DE20321845U1

DE20321845U1 - Al-Ni-Mn Gusslegierung für Strukturkomponenten von Fahrzeugen sowie in der Luft und Raumfahrt

Info

Publication number: DE20321845U1
Application number: DE20321845U
Authority: DE
Original assignee: Alcoa Inc
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2003-11-19
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2013-11-20
Also published as: EP2224026A1; DE60333314D1; ATE473308T1; US6783730B2; EP1590495A1; EP1590495B1; US20030152478A1; WO2004061146A1; AU2003291568A1; EP1590495A4

Abstract

Eine Aluminiumlegierung, im Wesentlichen bestehend aus:
2,11 bis 4,49 Gew.-% Ni;
1–3 Gew.-% Mn;
nicht mehr als 0,19 Gew.-% Fe;
nicht mehr als 1,0 Gew.-% Si;
optional weniger als 0,3 Gew.-% Ti,
optional weniger als 0,06 Gew.-% B,
der Rest Aluminium und Verunreinigungen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft das Gebiet von Aluminium-basierten Gusslegierungen. Sie betrifft darüber hinaus Teile für Fahrzeuge und für die Luft- und Raumfahrt, die aus solchen Legierungen hergestellt sind.
Hintergrund der Erfindung
Die meisten Aluminium-Gusslegierungen müssen lösungsgeglüht, abgeschreckt und künstlich gealtert werden, um die für strukturelle Anwendungen für Fahrzeuge und für die Luft- und Raumfahrt notwendigen Eigenschaften zu erreichen. Die Verfahren der Lösungsglühbehandlung und des Abschreckens erhöhen nicht nur Betriebs- und Kapitalkosten, sondern rufen auch eine Teilverformung hervor, die dann das Hinzufügen eines Richtschritts zum gesamten Herstellungsverfahren erforderlich macht. Der Richtschritt ist zeitaufwändig und ein kostspieliger Arbeitsgang, der die Anwendbarkeit von Aluminium-Gusslegierungen in hohem Maße beschränkt.
In letzter Zeit wurden einige nicht-Hitzebehandelbare (oder „NHT) Legierungen entwickelt, und ihre Produktion wurde aufgenommen. Diese Legierungen können entweder in einem F-Härtegrad oder einem T5-Zustand verwendet werden. Leider tendieren diese Legierungen dazu, eine deutlich geringere Giessbarkeit als solche Legierungen zu haben, die in einem T6-artigen Härtegrad benötigt werden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung besteht aus einer Al-Ni-Mn basierten Legierung für Druckgiessverfahren, Pressgiessverfahren, Kokillengiessverfahren, Sandgiessverfahren und/oder halb-feste Metallformgebungsverfahren. Bevorzugte Ausführungsformen dieser Legierung umfassen die folgenden Zusammensetzungszusätze, alle in Gewichtsprozent: etwa 0,5–6% Ni, etwa 1–3% Mn, weniger als etwa 1% Fe, weniger als etwa 1% Si, weniger als etwa 0,3% Ti und weniger als 0,06% B, der Rest Al, beiläufige Elemente und Verunreinigungen. Auf einer bevorzugteren Basis besteht die Legierungszusammensetzung im wesentlichen aus etwa 3,5–4,5% Ni, etwa 1,5–2,5% Mn, weniger als etwa 0,1% Fe, weniger als etwa 0,1% Si, weniger als etwa 0,15% Ti, und weniger als etwa 0,03% B, Rest Al und Beiläufiges.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
Soweit hier numerische Bereiche genannt werden, sind diese Bereiche so zu verstehen, dass sie jede Nummer und jeden Teil zwischen dem angegebenen Minimum und dem angegebenen Maximum des Bereichs einschließen. Ein Bereich von 0,5–6 Gew.-% Nickel, würde beispielsweise ausdrücklich alle Zwischenwerte von etwa 0,6, und 0,7 und 0,9% Ni bis hin zu und einschließlich 5,95, 5,97 und 5,99 Gew.-% Nickel enthalten. Das gleiche gilt für jeden anderen numerischen Eigenschafts- und/oder Elementenbereich, der im folgenden genannt wird.
Die hierin beschriebene erfindungsgemäße Legierung weist die folgenden Vorteile auf: (a) exzellente Giessbarkeit einschließlich hohem Fliessvermögen und geringer Tendenz zur Warmrissbildung, Eigenschaften die nicht in anderen NHT-Aluminiumlegierungen zu finden sind; und (b) gute Dehnungseigenschaften ohne jegliche Wärmebehandlungen. Bei der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung werden Lösungsglühbehandlung, Abschrecken und Alterungsprozesse nicht mehr benötigt, wobei sie außerdem eine gute Bruchzähigkeit in der Beschaffenheit im Gusszustand aufweist.

