DE10310453A1

DE10310453A1 - Druckgussbauteil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10310453A1
Application number: DE10310453A
Authority: DE
Inventors: Tanja Kinzler
Original assignee: DRM Druckguss GmbH
Current assignee: AE GROUP AG, 36214 NENTERSHAUSEN, DE
Priority date: 2003-03-07
Filing date: 2003-03-07
Publication date: 2004-09-23
Also published as: US20060278310A1; EP1601806A1; WO2004079029A1

Abstract

Die mechanischen Festigkeitseigenschaften eines Druckgussbauteils aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Anteilen in Gewichtsprozenten: DOLLAR A Magnesium 3,0-6,0 DOLLAR A Silizium 1,4-3,5 DOLLAR A Mangan 0,5-2,0 DOLLAR A Eisen max. 0,15 DOLLAR A Titan max. 0,2 DOLLAR A Rest Aluminium und sonstige Komponenten mit einem Gesamtanteil von max. 0,2 DOLLAR A lassen sich dadurch deutlich verbessern, dass das Druckgussbauteil nach dem Druckgießen einer Wärmebehandlung in Form einer Warmauslagerung bei einer Temperatur T mit 180 DEG C T 320 DEG C über eine Dauer von mindestens einer halben Stunde unterworfen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ferner ein mit einer derartigen Aluminiumlegierung hergestelltes Druckgussbauteil.
Es ist bekannt, dass die Qualität von Druckgussbauteilen einerseits von der Maschineneinstellung und den Verfahrensparametern des Druckgießvorganges abhängt, andererseits aber auch von der verwendeten Aluminiumlegierung, die an die mechanischen Anforderungen an die Druckgussbauteile angepasst sein muss.
Um Aluminium-Druckgussbauteile herstellen zu können, die schweißbar sind und eine hohe Duktilität aufweisen, ist es bekannt, die Druckgussbauteile einer Wärmebehandlung zu unterwerfen. Für die Kombination einer gewünschten Zähigkeit einerseits mit einer annehmbaren Zugfestigkeit und Dehngrenze andererseits wird die T6-Wärmebehandlung angewendet, die eine Lösungsglühung mit nachfolgendem Abschrecken und einer anschließende Warmauslagerung beinhaltet. Diese Wärmebehandlung verursacht insbesondere während des Lösungsglühens und beim Abschreckprozess einen Verzug der Bauteile, sodass diese, insbesondere wenn sie dünnwandig gegossen werden, häufig nachbehandelt werden müssen.
Durch EP 0 853 133 B1 ist das eingangs erwähnte Verfahren bekannt, das entwickelt worden ist, um durch die Verwendung der angegebenen Aluminiumlegierung ein Legierungsgefüge zu erzielen, durch das eine Wärmebehandlung vermieden wird. Der Vorteil der bekannten Legierung wird somit darin gesehen, dass die mit ihr hergestellten Bauteile mit gewünschten mechanischen Eigenschaften keiner anschließenden Wärmebehandlung bedürfen.
Eine derartige AlMg5Si2Mn-Legierung weist gegenüber einer herkömmlichen Legierung AlMg5Si eine deutlich erhöhte Zugfestigkeit und eine deutlich erhöhte Dehngrenze sowie eine deutlich erhöhte Bruchdehnung auf.
Für eine weitere Verbesserung der Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig hohem plastischen Formänderungsvermögen, also gutem Crashverhalten, von an Kraftfahrzeugen eingesetzten Aluminium-Druckgussbauteilen, werden AlSi10Mg-Legierungen mit einer T6-Wärmebehandlung mit Lösungsglühen, einer kontrollierten Abschreckung und einer anschließenden Warmauslagerung unter Inkaufnahme der durch Verzugserscheinungen entstehenden Nachteile verwendet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein in seinen mechanischen Eigenschaften verbessertes Druckgussbauteil zu ermöglichen, das ohne die Notwendigkeit von durch Verzugserscheinungen erforderliche Nachbehandlungen herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Verfahren der eingangs erwähnten Art dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil nach dem Druckgießen einer Wärmebehandlung in Form einer Warmauslagerung bei einer Temperatur T von 180°C ≤ T ≤ 320°C über eine Dauer von mindestens einer halben Stunde unterworfen wird.
