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Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Gusslegierung sowie ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug.
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Grundsätzlich ist bei Gussbauteilen eine hohe Fließfähigkeit des das Bauteil bildenden Werkstoffs zu bevorzugen, weshalb hierfür meist nah-eutektische oder eutektische Legierungen eingesetzt werden. Wenn dabei höhere Anforderungen an die Festigkeit und die Gießbarkeit gestellt werden, werden üblicherweise Aluminium-Silizium-Legierungen, beispielsweise AISi9-12, eingesetzt. Wenn eine höhere Wärmeleitfähigkeit gefordert wird, setzt man häufig Aluminium-Nickel-Legierungen, beispielsweise AINi4-6, ein.
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In diesem Zusammenhang beschreibt die
DE 10 2005 037 738 A1 eine Aluminium-Gusslegierung, die Silizium, Magnesium, Eisen, Kupfer, Zink, Mangan, Titan, Zirkonium, Nickel und Kobalt enthält.
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Aus der
EP 1 978 120 A1 ist eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung bekannt, die zusätzlich unter anderem Magnesium, Titan, Zirkonium, Mangan, Eisen, Kupfer und Nickel enthält.
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Eine aushärtbare Aluminium-Gusslegierung mit Silizium, Magnesium, Nickel und Kobalt ist in der
DE 100 62 547 A1 beschrieben.
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Die aus diesen Dokumenten bekannten Legierungszusammensetzungen werden für Motorkomponenten, wie Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe und gegebenenfalls Kolben eingesetzt.
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Wie oben erläutert, wird zum Erreichen einer hohen Fließfähigkeit des zur Herstellung des jeweiligen Bauteils verwendeten Materials eine Zusammensetzung im eutektischen oder nah-eutektischen Bereich verwendet. Bei Aluminium-Silizium-Legierungen ist hierfür ein hoher Silizium-Gehalt von ca. 12 Gew.-% notwendig, was jedoch zu einer geringen Wärmeleitfähigkeit führt. Bei Aluminium-Nickel-Legierungen führt der erforderliche hohe Nickelanteil von ca. 6 Gew.-% zu sehr hohen Kosten. Des Weiteren steigt durch die höhere Dichte von Nickel das Bauteilgewicht und die fehlende Erstarrungsanomalie gegenüber Silizium verschlechtert das Formfüll- und Lunkerverhalten. Daher können bei Gussbauteilen, die sowohl hohe Festigkeiten und gute Gießbarkeit als auch eine hohe Leitfähigkeit erfordern, wie zum Beispiel Gehäuse von Elektromotoren oder Elektronikkomponenten, mit diesen beiden Legierungsarten, also Aluminium-Silizium-Legierungen und Aluminium-Nickel-Legierungen, keine optimalen Ergebnisse erzielt werden.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminium-Gusslegierung zu schaffen, die eine hohe Fließfähigkeit, eine hohe Festigkeit, eine hohe Leitfähigkeit und eine gute Gießbarkeit aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Durch die Verwendung einer Legierung mit den wesentlichen Bestandteilen Aluminium, Silizium und Nickel, deren Verhältnis so gewählt ist, dass sich die Legierung im Bereich des ternären Eutektikums dieser drei Legierungsbestandteile befindet, können höherfeste Gussbauteile mit erhöhter Fließfähigkeit, guter Gießbarkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit erzeugt werden. Abhängig von dem jeweiligen Gießverfahren, in dem die erfindungsgemäße Aluminium-Gusslegierung eingesetzt wird, ergibt sich dabei, neben dem den größten Anteil darstellenden Aluminiumgehalt, ein Anteil von 6 bis 8 Gew.-% Silizium und 0,5 bis 3 Gew.-% Nickel. Die Lage des ternären Eutektikums ist neben dem Silizium- und Nickelgehalt der Legierung auch von der Erstarrungsgeschwindigkeit des Gießprozesses abhängig. Von Vorteil ist daher eine flexible Anpassung der Gehalte an Silizium und Nickel auf das in dem angestrebten Gießprozess tatsächlich realisierte ternäre Eutektikum.
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Mit der erfindungsgemäßen Lösung lässt sich gegenüber binären Aluminium-Silizium-Legierungen bei einem vergleichsweise geringen Gehalt an Zulegierungselementen eine höhere Fließfähigkeit erreichen. Darüber hinaus ergibt sich für das aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Bauteil bei Raumtemperatur eine erhöhte Festigkeit, die bei erhöhten Temperaturen noch deutlich gesteigert wird. Für den Einsatz im Bereich von Gehäusen für Elektromotoren und Elektronikkomponenten kann die erfindungsgemäße Aluminium-Gusslegierung eine deutlich verbesserte Wärmeleitfähigkeit erreichen.
