DE102019107445A1

DE102019107445A1 - Hochfeste und Hochverschleissfeste Aluminiumgusslegierung

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Publication number: DE102019107445A1
Application number: DE102019107445.2A
Authority: DE
Inventors: wird später genannt werden Erfinder
Original assignee: Shanghai Jiaotong University; GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: Shanghai Jiaotong University; GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2019-03-22
Publication date: 2019-10-02
Also published as: CN110317981A; US11313015B2; US20190300988A1

Abstract

Es sind Aluminiumlegierungen mit verbesserten Eigenschaften vorgesehen. Die Legierung beinhaltet etwa 13 bis etwa 17 Gew.-% Silizium, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium und mindestens 75 Gew.-% Aluminium. Die Legierung kann Kupfer bis zu etwa 2,0 Gew.-%, Eisen bis zu etwa 0,8 Gew.-%, Mangan bis zu etwa 1,0 Gew.-%, Nickel bis zu etwa 1,0 Gew.-%, Zink bis zu etwa 0,8 Gew.-%, Titan bis zu etwa 0,5 Gew.-%, Zirkonium bis zu etwa 0,5 Gew.-%, Vanadium bis zu etwa 0,5 Gew.-% und andere Spurenelemente bis zu etwa 0,1 Gew.-% beinhalten. Darüber hinaus kann die Legierung etwa 50 bis etwa 1000 ppm Strontium und etwa 10 etwa 100 ppm Phosphor enthalten. Ebenfalls offenbart wird ein Druckgussartikel, wie beispielsweise ein Getriebekupplungsgehäuse.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft im Allgemeinen Aluminiumlegierungen, insbesondere auf hochfeste und hochverschleißfeste Aluminiumgusslegierungen, die eine verbesserte Gussqualität und geringere Porosität aufweisen, sowie daraus hergestellte Gussteile, wie beispielsweise Getriebekupplungsgehäuse.
EINLEITUNG
Typische Druckguss-Aluminiumlegierungen sind Al-Si-basierte Legierungen, die etwa 3~4% Cu enthalten. Es ist allgemein anerkannt, dass Kupfer (Cu) den größten Einfluss aller Legierungselemente auf die Festigkeit und Härte der Aluminiumgusslegierungen hat, sowohl wärmebehandelte als auch nicht wärmebehandelte und sowohl bei Umgebungs- als auch bei erhöhten Betriebstemperaturen. Kupfer verbessert die maschinelle Bearbeitbarkeit von Legierungen, indem es die Härte der Matrix erhöht, wodurch es einfacher ist, kleine Schneidspäne und feinbearbeitete Fertigstücke herzustellen. Darüber hinaus ist Kupfer im Mining-Prozess schwer von Aluminium zu entfernen.
Ein als Hochdruck-Druckguss (HPDC) bekanntes Verfahren wird aufgrund geringer Kosten, enger Maßtoleranz (vorkonturiert) und glatten Oberflächenbeschaffenheiten zur Massenfertigung von Metallkomponenten verwendet. Ein Nachteil des herkömmlichen HPDC-Verfahrens besteht jedoch darin, dass die Teile bei hohen Temperaturen, wie etwa 500 °C, nicht mit einer Lösungsbehandlung (T4) zugänglich sind, was das Potenzial der Ausscheidungshärtung durch eine volle T6 und/oder T7-Wärmebehandlung deutlich reduziert. Dies liegt an der Anwesenheit einer hohen Porositätsmenge und Hohlräumen in den fertigen HPDC-Komponenten aufgrund der Schrumpfung während der Verfestigung und insbesondere der eingeschlossenen Gase während der Formfüllung, wie etwa Luft, Wasserstoff oder Dämpfen, die aus der Zersetzung der Matrizenwandschmierstoffe gebildet wurden. Daher ist es praktisch unmöglich, eine herkömmliche HPDC-Komponente ohne große Gasblasen zu finden. Die inneren Poren, die Gase oder gasbildende Komponenten in den Druckgussstücken enthalten, dehnen sich während einer herkömmlichen Lösungsbehandlung bei erhöhten Temperaturen aus, was zur Bildung von Oberflächenblasen an den Gussstücken führt. Das Vorliegen dieser Blasen beeinflusst nicht nur das Erscheinungsbild der Gussstücke, sondern auch die Abmessungsstabilität und insbesondere die mechanischen Eigenschaften der HPDC-Komponenten.
