine Verwendung der Aluminium-Druckgusslegierung mit den Merkmalen des Anspruchs 4 zur Herstellung eines dickwandigen Gussteils offenbart.Further is a use of the aluminum die-casting alloy with the features of claim 4 disclosed for producing a thick-walled casting.

Die durch die geringe Erstarrungsgeschwindigkeit von dickwandigen und großteiligen Druckgussteilen hervorgerufenen Erstarrungslunker, Heißrisse und die groben beziehungsweise kerbwirkenden intermetallischen Phasen, die insbesondere an dickwandigen Abschnitten der Druckgussteile auftreten, insbesondere auch an einem Lagerstuhl eines Kurbelgehäuses, können durch die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung (Al-Druckgusslegierung) minimiert werden.The due to the low solidification speed of thick-walled and solidification cavities caused by large-diameter die-cast parts, Hot cracks and the coarse or notch-acting intermetallic phases, especially on thick-walled sections the die castings occur, especially on a storage chair a crankcase, can by the inventive Aluminum die-casting alloy (Al diecasting alloy) can be minimized.

Eine erste Ausführungsform der Al-Druckgusslegierung weist einen Mindestsiliziumgehalt (Si-Gehalt) von 9 Gew.-% auf, um die Fließeigenschaften der Schmelze und deren Speisungsvermögen zu verbessern, so dass ein Auftreten von Heißrissen und Lunkern verringert wird. Indem die Al-Schmelze durch die dann geringere Schmelztemperatur bei gleicher Gießtemperatur länger flüssig bleibt, wird auch die metallische beziehungsweise formschlüssige Anbindung des Al-Umgusses an Eisen-(Fe-Buchsen) oder Al-Buchsen verbessert. Der maximale Si-Gehalt wird dagegen auf 10 Gew.-% beschränkt, um die Legierung nicht zu verspröden.A First embodiment of the Al-diecasting alloy has a Minimum silicon content (Si content) of 9 wt .-% to the flow properties to improve the melt and its feeding capacity, so that the occurrence of hot cracks and voids is reduced becomes. By the Al-melt by the then lower melting temperature remains liquid for the same casting temperature, is also the metallic or positive Connection of the Al encapsulation to iron (Fe sockets) or Al sockets improved. By contrast, the maximum Si content is limited to 10% by weight. so as not to embrittle the alloy.

Die erfindungsgemäße Al-Druckgusslegierung enthält mit 1,0–2,0 Gew.-% deutlich weniger Kupfer (Cu) als Legierungen im Stand der Technik, wodurch vorteilhaft erreicht wird, dass die Wärmeleitfähigkeit und die Bruchdehnung, die für die dynamische Festigkeit ausschlaggebend ist, erhöht wird. Darüber hinaus verbessert der reduzierte Kupfergehalt (Cu-Gehalt) das Korrosionsverhalten der Legierung. Um ein Verspröden der erfindungsgemäßen Legierung zu minimieren, wird auch der Magnesiumgehalt (Mg-Gehalt) 0,10–0,30 Gew.-% beschränkt. Durch die Beschränkungen des Cu- und des Mg-Gehalts wird die Bruchdehnung, die der relevante Parameter für die Dauerbruchfestigkeit ist, um etwa 50% verbessert, während die Zugfestigkeit und die Dehngrenze nahezu konstant bleiben.The Al-die-casting alloy according to the invention contains at 1.0-2.0 wt .-% significantly less copper (Cu) than alloys in the prior art, which is advantageously achieved that the thermal conductivity and the elongation at break, for the dynami strength is decisive, is increased. In addition, the reduced copper content (Cu content) improves the corrosion behavior of the alloy. In order to minimize embrittlement of the alloy according to the invention, the magnesium content (Mg content) is also limited to 0.10-0.30% by weight. Due to the limitations of the Cu and Mg contents, the elongation at break, which is the relevant parameter for the fatigue strength, is improved by about 50%, while the tensile strength and the yield strength remain almost constant.

