DE102011112005A1

DE102011112005A1 - Aluminium-Silizium-Legierung

Info

Publication number: DE102011112005A1
Application number: DE201110112005
Authority: DE
Inventors: Marc Hummel; Steffen Otterbach; Dominik Boesch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2011-08-29
Filing date: 2011-08-29
Publication date: 2013-02-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Legierung auf Aluminiumbasis. Diese ist insbesondere als Gusslegierung geeignet und umfasst 5–12 Gew.-%, vorzugsweise 8–11,5 Gew.-% Silizium, 0,01–3,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,31–2 Gew.-% Zink und 0,01–0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,05–0,25 Gew.-% Eisen. Ferner werden Kupfer und Magnesium in einem Konzentrationsverhältnis von Kupfer zu Magnesium von 0,1–0,8 zulegiert, wobei der Magnesiumgehalt zwischen 0,1 und 0,7 Gew.-%, vorzugsweise zwischen 0,2 und 0,5 Gew.-%, liegt. Zur Veredelung werden 10–300 Gew. ppm Strontium und/oder 20–250 Gew. Gew. ppm Natrium und/oder 20–350 Gew. ppm Antimon verwendet. Der Rest der Legierung besteht aus Aluminium, wobei der Anteil herstellungsbedingter Verunreinigungen insgesamt 0,4 Gew.-% und einzeln jeweils 0,05 Gew.-% nicht übersteigt. Auf diese Weise wird eine Legierung mit besonders guten Festigkeits- und Verformungseigenschaften, guter Beständigkeit sowie guter Schweiß- und Nieteignung geschaffen, die sich insbesondere für den Einsatz im Kraftwagenbau eignet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Silizium-Legierung, die zum Sand-, Kokillen- und Druckguss geeignet ist.
Im Kraftwagenbau finden insbesondere zur Herstellung von Karosserie- und Fahrwerksteilen zunehmend Aluminium-Silizium-Legierungen Anwendung. Üblicherweise beträgt der Siliziumgehalt solcher Legierungen 6–12 Gew.-%. Hierdurch können gute Gießeigenschaften bei gleichzeitig geringer Schrumpfungsneigung erzielt werden, so dass auch sehr komplexe Bauteile bei geringer Gefahr von Lunker- oder Heißrissbildung gegossen werden können.
Um die notwendige Festigkeit für die Anwendung im Kraftwagenbau sicherzustellen, wird zumeist Magnesium in einer Konzentration von 0,1–0,5 Gewichtsprozent zugegeben. Nach dem Gießen erfolgt eine Wärmebehandlung, bei welcher sich Vorstufen der Mg₂Si-Phase ausscheiden. Die Wärmebehandlung kann entweder als T5-Behandlung, also in Form einer Warmauslagerung bei 180°–240°C für 1,5 bis 4 h nach normalem Abkühlen von der Gießhitze, oder als T6/T7-Behandlung durchgeführt werden. Im letzteren Fall wird nach dem Entformen eine Lösungsglühung bei 460°C–520°C für 1–2 h durchgeführt, das Bauteil abgeschreckt und anschließend bei 180°C–240°C für 2–5 h warmausgelagert. Die T5-Behandlung erzielt eine gute Festigkeit bei hoher Maßhaltigkeit der Bauteile. Bei der T6/T7-Behandlung werden neben einer hohen Festigkeit zusätzlich die Verformungseigenschaften des Bauteils verbessert. Beim Lösungsglühen können sich die Bauteile jedoch verziehen, so dass die Maßhaltigkeit leiden kann.
Beim Lösungsglühen im Rahmen der T6/T7-Behandlung werden Bedingungen geschaffen, bei denen sich bei der nachfolgenden Warmauslagerung die Vorläufer der Mg₂Si-Gleichgewichtsphase besonders härtungswirksam bilden können. Ab einem bestimmten Mg-Gehalt ist allerdings keine weitere Festigkeitssteigerung durch die Mg₂Si-Phasenbildung mehr zu erzielen, vielmehr nimmt die Duktilität mit steigendem Mg-Gehalt ab. Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Legierung der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche eine besonders hohe Festigkeit bei guter Duktilität aufweist.
Diese Aufgabe wird durch eine Legierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Eine solche Legierung auf Aluminiumbasis ist insbesondere als Gusslegierung geeignet und umfasst 5–12 Gew.-%, vorzugsweise 8–11,5 Gew.-% Silizium, 0,01–3,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,31–2,0 Gew.-% Zink und 0,01–0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,05–0,25 Gew.-% Eisen. Ferner werden zur Veredelung 10–300 Gew. ppm Strontium, vorzugsweise 50–200 Gew. ppm und/oder 20–250 Gew. ppm Natrium und/oder 20–350 Gew. ppm Antimon verwendet.
