DE102021131973A1

DE102021131973A1 - Aluminium-Druckgusslegierung

Info

Publication number: DE102021131973A1
Application number: DE102021131973.0A
Authority: DE
Inventors: Marc Hummel; Steffen Otterbach; Heinz Werner Höppel; Marius Kohlhepp
Original assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-12-03
Filing date: 2021-12-03
Publication date: 2023-06-07
Also published as: WO2023099080A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Druckgusslegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen:5 bis 9,5 Gew.-%, insbesondere 6 bis 8 Gew.-%, Silizium,0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,07 bis 0,2 Gew.-%, Chrom,0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% Mangan,0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,15 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,15 Gew.-%, Molybdän und/oder Wolfram,Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Druckgusslegierung, ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer derartigen Aluminium-Druckgusslegierung hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug sowie ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug.
Aus der EP 1 443 122 B1 ist eine Aluminiumlegierung zum Druckgießen von Bauteilen mit hoher Dehnung im Gusszustand bekannt. Weitere Zusammensetzungen für Aluminium-Druckgusslegierungen sind in der EP 1 719 820 A2 , der DE 10 2006 039 684 B4 , der DE 10 2010 055 011 A1 oder der DE 10 2019 205 267 B3 beschrieben.
Die DE 10 2005 037 738 A1 beschreibt eine Aluminium-Gusslegierung, die Silizium, Magnesium, Eisen, Kupfer, Zink, Mangan, Titan, Zirkonium, Nickel und Kobalt enthält.
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.
Eine aushärtbare Aluminium-Gusslegierung mit Silizium, Magnesium, Nickel und Kobalt ist in der DE 100 62 547 A1 beschrieben.
Die aus diesen Dokumenten bekannten Legierungszusammensetzungen werden für Motorkomponenten, wie Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe und gegebenenfalls Kolben eingesetzt.
Üblicherweise werden Druckgussbauteile, an deren mechanische Eigenschaften sehr hohe Anforderungen gestellt werden, unter Verwendung einer Aluminium-Silizium-Legierung und einer T6-Wärmebehandlung, meist bestehend aus Lösungsglühen, Abschrecken und Auslagern, hergestellt. Da die Duktilität der Bauteile aufgrund des spröden Silizium-Eutektikums und der AI(Fe,Mn)Si-Phasen im Material mit steigender Festigkeit sinkt, können besonders hochfeste Legierungen für Strukturgussteile nicht universell eingesetzt werden, da sie das Mindestmaß an Duktilität, das sich meist durch Crash-Anforderungen oder Fügeoperationen ergibt, nicht mehr gewährleisten. Dies führt zu einer eingeschränkten Fügbarkeit und Problemen bei der Bauteilauslegung, insbesondere hinsichtlich Crash-Anforderungen, weshalb diese Legierungen nicht universell in Fahrzeugen einsetzbar sind. Da Eisen und Mangan für die Gießbarkeit der Legierung und die Entformbarkeit des Bauteils benötigt werden, wird aufgrund der mangelhaften Duktilität in solchen Fällen meist auf Legierungen mit niedrigerer Festigkeit zurückgegriffen, was aufgrund der Erhöhung der Bauteilgröße häufig zu einer Zunahme des Fahrzeuggewichts, des Kraftstoffverbrauch und des CO₂-Ausstosses führt.
Ein hohes Potenzial zur Kostenersparnis besitzt zudem die Aushärtung über den Lackierprozess mit einer T5-Wärmebehandlung, da hierdurch eine separate nachgelagerte Wärmebehandlung vollständig eingespart werden kann. Da diese Variante jedoch keine Einformung des Siliziums ermöglicht, ist die Duktilität nochmals niedriger als bei T6-Legierungen mit gleicher Festigkeit. Zudem werden in solchen Fällen neben Magnesium häufig hohe Mengen an Kupfer eingesetzt, um höhere Festigkeiten über die vergleichsweisen niedrigen Temperaturen beim Lackierprozess zu erreichen. Dadurch sinken der Korrosionswiderstand und die Duktilität erheblich. Dadurch, dass bei der T5-Wärmebehandlung kein Lösungsglühen vorgenommen wird, liegt das Silizium-Eutektikum im Gegensatz zu T6-wärmebehandelten Legierungen vernetzt vor, wodurch bei gleichem Werkstoff sowohl die Duktilität als auch die maximale Endfestigkeit nochmals geringer sind. Daher bleibt, wenn höchste Anforderungen an mechanische Eigenschaften und Korrosion gestellt werden, meist nur der Einsatz einer energie- und kostenaufwändigeren T6-Wärmebehandlung.
