DE102016219711B4

DE102016219711B4 - Aluminiumlegierung zum Druckgießen und Verfahren zu ihrer Hitzebehandlung

Info

Publication number: DE102016219711B4
Application number: DE102016219711.8A
Authority: DE
Inventors: Hyung-Sop Yoon
Original assignee: Hyundai Motor Co
Current assignee: Hyundai Motor Co
Priority date: 2016-04-27
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2023-11-16
Anticipated expiration: 2036-10-12
Also published as: CN107312955A; KR101756016B1; DE102016219711A1; US10260136B2; US20170314111A1

Abstract

Aluminiumlegierungszusammensetzung, umfassendSilicium (Si) in einer Menge von 9.6 bis 12.0 Gew.-%;Magnesium (Mg) in einer Menge von größer als 1.5 bis 3.0 Gew.-%;Zink (Zn) in einer Menge von 3.0 bis kleiner als 5.0 Gew.-%;Eisen (Fe) in einer Menge von 1.3 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%;Mangan (Mn) in einer Menge von weniger als 0.3 Gew.-%, aber höher als 0 Gew.-%;Nickel (Ni) in einer Menge von 0.5 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%;Zinn (Sn) in einer Menge von 0.2 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%;optional Kupfer (Cu) in einer Menge von 0.3 Gew.-% oder weniger;optional Titan (Ti) in einer Menge von 0.3 Gew.-% oder weniger; undAluminium (Al), welches den Rest der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung ausmacht, alle Gew.-% sind bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumlegierungszusammensetzung.

