DE202015100698U1 - cast alloy - Google Patents

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Abstract

Gusslegierung, insbesondere Kokillengusslegierung, aufweisend 6,5 bis 8,5 Gew.-% Silizium (Si), 0,8 bis 1,3 Gew.-% Kupfer (Cu), bis 0,3 Gew.-% Magnesium (Mg), 0,4 bis 0,6 Gew.-% Eisen (Fe), 0,15 bis 0,25 Gew.-% Mangan (Mn), 0,3 bis 0,7 Gew.-% Zink (Zn), optional eines oder mehrere der folgenden Legierungselemente: – 0,005 bis 0,03 Gew.-% Strontium (Sr) – max. 0,15 Gew.-% Chrom (Cr) – max. 0,55 Gew.-% Nickel (Ni) – max. 0,25 Gew.-% Zinn (Sn) – max. 0,25 Gew.-% Titan (Ti) – max. 0,05 Gew.-% Natrium (Na), Antimon (Sb), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) oder Bor (B) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen.Casting alloy, in particular chill casting alloy, comprising 6.5 to 8.5% by weight of silicon (Si), 0.8 to 1.3% by weight of copper (Cu), up to 0.3% by weight of magnesium (Mg) , 0.4 to 0.6 wt% iron (Fe), 0.15 to 0.25 wt% manganese (Mn), 0.3 to 0.7 wt% zinc (Zn), optional one or more of the following alloying elements: - 0.005 to 0.03% by weight of strontium (Sr) - max. 0.15% by weight chromium (Cr) - max. 0.55% by weight nickel (Ni) - max. 0.25% by weight of tin (Sn) - max. 0.25% by weight of titanium (Ti) - max. 0.05% by weight of sodium (Na), antimony (Sb), zirconium (Zr), hafnium (Hf) or boron (B) and the remainder aluminum as well as unavoidable impurities due to production.

Description

Die Erfindung betrifft eine Gusslegierung, insbesondere Kokillengusslegierung. The invention relates to a casting alloy, in particular chill casting alloy.

Um die Duktilität bei AN AC-AlSi9Cu3(Fe)- bzw. A226-Legierungen zu erhöhen, ist es aus dem Stand der Technik bekannt ( DE 10 2009 036 056 A1 ), den Anteil an Cu (Kupfer) in der Legierung zu verringern. Ein eventuelles Kleben der Gussteile in der Gussform soll durch ein Zulegieren von Fe (Eisen) vermindert werden, was jedoch eine reduzierte Duktilität zur Folge hat. Um diesen negativen Einfluss von Fe auf die Duktilität zu vermindern, wird Mn (Mangan) bzw. Cr (Chrom) zulegiert. Mit Hilfe von Chrom (Cr) und Mangan (Mn) wird Eisen (Fe) in einer α-Phase, nämlich Al12(Fe,Cr,Mn)3Si2-/Al9(Fe,Cr,Mn)2Si2-Phase, gebunden, was das Vorkommen an β-Phasen mit Fe vermindert und damit in geringerem Maße die Duktilität vermindert, als dies im Vergleich zu β-Phasen mit Fe der Fall ist. Cr selbst weist jedoch nachteilige Auswirkungen auf die Kerbschlagarbeit auf, sodass solche Gusslegierungen jene von Cr freien Gusslegierungen bekannten Duktilitätswerte nicht erreichen können. Eine Cr Zulegierung mit einem verminderten Eisengehalt zu vermeiden, führt jedoch weg von den Anforderungen, einen hohen Anteil an Sekundäraluminium in einer A226 Gusslegierung zu erlauben. In order to increase the ductility in ANAC-AlSi9Cu3 (Fe) or A226 alloys, it is known from the prior art ( DE 10 2009 036 056 A1 ) to reduce the proportion of Cu (copper) in the alloy. A possible sticking of the castings in the casting mold is to be reduced by a alloying of Fe (iron), which, however, results in a reduced ductility. To reduce this negative influence of Fe on the ductility, Mn (manganese) or Cr (chromium) is added. With the aid of chromium (Cr) and manganese (Mn), iron (Fe) in an α-phase, namely Al 12 (Fe, Cr, Mn) 3 Si 2 - / Al 9 (Fe, Cr, Mn) 2 Si 2 Phase, which reduces the presence of β-phase with Fe and thus less reduces the ductility, as compared to β-phase with Fe is the case. However, Cr itself has detrimental effects on the impact work, such that such cast alloys can not achieve those ductility values known from Cr free cast alloys. However, avoiding a Cr alloy with a reduced iron content leads away from the requirements to allow a high level of secondary aluminum in a A226 casting alloy.

