DE102011105587A1

DE102011105587A1 - Verbesserte Aluminiumgusslegierung

Info

Publication number: DE102011105587A1
Application number: DE102011105587A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Wenying Yang; Yucong Wang; Patricia E. Shaw
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2011-06-27
Publication date: 2012-02-02
Also published as: CN102312135A; CN102312135B; DE102011105587A8; US8758529B2; US20120000578A1

Abstract

Es werden Aluminiumlegierungen mit verbesserten Eigenschaften bereitgestellt. Die Legierung umfasst etwa 0 bis 2 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 0,5 bis etwa 14 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,1 bis etwa 3,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 2,0 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Scandium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und als Rest Aluminium. Es werden auch Verfahren zur Herstellung von Aluminiumgussteilen beschrieben.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Aluminiumlegierungen und insbesondere auf wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen, die verbesserte mechanische Eigenschaften und speziell eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit bei erhöhten Temperaturen aufweisen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die am häufigsten in Strukturanwendungen in der Kraftfahrzeugindustrie und anderen Industrien verwendeten Aluminiumgusslegierungen umfassen Legierungen der Al-Si-Familie, wie zum Beispiel Aluminiumlegierungen der 200- und 300-Reihen. Sie werden vornehmlich wegen ihrer Gießfähigkeit und maschinellen Bearbeitbarkeit eingesetzt. Bezüglich der Gießfähigkeit wird angenommen, dass eine niedrige Siliciumkonzentration inhärent eine schlechte Gießfähigkeit erzeugt. Obwohl Al-Cu-Legierungen für Hochfestigkeitsanwendungen entwickelt wurden, leiden sie infolge einer starken Warmrissneigung an einer schlechten Gießfähigkeit.
Bei Al-Si-Gusslegierungen (z. B. Legierungen 319, 356, 390, 360, 380) wird die Verfestigung durch Wärmebehandlung nach dem Gießen unter Zusatz verschiedener Legierungselemente, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Cu und Mg erreicht. Die Wärmebehandlung von Aluminiumguss involviert wenigstens einen Mechanismus, der als Alterungshärtung oder Präzipitationsverfestigung beschrieben wird. Eine Wärmebehandlung umfasst im Allgemeinen wenigstens einen oder eine Kombination von drei Schritten: (1) Lösungsbehandlung (auch als T4 definiert) bei einer relativ hohen Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung, oftmals für Zeiten, die 8 Stunden oder mehr übersteigen, um dessen Legierungselemente (gelösten Substanzen) zu lösen und zu homogenisieren oder die Mikrostruktur zu modifizieren; (2) schnelles Abkühlen oder Abschrecken in ein kaltes oder warmes flüssiges Medium, zum Beispiel Wasser, nach Lösungsbehandlung, um die gelösten Elemente in einer supergesättigten festen Lösung zu halten, und (3) künstliche Alterung (T5) durch Halten der Legierung für einen Zeitraum bei einer Zwischentemperatur, die zur Erreichung einer Härtung oder Verfestigung durch Präzipitation geeignet ist. Eine Lösungsbehandlung (T4) dient drei Hauptzwecken: (1) Lösung von Elementen, die später eine Alterungshärtung verursachen werden, (2) Sphärodisierung von ungelösten Bestandteilen und (3) Homogenisierung von Konzentrationen an gelösten Substanzen im Material. Eine Abschreckung nach einer T4-Lösungsbehandlung hält die gelösten Elemente in einer supergesättigten festen Lösung (SSS) und erzeugt auch eine Supersättigung an Leerstellen, die die Diffusion und die Dispersion der Präzipitate verstärkt. Um die Festigkeit der Legierung zu maximieren, sollte die Präzipitation aller verfestigenden Phasen während einer Abschreckung verhindert werden. Eine Alterung (T5, entweder natürliche oder künstliche Alterung) schafft eine kontrollierte Dispersion von verfestigenden Präzipitaten.
Der Zusatz von verfestigenden Elementen, zum Beispiel Cu, Mg und Mn, kann einen signifikanten Effekt auf die physikalischen Eigenschaften der Materialien ausüben. Es wurde beschrieben, dass Aluminiumlegierungen mit einem hohen Kupfergehalt (etwa 3–4%) eine inakzeptable Korrosionsrate, speziell in salzhaltigen Umgebungen erfuhren. Typische Druckguss-(HPDC = high pressure die casting)-Aluminiumlegierungen, zum Beispiel A 380 oder 383, die für Getriebe- und Motorteile verwendet werden, enthalten 2–4% Kupfer. Es kann erwartet werden, dass das Korrosionsproblem dieser Legierungen signifikanter werden wird, insbesondere wenn eine längere Garantiezeit und eine höhere Kraftfahrzeug-Laufleistung verlangt werden.
1 zeigt eine Fotografie einer Getriebeabdeckung, die korrodiert ist. 2 zeigt eine Fotografie, die eine löchrige Oberfläche, bedingt durch das Vorliegen von Q-Phase 10 (Al₅Cu₂Mg₈Si₅), zeigt.
Obgleich es eine kommerzielle Legierung 360 gibt (nominale Gewichtszusammensetzung: 9,5% Si, 1,3% Fe, 0,3% Mn, 0,5% Cu, 0,5% Mg, 0,5% Ni, 0,5% Zn, 0,15% Sn und Rest Al), die für Korrosionsbeständigkeitsanwendungen konzipiert ist, kann diese Legierung das Problem der thermischen Ermüdung über die Gebrauchsdauer aufweisen, speziell bei Hochleistungsmotoranwendungen. Ähnliche Probleme können mit der Legierung auftreten, die im US-Patent Nr. 6 733 726 beschrieben ist.
Demnach besteht ein Bedarf für verbesserte gießfähige Aluminiumlegierungen und Verfahren zur Herstellung derselben.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Diese Erfindung stellt Verfahren und Techniken zur Legierungsoptimierung und zur Guss- und Wärmebehandlungs-Prozesskontrolle bereit, um gießfähige und wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften und mit verbesserter Korrosionsbeständigkeit, wie Strukturanwendungen bei Raumtemperatur und erhöhter Temperatur herzustellen.