Das Zulegieren von Eisen (Fe) in Al-Druckgusslegierungen dient dazu, durch gebildete Al12Fe3Si2- beziehungsweise Al9Fe2Si2-Phasen ein Kleben des Druckgussteils in der Druckgussform zu verhindern. Gleichzeitig erstarren diese Phasen jedoch nachteilig vor allem bei dickwandigen Gussteilen nadel- beziehungsweise plattenförmig, so dass sie eine Kerbwirkung entwickeln, dem im Stand der Technik durch Zulegierung von Mangan (Mn) zur Bildung von weniger spröden hexagonalen Al12(Fe,Mn)3Si2-/Al9(Fe,Mn)2Si2-Phasen entgegengewirkt wird. Erfindungsgemäß kann der Eisengehalt bis zu 1,2 Gew.-% und der Mangangehalt bis zu 0,8 Gew.-% betragen, wobei ein Mangangehalt von 0,3–0,5 Gew.-% eingestellt wird, wenn der Eisengehalt im Bereich von 0,6–1,2 Gew.-% liegt, während ein Mangangehalt von 0,3–0,8 Gew.-% eingestellt wird, wenn die Legierung weniger als 0,6 Gew.-% Eisen enthält. Somit kann, wenn die Mangangehalte erhöht werden, die Al-Druckgusslegierung eisenarm sein und dennoch ein Kleben des Gussteils in der Druckgussform vermieden werden. Die hexagonalen Al12Mn3Si2-/Al9Mn2Si2-Phasen sind dabei am wenigsten kerbwirkend. Der erfindungsgemäß höhere Manganzusatz bewirkt ein kompakteres Einformen der hexagonalen Al12(Fe,Mn)3Si2-/Al9(Fe,Mn)2Si2-Phasen und verbessert dadurch auch das interdendritische Speisungsverhalten der Schmelze insbesondere in den dickwandigen Druckgusszonen. Infolgedessen nimmt auch hierdurch die Lunker- und Heißrissbildung ab. In gleicher Weise wirkt ein erfindungsgemäßes Zulegieren von Chrom (Cr) von bis zu 0,20 Gew.-%, da dann gebildete hexagonale Al12(Fe,Cr,Mn)3Si2-/Al9(Fe,Cr,Mn)2Si2-Phasen ebenfalls kompakt und eingeformt bzw. kaum kerbwirkend vorliegen.The alloying of iron (Fe) in Al-die-cast alloys serves to prevent adhesion of the die-cast part in the die-casting mold by formed Al 12 Fe 3 Si 2 or Al 9 Fe 2 Si 2 phases. At the same time, however, these phases disadvantageously solidify, especially in the case of thick-walled castings, in a needle-shaped or plate-like manner, so that they develop a notch effect which is achieved in the prior art by addition of manganese (Mn) to form less brittle hexagonal Al 12 (Fe, Mn) 3 Si 2 - / Al 9 (Fe, Mn) 2 Si 2 phases is counteracted. According to the invention, the iron content may be up to 1.2 wt .-% and the manganese content up to 0.8 wt .-%, with a manganese content of 0.3-0.5 wt .-% is set when the iron content in the range from 0.6 to 1.2% by weight while a manganese content of 0.3 to 0.8% by weight is set when the alloy contains less than 0.6% by weight of iron. Thus, as the manganese contents are increased, the Al die cast alloy may be low in iron and yet avoid sticking of the casting in the die. The hexagonal Al 12 Mn 3 Si 2 - / Al 9 Mn 2 Si 2 phases are the least kerbwirkend. The higher manganese addition according to the invention results in a more compact shaping of the hexagonal Al 12 (Fe, Mn) 3 Si 2 / Al 9 (Fe, Mn) 2 Si 2 phases and thereby also improves the interdendritic feeding behavior of the melt, in particular in the thick-walled die-cast zones. As a result, this also reduces the voids and hot cracking. In the same way, an addition according to the invention of chromium (Cr) of up to 0.20% by weight acts, since then formed hexagonal Al 12 (Fe, Cr, Mn) 3 Si 2 - / Al 9 (Fe, Cr, Mn) 2 Si 2 phases are also compact and molded or hardly present notch effect.

Ferner kann durch die Veredelung der Al-Druckgusslegierung mit 70–250 ppm Strontium (Sr), 40–100 ppm Natrium (Na) oder 0,08–0,40 Gew.-% Antimon (Sb) das zuletzt erstarrende Al/Si-Eutektikum endogen schalenbildend erstarren, wodurch auch der Lunker- und Heißrissbildung entgegengewirkt wird. Die Einformung des Al/Si-Eutektikums erfolgt zudem durch das Veredeln duktil, so dass die dynamische Festigkeit der erfindungsgemäßen Al-Legierung um etwa 10% verbessert wird. Entgegen den Erwartungen verringert sich zudem die irreversible Wärmeausdehnung von wasserabgeschreckten oder Luft-abgekühltem Kurbelgehäusen aus der erfindungsgemäßen Al-Druckgusslegierung bei 150°C von ca. 0,10 auf 0,06%.Further can by refining the Al die-cast alloy with 70-250 ppm strontium (Sr), 40-100 ppm sodium (Na) or 0.08-0.40 wt% Antimony (Sb) the last solidifying Al / Si eutectic endogenously shell-forming solidify, causing the voids and hot cracking counteracted. The formation of the Al / Si eutectic occurs In addition, by refining ductile, so that the dynamic strength the Al alloy according to the invention by about 10% is improved. Contrary to expectations, it also decreases the irreversible thermal expansion of water quenched or air-cooled crankcase of the invention Al die cast alloy at 150 ° C from about 0.10 to 0.06%.