Die Erfindung hat sich daher ausgehend vom Eingangs geschilderten Stand der Technik die Aufgabe gestellt, bei einer Al-Si-Gusslegierung mit einem vergleichsweise hohen Anteil an Sekundäraluminium zur Verfügung zu stellen und dennoch gute Gießeigenschaften und hohe Duktilität zu gewährleisten. The invention has therefore, starting from the input described prior art, the task of providing in an Al-Si casting alloy with a relatively high proportion of secondary aluminum available and yet to ensure good casting properties and high ductility.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Gusslegierung 6,5 bis 8,5 Gew.-% Silizium (Si), 0,8 bis 1,3 Gew.-% Kupfer (Cu), bis 0,3 Gew.-% Magnesium (Mg), 0,4 bis 0,6 Gew.-% Eisen (Fe), 0,15 bis 0,25 Gew.-% Mangan (Mn), 0,3 bis 0,7 Gew.-% Zink (Zn), optional eines oder mehrere der folgenden Legierungselemente:

  • – 0,005 bis 0,03 Gew.-% Strontium (Sr)
  • – max. 0,15 Gew.-% Chrom (Cr)
  • – max. 0,55 Gew.-% Nickel (Ni)
  • – max. 0,25 Gew.-% Zinn (Sn)
  • – max. 0,25 Gew.-% Titan (Ti)
  • – max. 0,05 Gew.-% Natrium (Na), Antimon (Sb), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) oder Bor (B)
und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen aufweist. The invention achieves the stated object in that the casting alloy contains 6.5 to 8.5% by weight of silicon (Si), 0.8 to 1.3% by weight of copper (Cu), up to 0.3% by weight. % Magnesium (Mg), 0.4 to 0.6 wt% iron (Fe), 0.15 to 0.25 wt% manganese (Mn), 0.3 to 0.7 wt% zinc (Zn), optionally one or more of the following alloying elements:
  • 0.005 to 0.03% by weight of strontium (Sr)
  • - Max. 0.15% by weight of chromium (Cr)
  • - Max. 0.55% by weight nickel (Ni)
  • - Max. 0.25% by weight of tin (Sn)
  • - Max. 0.25% by weight of titanium (Ti)
  • - Max. 0.05% by weight of sodium (Na), antimony (Sb), zirconium (Zr), hafnium (Hf) or boron (B)
and the balance aluminum and production-related unavoidable impurities.