Eine Aluminium-390-Legierung wurde für Festigkeit und Verschleißfestigkeit entwickelt, die Kupfer, Magnesium und Silizium beinhaltet. Magnesium, wie Kupfer, wurde den Legierungen zugesetzt, um die Festigkeit der 390 Legierungen zu verbessern, die einem Wärmebehandlungsprozess unterzogen wurden. Silizium verbesserte direkt die Verschleißfestigkeit. Jedoch erhöht das Kupfer in den 390 Legierungen die Schrumpfporosität und der hohe Siliziumgehalt macht die 390 Aluminiumlegierung spröde. Aufgrund der Art der Sprödigkeit der 390 Aluminiumlegierungen sind die tatsächlichen Eigenschaften der mit 390 Aluminiumlegierungen hergestellten Komponenten wesentlich geringer als in den Handbuchdaten angegeben.
390 Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihrer Festigkeit und Verschleißfestigkeit typischerweise für die Herstellung von Getriebekupplungsgehäusen verwendet. Aufgrund der geringen Duktilität von 390 Aluminiumlegierungen können Getriebekupplungsgehäuse jedoch während des Fertigungsprozesses reißen und werden daher für jedes gefertigte Teil einer Wirbelstromprüfung unterzogen. Selbst wenn die Teile die Wirbelstromprüfung bestehen, können sie im Feld trotzdem ausfallen, so dass die Garantiekosten hoch sind.
Dementsprechend besteht die Notwendigkeit, hochfeste und hochverschleißfeste Aluminiumgusslegierungen für den Einsatz in Druckgussteilen zu entwickeln.
KURZDARSTELLUNG
Diese Offenbarung sieht hochfeste Aluminiumgusslegierungen vor, die eine geringere Sprödigkeit und eine geringere Schrumpfungsneigung aufweisen, wie sie typischerweise in einer 390 Aluminiumlegierung zu finden sind, sowie daraus hergestellte Gussartikel, wie beispielsweise Getriebekupplungsgehäuse. Die neue Legierung zeichnet sich durch hohe Festigkeit und hohe Verschleißfestigkeit bei gleichzeitig besserer Gießbarkeit und geringer Porositätsneigung aus. Die neue Legierung weist zudem eine wünschenswerte Duktilität und hohe Bruchzähigkeit auf. Die neue Legierung kann sowohl im Kokillen- als auch im Druckgussverfahren hergestellt werden.
In einem Beispiel, das mit den anderen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder getrennt werden kann, ist eine für den Druckguss geeignete Aluminiumlegierung vorgesehen. Die Aluminiumlegierung kann enthalten: etwa 13,0 bis etwa 17,0 Gew.-% Silizium, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium, Kupfer in einer Menge von höchstens 2,0 Gew.-% und mindestens 75 Gew.-% Aluminium.
In einem anderen Beispiel, das mit den anderen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder getrennt werden kann, ist eine für den Druckguss geeignete Aluminiumlegierung vorgesehen. Die Aluminiumlegierung kann enthalten: etwa 13,0 bis etwa 15,9 Gew.-% Silizium, etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium und mindestens 75 Gew.-% Aluminium.
