DE102015117616A1

DE102015117616A1 - Abkühlungszonen-Mikrostrukturen für mit leichten Metalllegierungen hergestellte Gussteile

Info

Publication number: DE102015117616A1
Application number: DE102015117616.5A
Authority: DE
Inventors: Bin Hu; Anil K. Sachdev; Jon T. Carter; Jeff Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2015-10-16
Publication date: 2016-04-28
Also published as: CN105537551A; US20160114387A1; US10086429B2

Abstract

Es sind Verfahren zum Gießen von leichten Metallkomponenten mit hoher Festigkeit und hoher Dehnbarkeit vorgesehen. Das Gießen kann ein Formgießen sein. Eine geschmolzene leichte Metalllegierung wird in einen Hohlraum einer Gießform eingeleitet. Die geschmolzene leichte Metalllegierung wird verfestigt, und anschließend wird eine feste Komponente aus der Gießform entfernt. Die feste Komponente ist derart ausgestaltet, dass die eine dünne Wand aufweist. Beispielsweise weist die feste Komponente zumindest eine Abmessung von weniger als oder gleich ungefähr 2 mm auf. Auf diese Weise wird eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur gebildet, die sich über die zumindest eine Abmessung der festen leichten Metalllegierungskomponente erstreckt. Die feste Komponente kann daher im Wesentlichen frei von einer Bildung einer dendritischen Mikrostruktur sein, wodurch reichhaltigere Legierungsstoffe ermöglicht werden, als zuvor während des Gießens möglich waren. Solche Verfahren können verwendet werden, um Metalllegierungs-Fahrzeugkomponenten mit hoher Festigkeit, hoher Dehnbarkeit und geringem Gewicht zu bilden.