In der EP 2 471 966 A1 ist eine Aluminium-Silizium-Legierung, bestehend aus 6 - 11,8 % Silizium, 0,02 - 0,5 % Magnesium, 0,005 - 0,7 % Mangan, 0,0005 - 0,6 % Kupfer, 0,001 - 0,06 % Titan, 0,03 - 0,3 % Eisen, sowie max. 0,2 % Molybdän und max. 0,2 % Zirkon und gegebenenfalls 70 - 400 ppm Strontium beschrieben.
Eine Aluminium-Legierung für Bauteile mit erhöhter Festigkeit, insbesondere für Struktur- und Fahrwerksteile eines Kraftwagens, enthaltend 9 bis 11,5 Gew.% Silizium, 0,5 bis 0,8 Gew.% Mangan, 0,2 bis 1,0 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 1,0 Gew.% Kupfer, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Zink, 0,05 bis 0,4 Gew.% Zirkon, 0,01 bis 0,4 Gew.% Cr, max. 0,2 Gew.-% Eisen, max. 0,15 Gew.% Titan, 0,01 bis 0,02 Gew.% Strontium und als Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen von insgesamt max. 0,5 Gew ist in der EP 2 653 579 B1 beschrieben.
Die EP 2 735 621 B1 betrifft eine ähnliche Aluminium-Legierung für Bauteile mit erhöhter Festigkeit, insbesondere für Struktur- und Fahrwerksteile eines Kraftwagens, enthaltend 9 bis 11,5 Gew.-% Silizium, 0,45 bis 0,8 Gew.-% Mangan, 0,2 bis 1,0 Gew.-% Magnesium, 0,1 bis 1,0 Gew.% Kupfer, max. 0,2 Gew.-% Zink, max. 0,4 Gew.-% Zirkon, max. 0,4 Gew.-% Chrom, max. 0,3 Gew.-% Molybdän, max. 0,2 Gew.-% Eisen, max. 0,15 Gew.-% Titan, 0,01 bis 0,02 Gew.-% Strontium und als Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen von insgesamt max. 0,5 Gew.-%.
Sämtliche der genannten Legierungen sind jedoch nicht in der Lage, die oben erläuterte Problematik hinsichtlich des Zielkonflikts zwischen einer hohen Duktilität und einer ausreichenden Festigkeit der aus den genannten Legierungen hergestellten Bauteile zu lösen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminium-Druckgusslegierung zu schaffen, die sowohl eine hohe Festigkeit, insbesondere eine hohe 0,2%-Dehngrenze, als auch eine hohe Duktilität aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung, die als Legierungsbestandteile 5 bis 9,5 Gew.-%, insbesondere 6 bis 8 Gew.-%, Silizium; 0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,07 bis 0,2 Gew.-%, Chrom; 0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% Mangan; 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,15 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,15 Gew.-%, Molybdän und/oder Wolfram; Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, weist im Vergleich zu bekannten Lösungen bei gleichbleibend hoher Festigkeit eine deutliche Steigerung der Duktilität auf, sodass diese im Falle einer T6- bzw. T7-Wärmebehandlung universell in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen kann, um eine maximale Einsparung an Gewicht, Materialeinzelkosten und CO₂ zu erreichen. Des Weiteren sind optional die T5-Aushärtung über den Lackierprozess sowie der Einsatz der Legierung in ihrer naturharten Variante möglich. Bei beiden Arten der Wärmebehandlung ergibt sich durch die Zusammensetzung der Legierung ein geringer Verzug, wodurch die Kosten für Richtprozesse niedrig gehalten werden können.