Weist die Gusslegierung 0,4 bis 0,6 Gew.-% Eisen (Fe) und 0,15 bis 0,25 Gew.-% Mangan (Mn) auf, kann ein vergleichsweise hoher Anteil an Sekundäraluminium der Al-Si-Gusslegierung zugegeben und damit durch den vergleichsweise hohen Fe Gehalt eine exzellente Gießbarkeit erreicht werden – dennoch kann aber mit keiner Verminderung in der Duktilität gerechnet werden. Überraschend zeigte sich mit der besonderen Wahl im Fe- und Mn-Gehalt ein Legierungsfenster in der erfindungsgemäßen Gusslegierung, mit dem die Ausbildung von duktilitätsvermindernden Fe- und Mn-haltigen α-Phasen und/oder β-Phasen gering gehalten werden kann. Daher kann auch konträr zum Stand der Technik auf zusätzliche Legierungselemente, beispielsweise Cr, verzichtet werden, um Fe in Phasen zu binden, die auf die Gesamtduktilität der Gusslegierung weniger Einfluss haben. Mit einer geeigneten Wahl von bis zu 0,3 Gew.-% Mg kann zudem die Streckgrenze bzw. Zugfestigkeit der durch den geringen Cu-Gehalt von 0,8 bis 1,3 Gew.-% äußerst duktilen Gusslegierung auf einfache Weise eingestellt werden. Vorstehende Vorteile können durch 6,5 bis 8,5 Gew.-% Silizium (Si) und 0,3 bis 0,7 Gew.-% Zink (Zn) weiter hervorgehoben werden, wobei durch den erfindungsgemäßen vergleichsweise geringen Anteil an Cu und Mg das Auftreten von intermetallischen Phasen generell gering und sich damit die Duktilität der Gusslegierung deutlich erhöhen kann. Optional kann die Legierung noch 0,005 bis 0,03 Gew.-% Strontium (Sr) zur Veredelung und/oder max. 0,25 Gew.-% Titan (Ti) oder max. 0,05 Gew.-% Bor (B) zur Kornfeinung aufweisen. Vergleichsweise hohe Legierungsanteile an max. 0,15 Gew.-% Chrom (Cr), max. 0,55 Gew.-% Nickel (Ni) und/oder max. 0,25 Gew.-% Zinn (Sn) können ebenso zugelassen sein, um einen hohen Anteil an Sekundäraluminium zu erlauben. Diese Vorteile können sich weitere verbessern, in dem max. 0,05 Gew.-% Natrium (Na), max. 0,05 Gew.-% Antimon (Sb), max. 0,05 Gew.-% Zirkonium (Zr), max. 0,05 Gew.-% Hafnium (Hf) und/oder max. 0,05 Gew.-% Bor (B) in der Legierung zugelassen wird. Die Legierung weist zudem als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen auf. Wie erwähnt, kann durch die erfindungsgemäße Gusslegierung eine hohe Gießbarkeit, eine hohe Duktilität und eine hohe Zugfestigkeit gewährleistet werden, welche Gusslegierung sich für den Kokillengussverfahren auszeichnen kann und gegebenenfalls auch in hohem Maße aus Sekundäraluminium bestehen kann. If the casting alloy has 0.4 to 0.6% by weight of iron (Fe) and 0.15 to 0.25% by weight of manganese (Mn), a relatively high proportion of secondary aluminum may be added to the Al-Si casting alloy and thus excellent pourability can be achieved by the comparatively high Fe content - nevertheless, no reduction in ductility can be expected. Surprisingly, with the special choice in the Fe and Mn content, an alloy window in the cast alloy according to the invention was found, with which the formation of ductility-reducing Fe and Mn-containing α phases and / or β phases can be kept low. Therefore, contrary to the prior art, additional alloying elements, for example Cr, can be dispensed with in order to bind Fe in phases which have less influence on the total ductility of the casting alloy. With a suitable choice of up to 0.3 wt .-% Mg can also be the yield strength or tensile strength of the low Cu content of 0.8 to 1.3 wt .-% extremely ductile cast alloy in a simple manner. The above advantages can be further emphasized by 6.5 to 8.5% by weight of silicon (Si) and 0.3 to 0.7% by weight of zinc (Zn), with the comparatively low proportion of Cu and Mg the occurrence of intermetallic phases generally low and thus can significantly increase the ductility of the casting alloy. Optionally, the alloy can still 0.005 to 0.03 wt .-% strontium (Sr) for finishing and / or max. 0.25% by weight of titanium (Ti) or max. 0.05 wt .-% boron (B) for grain refining. Comparatively high alloy content at max. 0.15% by weight chromium (Cr), max. 0.55 wt .-% nickel (Ni) and / or max. 0.25 wt% tin (Sn) may also be allowed to allow a high level of secondary aluminum. These advantages can be further improved in the max. 0.05% by weight of sodium (Na), max. 0.05% by weight of antimony (Sb), max. 0.05% by weight zirconium (Zr), max. 0.05% by weight hafnium (Hf) and / or max. 0.05 wt% boron (B) is allowed in the alloy. The alloy also has aluminum as the remainder as well as unavoidable impurities due to its production. As mentioned, high castability, high ductility and high tensile strength can be ensured by the casting alloy according to the invention, which casting alloy can be characterized by the chill casting process and, if appropriate, can also consist to a large extent of secondary aluminum.

