DE3632609A1 - Hochfeste aluminiumlegierung fuer den pressguss - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine hochfeste Aluminiumlegierung für den Preßguß, z. B. das Preßformgießen, den Standguß oder Standformguß sowie Abquetschguß (squeeze casting). Durch eine Wärmebehandlung der Legierung lassen sich besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften erzielen.

Werden Legierungsteile aus Al-Si-Cu-Mg-Legierungen mit 5 bis 13 Gew.-% Silizium, 1 bis 5 Gew.-% Kupfer und 0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium durch Preßguß hergestellt und danach nach dem sog. T6-Verfahren weiter verarbeitet, so wird eine Zugfestigkeit von ungefähr 40 kg/mm² und eine Dehnung von 5 bis 10% erreicht. Derartige Formteile eignen sich infolgedessen als Motor- oder Maschinenteile für Automobile, Flugzeugzellen und für den Schiffsbau sowie als Sicherheitsteile und die verschiedensten mechanischen Konstuktionselemente.

Bei dem sog. T6-Behandlungsverfahren werden die Legierungsteile einer Lösungswärmebehandlung unterworfen, wobei sie 4 bis 10 Stunden lang auf eine Temperatur von 480 bis 540°C erhitzt werden, danach abgeschreckt und dann 3 bis 8 Stunden lang einner künstlichen Alterung bei einer Temperatur von 150 bis 200°C unterworfen werden. Diese Behandlungsdauer ist somit vergleichsweise lang und daher unwirtschaftlich. Eine typische heute verwendete Al-Si-Cu-Mg- Legierung wird auch als AC4D-Legierung [JIS H 5202 (1977)], entsprechend AA355.0 bezeichnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Aliuminiumlegierung vom Al-Si-Cu-Mg-Typ anzugeben, die einer Wärmebehandlung unterworfen werden kann und sich für den Preßguß eignet. Dabei sollten insbesondere die mechanischen Eigenschaften, wie speziell die Zähigkeit, d. h. die Zugfestigkeit und die Dehnung von Formteilen aus Al-Si-Cu-Mg-Legierungen verbessert werden, die durch Preßformvergießen hergestellt und einer T6-Behandlung unterworfen wurden. Insbesondere sollte die Zeitdauer der Lösungswärmbehandlung beim T6-Verfahren verkürzt werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mittels einer hochfesten Aluminiumlegierung für den Preßguß gelöst, die 5 bis 13 Gew.-% Silizium, 1 bis 5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium und im übrigen Aluminium und unvermeidliche oder übliche Verunreinigungen enthält und dadurch gekennzeichnet ist, daß sie 0,005 bis 0,3 Gew.-% Strontium enthält.

Die folgende Beschreibung soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen und Beispiele näher erläutern. In den Zeichnungen sind dargestellt in:

Fig. 1: ein Diagramm, aus dem sich die Abhängigkeit von der Dauer der Lösungsbehandlung auf die Dehnung ergibt;

Fig. 2: ein Diagramm, aus dem sich die Beziehung zwischen der Dauer der Lösungsbehandlung, Zugfestigkeit und Streckgrenze ergibt;

Fig. 3: ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Gießform- Spritzdruck und Dehnung veranschaulicht und

Fig. 4: ein Diagramm, aus dem sich die Beziehung zwischen Spritzdruck, Zugfestigkeit und Streckgrenze ergibt.

Der Erfindung liegt somit die Erkenntnis zugrunde, daß durch den Zusatz von Strontium (Sr) zu einer Al-Si-Cu-Mg-Legierung die Lösungswärmebehandlungsdauer vermindert werden kann und die mechanischen Eigenschaften von Formteilen aus der Legierung verbessert werden können.

Die Gründe für die Beschränkung der einzelnen Legierungskomponenten der Al-Si-Cu-Mg-Legierung auf die angegebenen Bereiche ergeben sich aus der folgenden Betrachtung.

Die Konzentrationsbereiche von 5 bis 13 Gew.-% Silizium, 1 bis 5 Gew.-% Kupfer und 0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium entsprechen den Konzentrationsbereichen üblicher Al-Si-Cu-Mg-Legierungen. Silizium ist eines der Hauptzusätze in den meisten Aluminiumgußlegierungen. Es festigt die Legierungsmatrix und verbessert die Fluidität des geschmolzenen Metalles, reduziert den Schrumpf und verhindert das Auftreten von Gußrissen. Eine Konzentration von weniger als 5% Silizium ist unwirksam und eine Konzentration von mehr als 13% Silizium führt zu einer merklichen Verminderung der Zähigkeit.