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Gegenüber bekannten Aluminium-Nickel-Legierungen wird eine deutliche Reduzierung der Kosten erreicht, da der Nickelgehalt bei der erfindungsgemäßen Legierung deutlich niedriger ist als bei binären Aluminium-Nickel-Legierungen. Durch die Erstarrungsanomalie von Silizium ergibt sich des Weiteren ein besseres Formfüllungsvermögen und ein verbessertes Lunkerverhalten. Außerdem wird aufgrund der geringeren Dichte von Silizium gegenüber Nickel ein niedrigeres Bauteilgewicht im Vergleich zu aus Aluminium-Nickel-Legierungen bestehenden Bauteilen erreicht.
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Außer Silizium und Nickel können der Legierung unter anderem auch die nachfolgend noch genannten Zusatzbestandteile Zink, Magnesium, Titan, Zirkonium, Mangan und Strontium in den nachfolgend beschriebenen Anteilen beigefügt werden. Hierbei verringert sich der Rest Aluminium zugunsten der Zusatzbestandteile entsprechend deren Anteilen.
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In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Anteil an Nickel so gewählt ist, dass sich bei einer für ein Kokillengießverfahren einzusetzenden Legierung eine Abweichung des Nickelgehalts von maximal +/- 1 Gew.-% von dem ternären Eutektikum und bei einer für ein Druckgießverfahren einzusetzenden Legierung eine Abweichung des Nickelgehalts von maximal +/- 0,5 Gew.-% von dem ternären Eutektikum ergibt. Es hat sich herausgestellt, dass derartige Abweichungen vom ternären Eutektikum der Aluminium-Silizium-Nickel-Legierung noch zu sehr guten Ergebnissen hinsichtlich der Festigkeit, der Fließfähigkeit und der Wärmeleitfähigkeit führen.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann Silizium in einem Anteil von 6,5 bis 7,5 Gew.-% vorhanden sein. Dies stellt einen guten Kompromiss bezüglich einer ausreichenden Fließfähigkeit und einer hohen Wärmeleitfähigkeit dar.
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Des Weiteren hat es sich hinsichtlich der Einstellung eines ternären Eutektikums und der sich dadurch ergebenden Vorteile als vorteilhaft erwiesen, wenn der Anteil von Nickel bei einer für ein Kokillengießverfahren einzusetzenden Legierung 2,0 bis 3,0 Gew.-%, insbesondere 2,3 bis 2,7 Gew.-%, und bei einer für ein Druckgießverfahren einzusetzenden Legierung 0,5 bis 1,5 Gew.-%, insbesondere 0,6 bis 1,2 Gew.-%, beträgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann ein Anteil von 0,1 bis 2 Gew.-% Zink vorgesehen sein. Die Zugabe von Zink verbessert die Fließfähigkeit der erfindungsgemäßen Legierung, wobei ein zu hoher Gehalt an Zink zu schlechteren Korrosionseigenschaften führen kann. Bezüglich der oberen Grenze des Anteils von Zink ist zu beachten, dass Zink nur bis zu einem gewissen Grad in Aluminium löslich ist.
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Des Weiteren kann die erfindungsgemäße Legierung 0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium aufweisen. Dies ermöglicht eine Aushärtung des mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Bauteils, wobei hinsichtlich der elektrischen und thermischen Leitfähigkeit ein T7-Zustand zu bevorzugen ist. Ein zu hoher Magnesiumgehalt kann jedoch zu einem zu spröden Bauteil führen.
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Des Weiteren kann 0,005 bis 0,03 Gew.-% Strontium in der erfindungsgemäßen Aluminium-Gusslegierung vorgesehen sein. Dies führt zu einer Veredelung des Silizium-Eutektikums, wodurch sich die Duktilität des mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Bauteils erhöht. Insbesondere beträgt der Anteil von Strontium bei einer für ein Kokillengießverfahren einzusetzenden Legierung 0,005 bis 0,03 Gew.-% und bei einer für ein Druckgießverfahren einzusetzenden Legierung 0,008 bis 0,025 Gew.-%, da die Abkühlung beim Druckgießverfahren schneller erfolgt als beim Kokillengießverfahren, weshalb die Veredelung des Silizium-Eutektikums beim Druckgießverfahren bereits bei einem geringeren Anteil von Strontium wirksamer ist.