Die Zugabe eines der Elemente Titan (Ti), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf), Bor (B) oder einer Kombination derselben in Summe von 0,08–0,4 Gew.-%, einzeln jeweils von 0,08–0,3 Gew.-%, bewirkt ein Kornverfeinen der Al-Druckgusslegierung. Dadurch werden nicht nur die Festigkeit und die Duktilität der erfindungsgemäßen Al-Druckgusslegierung verbessert, sondern auch deren Gießeigenschaften und Warmbeständigkeit. Um die erfindungsgemäße Al-Druckgusslegierung zu erhalten, wird jeweils, um 100 Gew.-% Al-Druckgusslegierung zu erhalten, mit Aluminium ergänzt.The Adding one of the elements titanium (Ti), zirconium (Zr), hafnium (Hf), Boron (B) or a combination thereof in the total of 0.08-0.4 Wt .-%, each individually from 0.08 to 0.3 wt .-%, causes a Kornverfeinen Al die-cast alloy. This not only strength and the ductility of the invention Al die-cast alloy improves, but also their casting properties and heat resistance. To the inventive Al-die-casting alloy each is added to 100 wt% Al die cast alloy preserved, supplemented with aluminum.

Die so erfindungsgemäß veredelte und korngefeinte Al-Druckgusslegierung ermöglicht damit insbesondere die Herstellung dickwandiger Druckgussteile, bei denen weniger Erstarrungslunker, Heißrisse und grobe beziehungsweise kerbwirkende intermetallische Phasen auftreten.The according to the invention refined and grain-fined Al die-cast alloy thus makes possible in particular the Production of thick-walled die-cast parts, in which less solidification voids, Hot cracks and coarse or notch-acting intermetallic Phases occur.

In einer weiteren Ausführungsform der Al-Druckgusslegierung kann ein Verhältnis des Eisen/Mangangehalts kleiner als 4:1 eingestellt werden, um den erfindungsgemäßen höheren Manganzusatz zu ermöglichen.In a further embodiment of the Al-diecasting alloy can a ratio of iron / manganese content less than 4: 1 are set to the invention to allow higher manganese addition.

Die Veredelung erfolgt bevorzugt mit Strontium, während zum Kornfeinen vorzugsweise Titan oder Zirkonium allein oder eine Titan-Zirkoniumkombination zum Einsatz kommt.The Refining preferably takes place with strontium, while for Kornfeinen preferably titanium or zirconium alone or a titanium-zirconium combination is used.

Die Al-Druckgusslegierung kann in weiteren Ausführungsformen Zink und sonstige Legierungskomponenten beinhalten, jedoch nicht mehr als 1,2 Gew.-% Zink (Zn); bis zu 0,30 Gew.-% Nickel (Ni); bis zu 0,15 Gew.-% Blei (Pb) und/oder bis zu 0,10 Gew.-% Zinn (Sn). Auch hierbei ist die jeweilige Al-Druckgusslegierung mit Aluminium zu 100 Gew.-% Legierung ergänzt.The Al die cast alloy may be used in other embodiments Zinc and other alloying components include, but not more than 1.2% by weight of zinc (Zn); up to 0.30 weight percent nickel (Ni); up to 0.15% by weight of lead (Pb) and / or up to 0.10% by weight of tin (Sn). Also Here, the respective Al-die-casting alloy with aluminum is too 100 wt .-% alloy complements.

Eine Ausführungsform der Legierung bezieht sich auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Al-Drucklegierung zur Herstellung eines dickwandigen Druckgussteils, insbesondere eines Kurbelgehäuses.A Embodiment of the alloy refers to the use the inventive Al-pressure alloy for the production a thick-walled die-cast part, in particular a crankcase.

Diese und weitere Vorteile ergeben sich wie folgt:
Die erfindungsgemäße Al-Druckgusslegierung eignet sich insbesondere zur Darstellung von thermomechanisch hochbelasteten Kurbelgehäusen mit dicken Wandabschnitten, wobei sich bessere Standzeiten sowie höhere Zünddrücke realisieren lassen, während gleichzeitig der Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeugs, in das das Kurbelgehäuse eingebaut ist, reduziert werden kann.These and other advantages are as follows:
The Al-diecasting alloy according to the invention is particularly suitable for the presentation of thermomechanically highly loaded crankcases with thick wall sections, with better service life and higher ignition pressures can be realized while the fuel consumption of the motor vehicle, in which the crankcase is installed, can be reduced.

Die Al-Druckgusslegierung ist gut gießbar, hoch warmbeständig sowie gut wärmeleitend, weist eine hohe Festigkeit bei gleichzeitig hoher Bruchdehnung auf und stellt eine befriedigende Standzeit des Druckgussteils, respektive des Kurbelgehäuses bereit.The Al die casting alloy is easy to cast, high temperature resistant as well as good thermal conductivity, has a high strength at the same time high elongation at break and provides a satisfactory Service life of the die-cast part, respectively of the crankcase ready.