Kupfer kann zu einem merklichen Anstieg der Festigkeit aufgrund einer Aushärtung führen, wenn die Aluminiumlegierung einer Wärmebehandlung unterworfen wird. Weniger als 1% Kupfer ist unwirksam und bei Konzentrationen von mehr als 5% Kupfer erfolgt eine Verminderung der Zähigkeit.

Magnesium verstärkt die Legierungsmatrix durch Ausscheidung von Mg₂Si bei der Wärmebehandlung. Um einen solchen Effekt im Falle einer Al-Si-Cu-Mg-Legierung zu erreichen, sollten mehr als 0,1% Magnesium zugesetzt werden. Es hat sich jedoch gezeigt, daß nicht mehr als 0,5% Magnesium zugesetzt werden sollten, da sonst die Zähigkeit vermindert wird.

Der Zusatz von 0,005 bis 0,3% Strontium (Sr) führt zu einer beträchtlichen Verminderung der Dauer der Lösungswärmebehandlung, wenn ein Aluminiumlegierungsteil, das durch Preßguß hergestellt wurde, dem T6-Behandlungsverfahren zur Verbesserung der Zähigkeit unterworfen wird. Weniger als 0,005% Strontium reduzieren den Verkürzungseffekt und mehr als 0,3% Strontium führen zu keiner weiteren Verkürzung der Behandlungsdauer.

Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn man das Strontium in der Legierung gemeinsam mit 0,05 bis 0,5 Gew.-% Titan verwendet oder gemeinsam mit 0,05 bis 0,5 Gew.-% Titan und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Bor, da dadurch eine weitere Verbesserung der Zähigkeit von Formteilen vom Al-Si-Cu-Mg-Sr-Typ erreicht werden kann.

Da Eisen (Fe) eine in Aluminiumlegierungen üblicherweise vorhandene Verunreinigung die Zähigkeit vermindert, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, den Eisengehalt zu steuern und unterhalb 0,5 Gew.-% zu halten. Um Magnesium vor einer Oxidation beim Aufschmelzen der Rohmaterialien zu schützen, ist es möglich, bis zu 0,05 Gew.-% Beryllium (Be) zuzusetzen, wodurch die erfindungsgemäß erzielten Effekte nicht beeinträchtigt werden.

Bei der Wärmebehandlung der erfindungsgemäß herstellbaren Legierungsteile liegen die Temperaturen bei der Lösungsbehandlung und bei der künstlichen Alterung bei 480 bis 540°C beziehungsweise 140 bis 200°C. Bei diesen Temperaturbereichen handelt es sich um solche, die üblicherweise im Falle üblicher A-Si-Cu-Mg- Legierungen angewandt werden.

Im Falle der vorliegenden Erfindung kann die Dauer der Lösungsbehandlung bei ungefähr 0,5 bis 2 Stunden liegen. Diese Zeitspanne liegt somit beträchtlich unter der Zeitspanne von 4 bis 10 Stunden, die zur Erzielung einer maximalen Zugfestigkeit und Dehnung im Falle üblicher Al-Si-Cu-Mg-Legierungen erforderlich ist, wobei im Falle der erfindungsgemäßen Legierung praktisch die gleichen Festigkeits- und Dehnungswerte erhalten werden. Die Erhitzungsdauer bei der künstlichen Alterung von erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungsformteilen kann im Vergleich zu den üblichen Erhitzungszeiten bei der künstlichen Alterung von üblichen Al-Si-Cu-Mg- Legierungsformteilen leicht verkürzt werden. Weiterhin ist es möglich, im Falle der erfindungsgemäßen Legierung eine Alterung bei Raum- oder Umgebungstemperatur (d. h. eine natürliche) Alterung durchzuführen oder eine mehrstündige Voralterung bei Temperaturen von 60 bis 120°C vor der künstlichen Alterung. Eine derartige Vorbehandlung wird bei üblichen Al-Si-Cu-Mg-Legierungen oftmals durchgeführt.

Es wurden verschiedene Aluminiumlegierungen der in der folgenden Tabelle angegebenen Zusammensetzung durch Aufschmelzen der Metalle hergestellt.

