DE10230276B4 - AS-Druckgusslegierung und Verfahren zum Herstellen eines Aggregatteils aus einer derartigen AS-Druckgusslegierung - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer kriechbeständigen AS-Druckgusslegierung aus einer Magnesium/Aluminium-Legierung mit einem Al-Gehalt zwischen 2,8 Gew.-% und 3 Gew.-% und den weiteren Legierungsbestandteilen,
Si zwischen 0,7 und 1,5 Gew.-%.
Mn größer als 0,20 Gew.-%,
Zn unterhalb von 0,20 Gew.-%;
Cu unterhalb 100 ppm
Ni unterhalb 20 ppm,
und Fe unterhalb 50 ppm,
durch gekennzeichnet,
dass nach dem Abguss der Legierung oder dem unmittelbar darauf folgenden Öffnen der Druckgussform innerhalb eines Zeitraums von 60 s ein Abschrecken des Druckgussteils in Wasser erfolgt.

Description

• Die Erfindung betrifft eine AS-Druckgusslegierung, insbesondere für thermisch belastete Aggregatteile im Kraftfahrzeug-Bereich.
• Werden für thermisch hochbelastete Aggregatteile Magnesium-Legierungen verwendet, so müssen diese einen niedrigen Aluminium-Gehalt besitzen, um kriechbeständig zu sein, so dass im heißen Aggregatbetrieb kein Lösen der Verbindungsschrauben erfolgt. Als kriechbeständige Legierungen sind MgAl2Si1-Druckgusslegierungen, die auch als AS21-Legierung bezeichnet werden, und MgAl4Si1-Legierungen, die auch als AS41-Legierung bezeichnet werden, bekannt. Mit fallendem Aluminium-Gehalt in der Magnesium-Legierung bilden sich bei thermischer Belastung oberhalb von 120°C weniger kriechanfällige Mg₁₇Al₁₂-Korngrenzenausscheidungen aus, so dass AS21-Legierungen kriechbeständiger sind als AS41-Legierungen. Wegen des geringeren Aluminium-Gehalts ist eine AS21-Legierung jedoch weniger fest, korrosionsanfälliger und vor Allem schlecht gießbar. Gießfehler, wie Kleben an der Gussform und Heißrisse ermöglichen keine sichere Serienproduktion von großen Aggregatteilen.
• Diese Nachteile weist eine AS41-Legierung jedoch nicht auf. Sie ist aber wegen des höheren Gehalts an Mg₁₇Al₁₂-Korngrenzenausscheidungen kriechanfälliger und weniger duktil ist. Eine geringere Zähigkeit verschlechtert die dynamische Festigkeit der Legierung im Fall von Kerbwirkung, die z.B. durch Steinschlag, Korrosion usw. hervorgerufen wird. Bei thermischer Belastung fällt die Duktilität in Folge des Ausscheidens zusätzlicher, spröder Mg₁₇Al₁₂-Phasen an den Korngrenzen weiter ab. Somit verringert sich die dynamische Belastbarkeit von Bauteilen aus AS41-Legierungen im Fahrbetrieb. Aus der WO-A-01 02 614 sind z.B. derartige Legierungen bekannt.
• Aus der OS 1608136 ist eine Druckgusslegierung auf Magnesiumbasis bekannt, die 3 bis 5,5 Gew.% Aluminium, 0,2 bis 1,5 Gew.% Silicium, bis zu 1 Gew.% Mangan und bis zu 0,2 Gew.% Zink, sowie Rest Magnesium und Verunreinigungen aufweist.
• Aus der US 2264308 sind Mangan-haltige Magnesium/Aluminium-Legierungen unter anderem der folgenden Zusammensetzung bekannt: Al 3%, Mn 0,005 bis 1%, Si 0,009 bis 1%, sowie ferner Ni, Cu, Fe, und gegebenenfalls Pb
  und der Zusammensetzung Al 3,5 bis 3,7%, Mn 0,18 oder 0,09% und Si 0,09 bis 1%.
• DE 2526024 B1 beschreibt die Verwendung von Mg/Al-Druckgusslegierungen mit bis zu 10% Al, bis zu 4% Zn, bis jeweils 0,5% der Elemente Mn, Cu, Si, 0,005% bis 0,4% Ca und/oder Na, sowie Rest Magnesium zur Herstellung von Druckgussteilen. Die Legierungen weisen eine verringerte Warmrissfähigkeit auf.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine AS-Legierung bereitzustellen, die thermisch stabil bezüglich Kriechen und Duktilität und gleichzeitig befriedigend gießbar ist.