Durch die erhöhte Duktilität können aus der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung hergestellte Bauteile, die in allen Bereichen der automobilen Strukturgussteile und insbesondere in crashrelevanten Bereichen eingesetzt werden können, weiterhin mit Standardverfahren, wie zum Beispiel dem Halbhohlstanznieten, gefügt werden. Es ist daher nicht erforderlich, auf niederfestere Legierungen und die damit verbundenen größeren Bauteilquerschnitte bzw. Wandstärken zurückzugreifen, wodurch das Fahrzeuggewicht, der Verbrauch und der CO₂-Ausstoß verringert werden können. Zusätzlich zu der verbesserten Duktilität weist die erfindungsgemäße Legierung eine erhöhte thermische und elektrische Leitfähigkeit auf, was beispielsweise für Anwendungen in der E-Mobilität relevant ist.
Diese Vorteile ergeben sich unter anderen durch die Reduktion des Siliziumgehalts von üblichen 8 bis 12 Gew.-% auf 5 bis 9,5 Gew.-%, insbesondere auf 6 bis 8 Gew.-%, da sich auf diese Weise der Anteil spröder Phasen im Material verringert und die Duktilität deutlich ansteigt. Die durch den geringeren Siliziumgehalt sinkende Gießbarkeit kann gegebenenfalls durch Zusätze von Zink, Strontium, Nickel und/oder Zirkonium kompensiert werden.
Des Weiteren wurde bei der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung der Mangananteil von bei Druckgusslegierungen üblichen 0,5 bis 0,8 Gew.-% auf 0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% reduziert. Hierdurch sinkt der Anteil an spröden AI(Fe,Mn)Si-Phasen im Material, welche bei bekannten Legierungen häufig bei Verformungen Risse auslösen und die Duktilität herabsenken. Dadurch lässt sich die Duktilität erheblich steigern.
Um trotz der beschriebenen Reduzierung des Gehalts an Silizium und Mangan auch weiterhin ein Formkleben zu verhindern und die Entformbarkeit zu gewährleisten, weist die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung zusätzlich 0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,07 bis 0,2 Gew.-%, Chrom sowie 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,15 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,15 Gew.-%, Molybdän und/oder Wolfram auf. Diese Kombination der genannten Elemente ist, insbesondere in den angegebenen Gehalten, bezüglich des Verhinderns des Formklebens besonders effektiv, weshalb deutlich geringere Zusätze der jeweiligen Elemente ausreichen als bei der alleinigen Zugabe von Mangan.
Dabei verringert Chrom vorteilhafterweise die Diffusion aus dem Formstahl und dadurch den Formabtrag sowie die Entwicklung einer ungewollten Verbindung zwischen der Form und dem Bauteil besonders effektiv. Die Erfinder haben festgestellt, dass unter einem Gehalt von 0,0001 Gew.-%, insbesondere 0,001 Gew.-%, insbesondere 0,05 Gew.-%, insbesondere 0,07 Gew.-%, die beschriebene Wirkung zu schwach ist und es weiterhin zu einem Formabtrag und zu Formkleben kommen kann. Über einem Chromgehalt von 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,2 Gew.-%, kann jedoch die Festigkeit stark sinken, da Chrom die Abschreckempfindlichkeit der Legierung erhöht. Zudem kann es aufgrund einer Bildung von groben Phasen zu einer Verringerung der Duktilität kommen.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung besteht darin, dass Chrom, Mangan, Molybdän und Wolfram die Ausbildung der nadelförmigen β-AIFeSi-Phase und dadurch ebenfalls die Verbindung zwischen Form und Bauteil unterbinden. Außerdem kann auf diese Weise einer Verringerung der Duktilität des Materials entgegengewirkt werden, da die β-AlFeSi-Phase sehr negative Auswirkungen auf die Duktilität hat. Dabei wurde festgestellt, dass gerade die oben genannten Grenzen für die Anteile der jeweiligen Elemente besonders effektiv sind, da bei höheren Anteilen die Duktilität durch die Bildung großer, grober Phasen wieder absinkt und bei geringeren Anteilen die Wirkung zu schwach ist, sodass die β-AlFeSi-Phase weiter auftritt und die Duktilität ebenfalls absinkt. Das Maximum der Duktilität liegt daher überraschenderweise in dem genannten Bereich der Anteile der einzelnen Elemente.