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Des Weiteren kann 0,05 bis 0,25 Gew.-% Titan und/oder 0,05 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium vorgesehen sein. Durch die Zugabe von Titan und/oder Zirkonium mit den genannten Anteilen wird eine Kornfeinung erreicht, die zu einer Verbesserung der Duktilität und der Festigkeit des mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Bauteils führt. Insbesondere beträgt der Anteil von Titan bei einer für ein Kokillengießverfahren einzusetzenden Legierung 0,05 bis 0,25 Gew.-% und bei einer für ein Druckgießverfahren einzusetzenden Legierung 0,05 bis 0,15 Gew.-%. Des Weiteren beträgt insbesondere der Anteil von Zirkonium bei einer für ein Kokillengießverfahren einzusetzenden Legierung 0,05 bis 0,3 Gew.-% und bei einer für ein Druckgießverfahren einzusetzenden Legierung 0,05 bis 0,25 Gew.-%. Die geringeren Mengen von Titan und Zirkonium beim Druckgießverfahren ergeben sich wiederum aufgrund der schnelleren Abkühlung beim Druckgießverfahren, weshalb beim Druckgießverfahren bereits ein feineres Korn als Ausgangszustand vorliegt und eine geringere Kornfeinung benötigt wird.
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Des Weiteren kann bei einer für ein Kokillengießverfahren einzusetzenden Legierung Mangan mit einem Anteil von 0,05 bis 0,15 Gew.-% und bei einer für ein Druckgießverfahren einzusetzenden Legierung Mangan mit einem Anteil von 0,35 bis 0,8 Gew.-% vorgesehen sein. Bei einem Druckgießverfahren verhindert Mangan vorteilhafterweise ein Ankleben der Legierung an die Form und stellt somit die Entformbarkeit des mit der erfindungsgemäßen Legierung hergestellten Bauteils sicher. Bei einem Kokillengießverfahren ist ein Ankleben der Legierung an die Form verfahrensbedingt weniger kritisch, weshalb ein geringer Anteil von Mangan ausreichend ist. Bei einem Kokillengießverfahren dient Mangan hauptsächlich der Verhinderung grober und die Duktilität verringernder β-Al5FeSi-Phasen.
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Ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einer erfindungsgemäßen Aluminium-Gusslegierung, ist in Anspruch 10 angegeben.
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Das genannte Bauteil kann insbesondere als dünnwandiges Gussbauteil ausgebildet sein und lässt sich beispielsweise als Gehäuse für einen Elektromotor einsetzen. Zur Verringerung der Masse des erfindungsgemäßen Bauteils sollte die Wandstärke möglichst gering sein, wozu jedoch die Fließfähigkeit und die Festigkeit der Legierung ausreichend hoch sein müssen. Bei der Ausführung des Bauteils als Gehäuse eines Elektromotors ist außerdem die Wärmeleitfähigkeit der Legierung von hoher Wichtigkeit.
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Eine beispielhafte Aluminium-Gusslegierung kann 7 Gew.-% Silizium und 2 Gew.-% Nickel enthalten. Die Bezeichnung einer solchen Legierung wäre AISi7Ni2. Der nachfolgend erläuterte, zur Auswahl der Legierung von den Erfindern erstellte Performance-Index dieser Legierung liegt deutlich über demjenigen der nachfolgend genannten Legierungen: AISi10 (A360) T6, AISi7 (A356) T6 oder AINi5.
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Wenn der genannten Legierung AISi7Ni2 zusätzlich 1,5 Gew.-% Zink zugegeben wird, handelt es sich um eine Legierung mit der Bezeichnung AlSi7Ni2Zn1,5. Der Performance-Index dieser Legierung ist nochmals höher als derjenige der Legierung AISi7Ni2.
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Der Performance-Index wurde wie folgt festgelegt: Fließfähigkeit und Leitfähigkeit werden entsprechend der Priorisierung in der Herstellung dünnwandiger Gussteile gewichtet (Fließfähigkeit dreifach, Leitfähigkeit einfach). Der gemittelte Wert wird anschließend durch die Dichte der Legierung geteilt, welche aufgrund der stark unterschiedlich schweren Legierungselemente schwankt. Die Festigkeit aller betrachteten Legierungen ist ähnlich und wird daher nicht einbezogen.
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Der jeweilige Performance-Index für die angegebenen Legierungen ist in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:
| Legierung | Performance-Index |
| AlSi10 (A360) T6 | 15,12 |
| AISi7 (A356) T6 | 11,16 |
| AINi5 | 14,82 |
| AISi7Ni2 | 15,88 |
| AISi7Ni2Zn1,5 | 16,23 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1443122 B1 [0002]
- EP 1719820 A2 [0002]
- DE 102006039684 B4 [0002]
- DE 102010055011 A1 [0002]
- DE 102019205267 B3 [0002]
- DE 102005037738 A1 [0004]
- EP 1978120 A1 [0005]
- DE 10062547 A1 [0006]