• Diese Aufgabe wird mit einer AS-Druckgusslegierung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
• Legierungstechnisch wurde erfindungsgemäß ein Kompromiss bezüglich Gießbarkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit einerseits, was durch einen höheren Aluminium-Gehalt erzielt wird, und Kriechbeständigkeit und Duktilität andererseits, was durch einen niedrigeren Aluminium-Gehalt erzielt wird, eingegangen. In der erfindungsgemäßen AS-Druckgusslegierung liegt der Aluminium-Gehalt zwischen den genormten Legierungen AS21 und AS41.
• Gießversuche an Getriebegehäuse zeigten, dass AS-Legierungen ab einem Aluminium-Gehalt von 2,5 Gew.-% sich gut vergießen lassen. Es wurde kein Verkleben der Gussteile in der Druckgussform festgestellt. Außerdem zeigten die Gussteile keine Heißrisse. Ferner führt der im Vergleich zu einer AS21-Legierung höhere Aluminium-Gehalt zu der gewünschten Festigkeitssteigerung. Da der Aluminium-Gehalt der erfindungsgemäßen AS-Druckgusslegierung nicht den Wert erreicht, den eine AS41-Legierung besitzt, besteht keine Gefahr, dass das Druckgussteil versprödet.
• Erfindungsgemäß liegt der Aluminium-Gehalt zwischen 2,5 Gew.-% und 4 Gew.-%, insbesondere zwischen 2,8 Gew.-% und 3,5 Gew.-%, bevorzugt bei 3 Gew.-%. Durch die Wahl des Aluminium-Gehalts können die Gießbarkeit, Festigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Kriechbeständigkeit und Duktilität in gewissen Grenzen eingestellt werden.
• Gemäß der Erfindung ist die AS-Druckgusslegierung eine MgAl3Si1-Legierung (AS31). Diese Legierung weist einen Aluminium-Gehalt und insbesondere weitere Legierungsbestandteile auf, die zwischen den Werten von AS21- und AS41-Legierungen liegen.
• Insbesondere besitzt die erfindungsgemäße AS-Druckgusslegierung einen Mn-Gehalt, der größer als 0,20 Gew.-% ist. Der Cu-Gehalt ist < 100 ppm. Der Ni-Gehalt liegt unter 20 ppm. Der Fe-Gehalt liegt ebenfalls < 50 ppm. Der Si-Gehalt liegt zwischen 0,7 und 1,5 Gew.-%. Außerdem ist der Zn-Gehalt unterhalb von 0,20 Gew.-%.
• Schließlich ist in der Mg-Matrix relativ viel Al gelöst. Hieraus ergibt sich eine hohe Duktilität, was weiter unten noch näher beschrieben wird. Dies wird insbesondere dadurch erreicht, dass die erfindungsgemäße AS-Druckgusslegierung wasserabgeschreckt ist.
• Die oben genannte Aufgabe wird außerdem mit einem Verfahren zur Herstellung eines thermisch belastbaren Aggregatteil aus der eingangs genannten AS-Druckgusslegierung dadurch gelöst, dass es nach dem Abguss oder nach dem Öffnen der Druckgussform in Wasser abgeschreckt wird.
• Wie bereits erwähnt, wird hierdurch eine hohe Duktilität erzielt. Im Vergleich zur langsamen Abkühlung an Luft wird beim Wasserabschrecken mehr Aluminium in der Mg-Matrix gelöst, so dass sich erstens eine günstige Mischkristallhärtung ergibt, die das Gefüge im Gegensatz zur Mg₁₇Al₁₂-Ausscheidungshärtung kaum versprödet. Zweitens wird im Gegensatz zu einer Luftabkühlung gemäß dem Stand der Technik das nicht in der Mg-Matrix gelöste Aluminium in Form sehr feiner Mg₁₇Al₁₂-Phasen ausgeschieden.
• Drittens erfolgt die Ausscheidung beim Wasserabschrecken neben den Korngrenzen auch in der Mg-Matrix selbst. Hierdurch wird im Vergleich zur Luftabkühlung die Zugfestigkeit und die Dehngrenze der erfindungsgemäßen AS-Druckgusslegierung deutlich erhöht, ohne dass infolge des im Vergleich zu der bekannten AS21-Legierung angehobenen Aluminium-Gehalts sich die Zähigkeit verschlechtert, da nur wenig grobe Mg₁₇Al₁₂-Korngrenzenphasen entstehen.
