DE102013212439A1

DE102013212439A1 - Gegossene Aluminiumlegierung für Strukturkomponenten

Info

Publication number: DE102013212439A1
Application number: DE102013212439.2A
Authority: DE
Inventors: Qigui Wang; Hengcheng Liao
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2012-07-10
Filing date: 2013-06-27
Publication date: 2014-02-27
Also published as: CN103540809A; US20140017115A1; CN103540809B; US9771635B2

Abstract

Eine Aluminiumlegierung, die in Strukturkomponenten gegossen werden kann, wobei die Legierung eine verringerte Gussporosität und eine verbesserte Kombination von mechanischen Eigenschaften, welche die Zugfestigkeit, die Ermüdung und die Dehnbarkeit umfassen, in dem gegossenen Zustand und in dem wärmebehandelten Zustand aufweist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft allgemein Aluminiumlegierungen, die in Strukturkomponenten gegossen werden können; nicht einschränkende Beispiele von diesen umfassen Motorblöcke, Zylinderköpfe, Aufhängungsteile, wie beispielsweise Stoßdämpferbrücken und Querlenker, Räder und Flugzeugtüren.
Auf Al-Si basierte gegossene Aluminiumlegierungen, wie beispielsweise die Aluminiumlegierungen der Serie 300, weisen aufgrund ihrer guten Gießbarkeit, ihrer guten Korrosionsbeständigkeit, ihrer guten maschinellen Bearbeitbarkeit und insbesondere aufgrund ihres hohen Verhältnisses von Festigkeit zum Gewicht in dem wärmebehandelten Zustand weit verbreitete Anwendungen für Strukturkomponenten in der Kraftfahrzeug-, der Luftfahrt- und der allgemeinen Maschinenbauindustrie auf. Bezüglich der Gießbarkeit wird angenommen, dass geringe Siliziumkonzentrationen aufgrund des vergrößerten Erstarrungsbereichs und der verringerten latenten Wärme inhärent eine schlechte Gießbarkeit erzeugen. Bei einem hohen Si-Gehalt (> 14%) verringern jedoch die groben primären Si-Partikel signifikant die maschinelle Bearbeitbarkeit, die Verformbarkeit und die Bruchfestigkeit der Materialien.
In Al-Si-Gusslegierungen (z. B. den Legierungen 319, 356, 390, 360, 380) wird eine Festigung durch eine Wärmebehandlung nach dem Gießen mit einer Hinzufügung verschiedener Legierungselemente erreicht, die Cu und Mg umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die Wärmebehandlung des gegossenen Aluminiums umfasst zumindest einen Mechanismus, der als Kaltaushärtung oder Ausscheidungsfestigung bezeichnet wird und, ohne auf diese beschränkt zu sein, drei Schritte beinhaltet, die (1) eine Lösungsbehandlung bei einer relativ hohen Temperatur unterhalb des Schmelzpunkts der Legierung (auch als T4 definiert) oft für Zeiten, die 8 Stunden oder mehr überschreiten, um seine Legierungselemente (Lösungselemente) aufzulösen und um die Mikrostruktur zu homogenisieren oder zu modifizieren; (2) ein schnelles Abkühlen oder Abschrecken in kalten oder warmen flüssigen Medien, wie beispielsweise Wasser, um die gelösten Elemente in einer übersättigten festen Lösung (SSS) zu halten; und (3) ein Warmauslagern (T5) umfassen, indem die Legierung für eine Zeitdauer bei einer Zwischentemperatur gehalten wird, die zum Erreichen einer Aushärtung oder Festigung durch Ausscheidung geeignet ist. Die Lösungsbehandlung (T4) dient zu drei Hauptzwecken: (1) Auflösen von Elementen, die später eine Kaltaushärtung bewirken, (2) Abrundung nicht aufgelöster Bestandteile, und (3) Homogenisierung der gelösten Konzentrationen in dem Material. Das Abschrecken nach der T4-Lösungsbehandlung dient dazu, die gelösten Elemente in einer übersättigten festen Lösung zu halten und um auch eine Übersättigung von Fehlstellen zu erzeugen, welche die Diffusion und die Dispersion von Ausscheidungen verbessern. Um die Festigkeit der Legierung zu maximieren, sollte die Ausscheidung aller festigender Phasen während des Abschreckens verhindert werden. Das Auslagern (T5, entweder ein Kaltauslagern oder ein Warmauslagern) erzeugt eine kontrollierte Dispersion von festigenden Ausscheidungen.