Ein Aspekt der Erfindung ist eine Aluminiumlegierung. Im Allgemeinen kann die Legierung etwa 0 bis 2 Gew.-% Seltenerdelemente, etwa 0,5 bis etwa 14 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,1 bis etwa 3,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 2,0 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Scandium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium umfassen.
Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgussteils. In einer Ausführungsform umfasst das Verfahren: Bereitstellen einer Aluminiumlegierung, die im Wesentlichen aus 0 bis etwa 2,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 0,5 bis etwa 14 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,1 bis etwa 3,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 2,0 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Scandium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht; Erwärmen der Aluminiumlegierung auf oberhalb des Schmelzpunkts; Gießen der erwärmten Aluminiumlegierung in ein Formwerkzeug; Kühlen der Aluminiumlegierung unter Bildung des Teils und optional Wärmebehandlung des Teils.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Fotografie einer korrodierten Aluminium-Getriebeabdeckung.
2 ist eine Fotografie, die löchrige Oberflächenkavitäten infolge des Vorliegens von Q-Phase 10 (Al₅Cu₂Mg₈Si₅) zeigt.
3 ist ein errechnetes Phasendiagramm einer Aluminiumgusslegierung, die Phasentransformationen als Funktion des Cu-Gehalts zeigt.
4 ist ein errechnetes Phasendiagramm einer Aluminiumgusslegierung, die Phasentransformationen als Funktion des Mg-Gehalts zeigt.
5 ist ein errechnetes Phasendiagramm einer Aluminiumgusslegierung (Al-Si-Mg-Cu), die den Einfluss der Mg- und Si-Gehalte auf die Nullphasen-Fraktion (Zero Phase Fraktion (ZPF)) von Q-Phasen-(Al₅Cu₂Mg₈Si₆)-Kurven zeigt.
6 ist ein errechnetes Phasendiagramm einer Aluminiumgusslegierung (Al-Cu-0,3% Mg-9% Si), das Phasentransformationen als Funktion des Cu-Gehalts und den Einfluss von Gd und Y auf die Nullphasen-Fraktion (ZPF) von Q-Phasen(Al₅Cu₂Mg₈Si₆)-Kurven zeigt.
7 zeigt Kristallstrukturen der D0₂₂, D0₂₃ und L1₂-Trialuminid-Verbindungen und die Aluminium-fcc-Struktur.
8 ist ein Graph, der das Diffusionsvermögen bzw. die Diffusivitäten von Legierungselementen in Aluminium als Funktion der Temperatur zeigt.
9 ist eine Korrelation zwischen den Durchbruchspotentialen in entlüfteter 0,5 M NaCl-Lösung mit pH 3,56 und dem Legierungs-Cu-Gehalt.
10 ist ein Graph, der den Porositätsgehalt, wie er durch Bildanalyse gemessen wird, gegenüber der Cu-Menge in der Legierung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es werden Aluminiumlegierungen mit hoher Festigkeit und mit hoher Korrosionsbeständigkeit bereitgestellt. Im Vergleich zu den kommerziellen Legierungen 360 und 380 sollten diese Legierungen bessere Korrosionsbeständigkeit und bessere mechanische Eigenschaften aufweisen.
Die verbesserte Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit der Aluminiumgusslegierungen erweitert ihre Akzeptanz und Verwendung in Strukturanwendungen mit Herausforderungen hinsichtlich der Umgebung, zum Beispiel in Motorblöcken, Zylinderköpfen, Getriebegehäusen und Fahrwerkskomponenten. Ein weiterer Vorteil besteht in einer merklichen Verringerung der Garantiekosten für Aluminiumgusskomponenten in Kraftfahrzeuganwendungen.
Die Legierung kann wenigstens ein Seltenerdelement, zum Beispiel Lanthan, Ytterbium, Gadolinium, Neodym, Erbium, Holmium, Thulium und Cer, umfassen. Die Legierung kann auch wenigstens eines der Gießfähigkeits- und Festigkeitsverstärkungselemente enthalten, zum Beispiel Silicium, Mangan, Eisen, Kupfer, Zink, Silber, Magnesium, Nickel, Germanium, Zinn, Calcium und Scandium, Yttrium und Kobalt. Die Mikrostruktur der Legierung kann wenigstens ein oder mehrere unlösliche verfestigte und/oder präzipitierte Partikel mit wenigstens einem Seltenerdelement oder einem Legierungselement umfassen.
Im Allgemeinen besteht die Legierung im Wesentlichen aus etwa 0 bis etwa 2,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 0,5 bis etwa 14 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,1 bis etwa 3,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 2,0 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Scandium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium.
In einer Ausführungsform, bei der die Legierung eine vollständige Lösungs- und Alterungsbehandlung durchmachen wird (z. B. T6/T7 = T4 + T5), besteht die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus 0 bis etwa 1,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 6 bis etwa 13 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 1,5 Gew.-% Zink, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium.
In einer anderen Ausführungsform, bei der die Legierung in ”wie gegossen”-Zustand verwendet werden wird, besteht die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 10 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer, etwa 1,0 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5 Gew.-% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium
In einer anderen Ausführungsform, bei der die Legierung T5-Bedingungen unterworfen wird, besteht die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus etwa 0 bis 1 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 10 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-Zink, etwa 0,2 bis etwa 0,4 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium.
In einer anderen Ausführungsform, bei der die Legierung unter Verwendung von T4-Bedingungen behandelt wird, besteht die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus 0 bis etwa 1 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 12 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Zink, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und als Rest Aluminium.
In einer Ausführungsform ist die Summe der Menge an Kupfer plus der Menge an Nickel im Allgemeinen kleiner als etwa 4,0% und ist das Verhältnis der Menge an Nickel zu der Menge an Kupfer im Allgemeinen größer als etwa 1,5.
Kontrollierte Verfestigung und Wärmebehandlung verbessert die mikrostrukturelle Gleichmäßigkeit und Verfeinerung und stellt die optimale Struktur und die optimalen Eigenschaften für die spezifischen Gießbedingungen bereit. Die Legierung kann unter Verwendung von Sr mit einem bevorzugten Gehalt von nicht weniger als etwa 0,015 Gew.-% modifiziert werden und mit Ti und B in einer Konzentration von nicht weniger als etwa 0,15 Gew.-% bzw. etwa 0,005 Gew.-% kornverfeinert werden.