• Schließlich wird die thermische Stabilität des Gefüges bei der Langzeitbelastung bei 150°C merklich verbessert. So fungieren im Fall einer Luftabkühlung gemäß dem Stand der Technik die grob ausgeschiedenen Mg₁₇Al₁₂-Korngrenzenausscheidungen als Keimbildner für weitere Mg₁₇Al₁₂-Phasen, so dass nach thermischer Alterung die Korngrenzen vollständig mit Mg₁₇Al₁₂-Phasen belegt bzw. verankert sind. Dies führt zu einer totalen Materialversprödung.
• Bei der erfindungsgemäßen Wasserabschreckung der neuen As-Druckgusslegierung liegen weniger und feinere Mg₁₇Al₁₂-Korngrenzenausscheidungen und somit weniger Keimbildner vor, so dass bei thermischer Alterung die Korngrenzen kaum verspröden.
• Der erfindungsgemäße wasserabgeschreckte AS31-Druckguss erfährt nach einer thermischen Alterung von 2000 Stunden bei 150°C nur einen geringfügigen Bruchdehnungsverlust, obwohl Zugfestigkeit und Dehngrenze durch das Ausscheiden weiterer feiner Mg₁₇Al₁₂-Phasen vorteilhafterweise ansteigen. Hierdurch resultiert insgesamt ein exzellentes dynamisches Festigkeitsverhalten auch im Fall thermischer Beanspruchung bei 150°C.
• Durch das Wasserabschrecken wird auch die Kriechbeständigkeit der erfindungsgemäßen Legierung verbessert. So ist, wie bereits erwähnt, von vornherein mehr Aluminium in der Mg-Matrix gelöst. Hierdurch wird die Kriechbeständigkeit so weit verbessert, dass das Lösungsverhalten von Aluminium-Schrauben trotz des höheren Al-Gehaltes der erfindungsgemäßen Legierung den der bekannten AS21-Legierung entspricht.
• Es hat sich gezeigt, dass bei einer wasserabgeschreckten AS41-Legierung das Relaxationsverhalten von Al-Schrauben bei 150°C schlechter ist, als bei der erfindungsgemäßen AS31-Legierung. Grund hierfür ist der höhere Aluminium-Gehalt in der AS41-Legierung bzw. der höhere Anteil nicht kriechbeständiger Mg₁₇Al₁₂-Korngrenzenphasen im Ausgangsgefüge.
• Die erfindungsgemäße AS31-Legierung, insbesondere ein hieraus hergestelltes Getriebegehäuse, besitzt eine Mindestzugfestigkeit von 180 MPa, eine Mindestdehngrenze von 110 MPa und die Mindestbruchdehnung im Bereich des Gussanschnittes liegt bei 6%.
• Bevorzugt wird das aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Aggregatteil innerhalb von 60 s, insbesondere innerhalb von 40 s., vorzugsweise innerhalb von 30 s, nach dem Abguss oder nach dem Öffnen der Druckgussform in Wasser abgeschreckt. Durch diese unmittelbar nach dem Abguss erfolgende Temperaturabsenkung wird, wie oben erwähnt, vermieden, dass sich grobe Mg₁₇Al₁₂-Korngrenzenphasen im Übermaß ausbilden.

Claims (2)

1. Verfahren zur Herstellung einer kriechbeständigen AS-Druckgusslegierung aus einer Magnesium/Aluminium-Legierung mit einem Al-Gehalt zwischen 2,8 Gew.-% und 3 Gew.-% und den weiteren Legierungsbestandteilen, Si zwischen 0,7 und 1,5 Gew.-%. Mn größer als 0,20 Gew.-%, Zn unterhalb von 0,20 Gew.-%; Cu unterhalb 100 ppm Ni unterhalb 20 ppm, und Fe unterhalb 50 ppm, durch gekennzeichnet, dass nach dem Abguss der Legierung oder dem unmittelbar darauf folgenden Öffnen der Druckgussform innerhalb eines Zeitraums von 60 s ein Abschrecken des Druckgussteils in Wasser erfolgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als AS-Druckgusslegierung eine eine MgAl 3 Si 1-Legierung verwendet wird.