Description

VERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/068,219, die am 24. Oktober 2014 eingereicht wurde. Die gesamte Offenbarung der vorstehend referenzierten Anmeldung ist hierin durch Bezugnahme eingebunden.
GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft Verfahren zum Gießen von leichten Metalllegierungen, wie beispielsweise Aluminium- und/oder Magnesiumlegierungen, bei welchen die Teilausgestaltung die Bildung einer Abkühlungszonen-Mikrostruktur ermöglicht, die zu leichten Metalllegierungs-Gussteilen mit erhöhter Festigkeit und erhöhter Dehnbarkeit führt.
HINTERGRUND
Die Angaben in diesem Abschnitt liefern nur auf die vorliegende Offenbarung bezogene Hintergrundinformation und stellen möglicherweise keinen Stand der Technik dar.
Leichte Metallkomponenten werden bei der Herstellung von Fahrzeugen immer mehr vorherrschend, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, bei denen eine kontinuierliche Verbesserung bezüglich der Kraftstoffeffizienz und der Leistung wünschenswert ist. Leichte Metallkomponenten für solche Kraftfahrzeuganwendungen sind oft aus Aluminium, Magnesium und deren Legierungen hergestellt. Solche leichte Metalle können Komponenten bilden, die eine Last tragen können und fest sowie steif sein müssen, wobei sie eine gute Festigkeit und Dehnbarkeit (z. B. bezüglich der Streckung) aufweisen. Eine hohe Festigkeit und Dehnbarkeit sind bei Sicherheitsanforderungen und für die Haltbarkeit von Fahrzeugen, beispielsweise von Kraftfahrzeugen, besonders wichtig.
Eine beispielhafte leichte Metalllegierung für Strukturkomponenten in einem Fahrzeug ist eine Aluminium enthaltende Legierung. Aluminium enthaltende Legierungen können durch Bearbeitungsprozesse, wie beispielweise Extrudieren, Schmieden, Stanzen, oder durch eine Gusstechnik gebildet werden, wie beispielsweise durch einen Formguss, einen Sandguss, einen Kokillenguss, einen Feinguss und dergleichen. Bei einem solchen Guss kann ein geschmolzenes Metall in eine Gießform gegossen werden. Das geschmolzene Metall passt sich an eine Form innerhalb der Gießform an und nimmt daher die Form des Formhohlraums an, wenn es abkühlt und verfestigt. Nachdem das Metall verfestigt ist und ein Teil bildet, wird die Gießform anschließend von dem Teil getrennt und entfernt. Bei einem Formgussprozess tritt das geschmolzene Metallmaterial oft unter Druck durch ein Formwerkzeug hindurch, das eine oder mehrere Durchbrechungen oder Öffnungen definiert. Nachdem es durch den Einlass-Anguss, durch Eingusskanäle und das Eingusssystem in der Gießform hindurchgetreten ist, tritt das geschmolzene Metall in einen Formhohlraum ein, in welchem es verfestigt, um den Gießprozess abzuschließen.
Alle Formgussteile weisen eine sehr dünne Abkühlungszone an den Außenflächen des Gussteils auf, welche benachbart zu den kühleren Wänden der Gießform auftritt. Die Abkühlungszone weist eine andere Mikrostruktur als die übrigen Bereiche des Teils auf. Die Abkühlungszone ist einem inneren dendritischen Mikrostrukturbereich benachbart, der sich von der Abkühlungszone in Richtung eines Innenraums oder Zentrums des Gussteils erstreckt. Die Abkühlungszone ist typischerweise nur ein sehr geringer Prozentanteil der gesamten Dicke des Teils.
Wenn Legierungen gegossen werden, bestimmen Industriestandards und -beschränkungen während des Gießprozesses typischerweise, welche Legierungsmaterialien und Legierungsbestandteile umfasst werden. Die Legierungsauswahl wird letztlich für die Eigenschaften des dendritischen Mikrostrukturbereichs maßgeschneidert, welche für das Teil benötigt werden, während die Abkühlungszonen-Mikrostruktur üblicherweise nicht beachtet wird. Manchmal kann die Abkühlungszone nach dem Gießen teilweise entfernt werden, um Anforderungen bezüglich der Oberflächenrauhigkeit, bezüglich des Aussehens der Oberfläche und/oder bezüglich der Montage zu erfüllen. Die Festigkeit und die andere Legierungseigenschaften könnten im Hinblick auf diese herkömmlichen Gusstechniken weiter verbessert werden. Leichte Metallgussteile, wie beispielsweise Aluminium- und Magnesiumgussteile, erfordern höhere Festigkeitsniveaus, die denjenigen hochfester geschmiedeter Aluminium- und Stahlstanzteile entsprechen. Daher ist es weiterhin notwendig, Gießprozesse zu verbessern, um verbesserte leichte Metallkomponenten aus Legierungen zu bilden, die neben anderen Eigenschaften eine geeignete Gießbarkeit, Festigkeit und Dehnbarkeit aufweisen.
ZUSAMMENFASSUNG
Dieser Abschnitt liefert eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und stellt keine umfassende Offenbarung ihres vollständigen Umfangs oder aller ihrer Merkmale dar.
Gemäß bestimmten Aspekten zieht die vorliegende Offenbarung ein Verfahren zum Gießen einer leichten Metallkomponente in Betracht. Das Verfahren umfasst, dass eine geschmolzene leichte Metalllegierung in einen Hohlraum einer Gießform eingeleitet wird. Die geschmolzene leichte Metalllegierung wird verfestigt, und anschließend wird eine feste leichte Metalllegierungskomponente aus der Gießform entfernt. Die feste leichte Metalllegierungskomponente ist derart ausgestaltet, dass sie zumindest einen Bereich mit einer dünnen Wand aufweist. Beispielsweise weist die feste leichte Metalllegierungskomponente bei bestimmten Varianten in zumindest einem Bereich zumindest eine Abmessung von weniger als oder gleich ungefähr 2 mm auf, so dass eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur gebildet wird, die sich über die zumindest eine Abmessung der festen leichten Metalllegierungskomponente erstreckt.
Gemäß anderen Aspekten ist ein Verfahren zum Gießen einer leichten Metallkomponente vorgesehen, welches umfasst, dass eine Legierung ausgewählt wird, die ein leichtes Metall umfasst. Die Legierung wird ausgewählt, um eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur in der gegossenen festen Komponente zu bilden, insbesondere in Bereichen des Gussteils, die als besonders wichtig für die gegossene feste Komponentenstruktur angesehen werden. Das leichte Metall wird aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus: Aluminium, Magnesium und Kombinationen von diesen. Das Verfahren kann umfassen, dass die Legierung gegossen wird, indem die geschmolzene Legierung in einen Hohlraum einer Gießform eingeleitet wird. Anschließend wird die geschmolzene Legierung verfestigt und als eine feste Komponente aus der Gießform entfernt. Die feste Komponente ist derart ausgestaltet, dass sie in zumindest einem Bereich eine dünne Wand aufweist. Beispielsweise kann die feste Komponente in dem zumindest einen Bereich zumindest eine Abmessung von weniger als oder gleich ungefähr 2 mm aufweisen. Auf diese Weise erstreckt sich die Abkühlungszonen-Mikrostruktur über die zumindest eine Abmessung der festen Komponente.
Gemäß noch anderen Aspekten umfasst ein Verfahren zum Gießen einer leichten Metall-Fahrzeugkomponente, dass eine geschmolzene leichte Metalllegierung in einen Hohlraum einer Gießform eingeleitet wird, welche eine Form der Fahrzeugkomponente definiert. Die leichte Metalllegierung umfasst Aluminium, Magnesium oder Kombinationen von Aluminium und Magnesium mit optionalen zusätzlichen Elementen, die vorausgewählt sind, um geeignete Eigenschaften bereitzustellen. Die geschmolzene leichte Metalllegierung wird verfestigt und anschließend als eine feste leichte Metalllegierungs-Fahrzeugkomponente aus der Gießform entfernt. Die feste leichte Metalllegierungs-Fahrzeugkomponente weist zumindest eine Abmessung von weniger als oder gleich ungefähr 2 mm auf, so dass sich eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur über die zumindest eine Abmessung der festen leichten Metalllegierungs-Fahrzeugkomponente erstreckt.
Weitere Anwendungsgebiete werden anhand der hierin vorgesehenen Beschreibung offensichtlich werden. Die Beschreibung und die speziellen Beispiele in dieser Zusammenfassung sind nur zu Darstellungszwecken gedacht und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Zwecken der Veranschaulichung ausgewählter Ausführungsformen und nicht aller möglicher Implementierungen, und sie sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken.
1 ist eine beispielhafte schematische Ansicht eines herkömmlichen leichten Metallgusssystems mit einem verfestigten leichten Metallteil, das darin angeordnet ist; und
2 ist eine beispielhafte schematische Ansicht eines leichten Metallgusssystems, das gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung hergestellt ist, um ein verfestigtes leichtes Metallteil zu bilden, das nur eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur aufweist.
Entsprechende Bezugszeichen geben überall in den verschiedenen Zeichnungsansichten entsprechende Teile an.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Beispielhafte Ausführungsformen werden nun unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen vollständiger beschrieben.