Für herkömmliches Druckgießen liegt die Lösungsbehandlungstemperatur für die vorgeschlagenen Legierungen typischerweise zwischen etwa 400°C und etwa 500°C mit einem bevorzugten Temperaturbereich von etwa 450°C bis etwa 480°C. Das schnelle Abkühlen der Gusserzeugnisse kann durch Abschrecken der Gusserzeugnisse in warmer Wasser, forcierter Luft oder Gasen erreicht werden. Die Alterungstemperatur liegt im Allgemeinen zwischen etwa 160 und etwa 250°C mit einem bevorzugten Temperaturbereich von etwa 180 bis etwa 220°C.
Wenn Legierungen für eine Voll-T6/T7- oder T4-Wärmebehandlung verwendet werden, sollte die Lösungsbehandlungstemperatur weder niedriger als etwa 400°C noch höher als etwa 500°C sein. Die bevorzugte Lösungsbehandlungstemperatur sollte auf zwischen etwa 450°C und etwa 480°C reguliert werden.
Wenn Legierungen unter ”wie gegossen”- oder T5-Bedingungen verwendet werden, können hohe Gehalte an Kupfer (bis zu etwa 0,5%) und Magnesium (bis zu 0,4%) verwendet werden, wenn die Gusserzeugnisse abgeschreckt werden, wenn sich diese nach der Verfestigung bei einer Temperatur oberhalb von etwa 400°C befinden. Ansonsten sollte die Obergrenze des Kupfer- und Magnesiumgehalts bei etwa 0,2 Gew.-% bzw. 0,3 Gew.-% liegen.
Wenn ein hoher Si-Gehalt (nahezu eutektische Zusammensetzung 12–14% Si) verwendet wird, sollte ein hoher Gehalt an Mg (über etwa 0,45%) und B (etwa 0,05 bis etwa 0,1 Gew.-%) verwendet werden, um die eutektischen (Al + Si)-Körner zu verfeinern.
Die obigen Zusammensetzungsbereiche können auf der Basis von Leistungsanforderungen eingestellt werden.
Verbesserte Verfestigung
Aluminiumgusslegierungen werden üblicherweise vor der maschinellen Verarbeitung einer Wärmebehandlung, einschließlich wenigstens einer Alterung, unterworfen. Eine künstliche Alterung (T5) produziert eine Präzipitationshärtung durch Erwärmen der Aluminiumgusserzeugnisse auf eine Zwischentemperatur und dann Halten der Gusserzeugnisse für einen Zeitraum, um eine Härtung oder Verfestigung durch Präzipitation zu erreichen. Im Hinblick darauf, dass Präzipitationshärtung ein kinetischer Prozess ist, spielen die Gehalte (Supersättigung) an zurückgehaltenen gelösten Elementen in der ”wie gegossenen” festen Aluminiumlösung eine wichtige Rolle bei den Alterungsreaktionen der Aluminiumgusserzeugnisse. Daher ist der tatsächliche Gehalt der härtenden gelösten Substanzen in der weichen Aluminiummatrixlösung nach einem Gießen für eine anschließende Alterung wichtig. Eine hohe Kühlungsrate, wie sie zum Beispiel im HPDC-Verfahren gefunden wird, resultiert in einer höheren Elementenkonzentration in der Aluminiumlösung im Vergleich zu einer geringeren Abkühlungsrate, wie sie im Sandgussverfahren gefunden wird.
Mg, Cu und Si sind wirksame härtende gelöste Substanzen in Aluminiumlegierungen. Mg kombiniert mit Si unter Bildung von Mg/Si-Präzipitaten, zum Beispiel β''-, β'- und Gleichgewichts-Mg₂Si-Phasen. Der tatsächliche Präzipitattyp, die Präzipitatmenge und die Präzipitatgrößen hängen von Alterungsbedingungen ab. Eine Unteralterung tendiert dazu, scherbare β'-Präzipitate zu bilden, während sich unter Spitzen- und Überalterungsbedingungen nicht-scherbare β- und Gleichgewichts-Mg₂-Si-Phasen bilden. Bei Aluminiumlegierungen kann Si allein Si-Präzipitate bilden, allerdings ist die Verfestigung sehr begrenzt und nicht so wirksam wie bei Mg/Si-Präzipitaten. Cu kann sich mit Al unter Bildung vieler metastabiler Präzipitatphasen, zum Beispiel θ', θ bei Al-Si-Mg-Cu-Legierungen, verbinden. Ähnlich wie bei Mg/Si-Präzipitaten hängt der tatsächliche Präzipitattyp, die tatsächliche Präzipitatgröße und die Menge von den Alterungsbedingungen und den Legierungszusammensetzungen ab. Unter solchen Präzipitaten bei Aluminiumgusslegierungen können Al/Cu-Präzipitate und Siliciumpräzipitate im Vergleich zu Mg/Si-Präzipitaten eine hohe Temperatur aushalten.
Bei herkömmlichen HPDC-Legierungen ist der maximale Mg-Gehalt typischerweise kleiner als etwa 0,1%. In der Praxis kann der tatsächliche Mg-Gehalt in den Legierungen viel niedriger sein. Als Resultat würde keine Verfestigung/Härtung infolge von Mg/Si-Präzipitaten erwartet, und zwar selbst im T5-Härtungsverfahren nicht. Die einzige mögliche Verfestigung/Härtung würde von Al/Cu-Präzipitaten erwartet. Allerdings wird in einer derzeitigen Produktion die Verfestigung aus einer Al/Cu-Präzipitation auch begrenzt, da der tatsächliche Cu-Gehalt in der ”wie gegossenen” Aluminiummatrix sehr gering ist (nahezu Null, wie aus Thermodynamik errechnet (siehe 3)), insbesondere wenn die Komponenten nach der Verfestigung langsam gekühlt werden. Obgleich ein hoher Cu-Gehalt, zum Beispiel etwa 3%, in der flüssigen Schmelze der herkömmlichen HPDC-Legierung enthalten ist, ist der Hauptteil des Cu während einer Verfestigung mit Fe und anderen Elementen verbunden, welche intermetallische Phasen, zum Beispiel die Q-Phase (Al₅Cu₂Mg₈Si₆), bilden, welche keine Alterungsreaktionen aufweisen, wenn die Komponente/das Teil keine Hochtemperaturlösungsbehandlung durchmacht. Es wurde auch gefunden, dass die Q-Phasen-Partikel für Korrosion verantwortlich sind und speziell für Spannungskorrosionsrissbildung. Daher sollte der Cu-Gehalt für Gusserzeugnisse, die nur dem T5-Alterungsverfahren unterzogen werden, niedrig gehalten werden, zum Beispiel unterhalb von etwa 0,5%, so dass die gesamte Cu-Zugabe nach der Verfestigung in fester Al-Lösung bleibt. Wenn die Legierungen einer Vollwärmebehandlung unterzogen werden (zum Beispiel T6 oder T7), kann der Cu-Gehalt auf etwa 2 Gew.-% erhöht werden. Es ist vorteilhaft, für korrosionsbeständige Anwendungen den Kupfergehalt auf unterhalb von etwa 1,5 Gew.-% und sogar unterhalb von etwa 1,0 Gew.-% zu regulieren.