Im Allgemeinen wird erwähnt, dass die Gusslegierung Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 1 Gew.-% aufweisen kann. Der Vollständigkeit halber wird im Allgemeinen weiter erwähnt, dass als Sekundäraluminium Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, gewonnen aus Aluminiumschrott, verstanden werden kann. In general, it is mentioned that the cast alloy can have impurities with a maximum of 0.05% by weight and a total of at most 1% by weight. For the sake of completeness, in general further mentioned that as secondary aluminum aluminum or an aluminum alloy, obtained from aluminum scrap, can be understood.

Die Kennwerte zu Gießbarkeit, Duktilität und Zugfestigkeit können weiter mit einer Vorschrift optimiert werden, wenn der Gesamtanteil von Fe und Mn an der Gusslegierung mindestens 0,6 und maximal 0,8 Gew.-% beträgt. The castability, ductility and tensile strength characteristics can be further optimized with a prescription if the total content of Fe and Mn in the casting alloy is at least 0.6 and at most 0.8% by weight.

Hervorragende Duktilitätswerte können erreicht werden, wenn die Gusslegierung 7,5 bis 8,5 Gew.-% Silizium (Si) aufweist. Excellent ductility values can be achieved when the casting alloy has 7.5 to 8.5 wt% silicon (Si).

Weist die Gusslegierung 0,05 bis 0,20 Gew.-% Magnesium (Mg) auf, können erhöhte Werte an Zugfestigkeit und hinsichtlich der Dehngrenze eingestellt werden, ohne signifikante veränderte Bruchdehnungswerte in Kauf nehmen zu müssen. If the casting alloy has 0.05 to 0.20% by weight of magnesium (Mg), it is possible to set increased levels of tensile strength and yield strength without having to accept significant changes in elongation at break values.

Die Festigkeit der Legierung kann zudem durch Mischkristallhärtung durch Zinkeinlagerung noch weiter verbessert werden, wenn die Gusslegierung 0,5 bis 0,7 Gew.-% Zink (Zn) aufweist. Außerdem können damit ein eventueller negativer Einfluss des Mg-Gehalts auf die Duktilität verringert und eine Verbesserung in der Gießbarkeit der Gusslegierung erreicht werden. In addition, the strength of the alloy can be further improved by solid solution hardening by zinc inclusion when the casting alloy has 0.5 to 0.7 wt% zinc (Zn). In addition, it can be used to reduce a possible negative influence of the Mg content on the ductility and to achieve an improvement in the castability of the casting alloy.

Besonders kann sich die Erfindung auszeichnen, wenn die erfindungsgemäße Gusslegierung bei einem Kokillengussverfahren zur Herstellung eines Halbzeugs oder Endprodukts verwendet wird. In particular, the invention may be distinguished when the cast alloy according to the invention is used in a chill casting process for producing a semifinished product or end product.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielsweise anhand einer Ausführungsvariante näher erläutert: Zum Nachweis der erzielten Effekte wurden aus verschiedenen Gusslegierungen dünnwandige Gussbauteile im Kokillengussverfahren hergestellt. Die Zusammensetzungen der untersuchten Legierungen sind in der Tabelle 1 angeführt. Legierungs-Nr. Zusammensetzung 1 AlSi9Cu2,5Mn0,35Mg0,3Fe0,8Zn0,3 2 AlSi8Cu1,2Mn0,15Mg0,15Fe0,4Zn0,3 3 AlSi8Cu1,2Mn0,15Mg0,20Fe0,4Zn0,3 Tabelle 1: Übersicht zu den untersuchten Legierungen In the following, the invention will be explained in greater detail, by way of example, with reference to a variant embodiment. To demonstrate the effects achieved, thin-walled cast components were produced from various casting alloys using the chill casting method. The compositions of the alloys studied are listed in Table 1. Alloy no. composition 1 AlSi9Cu2,5Mn0,35Mg0,3Fe0,8Zn0,3 2 AlSi8Cu1,2Mn0,15Mg0,15Fe0,4Zn0,3 3 AlSi8Cu1,2Mn0,15Mg0,20Fe0,4Zn0,3 Table 1: Overview of the investigated alloys

