DE102019202676A1 - Gussbauteile mit hoher Festigkeit und Duktilität und geringer Heißrissneigung - Google Patents

Gussbauteile mit hoher Festigkeit und Duktilität und geringer Heißrissneigung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Gussbauteile aus einer speziellen Aluminium-Magnesium-Legierung und Verfahren zur Wärmebehandlung der Gussbauteile.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Gussbauteile aus einer speziellen Aluminium-Magnesium-Legierung und Verfahren zur Wärmebehandlung der Gussbauteile.
  • Zur Herstellung von komplexen Gussbauteilen aus aushärtbaren Legierungen werden heute üblicherweise Legierungen im Al-Si-System eingesetzt. Zur Erreichung von geforderten Festigkeitseigenschaften werden Bauteile aus diesen Legierungen einer Wärmebehandlung unterzogen. Zur Festigkeitssteigerung wird dem Legierungssystem Magnesium in geringen Mengen (0,25-0,5 Gew.-%) zulegiert. Bei einem höheren Magnesiumgehalt steigt zwar die Festigkeit weiter an, jedoch kommt es zu einer deutlichen Abnahme der Duktilität des Werkstoffs. Zur Aushärtung wird dabei die Bildung der intermetallischen Mg2Si-Phase genutzt. Diese Legierung wird insbesondere aufgrund ihrer sehr guten Gießbarkeit und geringer Neigung zur Heißrissempfindlichkeit für komplexe Fahrzeugkarosseriebauteile eingesetzt. Aufgrund der reduzierten Verformungsfähigkeit des Materials bei hohen Mg-Gehalten, ist das durch die Wärmebehandlung erzielbare maximale Aushärtevermögen von AISi-Legierungen begrenzt.
  • Des Weiteren kommen Aluminium-Magnesium-Silizium-Legierungen zum Einsatz, die eine hohe Festigkeit im Gusszustand aufweisen. Über eine anschließende Wärmebehandlung kann die Festigkeit, ebenfalls über die Bildung von Mg2Si-Phasen, angehoben werden, jedoch mit einer starken Abnahme der Verformungsfähigkeit. Diese Legierungen eignen sich jedoch nur bedingt für komplexe dünnwandige Strukturgussbauteile, da diese eine hohe Neigung zu Heißrissen aufweisen. Die hohe Heißrissneigung von Al-Mg-Si-Legierungen schränkt im Vergleich zu Al-Si-Legierungen den Einsatz für komplexe Bauteilgeometrien ein.
  • Aus DE-OS 2 001 712 sind Gussstücke bekannt aus einer Aluminiumlegierung, die etwa 3,5 bis etwa 6 Gew.-% Kupfer, etwa 0,05 bis zu etwa 3 Gew.-% Silber, etwa 0,15 bis etwa 0,4 Gew.-% Magnesium, bis zu etwa 1 Gew.-% Mangan, bis zu 4 Gew.-% Zink, weniger als 0,1 % Silizium, weniger als 0,15 % Eisen und als Rest Aluminium enthält, die lösungsgeglüht und gealtert eine Zugfestigkeit von über 4200 kg/cm2, eine Streckgrenze von über 3500 kg/cm2 und eine Bruchdehnung von mindestens 5% aufweisen.
  • DE 11 2004 000 995 T5 offenbart ein geschmiedetes Aluminiumlegierungsprodukt mit hoher Festigkeit und Bruchzähigkeit, hoher Ermüdungfestigkeit und niedriger Ermüdungsrisswachstumsgeschwindigkeit. Die Legierung vom Al-Cu-Mg-Typ hat die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%): (a) 4,4 bis 5,5 Cu, 0,3 bis 1,0 Mg (derart, dass 1,1 [Mg] + 5,38 = [Cu] = 5,5), weniger als 0,20 Fe, weniger als 0,20 Si, weniger als 0,40 Zn und 0,15 bis 0,8 Mn; wobei (b) Mn in Form eines Elements vorliegt, das einige Dispersoide bildet, in Kombination mit einem oder mehreren Dispersoid bildenden Elementen, ausgewählt aus weniger als 0,5 Zr, weniger als 0,7 Sc, weniger als 0,4 Cr, weniger als 0,3 Hf, weniger als 0,1 Ag weniger als 0,4 Ti, weniger als 0,4 V; (c) der Rest ist Aluminium und andere Verunreinigungen oder zufällige Elemente.