Der Einsatz von Molybdän und/oder Wolfram sorgt darüber hinaus für die frühe Abbindung der überschüssigen Anteile von Chrom und Mangan in einer vergleichsweise kleinen, rundlichen Phase. Hierdurch wird die primäre, grobe Bildung eisenreicher Phasen verhindert, was zu einem weiteren Anstieg der Duktilität beiträgt. Auch bezüglich der genannten Anteile von Molybdän und/oder Wolfram liegt in diesem Bereich das Optimum der Duktilität. Wird zu wenig Molybdän und/oder Wolfram zugegeben, existieren weiterhin groben eisenreichen Phasen, welche die Duktilität mindern.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis der Summe der Anteile von Molybdän und Wolfram zu der Summe der Anteile von Mangan, Eisen und Chrom 0,1 bis 0,5 beträgt. Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass bei dem genannten Mo+W/Mn+Fe+Cr-Verhältnis, schlagartig rundliche AI(Mo,W)Si-Phasen ohne Eisenanteil gebildet werden, welche die Duktilität deutlich verbessern. Ist die Summe der Anteile von Molybdän und Wolfram jedoch zu hoch, wird der Anteil dieser rundlichen Phasen im Material zu hoch, sodass die Duktilität wieder sinkt. Das Verhältnis ist dabei abhängig von der Erstarrungsgeschwindigkeit der Legierung und damit dem jeweiligen Bauteil. Dieser Effekt ist zudem für den Einsatz recycelter Sekundärlegierungen zur Verbesserung der Nachhaltigkeit relevant, da hier höhere Eisengehalte als Verunreinigungen vorliegen. Diese schränken die Duktilität von Sekundärlegierungen für gewöhnlich stark ein. Durch die Wahl eines geeigneten Verhältnisses der Summe der Anteile von Molybdän und Wolfram zu der Summe der Anteile von Mangan, Eisen und Chrom kann die Ausbildung primärer AlFeSi-Phasen verhindert und die Duktilität erheblich gesteigert werden.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Druckgusslegierung kann diese 0,25 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 0,45 Gew.-%, Magnesium aufweisen. Die Zugabe dieses Anteils an Magnesium führt zur Bildung der aushärtenden Mg2Si-Phase und sorgt zudem für eine starke Mischkristallhärtung. Die angegebene Obergrenze von 0,6 Gew.-% verhindert vorteilhafterweise eine Versprödung der Legierung.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Druckgusslegierung kann diese 0,08 bis 0,35 Gew.-% Zink aufweisen. Der genannte Anteil an Zink verbessert die Gießbarkeit und die Oberflächenqualität der Legierung und erhöht deren Festigkeit durch die Anregung der Mg2Si-Keimbildung. Dadurch, dass der Anteil von 0,35 Gew.-% nicht überschritten wird, kann einer Reduktion der Klebstoffhaftung und einer Erhöhung der Korrosionsneigung entgegengewirkt werden.
Des Weiteren kann die Aluminium-Druckgusslegierung 0,05 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium enthalten.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Aluminium-Druckgusslegierung 0,05 bis 0,2 Gew.-% Titan aufweist.