Darüberhinaus enthält die Legierung Kupfer und Magnesium mit der Massgabe, dass das Konzentrationsverhältnis von Kupfer zu Magnesium zwischen 0,1–0,8 liegt. Vorzugsweise beträgt der Magnesiumgehalt der Legierung 0,1–0,7 Gew.-%, besonders bevorzugt 0,2–0,5 Gew.-%. In diesem Konzentrationsbereich kann eine besonders gute Aushärtung der Legierung gewährleistet werden.
Zweckmäßig ist es ferner, die Legierung mit bis zu 0,2 Gew.-% Titan und/oder bis zu 0,3 Gew.-% Zirkon und/oder bis zu 0,3 Gew.-% Vanadium zu versetzen. Diese Elemente dienen als Kornfeinungsmittel und führen zur Ausbildung eines besonders feinkörnigen Gefüges im Gussbauteil und damit zu besonders homogenen Materialeigenschaften.
Soll die Legierung als Druckgusslegierung Verwendung finden, so ist es zweckmäßig, 0,2 Gew.-% bis 0,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Mangan zuzulegieren. Hierdurch kann die Klebeneigung der Legierung am Gießwerkzeug reduziert werden, ohne dass die Gefügequalität leidet. Beschädigungen der Bauteiloberfläche beim Entformen werden so vermieden. Bei der Verwendung für den Sand- oder Kokillenguss kann aufgrund der geringeren Klebeproblematik der Mangangehalt auf weniger als 0,15 Gew.-% reduziert werden.
Der Rest der Legierung besteht aus Aluminium, wobei der Anteil herstellungsbedingter Verunreinigungen insgesamt 0,4 Gew.-% und einzeln jeweils 0,05 Gew.-% nicht übersteigt.
Durch die Verwendung von Kupfer und Magnesium im angegebenen Konzentrationsverhältnis wird neben der Aushärtung über die eingangs beschriebenen Mg₂Si-Vorphasen ein weiterer Aushärtungsmechanismus ermöglicht. Dieser beruht auf der Bildung von Vorstufen der Al₅Cu₂Mg₈Si₆-Phase, der sogenannten Q-Phase, die sich bevorzugt im Gefüge bildet und dadurch die Bildung von Mg₂Si-Vorphasen begrenzt. Eine übermäßige Ausscheidung von Mg₂Si wird somit vermieden, da ein Teil des Mg in der Q-Phase gebunden wird. Dadurch wird eine Legierung geschaffen, die hohe Festigkeit und gute Verformungseigenschaften miteinander kombiniert. Durch das Zulegieren von Zink kommt es zudem zur Mischkristallhärtung, einer Verspannung des Gefüges durch eingelagerte Zinkatome. Dieser Effekt führt ebenfalls zu einer Festigkeitssteigerung, ohne das Verformungsverhalten negativ zu beeinflussen.
Das erfindungsgemäß vorgeschlagene Konzentrationsverhältnis von Kupfer und Magnesium stellt zudem eine gute Verarbeitbarkeit von Bauteilen aus dieser Legierung sicher. Insbesondere ist die Legierung gut schweißbar und nietbar. Das Auftreten von korrosionsanfälligen Phasen, wie beispielsweise der τ-Phase Al₅Cu₄Zn oder der θ-Phase Al₂Cu, wird im angegebenen Zusammensetzungsbereich bewusst vermieden.
Die Legierung zeigt ferner eine gute Einformung des eutektischen Siliziums bereits bei niedrigen Lösungsglühtemperaturen und -zeiten, Die Möglichkeit der schonenden Wärmebehandlung führt zu einer besonders guten Maßhaltigkeit von Bauteilen aus der erfindungsgemäßen Legierung.
Die Erfindung betrifft ferner ein Gussbauteil aus einer Legierung der geschilderten Art, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Gussbauteils. Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Gussbauteil einer T6/T7-Wärmebehandlung unterzogen, also zunächst lösungsgeglüht, abgeschreckt und schließlich warmausgelagert. Diese Art der Wärmebehandlung verleiht dem Bauteil die gewünschte Festigkeit bei gleichzeitig sehr guten Verformungseigenschaften.
Im Folgenden wird die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Zur Veranschaulichung der Eigenschaften zweier Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Legierung wurden Prüfkörper unterschiedlicher Zusammensetzung im Druckgussverfahren hergestellt. Die Zusammensetzungen der untersuchten Legierungen sind in Tab. 1 angeführt.