Die gebräuchlichste auf Al-Si basierte Legierung, die bei der Herstellung von Kraftfahrzeug-Motorblöcken und -Zylinderköpfen verwendet wird, ist die mit Wärme behandelbare gegossene Aluminiumlegierung 319 (nominelle Zusammensetzung bezüglich des Gewichts: 6,5% Si, 0,5% Fe, 0,3% Mn, 3,5% Cu, 0,4% Mg, 1,0% Zn, 0,15% Ti und Rest Al) sowie A356 (nominelle Zusammensetzung bezüglich des Gewichts: 7,0% Si, 0,1% Fe, 0,01% Mn, 0,05% Cu, 0,3% Mg, 0,05% Zn, 0,15% Ti und Rest Al). Aufgrund des relativ geringen Si-Gehalts (6 7 Gew.-%) in beiden Legierungen sind die Liquidus-Temperaturen hoch (~615 C für A356 und ~608 C für 319), was zu einer hohen Verwendung der Schmelzenergie und zu einer hohen Lösbarkeit von Wasserstoff führt. Der große Erstarrungsbereich sowohl von A356 (größer als oder gleich 60 C) und 319 (größer als oder gleich 90 C) erhöht auch die Größe der Erstarrungszone und die Schrumpfungsneigung. Wichtig ist, dass beide Legierungen doppelte Mikrostrukturen mit primären dendritischen Aluminiumkörnern und eutektischen Körnern (Al + Si) zeigen. Während der Verfestigung verfestigen die eutektischen Körner zwischen den vorverfestigten dendritischen Al-Netzen, was eine Zuführung bei einer eutektischen Schrumpfung schwierig macht. Bei Al-Legierungen mit 7% Si beträgt der Volumenanteil der eutektischen Körner ungefähr 50%. Zusätzlich können die Motorblöcke und insbesondere die Zylinderköpfe, die aus solchen Aluminiumlegierungen hergestellt sind, über ihre Lebensdauer eine thermomechanische Ermüdung (TMF) erfahren, insbesondere bei Hochleistungs-Motoranwendungen.
Die Hinzufügung von festigenden Elementen, wie beispielsweise Cu, Mg und Mn, kann eine signifikante Auswirkung auf die physikalischen Eigenschaften der Materialien aufweisen, einschließlich von speziellen unerwünschten Auswirkungen. Es wurde beispielsweise berichtet, dass Aluminiumlegierungen mit einem hohen Gehalt an Kupfer (3–4%) eine nicht akzeptierbare Rate der Korrosion erfahren haben, insbesondere in salzhaltigen Umgebungen. Typische Hochdruckformguss-Aluminiumlegierungen (HPDC-Aluminiumlegierungen), wie beispielsweise A 380 oder 383, die für Getriebe und Motorteile verwendet werden, enthalten 2–4% Kupfer. Es ist einzusehen, dass das Korrosionsproblem dieser Legierungen insbesondere dann signifikanter wird, wenn längere Garantiezeiten und eine höhere Kilometerleistung des Fahrzeugs gefordert sind.
Obwohl es eine kommerzielle Legierung 360 gibt (nominelle Zusammensetzung bezüglich des Gewichts: 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 korrosionsbeständige Anwendungen vorgesehen ist, kann eine solche Legierung über ihre Lebensdauer Probleme mit der thermischen Ermüdung erfahren, insbesondere bei Hochleistungs-Motoranwendungen.
Es besteht eine Notwendigkeit, verbesserte gießbare Aluminiumlegierungen zu schaffen, die sowohl für einen Sand- als auch für einen Metallformguss geeignet sind und mit denen Gussteile mit verringerter Gussporosität und einer verbesserten Legierungsfestigkeit sowie einer verbesserten Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden können, insbesondere für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der verschiedenen Ausführungsformen ist hierin eine Aluminiumlegierung beschrieben, die in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts im Wesentlichen besteht aus 11% bis 13,5% Silizium, bis zu 0,5% Kupfer, 0,4 bis 0,55% Magnesium, bis zu 0,3% Eisen, bis zu 0,3% Mangan, bis zu 0,1% Titan, bis zu 0,4% Zink, von ungefähr 0,015% bis 0,08% Strontium, 0,03% bis 0,05% Bor und dem Rest Aluminium.
Gemäß einem Aspekt der verschiedenen Ausführungsformen umfasst ein Verfahren zum Gießen einer Kraftfahrzeugkomponente aus einer Aluminiumlegierung, so dass die thermische Ermüdung verringert wird: dass eine Form bereitgestellt wird; und dass eine Aluminiumlegierungsschmelze in die Form eingeleitet wird, wobei die Aluminiumlegierung in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts im Wesentlichen besteht aus 11% bis 13,5% Silizium, bis zu 0,5% Kupfer, 0,4 bis 0,55% Magnesium, bis zu 0,3% Eisen, bis zu 0,3% Mangan, bis zu 0,1% Titan, bis zu 0,4% Zink, von ungefähr 0,015% bis 0,08% Strontium, 0,03% bis 0,05% Bor und dem Rest Aluminium und wobei die thermische Ermüdung des Kraftfahrzeug-Gussteils verringert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die nachfolgende ausführliche Beschreibung spezieller Ausführungsformen kann am besten verstanden werden, wenn sie in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird, wobei gleiche Strukturen mit gleichen Bezugszeichen angegeben sind und wobei:
1 einen gegossenen Zylinderkopf darstellt, der die Komplexität der Gussgeometrie zeigt.
2 eine Graphik der Auswirkung der Hinzufügung von Bor auf die eutektischen Körner in Al mit 12,3% Si, 0,41% Mg, 0,25% Cu, 0,15% Fe, 0,026% Sr durch einen quantitative metallographische Analyse zeigt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, schaffen verbesserte gießbare Aluminiumlegierungen, die sowohl für einen Sand- als auch für einen Metallformguss geeignet sind und aus denen Gussteile mit einer verringerten Gussporosität und einer verbesserten Legierungsfestigkeit sowie einer verbesserten Ermüdungs- und Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden können, insbesondere für Anwendungen bei erhöhten Temperaturen.
Zuerst auf 1 Bezug nehmend, ist ein Zylinderkopf 1 dargestellt. Aspekte des Zylinderkopfs 1 umfassen (zusätzlich zu den Zylindern) einen Kettenschutz 2, eine Deckfläche 3 (welche die Dichtung berührt und an dem Motorblock montiert ist) und eine Auslassöffnung 4. In 1 sind ebenso gezeigt: die Verbrennungskuppel 5, ein Wassermanteldurchgang 6 und ein Einlassdurchgang 7. Es werden hierin verschiedene Ausführungsformen von Zylinderköpfen in Erwägung gezogen, wie beispielsweise Kraftfahrzeug-Zylinderköpfe.
Es wurden Fotomikrographien geprüft (nicht gezeigt), die angeben, dass die Mikrostruktur spezieller Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, eine Legierung zeigt, die feine eutektische, dendritische Körner enthält, während die Analyse der Mikrostruktur aus dem Stand der Technik das Vorhandensein von großen eutektischen Siliziumpartikeln und groben Aluminiumdendriten zeigt. Die Mikrostruktur der speziellen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, zeigt feine eutektische Siliziumfasern und auch eutektische Aluminiumdendrite. In gegossenen Aluminiumlegierungen wird die Feinheit der Mikrostruktur durch die Abkühlungsrate beeinflusst, wenn das Gussteil aus der Flüssigkeit verfestigt wird. Für dieselben Abkühlungsbedingungen erzeugen die speziellen Ausführungsformen der vorgeschlagenen Legierung im Vergleich zum Stand der Technik viel feinere eutektische Siliziumpartikel durch die Hinzufügung von Strontium und insbesondere von Bor für eine eutektische Kornverfeinerung. Feinere Körner bieten die Vorteile von verbesserten mechanischen Eigenschaften, wie beispielsweise einer höheren Zugfestigkeit, einer erhöhten Verformbarkeit und einer erhöhten Ermüdungsbeständigkeit.
Die eutektischen Siliziumfasern spezieller Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, sind sehr fein und weniger als ein Mikrometer groß. Im Gegensatz dazu zeigt eine Analyse der Mikrostruktur aus dem Stand der Technik, dass diese große eutektische Siliziumpartikel enthält (größer als zehn Mikrometer). Eine Analyse der Mikrostruktur der Al-Legierung wie gegossen mit 12,6% Si, 0,3% Mg, 0,25% Cu, 0,18% Fe, 0,045% Sr und 0,026% B zeigt die Feinheit der eutektischen Siliziumfasern. Die Größe der eutektischen Si-Fasern ist geringer als 1 μm (Mikrometer).
Typischerweise werden die Mikrostrukturbestandteile unter Verwendung einer quantitativen Metallurgie quantifiziert. Die quantitative Metallurgie wird üblicherweise in einem Bildanalysator mit metallurgisch polierten Proben ausgeführt. Alle Proben für die quantitative metallographische Analyse wurden unter Verwendung von Standardtechniken präpariert. Nach einer Oberflächenbearbeitung mit 1 μm Diamant wurde die endgültige Polierung unter Verwendung einer kommerziellen SiO₂-Schleifmittelsuspension (Struers OP-U) erreicht. Für spezielle Zwecke der Prüfung wurden die polierten Proben ferner einer zusätzlichen Präparation unterworfen. Die Siliziumpartikel wurden üblicherweise an vollständig wärmebehandelten Proben anhand ihres mittleren Aspektverhältnisses, ihres der Fläche äquivalenten Kreisdurchmessers, ihres Formfaktors (Rundheit, SF = P^2/4πA, wobei P der Partikelumfang und A die Partikelfläche ist), ihrer Länge und ihres Flächenanteils an dem polierten Abschnitt quantifiziert. Ungefähr 100 Felder mit 5.000–10.000 Partikeln wurden für jede Probe gemessen. Da eine automatisierte Messung von Partikelmerkmalen in gewisser Weise von der Graustufeneinstellung an dem Instrument abhängt, wurde das Detektionsniveau auf ungefähr 60% der Aluminiumgraustufe festgelegt.