Zusätzliche Merkmale können bereitgestellt werden, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Folgende: die Aluminiumlegierung, die ferner Kupfer in einer Menge von nicht mehr als 2,0 Gew.-% umfasst; die Aluminiumlegierung, die ferner Eisen in einer Menge von nicht mehr als 0,8 Gew.-% umfasst; die Aluminiumlegierung, die ferner Mangan in einer Menge von nicht mehr als 1,0 Gew.-% umfasst; wobei Eisen und Mangan in Mengen bereitgestellt werden, die sich nicht mehr als 25% voneinander unterscheiden; die Aluminiumlegierung, die ferner Nickel in einer Menge von nicht mehr als 1,0 Gew.-% umfasst; die Aluminiumlegierung, die ferner Titan in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-% umfasst; die Aluminiumlegierung, die ferner Zirkonium in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-% umfasst; die Aluminiumlegierung, die ferner Vanadium in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-% umfasst; und die Aluminiumlegierung, die ferner etwa 50 bis etwa 1000 ppm Strontium umfasst; die Aluminiumlegierung, die etwa 10 bis etwa 100 ppm Phosphor umfasst; die Aluminiumlegierung, die mindestens 0,1 Gew.-% Nickel enthält; die Aluminiumlegierung, die mindestens 0,1 Gew.-% Titan enthält; die Aluminiumlegierung, die mindestens 0,1 Gew.-% Zirkonium enthält; die Aluminiumlegierung, die mindestens 0,1 Gew.-% Vanadium enthält; die Aluminiumlegierung, die Zink in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-% umfasst; die Aluminiumlegierung, die etwa 15 Gew.-% Silizium enthält; die Aluminiumlegierung, die etwa 1,5 Gew.-% Kupfer enthält; die Aluminiumlegierung, die etwa 0,4 Gew.-% Magnesium enthält; die Aluminiumlegierung, die etwa 0,1 bis etwa 0,6 Gew.-% Nickel umfasst; die Aluminiumlegierung, die etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Titan umfasst; die Aluminiumlegierung, die etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Zirkonium umfasst; die Aluminiumlegierung, die etwa 0,15 bis etwa 0,3 Gew.-% Vanadium umfasst; die Aluminiumlegierung, die etwa 50 bis etwa 100 ppm Strontium umfasst; die Aluminiumlegierung, die etwa 10 bis etwa 50 ppm Phosphor umfasst; und wobei das Magnesium in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-% vorgesehen ist.
In einem anderen Beispiel, das mit den anderen hierin enthaltenen Beispielen und Merkmalen kombiniert oder von diesen getrennt werden kann, weist die Aluminiumlegierung im Wesentlichen die folgenden Eigenschaften auf oder besteht im Wesentlichen aus: 13 bis 17 Gew.-% Silizium; 0,3 bis 0,6 Gew.-% Magnesium; 0 bis 2,0 Gew.-% Kupfer; 0 bis 0,8 Gew.-% Eisen; 0 bis 1,0 Gew.-% Mangan; 0 bis 1,0 Gew.-% Nickel; 0 bis 0,8 Gew.-% Zink; 0 bis 0,5 Gew.-% Titan; 0 bis 0,5 Gew.-% Zirkonium; 0 bis 0,5 Gew.-% Vanadium; 50 bis 1000 ppm Strontium; 10 bis 100 ppm Phosphor; 0 bis 0,1 Gew.-% Spuren anderer Elemente; und dem Restaluminium.
Weitere zusätzliche Merkmale können vorgesehen werden, wie: die Aluminiumlegierung, die etwa 15 Gew.-% Silizium, etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,4 Gew.-% Magnesium, 0 bis 0,4 Gew.-% Eisen, 0 bis 0,5 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,6 Gew.-% Nickel, 0 bis 0,5 Gew.-% Zink, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Titan, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium, 0,15 bis 0,3 Gew.-% Vanadium, 50 bis 100 ppm Strontium, 10 bis 50 ppm Phosphor enthält. In einigen Variationen kann das Silizium in einer Menge von 14,5 bis 15,5 Gew.-%, das Kupfer in einer Menge von 1,0 bis 2,0 Gew.-% vorgesehen sein, und das Magnesium in einer Menge von 0,35 bis 0,45 Gew.-% vorgesehen sein.
Ein Druckgussartikel, wie beispielsweise ein Getriebekupplungsgehäuse, ist vorgesehen und wird aus einer der hierin offenbarten Versionen der Aluminiumlegierung gegossen.
Figurenliste
Die Zeichnungen dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen diese Offenbarung oder die hier angehängten Ansprüche nicht einschränken.