Legierung Nr.	Zusammensetzung	Cu/Mg-Verhältnis
1	AlSi10Mn0,6Mg0,3	0
2	AlSi10Mn0,6Mg0,5	0
3	AlSi10Mn0,6Cu0,5Mg0,5	1
4	AlSi10Mn0,6Zn1,5Mg0,3Cu0,5	1,66
5	AlSi10Mn0,6Zn0,8Mg0,4Cu0,3	0,75
6	AlSi10Mn0,6Zn1,0Mg0,4Cu0,2	0,5

Tabelle 1: Übersicht über die untersuchten Legierungen

Legierung 1 ist eine aus dem Stand der Technik bekannte untereutektische Al-Si-Druckgusslegierung. Legierungen 2 bis 4 steilen Modifikationen dieser Legierung dar. Legierungen 5 und 6 sind schließlich Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Legierung. Neben den in Tabelle 1 angegebenen Hauptlegierungselementen enthalten die Legierungen noch die üblichen Veredelungs- und Kornfeinungszusätze.
Alle Prüfkörper wurden im Anschluss an das Gießen einer T6/T7-Wärmebehandlung unterzogen. Diese umfasste eine Lösungsglühung für eine Stunde bei 480°C mit anschließendem Abschrecken an bewegter Luft, gefolgt von einer Warmauslagerung für 2,5 Stunden bei 200°C.
Die fertig wärmebehandelten Prüfkörper wurden schließlich auf ihre mechanischen Eigenschaften hin untersucht. Hierzu wurden die Zugfestigkeit R_m, die Streckgrenze R_p0,2 sowie die Bruchdehnung A₅ im Zugversuch bestimmt.
Ferner wurde die Korrosionsbeständigkeit durch den Gewichtsverlust der Prüfkörper im Salzsprühnebeltest charakterisiert. Die erhaltenen Messwerte sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Legierung 1 und 2 sind übliche Druckgusslegierungen. Die Verfestigung des Materials während der Wärmebehandlung beruht hier, wie oben geschildert, auf der Bildung von Mg₂Si-Vorphasen. Wie der Vergleich der beiden Legierungen zeigt, kann durch Erhöhung des Magnesiumanteils jedoch keine beliebig große Festigkeitssteigerung erzielt werden ohne die Duktilität nachteilig zu beeinflussen. Die Erhöhung des Magnesiumanteils von 0,3% auf 0,5% führt zwar zu einer Steigerung der Festigkeit um etwa 10%, gleichzeitig sinkt jedoch die Bruchdehnung um 25% ab. Durch die daraus resultierende verminderte Umformbarkeit wird beispielsweise die Eignung des Materials zum Nieten herabgesetzt.

Legierung R_p0,2 [MPa] R_m [MPa] A₅ [%] Gew.-Verlust [%]