Wie in 3 gezeigt ist, kann die Q-Phase vollständig gelöst werden, wenn das Gusserzeugnis für eine genügende Zeit bei einer Temperatur über etwa 450°C gehalten wird. Aus den thermodynamischen Berechnungen wird auch gesehen, dass ein Zusatz von 0,4 Gew.-% Fe, 0,1 Gew.-% Gd, 0,1 Gew.-% Ge, 0,5 Gew.-% Mn, 0,5 Gew.-% Ni, 0,1 Gew.-% Sc, 0,25 Gew.-% Sn, 0,05 Gew.-% Sr, 0,15 Gew.-% Ti, 0,25 Gew.-% Y, 0,75 Gew.-% Zn und 0,1 Gew.-% Zr zu einer quaternären Legierung (Al-Cu-0,3 Gew.-% Mg-9 Gew.-% Si, diamantenförmige Punkte in 3) die Kurve der Nullphasen-Fraktion (ZPF) der Q-Phase (Al₅Cu₂Mg₈Si₆) auf eine niedrigere Temperatur absenkt, was wünschenswert ist.
Um die Alterungsreaktion einer Aluminiumgusslegierung weiter zu verbessern, sollte der Magnesiumgehalt in der Legierung bei nicht weniger als etwa 0,2 Gew.-% gehalten werden, wobei die bevorzugte Konzentration über etwa 0,3 Gew.-% ist. Für die Gusserzeugnisse, die nur dem T5-Alterungsverfahren unterworfen werden, sollte der maximale Mg-Gehalt unterhalb von etwa 0,4% gehalten werden, wobei die bevorzugte Konzentration etwa 0,35% ist, so dass der Hauptteil der Mg-Zugabe in einer festen Al-Lösung nach schneller Verfestigung wie beim Druckgießen bleiben wird (4).
Es ist auch interessant, zu bemerken, dass eine Zugabe von 0,4 Gew.-% Fe, 0,1 Gew.-% Gd, 0,1 Gew.-% Ge, 0,5 Gew.-% Mn, 0,5 Gew.-% Ni, 0,1 Gew.-% Sc, 0,25 Gew.-% Sri, 0,05 Gew.-% Sr, 0,15 Gew.-% Ti, 0,25 Gew.-% Y, 0,75 Gew.-% Zn und 0,1 Gew.-% Zr zu einer quaternären Legierung (Al-Mg-1 Gew.-% Cu-9 Gew.-% Si), 4, keine Q-Phasen(Al₅Cu₂Mg₈Si₆)-Zone bildet, wenn der Mg-Gehalt unter etwa 0,18 Gew.-% gehalten wird. Dies zeigt, dass keine Q-Phase in dem Gusserzeugnis existiert, ganz gleich, wie langsam das Gusserzeugnis gekühlt wird.
Nach thermodynamischen Berechnungen, wie sie in 5 für ein Al-Si-Mg-Cu-System gezeigt sind, ist zu erkennen, dass ein abnehmender Mg-Gehalt die Bildung einer Q-Phase auf eine niedrigere Temperatur drückt. Eine Erhöhung von Si von 0,5% auf 9% hat keinen wahrnehmbaren Einfluss auf die Kurve der Nullphasen-Fraktion (ZPF) im Phasendiagramm.
Seltenerdelemente können der Legierung zugesetzt werden, um die Hochtemperatureigenschaften durch die Bildung von dispergierten unlöslichen Partikeln während einer eutektischen Verfestigung zu verbessern. In einem Beispiel enthält die Aluminiumlegierung etwa 0,5 Gew.-% wenigstens eines der Seltenerdelemente, zum Beispiel Lanthan, Ytterbium, Gadolinium, Erbium und Cer, für die Gusserzeugnisse, die unter ”wie gegossen” (ohne Wärmebehandlung)-Bedingungen verwendet werden. Basierend auf thermodynamischen Berechnungen, 6, wird ein Zusatz von Spurenelementen zu Aluminiumgusslegierungen keinen nachteiligen Einfluss auf die Bildung der Q-Phase zufügen. Wie in 6 gezeigt ist, ist die ZPF-Kurve der Q-Phase bei Zusatz von Y (0,5 Gew.-%) und dem Seltenerdelement Gd (0,5 Gew.-%) unverändert
Verbessertes Hochtemperaturverhalten
Die entwickelten Aluminiumgusslegierungen haben gute Eigenschaften bei erhöhter Temperatur, da die Legierungen eine große Volumenfraktion an dispergierten Phasen enthalten, die bei der vorgesehenen Betriebstemperatur thermodynamisch stabil sind. Mit Zusätzen von Fe, Ni und Mn in den Aluminiumgusslegierungen bildet sich eine signifikante Menge an thermisch stabilen eutektischen dispergierten Phasen, zum Beispiel Al₃Ni, Al₅FeSi, Al₁₅FeMn₃Si₂, und anderen intermetallischen Phasen während einer Verfestigung. Der Zusatz von Sc, Zr, Y und Seltenerdmetallen, zum Beispiel Yb, Er, Ho, Tm und Lu, bildet auch Trialuminidverbindungen. Sc-, Er- und Yb-Trialuminid kristallisieren insbesondere in der L1₂-Struktur, die bei hohen Temperaturen stabil ist.