Es wurde eine Analyse von Makrographen (nicht gezeigt) von eutektischen Körnern durchgeführt, wie sie erscheinen, wobei sich diese durch Änderungen in den Magnesiumniveaus für die speziellen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, unterscheiden. Die Analyse umfasste Legierungen, die auch (zusätzlich zu variierenden Mengen von Magnesium) 13% Silizium und auch 0,02% Strontium enthielten. Speziell analysiert wurden unterschiedliche Hinzufügungen von Magnesium unter einer stationären Verfestigung mit einem Temperaturgradienten von ungefähr 2,1°C/mm und einer Wachstumsgeschwindigkeit von 0,1 mm/s. Für die Legierung mit einer Hinzufügung von Magnesium zeigt sich die eutektische Wachstumsmorphologie als zellular, wobei der Zellenabstand ungefähr 1,7 mm beträgt. Anders als bei anderen Einzelphasenlegierungen ist die zellulare eutektische Korngrenze jedoch nicht derart gerade, und sie weist im Gegensatz dazu kleine Verzweigungen auf, von denen angenommen wird, dass sie mit der Wechselwirkung mit Gasblasen in Beziehung stehen, die sich in den Proben bilden. Wenn 0,35% Mg in die Legierung hinzugefügt wird, werden säulenartige eutektische Körner mit offensichtlichen Querverzweigungen gebildet, obwohl diese nicht gut entwickelt sind. Der primäre Dendritenabstand der eutektischen Körner beträgt ungefähr 1,8 mm. Wenn die Hinzufügung von Magnesium bis zu 0,45% beträgt, werden die eutektischen Körner gleichachsige Dendrite mit einer mittleren Korngröße von 0,8 mm. Es ist wichtig, dass das Niveau der Mikroporosität außer an dem Rand der Probe signifikant verringert ist. Wenn die Legierung 0,6% Magnesium enthält, kann eine gerichtete säulenartige Kornstruktur beobachtet werden. Die feste Probe weist sogar ein noch geringeres Niveau der Porosität (Mikroporosität) als bei anderen gezeigten Legierungen auf. Ebenso besteht die eutektische Struktur aus einer großen Menge an kleinen kugelförmigen Körnern mit unterschiedlichen Größen bei einer mittleren Größe von 0,1 mm. Diese kleinen gleichachsigen eutektischen Körner weisen keine derartigen Verzweigungen auf; dies gibt an, dass eine große Anzahl von heterogenen Orten bei der eutektischen Keimbildung wirksam war. Daraus kann geschlossen werden, dass während der Verfestigung dieser Legierung (0,6% Mg) primäre Aluminiumdendrite zuerst derart wachsen, dass sie in die Flüssigkeit hervortreten, und dass anschließend eine große Anzahl von eutektischen Körnern kontinuierlich Keime bilden, um die feinen gleichachsigen eutektischen Körner zu bilden. Bei den speziellen Ausführungsformen, bei denen ein Magnesiumniveau von 0,6% analysiert wurde, enthielt die Legierung auch 0,04% Bor.
Ein Vergleich der Architektur spezieller Ausführungsformen der vorgeschlagenen Legierung mit einer weithin verwendeten gegossenen Legierung aus dem Stand der Technik zeigt auch, dass die vorgeschlagene Legierung weniger porös ist (sogar dann, wenn dieselben Gießbedingungen verwendet wurden). Derartige weniger poröse Legierungen liefern spezielle Vorteile, einschließlich einer erhöhten Festigkeit.
Unter Bezugnahme auf 2 zeigt 2 eine Graphik der Auswirkung der Hinzufügung von Bor auf die Größe der eutektischen Körner in einer Al-Legierung mit 12,3% Si, 0,41% Mg, 0,25% Cu, 0,15% Fe, 0,026% Sr durch eine quantitative metallographische Analyse.