Sowohl Zirkonium als auch Titan dienen zur Kornfeinung und verbessern dadurch die Duktilität und die Festigkeit der Legierung. Durch die entstehenden Ti- und Zr-Phasen ergibt sich ein weiterer Anstieg der Festigkeit. Der angegebene Bereich stellt das Optimum für diese Zwecke dar.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis des Anteils von Titan zu dem Anteil von Zirkonium 0,8 bis 4,0 beträgt. Überraschenderweise hat es sich insbesondere als vorteilhaft herausgestellt, wenn der Anteil von Titan größer ist als der Anteil von Zirkonium.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Druckgusslegierung kann diese 0,006 bis 0,025 Gew.-% Strontium aufweisen. Dieser Anteil an Strontium veredelt bzw. verfeinert das Silizium-Eutektikum und steigert dadurch sowohl die Gießbarkeit als auch die Duktilität der Legierung.
Des Weiteren kann die Aluminium-Druckgusslegierung 0,0001 bis 0,2 Gew.-% Vanadium enthalten.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Aluminium-Druckgusslegierung 0,0001 bis 0,2 Gew.-% Kobalt aufweist.
Sowohl mit Vanadium als auch mit Kobalt kann die Entformbarkeit des aus der Legierung hergestellten Bauteils nach dem Gießvorgang verbessert werden.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Druckgusslegierung kann diese 0,05 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%, Kupfer aufweisen. Durch den Einsatz von Kupfer kann die Bildung einer Q-Phase (Al₄Mg₈Si₇Cu₂) erreicht und, ähnlich wie durch den Einsatz von Magnesium, die Festigkeit während einer nachfolgenden Wärmebehandlung, insbesondere einer T6/T7-Wärmebehandlung, erhöht werden. Des Weiteren verbessert der genannte Kupferanteil die Keimbildung und die Ausscheidungskinetik von Mg2Si und ist daher insbesondere in Kombination mit Magnesium besonders effektiv. Die Obergrenze von 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,3 Gew.-%, verhindert den negativen Einfluss von Kupfer auf die Korrosionseigenschaften der Legierung.
Alternativ dazu kann die Aluminium-Druckgusslegierung 0,05 bis 0,7 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,35 Gew.-% Kupfer, aufweisen. Auch durch den genannten Anteil an Kupfer kann die Bildung einer Q-Phase (Al₄Mg₈Si₇Cu₂) erreicht und, ähnlich wie durch den Einsatz von Magnesium, die Festigkeit während einer nachfolgenden Wärmebehandlung, beispielsweise einer T5- oder einer T6/T7-Wärmebehandlung, erhöht werden. Des Weiteren verbessert auch dieser Kupferanteil die Keimbildung und die Ausscheidungskinetik von Mg2Si und ist daher insbesondere in Kombination mit Magnesium besonders effektiv. Die Obergrenze von in diesem Fall 0,7 Gew.-%, insbesondere 0,35 Gew.-%, verhindert den negativen Einfluss von Kupfer auf die Korrosionseigenschaften der Legierung.
Des Weiteren kann die Aluminium-Druckgusslegierung 0,05 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-%, Nickel enthalten. Der Einsatz von Nickel ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn ein aus einer erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung hergestelltes Bauteil einer T5-Wärmebehandlung unterzogen werden soll.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Aluminium-Druckgusslegierung 0,0001 bis 0,1 Gew.-% Zinn und/oder Tantal aufweisen. Diese beiden Elemente sind in der Lage, alleine oder in Kombination miteinander, Leerstellen beim Abguss zu binden. Dadurch verhindern sie die Kaltauslagerung in der Zeit vom Abguss bis zur Aushärtung bei einer T5-Wärmebehandlung, also einer Wärmebehandlung in Verbindung mit bzw. während einer Fahrzeuglackierung, insbesondere der Kathodentauchlackierung. Hierdurch wird die anschließende Warmauslagerung im Lackierprozess verbessert, indem die Festigkeit deutlich schneller ansteigt als ohne den Zusatz von Zinn und/oder Tantal.
Ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug ist in Anspruch 15 angegeben. Dabei wird das Bauteil für eine Dauer von 20 bis 75 min, insbesondere 20 bis 45 min, bei einer Temperatur von 320 bis 470 °C, insbesondere 380 bis 450 °C, einem ersten Glühen unterzogen, anschließend für eine Dauer von 5 bis 35 min, insbesondere 5 bis 20 min, bei einer Temperatur von 460 bis 535 °C, insbesondere 490 bis 520 °C, einem zweiten Glühen unterzogen, anschließend mit 3 bis 200 K/s, bei Luft insbesondere mit 3 bis 12 K/s und bei Wasser insbesondere mit 80 bis 200 K/s, abgeschreckt, anschließend für eine Dauer von 40 bis 150 min, insbesondere 40 bis 90 min, bei einer Temperatur von 100 bis 180 °C, insbesondere 120 bis 170 °C, einer ersten Auslagerung unterzogen und anschließend für eine Dauer von 30 bis 120 min, insbesondere 40 bis 80 min, bei einer Temperatur von 180 bis 300 °C, insbesondere 200 bis 240 °C, einer zweiten Auslagerung unterzogen. Im Falle einer derartigen Wärmebehandlung kann auf den Zusatz von Nickel sowie Zinn und/oder Tantal verzichtet werden. Auch der Kupferanteil kann, falls Kupfer der Legierung zugemischt wird, geringfügig reduziert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens kann vorgesehen sein, dass das Bauteil für eine Dauer von 5 bis 60 min, insbesondere 5 bis 30 min, bei einer Temperatur von 210 bis 300 °C, insbesondere 230 bis 260 °C, einer dritten Auslagerung unterzogen wird. Dies stellt eine weitere Möglichkeit zur Verbesserung der Duktilität dar, da hierbei eine höhere und gleichmäßigere Verformung im mehrachsigen Spannungszustand möglich ist. Diese Art der Wärmebehandlung führt vorteilhafterweise zu einer erhöhten elektrischen und thermischen Leitfähigkeit. Teilweise kann dies jedoch auch bei den anderen hierin genannten Verfahren zur Wärmebehandlung beobachtet werden.
Ein weiteres Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug ist in Anspruch 17 angegeben. Dabei wird das Bauteil für eine Dauer von 15 bis 30 min bei einer Temperatur von mindestens 160 °C, insbesondere 160 bis 200 °C, insbesondere 160 bis 180 °C, einem Lackierprozess, insbesondere einer Kathodentauchlackierung, unterzogen. Bei diesem Verfahren kann insbesondere die Verwendung der oben genannten Anteile an Kupfer, Nickel, Zinn und/oder Tantal für eine schnellere und bessere Aushärtung beim Lackierprozess, bei gleichzeitig geringer Auswirkung auf die Korrosion sorgen. Dadurch ist die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung gegenüber bekannten Legierungen in erweiterten Bereichen einsetzbar, in denen aufgrund hoher Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften des Bauteils zuvor eine T6/T7-Wärmebehandlung erforderlich war. Damit ist also trotz der relativ einfachen Wärmebehandlung, bei der das Bauteil „nur“ einem Lackierprozess, insbesondere einer Kathodentauchlackierung, unterzogen wird, das Erreichen hoher Festigkeiten möglich, und zwar ohne eine Verringerung des Korrosionswiderstandes. Dadurch können neben der Verringerung des Fahrzeuggewichts durch den Wegfall der ansonsten erforderlichen Wärmebehandlungsanlagen hohe Kostenersparnisse sowie die Reduktion von Energiekosten und des CO₂-Abdrucks erreicht werden. Dennoch ist auch bei diesem Wärmebehandlungsverfahren die Stanznietbarkeit des Bauteils gewährleistet.
Ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, ist in Anspruch 18 angegeben.