Im Gegensatz zum Stand der Technik, bei dem der Abguss eines Kurbelgehäuses aus EN AC-AlSi9Cu3(Fe) zwecks höherer Duktilität, Wärmeleitfähigkeit und geringerer irreversibler Wärmeausdehnung meist nicht mehr wasserabgeschreckt, sondern luftabgekühlt und zusätzlich stabilisierungsgeglüht wird, kann die erfindungsgemäße Al-Druckgusslegierung auch nach dem Abguss wasserabgeschreckt werden, um ohne technische Nachteile eine schnelle Abkühlung des Druckgussteils zu bewirken.in the Contrary to the prior art, in which the casting of a crankcase from EN AC-AlSi9Cu3 (Fe) for higher ductility, Thermal conductivity and lower irreversible Thermal expansion usually no longer water quenched, but Air-cooled and additionally stabilized can, the Al-diecasting alloy according to the invention be quenched even after pouring water, without technical Disadvantages of rapid cooling of the die-cast part too cause.

Für den Druckgussschritt kommt eine Vielzahl von Druckgussprozessen in Frage, das Druckgussteil kann mittels eines Vakuum unterstützten Druckgussprozesses oder durch das Vacural®-Druckgussverfahren hergestellt werden, denkbar sind aber auch Prozesse wie beispielsweise ein Niederdruck-Kokillenguss. Neben der Abkühlung durch Wasser kann natürlich auch luftgekühlt werden und, wie dem Fachmann bekannt, zur Steigerung der mechanischen Eigenschaften und der Wärmeleitfähigkeit, sowie zur Reduzierung der irreversiblen Wärmeausdehnung, stabilisierungsgeglüht werden. Handelt es sich um einen Vakuum-Druckguss oder um einen Vacural®-Druckguss, so kann auch gemäß einer üblichen T6- beziehungsweise T7-Wärmbehandlung nachbehandelt werden. Während die T6-Wärmebehandlung auf höhere Festigkeiten abzielt, liegen die Vorteile der T7-Wärmebehandlung darin, dass bei einer Belastung des Gussteils durch erhöhte Temperatur praktisch keine Maßänderung auftritt weil die irreversible Wärmeausdehnung minimiert wird, und sich die mechanischen Eigenschaften aufgrund des erzielten Gefüge-Gleichgewichtszustandes nicht mehr ändern. Zudem ist die Duktilität und dynamische Festigkeit verbessert.For the die-casting step, a variety of die-casting processes come into question, the die-cast part can be produced by means of a vacuum assisted die casting process or by the Vacural ® die casting process, but processes such as low pressure die casting are also conceivable. In addition to the cooling by water can of course be air-cooled and, as known in the art, to increase the mechanical properties and thermal conductivity, and to reduce the irreversible thermal expansion, stabilization annealing. If it is a vacuum die casting or a Vacural ® -Druckguss, it can also be post-treated according to a conventional T6 or T7 heat treatment. While T6 heat treatment aims for higher strengths, the benefits of T7 heat treatment are that virtually no dimensional change occurs when the casting is stressed by elevated temperature because irreversible thermal expansion is minimized, and mechanical properties due to the fabric's equilibrium state do not change anymore. In addition, the ductility and dynamic strength is improved.