1 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines berechneten Phasendiagramms einer Version der Legierung zeigt, die Phasenumwandlungen als Funktion des Silizium-(Si)-Gehalts zeigt;
2 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines berechneten Phasendiagramms einer Version der Legierung zeigt, das Phasenumwandlungen als Funktion des Kupfer-(Cu)-Gehalts zeigt;
3 ist ein Diagramm, das einen Abschnitt eines berechneten Phasendiagramms einer Version der Legierung zeigt, das Phasenumwandlungen als Funktion des Magnesium-(Mg)-Gehalts zeigt; und
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Getriebekupplungsgehäuses, das aus einer Aluminiumlegierung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung geformt ist.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Hochfeste und hochverschleißfeste Aluminiumlegierungen sind vorgesehen. Im Vergleich zu anderen Aluminiumlegierungen weisen diese Legierungen eine verbesserte Materialfestigkeit, Verschleißfestigkeit und eine gewünschte Menge an Duktilität und Gießbarkeit auf. Als solche weisen diese Legierungen eine verminderte Porosität und Sprödigkeit auf. Dadurch können die Ausschussquoten für Aluminiumguss und die Herstellungskosten reduziert werden. In einigen Beispielen können die hohen Legierungstemperatureigenschaften und die Motorleistung verbessert werden.
Die Legierung kann eine moderate bis hohe Menge an Silizium enthalten, um die Verschleißfestigkeit zu fördern, und kann darüber hinaus eine geringe Menge an Kupfer und Zink enthalten, um die Porosität zu reduzieren. Etwas Magnesium und Zink sind enthalten, um verbesserte Eigenschaften durch natürliche Härtung zu ermöglichen. Strontium kann beinhaltet sein, um die Siliziummorphologie, insbesondere eutektische Siliziummorphologie, zu modifizieren, um die Legierungsduktilität zu verbessern. Eine kleine Menge Phosphor kann aufgenommen werden, um die primäre Keimbildung des Siliziums zu fördern, so dass die erste Phase der Verfestigung Silizium ist und die Anzahl der kleinen Siliziumpartikel erhöht wird.
Die Aluminiumlegierung kann ein Gewicht von etwa 13,0 bis etwa 17,0 Gew.-% (Gew.-%) Silizium (Si), etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium (Mg) und mindestens 75 Gew.-% Aluminium beinhalten.
Das Aluminium kann auch Kupfer (Cu) in einer Menge bis zu etwa 2,0 Gew.-% (oder 0 bis 2,0 Gew.-% Kupfer), Eisen (Fe) in einer Menge bis zu etwa 0,5 Gew.-% (oder 0 bis 0,5 Gew.-% Eisen), Mangan (Mn) in einer Menge bis zu etwa 1,0 Gew.-% (oder 0 bis 1,0 Gew.-% Mangan), Nickel (Ni) in einer Menge bis zu etwa 1,0 Gew.-% (oder 0 bis 1,0 Gew.-% Nickel), Zink (Zn) in einer Menge bis zu etwa 0.8 Gew.-% (oder 0 bis 0,8 Gew.-% Zink), Titan (Ti) in einer Menge bis zu etwa 0,5 Gew.-% (oder 0 bis 0,5 Gew.-% Titan), Zirkonium (Zr) in einer Menge bis zu etwa 0,5 Gew.-% (oder 0 bis 0.5 Gew.-% Zirkonium); Vanadium (V) in einer Menge bis zu etwa 0,5 Gew.-% (oder 0 bis 0,5 Gew.-% Vanadium); andere Spurenelemente in einer Menge bis zu etwa 0,1 Gew.-% (oder 0 bis 0,1 Gew.-% andere Spurenelemente) beinhalten. Die Aluminiumlegierung kann auch etwa 50 bis etwa 1000 ppm Strontium (Sr) (oder 50 bis 1000 ppm Strontium) und etwa 10 bis etwa 100 ppm Phosphor (P) (oder 10 bis 100 ppm Phosphor) beinhalten.
Vorzugsweise kann die Legierungszusammensetzung etwa 15 Gew.-% Silizium, etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,4 Gew.-% Magnesium, etwa höchstens 0,4 Gew.-% Eisen (oder 0 bis 0,4 Gew.-% Eisen), etwa höchstens 0,5 Gew.-% Mangan (oder 0 bis 0,5 Gew.-% Mangan), etwa höchstens 0,6 Gew.-% Nickel (oder 0 bis 0,6 Gew.-% Nickel), etwa höchstens 0,5 Gew.-% Zink (oder 0 bis 0,5 Gew.-% Zink), etwa höchstens 0.3 Gew.-% Titan (oder 0 bis 0,3 Gew.-% Titan), etwa höchstens 0,3 Gew.-% Zirkonium (oder 0 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium), etwa höchstens 0,3 Gew.-% Vanadium (oder 0 bis 0,3 Gew.-% Vanadium), etwa höchstens 0,1 Gew.-% (oder 0 bis 0,1 Gew.-%) jedes der anderen Spurenelemente, etwa 50 bis etwa 100 ppm Strontium, etwa 10 bis etwa 50 ppm Phosphor und das Restaluminium (Al) enthalten.