Description

TECHNISCHES FELD
Diese Erfindung betrifft eine Zusammensetzung einer Aluminiumlegierung, die zum Druckgießen geeignet ist und ein Verfahren zur Hitzebehandlung dieser Legierung. Noch genauer, kann die Aluminiumlegierung eine Mg-Zn-basierte Verstärkerphase geformt durch Hitzebehandlung enthalten und kann dadurch eine deutlich verbesserte Festigkeit besitzen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Da es einfach zu gießen ist, effizient Legierungen mit anderen Metallen bildet, eine hohe Korrosionsbeständigkeit gegenüber Luft hat, und eine hohe elektrische Leitfähigkeit als auch Wärmeleitfähigkeit besitzt, findet Aluminium breite Anwendung in der Industrie.
Im Besonderen wurde Aluminium verwendet, um das Gewicht von Fahrzeugen zu reduzieren und die Kraftstoffeffizienz zu erhöhen, indem es mit anderen Metallen gemischt wurde, da Aluminium allein möglicherweise nicht über eine ausreichende Festigkeit im Vergleich zu anderen Metallen, wie zum Beispiel Eisen, besitzt.
Die Aluminiumlegierung wurde durch Druckgießen hergestellt, was ein präziser Gussvorgang ist, bei dem Metallschmelze in eine Gussform, die eine Öffnung besitzt, gespritzt wird, welche mit mechanisch hoher Präzision mit der Form des Produkts, das gegossen werden soll, übereinstimmt, wodurch das erhaltene Gussprodukt dieselbe Form wie die Gussform erhält.
Weiter muss die Aluminiumlegierung zum Druckgießen geeignete Merkmale besitzen, um beim Prozess des Füllens der Öffnung der Gussform mit einer Metallschmelze bei hoher Geschwindigkeit und unter hohem Druck in kurzer Zeit (zum Beispiel in 0,1 bis 0,3 s) auszuhärten. Ganz besonders sind eine geeignete Hochtemperaturviskosität und latente Wärme notwendig, um eine Fließfähigkeit, wie sie für Hochdruckgießen notwendig ist, sicherzustellen und Schrumpfdefekte bei der Aushärtung abzuschwächen.
Beispiele für bekannte Aluminiumlegierungen zur Verwendung im Druckgießen sind unter anderem die ADC10 Legierung, die 8 bis 12 Gew.-% Silicium (Si) enthält und dadurch geeignete Merkmale zum Druckgießen zeigt und die A380 Legierung, welche 2 bis 4 Gew.-% Kupfer (Cu) enthält, um sicherzustellen, dass sie die notwendige Stärke eines Strukturmaterials besitzt, selbst ohne zusätzliche Hitzebehandlung.
Die ADC10 und A380 Legierungen enthalten außerdem Eisen (Fe) bis zu einer maximalen Menge von ca. 1.3 Gew.-%, um Haftung und Korrosion zwischen Aluminiumschmelze und Gussform zu unterbinden. Typische Nebeneffekte, wie unter anderem geringe Dehnung durch einen Überschuss an nadelförmiger Fe-Struktur, werden durch strukturelle Feinheit mittels kaltem Abschrecken minimiert, dadurch wird eine Wiederverwertung der Legierung möglich, womit Produktivität und Arbeitskomfort erhöht werden.
Die ADC10 und A380 Legierungen machen vermutlich 90% oder mehr aller verwendeten Legierungen im Druckguss aus, da sie viele Vorteile besitzen, einschließlich ihrer Eigenschaften und ihrer hohen Produktivität.
Wenn ein Druckgussverfahren normalerweise angewandt wird, war es bisher nicht bekannt, eine Hitzebehandlung durchzuführen. In letzter Zeit wurden allerdings viele Versuche gestartet, die Stärke der Legierung mittels Hochvakuum-Druckgusstechniken oder Hitzebehandlungstechniken mit kurzer Behandlungszeit durch Lösungsglühen zu erhöhen.
Das Folgende soll nur zum besseren Verständnis des Hintergrundes der Erfindung dienen und nicht ausdrücken, dass die vorliegende Erfindung in den Bereich der in Beziehung stehenden Technik die, für die Fachperson bereits bekannt ist, fällt.
US 2009/0038720 A1 bezieht sich auf ein Verfahren für die Hitzebehandlung von Gussstücken aus aushärtbaren Aluminium-Druckgusslegierungen.
DE 10 2010 060 845 A1 offenbart eine Leichtmetall-Legierung, die eine hohe Festigkeit und Duktilität aufweist.
JP 2012-050995 A beschreibt ein Aluminiumlegierungslötmaterial für flussmittelfreies Hartlöten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Bevorzugte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung betreffen eine Aluminiumlegierung, die gleichermaßen zum Druckgießen und für ein Verfahren zu ihrer Hitzebehandlung geeignet ist. Im Besonderen kann das Verfahren zur Hitzebehandlung der Aluminiumlegierung in der Zusammensetzung der vorliegenden Erfindung geeignet sein, eine Abscheidung einer Zn-basierten Verstärkerphase zu bilden, anstelle einer konventionellen Cu-basierten Verstärkerphase, wodurch sich die Festigkeit mittels Hitzebehandlung verbessert.
In einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird eine zum Druckgießen geeignete Zusammensetzung einer Aluminiumlegierung, bereitgestellt. Die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung enthält: Silicium (Si) in einer Menge von 9.6 bis 12.0 Gew.-%; Magnesium (Mg) in einer Menge von größer als 1.5 bis 3.0 Gew.-%, Zink (Zn) in einer Menge von 3.0 bis kleiner als 5.0 Gew.-%; Eisen (Fe) in einer Menge von 1.3 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von weniger als 0.3 Gew.-%, aber höher als 0 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von 0.5 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; Zinn (Sn) in einer Menge von 0.2 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; optional Kupfer (Cu) in einer Menge von 0.3 Gew.-% oder weniger, optional Titan (Ti) in einer Menge von 0.3 Gew.-% oder weniger, und Aluminium (Al), welches den Rest der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung ausmacht. Wenn nicht anders angegeben, beziehen sich hierin alle Gew.-% auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung.
Bevorzugt kann die Summe der Mengen an Mg und Zn zwischen 6 und 8 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtgewicht der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung, sein.
Bevorzugt kann die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung ein Zn/Mg Verhältnis von 2.0 oder mehr haben.
Die Aluminiumlegierung kann entsprechend eine Streckgrenze von 300 MPa oder mehr haben.
Die Aluminiumlegierung kann entsprechend eine Zugfestigkeit von 350 MPa oder mehr haben.
Die Aluminiumlegierung kann entsprechend eine Streckung von 2% oder mehr haben.
In einer weiteren Ausgestaltung wird ein Verfahren zur Hitzebehandlung der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung zum Druckguss bereitgestellt. Dieses Verfahren enthält: Herstellung durch Lösungsglühen, einer lösungsgeglühten Aluminiumlegierung aus einer Aluminiumlegierungszusammensetzung, hergestellt durch Druckguss, wobei die Aluminiumlegierung eine oben beschriebene Aluminiumlegierungszusammensetzung umfasst; erste Alterung der lösungsgeglühten Aluminiumlegierung, so dass sich eine MgZn₂ Abscheidung bildet; und eine zweite Alterung der Aluminiumlegierung, die die MgZn₂ Abscheidung enthält, so dass sich eine Mg₂Si Abscheidung bildet.
Der Ausdruck „Lösungsglühen“ wie hierin verwendet, bezieht sich auf das Erhitzen oder die Hitzebehandlung einer Legierung und Legierungsbestandteilen davon, gefolgt von einer raschen Abkühlung, um die Legierungsbestandteile in Form einer festen Lösung zu halten, in welcher ein Teil der Legierungsbestandteile gleichverteilt und gemischt in dem Kristallgitter der Hauptkomponente sein kann. Zum Beispiel kann während dem Lösungsglühen die Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung zum Teil geschmolzen sein und einige Nebenbestandteile können in einem gelösten Zustand oder einem gleichverteilten Zustand im Aluminiumbestandteil sein.
Die erste Alterung kann entsprechend bei einer Temperatur von 110 bis 130 °C für 10 bis 24 Stunden durchgeführt werden.
Die zweite Alterung kann entsprechend bei einer Temperatur von 160 bis 180 °C für 3 bis 6 Stunden durchgeführt werden.
Weiter bereitgestellt ist ein Fahrzeug, welches die Aluminiumlegierung mit der hierin beschriebenen Zusammensetzung enthält.
Andere Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind im Folgenden offenbart.
Basierend auf weiteren beispielhaften Ausführungen der vorliegenden Erfindung, kann die Inklusion von Cu maximal unterbunden werden, die Menge an Mg und Zn kann optimal eingestellt werden und die Bedingungen der Hitzebehandlung können optimiert werden, so dass sie ideal für eine Legierungszusammensetzung angepasst sind, wodurch die Festigkeit erhöht wird, während Gießbarkeit vergleichbar mit den konventionellen ADC10 und A380 Legierungen gesichert bleibt.
Auch kann eine gleichwertige oder bessere Gießbarkeit als bei den konventionellen ADC10 und A380 Legierungen erhalten werden, konventionelle Gussformen und Systeme können ohne Änderungen verwendet werden und der Produktionsertrag kann im selben Maße erhalten werden.
Zusätzlich können die Effekte der Verunreinigungen wie etwa Fe auf die Eigenschaften der Legierung so weit reduziert werden, dass die Legierung wiederverwertbar wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die obigen und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung können mit der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen besser verstanden werden, worin:

1 ist eine Darstellung der Resultate der dynamischen Differenzkalorimetrie (DDK) der Abscheidungen, die gebildet werden, wenn einer A380 Legierung Zn in einer Menge von 1, 2 und 3 Gew.-% hinzugefügt wird.
2 ist eine Darstellung der Resultate der Analyse der Eigenschaften einer A380 Legierung, der Zn in einer Menge von 1, 2 und 3 Gew.-% hinzugefügt wurden.
3 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse einer ADC12 Legierung (Al-2.5Cu-0.15Mg- 10.5Si-0.5Zn);
4 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse einer ADC12 Legierung(Al-2.5Cu-1.0Fe-2.0Mg-10.5Si-4.5Zn);
5 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse einer A7075 Legierung (Al-2.5Cu-2.0Mg-1 ,0Si-6.0Zn);
6 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse einer A7075 Legierung (Al-2.5Cu-2.0Mg-5.0Si-6.0Zn);
7 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse einer A380 Legierung (Al-2.5Cu-2.0Mg-10.5Si-4.5Zn);
8 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse einer A380 Legierung (Al-2.5Cu-2.0Mg-10.5Si-6.0Zn);
9 ist eine Darstellung der Testergebnisse einer beispielhaften Al-Cu-Mg-Si-Zn Legierung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit verschiedener Mengen an Si;
10 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse zur Herstellung einer Hitzebehandlungs-Verstärkerphase (Al-Cu-Mg-Si);
11 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse einer beispielhaften Legierung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit der Menge an Cu;
12 ist eine Darstellung der Ergebnisse einer Phasenanalyse einer beispielhaften Legierung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Abhängigkeit der Menge an Cu;
13 ist eine Darstellung der Änderungen in der Mg zuzuschreibenden Verstärkerphase in Abhängigkeit der Menge an Cu in der beispielhaften Legierung (Al-2.5Cu-1.0Fe-2.0Mg-10.5Si-4.5Zn) der vorliegenden Erfindung; und
14 ist eine Darstellung der Änderungen in der Mg zuzuschreibenden Verstärkerphase in Abhängigkeit der Menge an Cu in der beispielhaften Legierung (Al-1.0Cu-1.0Fe-2.0Mg-0.3Mn-10.5Si-3.5Zn) der vorliegenden Erfindung;