  • Aus EP 0 020 505 B2 geht eine Aluminiumlegierung der Serie 7000 hervor, die sich durch hohe mechanische Festigkeit, hohe Ermüdungsfestigkeit und hohe Bruchdehnung auszeichnet. Die Legierung umfasst im Wesentlichen 5,9 bis 6,9% Zink, 2,0 bis 2,7%. Magnesium, 1,9 bis 2,5% Kupfer, 0,08 bis 0,5% Zirkonium, maximal 0,15% Eisen, maximal 0,12% Silizium, maximal 0, 06% Titan, maximal 0,04% Chrom, maximal 0,05% für jedes der anderen in der Legierung vorhandenen Spurenelemente, wobei die Summe der Spurenelemente in der Legierung maximal 0,15% ist, der Rest ist Aluminium.
  • Die Legierung wird heißverformt, um ein Schmiedeprodukt zu erhalten, z.B. ein Extrusions- oder Plattenprodukt, wobei die Rekristallisation auf einem Minimum gehalten wird. Das Schmiedeprodukt wird einer Lösungsbehandlung, schnellem Abkühlen und einem Alterungszyklus bei hoher Temperatur unterworfen, normalerweise bis das Produkt seine maximale Festigkeit erreicht oder dieser nahe kommt.
  • EP 1 346 073 B1 offenbart Produkte aus Aluminiumlegierungen, wie Platten, Schmiedeteile und Strangpressteile, die zur Verwendung bei der Herstellung von Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt, wie integralen Flügelholmen, Rippen und Stegen, geeignet sind. Die Legierungen umfassen etwa 6 bis 10 Gew.-% Zn; 1,2 bis 1,9 Gew.-% Mg; 1,2 bis 2,2 Gew.-% Cu mit Mg (Cu + 0,3); und 0,05 bis 0,4 Gew.-% Zr. Der Rest ist AI, Nebenelemente und Verunreinigungen. Die Legierung bietet eine Kombination verbesserter Festigkeit und Bruchzähigkeit.
  • EP 1 392 878 B1 lehrt ein Verfahren zur Herstellung eines Blech- oder Plattenprodukts, umfassend: (a) Bereitstellen einer Aluminiumlegierung, die aus 0,5 bis 1,8% Si, 0,5 bis 1,5% Mg, bis zu 1,2% Cu, bis zu 1% Mn, bis zu 1% Zn, bis zu 0,4% Cr, bis zu 0,5% Ag, bis zu 0,3% Sc, bis zu 0,2% V, bis zu 0,2% Hf, bis zu 0,2% Zr besteht, wobei der Rest Aluminium und Kontaminationsverunreinigungen sind; (b) Erwärmen der Legierung; (c) Warmwalzen der Legierung, um ihre Dicke um wenigstens 30% zu vermindern; (d) thermisches Behandeln der in (c) warmgewalzten Legierung bei 543°C oder höher; (e) weiteres Warmwalzen der Legierung, um ihre Dicke weiter zu vermindern; (f) Lösungsglühen der Legierung bei 543°C oder höher; und (g) Quenchen der Legierung.
  • In US 7 815 758 A1 wird eine hochschadentolerante Al-Cu-Legierung der AA2000-Reihe offenbart, die eine hohe Zähigkeit und eine verbesserte Beständigkeit gegen Ermüdungsrisswachstum aufweist. Die Legierung hat die Zusammensetzung (in Gew .-%): Cu 3,8-4,7, Mg 1,0-1,6, Zr 0,06-0,18. Cr <0,15, Mn> 0-0,50, Fe <= 0,15, Si <= 0,15 und Mn-haltige Dispersoide, wobei der Rest im Wesentlichen aus Aluminium und zufälligen Elementen und Verunreinigungen besteht, wobei die Mn-haltigen Dispersoide mindestens teilweise durch Zr-haltige Dispersoide ersetzt sind. Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines gewalzten Al-Cu-Legierungsprodukts mit hoher Zähigkeit und verbesserter Ermüdungsrisswachstumsbeständigkeit offenbart.
  • In EP 0 301 472 B2 wird ein Schwerkraftgießverfahren unter Einsatz einer nahezu eutektisch raffinierten GK-AISill / Sr-Kf-Legierung mit 0,05 bis 0,1 Gew.-% einer Magnesiumfraktion und ohne weitere nennenswerte aushärtbare Bestandteile modifiziert durch Abschrecken der Bauteile von einer Temperatur von 350 bis 475°C direkt beim Entformen aus der Gießform in Wasser von höchstens 50°C, wodurch eine erhebliche Erhöhung der Dauerfestigkeit bei umgekehrten Biegebeanspruchungen in zentralen Bereichen und in der Schlagfestigkeit in Randbereichen der Komponenten erreicht wird.