Beispielhafte Ausführungsformen sind vorgesehen, sodass diese Offenbarung sorgfältig sein wird und Fachleuten den Umfang vollständig übermitteln wird. Es werden zahlreiche spezielle Details dargelegt, wie etwa Beispiele spezieller Komponenten, Einrichtungen und Verfahren, um für ein genaues Verständnis der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zu sorgen. Fachleute werden einsehen, dass spezielle Details nicht verwendet werden müssen, dass die beispielhaften Ausführungsformen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert werden können und dass keine von diesen derart ausgelegt werden soll, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränkt. Bei einigen beispielhaften Ausführungsformen werden wohlbekannte Prozesse, wohlbekannte Einrichtungsstrukturen und wohlbekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierein verwendete Terminologie dient lediglich zu dem Zweck, spezielle beispielhafte Ausführungsformen zu beschreiben, und soll nicht einschränkend sein. Wie hierin verwendet, können die Einzahlformen ”ein”, ”eine” sowie ”der”, ”die” und ”das” ebenso die Mehrzahlformen umfassen, wenn der Zusammenhang nicht klar etwas anderes angibt. Die Ausdrücke ”umfassen”, ”umfassend”, ”aufweisen” und ”aufweisend” sind einschließend und spezifizieren daher das Vorhandensein der angegebenen Merkmale, Zahlen, Schritte, Vorgänge, Elemente und/oder Komponenten, sie schließen jedoch nicht das Vorhandensein oder Hinzufügen eines Merkmals oder mehrerer Merkmale, einer Zahl oder mehrerer Zahlen, eines Schritts oder mehrerer Schritte, eines Vorgangs oder mehrerer Vorgänge, eines Elements oder mehrerer Elemente, einer Komponente oder mehrerer Komponenten und/oder Gruppen von diesen aus. Die Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge, die hierin beschrieben sind, sollen nicht derart interpretiert werden, dass notwendigerweise deren Ausführung in der speziellen Reihenfolge erforderlich ist, die diskutiert wird oder angegeben ist, wenn nicht eine spezielle Reihenfolge der Ausführung beschrieben ist. Es versteht sich ebenso, dass zusätzliche oder alternative Schritte verwendet werden können, wenn nichts anderes angegeben ist.
Wenn eine Komponente, ein Element oder eine Lage als ”auf”, ”in Eingriff mit”, ”verbunden mit” oder ”gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Lage bezeichnet wird, kann sich dieses bzw. diese direkt auf der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Lage befinden, mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Lage in Eingriff stehen, verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischen liegende Elemente oder Lagen vorhanden sein. Wenn ein Element im Gegensatz dazu als ”direkt auf”, ”direkt in Eingriff mit”, ”direkt verbunden mit” oder ”direkt gekoppelt mit” einem anderen Element oder einer anderen Lage bezeichnet wird, dürfen keine dazwischen liegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Formulierungen, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf eine ähnliche Weise interpretiert werden (z. B. ”zwischen” gegenüber ”direkt zwischen”, ”benachbart” gegenüber ”direkt benachbart”, usw.). Wie hierin verwendet, umfasst der Ausdruck ”und/oder” eine beliebige oder alle Kombinationen eines oder mehrerer der dazugehörigen aufgelisteten Gegenstände.
Obwohl die Ausdrücke erster, zweiter, dritter, usw. hierin verwendet werden können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Lagen und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Lagen und/oder Abschnitte nicht durch diese Ausdrücke beschränkt sein, wenn dies nicht auf andere Weise angegeben ist. Diese Ausdrücke können lediglich verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Lage oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Bereich, einer anderen Lage oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Ausdrücke wie beispielsweise ”erster”, ”zweiter” und andere numerische Ausdrücke implizieren keine Sequenz oder Reihenfolge, wenn sie hierin verwendet werden, wenn dies nicht klar durch den Zusammenhang angegeben wird. Daher könnte ein erster Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, ein erster Bereich, eine erste Lage oder ein erster Abschnitt, die nachstehend diskutiert werden, als ein zweiter Schritt, ein zweites Element, eine zweite Komponente, ein zweiter Bereich, eine zweite Lage oder ein zweiter Abschnitt bezeichnet werden, ohne von den Lehren der beispielhaften Ausführungsformen abzuweichen.
Ausdrücke für räumliche oder zeitliche Beziehungen, wie beispielsweise ”vor”, ”nach”, ”innerer”, ”äußerer”, ”unterhalb”, ”unter”, ”unterer”, ”oberhalb”, ”oberer” und dergleichen, können hierin zur Vereinfachung der Beschreibung verwendet werden, um eine Beziehung eines Elements oder Merkmals mit einem anderen Element oder Merkmal bzw. anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie sie in den Figuren dargestellt sind. Die Ausdrücke für räumliche oder zeitliche Beziehungen sollen unterschiedliche Ausrichtungen der Einrichtung oder des Systems bei der Verwendung oder im Betrieb zusätzlich zu der Ausrichtung umfassen, die in den Figuren gezeigt ist.
Es versteht sich, dass bei einer beliebigen Bezugnahme auf ein Verfahren, eine Zusammensetzung, eine Einrichtung oder ein System, das bzw. die bestimmte Schritte, Zusammensetzungen oder Merkmale ”umfasst”, bei bestimmten alternativen Varianten ebenso in Betracht gezogen wird, dass ein solches Verfahren, eine solche Zusammensetzung, eine solche Einrichtung oder ein solches System ebenso ”im Wesentlichen aus” den aufgezählten Schritten, Bestandteilen oder Merkmalen ”bestehen” kann, so dass beliebige andere Schritte, Bestandteile oder Merkmale, welche die grundlegenden und neuen Eigenschaften der Erfindung materiell verändern würden, von diesen ausgeschlossen sind.
Überall in dieser Offenbarung repräsentieren numerische Werte näherungsweise Messwerte oder Grenzen für Bereiche, um kleinere Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausführungsformen, welche ungefähr den angegebenen Wert aufweisen, und auch solche Ausführungsformen zu umfassen, die den angegebenen Wert exakt aufweisen. Anders als bei den Arbeitsbeispielen, die an dem Ende der ausführlichen Beschreibung vorgesehen sind, sollen alle numerischen Werte von Parametern (z. B. von Mengen oder Zuständen) in dieser Beschreibung einschließlich der beigefügten Ansprüche derart verstanden werden, dass sie in allen Fällen durch den Begriff ”ungefähr” modifiziert sind, ganz gleich, ob ”ungefähr” tatsächlich vor dem numerischen Wert erscheint oder nicht. ”Ungefähr” gibt an, dass der angegebene numerische Wert eine gewisse leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Exaktheit des Werts; näherungsweise oder vernünftig nahe bei dem Wert; nahezu). Wenn die Ungenauigkeit, die durch ”ungefähr” angegeben ist, nicht auf andere Weise als gemäß der in der Technik üblichen Bedeutung verstanden werden soll, dann gibt ”ungefähr”, wenn es hierin verwendet wird, zumindest Abweichungen an, die aufgrund herkömmlicher Messverfahren und unter Verwendung solcher Parameter entstehen können. Wenn die Ungenauigkeit, die durch ”ungefähr” angegeben ist, nicht aus einem bestimmten Grund auf andere Weise als gemäß dieser in der Technik üblichen Bedeutung verstanden werden soll, dann kann ”ungefähr”, wenn es hierin verwendet wird, eine mögliche Abweichung von bis zu 5% des angegebenen Werts oder eine Varianz von 5% bezüglich üblicher Messverfahren angeben.
Der Begriff ”Zusammensetzung” bezieht sich dann, wenn er hierin verwendet wird, breit auf eine Substanz, die zumindest die bevorzugten Metallelemente oder Metallverbindungen enthält, die jedoch optional zusätzliche Substanzen oder Verbindungen umfasst, einschließlich von Zusatzstoffen und Verunreinigungen. Der Begriff ”Material” bezieht sich ebenso breit auf Materie, welche die bevorzugten Verbindungen oder die bevorzugte Zusammensetzung enthält.
Zusätzlich umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilter Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, und zwar einschließlich von Endpunkten und Unterbereichen, die für die Bereiche angegeben sind.
Die vorliegende Offenbarung sieht ein Verfahren zum Gießen einer leichten Metallkomponente vor. Leichte Metalle können Aluminium, Magnesium sowie Kombinationen und Legierungen von diesen umfassen, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird.
Das Gießen umfasst allgemein, dass eine geschmolzene Metalllegierung in einen Hohlraum einer Gießform gegossen wird. Die geschmolzene Metalllegierung wird in eine Gießform eingeleitet, wo die Metalllegierung nach dem Abkühlen verfestigt, um ein verfestigtes Gussteil oder eine verfestigte Gusskomponente zu bilden. Die leichten Metalllegierungen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung sind für einen Guss geeignet, was einen Formguss, einen Sandguss, einen Kokillenguss und einen Feinguss als nicht einschränkende Beispiele umfasst. Gemäß verschiedenen Aspekten ist die leichte Metalllegierung insbesondere für einen Formgussprozess geeignet, bei dem das geschmolzene Legierungsmaterial durch ein Formwerkzeug hindurchtritt, das eine oder mehrere Durchbrechungen oder Öffnungen definiert, wenn es während des Gießprozesses in einen Gießformhohlraum eintritt. Obgleich hierin Gusstechniken offenbart sind, versteht es sich, dass die leichte Metalllegierung in bestimmten Fällen auch in Bearbeitungsprozessen verwendet werden kann. Bei bestimmten Varianten bilden die gegossenen festen Teile leichte Metallstrukturkomponenten, die eine oder mehrere Oberflächen aufweisen, die ferner nach dem Gießen und der Verfestigung weiter maschinell bearbeitet werden.