Bei den speziellen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, wird der Kupfergehalt in einem Bereich von bis zu ungefähr 0,5% Kupfer gehalten. Dies ist vorteilhaft, da das Vorhandensein eines hohen Kupfergehalts (wie beispielsweise 3–4 Prozent) den Solidus und dadurch den Erstarrungsbereich der Legierung (Liquidus-Solidus) signifikant beeinflussen kann. Für zwei ähnliche Legierungen, eine erste mit 3–4% Kupfer und eine zweite mit 0,5% Kupfer, kann der Solidus für die erste Legierung bei 500 C und für die zweite Legierung bei 545 C liegen; der Erstarrungsbereich für die erste Legierung kann 70 C und für die zweite 25 C betragen. Die zweite Legierung bietet Vorteile, wie beispielsweise, dass sie eine verringerte Neigung der Legierung aufweist, eine Schrumpfporosität zu bilden.
Gemäß einem anderen Aspekt der verschiedenen Ausführungsformen wird hierin eine Aluminiumlegierung beschrieben, die in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts im Wesentlichen besteht aus ungefähr 11% bis ungefähr 13,5% Silizium, bis zu ungefähr 0,5% Kupfer, ungefähr 0,15 bis ungefähr 0,55% Magnesium, bis zu ungefähr 0,4% Eisen, bis zu ungefähr 0,4% Mangan, bis zu ungefähr 0,1% Titan, bis zu ungefähr 0,5% Zink, ungefähr 0,015% bis ungefähr 0,08% Strontium, ungefähr 0,01% bis ungefähr 0,05% Bor und dem Rest Aluminium.
Gemäß speziellen Ausführungsformen wird hierin eine Aluminiumlegierung beschrieben, die in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts im Wesentlichen besteht aus ungefähr 11% bis ungefähr 13,5% Silizium, bis zu 0,5% Kupfer, ungefähr 0,35 bis ungefähr 0,55% Magnesium, bis zu ungefähr 0,4% Eisen, bis zu ungefähr 0,4% Mangan, bis zu ungefähr 4,1% Titan, bis zu ungefähr 0,5% Zink, ungefähr 0,02% bis ungefähr 0,08% Strontium, ungefähr 0,04% bis ungefähr 0,05% Bor und dem Rest Aluminium.
BEISPIELE
Die beschriebenen Ausführungsformen werden durch eine Bezugnahme auf die nachfolgenden Beispiele besser verständlich, die zur Veranschaulichung angeboten werden und bei denen ein Fachmann erkennt, dass sie nicht zur Einschränkung gedacht sind.
BEISPIEL 1
Eine Schmelze einer Legierung der Ausführungsformen, die nominell in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts 11,8% Si, 0,33% Mg, 0,2% Fe, 0,034% Sr und 0,032% B sowie als Rest Aluminium und zufällige Verunreinigungen umfasst (Ausführungsform 1 der Erfindung), wurde durch die folgenden Schritte hergestellt. Die korrekten Mengen von Masterlegierungen mit Al und 10% Si, Al und 50% Si, Al und 25% Fe, Al und 25% Mn (Gewichts-%) und von reinem Magnesiummetall wurden sorgfältig gewogen und in einem Ton-Graphit-Schmelztiegel in einem elektrischen Widerstandsofen geschmolzen. Sobald sie ausgegast und gereinigt war, wurde die Schmelze mit einem Wirkstoff behandelt, um eine eutektische Aluminium-Silizium-Phase und/oder eine intermetallische Phasenmodifikation zu bewirken. Ein bevorzugter Wirkstoff für diesen Zweck umfasst Sr und B. Das bevorzugte Verfahren ist, Masterlegierungen mit Al und 10% sowie Al und 3% B (Gewichts-%) zu verwenden, die in die Schmelze während der letzten Stufen des Ausgasens hinzugefügt werden, unter der Voraussetzung, dass kein Halogenmaterial verwendet wird. Nach dieser Verarbeitung wurden die Legierungszusammensetzung und der Gasgehalt überprüft, und die Legierungsschmelze wurde mittels Schwerkraft in Metallgussformen gegossen, um zumindest fünf Testblöcke mit den Abmessungen von 12,7 mm im Querschnittsdurchmesser und einer Länge von ungefähr 200 mm zu bilden.
Die gegossenen Testblöcke wurden anschließend der T6-Wärmebehandlung ausgesetzt (bei 535 ± 5 Grad C für 8 Stunden lösungsbehandelt, anschließend mit heißem Wasser (50 Grad C) abgeschreckt und danach bei 155 ± 5 Grad C für 3 Stunden ausgelagert). Eine Zugprüfung wurde unter Verwendung der ASTM-Prozeduren B557 ausgeführt.
Zum Vergleich wurde eine Schmelze einer herkömmlichen Aluminiumlegierung A356 hergestellt und auf eine ähnliche Weise gegossen, um Testblöcke zu liefern, die weiter in dem T6-Zustand wärmebehandelt wurden (bei 535 ± 5 Grad C für 8 Stunden lösungsbehandelt, anschließend mit heißem Wasser (50 Grad C) abgeschreckt und danach bei 155 ± 5 Grad C für 3 Stunden ausgelagert). Die Zugprüfung der Proben wurde auf eine ähnliche Weise ausgeführt.