BESCHREIBUNG DER SPEZIELLEN AUSFÜHRUNGEN
Die Terme „Fahrzeug“ oder „Fahrzeugs...“ oder ähnliche Begriffe wie sie hierin verwendet werden sind zu verstehen, dass sie alle motorisierten Fahrzeuge im Allgemeinen enthalten, einschließlich Geländelimousinen (SUV), Busse, Lastkraftfahrzeuge, diverse kommerzielle Fahrzeuge, Wasserfahrzeuge einschließlich einer Vielfalt an Booten und Schiffen, Flugzeuge, und ähnliches, auch einschließlich Hybridfahrzeuge, elektrisch betriebene Fahrzeuge, einsteckbare hybrid-elektronische Fahrzeuge, Wasserstoff betriebene Fahrzeuge und von anderen alternativen Kraftstoffen betriebene Fahrzeuge (zum Beispiel Kraftstoffe die aus anderen Ressourcen als Erdöl gewonnen werden).
Im Folgenden ist eine detaillierte Beschreibung der Ausführungen der vorliegenden Erfindung mit Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen gegeben. Allerdings ist die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Ausführungen beschränkt, welche sich in verschiedenen Ausführungen ändern können. Diese Ausführungen sind angeführt um die vorliegende Erfindung vollständig offenzulegen und die vorliegende Erfindung Fachpersonen vollständig zu beschreiben.
Bezogen auf die vorliegende Erfindung kann eine Aluminiumlegierung zum Druckguss entsprechend eine Abscheidungs-Verstärkerphase enthalten, um die Festigkeit durch Hitzebehandlung für Hochdruckguss zu verbessern, während die Vorteile der konventionellen ADC10 und A380 Legierungen erhalten bleiben.
Um die Legierungscharakteristiken zu erhalten, die für ein Druckgussverfahren notwendig sind, können nach der vorliegenden Erfindung die Mengen an Eisen (Fe), Mangan (Mn), Nickel (Ni), Zinn (Sn) und Titan (Ti) ähnlich gehalten werden wie die entsprechenden Bestandteile in den konventionellen ADC10 und A380 Legierungen, und die Mengen der restlichen Legierungskomponenten können entsprechend angepasst werden, um den Verstärkungseffekt der Abscheidung zu maximieren. Im Besonderen können in den beispielhaften Aluminiumlegierungen der vorliegenden Erfindung Silicium (Si), Kupfer (Cu), Magnesium (Mg) und Zink (Zn) Hauptbestandteile zum Verbessern der Festigkeit durch die Abscheidung sein und können Abscheidungen wie Al₂Cu, Mg₂Si und MgZn₂ bilden.
Die Aluminiumlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung zum Druckguss enthält Silicium (Si) in einer Menge von ca. 9.6 bis 12.0 Gew.-%; Magnesium (Mg) in einer Menge von größer als ca. 1.5 bis 3.0 Gew.-%, Zink (Zn) in einer Menge von ca. 3.0 bis kleiner als 5.0 Gew.-%; Eisen (Fe) in einer Menge von ca. 1.3 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von weniger als ca. 0.3 Gew.-%, aber höher als 0 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von ca. 0.5 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; Zinn (Sn) in einer Menge von ca. 0.2 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; und Aluminium (Al), welches den Rest der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung ausmacht. Um den Effekt der Hitzebehandlung zu verbessern, kann bevorzugt Titan (Ti) in einer Menge von 0.3 Gew.-% oder weniger enthalten sein. Alternativ kann auch eine Menge an Kupfer, die unweigerlich damit vermischt sein könnte, enthalten sein, aber nur bis zu ca. 0.3 Gew.-% oder weniger.
Der Grund warum in der vorliegenden Erfindung die Legierungskomponenten und deren Mengen begrenzt sind ist folgender. Außer anders angegeben, bedeutet „%“, wenn es die Einheit der Menge einer Komponente darstellen soll, „Gew.-%“.
Silicium (Si) ist entsprechend in einer Menge von ca. 9.6 bis 12.0 % enthalten. Si so wie hier verwendet kann die Gießbarkeit verbessern und eine Abscheidung bilden, so dass der Si Gehalt in der maximalen Menge enthalten ist, bei einer Temperatur die gleich groß oder weniger eines eutektischen Punktes ist. Entsprechend liegt die Menge an Si entsprechend zwischen ca. 9.6 % und ca. 12 %.
Magnesium (Mg) ist entsprechend in einer Menge von größer als ca. 1.5 bis 3.0 % enthalten. Mg kann eine Abscheidung bilden, allerdings, wenn mehr als die vorherbestimmte Menge hinzugefügt wird, zum Beispiel mehr als ca. 3.0 %, können sich die Gießbarkeit und andere Eigenschaften verschlechtern und Inklusionen können durch Oxidation gebildet werden. Entsprechend ist Mg entsprechend in einer Menge von größer als ca. 1.5 % bis ca. 3.0 % enthalten.
Zink (Zn) ist entsprechend in einer Menge von ca. 3.0 bis kleiner als 5.0 % enthalten. Zn so wie hier verwendet kann eine Abscheidung einer Verstärkerphase bilden, welche in der vorliegenden Erfindung durch eine Cu-basierte Verstärkerphase ersetzt werden kann, und somit kann eine Zn-Mgbasierte Verstärkerphase gebildet werden.
Im Speziellen kann die Menge an Kupfer (Cu) begrenzt sein auf ca. 0.3 % oder weniger. Typischerweise kann Cu in einer Aluminiumlegierung zum Druckguss für ein Abscheidungsverstärkerelement verwendet werden und spielt daher eine Rolle in der Verstärkung der Aluminiumlegierung. Dementsprechend, kann die Legierung so entworfen werden, dass sie Cu in einer Menge von ca. 4.0 % enthält, was der Mischkristallgrenze entspricht. Das einfache Hinzufügen von Cu in einer Menge gleich groß oder größer als die Mischkristallgrenze um den Effekt der Hitzebehandlung zu erhöhen kann zu Problemen führen, da Cu nicht in Al gelöst werden kann, und daher kann es zu keiner ausreichenden Verbesserung der Eigenschaften kommen und Nebeneffekte durch Entmischung können auftreten. Da dementsprechend die Festigkeit der Legierung nicht wie gewünscht durch die Verwendung einer Cu-basierten Verstärkerphase erhöht werden kann, kann Cu entsprechend in der minimal nötigen Menge zugegeben werden, um eine Zn-basierte Verstärkerphase zu bilden. Kupfer kann unvermeidlich bei der Bildung der Aluminiumlegierung beigemischt sein, und daher kann die Menge davon auf ca. 0.3 % oder weniger limitiert sein.
Zusätzlich ist ein Verfahren zur Hitzebehandlung der Aluminiumlegierung zum Druckguss entsprechend einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung geeignet, um eine Legierung mit den oben genannten Bestandteilen in den genannten Mengen einer Hitzebehandlung zu unterziehen; dieses Verfahren enthält: Herstellung, durch Lösungsglühen, einer lösungsgeglühten Aluminiumlegierung aus einer Aluminiumlegierungszusammensetzung, etwa hergestellt durch Druckguss; Erste Alterung der lösungsgeglühten Aluminiumlegierung, bis sich eine MgZn₂ Abscheidung bildet; und eine zweite Alterung der Aluminiumlegierung mit MgZn₂ Abscheidung, so dass sich eine Mg₂Si Abscheidung bildet.
Bevorzugt kann die erste Alterung bei einer Temperatur von ca. 110 bis 130 °C für ca. 10 bis 24 Stunden durchgeführt werden, die zweite Alterung kann bei einer Temperatur von ca. 160 bis 180 °C für ca. 3 bis 6 Stunden durchgeführt werden.
Die Gründe, weswegen die Mengen an Silicium (Si), Kupfer (Cu), Magensium (Mg) und Zink (Zn) begrenzt sein können und weswegen der Alterungsprozess limitiert sein kann, sind im Folgenden beschrieben.
In der vorliegenden Ausgestaltung wurde, um die Festigkeit der Legierung wie gewünscht zu erhöhen und die Menge an Cu im Vergleich zu den ADC10 und A380 Legierungen zu senken, eine Hitzebehandlung von MgZn₂, was eine Mg-Zn-basierte Verstärkerphase ist, durchgeführt und die Mengen an Mg und Zn in der konventionellen A380 Legierung angepasst.
Test Beispiel 1
Die Abscheidungen, die von der Zugabe von Zn zu der A380 Legierung in den Mengen von 1, 2 und 3 % erhalten wurden, wurden mittels DKK analysiert. Die Ergebnisse sind in 1 und der folgenden Tabelle 1 dargestellt.