1 166 235 12,1 0,11

2 185 257 9,3 0,23

3 198 274 8,6 1,04

4 196 279 9,8 1,32

5 214 295 8,8 0,68

6 190 271 13,2 0,56

Tabelle 2: Mechanische Kennwerte und Korrosionseigenschaften der untersuchten Legierungen
Um bei guter Duktilität eine höhere Festigkeit zu erreichen, müssen somit andere Aushärtungseffekte genutzt werden. Legierung 3 zeigt, dass durch die Zugabe von Kupfer die Streckgrenze gegenüber Legierung 1 und 2 weiter gesteigert werden kann. Dies beruht auf der Bildung von intermetallischen Al₅Cu₂Mg₈Si₆-Phasen. Aufgrund des hohen Kupfer-Magnesium-Verhältnisses bildet sich jedoch auch die korrosionsanfällige θ-Phase Al₂Cu, was sich im deutlich erhöhten Gewichtsverlust im Salzsprühnebeltest bemerkbar macht. Auch die Bruchdehnung sinkt dadurch weiter ab. Der hohe Kupfergehalt führt zudem zu Heißrissanfälligkeit, was die Schweißeignung der Legierung stark einschränkt.
Eine zusätzliche Zugabe von Zink verbessert die Festigkeit und Duktilität gegenüber Legierung 2 weiter. Das zugegebene Zink löst sich im α-Mischkristall und führt daher zu einer lokalen Verspannung des Gefüges, welche die zusätzliche Härtung bewirkt. Aufgrund des hohen Kupfergehalts ist Legierung 4 jedoch anfällig für Lochfraßkorrosion und eignet sich nur bedingt zum Nieten und Schweißen.
Um die Versprödung und Korrosionsanfälligkeit zu minimieren, ist es notwendig, das Verhältnis von Kupfer zu Magnesium auf einen Wert von weniger als 0,8 einzustellen, wie die beiden Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Legierung, Legierung 5 und 6, zeigen. Durch das Zusammenwirken der Vorphasen von Mg₂Si, und Q-Phase Al₅Cu₂Mg₈Si₆ sowie der Mischkristallhärtung durch Zinkeinlagerung können besonders hohe Festigkeiten erzielt werden, ohne negative Beeinflussung der Duktilität. Gleichzeitig wird eine gute Korrosionsbeständigkeit und gute Schweiß- und Nieteignung, sowie gute Langzeit- und Kurzzeitbeständigkeit erzielt.
Wie der Vergleich von Legierung 5 und 6 zeigt, können die Materialeigenschaften bereits durch geringfügige Variation des Kupfer-Magnesium-Verhältnisses besonders gut auf ein gewünschtes Ziel hin eingestellt werden. Beispielsweise kann gezielt auf Festigkeit oder Duktilität hin optimiert werden. Auch durch Variation der Wärmebehandlungsparameter können die Materialkennwerte zusätzlich eingestellt werden.
Die erfindungsgemäße Legierung ist zudem relativ tolerant gegenüber Verunreinigungen. Zur Herstellung der Legierung kann daher auch Sekundäraluminium Anwendung finden, was energetisch besonders günstig und daher ökonomisch und ökologisch vorteilhaft ist.

Claims

Legierung, insbesondere Gusslegierung, auf Aluminiumbasis mit der Zusammensetzung: Silizium 5–12 Gew.-%, vorzugsweise 8–11,5 Gew.-%; Zink 0,01–3,0 Gew.-%, vorzugsweise 0,31–2 Gew.-%; Eisen 0,01–0,3 Gew.-%, vorzugsweise 0,05–0,25 Gew.-%; und mit Kupfer und Magnesium in einem Konzentrationsverhältnis von Kupfer zu Magnesium aus im Bereich von 0,1–0,8; sowie wenigstens einem der folgenden Bestandteile Strontium 10–300 Gew. ppm, vorzugsweise 50–200 Gew. ppm; Natrium 20–250 Gew. ppm; Antimon 20–350 Gew. ppm; und dem Rest Aluminium, wobei der Anteil herstellungsbedingter Verunreinigungen insgesamt 0,4 Gew.-% und einzeln jeweils 0,05 Gew.-% nicht übersteigt.
Legierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnesiumgehalt der Legierung im Intervall von 0,1–0,7 Gew.-%, insbesondere von 0,2–0,5 Gew.-% liegt.
Legierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung bis zu 0,2 Gew.-% Titan und/oder bis zu 0,3 Gew.-% Zirkon und/oder bis zu 0,3 Gew.-% Vanadium aufweist.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zur Verwendung als Druckgusslegierung 0,2 Gew.-% bis 0,8 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 Gew.-% bis 0,6 Gew.-% Mangan aufweist.
Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zur Verwendung als Sand- oder Kokillengussgusslegierung weniger als 0,15 Gew.-% Mangan aufweist.
Gussbauteil aus einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Verfahren zum Herstellen eines Gussbauteils unter Verwendung einer Legierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem das Gussbauteil nach dem Gießen einer T6/T7-Wärmebehandlung unterzogen wird.