Tabelle 1 legt die Ergebnisse des Testens der mechanischen Eigenschaften dar, wobei UTS die Zerreißfestigkeit (in MPa) ist und Prozent Elongation die plastische Dehnung beim Bruch ist. TABELLE 1

Legierung	UTS		% Elongation
	Mittelwert	Minimum	Mittelwert	Minimum
Ausführungsform 1 wie gegossen	270,5	262,4	9,8	7,6
Ausführungsform 1 T6	345,2	334,7	15,1	13,0
A356 T6	262	254	1,5	1,2

Bezogen auf die Legierungsausführungsform in Beispiel 1 ist es offensichtlich, dass die Testproben der Legierung eine bessere Kombination der Zugfestigkeit und der Elongation im Vergleich zu den Testproben der herkömmlichen Legierung A356 zeigten. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Testproben der Legierung eine sehr hohe Elongation im Vergleich zu den Testproben der Legierung A356 zeigten. Infolgedessen können die hierin beschriebenen Legierungen die Konstruktion von Gussteilen mit geringerem Gewicht ermöglichen, da die Gussteile verbesserte mechanische Eigenschaften aufweisen und mit verringerter Querschnittsdicke konstruiert werden können.
BEISPIEL 2
Eine Schmelze einer Legierung der Ausführungsformen, die nominell in Gewichtsprozent 12,6% Si, 0,3% Mg, 0,18% Fe, 0,045% Sr und 0,026% B sowie als Rest Al und zufällige Verunreinigungen umfasst (Ausführungsform 2 der Erfindung), wurde durch die Schritte hergestellt, die vorstehend für Beispiel 1 beschrieben sind. Die Schmelzbehandlung, das Gießen, die Wärmebehandlung und die Zugprüfung der Testproben sind dieselben wie diejenigen, die vorstehend für Beispiel 1 beschrieben sind.

Tabelle 2 legt die Ergebnisse des Testens der mechanischen Eigenschaften dar, wobei UTS die Zerreißfestigkeit (in MPa) ist und Prozent Elongation die plastische Dehnung beim Bruch ist. TABELLE 2

Legierung	UTS		% Elongation
	Mittelwert	Minimum	Mittelwert	Minimum
Ausführungsform 2 wie gegossen	260,4	251,4	8,5	7,1
Ausführungsform 2 T6	330,8	321,9	14,2	12,8
A356 T6	262	254	1.5	1,2

Bezüglich der Legierungen der beschriebenen Ausführungsformen ist es wiederum offensichtlich, dass die Testproben der Legierung eine bessere Kombination der Zugfestigkeit und der Elongation im Vergleich zu den Testproben der herkömmlichen Legierung A356 zeigten. Darüber hinaus ist es wichtig, dass die Testproben der Legierung eine sehr hohe Elongation im Vergleich zu den Testproben der Legierung A356 zeigten.
BEISPIEL 3
Eine Schmelze einer Legierung der Ausführungsformen, die nominell in Gewichtsprozent 13,25% Si, 0,25% Mg, 0,19% Fe, 0,048% Sr und 0,022% B sowie als Rest Al und zufällige Verunreinigungen umfasst (Ausführungsform 3 der Erfindung), wurde durch die Schritte hergestellt, die vorstehend für Beispiel 1 beschrieben sind. Die Schmelzbehandlung, das Gießen, die Wärmebehandlung und die Zugprüfung der Testproben sind dieselben wie diejenigen, die vorstehend für Beispiel 1 beschrieben sind.

Tabelle 3 legt die Ergebnisse des Testens der mechanischen Eigenschaften dar, wobei UTS die Zerreißfestigkeit (in MPa) ist und Prozent Elongation die plastische Dehnung beim Bruch ist. TABELLE 3

Legierung	UTS		% Elongation
	Mittelwert	Minimum	Mittelwert	Minimum
Ausführungsform 3 wie gegossen	254,7	247,2	8,0	6,9
Ausführungsform 3 T6	325,3	317,7	13,5	11,7
A356 T6	262	254	1,5	1,2