  • Aus der AT 512 120 geht eine Aluminiumlegierung für die Anwendung im Sand- und Kokillenguss hervor. Die Legierung enthält 0,3 bis 5,0 % Kupfer, 0,1 bis 0,5 % Mangan, 0,05 bis 0,3 % Titan, 0,1 bis 0,5 % Tantal und maximal je 0,05 % Magnesium, 0,2 % Silizium, 0,3 % Eisen und 0,1 % Zink, sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen, der Rest ist Aluminium. Ein Verfahren zur Wärmebehandlung einer solchen Legierung umfasst die Schritte Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern.
  • Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, Gussbauteile mit hoher Festigkeit und Verformungsfähigkeit und geringer Heißrissneigung zur Verfügung zu stellen.
  • Es wurde gefunden, dass sich diese Aufgabe lösen lässt, indem die Gussbauteile aus einer speziellen Aluminium-Magnesium-Legierung hergestellt werden. Besonders gute mechanische Eigenschaften lassen sich erhalten, wenn die Gussbauteile anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen werden.
  • Gegenstand der Erfindung sind Gussbauteile aus einer Aluminiumlegierung, welche 3,5 bis 8,5 Gew.-%, insbesondere 6,5 bis 8,5 Gew.-%, Magnesium und 2,0 bis 4,5 Gew.-%, insbesondere 2,5 bis 3,5 Gew.-%, Zink enthält, wobei die Legierung weniger als 0,75 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,55 Gew.-% Kupfer; weniger als 0,2 Gew.-%, insbesondere weniger als 0,15Gew.-% Eisen, weniger als 0,02 Gew.-% Titan, weniger als 0,05 Gew.-% Silizium, und weniger als 0,8 Gew.-% Mangan enthält. Der Aluminiumgehalt der Legierung ist der zu 100 Gew.-% fehlende Anteil.
  • Die aushärtbare Aluminium-Magnesium-Gusslegierung mit spezifisch eingegrenztem hohem Mg-Gehalt und einer Zugabe von Zink eignet sich aufgrund geringer Heissrissneigung besonders für komplexe Sturkturgussbauteile für Karosserieanwendungen.
  • In einer Ausführungsform wurden die Bauteile nach dem Guss einer Wärmebehandlung unterzogen, die folgende Schritte umfasst:
    1. 1. Lösungsglühen des Gussbauteils bei 440°C-480°C für 25-60 Minuten;
    2. 2. Abschrecken des Gussbauteils in Luft oder Wasser;
    3. 3. Warmauslagerung des Gussbauteils bei 100-150°C für 3-48 Stunden.
  • In einer weiteren Ausführungsform wurde nach dem 1. Schritt ein weiteres Lösungsglühen des Gussbauteils bei 470°C-500°C für 15-30 Minuten durchgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform wurde nach dem 2. Schritt eine Kaltauslagerung des Gussbauteils bei Raumtemperatur für 1-7 Tage durchgeführt.
  • In einer weiteren Ausführungsform wurde nach dem 3. Schritt eine weitere Warmauslagerung des Gussbauteils bei 150-200°C für 1-24 Stunden durchgeführt.
  • Eine anschließende T6-Wärmebehandlung der Gussbauteile führt zu sehr hohen Festigkeitswerten. Besonders vorteilhaft hat sich dabei eine mehrstufige Wärmebehandlung erwiesen.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Gussbauteilen aus der erfindungsgemäßen Legierung. Erfindungsgemäß werden die Gussbauteile einer Wärmebehandlung unterzogen, die folgende Schritte umfasst:
    1. 1. Lösungsglühen des Gussbauteils bei 440°C-480°C für 25-60 Minuten;
    2. 2. Abschrecken des Gussbauteils in Luft oder Wasser;
    3. 3. Warmauslagerung des Gussbauteils bei 100-150°C für 3-48 Stunden.
  • In einer Ausführungsform wird nach dem 1. Schritt ein weiteres Lösungsglühen des Gussbauteils bei 470°C-500°C für 15-30 Minuten durchgeführt. In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem 2. Schritt eine Kaltauslagerung des Gussbauteils bei Raumtemperatur für 1-7 Tage durchgeführt. In einer weiteren Ausführungsform wird nach dem 3. Schritt eine weitere Warmauslagerung des Gussbauteils bei 150-200°C für 1-24 Stunden durchgeführt.
