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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung für den Hochdruck-Spritzguss
und spezieller die Legierung zur Bereitstellung von Kraftfahrzeugteilen
und Kraftfahrzeugkomponenten.
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Gewöhnlicherweise
werden Legierung ADC10 oder Legierung ADC12 als Hochdruck-Spritzgussmaterial
für den
Fall, dass Kraftfahrzeugteile und Kraftfahrzeugkomponenten durch
Hochdruck-Spritzguss
hergestellt werden, im Hinblick auf Serienproduktion und Produktivität verwendet.
Diese Legierungen sind Al-Si-Cu-Legierungen
und sind für
ein Produkt brauchbar, das einen komplizierten Aufbau aufweist,
wie ein Abdeckteil und ein Gehäuse,
weil diese Materialien eine relativ hohe Festigkeit besitzen und
eine zufriedenstellende Gießfähigkeit
bereitstellen.
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Im
Hinblick auf einen neuen Trend des Umweltschutzes und des Recyclings
rückt eine
Forderung nach der Herstellung eines Kraftfahrzeugrahmens und einer
Kraftfahrzeugkarosserie mit einer Aluminiumlegierung durch Hochdruck-Spritzguss
ins Augenmerk, weil die Aluminiumlegierung leicht und recyclingfähig ist.
Jedoch sorgen die Legierung ADC10 und die Legierung ADC12 für eine schlechtere
Duktilität
und Zähigkeit
und sind daher nicht als ein Material für Kraftfahrzeugrahmen und Kraftfahrzeugkarosserien
brauchbar.
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Die
veröffentlichte,
japanische Patentanmeldung Publikationsnummern Hei 1-247549 und
Hei 11-193434 offenbaren eine Ver bundlegierung, in der Mn und Ni
in eine Al-Mg-Legierung aus vielen Elementen gegeben werden. Diese
Legierung ist zum Hochdruck-Spritzguss brauchbar. Jedoch ist eine
derartige Verbundlegierung nicht als ein Material für Kraftfahrzeugrahmen
und Kraftfahrzeugkarosserie geeignet, weil die Dehnung nur etwa
10% beträgt.
Ferner sorgt ein Material, das eine für den Rahmen und die Karosserie
brauchbare, hohe Dehnung zeigt, im Allgemeinen für eine niedrige, mechanische
Festigkeit bei hoher Temperatur. Daher kann ein Gussprodukt, das
aus dem hochgradig dehnbaren Material hergestellt ist, verformt
werden, wenn es aus einer Metallform eines Hochdruck-Spritzgussgeräts abgetrennt
wird.
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Im
Falle eines Niederdruck-Spritzgießens wird, anders als beim
Hochdruck-Spritzguss, die Legierung AC4CH, die für relativ hohe Dehnung sorgt,
verwendet, und ein Gussprodukt wird der T6-Behandlung (nach JIS
H 0001 definiert) unterzogen, oder man verwendet die Legierung AC7A.
Diese Materialien sorgen für
eine ausreichende Festigkeit und Dehnung, die im Rahmen und in der
Karosserie erforderlich sind. Jedoch sind derartige Materialien
nicht zur Herstellung dünner
und gedehnter Teile geeignet, wie beispielsweise einer Stange der
Kraftfahrzeugskarosserie. Ferner muss das Gussprodukt einer Hitzebehandlung
bei der Verwendung der Legierung AC4CH unterzogen werden, was kostspielig
ist. Darüber
hinaus kann häufig
bei der Verwendung der Legierung AC7A thermisches Festfressen an
der Metallform auftreten, was für
das Gussprodukt nachteilig ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen
Probleme zu überwinden
und eine Aluminiumlegie rung für
den Hochdruck-Spritzguss bereitzustellen, die zur Herstellung eines
Kraftfahrzeugrahmens und einer Kraftfahrzeugkarosserie brauchbar
ist, während
sie die Anforderungen an mechanische Festigkeit (nicht weniger als
250 MPa) und Dehnung (nicht weniger als 15%) erfüllt, aber dennoch die Mängel des
Gießens
verringert.