Tabelle

In jedem Falle wurden die aufgeschmolzenen Metalle in eine Metallform einer Druckgußmaschine unter einem Spritzdruck von 1000 kg/cm² und einer Spritzgeschwindigkeit von 5 cm/Sek. eingespritzt, um Gußteile zu erhalten. Die verwendete Metallgußform hatte die Form eines Bechers mit einem Durchmesser von ungefähr 100 mm einer Dicke von 10 mm und einer Höhe von 120 mm. Die erhaltenen Legierungsteile wurden eine vorbestimmte Zeitspanne lang einer üblichen Lösungsbehandlung bei 500°C unterworfen, dann mit Wasser abgeschreckt und danach 2 Stunden lang bei 180°C künstlich gealtert. Die behandelten Formteile wurden dann mittels eines üblichen Testgerätes auf ihre Zugspannung untersucht.

Die Beziehung zwischen der Zeitspanne der Lösungsbehandlung und der Dehnung der Formteile sich aus Fig. 1. Die Beziehung zwischen der Zeitspanne der Lösungsbehandlung und der Zugfestigkeit σ _B und der Streckgrenze σ _Y (yield strength σ _Y ) (0,2% Bruchpunkt) (yield point) ist in Fig. 2 dargestellt. Der Buchstabe "F" in den Fig. 1 und 2 bedeutet "wie hergestellt".

Wie sich aus den Fig. 1 und 2 beispielsweise ergibt, läßt sich im Falle einer erfindungsgemäßen Legierung (Prüflinge Nr. 3, 4 und 2) eine Dehnung von 8% bei einer Lösungsbehandlung von ungefähr 20 Minuten bis 1 Stunden erreichen, während die gleiche Dehnung im Falle der Vergleichslegierung (Prüfling Nr. 1) d. h. im Falle einer üblichen Al-Si-Cu-Mg-Legierung nur durch eine etwa 10stündige Behandlung erzielbar ist. Wie sich Fig. 1 ferner entnehmen läßt, lassen sich im Falle erfindungsgemäßer Legierungen hohe Dehnungen durch kürzere Lösungsbehandlungen als im Falle üblicher Aluminiumlegierungen erreichen. Wie sich weiterhin aus Fig. 2 ergibt, sind die Zugfestigkeit und die Streckgrenze im Falle der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen höher als im Falle üblicher Aluminiumlegierungen.

Um die Beziehung zwischen dem Injektions- oder Spritzdruck und den mechanischen Eigenschaften zu veranschaulichen, wurden Legierungen der in der vorstehenden Tabelle mit Nr. 1 und 3 angegebenen Zusammensetzung zu Formteilen verarbeitet. Die aufgeschmolzenen Metalle wurden in die Metallform unter vorbestimmten Spritzgußbedingungen unter Gewinnung von Formteilen aus den betreffenden Legierungen eingespritz. Die erhaltenen Formkörper wurden dann einer 4stündigen Lösungsbehandlung bei 500°C unterworfen, worauf sie mit Wasser abgeschreckt und 2 Stunden lang bei 180°C künstlich gealtert wurden. Von den behandelten Formteilen wurden dann die Zugfestigkeiten bestimmt.

Die Beziehung zwischen Injektions- oder Spritzdruck beim Preßguß und der Dehnung ergibt sich aus Fig. 3. Die Beziehung zwischen Injektions- oder Spritzdruck und Zugfestigkeit sowie Streckgrenze ist in Fig. 4 dargestellt. Aus Fig. 3 und 4 ergibt sich, daß Dehnung, Zugfestigkeit und Streckgrenze der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung (Prüfling Nr. 3) beträchtlich besser sind als im Falle der (üblichen) Vergleichslegierung (Prüfling Nr. 1).

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung durch Preßgießen oder Preßguß, kurze Lösungsbehandlung und künstliche Alterung, zu Formteilen und Formkörpern verarbeitet werden kann, die sich durch eine hohe Festigkeit und sehr hohe Dehnungen auszeichnen. Infolgedessen erweist sich eine erfindungsgemäße Legierung als vorteilhaft bezüglich An- und Verwendung, Produktivität und Produktionskosten.

Claims (5)

1. Hochfeste Aluminiumlegierung für den Preßguß mit 5 bis 13 Gew.-% Silizium, 1 bis 5 Gew.-% Kupfer, 0,1 bis 0,5 Gew.-% Magnesium und zum Rest Aluminium sowie unvermeidliche Verunreinigungen, dadurch gekennzeichnet, daß sie 0,005 bis 0,3 Gew.-% Strontium enthält.

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner 0,05 bis 0,5 Gew.-% Titan enthält.

3. Legierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie ferner 0,05 bis 3 Gew.-% Bor enthält.

4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine der unvermeidlichen Verunreinigungen aus Eisen besteht, das zu weniger als 0,5 Gew.-% vorliegt.

5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie einer Lösungswärmebehandlung und einer künstlichen Alterung unterworfen worden ist.