In überraschender Weise ist gefunden worden, dass Druckgussbauteile, die mit der angegebenen, speziell für den Entfall einer Wärmebehandlung ausgebildeten Aluminiumlegierung hergestellt werden, in ihren mechanischen Eigenschaften erheblich verbessert werden können, wenn die Druckgussbauteile einer Warmauslagerung bei einer Temperatur oberhalb von 180°C unterworfen werden. Die Warmauslagerung bei relativ milden Temperaturen, die vorzugsweise zwischen 220 und 280°C und besonders bevorzugt bei etwa 250°C liegen, führen nicht zu dem Risiko eines Verzugs des Druckgussbauteils. Umfangreiche Untersuchungen haben jedoch ergeben, dass insbesondere die Dehngrenze (Rp_0,2) durch die Warmauslagerung erheblich erhöht werden kann. Die damit verbundene Absenkung der Bruchdehnung ist vergleichsweise gering und kann in Kauf genommen werden, da in jedem Fall eine für den Regelfall ausreichende Bruchdehnung von > 8% erhalten bleibt.
Bei einer bevorzugten Legierung beträgt der Anteil des Magnesiums zwischen 5,0 und 6,0 Gew.% und der Anteil des Siliziums zwischen 1,5 und 3,0 Gew.%. In Spuren vorhandene Anteile von Kupfer und Zink sollten 0,05 Gew.% bzw. 0,10 Gew.% nicht überschreiten.
Die Dauer der Warmauslagerung liegt üblicherweise zwischen einer halben Stunde und drei Stunden und hängt von der Art des Bauteils, insbesondere von dessen Dickwandigkeit, ab.
Die technologischen Eigenschaften eines erfindungsgemäß hergestellten Druckgussbauteils werden im Foglenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Vergleichsmessungen näher erläutert. Es zeigen:
1 ein Diagramm das die Erhöhung der Dehngrenze mit erhöhten Warmauslagerungstemperaturen zeigt,
2 ein Diagramm für die Abhängigkeit der Bruchdehnungswerte in Abhängigkeit von der Warmauslagerungstemperatur
3 ein Diagramm für die Zugfestigkeits- und Dehngrenzenwerte für verschiedene Legierungen mit und ohne Wärmebehandlung
4 ein Diagramm für Bruchdehnungswerte für die in 3 herangezogenen Legierungen.
Insbesondere Fahrwerkteile für die Automobilindustrie müssen hohe Festigkeitseigenschaften bei gleichzeitig hohem plastischen Formänderungsvermögen aufweisen, da sie im Crashverhalten nicht brechen dürfen.
Die für diese Zwecke eingesetzten Legierungen sind AlMg5Si2Mn (im Folgenden als „590" bezeichnet) oder AlSi10Mg (im Folgenden als „360" bezeichnet), wobei die Bauteile der letztgenannten Legierung einer T6-Wärmebehandlung unterworfen werden. Das Material wird dann im Folgenden als „360 T6" bezeichnet.
Die sich aus Lösungsglühen, Abschrecken und Warmauslagern zusammensetzende T6-Wärmebehandlung verursacht nicht nur hohe Kosten, sondern birgt auch das Risiko des Verzugs der Teile. Auch beim Gießen selbst müssen Vorkehrungen getroffen werden, um den Gasgehalt der Gussteile möglichst gering zu halten.
Das Material 590 erreicht im Gusszustand Dehngrenzen von ca. 180 MPa bei einer Bruchdehnung von ca. 13%. Für hochbeanspruchte Teile werden höhere Festigkeitswerte benötigt, die mit dieser Legierung bisher nicht erreichbar waren, jedoch durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung in Form einer Warmauslagerung (T5-Wärmebehandlung) erreicht werden.