Um diese dynamisch hochfeste Al-Druckgusslegierung gemäß der Erfindung zu erhalten, wird der Siliziumgehalt in einem Bereich von 9 bis 10 Gew.-% eingestellt. Durch die im Vergleich zur aktuell verwendeten Al-Legierung EN AC-AlSi9Cu3(Fe) eingeschränkten Si-Gehaltsgrenzen werden verbesserte Fließeigenschaften der Schmelze sichergestellt, so dass diese länger flüssig bleibt, sich somit besser in die Druckgussform einspeisen lässt, und sich formschlüssig um die Liner/Buchsen anbindet, während weniger Heißrisse und Lunker gebildet werden. Zudem soll die Legierung nicht durch einen zu hohen Si-Gehalt versprödet werden. Das Zulegieren von Kupfer führt zur Mischkristallaushärtung und in Kombination mit Magnesium zu Kaltausscheidungshärtung und schnellerer Warmausscheidungshärtung von Al2Cu- und Mg2Si-Phasen, was sich günstig auf die statischen Festigkeitseigenschaften auswirkt und die irreversible Wärmeausdehnung des Al-Druckgussgefüges verringert. Bei der im Stand der Technik zum Druckgießen von beispielsweise Kurbelgehäusen verwendeten EN AC-AlSi9Cu3(Fe)-Legierung mit dem hohen Kupfergehalt von 2–4 Gew.-% wird allerdings nicht nur die Wärmeleitfähigkeit, sondern auch die Bruchdehnung der Legierung und damit die dynamische Festigkeit verringert. Zudem verschlechtert sich das Korrosionsverhalten durch einen hohen Kupfergehalt. Um die Vorteile der Kupfer- beziehungsweise Magnesiumphasen zu nutzen, jedoch die durch einen hohen Kupfergehalt bedingten Nachteile zu vermeiden, wird mit 1,0–2,0 Gew.-% Kupfer ein deutlich reduzierter Kupfergehalt für die erfindungsgemäße Al-Druckgusslegierung festgelegt. Um ein Verspröden zu vermeiden, wird neben dem Kupfergehalt auch der Magnesiumgehalt nach oben eingeschränkt und beträgt 0,1–0,3 Gew.-%. In Folge dessen erhöht sich die Bruchdehnung der erfindungsgemäßen Al-Druckgusslegierung um ca. 50% bei fast gleicher Zugfestigkeit und Dehngrenze.In order to obtain this dynamic high-strength Al die casting alloy according to the invention, the silicon content is set in a range of 9 to 10 wt%. The limited Si content limits compared to the currently used Al alloy EN AC-AlSi9Cu3 (Fe) ensure improved flow properties of the melt, so that it remains liquid for a longer time, so that it can be better fed into the die casting die, and form-fit around the liners / Bushes ties, while less hot cracks and voids are formed. In addition, the alloy should not be embrittled by a too high Si content. The alloying of copper leads to solid solution hardening and, in combination with magnesium, to cold precipitation hardening and faster hot precipitation hardening of Al 2 Cu and Mg 2 Si phases, which has a favorable effect on the static strength properties and reduces the irreversible thermal expansion of the Al die cast structure. In the case of the ENAC-AlSi9Cu3 (Fe) alloy with a high copper content of 2-4 wt.% Used in the prior art for die-casting of, for example, crankcases, not only the thermal conductivity but also the elongation at break of the alloy and thus the dynamic elongation Reduced strength. In addition, the corrosion behavior deteriorates due to a high copper content. In order to use the advantages of the copper or magnesium phases, but to avoid the disadvantages caused by a high copper content, with 1.0-2.0 wt .-% copper, a significantly reduced copper content for the inventive Al-diecasting alloy set. In order to avoid embrittlement, in addition to the copper content and the magnesium content is limited upwards and is 0.1-0.3 wt .-%. As a result, the elongation at break of the Al die cast alloy according to the invention increases by about 50% with almost the same tensile strength and yield strength.

Damit das Druckgussteil nach dem Abguss aus der Druckgussform entnommen werden kann, in die vor dem Gießvorgang ein Trennmittel appliziert wurde, enthalten die Druckgusslegierungen mit hohem Kupfer- und Zinkgehalt gemäß Stand der Technik 0,6–1,2 Gew.-% Eisen. Die niedrig erstarrenden Al12Fe3Si2- beziehungsweise Al9Fe2Si2-Phasen verhindern ein Kleben des Gussteils in der Druckgussform. Zur Verhinderung der kerbwirkend nadel- oder plattenförmig erstarrenden Phasen in dickwandigen Bereichen der Gussteile wird gemäß Stand der Technik üblicherweise 0,1–0,5 Gew.-% Mangan zulegiert, wobei weniger spröde wirkende hexagonale Al12(Fe,Mn)3Si2-/Al9(Fe,Mn)2Si2-Phasen eingeformt werden. Abweichend von der Norm hat sich gezeigt, dass zur Fertigung von Kurbelgehäuselagerstühlen ein Verhältnis von Eisen zu Mangan kleiner als 4:1 vorteilhaft ist. Das heißt, dass bei Eisengehalten von bis zu 1,2 Gew.-% ein Mn Gehalt von mehr als 0,3 Gew.-% erforderlich ist.In order for the diecast part to be removed from the die after casting, into which a release agent was applied prior to the casting process, the prior art high copper and zinc die cast alloys contain 0.6-1.2 wt% iron. The low-solidification Al 12 Fe 3 Si 2 or Al 9 Fe 2 Si 2 phases prevent sticking of the casting in the die casting mold. In order to prevent the notch-acting needle- or plate-like solidifying phases in thick-walled areas of the castings, 0.1-0.5 wt .-% manganese is usually added according to the prior art, with less brittle hexagonal Al 12 (Fe, Mn) 3 Si 2 - / Al 9 (Fe, Mn) 2 Si 2 phases are formed. Notwithstanding the standard, it has been shown that for the production of crankcase storage chairs, a ratio of iron to manganese less than 4: 1 is advantageous. That is, with iron levels of up to 1.2% by weight, a Mn content of more than 0.3% by weight is required.