Obgleich beispielhafte Komponenten überall in der Beschreibung dargestellt und erläutert werden, versteht es sich, dass die erfindungsgemäßen Konzepte in der vorliegenden Offenbarung auch auf eine beliebige Strukturkomponente angewendet werden können, die aus einem leichten Metall gebildet werden kann, einschließlich solcher, die in Fahrzeugen verwendet werden, wie beispielsweise bei Kraftfahrzeuganwendungen, die Säulen wie etwa Scharniersäulen, Bleche einschließlich Strukturblechen, Türblechen und Türkomponenten, Innenböden, Bodenwannen, Dächer, Außenflächen, Unterbodenabschirmungen, Räder, Stauräume einschließlich Handschuhfächern, Konsolen, Kofferräumen, Kofferraumböden, Ladeflächen, Lampenfassungen und anderen Komponenten, Abdeckungen von Stoßdämpferbrücken, Querlenker und andere Aufhängungs- oder Antriebsstrangkomponenten und dergleichen umfassen, ohne auf diese beschränkt zu sein. Speziell ist die vorliegende Offenbarung für ein beliebiges Teil einer Hardware besonders geeignet, das Lasten oder Stößen ausgesetzt ist (z. B. zum Tragen einer Last).
Gemäß verschiedenen Aspekten sind leichte Metalllegierungen für Formgussprozesse besonders geeignet, bei denen das geschmolzene Legierungsmaterial dann, wenn es während des Gießprozesses in einen Gießform-Hohlraum eintritt, durch ein Formwerkzeug hindurchtritt, das einen oder mehrere Einlass-Angüsse, Eingusskanäle und ein Eingusssystem definiert. Obgleich hierin hauptsächlich der Formguss beschrieben ist, versteht es sich, dass die leichten Metalllegierungen in ausgewählten Fällen ebenso in anderen Gießprozessen verwendbar sind, die Gießformen verwenden, welche in der Technik bekannt sind. 1 zeigt ein beispielhaftes vereinfachtes, herkömmliches Gusssystem 20. Eine Gießform 22 definiert einen Hohlraum, der mit einer verfestigten leichten Metalllegierung 30 gefüllt ist. Das verfestigte leichte Metalllegierungsteil 30 definiert zwei unterschiedliche Mikrostrukturbereiche. Alle Formgüsse weisen eine sehr dünne Abkühlungszone auf, die als Abkühlungszonen-Mikrostruktur 32 an der Oberfläche des Gussteils (z. B. des verfestigten leichten Metalllegierungsteils 30) gezeigt ist. Die Abkühlungszonen-Mikrostruktur 32 ist benachbart zu den Wänden der Gießform 22 gebildet, wo die geschmolzene Legierung einer relativen Abkühlung aufgrund der Wärmesenke ausgesetzt ist, die durch die benachbarte Gießform 22 gebildet wird. Die Keimbildungsphase der Verfestigung beginnt typischerweise in dem Bereich der Abkühlungszone 32. Bei einem typischen Formguss ist eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur 32 in dem verfestigten leichten Metalllegierungsteil 30 entlang jeder Wand der Gießform 22 weniger als oder gleich ungefähr 1 mm dick. Die Korngrößen in der Abkühlungszonen-Mikrostruktur sind einheitlich und relativ fein.
Wie in 1 gezeigt ist, werden während des Verfestigungsprozesses dann, wenn mehr Wärme abgeführt wird, lange dünne Säulen oder Dendriten gebildet, welche eine eutektische, dendritische Mikrostruktur 34 definieren. Die eutektische, dendritische Mikrostruktur 34 wird benachbart zu der Abkühlungszonen-Mikrostruktur 32 gebildet und erstreckt sich in Richtung eines zentralen Bereichs des verfestigten leichten Metalllegierungsteils 30. Es sollte angemerkt werden, dass zusätzliche Mikrostrukturen neben der Abkühlungszonen-Mikrostruktur 32 und der eutektischen, dendritischen Mikrostruktur 34 auf ähnliche Weise gebildet werden können, was von einer Gesamtdicke des Teils und von den Verfestigungsbedingungen abhängt. Die Abkühlungszone ist im Allgemeinen ein kleiner Prozentanteil der Gesamtdicke. Eine mit 40 bezeichnete Dicke des herkömmlichen, verfestigten und leichten Metalllegierungsteils 30 ist daher weit größer als 2 mm (wobei die maximale kumulative Breite oder Dicke der Abkühlungszonen-Abmessungen 32 bei 1 mm liegt).
Gemäß bestimmten Aspekten sieht die vorliegende Offenbarung Verfahren zum Gießen einer leichten Metallkomponente vor, welche umfassen, dass eine geschmolzene leichte Metalllegierung in einen Hohlraum einer Gießform eingeleitet wird. Anschließend wird die geschmolzene leichte Metalllegierung verfestigt und aus der Gießform entfernt. Die verfestigte leichte Metalllegierung bildet eine feste leichte Metalllegierungskomponente, die zumindest eine Abmessung aufweist, die als dünn angesehen wird, so dass Gussteile mit einer dünnen Wand gebildet werden. Die zumindest eine Abmessung kann sich über die gesamte feste, leichte Metalllegierungskomponente oder nur in bestimmten Bereichen erstrecken, die für die Struktur der Komponente von besonderer Wichtigkeit sind.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein beispielhaftes vereinfachtes Gusssystem 40 gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Eine Gießform 42 definiert einen Hohlraum, der mit einer verfestigten leichten Metalllegierung 50 gefüllt ist. Das verfestigte leichte Metalllegierungsteil 50 definiert eine einzige Abkühlungszonen-Mikrostruktur 52. Die Abkühlungszonen-Mikrostruktur 52 ist benachbart zu den Wänden der Gießform 42 gebildet und erstreckt sich bis zu einem Zentrum der verfestigten leichten Metalllegierung 50. Daher weist ein gesamter Querschnitt über die Dicke oder Breite des Teils in zumindest einem Bereich des Teils gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung die Abkühlungszonen-Mikrostruktur 52 auf. Somit sind minimale oder keine eutektischen, dendritischen oder anderen Nicht-Abkühlungszonen-Mikrostrukturen in der verfestigten leichten Metalllegierung 50 gebildet.
Eine mit 60 bezeichnete Dicke oder Breite des zumindest einen Bereichs des verfestigten leichten Metalllegierungsteils 50 wird gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung als dünn angesehen (um beispielsweise eine dünne Wand zu bilden). Gemäß bestimmten Aspekten kann eine Abmessung als dünn angesehen werden, wenn sie kleiner als oder gleich ungefähr 2 mm ist, optional kleiner als oder gleich ungefähr 1,75 mm ist, optional kleiner als oder gleich ungefähr 1,5 mm ist, optional kleiner als oder gleich ungefähr 1,25 mm ist, optional kleiner als oder gleich ungefähr 1 mm ist, optional kleiner als oder gleich ungefähr 0,75 mm ist und bei bestimmten Varianten optional kleiner als oder gleich ungefähr 0,5 mm ist. Es sollte angemerkt werden, dass das Teil andere Abmessungen aufweisen kann, die sehr wohl 2 mm überschreiten (beispielsweise die Höhe und/oder die Länge), solange die Abkühlungszonen-Mikrostruktur gebildet wird und sich über die feste leichte Metalllegierungskomponente erstreckt (z. B. über die Breite des Teils oder der Komponente). Auf diese Weise schafft das Verfahren eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur, die sich über die Gesamtheit der dünnen Abmessung der festen leichten Metalllegierungskomponente erstreckt.
Während bei bestimmten wünschenswerten Varianten eine gegossene, feste und leichte Metalllegierungskomponente zumindest eine Abmessung aufweisen kann, die als eine dünne Wand angesehen wird, die sich über das gesamte Teil erstreckt, können bei anderen alternativen Aspekten ausgewählte Bereiche der gegossenen, festen und leichten Metalllegierungskomponente die zumindest eine Abmessung aufweisen, die als eine dünne Wand mit der Abkühlungszonen-Mikrostruktur angesehen wird, während andere Bereiche der gegossenen festen Komponente leicht dicker sein können (z. B. Bereiche, die von geringerer Wichtigkeit für die strukturelle Integrität des festen Teils sind oder in denen die Gussteile eine komplexe Form aufweisen, wobei einige ausgewählte Bereiche nicht vollständig in einer Abkühlungszone liegen können).
Gemäß bestimmten Aspekten wird die Bildung der eutektischen, dendritischen Mikrostruktur dort, wo die dünne Abmessung des gegossenen Teils eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur gemäß den vorliegenden Lehren aufweist, minimiert oder entfernt, so dass der Bereich der Abkühlungszonen-Mikrostruktur weniger als oder gleich ungefähr 20% bezüglich des Volumens entlang des Querschnitts umfasst, der die dünne Abmessung mit beliebigen eutektischen Dendriten oder einer dendritischen Mikrostruktur aufspannt, optional weniger als oder gleich ungefähr 15% bezüglich des Volumens umfasst, optional weniger als oder gleich ungefähr 10% bezüglich des Volumens umfasst und optional weniger als oder gleich ungefähr 5% bezüglich des Volumens einer beliebigen dendritischen Mikrostruktur umfasst. Gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung ist die verfestigte leichte Metalllegierung 50 im Wesentlichen frei von anderen Mikrostrukturen als den Abkühlungszonen-Mikrostrukturen, einschließlich der Bereiche mit dendritischer Mikrostruktur. Der Begriff ”im Wesentlichen frei” bedeutet, wenn hierin auf diesen Bezug auf genommen wird, dass die dendritische Mikrostruktur oder andere Mikrostrukturen in dem Maß nicht vorhanden sind, dass deren physikalische Eigenschaften und Beschränkungen, die mit ihrem Vorhandensein verbunden sind, vermieden werden. Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst ein verfestigtes leichtes Metalllegierungsteil oder eine verfestigte leichte Metalllegierungskomponente, das bzw. die ”im Wesentlichen frei” von dendritischen oder anderen Nicht-Abkühlungszonen-Mikrostrukturen ist, weniger als oder gleich ungefähr 5% bezüglich des Volumens von den dendritischen oder anderen Nicht-Abkühlungszonen-Mikrostrukturen, bevorzugter weniger als oder gleich ungefähr 4% bezüglich des Volumens, optional weniger als oder gleich ungefähr 3% bezüglich des Volumens, optional weniger als oder gleich ungefähr 2% bezüglich des Volumens, optional weniger als oder gleich ungefähr 1% bezüglich des Volumens, optional weniger als oder gleich ungefähr 0,5% bezüglich des Volumens, und es bzw. sie umfasst bei bestimmten Ausführungsformen 0% bezüglich des Volumens von den dendritischen oder anderen Nicht-Abkühlungszonen-Mikrostrukturen.