Wie in 1 und Tabelle 1 dargestellt, wurden Al₂Cu und Mg₂Si Abscheidungen beobachtet, wenn Zn in einer Menge von 1 % zugefügt wurde, aber keine Zn Phase wurde beobachtet. Selbst als Zn in einer Menge von 3 % zugefügt wurde, wurde keine Zn Phase beobachtet und die Mg₂Si Phase wurde verringert (gestrichelte Linie A). Es wird angenommen, dass die Ergebnisse darauf zurückzuführen sind, dass die Menge an gelöstem Mg verringert ist durch die feste Lösung aus überschüssigem Zn oder weil sich ein zusätzliches Gemisch anstelle von Mg₂Si bildet. Tabelle 1

Zwischenprodukt Abscheidung	Temp. am DKK (°C)		Wärmefluss (mW/g)
	Phasenerscheinung	Messung	Zn	Zn	Zn
	Temperaturbereich	Temperatur	1 Gew.-%	2 Gew.-%	3 Gew.-%
θ'' (Al₂Cu)	140~150	147	63	42	35
θ' (Al2C_u)	170~190	170	82	71	67
β'' (Mg₂Si)	230~250	241	61	55	21
η''(MgZn₂)	250~260	-	Kein Ausschlag

Somit konnte der Verstärkungseffekt nicht durch einfaches Hinzufügen von Zn erreicht werden. Außerdem resultierte die Zugabe von Zn in einer Verringerung von Mg₂Si, was eine konventionelle Verstärkerphase ist, anstelle der Bildung der gewünschten MgZn₂ Abscheidung.
Zusätzlich wurden die Eigenschaften der A380 Legierung nach Zugabe von Zn in der Menge von 1, 2 und 3 % analysiert. Die Ergebnisse sind in 2 dargestellt.
Wie gezeigt in 2, wurde die Festigkeit (Härte) nicht wie gewünscht gesteigert als Zn zugegeben wurde. Wenn die Menge an Zn größer als 2 % war, wurde die Härte leicht gesenkt. Dementsprechend, wenn Zn in einer Mischkristallphase und daher die gelöste Menge davon erhöht ist, können die gelösten Mengen anderer Legierungselemente gesenkt sein.
Der Grund, warum Zn nicht in Form der MgZn₂ Abscheidung vorhanden ist, liegt darin, dass Mg, vorhanden in relativ geringen Mengen, verbraucht werden kann und sich dadurch Mg₂Si beim Erstarren in der Gegenwart von Si bildet. In diesem Fall, wo Mg in genügenden Mengen vorhanden ist, kann die Mg₂Si Phase übersättigt werden und die Restmenge davon kann eine MgZn₂ Phase bilden.
Unter dieser Annahme, obwohl die Mengen von sowohl Zn als auch Mg erhöht wurden, wurden die Hitzebehandlungseigenschaften nicht wie gewünscht verbessert.
Test Beispiel 2
Um den Grund zu bestimmen, weshalb die gewünschten Hitzebehandlungseigenschaften nicht erhalten wurden, obwohl die Menge an Zn und Mg in Test Beispiel 1 erhöht wurde, wurde eine Phasenanalyse durchgeführt. Die konventionelle ADC12 Legierung wurde einer Phasenanalyse unterzogen. Die Ergebnisse sind in 3 und 4 dargestellt.
3 stellt die Ergebnisse der Phasenanalyse dar, wenn kein Fe hinzugefügt wird, und 4 stellt die Resultate der Phasenanalyse dar, wenn Fe hinzugefügt wird.
Wie gezeigt in 3 wird die Verstärkerphase von hitzebehandelter ADC12 hauptsächlich als Al₂Cu angesehen. Des Weiteren begann sich eine Abscheidung bei einer Temperatur von ca. 460°C zu bilden, was angedeutet hat, dass Al₂Cu unter konventionell bekannten Lösungsglühbedingungen bei einer Temperatur von 480 bis 520 °C gelöst wurde. Die Bildung der Mg Verstärkerphase war durch die Bildung eines Gemisches in der Gegenwart von Cu und Si verhindert. Wie in 4 gezeigt, bildet sich aus der Mg Verstärkerphase in der Gegenwart von Fe ein Gemisch durch die Reaktion mit Fe, was es schwierig macht, Hitzebehandlungseffekte zu erzielen, selbst wenn das Druckgussprodukt kalt abgeschreckt wird.
Folglich kann, wenn die Mengen an Zn und Mg erhöht werden, die Festigkeit durch Al₂Cu verbessert und die Festigkeit auch durch Hitzebehandlung erhöht werden. Im Fall von Mg₂Si, einer anderen Verstärkerphase, wurde diese umgebildet in ein Si-Cu-Mg Gemisch und dann verbraucht bei einem Fe Gemisch, was es schwierig macht, zu einer erhöhten Festigkeit nach Hitzebehandlung beizutragen. Auch Mg wurde selbst vom Fe-Mg-Si Gemisch verbraucht, was aus den Resultaten der Evaluation der tatsächlich optimalen Alterungstemperatur folgt. Deshalb erscheint die Festigkeit maximal erhöht zu sein bei einer Temperatur von 160 bis 180 °C, entsprechend der Alterungstemperatur der Cu Phase.
Test Beispiel 3
Die Ergebnisse der Phasenanalyse der A7075 Legierung, welche eine typische MgZn₂ Legierung ist, sind in 5 und 6 dargestellt.
5 stellt die Ergebnisse der Phasenanalyse der A7075 Legierung dar und 6 stellt die Ergebnisse der Zugabe von Überschuss Si zum Gusswerkstoff dar.
Die A7075 Legierung wurde in der Sequenz Mg₂Si → Al₂Cu → MgZn₂ → Al-Cu-Mg-Si Gemisch hergestellt und die MgZn₂ Phase wurde in der größten Menge hergestellt. Wurde Überschuss Si hinzugefügt, wurden keine Verstärkerphasen außer Al₂Cu gebildet und Zn war nur als Mischkristallphase vorliegend, da das Si-Cu-Mg Gemisch auftritt bei Zugabe von Überschuss Si.
Test Beispiel 4
Die Ergebnisse der Phasenanalyse der Legierungen, entwickelt durch Zugabe von Zn und Mg zur konventionellen A380 Legierung, sind in 7 und 8 dargestellt.