In einigen Versionen sind Titan und Zirkonium jeweils in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-%, Vanadium in einer Menge von etwa 0,15 bis etwa 0,3 Gew.-% und Nickel in einer Menge von etwa 0,1 bis etwa 0,6 Gew.-% vorgesehen. Das Eisen und das Mangan sind vorzugsweise in etwa gleichen Verhältnissen vorgesehen; beispielsweise können das Eisen und das Mangan in Mengen vorgesehen sein, die sich nicht mehr als 25% voneinander unterscheiden, oder in Verhältnissen von nicht mehr als 1: 1,25 zueinander.

Vier Beispiele für Zusammensetzungsbereiche der neuen Legierung (in diesen Beispielen Version 1, Version 2, Version 3 und Version 4 genannt) sind in Tabelle 1 aufgeführt. Jedoch kann jede beliebige Kombination der von jeder Version angezeigten Bereiche mit einer anderen Version austauschbar verwendet werden. Tabelle 1. Chemische Zusammensetzungen von vier Versionen der neuen Legierung.

Legierung	Si	Cu	Mg	Fe	Mn	Ni	Zn	Ti	Zr	V	Sr	P	Sonstige
Version 1	3,0- 17,0	0-2,0	0,3-0,6	0,8	1,0	1,0	0,8	0,5	0,5	0,5	0-1000 ppm	0-100 ppm	<0,1 insgesamt
Version 2	5	1,5	0,4	0,4	0,5	0,6	0,5	0,3	0,3	0,3	0-100 ppm	0-50 ppm	<0,1 insgesamt
Version 3	3-15,9	0,5-2,0	0,3-0,5	0,4	0,5	0,6	0,5	0,3	0,3	0,3	0-100 ppm	0-50 ppm	<0,1 insgesamt
Version 4	3-17	1,0-2,0	0,35-0,45	0,4	0,5	0,6	0,5	0,3	0,3	0,3	0-100 ppm	0-50 ppm	<0,1 insgesamt

Optimierter Si-Gehalt in den neuen Aluminiumlegierungen im Vergleich zu herkömmlichem 390 und dessen Varianten.
Obwohl Silizium bekanntlich die Verschleißfestigkeit in Aluminiumlegierungen erhöht, ist bei zu viel Silizium ein höherer (unerwünschter) Gefrierbereich vorhanden. Durch die Reduzierung des Gefrierbereichs FR_Si wurde die Schrumpfungsporosität reduziert. So zeigt beispielsweise 1 ein Diagramm eines berechneten Phasendiagramms einer Version der neuen Legierung, das Phasenumwandlungen in Abhängigkeit vom Siliziumgehalt (Si) zeigt. Die Temperatur in Grad Celsius wird auf der vertikalen Achse und das Silizium in Gew.-% auf der horizontalen Achse angezeigt. Der Gefrierbereich ist bei FR_Si zwischen der Liquiduslinie L_Si und der Soliduslinie S_Si dargestellt. Für eine Aluminiumlegierung, die etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,4 Gew.-% Magnesium, etwa 0,4 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 Gew.-% Mangan, etwa 0,6 Gew.-% Nickel und etwa 0,5 Gew.-% Zink enthält, wurde festgestellt, dass der Gefrierbereich FR_Si mit einem Siliziumgehalt zwischen etwa 13,0 und etwa 17,0 Gew.-% (optimierter Bereich O) minimiert wurde. So beinhaltet die neue Legierung eine Siliziummenge im optimierten Bereich O. Typische 390-Legierungen enthalten eine Siliziummenge im optimierten Bereich O, in einem spröden Bereich B.