Wenn leichte Metalllegierungen für das Gießen ausgewählt werden, bestimmen typischerweise die dendritischen Mikrostruktureigenschaften die Auswahl der speziellen Legierung. Solche Eigenschaften umfassen beispielsweise die Zugfestigkeit, die Dehnbarkeit (z. B. bezüglich der Streckung), die Gießbarkeit, die Fluidität, die Verfestigung und die Schweißbarkeit. Indem gemäß den Prinzipien der vorliegenden Lehren sichergestellt wird, dass die gesamte Dicke des Teils nur eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur aufweist, werden die Beschränkungen für die Legierungen, welche ansonsten durch das Vorhandensein der dendritischen Mikrostruktur (oder Nicht-Abkühlungszonen-Mikrostrukturen) erforderlich wären, wünschenswerterweise beseitigt. Beim Gießen eines Teils mit kontrollierten Dicken weist der Querschnitt nur die Abkühlungszonen-Mikrostruktur auf, wodurch ermöglicht werden kann, dass die Legierungsstoffe höhere zugehörige Festigkeiten erzeugen, wenn die eutektische, dendritische Struktur minimiert wird. Gemäß diesem Prinzip sind reichhaltigere leichte Metalllegierungsstoffe möglich, die eine höhere Festigkeit und eine höhere Dehnbarkeit liefern, neben anderen Eigenschaften. Ferner schafft eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur, die sich über die gesamte Dicke des Teils erstreckt, eine im Wesentlichen einheitliche Mikrostruktur über dem Querschnitt des Gussteils, welche eine höhere Zähigkeit und eine höhere Ermüdungsfestigkeit liefert. Mit ”im Wesentlichen einheitlich” ist gemeint, dass die Mikrostruktur im Wesentlichen die gleiche Mikrostruktur, die gleiche Zusammensetzung, die gleichen Korngrenzen und die gleichen Korngrößen über den Bereich oder über die feste Phase aufweist. Zusätzlich kann eine Wärmebehandlung aufgrund einer einheitlichen Verteilung eines gelösten Stoffs in einer Abkühlungszonen-Mikrostruktur beschleunigt werden.
Gemäß bestimmten Aspekten zieht die vorliegende Offenbarung daher ein Verfahren zum Gießen einer leichten Metallkomponente in Betracht. Das Verfahren umfasst, dass eine Legierung ausgewählt wird, die ein leichtes Metall umfasst, um eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur in einer festen Komponente zu bilden. Das leichte Metall wird aus der Gruppe ausgewählt, bestehend aus: Aluminium, Magnesium und Kombinationen von diesen, ferner optional geringfügig zusätzliche Legierungselemente umfassend, wenn diese für die Festigkeit und die Zähigkeit erforderlich sind. Das Verfahren umfasst ferner, dass die Legierung gegossen wird, indem eine geschmolzene Legierung in einen Hohlraum einer Gießform eingeleitet wird. Anschließend wird die geschmolzene Legierung verfestigt und aus der Gießform entfernt, um die feste Komponente zu bilden, die zumindest eine Abmessung von weniger als oder gleich ungefähr 2 mm aufweist. Die feste Komponente weist daher eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur auf, die sich über die zumindest eine Abmessung der festen Komponente erstreckt. Die feste leichte Metalllegierungskomponente, die durch einen solchen Prozess gebildet wird, kann im Wesentlichen frei von einer beliebigen dendritischen Mikrostruktur sein. Das Verfahren zum Gießen kann ein Formgussprozess sein, bei dem das Einleiten des geschmolzenen Materials umfasst, dass das geschmolzene Metall, bevor es in den Hohlraum der Gießform eintritt, durch einen Einlass-Anguss, einen Eingusskanal und ein Eingusssystem hindurchtritt.
Gemäß bestimmten Varianten kann die Gießform selbst gekühlt werden, oder sie kann ein Wärmeaustauschsystem aufweisen, um das Metall in dem Gießform-Hohlraum weiter zu kühlen (beispielsweise in einer wassergekühlten Gießform). Basierend auf dem Betrag des Wärmeflusses, der von dem geschmolzenen Metall abgezogen wird, kann die Gussteil-Wanddicke bei einer solchen Ausführungsform etwas größer als 2 mm sein.
Gemäß bestimmten Aspekten umfasst die leichte Metalllegierung Aluminium. Wie hierin verwendet, bezieht sich eine Aluminiumlegierung allgemein auf eine Legierung, die mehr als oder gleich ungefähr 80 Gew.-% Aluminium umfasst, kombiniert mit anderen Legierungsbestandteilen und Verunreinigungen. Gemäß anderen Aspekten umfasst die leichte Metalllegierung Magnesium. Eine Magnesiumlegierung bezieht sich allgemein auf eine Legierung, die mehr als oder gleich ungefähr 80 Gew.-% Magnesium umfasst, kombiniert mit anderen Legierungsbestandteilen und Verunreinigungen. Gemäß noch anderen Aspekten umfasst die leichte Metalllegierung Aluminium und Magnesium. Eine Aluminium- und Magnesiumlegierung umfasst kumulativ Aluminium und Magnesium mit mehr als oder gleich ungefähr 90 Gew.-% und mit einem Rest anderer Legierungsbestandteile und Verunreinigungen.
Gemäß bestimmten Varianten ist die leichte Metalllegierung eine Aluminiumlegierung, die zuvor nicht zur Verwendung beim Gießen geeignet war. Dass die Ausgestaltung des Gussteils gemäß der vorliegenden Offenbarung lediglich eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur aufweist, ermöglicht jedoch die Verwendung einer solchen Legierung, die ansonsten nicht geeignet wäre. Daher können unkonventionelle reichhaltigere Stofflegierungen beim Gießen verwendet werden, indem die gesamte Gussteildicke derart angepasst wird, dass sie nur eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur umfasst. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel können die Legierungen bis zu 15% Magnesium bezüglich des Gewichts in einer Aluminiumlegierung aufweisen. Beispielsweise enthält eine vollständige Abkühlungszonen-Mikrostruktur mehr gelöstes Magnesium in Alpha-Aluminiumkömern, und sie weist weniger eutektische Phase in den Korngrenzen auf. Auf diese Weise werden Aluminium- und Magnesiumlegierungen mit höherer Festigkeit in Betracht gezogen, indem die Möglichkeit geschaffen wird, zusätzliche Legierungsbestandteile einzubinden, was zu einer Reihe von Vorteilen führt, welche die Verringerung der Masse von strukturellen Karosseriegussteilen umfassen. Gemäß bestimmten Aspekten kann eine leichte Metalllegierung gemäß der vorliegenden Offenbarung auch eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Eine solche Legierung wird derart ausgewählt, dass sie eine Legierung ist, die Aluminium mit hohen Magnesiumanteilen umfasst, die ansonsten nicht möglich wären, wenn ein Gussteil ausgestaltet werden würde, bei dem sich eine eutektische, dendritische Mikrostruktur bildet.
Daher zieht die vorliegende Offenbarung gemäß bestimmten Aspekten Aluminiumlegierungszusammensetzungen in Betracht, die für den Formguss geeignet sind und eine Zusammensetzung aufweisen, die Magnesium mit mehr als oder gleich ungefähr 8 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 15 Gew.-% der leichten Metalllegierung umfasst. Silizium ist mit mehr als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 2,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden. Mangan ist in der Aluminiumlegierung mit mehr als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-.% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden. Eine oder mehrere Verunreinigungen in der Aluminiumlegierung sind kumulativ mit weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der Legierung vorhanden, bei bestimmten Aspekten optional mit weniger als oder gleich ungefähr 0,1 Gew.-%, während der Rest Aluminium ist.
Gemäß einer anderen Variante umfasst eine leichte Metalllegierung Aluminium, Magnesium und Silizium. Beispielsweise kann Magnesium mit mehr als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 1,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden sein. Silizium ist mit mehr als oder gleich ungefähr 8 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 10 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden. Mangan ist mit mehr als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden. Die leichte Metalllegierung weist auch eine oder mehrere Verunreinigungen auf, die kumulativ mit weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden sind, wobei der Rest Aluminium ist.
Gemäß einer noch anderen Variante umfasst die leichte Metalllegierung Aluminium und Zink. Zink kann mit mehr als oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 8 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden sein. Die leichte Metalllegierung kann Silizium mit mehr als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 1,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung aufweisen. Mangan kann mit mehr als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden sein. Die leichte Metalllegierung kann auch eine oder mehrere Verunreinigungen umfassen, die kumulativ mit weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% vorhanden sind, wobei der Rest Aluminium ist.