7 stellt die Resultate der Zugabe von 4.5 % Zn dar und 8 stellt die Resultate der Zugabe von 6.0 % Zn dar.
Wie bei Test Beispiel 2, wurde Mg₂Si nach dem Auftreten des Gemisches (Al₅Cu₂Mg₈Si₆) verbraucht, und Al₂Cu bei einer Temperatur von 400 °C oder weniger begann gebildet zu werden. Das resultierende Zn_HCP kann eine Mischkristallphase sein und MgZn₂ kann nicht gebildet werden.
Wenn Zn und Mg im Überschuss zugegeben wurde, wurde daher die MgZn₂ Verstärkerphase von Interesse nicht gebildet und nur die Mischkristallphase wurde gebildet, was mit den Ergebnissen der Evaluation der Abscheidungen mittels DKK übereinstimmt. Die Zugabe von Zn zur A380 Legierung ist ungeeignet zur Verbesserung der Festigkeit, was durch die Bildung eines Si-Cu-Mg Gemischs (Al₅Cu₂Mg₈Si₆) in der Gegenwart von Si bedingt sein kann, wie gezeigt von den Ergebnissen der Phasenanalyse der A7075 Legierung.
Um eine Zn-basierte Druckgusslegierung zur Hitzebehandlung zu entwickeln, könnte es von Nöten sein die Bildung des Gemisches Al₅Cu₂Mg₈Si₆ zu unterbinden. Dieses Gemisch wurde bei einer Temperatur von ca. 500 °C gebildet und war dafür bekannt, zusammen mit Al₂Cu gebildet zu werden. Daher könnte es wichtig sein die Bildung des Gemischs durch Kontrolle der Legierungskomponenten zu unterbinden, statt durch die Bedingungen der Hitzebehandlung.
Folglich kann die Bildung des Gemisches in der vorliegenden Erfindung durch das Entfernen von jeglichem der Elemente des Gemischs unterbunden werden.
Test Beispiel 5
Um die Änderungen der anderen Gemische in Abhängigkeit der Menge an Si zu evaluieren, wurde die Menge an Si in der Al-2.5Cu-2.0Mg-(Si)-5.0Zn Legierung geändert. Das Ergebnis der Phasenanalyse ist in 9 dargestellt.
Wie dargestellt in 9, bildet sich das Gemisch (Al₅Cu₂MgsSi₆) wenn eine Menge an Si von 1 % oder mehr zugegeben wurde. War die Menge an Si größer als 1.85 %, wurden Mg und Cu verbraucht um das Gemisch (Al₅Cu₂Mg₈Si₆) zu bilden, anstelle der Bildung von Mg₂Si und Al₂Cu. Basierend auf den obigen Ergebnissen, könnte Si hauptsächlich in einer vorher bestimmten Menge in der Gusslegierung enthalten sein und daher kann die Bildung des Gemischs durch die Kontrolle des Si Bestandteils verhindert werden.
Auch Mg kann der Bestandteil der Hauptverstärkerphase in der vorliegenden Erfindung sein und daher kann die Minimierung der Menge an Cu, welches der übrige Bestandteil ist, als angebracht angesehen werden um die Bildung des Gemischs zu verhindern.
Test Beispiel 6
10 stellt die Ergebnisse der Phasenanalyse der Cu freien Legierung dar, welche Si in der selben Menge enthält wie die ADC12 Legierung und Zn und Mg in entsprechenden Mengen von 4.5 und 2.0 Gew.-%, um die Hitzebehandlungs-Verstärkerphase (Al-Cu-Mg-Si) zu bilden.
Wie dargestellt in 10, werden MgZn₂ und Mg₂Si in großen Mengen gebildet und Zn wurde nicht gelöst, war stattdessen ausschließlich in einer Abscheidungsverstärkerphase vorhanden. Des Weiteren war MgZn₂ in einer stabilen Phase bei einer Temperatur von ca. 130 °C vorhanden.
Die Legierung war so konfiguriert, dass sie Fe enthielt, da sich ein anderes Gemisch Al-Fe-Si-Mg voraussichtlich ergeben würde. Basierend auf den Analyseergebnissen, da das Gemisch eine stabile Phase nur bei einer Temperatur von 400 °C oder mehr hatte, war die Menge an verbrauchtem Mg allerdings nicht groß nach dem tatsächlich Druckgießen.
Test Beispiel 7
Die Ergebnisse der Phasenanalyse, wenn Cu in einer Menge von 1 % und 2 % zugefügt wird sind in 11 und 12 dargestellt.
11 stellt die Ergebnisse der Zugabe von 1 % Cu dar und 13 stellt die Ergebnisse der Zugabe von 2 % Cu dar.
Wie gezeigt in 12, wurde wenn Cu in einer Menge von 1 % zugegeben wurde das Al₅Cu₂Mg₈Si₆ Gemisch in einer vorbestimmten Menge (weniger als 5 %) vorgefunden und MgZn₂ war in einer stabilen Phase vorhanden und eine Mischkristallphase trat auf.
Wie gezeigt in 12, wurde wenn die zugegebene Menge an Cu 2 % war, das Al₅Cu₂Mg₈Si₆ Gemisch in einer Menge von 6 % oder mehr gebildet und keine MgZn2 Phase wurde gebildet. Dementsprechend kann die Menge an Cu in der entwickelten Legierung auf 1 % oder weniger beschränkt werden.
Test Beispiel 8
Durch Vergleiche der Menge an Mg, die in allen Legierungen verteilt war, wurde analysiert, ob eine Phase gebildet wurde. Die Ergebnisse sind in 13 und 14 dargestellt.
Wie in 13 dargestellt, wurde, wenn Cu in einer Menge von 2.0 Gew.-% oder mehr vorhanden war, Mg nur verbraucht, um das Al-Cu-Mg-Si Gemisch zu bilden und die Verstärkerphasen waren nicht vorhanden und Zn war vorhanden als Mischkristallphase.
Wie in 14 dargestellt, wurde, wenn Cu in einer Menge von 1 % vorhanden war, Mg teilweise verbraucht, um ein Al-Cu-Mg-Si Gemisch zu bilden, aber es trug auch zur Bildung von Verstärkerphasen bei und die Zn Mischkristallphase war ohne weiteres sichtbar.