1 verdeutlicht die Erhöhung der 0,2%-Dehngrenze (Rp_0,2) in Abhängigkeit von der Warmauslagerungstemperatur. Im Gusszustand beträgt demgemäß die Dehngrenze ca. 165 MPa. Die Warmauslagerung bei 180°C lässt diesen Wert auf ca. 175 MPa ansteigen. Bei einer Warmauslagerungstemperatur T von 210° C erreicht die Dehngrenze knapp 180 MPa. Eine sprunghafte Erhöhung ist bei der bevorzugten Warmauslagerungstemperatur T = 250°C festzustellen, bei der die Dehngrenze auf über 210 MPa ansteigt.
2 zeigt einen mit der Warmauslagerung verbundenen Abfall der Bruchdehnung A, die die Verformungsfähigkeit charakterisiert. Durch die genannte Warmauslagerung ist ein Abfall von dem Ausgangswert 13% auf ca. 9% festzustellen.
Ein Einfluss durch die Warmauslagerung auf die Zugfestigkeit (Rm) ist nicht festzustellen.
3 zeigt einen Vergleich der Festigkeitseigenschaften (Zugfestigkeit: hintere Werte; Dehngrenze: vordere Werte) von unterschiedlichen Aluminiumlegierungen der Typen 226 (AlSi9Cu3 (Fe)), 260 (AlSi12 CuNiMg), 360, 360 T6, 590 (alles Vergleichswerte) und 590 T5 (erfindungsgemäße Bauteile). Daraus wird deutlich, dass die Festigkeitseigenschaften des erfindungsgemäßen Materials 590 T5 die Festigkeitseigenschaften des bisher als optimal angesehenen Materials 360 T6 deutlich übertreffen, obwohl die das Risiko eines Verzuges bildende scharfe Wärmebehandlung T6 vermieden wird. Auch hinsichtlich der Verformungsfähigkeit ist das Material 590 T5 dem Material 360 T6 immer noch deutlich überlegen.
Da bei dem Material 590 die mechanisch-technologischen Eigenschaften mit zunehmender Wandstärke stark abnehmen, konnten brauchbare dickwandige Teile aus diesem Material bisher nicht gegossen werden. Durch die erfindungsgemäße angeschlossene T5-Wärmebehandlung kann die 0,2%-Dehngrenze (Rp_0,2) soweit gesteigert werden, dass diese Teile nicht mehr aus dem Material 360 76 produziert werden müssen.
Die erfindungsgemäß erzielten höheren Rp_0,2-Werte ermöglichen den Einsatz des Materials 590 T5 auch für höher beanspruchte Teile, z.B. als Bestandteil einer Schweißkonstruktion mit einem Knetwerkstoff.
Das Verschweißen der Druckgussbauteile mit Blechen erfolgt zweckmäßigerweise vor der T5-Behandlung. Schweißnähte stellen normalerweise Schwachstellen dar. Das Schweißgut besteht üblicherweise aus einer Mischung aus Gusslegierung und Knetwerkstoff. Die Eigenschaften entsprechen denen des Gusswerkstoffs. Durch die Warmauslagerung wird eine Verbesserung der Festigkeitseigenschaften des Schweißguts erzielt.
Knetlegierungen neigen bei höheren Temperaturen zur Rekristallisation, d.h. aus einem verformten Gefüge entstehen Kristallkörner anderer Größe und Form. Beim Überschreiten einer bestimmten Temperatur, der sogenannten Rekristallisationsschwelle, ändern sich die mechanischen Eigenschaften sehr schnell. Im ungünstigsten Fall entsteht eine Grobkornbildung und eine Abnahme der Festigkeitswerte.
Die Rekristallisationsschwelle wird durch Legierungszusätze, insbesondere durch den Gehalt an gelöstem oder feindispers ausgeschiedenem Mn, Fe, Zr oder Cr, durch eine Glühzeit und durch den Kaltverformungsgrad, der die Rekristallisationsschwelle absenkt, beeinflusst.
Ziel der Rekristallisation ist die Bildung eines feinkörnigen Gefüges. Demzufolge sollte das Blech eine nicht zu geringe Kaltverformung (> 30 bis 50%) aufweisen und möglichst rasch auf die Rekristallisationstemperatur aufgeheizt werden.