  • Gegenstand der Erfindung ist auch die Verwendung der erfindungsgemäßen Gussbauteile als Fahrzeugkarosseriebauteile.
  • Gussbauteile aus der erfindungsgemäßen Legierung, die einer anschließenden Wärmebehandlung unterzogen wurden, zeigen sehr hohe Festigkeitswerte bei sehr guter Duktilität. Dadurch sind Legierungen in dieser Festigkeitsklasse sehr gut nietbar. Überraschenderweise weist das Legierungssystem bei einem Magnesiumgehalt >6,5% eine sehr geringe Neigung zu Heißrissen auf, so dass auch komplexe Strukturgussbauteile hergestellt werden können.
  • Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den nachfolgenden Beispielen.
  • Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
  • Nachfolgend werden die Eigenschaften von erfindungsgemäßen Gussbauteilen mit denen von Gussbauteilen aus Legierungen des Standes der Technik verglichen. Die Bewertung der Heißrissneigung erfolgte visuell an abgegossenen erfindungsgemäßen Bauteilen. Legierungen, die nicht zu Heißrissen neigen, weisen an abgegossenen Bauteilen keine Risse auf.
  • Vergleichsbeispiel 1
  • Aus einer Legierung der Zusammensetzung AISi10Mg0,4Zn0,35 wurden Gussbauteile hergestellt und einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der sie für 30 Minuten bei 500°C geglüht, dann an Luft abgeschreckt und anschließend für 4 h bei 150°C getempert wurden. Prüfkörper zeigten nach der Wärmebehandlung eine Rp0,2-Streckgrenze von 185 MPa, eine Bruchdehnung A5 von 12,4% und keine Heißrisse.
  • Vergleichsbeispiel 2
    1. a) Aus einer Legierung der Zusammensetzung AIMg5Si2 wurden Gussbauteile hergestellt. Prüfkörper zeigten eine Rp0,2-Streckgrenze von 165 MPa und eine Bruchdehnung A5 von 8,8% und eine hohe Heißrissneigung.
    2. b) Einige Gussbauteile wurden für 2 h bei 200°C getempert. Die wärmebehandelten Prüfkörper zeigten eine Rp0,2-Streckgrenze von 207 MPa und eine Bruchdehnung A5 von 5,2% und eine hohe Heißrissneigung..
  • Beispiel 3
    1. a) Aus einer Legierung der Zusammensetzung AIMg4,5Zn3 wurden Gussbauteile hergestellt und nach dem Gießen beprobt. Die Prüfkörper zeigten eine Rp0,2-Streckgrenze von 178 MPa und eine Bruchdehnung A5 von 7,8% und kleine Anzeichen an Heißrissen.
    2. b) Nach einer Wärmebehandlung für 60 Minuten bei 460°C und anschließend für 60 Minuten bei 490°C, Abschrecken an Luft und anschließendem Tempern bei 150°C für 6 h zeigten die Bauteile eine Rp0,2-Streckgrenze von 255 MPa und eine Bruchdehnung A5 von 13,4%.
  • Beispiel 4
  • Aus einer Legierung der Zusammensetzung AIMg4,5Zn3 wurden Gussbauteile hergestellt und einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der sie für 60 Minuten bei 460°C geglüht, anschließend für 60 Minuten bei 490°C geglüht, dann in Wasser abgeschreckt und anschließend für 6 h bei 150°C getempert wurden. Prüfkörper zeigten nach der Wärmebehandlung eine Rp0,2-Streckgrenze von 337 MPa, eine Bruchdehnung A5 von 10,4% und geringe Anzeichen von Heißrissen.
  • Beispiel 5
  • Aus einer Legierung der Zusammensetzung AIMg4,5Zn3 wurden Gussbauteile hergestellt und einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der sie für 60 Minuten bei 460°C geglüht, anschließend für 60 Minuten bei 490°C geglüht, dann an Luft abgeschreckt und anschließend 5 Tage lang einer Kaltauslagerung unterzogen. Danach wurden die Bauteile für 5 h bei 150°C getempert. Prüfkörper zeigten nach der Wärmebehandlung eine Rp0,2-Streckgrenze von 285 MPa, eine Bruchdehnung A5 von 11,8% und geringe Anzeichen von Heißrissen.