Die Bestandteile und Mengen der konventionellen Legierungen zum Druckgießen und die Legierung zum Druckgießen entsprechend dem Beispiel der vorliegenden Erfindung werden verglichen und in Tabelle 2 unten angegeben. Tabelle 2

Legierung		Si	Cu	Mg	Zn	Fe	Mn	Ni	Sn	Ti
ADC10	min.	7.5	2	-	-	-	-	-	-	-
ADC10	max.	9.5	4	0.3	1	1.3	0.5	0.5	0.2	0.3
ADC12	min.	9.6	1.5	-	-	-	-	-	-	-
ADC12	max.	12	3.5	0.3	1	1.3	0.5	0.5	0.2	0.3
A380	min.	7.5	3	-	-	-	-	-	-	-
A380	max.	9.5	4	0.1	3	1.3	0.5	0.5	0.35	-
A7075	min.	-	1.2	2.1	5.1	-	-			-
A7075	max.	0.4	2	2.9	6.1	0.5	0.3			0.2
Beispiel	min.	9.6	-	1.5	3	-	-	-	-	-
Beispiel	max.	12	0.3	3	6	1.3	0.5	0.5	0.2	0.3

Die Legierung des Beispiels war aufgebaut aus Zn und Mg, jeweils zu Mengen von 3.0 bis 6.0 % und 1.5 bis 3.0 %, um die Festigkeit zu verbessern. Um die Bildung des Gemischs, das die Bildung der Hauptverstärkerphasen MgZn2 und Mg2Si erschwert, zu verhindern, wurde die Menge an Cu auf 0.3 % oder weniger limitiert, und, um die Hitzebehandlungseffekte zu maximieren, als Läuterungsmittel Ti in einer Menge von 0.1 bis 0.5 % hinzugefügt.
Überdies wurde, um die Gießbarkeit für Druckguss zu gewährleisten, die Menge an Si am eutektischen Punkt oder darunter maximal sichergestellt, und die Menge an Fe wurde gleich gehalten wie bei den konventionellen Legierungen.
Die Eigenschaften der Legierungen können durch die Menge an Zn+Mg bestimmt werden. Wenn die Menge an Zn+Mg ca. 9 % oder mehr ist, können Festigkeit und Hitzebehandlungseffekte maximiert sein, aber auch Spannungskorrosion kann erhöht sein und die Gießformbarkeit kann verringert sein. Andererseits kann, wenn die Menge an Zn+Mg innerhalb eines Bereichs von 6 bis 8% liegt, hohe Festigkeit erhalten werden und Nebeneffekte wie Korrosion, Verformung und ähnliche reduziert werden.
Entsprechend werden diese Bestandteile im obigen Mengenbereich verwendet. Als solches kann, wenn das Zn/Mg Verhältnis 2.0 oder größer ist, MgZn₂ entsprechend gebildet werden. In dem Fall, dass das Zn/Mg Verhältnis kleiner als der obige Wert ist, wird Mg₃Zn₃Al₂ gebildet. Entsprechend kann das Zn/Mg Verhältnis in der entwickelten Legierung ca. 2.0 oder größer sein.
Eisen (Fe) verursacht keinen signifikanten Rückgang der Eigenschaften, wenn dessen Menge ca. 1.3 % oder weniger ist, entsprechend dem typischen Wiederverwertungslegierungsniveau, und daher kann der Grad der Verunreinigungen in einer konventionellen, typischen Druckguss-Legierung kontrolliert werden, zusammen mit Mn und Sn.
Weiterhin haben die zwei gebildeten Verstärkerphasen unterschiedliche Temperaturen, bei denen die jeweilige Abscheidung gebildet wird, so dass die maximale Festigkeit nach Hitzebehandlung unter denselben Bedingungen nicht ausreichend erhalten werden kann. In der vorliegenden Ausführung wurde MgZn₂, was eine niedrige Abscheidungstemperatur hat, erst gebildet und dann wurde Mg₂Si gebildet, wobei individuelle Abscheidungen am meisten in Form einer kohärenten Phase abgeschieden wurden, um die Festigkeit zu erhöhen.
Im ersten Alterungsschritt kann die Temperatur in einem Bereich von ca. 110 bis 130 °C für ca. 10 bis 24 Stunden gehalten werden, was typischen Bedingungen von Aluminiumlegierungen der Serie 7000 entspricht, die zweite Alterung kann bei einer Temperatur von ca. 160 bis 180 °C für 3 bis 6 Stunden durchgeführt werden. Nach erster Alterung kann das abgeschiedene MgZn₂ in eine inkohärente Phase umgewandelt werden, die stabil unter den Temperaturbedingungen der zweiten Alterung ist. Wenn die Zeit der zweiten Alterung größer als die vorgegebene Zeit ist, zum Beispiel, größer als 6 Stunden, können sich die Eigenschaften verschlechtern. Auch während der ersten Alterung kann sich etwas Mg2Si abscheiden und daher kann die zweite Alterungszeit bevorzugt so kontrolliert werden, dass sie weniger als das typische Ausmaß ist.
Die Eigenschaften der Legierungen entsprechend der vorliegenden Ausführung wurden wie folgt ausgewertet.
Unter Verwendung von Aluminiumlegierungen mit den folgenden Zusammensetzungen aus Tabelle 3 wurden Zugproben mittels Hochvakuum-Druckgusssystem hergestellt und dann Lösungsglühen unterworfen bei ca. 500 °C oder mehr für 6 Stunden oder mehr, um die Alterungstemperatur zu maximieren, anschließend wurde eine erste Alterung bei einer Temperatur von ca. 120 °C für 12 Stunden durchgeführt, um MgZn2 abzuscheiden, und eine zweite Alterung wurde bei 175 °C für 3 Stunden durchgeführt um Mg2Si abzuscheiden. Die Eigenschaften der hergestellten Proben wurden ausgewertet. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 unterhalb gezeigt. Tabelle 3