Andere tetragonale Kristallstrukturen (D0₂₂ oder D0₂₃) von Trialuminiden, zum Beispiel Al₃Ti, Al₃Zr, Al₃Lu, Al₃Y, usw., sind mit der L1₂-Struktur (7) eng verwandt und können außerdem in den kubischen Hochsymmetrie-L1₂-Kristall transformiert werden, indem mit Übergangselementen der vierten Periode, zum Beispiel Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu und Zn, legiert wird. Darüber hinaus präzipitiert das intermetallische Al₃Zr als kohärente metastabile L1₂-Form. Ein partieller Einsatz von Ti für Zr verringert die Gitterfehlordnung des L1₂-Präzipitats mit der Al-Matrix, wodurch die Barriere zur Kristallkeimbildung verringert wird, die Stabilität der L1₂-Phase erhöht wird und die Transformation zur tetragonalen Phase sehr wesentlich verzögert wird. Schließlich ist Zr ein viel trägerer Diffusor in Al als Sc (8), was eine erhöhte Vergröberungsbeständigkeit bieten kann, da die Kinetik der Ostwald-Reifung durch Volumendiffusion vermittelt wird, wenn die gelöste Substanz von den schrumpfenden Partikeln zu den wachsenden durch die Matrix übertragen wird.
Verbesserte Korrosionsbeständigkeit

In Cu enthaltenden Aluminiumlegierungen verbessert eine Verringerung des Cu-Gehalts die Korrosionsbeständigkeit des Materials. Meng und Frankel haben die Wirkung des Cu-Gehalts auf das Korrosionsverhalten von Aluminiumlegierungen der 7xxx-Reihe untersucht. Qingjiang Meng und G. S. Frankel, "Effect of Cu Content on Corrosion Behavior of 7xxx Series Aluminum Alloys", Journal of the Electrochemical Society, 151–155 B271–B283, 2004. Es wurde gefunden, dass zwei Durchschlagspotentiale für alle untersuchten Legierungen, außer die Cu-freie AA7004, beobachtet wurden, was die Abnahme der Korrosionsbeständigkeit mit Zusatz von Cu anzeigt. Die Daten für die Durchschlagspotentiale sind in Tabelle 1 aufgelistet. 9 zeigt die Beziehung zwischen den Durchschlagspotentialen und dem Kupfergehalt der Legierung auf einer halblogarithmischen Skala. Für die Cu enthaltenden Legierungen erhöhten sich beide Durchschlagspotentiale logarithmisch mit steigendem Cu-Gehalt. Die Differenz zwischen den zwei Durchschlagspotentialen für Cu enthaltende Legierungen war nahezu konstant, 52–70 mV, wie es in Tabelle 1 und 9 gezeigt ist. Für Cu-freie AA7004 wurde nur das zweite Durchschlagspotential (E₂) betrachtet und es war mit einer stabilen Auflösung verbunden. Tabelle 1. Durchschlagspotentiale für AA7xxx-T6 in entlüfteter 0,5 M NaCl-Lösung mit pH 3,56

Legierung	E₁ (mV_SCE)	E₂ (mV_SCE)	E₁–E₂ (mV)
7004	N/A	–951 ± 3	N/A
7039	–905 ± 4	–835 ± 6	70
7029	–821 ± 3	–766 ± 1	55
7075	–780 ± 4	–720 ± 2	60
7050	–751 ± 3	–699 ± 1	52

Daher ist es vorteilhaft, den Cu-Gehalt in der Aluminiumgusslegierung auf unter etwa 0,5 Gew.-% zu regulieren, um eine bessere Korrosionsbeständigkeit zu erhalten, insbesondere für die Gusserzeugnisse, die unter ”wie gegossen”- oder T5-Bedingungen verwendet werden. Um eine gute Kombination von hoher Korrosionsbeständigkeit und hoher Festigkeit zu erzeugen, kann der Cu-Gehalt bis zu etwa 1 Gew.-%, bis etwa 1,5 Gew.-% erhöht werden, und zwar in Abhängigkeit von den ”wie gegossen”- und den Wärmebehandlungsbedingungen.
In Kupfer enthaltenden Aluminiumgusslegierungen ist die Existenz von Q-Phasen-Partikeln für Korrosion und speziell Spannungskorrosionsrissbildung verantwortlich. Die Volumenfraktion der Q-Phase in den Aluminiumgusserzeugnissen nach Verfestigung und Wärmebehandlung (T4, T6 und T7) hängt von der Legierungszusammensetzung, speziell den Cu- und Mg-Gehalten ab, wie es in den 3–6 gezeigt ist. Daher sollte für die Gusserzeugnisse, die nur dem T5-Alterungsverfahren unterzogen werden, der Cu-Gehalt niedrig gehalten werden, zum Beispiel unter etwa 0,5%, so dass der gesamte Cu-Zusatz nach Verfestigung in fester Al-Lösung bleibt. Wenn die Legierungen einer vollständigen Wärmebehandlung unterzogen werden (zum Beispiel T6 oder T7), kann allerdings der Cu-Gehalt bis zu etwa 2 Gew.-% erhöht werden. Es ist vorteilhaft, den Kupfergehalt für korrosionsbeständige Anwendungen auf unter etwa 1,5 Gew.-% und sogar unter etwa 1,0 Gew.-% zu regulieren.
Verbesserte Gießfähigkeit
Cu-Zusatz
Der Zusatz von Kupfer senkt den Schmelzpunkt und die eutektische Temperatur der Legierung signifikant. Daher erhöht das Kupfer den Verfestigungsbereich der Legierung und erleichtert den Zustand der Porositätsbildung.
Die Sequenz von Verfestigung und Bildung von Cu-reichen Phasen in Al-Si-Cu-Mg-Gusslegierungen während einer Verfestigung kann wie folgt beschrieben werden:

(i) Bildung eines primären dendritischen α-Aluminiumnetzwerks bei Temperaturen unter etwa 610°C, was zu einer monotonen Erhöhung bei der Konzentration an Silicium und Kupfer in der verbleibenden Flüssigkeit führt.
(ii) Bei etwa 560°C, der Aluminium-Silicium-eutektischen Temperatur, bildet sich das eutektische Gemisch aus Silicium und α-Al, was zu einer weiteren Erhöhung des Kupfergehalts in der verbleibenden Flüssigkeit führt.