Verschiedene Legierungszusammensetzungen wurden vergleichsweise unter Verwendung des Kokillengießverfahrens gegossen, wovon die folgenden Eigenschaften gemessen wurden: Tabelle 1 – Mechanische Eigenschaften (Zug-), Härte (HB) und Warmrissbildungsindex (HCI) für verschiedene Al-Ni-Mn-Legierungen in Beschaffenheit im Gusszustand

Beisp.#	Zusammensetzung	Bruchfestigkeit (UTS)	Dehngrenze (YS) (MPa)	%Bruchdehnung	HB	HCI, mm
1	Al-2Ni-2Mn-0,1Ti-0,028	159	82	24	56	4
2	Al-2,5Ni-2Mn, 0,3Zr-0,3Cr	180	100	17	65	4
3	Al-4Ni-2Mn-0,1Ti-0,028	208	129	16	62	< 4

Ein anderer Satz von Legierungszusammensetzungen wurde vergleichsweise gegossen und beurteilt.
Das Ergebnis von Aufrissversuchen nach Kahn (Kahn tear tests), die damit durchgeführt wurden, waren wie folgt: Tabelle 2 – Aufrissversuche nach Kahn von zwei bevorzugten Ausführungsformen

Legierung Zusammensetzung UPE (KJ/m2)

1 Al-3,85Ni-1,91Mn-0,02Ti-0,0028 90

2 Al-3,88Ni-1,98 Mn-0,1Ti-0,028 115
Aus dieser Tabelle wurde geschlossen, dass geringere Titan- und/oder Borongehalte einen negativen Einfluss auf die Aufreißeigenschaften nach Kahn haben.

Der Einfluss von Nickel auf den Warmrissbildungsindex (HCI) und mechanische Eigenschaften von verschiedenen, einzeln gegossenen Zusammensetzungen enthaltend 2% Mn (im Gusszustand) wurden dann für Vergleichszwecke aufgezeichnet. Auch wurden repräsentative Beispiele der Gusslegierung A356 (Kennzeichnung der Aluminum Association) aufgenommen. Tabelle 3 – Einfluss des Ni Gehalts auf den Warmrissbildungsindex (HCI) und mechanische Eigenschaften (Zug-) und % Bruchdehnung

%Ni	HCI, mm	Vor dem Korrosionstest		Nach dem Korrosionstest
		UTS MPa	Bruchdehnung %	UTS MPa	Bruchdehnung
0	12	98	36	101	-
0,5	4	121	9	-	-
1	4	146	13	141	16
2	4	170	-
4	4	201	8	191	7
A356.0	4	186	-	169	6

Aus dieser Tabelle wird ersichtlich, dass ein Minimum von etwa 0,5 Gew.-% Ni benötigt wird, um eine gute Gussfähigkeit (HCI = 4 mm) zu erreichen. Außerdem zeigt die Tabelle, dass die gesamte Korrosionsbeständigkeit nicht wesentlich von dem gesamten Ni-Gehalt beeinflusst zu werden scheint.

Die Rolle von ergänzenden Elementen auf die mechanischen Eigenschaften (Zugfestigkeitsprüfung) von Al-4Ni-2Mn Legierungsbeispielen wurde als nächstes bewertet. Für diesen Vergleich wurden alle Beispiele aus einem Gussprüfling mit einem Durchmesser von 22 mm maschinell gearbeitet. Tabelle 4

			Vor dem Korrosionstest			Nach dem Korrosionstest
Legierung	Zusammensetzung	##	UTS, MPa	TYS, MPa	Bruchdehnung, %	UTS, MPa	YS, MPa	Bruchdehnung, %
A356.0	7Si 0,3Mg	1	193	98	5,7	184	96	5,0
		2 F temp	193	106	5,7	170	112	4,0
		3 F temp	192	105	6,0	164	103	4,7
		4 F temp	185	94	6,7	168	98	4,7
		Durchschn.	191	101	6,0	172	102	4,6
A	2Ni2Mn0,1Ti(B)	1	157	82	20,0	148	79	17,0
		2 F temp	154	81	20,7	151	84	22,7
		3 F temp	152	79	24,3	154	83	20,7
		4 F temp	153	79	20,7	152	84	19.7
		Durchschn.	154	80	21,4	151	83	20,0
B	4Ni2Mn0,1Ti(B)	1	174	103	17,3	170	98	15,0
		2 F temp	173	97	18,0	171	95	17,3
		3 F temp	177	95	15,6	169	91	13,0
		4 F temp	172	95	15,0	170	101	16,0
		Durchschn.	174	98	16,5	170	96	15,3
C	2Ni2Mn0,1Ti(B) + 0,2Fe0,1Si	1	168	81	18,3	159	79	15,3
		2 F temp	163	81	18,3	159	94	17,7
		3 F temp	168	84	19,7	153	82	13,3
		4 F temp	159	81	16,0	155	81	15,7
		Durchschn.	165	82	18	157	84	16