Nachfolgend werden verschiedene Legierungen bezüglich ihrer Festigkeit, Duktilität, Gießbarkeit und Korrosionseigenschaften miteinander verglichen. Die Ergebnisse sind in einer Tabelle dargestellt:

Vergleichslegierungen und eingesetzte Zustände:
- Legierung 1: AlSi10,5Mn0,60Mg0,30Sr0,012Ti0,06 (genormte Referenzlegierung) / T6-Zustand
- Legierung 2: AISi9Mn0,60Sr0,012Ti0,06 / F-Zustand
- Legierung 3: AlSi7,5Mn0,50Mg0,30Sr0,012Ti0,06 / T5-Zustand
- Legierung 4: AlSi8,5Cu0,8Mn0,5Fe0,3 / T5-Zustand

Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung und eingesetzte Zustände:

Legierung 5: AISi7Zn0,2Cr0,15Mo0,075Mn0,05Ti0,12Zr0,06Sr0,012W0,01 / F-Zustand
Legierung 6: AlSi7Mg0,4Zn0,2Cr0,15Mo0,075Mn0,05Ti0,12Zr0,06Sr0,012W0,01 / T7-Zustand
Legierung 7: AlSi7Mg0,4Cr0,15Cu0,1Mo0,075Mn0,05Sn0,05Ti0,12Zr0,06Sr0,012W0,01 / T5-Zustand

Legierung	Rm (MPa)	Rp0.2 (MPa)	A5 (%)	FDI	Korrosionsbeständigkeit	Fließfähigkeit	Verzug
1	230	158	13,5	24	++	0	-
2	272	131	10,6	18	++	0	-*
3	262	155	7,3	13	++	-	0*
4	268	166	5,4	10	-	-	*
5	270	129	13,3	22	++	+	++*
6	264	201	15,4	33	++	+	++
7	260	162	9,2	17	+	+	++*

In der Tabelle bedeuten:

Rm: Zugfestigkeit
Rp0,2: 0,2%-Dehngrenze
A5: Bruchdehnung
FDI: Festigkeits-Duktilitäts-Index, berechnet aus den für Fahrzeugkarosserie-Bauteile auslegungsrelevanten Materialkennwerten Rm, Rp0,2 und A5; FDI = (Rm+3*Rp0,2)/4*A5/1 00

Für den FDI wurden die Festigkeitswerte nach Priorisierung im Karosseriebau gewichtet (Rm: einfach; Rp0,2:dreifach). Der gemittelte Festigkeitswert wurde mit entsprechender Gewichtung (Rm: einfach, Rp0,2: dreifach) mit der Bruchdehnung A5 multipliziert und aus Gründen der Übersichtlichkeit durch den Divisor 100 dividiert.
Aus den in der Tabelle dargestellten Versuchsergebnissen lassen sich die folgenden Schlussfolgerungen ziehen:

Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Legierung 5 besitzt eine deutlich höhere Bruchdehnung bei gleicher 0,2%-Dehngrenze im Vergleich zu der naturharten Vergleichslegierung 2, was auf die vorteilhafte Kombination von Chrom, Molybdän, Mangan und Wolfram zurückzuführen ist. Zudem ist die Fließfähigkeit durch den Einsatz von Zink gesteigert.
Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Legierung 6 besitzt im T7-Zustand eine deutlich höhere 0,2%-Dehngrenze als die Vergleichslegierung 1 im T6-Zustand und besitzt dennoch eine höhere Bruchdehnung. Dadurch kann sie trotz hoher Festigkeit universell in der Karosserie eingesetzt und auch problemlos gefügt werden. Zudem ist aufgrund des Einsatzes von Zink die Fließfähigkeit verbessert.
Die der vorliegenden Erfindung entsprechende Legierung 7 wurde über den Kathodentauchlackierprozess ausgehärtet und ist den ebenfalls im Lackprozess ausgehärteten Vergleichslegierungen 3 und 4 überlegen. Die 0,2%-Dehngrenze und Bruchdehnung ist durch die Zugabe von Kupfer, sowie der Kombination aus Chrom, Molybdän, Mangan und Wolfram höher als bei Vergleichslegierung 3. Durch den begrenzten Gehalt an Kupfer ergibt sich eine hohe Korrosionsbeständigkeit. Die Vergleichslegierung 4 besitzt zwar eine leicht höhere 0,2%-Dehngrenze, jedoch ist die Bruchdehnung durch hohe Mengen an Eisen und Mangan sehr niedrig. Auch die Korrosionsbeständigkeit ist aufgrund des hohen Kupferanteils mangelhaft.