(iii) Bei 540°C bilden sich Mg₂Si und Al₈Mg₃FeSi₆. Wenn der Cu-Gehalt höher als etwa 1,5% ist, wird sich allerdings die Mg₂Si-Phase für die Legierung, die etwa 0,5 Gew.-% Mg enthält, nicht bilden.
(iv) Bei etwa 525°C bildet sich die interdendritische, manchmal als ”massive” oder ”blockartige” bezeichnete CuAl₂-Phase zusammen mit β-Al₅FeSi-Plättchen.
(v) Bei etwa 507°C bildet sich ein Eutektikum aus CuAl₂, vermischt mit α-Al-Farmen. In Gegenwart von Mg bildet sich bei dieser Temperatur auch die Q-Phase (Al₅Mg₈Cu₂Si₆), üblicherweise mit einer ultrafeinen eutektischen Struktur. Die Tendenz zur Bildung der blockartigen CuAl₂-Phase wird durch das Vorliegen von Sr erhöht.

Eine Cu-freie Legierung, zum Beispiel A356, verfestigt sich über einen relativ engen Temperaturbereich von etwa 60°C und enthält nahezu 50% eutektische Flüssigkeit. Demnach ist die Zuführung der letzten eutektischen Flüssigkeit zur Verfestigung relativ einfach und der Porositätsgrad ist normalerweise sehr niedrig. Im Fall einer Legierung, die Cu enthält, zum Beispiel 319 und A380, streckt Cu den Verfestigungsbereich auf etwa 105°C und die Fraktion von binärem Eutektikum ist beträchtlich geringer als in der Cu-freien Legierung, was die Bildung von Schrumpfungsporosität viel wahrscheinlicher macht.
Caceres et al. haben ausgezeichnete Arbeit zum Verständnis des Einflusses des Cu-Gehalts auf die Mikroporosität in Sr-modifizierter Al-Si-Cu-Mg-Legierung geleistet. C. H. Caceres, M. B. Djurdjevic, T. J. Stockwell und J. H. Sokolowski, "The Effect of Cu Content on the Level of Microporosity in Al-Si-Cu-Mg Casting Alloys", Scripta Materialia, Bd. 40, Nr. 5, S. 631–637, 1999. 10 zeigt den Porositätsgehalt, wie er durch Bildanalyse gemessen wird, für die verschiedenen Cu-Konzentrationen. Es kann gesehen werden, dass eine dramatische Zunahme beim Porositätsgehalt auftritt, wenn die Cu-Konzentration über etwa 0,2% ansteigt. Die scharfe Zunahme bei der Porosität bei etwa 0,36% Cu wurde in der metallografischen Analyse beobachtet. 10 zeigt auch, dass der Porositätsgehalt bei einer Cu-Konzentration von etwa 1% ähnlich der ist, die bei vergleichbarem DAS in Legierungen mit etwa 3 und 4% Cu gemessen wird, was nahelegt, dass die Porosität bei Cu-Konzentrationen über etwa 1% zur Sättigung neigt. Daher sollte der Cu-Gehalt in der Legierung zur Verringerung der Porosität im Gusserzeugnis auf unter etwa 1 Gew.-% und vorzugsweise unter etwa 0,5 Gew.-% reguliert werden.
Si-Zusatz
Silicium stellt mehrere Vorteile für Aluminiumgusslegierungen bereit, von denen die meisten unabhängig von einer Modifikation auftreten. Der erste und vielleicht wichtigste Nutzen von Silicium besteht darin, dass es das Schrumpfungsausmaß, das mit dem Erstarren der Schmelze verbunden ist, verringert. Der Grund ist, dass festes Silicium mit seiner nicht eng gepackten Kristallstruktur weniger dicht ist als die flüssige Al-Si-Lösung, aus welcher es präzipitiert. Es ist allgemein anerkannt, dass Schrumpfung im Allgemeinen fast in direkter Proportion zu dem Siliciumgehalt abnimmt, wobei sie bei 25% Si Null erreicht. Es ist die Schrumpfung des Eutektikums, die für die Gießfähigkeit von hypoeutektischen Legierungen von Bedeutung ist, da das Silicium in fester Lösung tatsächlich die Dichte der primären α-Al-Dendriten erhöht und daher die Schrumpfung leicht erhöht. Die Schrumpfung des α-Al beträgt etwa 7%, allerdings erfolgt sie während die Zuführung einfach ist; das Eutektikum verfestigt sich im späteren Zustand, wenn die Zuführung schwieriger ist, und es wird beschrieben, dass es eine Schrumpfung von etwa 4% hat. Die eutektische Legierung ist gießfähiger als die hypoeutektische Legierung, bedingt durch Schrumpfungsdefekte.
Der zweite Vorteil, der mit Silicium assoziiert ist, bezieht sich auf seine hohe latente Schmelzwärme. Es ist allgemein anerkannt, dass Si eine Erhöhung bei der latenten Schmelzwärme in Aluminiumgusslegierungen verursacht. Die höhere latente Wärme aus Si-Zusatz bedeutet, dass die Zeit zum Erstarren verlängert ist und dies verbessert die Fluidität, wie sie zum Beispiel durch den Spiralfluiditätstest gemessen wird. Es wurde beobachtet, dass die Fluidität ein Maximum im Bereich von etwa 14–16% Si erreicht.
Eine Zuführung wird durch eine planare Verfestigungsfront unterstützt. Demnach sollte eine Zuführung für reine Metalle oder eutektische Legierungen einfacher sein als für Legierungen mit einem weiten Erstarrungsbereich und einer assoziierten breiigen Zone. Aus dem Spiralfluiditätstest wurde festgestellt, dass die Fluidität von Legierungen auf Al-Si-Basis nahe der eutektischen Zusammensetzung am höchsten ist. Dies wird durch zwei assoziierte Effekte bewirkt. Erstens, der Siliciumgehalt scheint die Dendritenmorphologie zu beeinflussen, wobei hohe Siliciumkonzentrationen Rosetten begünstigen und geringere Konzentrationen klassischer Dendriten begünstigen. Im Allgemeinen machen rosettenförmige Dendriten die Zuführung einfacher, indem sie die Dendritenkonhärenz verzögern und die Flüssigkeitsfraktion, die zwischen den Dendritenarmen eingeschlossen ist, verringern. Die Füllung eines Formwerkzeugs ist in Verfahren mit hoher Kühlungsrate schwieriger, zum Beispiel beim permanenten Formgießen und beim Druckguss, da die Zeit zum Erstarren verringert ist. Allerdings wird die Fluidität erhöht, wenn die Zusammensetzung sich dem Eutektikum nähert. Als Resultat wird empfohlen, den Siliciumgehalt im Bereich von 5 bis 9% für Sandgießverfahren und Modellausschmelzverfahren (niedrige Kühlungsraten), 7–10% für Permanentmetallformguss und 8–14% für Druckguss (höchste Kühlungsraten) zu regulieren.