Bei der Legierung 1 handelt es sich um eine A226-Gusslegierung (AlSi9Cu3Fe). Die Legierungen 2 und 3 hingegen stellen die erfindungsgemäße Zusammensetzung dar, die sich von der Legierung 1 im Cu-Gehalt besonders unterscheiden. Die Legierungen bzw. die daraus hergestellten Gussteile bzw. Prüfkörper wurden beispielhaft einer T6-Wärmebehandlung über 2 Stunden bei 495 °C Lösungsglühen, einem Abschrecken mit Wasser und einer dreistündigen Warmauslagerung bei 220 °C unterworfen. Alloy 1 is an A226 cast alloy (AlSi9Cu3Fe). The alloys 2 and 3, on the other hand, represent the composition according to the invention, which differ in particular from the alloy 1 in the Cu content. The alloys or the castings or specimens produced therefrom were subjected, for example, to a T6 heat treatment for 2 hours at 495 ° C. solution heat treatment, quenching with water and heat aging at 220 ° C. for three hours.

Die fertigen Prüfkörper wurden schließlich auf ihre mechanischen Eigenschaften hin untersucht. Hierzu wurden die Bruchdehnung A und die Streckgrenze Rp0,2 bzw. Zugfestigkeit Rm im Zugversuch bestimmt. Die erhaltenen Messwerte sind in der Tabelle 2 für den Gusszustand zusammengefasst. Legierungs-Nr. A [%] Rp0,2 [MPa] 1 1,3 152 2 12,3 105 3 9,9 118 Tabelle 2: Mechanische Kennwerte der untersuchten Legierungen im Gusszustand The finished test specimens were finally examined for their mechanical properties. For this purpose, the breaking elongation A and the yield strength Rp 0.2 and tensile strength R m were determined in the tensile test. The measured values obtained are summarized in Table 2 for the cast state. Alloy no. A [%] R p0.2 [MPa] 1 1.3 152 2 12.3 105 3 9.9 118 Table 2: Mechanical characteristics of the investigated alloys in the cast state

Untersuchungen an den Gusslegierungen Nr. 2 und 3 zeigten, dass durch den eingestellten Kupfer-, Eisen- und Mangangehalt in der Legierung die Duktilität deutlich zur A226-Gusslegierung Nr. 1 erhöht werden konnte. Eine nahezu 10-fach höhere Bruchdehnung A konnte erfindungsgemäß erreicht werden. Investigations on casting alloys Nos. 2 and 3 showed that the copper, iron and manganese content in the alloy allowed the ductility to be significantly increased to A226 casting alloy No. 1. An almost 10 times higher breaking elongation A could be achieved according to the invention.