Alternativ kann die erfindungsgemäße Al-Druckgusslegierung auch Fe-arm mit weniger als 0,6 Gew.-% Eisen ausgeführt sein, wobei dann aber ein erhöhter Mangangehalt von 0,3–0,8 Gew.-% eingestellt werden muss, um ein Kleben des Gussteils in der Druckgussform zu vermeiden. Die hier entstehenden hexagonalen Al12(Fe,Mn)3Si2-/Al9(Fe,Mn)2Si2-Phasen weisen die geringste Kerbwirkung auf.Alternatively, the Al diecasting alloy according to the invention can also be designed Fe-arm with less than 0.6 wt .-% iron, but then an increased manganese content of 0.3-0.8 wt .-% must be adjusted to gluing to avoid the casting in the die. The resulting hexagonal Al 12 (Fe, Mn) 3 Si 2 - / Al 9 (Fe, Mn) 2 Si 2 phases have the lowest notch effect.

Die erfindungsgemäße Al-Druckgusslegierung enthält bis zu 0,20 Gew.-% Chrom. Die somit gebildeten hexagonalen Al12(Fe,Cr,Mn)3Si2- bzw. Al9(Fe,Cr,Mn)2Si2-Phasen haben ebenfalls eine geringe Kerbwirkung.The Al die-cast alloy according to the invention contains up to 0.20% by weight of chromium. The thus formed hexagonal Al 12 (Fe, Cr, Mn) 3 Si 2 - or Al 9 (Fe, Cr, Mn) 2 Si 2 phases also have a low notch effect.

Die kompakte Einformung der hexagonalen Al12(Fe,Cr,Mn)3Si2-/Al9(Fe,Cr,Mn)2Si2-Phasen, die aus dem höheren Manganzusatz und/oder dem Chromzusatz resultieren, verbessern das interdendritische Speisungsverhalten der Schmelze, vor allem in den dickwandigen Bereichen des Druckgusses. Das verbesserte interdendritische Speisungsverhalten vermindert die Ausbildung der plattenförmigen, sperrigen Al12(Fe,Mn)3Si2-/Al9(Fe,Mn)2Si2-Phasen, die den Schmelzennachfluss in den bereits erstarrten Aluminiumdendriten behindern würden und sorgen somit dafür, dass die Lunker- und Heißrissbildung abnimmt.The compact incorporation of the hexagonal Al 12 (Fe, Cr, Mn) 3 Si 2 - / Al 9 (Fe, Cr, Mn) 2 Si 2 phases resulting from the higher manganese addition and / or the chromium addition improve the interdendritic feeding behavior the melt, especially in the thick-walled areas of die casting. The improved interdendritic feeding behavior reduces the formation of the plate-shaped, bulky Al 12 (Fe, Mn) 3 Si 2 - / Al 9 (Fe, Mn) 2 Si 2 phases, which would hinder the melting afterflow in the already solidified aluminum dendrites and thus ensure this in that the voids and hot tears decrease.

Indem die erfindungsgemäße Al-Druckgusslegierung durch 0,08–0,40 Gew.-% Sb, 40 bis 100 ppm Na und/oder 70 bis 250 ppm Sr, letzteres wird bevorzugt, veredelt wird, erfolgt die Erstarrung des zuletzt erstarrenden Al/Si-Eutektikums endogen Schalen bildend und nicht mehr endogen breiartig. Auch dies führt zur Vermeidung der Lunker- und Heißrissbildung. Außerdem wird durch die duktile Einformung des Al/Si-Eutektikums die dynamische Festigkeit der Legierung um ca. 10% verbessert. Die irreversible Wärmeausdehnung bei 150°C der aus der Al-Druckgusslegierung hergestellten Kurbelgehäuse, die wasserabgeschreckt oder luftabgekühlt wurden, fällt infolge geringerer Bauteileigenspannungen von 0,1% auf 0,06%.By doing the Al-die-casting alloy according to the invention 0.08-0.40 wt% Sb, 40 to 100 ppm Na and / or 70 to 250 ppm Sr, the latter is preferred, is refined, the Solidification of the last solidifying Al / Si eutectic endogenous shells forming and no longer endogenous mushy. This too leads to avoid voids and hot cracks. Furthermore Ductile deformation of the Al / Si eutectic strengthens dynamic strength the alloy improved by about 10%. The irreversible thermal expansion at 150 ° C made of the Al die-casting alloy Crankcases which have been water quenched or air cooled falls due to lower component residual stresses of 0.1% to 0.06%.