  • Beispiel 6
  • Aus einer Legierung der Zusammensetzung AIMg4,5Zn3Cu0,5 wurden Gussbauteile hergestellt und einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der sie für 60 Minuten bei 460°C geglüht, anschließend für 60 Minuten bei 490°C geglüht, dann an Luft abgeschreckt und anschließend für 4 h bei 150°C getempert wurden. Prüfkörper zeigten nach der Wärmebehandlung eine Rp0,2-Streckgrenze von 279 MPa, eine Bruchdehnung A5 von 10,9% und geringe Anzeichen von Heißrissen. Die Zugabe von Kupfer bewirkte hier eine beschleunigte Aushärtung auf ein höheres Festigkeitsniveau.
  • Beispiel 7
  • Aus einer Legierung der Zusammensetzung AIMg7Zn3 wurden Gussbauteile hergestellt und einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der sie für 60 Minuten bei 460°C geglüht, anschließend für 60 Minuten bei 490°C geglüht, dann an Luft abgeschreckt und anschließend für 6 h bei 150°C getempert wurden. Prüfkörper zeigten nach der Wärmebehandlung eine Rp0,2-Streckgrenze von 260 MPa, eine Bruchdehnung A5 von 12,8%. Überraschenderweise konnten kaum Anzeichen von Heißrissen festgestellt werden.
  • Beispiel 8
  • Aus einer Legierung der Zusammensetzung AIMg7Zn3 wurden Gussbauteile hergestellt und einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der sie für 60 Minuten bei 460°C geglüht, anschließend für 60 Minuten bei 490°C geglüht, dann in Wasser abgeschreckt und anschließend für 6 h bei 150°C getempert wurden. Die Abschreckung in Wasser bewirkte eine deutliche Steigerung der Rp0,2-Streckgrenze auf 346 MPa und eine Bruchdehnung A5 von 9,9%. Die Heißrissneigung war auch hier als gering einzustufen.
  • Die nachfolgende Tabelle gibt eine Übersicht der Ergebnisse der mechanischen Prüfungen für alle Beispiele:
    Beispiel Festigkeit Rp0,2 Bruchdehnung A5 Heißrissneigung**
    [MPa] [%]
    1* 185 12,4 ++
    2a* 165 8,8 -
    2b* 207 5,2 -
    3a 178 7,8 0
    3b 255 13,4 0
    4 337 10,4 0
    5 285 11,8 0
    6 279 10,9 0
    7 260 12,8 +
    8 346 9,9 +
    * Vergleichsbeispiel
    ** ++ keine Heißrissneigung; -- hohe Heißrissneigung
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2001712 [0004]
    • DE 112004000995 T5 [0005]
    • EP 0020505 B2 [0006]
    • EP 1346073 B1 [0008]
    • EP 1392878 B1 [0009]
    • US 7815758 A1 [0010]
    • EP 0301472 B2 [0011]

Claims (11)

  1. Gussbauteil aus einer Aluminiumlegierung, welche 3,5 bis 8,5 Gew.-% Magnesium und 2,0 bis 4,5 Gew.-% Zink enthält, wobei die Legierung weniger als 0,75 Gew.-% Kupfer; weniger als 0,2 Gew.-% Eisen, weniger als 0,02 Gew.-% Titan, weniger als 0,05 Gew.-% Silizium, und weniger als 0,8 Gew.-% Mangan enthält.
  2. Gussbauteil nach Anspruch 1, bei dem die Aluminiumlegierung 6,5 bis 8,5 Gew.-% Magnesium enthält.
  3. Gussbauteil nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Aluminiumlegierung 2,5 bis 3,5 Gew.-% Zink enthält.
  4. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Aluminiumlegierung weniger als 0,55 Gew.-% Kupfer enthält.
  5. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Aluminiumlegierung weniger als 0,15 Gew.-% Eisen enthält.
  6. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte: 1. Lösungsglühen des Gussbauteils bei 440°C-480°C für 25-60 Minuten; 2. Abschrecken des Gussbauteils in Luft oder Wasser; 3. Warmauslagerung des Gussbauteils bei 100-150°C für 3-48 Stunden.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, worin nach Schritt 1 ein weiteres Lösungsglühen des Gussbauteils bei 470°C-500°C für 15-30 Minuten durchgeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, worin nach Schritt 2 eine Kaltauslagerung des Gussbauteils bei Raumtemperatur für 1 bis 7 Tage durchgeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, worin nach Schritt 3 eine weitere Warmauslagerung des Gussbauteils bei 150-200°C für 1 bis 24 Stunden durchgeführt wird.
  10. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, das einem Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9 unterzogen wurde.
  11. Verwendung eines Gussbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 10 als Fahrzeugkarosseriebauteil.
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