Zusätzlich besitzen die Legierungen 5, 6 und 7 eine höhere thermische und elektrische Leitfähigkeit alle vier Vergleichslegierungen sowie eine erhöhte Resistenz gegen Verzug bei Durchführung einer T6/T7-Wärmebehandlung.
Die Beispiele zeigen, dass die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung den Vergleichslegierungen in allen Zuständen (F, T6 bzw. T7, T5) überlegen sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1443122 B1 [0002]
EP 1719820 A2 [0002]
DE 102006039684 B4 [0002]
DE 102010055011 A1 [0002]
DE 102019205267 B3 [0002]
DE 102005037738 A1 [0003]
EP 1978120 A1 [0004]
DE 10062547 A1 [0005]
EP 2471966 A1 [0009]
EP 2653579 B1 [0010]
EP 2735621 B1 [0011]

Claims

Aluminium-Druckgusslegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen: 5 bis 9,5 Gew.-%, insbesondere 6 bis 8 Gew.-%, Silizium, 0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,07 bis 0,2 Gew.-%, Chrom, 0,0001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,25 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,2 Gew.-% Mangan, 0,0001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,15 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,15 Gew.-%, Molybdän und/oder Wolfram, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Summe der Anteile von Molybdän und Wolfram zu der Summe der Anteile von Mangan, Eisen und Chrom 0,1 bis 0,5 beträgt.
Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch 0,25 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,3 bis 0,45 Gew.-%, Magnesium.
Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch 0,08 bis 0,35 Gew.-% Zink.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,2 Gew.-% Titan.
Aluminium-Druckgusslegierung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis des Anteils von Titan zu dem Anteil von Zirkonium 0,8 bis 4,0 beträgt.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch 0,006 bis 0,025 Gew.-% Strontium.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch 0,0001 bis 0,2 Gew.-% Vanadium.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch 0,0001 bis 0,2 Gew.-% Kobalt.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,3 Gew.-%, Kupfer.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,7 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,35 Gew.-% Kupfer.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-%, Nickel.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch 0,0001 bis 0,1 Gew.-% Zinn und/oder Tantal.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bauteil für eine Dauer von 20 bis 75 min, insbesondere 20 bis 45 min, bei einer Temperatur von 320 bis 470 °C, insbesondere 380 bis 450 °C, einem ersten Glühen unterzogen wird, anschließend für eine Dauer von 5 bis 35 min, insbesondere 5 bis 20 min, bei einer Temperatur von 460 bis 535 °C, insbesondere 490 bis 520 °C, einem zweiten Glühen unterzogen wird, anschließend mit 3 bis 200 K/s, bei Luft insbesondere mit 3 bis 12 K/s und bei Wasser insbesondere mit 80 bis 200 K/s, abgeschreckt wird, anschließend für eine Dauer von 40 bis 150 min, insbesondere 40 bis 90 min, bei einer Temperatur von 100 bis 180 °C, insbesondere 120 bis 170 °C, einer ersten Auslagerung unterzogen wird und anschließend für eine Dauer von 30 bis 120 min, insbesondere 40 bis 80 min, bei einer Temperatur von 180 bis 300 °C, insbesondere 200 bis 240 °C, einer zweiten Auslagerung unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil für eine Dauer von 5 bis 60 min, insbesondere 5 bis 30 min, bei einer Temperatur von 210 bis 300 °C, insbesondere 230 bis 260 °C, einer dritten Auslagerung unterzogen wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bauteil für eine Dauer von 15 bis 30 min bei einer Temperatur von mindestens 160 °C, insbesondere 160 bis 200 °C, insbesondere 160 bis 180 °C, einem Lackierprozess, insbesondere einer Kathodentauchlackierung, unterzogen wird.
Bauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 oder hergestellt gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17.