Reduzierter Cu-Gehalt in den neuen Aluminiumlegierungen im Vergleich zu herkömmlichem 390 und dessen Varianten.
Obwohl allgemein bekannt ist, dass Kupfer die Festigkeit und Härte in Aluminiumlegierungen erhöht, verringert es im Allgemeinen die Korrosionsbeständigkeit von Aluminium; und bei bestimmten Legierungen und Härtegraden erhöht Kupfer die Spannungskorrosionsanfälligkeit. Kupfer erhöht zudem den Gefrierbereich der Legierung und verringert die Zuführfähigkeit, was zu einem hohen Potential an Schrumpfungsporosität führt. Darüber hinaus ist Kupfer kostenintensiv und schwer.
Durch die Reduzierung des Gefrierbereichs FR_Cu wurde die Schrumpfungsporosität reduziert. 2 zeigt ein Diagramm eines berechneten Phasendiagramms einer Version der neuen Legierung, das Phasenumwandlungen in Abhängigkeit vom Kupfergehalt (Cu) zeigt. Die Temperatur in Grad Celsius wird auf der vertikalen Achse und das Kupfer in Gew.-% auf der horizontalen Achse angezeigt. Der Gefrierbereich ist bei FR_Cu zwischen der Liquiduslinie L_Cu und der Soliduslinie S_Cu dargestellt. Für eine Aluminiumlegierung, die etwa 15 Gew.-% Silizium, etwa 0,4 Gew.-% Magnesium, etwa 0,4 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 Gew.-% Mangan, etwa 0,6 Gew.-% Nickel und etwa 0,5 Gew.-% Zink enthält, wurde festgestellt, dass der Gefrierbereich FR_Cu minimiert wurde, wenn Kupfer minimiert wurde (minimierter Bereich M). Somit beinhaltet die neue Legierung eine Kupfermenge im minimierten Bereich M, wobei Kupfer in Gew.-% in der horizontalen Achse dargestellt ist. Typische 390 Legierungen enthalten eine Kupfermenge über dem optimalen minimierten Bereich M in einem porösen Bereich PR. Dies liegt daran, dass Kupfer für die Wärmebehandlung der Aluminiumgusslegierung hilfreich ist, aber wenn die Aluminiumgusslegierung nicht wärmebehandelt wird, dann kann das Kupfer weggelassen oder minimiert werden, um die Porosität zu verringern.
Verringerter Mg-Gehalt in den neuen Aluminiumlegierungen im Vergleich zu herkömmlichem 390 und dessen Varianten.
Wie Kupfer verbessert auch Magnesium die Eigenschaften bei der Wärmebehandlung einer Aluminiumlegierung, aber Magnesium ermöglicht auch eine Verbesserung der Eigenschaften beim Abkühlen/Härten bei Raumtemperatur. Dementsprechend ist Magnesium in einer Aluminiumlegierung nützlich. Magnesium erhöht aber auch den Gefrierbereich der Legierung.
3 zeigt ein Diagramm eines berechneten Phasendiagramms einer Version der neuen Legierung, das Phasenumwandlungen in Abhängigkeit vom Magnesiumgehalt (Mg) zeigt. Die Temperatur in Grad Celsius wird auf der vertikalen Achse und das Magnesium in Gew.-% auf der horizontalen Achse angezeigt. Der Gefrierbereich ist bei FR_Mg zwischen der Liquiduslinie L_Mg und der Soliduslinie S_Mg dargestellt. Durch die Reduzierung des Gefrierbereichs FR_Mg wurde die Schrumpfungsporosität reduziert. Für eine Aluminiumlegierung, die beispielsweise etwa 15 Gew.-% Silizium, etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,4 Gew.-% Eisen, etwa 0,5 Gew.-% Mangan, etwa 0,6 Gew.-% Nickel und etwa 0,5 Gew.-% Zink enthält, wurde festgestellt, dass der Gefrierbereich FR_Mg minimiert wurde, wenn Magnesium minimiert wurde. Magnesium hilft jedoch bei der natürlichen Härtung, so dass im Bereich N ein optimierter Bereich für den Magnesiumgehalt identifiziert wurde, um den Gefrierbereich FR_Mg zu minimieren, wobei gleichzeitig etwas Magnesium aufgrund seiner Vorteile beim Verfestigungsprozess beibehalten wird. Somit beinhaltet die neue Legierung eine Magnesiummenge im optimierten Bereich N. Typische 390 Legierungen enthalten eine Menge Magnesium über den optimierten Bereich N, in einem spröden Bereich C. Dies liegt daran, dass Magnesium hilfreich ist oder zur Wärmebehandlung der Aluminiumgusslegierung dient, aber wenn die Aluminiumgusslegierung nicht wärmebehandelt wird, dann kann das Magnesium verringert werden, um Porosität zu verringern.