Fe- und Mg-Gehalt
Eisen ist die Hauptverunreinigung in Al-Legierungen, wobei es spröde Komplexe intermetallischer Verbindungen mit Al, Si, Mg und Nebenverunreinigungen bildet. Diese intermetallischen Verbindungen beeinträchtigen die Zugduktilität der Legierungen in ernster Weise. Da sie sich oft während der Verfestigung der eutektischen Legierung bilden, beeinträchtigen sie darüber hinaus die Gießfähigkeit, indem sie die interdendritische Zuführung stören und somit Porosität begünstigen. Die am häufigsten beobachtete Fe-reiche Verbindung ist Al₅FeSi (β-Phase), die üblicherweise in dem Al-Al₅FeSi-Si-Eutektikum als dünne Plättchen durchsetzt mit den Siliciumflocken oder -fasern gefunden wird. Wenn Mangan vorhanden ist, bildet Eisen Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂ (α-Phase), oft in der Form chinesischer Schriftzeichen. Wenn genügend Magnesium verfügbar ist, wird die Verbindung Al₈FeMg₃Si₆ (π-Phase) gebildet, die das Aussehen eines chinesischen Schriftzeichens hat, wenn sie während der eutektischen Reaktion gebildet wird, die aber kugelförmig ist, wenn sie als primäres Präzipitat aus der Flüssigkeit gebildet wird. Schnelles Erstarren veredelt die intermetallischen Eisenverbindungen und so hängt die Größenordnung Effekts von Eisen von der Verfestigungsrate im Gießverfahren ab.
Diese Fe-reichen intermetallischen Verbindungen sind üblicherweise für die Korrosionsbeständigkeit abträglich, speziell für die Spannungskorrosionsrissbildung, da sie einen Kathodenpol (Edelkomponente des elektrischen Potentials) bilden. Im Vergleich zu anderen Fe-reichen intermetallischen Verbindungen, zum Beispiel α-Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂ und π-Al₈FeMg₃Si₆, ist β-Al₅FeSi für die Korrosionsbeständigkeit schädlicher, und zwar wegen seines hohen Edelpotentials. Der erhöhte Cu-Gehalt mit etwa 1,5 Gew.-% in der Legierung erhöht die Menge an edlen Al₂Cu-Phasen, was eine Cu-Auflösung in α-Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂ erleichtert. Dies macht das Potential der intermetallischen α-Al₁₅(Fe, Mn)₃Si₂-Verbindungen noch edler, was eine Verringerung der Korrosionsbeständigkeit verursacht.
Eine Verringerung und Eliminierung von β-Al₅FeSi kann erreicht werden, indem das Mn/Fe-Verhältnis und die Gesamtmenge an Mn + Fe reguliert werden. Es wird nahegelegt, das Mn/Fe-Verhältnis auf über etwa 0,5, vorzugsweise über etwa 1 oder höher zu regulieren. Die Obergrenze des Mn/Fe-Verhältnisses in der Aluminiumlegierung für Druckguss wird so definiert, dass sie etwa 3,0 oder weniger ist. Die Gesamtmenge an Mn + Fe sollte in einem Bereich von etwa 0,5 bis etwa 1,5 reguliert werden, um Gussformlöten zu minimieren und die nachteilige Wirkung der Fe-reichen intermetallischen Verbindungen auf die Duktalität der Materialien zu minimieren. Die vorteilhafte Gesamtmenge an Mn + Fe sollte in einem Bereich von etwa 0,8 bis etwa 1,2 reguliert werden.
Eine hohe Fe-Konzentration (größer als etwa 0,5 Gew.-%) kann für Metallformgießen, einschließlich (Hoch)Druckformgießen, eingesetzt werden, um Probleme der Warmrissbildung und des Gussformlötens zu vermeiden. Bei Verwendung von Sr (über etwa 500 ppm) kann die moderate Fe-Konzentration (0,4–0,5 Gew.-%) für ein Metallformgießen, einschließlich Druckformgießen, verwendet werden. Eine niedrigere Fe-Konzentration (niedriger als etwa 0,5 Gew.-%) kann für andere Gießverfahren verwendet werden. In Gegenwart von Fe kann der Mn-Gehalt bei einer solchen Konzentration gehalten werden, dass ein Mn/Fe-Verhältnis von größer als etwa 0,5 produziert wird, wobei ein vorteilhaftes Verhältnis größer als etwa 1 ist.
Eutektisches Modifizierungsmittel und Kornverfeinerungsmittel
Wenn ein hoher Si-Gehalt (von etwa 7% bis etwa 14% und insbesondere von etwa 10% bis etwa 14%) in der Legierung vorliegt, sollte Strontium (Sr) der Legierung mit einem vorteilhaften Gehalt von nicht weniger als etwa 0,015 Gew.-% zugesetzt werden. Die modifizierte Si-Morphologie kann die Duktilität und die Bruchzähigkeit des Materials verbessern. Beim (Hoch)Druckformgießen kann ein hoher Sr-Gehalt (übr etwa 500 ppm) das Problem des Gussformlötens eliminieren, selbst bei niedrigem Fe-Gehalt (etwa 0,4%). Es wird auch empfohlen, sowohl die primären Aluminiumdendritenkörner als auch die Eutektikum(Al-Si)-Körner zu verfeinern, um die Gießfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Um dies zu tun, sollte der Ti- und B-Gehalt in der Legierung bei nicht weniger als etwa 0,15 Gew.-% bzw. etwa 0,005 Gew.-% gehalten werden. In der nahezu eutektischen (12–14% Si) Legierung sollte ein hoher Bor(B)-Gehalt (etwa 0,05–0,1 Gew.-%) verwendet werden.