Bestandteil (Gew.-%) Si Cu Mg Zn Fe Mn Ti

#1 10.5 0.24 2.02 4.1 0.88 0.35 -

#2 10.1 0.22 1.98 4.08 0.78 0.35 0.2

Tabelle 4

No. SG (MPa) RL (MPa) De (%)

#1 332 416 2.93

#2 336 415 3.13

ADC12 170 250 1.2
Wie in Tabelle 3 gezeigt, verglichen mit konventioneller ADC 12, wurde die Streckgrenze etwa auf das Doppelte erhöht, und die Reißlast ca. um den Faktor 1.6 erhöht und weiter wurde die Dehnung ca. um den Faktor 2.5 erhöht.

Unter Verwendung von Probe #1 wurden die Eigenschaften der Legierung unter Bedingungen der Hitzebehandlung getestet. Die Bedingungen der Hitzebehandlung und die Ergebnisse sind in Tabelle 5 unterhalb gezeigt. Tabelle 5

Bedingungen der Hitzebehandlung			Streckgrenze (MPa)	Dehnung (%)	Härte (HB)
Typ	Lösungsglühen	Alterung	Streckgrenze (MPa)	Dehnung (%)	Härte (HB)
T6	500°C 6 Stunden	110°C 12 Stunden + 180°C 3 Stunden	395	2.51	120
	520°C 6 Stunden		424	2.98	118
	500°C 4 Stunden		398	1.49	115
	520°C 4 Stunden		421	2.56	118
T5	530°C 6 Stunden	110°C 10 Stunden + 180°C 6 Stunden	401	3.01	113
		110°C 10 Stunden + 180°C 3 Stunden	426	2.36	125
		120°C 20 Stunden + 160°C 6 Stunden	411	1.78	122
		120°C 20 Stunden + 160°C 3 Stunden	412	2.31	119

Wie gezeigt in Tabelle 5, je länger die erste Alterungszeit, desto niedriger sind die Effekte der zweiten Alterung. Die maximalen Eigenschaften wurden unter Alterungsbedingungen bei einer Temperatur von 110 °C für 10 Stunden gefolgt von Bedingungen von einer Temperatur von 180 °C für 3 Stunden gezeigt. Daher können Bedingungen der Hitzebehandlung angemessen angewandt werden, entsprechend der Endverwendung innerhalb der Temperatur- und Zeitbereiche der ersten Alterung und der zweiten Alterung.

Claims

Aluminiumlegierungszusammensetzung, umfassend Silicium (Si) in einer Menge von 9.6 bis 12.0 Gew.-%; Magnesium (Mg) in einer Menge von größer als 1.5 bis 3.0 Gew.-%; Zink (Zn) in einer Menge von 3.0 bis kleiner als 5.0 Gew.-%; Eisen (Fe) in einer Menge von 1.3 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; Mangan (Mn) in einer Menge von weniger als 0.3 Gew.-%, aber höher als 0 Gew.-%; Nickel (Ni) in einer Menge von 0.5 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; Zinn (Sn) in einer Menge von 0.2 Gew.-% oder weniger, aber höher als 0 Gew.-%; optional Kupfer (Cu) in einer Menge von 0.3 Gew.-% oder weniger; optional Titan (Ti) in einer Menge von 0.3 Gew.-% oder weniger; und Aluminium (Al), welches den Rest der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung ausmacht, alle Gew.-% sind bezogen auf das Gesamtgewicht der Aluminiumlegierungszusammensetzung.
Aluminiumlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Summe der Mengen an Mg und Zn 6 bis 8 Gew.-% beträgt.
Aluminiumlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei das Verhältnis von Zn/Mg 2.0 oder mehr ist.
Aluminiumlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung eine Streckgrenze von 300 MPa oder mehr aufweist.
Aluminiumlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung eine Zugfestigkeit von 350 MPa oder mehr aufweist.
Aluminiumlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung eine Dehnung von 2% oder mehr aufweist.
Verfahren zur Hitzebehandlung einer Aluminiumlegierung zum Druckguss, umfassend: Herstellung, durch Lösungsglühen, einer lösungsgeglühten Aluminiumlegierung aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt durch Druckguss, wobei die Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1 umfasst; erste Alterung der lösungsgeglühten Aluminiumlegierung, so dass sich eine MgZn₂ Abscheidung bildet; und zweite Alterung der Aluminiumlegierung, die die MgZn₂ Abscheidung enthält, so dass sich eine Mg₂Si Abscheidung bildet.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Alterung bei einer Temperatur von 110 bis 130 °C für 10 bis 24 Stunden durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die zweite Alterung bei einer Temperatur von 160 bis 180 °C für 3 bis 6 Stunden durchgeführt wird.
Fahrzeug, umfassend eine Aluminiumlegierung mit der Aluminiumlegierungszusammensetzung nach Anspruch 1.