Optimierte andere Legierungselemente in der neuen Legierung
Im Vergleich zu einer herkömmlichen 390-Legierung weisen die neuen Legierungen einen etwas geringeren Gehalt an Si und anderen duktilitätsschädigenden Elementen wie Fe, Cu und Zn auf. Sr und P werden zur Steuerung der Morphologie von primären und eutektischen Si-Partikeln verwendet, um die Duktilität zu verbessern. Um die Lötbeständigkeit der Druckgusslegierung zu erhalten, können Mangan und Eisen in ähnlichen Mengen bereitgestellt werden. Zum Beispiel sind Eisen und Mangan in Mengen vorgesehen, die sich um nicht mehr als 25 % voneinander unterscheiden; mit anderen Worten, ihr Verhältnis kann im jeweiligen Bezug zueinander nicht mehr als 1:1,25 betragen. Es ist anzumerken, dass das Verhältnis von Fe/Mn in der neuen Legierung optimiert wird, um die Bildung von β-Fe (Al5FeSi) zu vermeiden. Um die Legierungsleistung bei erhöhten Temperaturen weiter zu verbessern, kann die Legierung Cr, Ti, Zr und/oder V enthalten.
Demonstration
In einem Beispiel kann die neue Legierung Aluminium und etwa 15 Gew.-% Si, etwa 1,5 Gew.-% Kupfer, etwa 0,4 Gew.-% Mg, etwa 0,6 Gew.-% Ni, etwa 0,5 Gew.-% Zn, etwa 0,4 Gew.-% Fe, etwa 0,5 Gew.-% Mn, etwa 0,3 Gew.-% Zr, etwa 0,3 Gew.-% Ti und etwa 0,3 Gew.-% V enthalten (Version 5). Tabelle 2 zeigt die mechanischen Eigenschaften der neuen Legierung mit dem Aufbau dieser Version 5 im Vergleich zu einer herkömmlichen Aluminiumlegierung B390. Wie ersichtlich, weist die neue Legierung (Version 5) eine höhere Streckgrenze (YS), eine höhere Zugfestigkeit (UTS) und einen verbesserten Bruchdehnung (EL) auf. Tabelle 2. Mechanische Eigenschaften der neuen Legierung (Version 5).

YS (MPa) UTS (MPa) EL(%)

Version 4 221 303 1,5

B390 177 212 0,2
Die hierin enthaltenen Legierungen können mit Ausnahme der morphologisch verbesserten Elemente (z.B. Sr und P), durch Schmelzen und Legieren der Elemente der Legierung hergestellt werden. Anschließend kann die geschmolzene Legierung entgast werden. Dann kann das Sr und/oder P hinzugefügt werden. Auf exemplarische Weise kann dann die Legierung zum Herstellen eines Artikels gegossen und natürlich oder künstlich gehärtet werden.
Die hierin beschriebenen Legierungen können zur Herstellung eines Gussteils, wie beispielsweise eines Getriebekupplungsgehäuses, verwendet werden. Daher ist es im Rahmen der Überlegung der Erfinder, dass sich die Offenbarung auf exemplarische Weise auf Gussteile, einschließlich Getriebekupplungsgehäuse, Kolben und Motorblöcke, die die verbesserte Legierung enthalten (einschließlich Beispiele, Versionen und Variationen davon), erstreckt. Unter Bezugnahme auf 4 ist beispielsweise ein Getriebekupplungsgehäuse 20 dargestellt, das aus einer beliebigen Variation der hierin beschriebenen Aluminiumlegierung besteht.