Zwar ist mit einer etwas reduzierten Streckgrenze Rm zu rechnen, diese kann jedoch mit Legierungszusätzen zur Kornfeinung erhöht werden. Durch eine T6-Wärmebehandlung kann die Festigkeit bei fast gleichbleibender Bruchrechnung noch erhöht werden. Legierungs-Nr. A [%] Rp0,2 [MPa] 1 1,0 263 2 10,1 165 3 7,6 201 Tabelle 3: Mechanische Kennwerte der untersuchten Legierungen T6-Zustand Although a somewhat reduced yield strength Rm is to be expected, this can however be increased with alloy additives for grain refining. By a T6 heat treatment, the strength can be increased at almost constant fractional calculation. Alloy no. A [%] R p0.2 [MPa] 1 1.0 263 2 10.1 165 3 7.6 201 Table 3: Mechanical characteristics of the alloys tested T6 state

Es ist somit gezeigt, dass die erfindungsgemäß vorgeschlagenen Konzentrationsverhältnisse für die erfindungsgemäße Gusslegierung zulassen, hohe Duktilität, gute Festigkeit, Gießbarkeit und Verarbeitbarkeit zu vereinen. It is thus shown that the concentration ratios proposed according to the invention for the casting alloy according to the invention allow high ductility, good strength, castability and processability to be combined.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102009036056 A1 [0002] DE 102009036056 A1 [0002]

Claims (6)

Gusslegierung, insbesondere Kokillengusslegierung, aufweisend 6,5 bis 8,5 Gew.-% Silizium (Si), 0,8 bis 1,3 Gew.-% Kupfer (Cu), bis 0,3 Gew.-% Magnesium (Mg), 0,4 bis 0,6 Gew.-% Eisen (Fe), 0,15 bis 0,25 Gew.-% Mangan (Mn), 0,3 bis 0,7 Gew.-% Zink (Zn), optional eines oder mehrere der folgenden Legierungselemente: – 0,005 bis 0,03 Gew.-% Strontium (Sr) – max. 0,15 Gew.-% Chrom (Cr) – max. 0,55 Gew.-% Nickel (Ni) – max. 0,25 Gew.-% Zinn (Sn) – max. 0,25 Gew.-% Titan (Ti) – max. 0,05 Gew.-% Natrium (Na), Antimon (Sb), Zirkonium (Zr), Hafnium (Hf) oder Bor (B) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen.  Casting alloy, in particular chill casting alloy, comprising 6.5 to 8.5% by weight of silicon (Si), 0.8 to 1.3% by weight of copper (Cu), up to 0.3% by weight of magnesium (Mg), 0.4 to 0.6% by weight of iron (Fe), 0.15 to 0.25% by weight of manganese (Mn), 0.3 to 0.7% by weight of zinc (Zn), optionally one or more of the following alloying elements: 0.005 to 0.03% by weight of strontium (Sr) - Max. 0.15% by weight of chromium (Cr) - Max. 0.55% by weight nickel (Ni) - Max. 0.25% by weight of tin (Sn) - Max. 0.25% by weight of titanium (Ti) - Max. 0.05% by weight of sodium (Na), antimony (Sb), zirconium (Zr), hafnium (Hf) or boron (B) and the balance aluminum and production-related unavoidable impurities. Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gesamtanteil von Fe und Mn an der Gusslegierung mindestens 0,6 und maximal 0,8 Gew.-% beträgt. Casting alloy according to claim 1, characterized in that the total content of Fe and Mn on the casting alloy is at least 0.6 and at most 0.8 wt .-%. Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusslegierung 7,5 bis 8,5 Gew.-% Silizium (Si), aufweist. Casting alloy according to claim 1 or 2, characterized in that the casting alloy comprises 7.5 to 8.5% by weight of silicon (Si). Gusslegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusslegierung 0,05 bis 0,20 Gew.-% Magnesium (Mg) aufweist. Casting alloy according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the casting alloy comprises 0.05 to 0.20 wt .-% magnesium (Mg). Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gusslegierung 0,5 bis 0,7 Gew.-% Zink (Zn) aufweist. Casting alloy according to one of claims 1 to 4, characterized in that the casting alloy has 0.5 to 0.7 wt .-% zinc (Zn). Verwendung einer Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 bei einem Kokillengussverfahren zur Herstellung eines Halbzeugs oder Endprodukts.  Use of a casting alloy according to one of claims 1 to 5 in a chill casting process for producing a semifinished product or end product.
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