Bezogen auf die speziellen Ausführungsformen der Legierungen, die hierin beschrieben sind, ist es wiederum offensichtlich, dass die Testproben der speziellen Legierungen eine bessere Kombination der Zugfestigkeit und der Elongation im Vergleich zu den Testproben der herkömmlichen Legierung A356 zeigten. Darüber ist es wichtig, dass die Testproben der Legierungen, die hierin beschrieben sind, eine sehr hohe Elongation im Vergleich zu den Testproben der Legierung A356 zeigten.
BEISPIEL 4
Eine Schmelze einer Legierung der Ausführungsformen, die nominell in Gewichtsprozent 12,3% Si, 0,41% Mg, 0,25% Cu, 0,15% Fe, 0,026% Sr und 0,032% B sowie als Rest Al und zufällige Verunreinigungen umfasst (Ausführungsform 4 der Erfindung), wurde durch die Schritte hergestellt, die vorstehend für Beispiel 1 beschrieben sind. Die Schmelzbehandlung, das Gießen, die Wärmebehandlung und die Zugprüfung der Testproben sind dieselben wie diejenigen, die vorstehend für Beispiel 1 beschrieben sind.
Die beschriebenen Ausführungsformen liefern signifikante Vorteile im Vergleich zu den üblichen Legierungen, beispielsweise bezüglich der Zerreißfestigkeit, der Dehngrenze sowie der Ermüdungs- und Elongationseigenschaften. Die Eigenschaften einer Legierung der speziellen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, werden bezüglich einer der gebräuchlichsten auf Al-Si basierten Legierungen verglichen, die bei der Herstellung von Motorblöcken und Zylinderköpfen verwendet wird (A356, 7,0% Si, 0,58% Mg, 0,15% Cu, 0,13% Fe, 0,013% Sr und 0,013% Ti sowie Rest Al). Wie anhand von Tabelle 4 und 5 zu sehen ist, liefern die Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, signifikante Vorteile, wie beispielsweise bezüglich der Dehnungseigenschaften bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur. Der Vollständigkeit halber sind Versionen wie gegossen und T6-Versionen in den Vergleich eingebunden. TABELLE 4
TABELLE 5
BEISPIEL 5
Eine Schmelze einer Legierung der Ausführungsformen, die nominell in Gewichtsprozent 12,2% Si, 0,51% Mg, 0,20% Cu, 0,18% Fe, 0,025% Sr, 0,03 Ti und 0,041% B sowie als Rest Al und zufällige Verunreinigungen umfasst (Ausführungsform 5 der Erfindung), wurde durch die Schritte hergestellt, die vorstehend für Beispiel 1 beschrieben sind. Die Schmelzbehandlung, das Gießen, die Wärmebehandlung und die Zugprüfung der Testproben sind dieselben wie diejenigen, die vorstehend für Beispiel 1 beschrieben sind.
Die beschriebenen Ausführungsformen liefern signifikante Vorteile im Vergleich zu den üblichen Legierungen, beispielsweise bezüglich der Zerreißfestigkeit, der Dehngrenze sowie der Ermüdungs- und Elongationseigenschaften. Die Eigenschaften einer Legierung der speziellen Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, werden bezüglich einer der gebräuchlichsten auf Al-Si basierten Legierungen verglichen, die bei der Herstellung von Motorblöcken und Zylinderköpfen verwendet wird (A356, 7,0% Si, 0,58% Mg, 0,15% Cu, 0,13% Fe, 0,013% Sr und 0,013% Ti sowie Rest Al). Wie anhand von Tabelle 6 zu sehen ist, liefern die Ausführungsformen, die hierin beschrieben sind, signifikante Vorteile, wie beispielsweise bezüglich der Dehnungseigenschaften bei Raumtemperatur und bei hoher Temperatur. Der Vollständigkeit halber sind Versionen wie gegossen und T6-Versionen in den Vergleich eingebunden.
TABELLE 6
BEISPIEL 6
Für die speziellen Ausführungsformen der Legierung(en) ist ein Ti enthaltender Kornverfeinerungswirkstoff nicht erforderlich, da die Legierung(en) keine primären Aluminiumkörner aufweist bzw. aufweisen, die zu verfeinern sind. Ein Ti enthaltendes Kornverfeinerungsmittel dient zur Verfeinerung von primären Aluminium-Dendritenkörnern. Die primären Aluminiumkörner erscheinen als Verzweigungsbildungen, die sich zuerst in dem flüssigen Metall bilden, wenn dieses unter den Liquidus abgekühlt wird (~615 C für eine A356-Legierung, die 6~7% Si enthält). Die primären Aluminium-Dendritenkörner können nur in einer hypoeutektischen Legierung beobachtet werden (die anfängliche Legierungszusammensetzung weist weniger als 11,8% Si auf). Die eutektischen Körner bilden sich bei einer eutektischen Temperatur von ungefähr 570 C oder darunter. Die eutektische Reaktion (Flüssigkeit → Al + Si) erfolgt, nachdem sich die primären Aluminium-Dendritenkörner in der hypoeutektischen Legierung (die eutektische Reaktion ist die Phasenumwandlung aus Flüssigkeit mit einer Legierungszusammensetzung von Al und 11,8% Si) in einem auf Al-Si basierten Legierungssystem zur gleichen Zeit in feste Phasen von Al und Si umformen. Bei der eutektischen Reaktion weist die eutektische Aluminiumphase keine dendritische Morphologie auf. Die eutektische Aluminiumphase bildet zusammen mit der schuppen- oder faserförmigen Siliziumphase kugelförmige eutektische Körner. Ebenso erfolgt die eutektische Reaktion (Flüssigkeit → Al + Si), wenn die übrige Flüssigkeitszusammensetzung eutektisch wird (Al und 11,8% Si). Stattdessen wird B benötigt, um die eutektischen Körner bei den speziellen Ausführungsformen zu verfeinern. Die vorliegende Legierung ist eine eutektische Legierung mit weniger primären Aluminium-Dendritenkörnern. Bei den speziellen Ausführungsformen wurde ein Verfeinerungsergebnis der eutektischen Körner in den vorliegenden Experimenten mit einer Kombination von Mg (> 0,35%), Sr (> 0,02%) und B (> 0,04%) erreicht.
Bei der Schmelzbehandlung wurde die Basislegierung ohne Sr und B zuerst in einem Ofen bei einer Temperatur von 760 C geschmolzen. Nach einem Halten für 30 Minuten wurde eine Masterlegierung mit Al und 10 Gew.-% Sr zu den Schmelzen bei ungefähr 720 C mit einer Kontrolle des Sr-Gehalts hinzugefügt. Nachdem Sr hinzugefügt war, wurde die Schmelze für zumindest weitere 30 Minuten gehalten, bevor B zur Kornverfeinerung hinzugefügt wurde. Vor dem Gießen der flüssigen Schmelze in eine Gussform wurde die Masterlegierung mit Al und 4% B zu der Schmelze bei ungefähr 700 C unter Kontrolle des B-Gehalts bei ungefähr 0,04% hinzugefügt.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die speziellen Ausführungsformen oder Konstruktionen beschränkt ist, die vorstehend beschrieben sind, sondern dass verschiedene Änderungen darin ausgeführt werden können, ohne von dem Geist und dem Umfang der Erfindung abzuweichen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