Weiterhin wird, während die obigen Beispiele einzeln beschrieben werden, von Fachleuten auf dem Gebiet mit dem Vorteil dieser Offenbarung verstanden werden, dass die hierin beschriebenen Anteile von Elementen gemischt und aus den verschiedenen Beispielen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche angepasst werden können.
Es versteht sich ferner, dass jedes der oben beschriebenen Konzepte allein oder in Kombination mit irgendeinem oder allen anderen oben beschriebenen Konzepten verwendet werden kann. Obwohl eine Ausführungsform dieser Erfindung offenbart worden ist, würden Fachleute auf diesem Gebiet erkennen, dass bestimmte Modifikationen in den Umfang dieser Erfindung fallen würden. Aus diesem Grund sollten die folgenden Ansprüche untersucht werden, um den wahren Umfang und Inhalt dieser Erfindung zu bestimmen.

Claims

Aluminiumlegierung, die zum Druckgießen geeignet ist, wobei die Aluminiumlegierung das Folgende umfasst: etwa 13,0 bis etwa 17,0 Gew.-% Silizium; etwa 0,3 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium; Kupfer in einer Menge von höchstens 2,0 Gew.-%; und mindestens 75 Gew.-% Aluminium.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, ferner umfassend: Eisen in einer Menge von nicht mehr als 0,8 Gew.-%; und Mangan in einer Menge von nicht mehr als 1,0 Gew.-%, wobei das Eisen und das Mangan in Mengen bereitgestellt werden, die sich nicht mehr als 25% voneinander unterscheiden.
Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: Nickel in einer Menge von nicht mehr als 1,0 Gew.-%; Titan in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-%, Zirkonium in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-%, Vanadium in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-%; etwa 50 bis etwa 1000 ppm Strontium; und etwa 10 bis etwa 100 ppm Phosphor.
Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminiumlegierung Folgendes enthält: mindestens 0,1 Gew.-% Nickel; mindestens 0,1 Gew.-% Titan; mindestens 0,1 Gew.-% Zirkonium; und mindestens 0,1 Gew.-% Vanadium.
Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend Zink in einer Menge von nicht mehr als 0,5 Gew.-%.
Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminiumlegierung Folgendes enthält: etwa 15 Gew.-% Silizium; etwa 1,5 Gew.-% Kupfer; und etwa 0,4 Gew.-% Magnesium.
Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend: etwa 0,1 bis etwa 0,6 Gew.-% Nickel; etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Titan; etwa 0,1 bis etwa 0,3 Gew.-% Zirkonium; etwa 0,15 bis etwa 0,3 Gew.-% Vanadium; etwa 50 bis etwa 100 ppm Strontium; und etwa 10 bis etwa 50 ppm Phosphor.
Aluminiumlegierung, die für den Druckguss geeignet ist, wobei die Aluminiumlegierung im Wesentlichen aus Folgendem besteht: 13 bis 17 Gew.-% Silizium; 0,3 bis 0,6 Gew.-% Magnesium; 0 bis 2,0 Gew.-% Kupfer; 0 bis 0,8 Gew.-% Eisen; 0 bis 1,0 Gew.-% Mangan; 0 bis 1,0 Gew.-% Nickel; 0 bis 0,8 Gew.-% Zink; 0 bis 0,5 Gew.-% Titan; 0 bis 0,5 Gew.-% Zirkonium; 0 bis 0,5 Gew.-% Vanadium; 50 bis 1000 ppm Strontium; 10 bis 100 ppm Phosphor; 0 bis 0,1 Gew.-% Spuren anderer Elemente; und das Restaluminium.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 8, wobei die Aluminiumlegierung das Folgende enthält: 14,5 bis 15,5 Gew.-% Silizium; 1,0 bis 2,0 Gew.-% Kupfer; 0,35 bis 0,45 Gew.-% Magnesium; 0 bis 0,4 Gew.-% Eisen; 0 bis 0,5 Gew.-% Mangan; 0,1 bis 0,6 Gew.-% Nickel; 0 bis 0,5 Gew.-% Zink; 0,1 bis 0,3 Gew.-% Titan; 0,1 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium; 0,15 bis 0,3 Gew.-% Vanadium; 50 bis 100 ppm Strontium; und 10 bis 50 ppm Phosphor.
Druckgussartikel, der aus einer Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche gegossen ist.