Bei einer AlMg3-Knetlegierung, wie sie typischerweise im Automobilbau zum Einsatz kommt, beträgt die kritische Temperatur ca. 250°C. Dies entspricht der otpimalen Warmauslagerungstemperatur bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
Um eine Grobkornbildung mit Abnahme der Festigkeitswerte des Knetwerkstoffes zu vermeiden und gleichzeitig jedoch eine möglichst hohe Steigerung der 0,2%-Dehngrenze des Druckgussteils sowie des Schweißguts zu erreichen, ist die Wahl der Warmauslagerungstemperatur von entscheidender Bedeutung. Durch die Erzielung höherer Dehngrenzen bei gleichzeitig hohen Dehnungen sowie verbesserter Schweißnahtqualität wird der Einsatz von Druckgussbauteilen als Bestandteil von Leichtbaukonstruktionen verbessert und in vielen Fällen erst ermöglicht.
Höhere Warmauslagerungstemperaturen, die über 250°C liegen, sind in Einzelfällen nicht ausgeschlossen, insbesondere bei der Verwendung anderer Knetlegierungen oder für bestimmte Anwendungsfälle. Erfindungsgemäß hergestellte Druckgussbauteile können bei der Verwendung einer Warmauslagerungstemperatur von 250°C eine Zugfestigkeit Rm von > 300 MPa, eine Dehngrenze Rp > 175 MPa und eine Bruchdehnung > 8% aufweisen.
Wenn die Dehngrenze über 200 MPa liegt, lässt sich eine Bruchdehnung zwischen 8 und 10% einstellen. Bei einer etwas niedrigeren Dehngrenze > 180 MPa kann die Bruchdehnung zwischen 10 und 12% liegen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Anteilen in Gewichtsprozenten Magnesium 3,0 – 6,0 Silizium 1,4 – 3,5 Mangan 0,5 – 2,0 Eisen max. 0,15 Titan max. 0,2 Rest Aluminium und sonstige Komponenten mit einem Gesamtanteil von max. 0,2

dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil nach dem Druckgießen einer Wärmebehandlung in Form einer Warmauslagerung bei einer Temperatur T mit 180°C < T < 320°C über eine Dauer von mindestens einer halben Stunde unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Magnesiums zwischen 5,0 und 6,0 Gew.% gewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil des Siliziums zwischen 1,5 und 3,0 Gew.% liegend gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass maximale Anteile von Kupfer mit 0,05 Gew.% und von Zink mit 0,10 Gew.% gewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung bei einer Temperatur T zwischen 220 und 280°C, vorzugsweise bei etwa 250°C, vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmauslagerung über eine Dauer zwischen einer halben Stunde und drei Stunden vorgenommen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil nach dem Druckgießen mit Knetwerkstoff verschweißt und anschließend der Warmauslagerung unterworfen wird.
Druckgussbauteil aus einer Aluminiumlegierung mit folgenden Anteilen in Gewichtsprozenten Magnesium 3,0 – 6,0 Silizium 1,4 – 3,5 Mangan 0,5 – 2,0 Eisen max. 0,15 Titan max. 0,2 Rest Aluminium und sonstige Komponenten mit einem Gesamtanteil von max. 0,2

herstellbar nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Zugfestigkeit (Rm) von > 300 MPa, eine Dehngrenze (Rp_0,2) > 180 MPa und einer Bruchdehnung > 8%.
Druckgussbauteil nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Dehngrenze > 200 MPa bei einer Bruchdehnung zwischen 8% und 10%.
Druckgussbauteil nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Dehngrenze > 180 MPa bei einer Bruchdehnung zwischen 10% und 12%.
Druckgussbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 10, gekennzeichnet durch einen Anteil des Magnesiums zwischen 5,0 und 6,0 Gew.%.
Druckgussbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 1 1, gekennzeichnet durch einen Anteil des Siliziums zwischen 2,0 und 2,5 Gew.%.
Druckgussbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 12, gekennzeichnet durch maximale Anteile von Kupfer mit 0,05 Gew.% und von Zink mit 0,10 Gew.%.
Druckgussbauteil nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem Knetwerkstoff verschweißt aufgebaut ist, der zusammen mit der Aluminiumlegierung durch Warmauslagerung verfestigt ist.