Ein Kornfeinen der Al-Druckgusslegierung lässt sich durch eins der Elemente Titan, Zirkonium und Hafnium sowie gegebenenfalls auch mit Bor oder durch eine Kombination derselben untereinander erreichen. Die einzelnen Elemente können dabei einen Gehalt von 0,08–0,3 Gew.-% aufweisen, in Summe sollen sie jedoch 0,08–0,40 Gew.-% stets bezogen auf das Gesamtgewicht der Legierung, nicht überschreiten. Der alleinige Einsatz von Ti oder Zr oder von einer Ti/Zr-Kombination ergibt dabei ein besonders günstiges Ergebnis des Kornfeinens. Damit wird nicht nur die Festigkeit und Duktilität verbessert, sondern auch Gießeigenschaften und die Wärmebeständigkeit.One Kornfeinen the Al-die-casting alloy can be by one the elements titanium, zirconium and hafnium and optionally also with boron or by a combination of the same. The individual elements can have a content of 0.08-0.3 Wt .-%, but in total they should be 0.08-0.40 Wt .-% always based on the total weight of the alloy, do not exceed. The sole use of Ti or Zr or of a Ti / Zr combination This results in a particularly favorable result of the grain fine. This not only improves strength and ductility but also casting properties and heat resistance.

Durch das Kornfeinen erstarren die zuerst erstarrenden Aluminiumdendriten feiner, wobei diese exogen glattwandig erstarren, was speisungstechnisch günstiger ist, als die exogen rauhwandige Erstarrung ohne Kornfeinen. Auch damit wird die Lunker- beziehungsweise Heißrissbildung in den dickwandigen Druckgusszonen, beispielsweise in den Lagerstühlen von Kurbelgehäusen zurückgedrängt. Ferner werden die Festigkeits- und Bruchdehnungswerte insbesondere in den thermomechanisch hoch belasteten Bereichen der Lagerstühle des Kurbelgehäuses verbessert. Im Falle der Kornfeinung mit der Ti/Zr-Kombination beziehungsweise bei einem Ti- oder Zr-Überschuss werden erfindungsgemäß tetragonale Alx(Ti,Zr,Hf)ySiz- beziehungsweise kubooktaedrische Alx(Zr,Ti,Hf)ySiz-Dispersoide gebildet, die vorteilhaft die Warmfestigkeit der erfindungsgemäßen Al-Druckgusslegierung steigern. Ein Zirkoniumüberschuss verbessert zudem die Wärmeleitfähigkeit der Legierung, da die kubooktaedrischen Al(Zr,Ti,Hf)ySiz-Dispersoide das schlecht wärmeleitfähige Al/Si-Eutektikum überbrücken.The finely hardened aluminum dendrites solidify by fine graining, whereby they solidify exogenously smooth-walled, which is more favorable in terms of feeding technology than the exogenous rough-walled solidification without grain fineness. Even so, the voids or hot cracking in the thick-walled die-cast zones, for example, in the storage chairs of crankcases is pushed back. Furthermore, the strength and elongation at break values are improved, in particular in the areas of the bearing housings of the crankcase subjected to high thermomechanical stress. In the case of grain refining with the Ti / Zr combination or with a Ti or Zr excess, according to the invention tetragonal Al x (Ti, Zr, Hf) y Si z - or cubooctahedral Al x (Zr, Ti, Hf) y Si z Formed dispersoid, which advantageously increase the heat resistance of the Al-die-casting alloy according to the invention. A zirconium excess also improves the thermal conductivity of the alloy, since the cubooctahedral Al (Zr, Ti, Hf) y Si z dispersoids bridge the poorly heat-conductive Al / Si eutectic.

Ein Zinkgehalt von bis zu 1,2 Gew.-% entspricht dem Stand der Technik, und weitere dem Fachmann bekannte Legierungskomponenten beziehungsweise Verunreinigungen entsprechen ebenfalls der für die EN 1706 AC-AlSi9Cu3(Fe)-Legierung gültige Norm. Abweichend zu dieser Norm sind die Gehalte an Ni (max. 0,30 Gew.-%), Pb (max. 0,15 Gew.-%) und Sn (max. 0,10 Gew.-%) in der erfindungsgemäßen Legierung weiter eingeschränkt, um diese nicht zu verspröden. Somit kann aus oben genannten Gründen kann die erfindungsgemäße Legierung vorteilhafterweise anstatt 0,15 bis zu 0,20 Gew.-% Cr enthalten.A zinc content of up to 1.2 wt .-% corresponds to the prior art, and further known to those skilled alloy components or impurities also correspond to those for the EN 1706 AC-AlSi9Cu3 (Fe) alloy valid standard. Deviating from this standard are the contents of Ni (max 0.30 wt%), Pb (max 0.15 wt%) and Sn (max 0.10 wt%) in the alloy according to the invention further limited so as not to embrittle them. Thus, for the above reasons, the alloy of the invention may advantageously contain Cr instead of 0.15 to 0.20 wt%.