ASTM-Prozeduren B557 [0026]

Claims

Aluminiumlegierung, in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts im Wesentlichen bestehend aus 11% bis 13,5% Silizium, bis zu 0,5% Kupfer, 0,4 bis 0,55% Magnesium, bis zu 0,3% Eisen, bis zu 0,3% Mangan, bis zu 0,1% Titan, bis zu 0,4% Zink, ungefähr 0,015% bis 0,08% Strontium, 0,03% bis 0,05% Bor und dem Rest Aluminium.
Aluminiumlegierung, in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts im Wesentlichen bestehend aus ungefähr 11% bis ungefähr 13,5% Silizium, bis zu ungefähr 0,5% Kupfer, ungefähr 0,15 bis ungefähr 0,55% Magnesium, bis zu ungefähr 0,4% Eisen, bis zu ungefähr 0,4% Mangan, bis zu ungefähr 0,1% Titan, bis zu ungefähr 0,5% Zink, ungefähr 0,015% bis ungefähr 0,08% Strontium, ungefähr 0,01% bis ungefähr 0,05% Bor und dem Rest Aluminium.
Legierung nach Anspruch 2, wobei Eisen bezüglich des Gewichts von ungefähr 0,2% bis ungefähr 0,4% vorliegt und das Verhältnis von Mangan zu Eisen 0,6 bis 1,0 beträgt.
Gegossener Zylinderkopf für einen Verbrennungsmotor, der aus der Legierung nach Anspruch 2 gebildet ist.
Motorblock, Rad, Aufhängungsteil und/oder Flugzeugtür, gebildet aus der Legierung nach Anspruch 2.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, wobei die Gesamtverunreinigung geringer als 0,15% ist.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, wobei der Prozentanteil von Silizium von ungefähr 13% bis ungefähr 13,5% reicht.
Verfahren zum Gießen einer Kraftfahrzeugkomponente aus einer Aluminiumlegierung, so dass eine thermische Ermüdung verringert wird, umfassend, dass: eine Gussform bereitgestellt wird; und eine Aluminiumlegierungsschmelze in die Gussform eingeleitet wird, wobei die Aluminiumlegierung in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts im Wesentlichen besteht aus 11% bis 13,5% Silizium, bis zu 0,5% Kupfer, 0,4 bis 0,55% Magnesium, bis zu 0,3% Eisen, bis zu 0,3% Mangan, bis zu 0,1% Titan, bis zu 0,4% Zink, ungefähr 0,015% bis 0,08% Strontium, 0,03% bis 0,05% Bor und dem Rest Aluminium und wobei die thermische Ermüdung des Kraftfahrzeug-Gussteils verringert wird.
Kraftfahrzeug-Zylinderkopf, gebildet aus der Legierung, die in Prozentanteilen bezüglich des Gewichts im Wesentlichen besteht aus 11% bis 13,5% Silizium, bis zu 0,5% Kupfer, 0,4 bis 0,55% Magnesium, bis zu 0,3% Eisen, bis zu 0,3% Mangan, bis zu 0,1% Titan, bis zu 0,4% Zink, ungefähr 0,015% bis 0,08% Strontium, 0,03% bis 0,05% Bor und dem Rest Aluminium.
Kraftfahrzeug-Zylinderkopf nach Anspruch 9, wobei die Legierung gegossen wird.