Zum Vergleich sind nachstehend in Tabelle 1 Legierungszusammensetzungen sowohl herkömmlicher leichter Metallgusslegierungen als auch neuer leichter Metallgusslegierungen gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung gezeigt. Eine herkömmliche Aluminium-Magnesiumlegierung (herkömmliche Al-Mg-Legierung A, die kommerziell als MAGSIMAL^TM-59 verfügbar ist) weist lediglich 4,5–5,0 Gew.-% Magnesium auf, während die neue Al-Mg-Legierung 1 gemäß verschiedenen Varianten der vorliegenden Offenbarung einen signifikant erhöhten Magnesiumanteil von 8–15 Gew.-% aufweist, was dadurch ermöglicht wird, dass die Gusskomponenten-Ausgestaltung zumindest eine dünne Wand aufweist, um die Bildung einer Abkühlungszonen-Mikrostruktur über die Wand sicherzustellen. Ferner können der Siliziumanteil und der Mangananteil in der neuen Al-Mg-Legierung 1 im Vergleich zu der herkömmlichen Al-Mg-Legierung A verringert sein. Aluminiumlegierungen wie etwa die neue Al-Mg-Legierung 1 weisen im Vergleich zu den vergleichbaren herkömmlichen Legierungen, wie etwa der herkömmlichen Al-Mg-Legierung A, eine höhere Festigkeit und eine verbesserte Dehnbarkeit auf. Tabelle 1