Anhand dieser Daten wurde festgestellt, dass durch höhere Ni-Gehalte höhere Festigkeiten erreicht werden können, wobei keine wesentliche Änderung in der gesamten Korrosionsbeständigkeit festgestellt wurde. Tabelle 5 – Effekt von untergeordneten Elementen in erfindungsgemäßen 4%Ni, 2%Mn-Legierungen

Zusammensetzung	Fe	Si	Ti	B	TYS MPa	UTS MPa	Bruchdehnung in %	HCI mm	UPE KJ/m2
A-1	< 0,05	< 0,05	0,0	0,0	-	-	-	4
2	< 0,05	< 0,05	0,05	0,01	-	-	-	4
3	< 0,05	< 0,05	0,1	0,02	99	199	16	4	80
4	< 0,05	0,1	0,1	0,02	96	201	15	6	62
5	< 0,05	0,3	0,1	0,02	96	209	13	6	46
6	< 0,05	0,5	0,1	0,02	98	217	12	10	40
7	< 0,05	0,7	0,1	0,02	93	181	5	14	34
8	< 0,05	0,9	0,1	0,02	93	201	7	> 16	32

B-1	0,1	< 0,05	0,1	0,02	100	201	11	4
2	0,2	< 0,05	0,1	0,02	94	193	15	< 6
3	0,2	0,1	0,1	0,02				4
4	0,3	0,1	0,1	0,02				4
5	0,3	0,2	0,1	0,02				6
6	0,5	0,2	0,1	0,02				< 6
7	0,7	0,2	0,1	0,02				6
8	0,9	0,2	0,1	0,02				10

Aus diesen Daten wurde abgeleitet, dass die Tendenzen zur Warmrissbildung (ausweislich höherer HCI-Werte) mit zunehmendem Si-Gehalt dazu tendierten zu steigen. Warmrissbildungstendenzen reagieren weniger leicht auf Fe-Gehalte im Vergleich zu Si-Gehalten. Schließlich sinken die Bruchdehnung und die Fließenergiewerte mit zunehmendem Si-Gehalt.
Eine bevorzugtere erfindungsgemäße Legierungszusammensetzung besteht im Wesentlichen aus: etwa 3,7–4,2 Gew.-% Ni, etwa 1,7–2,2 Gew.-% Mn, bis zu etwa 0,1 Gew.-% Fe und bis zu etwa 0,1 Gew.-% Si, etwa 0,08– 0,15 Gew.-% Ti, etwa 0,01–0,03 Gew.-% B, der Rest Aluminium.
Nachdem die vorliegend bevorzugten Ausführungsformen beschrieben sind, versteht es sich von selbst, dass die Erfindung auch anders innerhalb des Bereichs der nachfolgenden Ansprüche ausgeführt werden kann.

Claims

Eine Aluminiumlegierung, im Wesentlichen bestehend aus: 2,11 bis 4,49 Gew.-% Ni; 1–3 Gew.-% Mn; nicht mehr als 0,19 Gew.-% Fe; nicht mehr als 1,0 Gew.-% Si; optional weniger als 0,3 Gew.-% Ti, optional weniger als 0,06 Gew.-% B, der Rest Aluminium und Verunreinigungen.
Die Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend nicht mehr als 4,25 Gew.-% Ni.
Die Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend nicht mehr als 4,0 Gew.-% Ni.
Die Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, enthaltend nicht mehr als 3,75 Gew.-% Ni.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend mindestens 2,25 Gew.-% Ni.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend mindestens 2,50 Gew.-% Ni.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, enthaltend mindestens 2,75 Gew.-% Ni.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, enthaltend mindestens 1,25 Gew.-% Mn.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, enthaltend mindestens 1,50 Gew.-% Mn.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, enthaltend mindestens 1,75 Gew.-% Mn.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, enthaltend nicht mehr als 2,75 Gew.-% Mn.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, enthaltend nicht mehr als 2,50 Gew.-% Mn.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, enthaltend nicht mehr als 2,25 Gew.-% Mn.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, enthaltend nicht mehr als 0,15 Gew.-% Fe.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, enthaltend nicht mehr als 0,10 Gew.-% Fe.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, enthaltend nicht mehr als 0,5 Gew.-% Si.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, enthaltend nicht mehr als 0,25 Gew.-% Si.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, enthaltend nicht mehr als 0,20 Gew.-% Si.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, enthaltend nicht mehr als 0,15 Gew.-% Si.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, enthaltend nicht mehr als 0,10 Gew.-% Si.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, enthaltend nicht mehr als 0,05 Gew.-% jeweils von Fe und Si.
Die Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, zusätzlich enthaltend untergeordnete Elemente.