Die Anbindung der Al-Druckgusslegierung als Umguss zu eingegossenen Linern beziehungsweise Zylinderlaufbuchsen kann ebenfalls realisiert werden, diese Liner oder Buchsen können sowohl aus einem Fe-Material wie Gusseisen oder aus einer Al-Legierung, insbesondere einer Al/Si-Legierung wie beispielsweise Silitec® gefertigt sein.The connection of the Al die-casting alloy as an encapsulation to cast liners or cylinder liners can also be realized, these liners or bushings can be made both of an Fe material such as cast iron or an Al alloy, in particular an Al / Si alloy such as Silitec ® be.

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  • - EN 1706 [0033] - EN 1706 [0033]

Claims (5)

Al-Druckgusslegierung, geeignet zur Fertigung dickwandiger Druckgussteile, enthaltend: – 9,0 bis 10,0 Gew.-% Si, – 1,0 bis 2,0 Gew.-% Cu, – 0,10 bis 0,30 Gew.-% Mg, – bis zu 0,20 Gew.-% Cr, – bis zu 1,2 Gew.-% Fe und – bis zu 0,8 Gew.-% Mn, wobei die Al-Druckgusslegierung bei einem Gehalt von 0,60 bis 1,2 Gew.-% Fe einen Gehalt von 0,30 bis 0,50 Gew.-% Mn aufweist und wobei die Al-Druckgusslegierung bei einem Gehalt von bis zu 0,60 Gew.-% Fe einen Gehalt von 0,30 bis 0,80 Gew.-% Mn aufweist, – zumindest ein Element aus der Gruppe umfassend Sr, Na und Sb, wobei Sr mit einem Anteil von 70 bis 250 ppm, Na mit einem Anteil von 40 bis 100 ppm und Sb mit einem Anteil von 0,08 bis 0,40 Gew.-% eingestellt wird, – zumindest ein Element aus der Gruppe umfassend Ti, Zr, Hf, B, wobei die Gesamtheit der Gehalte von Ti, Zr, Hf und B von 0,08 bis 0,40 Gew.-% umfasst und wobei ein Gehalt jedes einzelnen Elements aus der Gruppe, das ausgewählt ist, 0,08 Gew.-% nicht unterschreitet und 0,3 Gew.-% nicht überschreitet, – Al mit einem Anteil, der einem Differenzanteil zum Erhalt von 100 Gew.-% der Al-Druckgusslegierung entspricht.Al die-cast alloy, suitable for thick-walled production Die casting parts, containing: From 9.0 to 10.0% by weight Si, 1.0 to 2.0% by weight of Cu, - 0.10 to 0.30 wt.% Mg, Up to 0.20% by weight of Cr, - to to 1.2% by weight of Fe and - Up to 0.8 wt .-% Mn, where the Al die-cast alloy at a content of 0.60 to 1.2 wt% Fe has a content of 0.30 to 0.50 wt .-% Mn and wherein the Al die cast alloy at a level of up to 0.60 wt% Fe has a content of 0.30 to 0.80% by weight of Mn, - at least an element from the group comprising Sr, Na and Sb, where Sr is with in a proportion of 70 to 250 ppm, Na in a proportion of 40 to 100 ppm and Sb in a proportion of 0.08 to 0.40 wt .-% set becomes, At least one element from the group comprising Ti, Zr, Hf, B, wherein the totality of the contents of Ti, Zr, Hf and B from 0.08 to 0.40 wt%, and wherein a content of each individual Elements from the group selected, 0.08% by weight not less than 0.3% by weight, - Al with a content equal to a difference of 100% by weight corresponds to the Al diecasting alloy. Al-Druckgusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhältnis des Fe-Gehalts zu dem Mn-Gehalt kleiner ist als 4:1.Al die cast alloy according to claim 1, characterized That is, a ratio of the Fe content to the Mn content becomes smaller is as 4: 1. Al-Druckgusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Element aus der Gruppe umfassend Zn, Ni, Pb, Sn mit Gehalten von – bis zu 1,2 Gew.-% Zn, – bis zu 0,30 Gew.-% Ni, – bis zu 0,15 Gew.-% Pb, – bis zu 0,10 Gew.-% Sn enthalten ist.Al die cast alloy according to claim 1 or 2, thereby marked that at least one element from the group comprising Zn, Ni, Pb, Sn with contents of Up to 1.2% by weight of Zn, - to to 0.30 wt.% Ni, Up to 0.15% by weight of Pb, - to to 0.10 wt% Sn is included. Verwendung der Al-Druckgusslegierung nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Herstellung eines dickwandigen Druckgussteils.Use of the Al diecasting alloy according to at least one of claims 1 to 3 for producing a thick-walled Pressure casting. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussteil ein Kurbelgehäuse ist.Use according to claim 4, characterized that the die-cast part is a crankcase.
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