	Mg (Gew.-%)	Si (Gew.-%)	Mn (Gew.-%)	Zn (Gew.-%)	Verunreinigungen (Gew.-%)	Rest
Herkömmliche Al-Mg-Legierung A (MAGSIMAL^TM-59)	4,5–5,0	2,0–2,5	0,5~0,8	-	≤ 0,5	Al
Neue Al-Mg-Legierung 1	8–15	0,5–2,5	0,3~0,5	-	≤ 0,5	Al
Herkömmliche Al-Si-Mg-Legierung B (SILAFONT^TM-36)	0,25–0,8	8–10	0,5~0,8		≤ 0,5	Al
Neue Al-Si-Mg-Legierung 2	0,5–1,5	8–10	0,3~0,5	-	≤ 0,5	Al
Neue Al-Legierung 3 (Al-Zn-System)	-	0,5–1,5	0,3~0,5	5–8	≤ 0,5	Al

Auf ähnliche Weise weist eine herkömmliche Aluminium- und Magnesiumlegierung (herkömmliche Al-Si-Mg-Legierung B) lediglich 0,25–0,8 Gew.-% Magnesium auf, während die neue Al-Si-Mg-Legierung 2 gemäß verschiedenen Aspekten der vorliegenden Offenbarung einen signifikant erhöhten Magnesiumanteil (0,5–1,5 Gew.-%) aufweist, was dadurch ermöglicht wird, dass die Gusskomponentenausgestaltung zumindest eine dünne Wand aufweist, um die Bildung einer Abkühlungszonen-Mikrostruktur über die Wand sicherzustellen. Ferner kann der Mangananteil in der neuen Al-Si-Mg-Legierung 2 unter den Minimalbetrag von 0,5 in der herkömmlichen Al-Si-Mg-Legierung B verringert werden. In der neuen Al-Si-Mg-Legierung 2 wird mehr Magnesium in Al-Si gelöst, um eine verbesserte Fließgrenze zu schaffen, ohne die Dehnbarkeit zu beeinträchtigen. Ferner können in einem solchen System die Verarbeitungszeiten der Lösungs-Wärmebehandlung verringert werden, oder es kann gemäß bestimmten Aspekten die Bearbeitung mittels Lösungswärmebehandlung beseitigt werden.
Die Zusammensetzung einer anderen neuen Aluminiumlegierung Al-Legierung 3, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung für das Gießen in Betracht gezogen wird, umfasst ein Aluminium- und Zinksystem. Zink ist mit 5–8 Gew.-% in der Al-Legierung 3 vorhanden. Die herkömmliche Al-Si-Mg-Legierung B weist keinen Zink auf. Die neue Al-Legierung 3 weist kein Magnesium auf, sie weist jedoch die gleiche Menge an Mangan wie die neue Al-Si-Mg-Legierung 2 auf, die vorstehend erläutert ist. Der Siliziumanteil in der neuen Al-Legierung 3 beträgt 0,5–1,5 Gew.-%. In einer Legierung wie etwa der neuen Al-Si-Mg-Legierung 2 kann der Zinkanteil erhöht werden, um der Legierung eine höhere Festigkeit und höhere Dehnbarkeit zu verleihen. Ferner kann die Zeit für eine Lösungswärmebehandlung verringert werden.
Gemäß einer Variante umfasst eine Aluminiumlegierung Magnesium mit mehr als oder gleich ungefähr 8 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 15 Gew.-% der leichten Metalllegierung. Silizium ist mit mehr als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 2,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden. Mangan ist mit mehr als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden. Eine oder mehrere Verunreinigungen können kumulativ mit weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% in der leichten Metalllegierung vorhanden sein, und der Rest der Legierung besteht aus Aluminium.

Eine herkömmliche Magnesiumlegierungszusammensetzung und eine neue Magnesiumlegierungszusammensetzung gemäß bestimmten Varianten der vorliegenden Offenbarung sind nachstehend in Tabelle 2 gezeigt. Eine herkömmliche Magnesiumlegierung (herkömmliche Mg-Al-Legierung C, die kommerziell als AZ91 D verfügbar ist) weist ungefähr 8,5–9,0 Gew.-% Aluminium auf, während die neue Mg-Al-Legierung 4 gemäß bestimmten Varianten der vorliegenden Offenbarung einen signifikant erhöhten Aluminiumanteil von 12–13 Gew.-% aufweist, was dadurch ermöglicht wird, dass die Gusskomponentenausgestaltung zumindest eine dünne Wand aufweist, um die Bildung einer Abkühlungszonen-Mikrostruktur über die Wand sicherzustellen. Der Zinkgehalt kann in der neuen Mg-Al-Legierung 4 auf 0,7–1,0 Gew.-% erhöht sein. Ferner kann der Mangangehalt in der neuen Akl-Mg-Legierung 1 im Vergleich zu der herkömmlichen Al-Mg-Legierung A verringert sein (auf 0,2–0,3 Gew.-%). Tabelle 2

	Al (Gew.-%)	Mn (Gew.-%)	Zn (Gew.-%)	Verunreinigungen (Gew.-%)	Rest
Herkömmliche Mg-Al-Legierung C (AZ91D)	8,5–9,0	0,3–0,5	0,5–0,8	≤ 0,5	Mg
Neue Mg-Legierung 4	12–13	0,2–0,3	0,7–1,0	≤ 0,5	Mg