Andere Elemente
Um den Alterungsprozess zu erleichtern, kann die Legierung Zn mit einer Konzentration von über etwa 0,5 Gew.-% enthalten. Die Aluminiumgusslegierungen können auch ein Element oder mehrere Elemente, zum Beispiel Zr (0 bis etwa 0,2 Gew.-%), Sc (0 bis etwa 1 Gew.-%), Ag (0 bis etwa 0,5 Gew.-%), Ca (0 bis etwa 0,5 Gew.-%), Co (0 bis etwa 0,5 Gew.-%), Cd (0 bis etwa 0,3 Gew.-%), Cr (0 bis etwa 0,3 Gew.-%), In (0 bis etwa 0,5 Gew.-%) für spezielle Anforderungen an die Eigenschaften und die Leistungsfähigkeit in der Aluminiumlegierung enthalten.
Es ist zu beachten, dass Begriffe wie ”vorzugsweise”, ”üblicherweise” und ”typischerweise” hier nicht verwendet werden, um den Schutzumfang der beanspruchten Erfindung zu beschränken, oder um zu implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essentiell oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der beanspruchten Erfindung sind. Vielmehr ist es lediglich beabsichtigt, dass diese Begriffe alternative oder zusätzliche Merkmale betonen, welche in einer bestimmten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden können oder nicht verwendet werden können.
Für die Zwecke der Beschreibung und des Definierens der vorliegenden Erfindung ist hier zu beachten, dass der Ausdruck ”Vorrichtung” hierin verwendet wird, um eine Kombination von Komponenten und einzelne Komponenten, ungeachtet der Tatsache, ob die Komponenten mit anderen Komponenten kombiniert sind, darzustellen. Beispielsweise kann eine ”Vorrichtung” gemäß der vorliegenden Erfindung eine elektrochemische Umwandlungsanordnung oder eine Brennstoffzelle, ein Fahrzeug, das eine elektrochemische Umwandlungsanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut hat, usw. umfassen.
Für die Zwecke der Beschreibung und des Definierens der vorliegenden Erfindung ist hier zu beachten, dass der Begriff ”im Wesentlichen” hier verwendet wird, um den inhärenten Unsicherheitsgrad darzulegen, welcher irgendeinem quantitativen Vergleich, Wert, einer quantitativen Messung oder einer anderen Wiedergabe innewohnt. Der Ausdruck ”im Wesentlichen” wird hier auch verwendet, um den Grad wiederzugeben, durch welchen eine quantitative Wiedergabe von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne dass es zu einer Änderung in der Grundfunktion des in Rede stehenden Gegenstands führt.
Nachdem die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf spezifische Ausführungsformen davon beschrieben wurde, wird es klar sein, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Umfang der in den beigefügten Patentansprüchen definierten Erfindung zu verlassen. Obgleich einige Aspekte der vorliegenden Erfindung hier als bevorzugt oder besonders vorteilhaft identifiziert werden, ist zu berücksichtigen, dass die vorliegende Erfindung nicht notwendigerweise auf diese bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6733726 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Qingjiang Meng und G. S. Frankel, ”Effect of Cu Content on Corrosion Behavior of 7xxx Series Aluminum Alloys”, Journal of the Electrochemical Society, 151–155 B271–B283, 2004 [0046]
C. H. Caceres, M. B. Djurdjevic, T. J. Stockwell und J. H. Sokolowski, ”The Effect of Cu Content on the Level of Microporosity in Al-Si-Cu-Mg Casting Alloys”, Scripta Materialia, Bd. 40, Nr. 5, S. 631–637, 1999 [0052]

Claims

Aluminiumlegierung, die im Wesentlichen aus 0 bis etwa 2,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 0,5 bis etwa 14 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,1 bis etwa 3,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 2,0 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Scandium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, die im Wesentlichen aus 0 bis etwa 1,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 6 bis etwa 13 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 1,5 Gew.-% Zink, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, die im Wesentlichen aus etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 10 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer, etwa 1,0 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5 Gew.-% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, die im Wesentlichen aus 0 bis etwa 1 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 10 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-Zink, etwa 0,2 bis etwa 0,4 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, die im Wesentlichen aus 0 bis etwa 1 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 12 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Zink, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgussteils, umfassend: Bereitstellen einer Aluminiumlegierung, die im Wesentlichen aus 0 bis etwa 2,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 0,5 bis etwa 14 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 2,0 Gew.-% Kupfer, etwa 0,1 bis etwa 3,0 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 2,0 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 1,0 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,2 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Scandium, 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht; Erwärmen der Aluminiumlegierung auf oberhalb eines Schmelzpunkts; Gießen der erwärmten Aluminiumlegierung in ein Formwerkzeug; Kühlen der Aluminiumlegierung unter Bildung des Teils und optional Wärmebehandeln des Teils.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Teil wärmebehandelt wird und wobei die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus 0 bis etwa 1,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 6 bis etwa 13 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,1 bis etwa 1,5 Gew.-% Zink, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht; und wobei die Wärmebehandlung eine Lösungsbehandlung ist, gefolgt von einem schnellen Kühlen, gefolgt von einer Alterung.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Teil nicht wärmebehandelt wird und wobei die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 10 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer, etwa 1,0 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,5 Gew.-% Zink, etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5 Gew.-% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Teil wärmebehandelt wird und wobei die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus 0 bis etwa 1 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 10 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-Zink, etwa 0,2 bis etwa 0,4 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht; und wobei die Wärmebehandlung eine Alterung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Teil wärmebehandelt wird und wobei die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus 0 bis etwa 1 Gew.-% wenigstens eines Seltenerdelements, etwa 8 bis etwa 12 Gew.-% Silicium, etwa 0,25 bis etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,5 bis etwa 2,5 Gew.-% Nickel, etwa 0,1 bis etwa 0,5 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Zink, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Silber, etwa 0,01 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Scandium, etwa 0,5 bis etwa 1,0 Gew.-% Mangan, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Calcium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Germanium, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zinn, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kobalt, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Titan, 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Bor, 0 bis etwa 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0 bis 0,5% Yttrium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Cadmium, 0 bis etwa 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Indium und Rest Aluminium besteht; und wobei die Wärmebehandlung eine Lösungsbehandlung ist.