Somit kann eine leichte Metalllegierung bei bestimmten Varianten eine Magnesiumlegierung sein, die ferner Aluminium, Mangan und Zink umfasst. Eine solche leichte Metalllegierung ist für den Formguss besonders geeignet. Beispielsweise kann eine Magnesiumlegierung Aluminium umfassen, das mit mehr als oder gleich ungefähr 12 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 13 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden ist. Mangan ist mit mehr als oder gleich ungefähr 0,2 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden. Zink ist mit mehr als oder gleich ungefähr 0,7 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 1,0 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden. Die leichte Metalllegierung weist auch eine oder mehrere Verunreinigungen auf, die kumulativ mit weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung vorhanden sind, wobei der Rest Magnesium ist.
Wie vorstehend angemerkt wurde, kann die Auswahl der Legierungen gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung feste leichte Metallkomponenten oder feste leichte Metallteile bilden, die eine höhere Festigkeit und höhere Dehnbarkeit (z. B. bezüglich der Streckung) aufweisen. Gemäß bestimmten Aspekten weist eine gegossene, feste und leichte Metallkomponente, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Offenbarung gebildet ist, eine prozentuale Streckung von mehr als oder gleich ungefähr 15% auf. Gemäß bestimmten Aspekten kann eine prozentuale Streckung optional größer als oder gleich ungefähr 15% bis ungefähr 25% sein. Gemäß anderen Aspekten weist eine gegossene, feste und leichte Metallkomponente mit hoher Festigkeit eine Zugfestigkeit größer als oder gleich 300 MPa auf. Gemäß bestimmten Varianten weist eine gegossene, feste und leichte Metallkomponente mit hoher Festigkeit eine Zugfestigkeit größer als oder gleich 300 MPa bis weniger als oder gleich ungefähr 700 MPa auf.
Gemäß verschiedenen Aspekten erzeugen die vorliegenden Gießverfahren feste leichte Metallkomponenten oder feste leichte Metallteile, die eine im Wesentlichen einheitliche Mikrostruktur aufweisen (z. B., indem Segregation und Bänder beseitigt werden). Ferner können mehr Lösungsbestandteile und Legierungsbestandteile in der Metallmatrix bei einer geringeren Bildung einer eutektischen Phase verteilt werden. Bei herkömmlichen Hochdruck-Formgussprozessen ist die Konzentration der Legierungsbestandteile innerhalb des Metalls nicht notwendigerweise einheitlich, da eine Inhomogenität auftreten kann. Gemäß bestimmten Aspekten weisen die festen leichten Metallkomponenten oder festen leichten Metallteile, die nur eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur aufweisen, die gemäß den vorliegenden Lehren gebildet ist, jedoch eine homogene und im Wesentlichen einheitliche Zusammensetzung auf, wobei die Konzentration der Bestandteile überall homogen verteilt ist. Eine solche Mikrostruktur führt zu einer höheren Dehnbarkeit und zu einer höheren Festigkeit in dem Gussteil.
Ferner kann eine beliebige Zeit für eine Wärmebehandlung verringert werden. Beispielsweise können Verarbeitungszeiten der Lösungswärmebehandlung verringert werden oder gemäß bestimmten Aspekten sogar ganz beseitigt werden. Gemäß einem nicht einschränkenden Beispiel beträgt eine Lösungszeit herkömmlicher Supervakuum-Hochdruckformguss-Karosseriekomponenten (Supervakuum-HPDC-Karosseriekomponenten, z. B. einer Al-Scharniersäule) 2 Stunden bei 460°C. Eine gegossene, feste und leichte Metallkomponente, die gemäß bestimmten Aspekten der vorliegenden Lehren hergestellt ist und eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur aufweist, kann lediglich eine Lösungszeit benötigen, die auf weniger als oder gleich ungefähr 20 Minuten verringert ist, oder es kann die Lösungsbehandlung insgesamt beseitigt werden, was von den Anforderungen eines Gussteils für eine vorbestimmte Anwendung abhängt.
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen ist zu Zwecken der Veranschaulichung und Darstellung vorgesehen. Sie soll nicht abschließend sein oder die Offenbarung einschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer speziellen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese spezielle Ausführungsform beschränkt, sondern sie sind, wo dies anwendbar ist, austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, sogar dann, wenn dies nicht speziell gezeigt oder beschrieben ist. Selbige können auch auf viele Weisen variiert werden. Solche Veränderungen sollen nicht als ein Abweichen von der Offenbarung angesehen werden, und alle solche Modifikationen sollen innerhalb des Umfangs der Offenbarung umfasst sein.

Claims

Verfahren zum Gießen einer leichten Metallkomponente, umfassend, dass: eine geschmolzene leichte Metalllegierung, die Aluminium, Magnesium oder Kombinationen von Aluminium und Magnesium umfasst, in einen Hohlraum einer Gießform eingeleitet wird; die geschmolzene leichte Metalllegierung verfestigt wird; und eine feste leichte Metalllegierungskomponente aus der Gießform entfernt wird, wobei die feste leichte Metalllegierungskomponente einen Bereich mit zumindest einer Abmessung von weniger als oder gleich ungefähr 2 mm aufweist, so dass sich eine Abkühlungszonen-Mikrostruktur über die zumindest eine Abmessung der festen leichten Metalllegierungskomponente erstreckt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Abkühlungszonen-Mikrostruktur weniger als oder gleich ungefähr 20% bezüglich des Volumens einer dendritischen Mikrostruktur umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die feste leichte Metalllegierungskomponente im Wesentlichen frei von einer beliebigen dendritischen Mikrostruktur ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren zum Gießen ein Formgussprozess ist, wobei das Einleiten der geschmolzenen leichten Metalllegierung umfasst, dass die geschmolzene leichte Metalllegierung vor dem Eintreten in den Hohlraum der Gießform durch einen Einlass-Anguss, einen Eingusskanal und ein Eingusssystem hindurchtritt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leichte Metalllegierung umfasst: (a) Magnesium mit mehr als oder gleich ungefähr 8 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 15 Gew.-% der leichten Metalllegierung; Silizium mit mehr als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 2,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; Mangan mit mehr als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; eine oder mehrere Verunreinigungen mit kumulativ weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; und wobei der Rest der leichten Metalllegierung Aluminium ist; oder (b) Magnesium mit mehr als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 1,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; Silizium mit mehr als oder gleich ungefähr 8 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 10 Gew.-% der leichten Metalllegierung; Mangan mit mehr als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; eine oder mehrere Verunreinigungen mit kumulativ weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; und wobei der Rest der leichten Metalllegierung Aluminium ist; oder (c) Zink mit mehr als oder gleich ungefähr 5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 8 Gew.-% der leichten Metalllegierung; Silizium mit mehr als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 1,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; Mangan mit mehr als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; eine oder mehrere Verunreinigungen mit kumulativ weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; und wobei der Rest der leichten Metalllegierung Aluminium ist; oder (d) Aluminium mit mehr als oder gleich ungefähr 12 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 13 Gew.-% der leichten Metalllegierung; Mangan mit mehr als oder gleich ungefähr 0,2 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 0,3 Gew.-% der leichten Metalllegierung; Zink mit mehr als oder gleich ungefähr 0,7 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 1 Gew.-% der leichten Metalllegierung; eine oder mehrere Verunreinigungen mit kumulativ weniger als oder gleich ungefähr 0,5 Gew.-% der leichten Metalllegierung; und wobei der Rest der leichten Metalllegierung Magnesium ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die feste leichte Metalllegierungskomponente eine prozentuale Streckung von mehr als oder gleich ungefähr 15% aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die feste leichte Metalllegierungskomponente eine Zugfestigkeit größer als oder gleich ungefähr 350 MPa aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leichte Metalllegierung (a) eine Aluminiumlegierung, die Magnesium mit mehr als oder gleich ungefähr 8 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 15 Gew.-% der Aluminiumlegierung umfasst, oder (b) eine Aluminiumlegierung, die Silizium mit mehr also der gleich ungefähr 8 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 10 Gew.-% der Aluminiumlegierung und Magnesium mit mehr also der gleich ungefähr 0,5 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 1,5 Gew.-% der Aluminiumlegierung umfasst, oder (c) eine Magnesiumlegierung ist, die Aluminium mit mehr als oder gleich ungefähr 12 Gew.-% bis weniger als oder gleich ungefähr 13 Gew.-% der Magnesiumlegierung umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die leichte Metallkomponente eine leichte Metall-Fahrzeugkomponente ist und die Gießform eine Fahrzeug-Komponentenform definiert, wobei die feste leichte Metalllegierungskomponente eine feste leichte Metalllegierungs-Fahrzeugkomponente ist.