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Diese
und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Bereitstellung
einer Aluminiumlegierung für
den Hochdruck-Spritzguss erzielt, die von 3,6 bis 5,5 Mass.-% Mg,
von 0,6 bis 1,2 Mass-% Mn, von 0,2 bis weniger als 0,5 Mass.-% Ni
und zum Rest Aluminium und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen
enthält.
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Mit
der Zusammensetzung kann ein resultierendes Gussprodukt eine Festigkeit
von nicht weniger als 320 MPa und eine Dehnung von nicht weniger
als 20% bereit stellen, was die Anforderungen an den Rahmen und
die Karosserie eines Kraftfahrzeugs erfüllt. Ferner kann unzureichendes
Gießen
reduziert werden.
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Vorzugsweise
enthält
die Aluminiumlegierung weiter 0,001 bis 0,010 Mass.-% Be. Diese
Maßnahme kann
verhindern, dass Mg oxidiert wird. Daher kann eine Verringerung
der Häufigkeit
des Mg vermieden werden.
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Weiter
bevorzugt enthält
die Aluminiumlegierung ferner mindestens eines aus von 0,01 bis
0,3 Mass.-% Ti und von 0,001 bis 0,05 Mass.-% B. Mit dieser Maßnahme kann
die Feinheit der Kristallkörner
gefördert
werden, um die Gießfähigkeit
zu erhöhen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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In
den Zeichnungen:
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1 ist die graphische Darstellung,
die die Beziehung zwischen der Menge an Mn und der Zugfestigkeit
und zwischen der Menge an Mn und der Dehnung in Bezug auf eine Legierung
zeigt, deren Zusammensetzung annähernd
dieselbe wie die der Legierung AC7A mit Ausnahme der Menge an Mn
ist;
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2 ist die graphische Darstellung,
die die Beziehung zwischen der Menge an Ni und der Zugfestigkeit
und zwischen der Menge an Ni und der Dehnung in Bezug auf eine Legierung
zeigt, deren Zusammensetzung annähernd
dieselbe wie die der Legierung AC7A mit Ausnahme einer festen Menge
an Mn von 1,0 Mass.-% und der Menge an Ni ist, und
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3 ist eine mikroskopische
Fotografie, die die inneren Strukturen der Teststücke 1 und
2 zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Eine
Aluminiumlegierung für
den Hochdruck-Spritzguss gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird im folgenden beschrieben. Eine Aluminiumlegierung
für den
Hochdruck-Spritzguss gemäß der Ausführungsform
enthält
3,6 bis 5,5 Mass.-% Mg (Magnesium), 0,6 bis 1,2 Mass.-% Mn (Mangan),
0,2 bis weniger als 0,5 Mass.-% Ni (Nickel) und zum Rest Aluminium
und erschmelzungsbedingte Verunreinigungen. Wenn es gewünscht ist,
wird 0,001 bis 0,010 Mass.-% Be (Beryllium) zugegeben. Wenn es gewünscht ist,
wird ferner mindestens eines aus 0,01 bis 0,3 Mass.-% Ti (Titan)
und 0,001 bis 0,05 Mass.-% B (Bor) zugegeben. Im letzteren Fall
enthält
die resultierende Zusammensetzung Be oder nicht.
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Mg
liegt nach dem Legieren in einer Matrix als feste Lösung vor.
Durch die feste Lösung
können
Festigkeit, Streckgrenze ("proof
stress") (0,2% Abweichung)
und Härte
der resultierenden Legierung verbessert werden. Wenn die Menge an
Mg weniger als 3,6 Mass.-% beträgt,
kann keine ausreichende Legierungsfestigkeit bereit gestellt werden,
und die Gießtemperatur
wird wegen einer Erhöhung
in der Verflüssigungstemperatur
erhöht.
Wenn auf der anderen Seite die Menge an Mg 5,5 Mass.-% übersteigt,
wird die Dehnung erniedrigt, und Spannungskorrosionsreißen kann
einfach auftreten, sogar obwohl die Legierungsfestigkeit verbessert werden
kann. Somit ist die Menge an Mg auf einen Bereich von 3,6 bis 5,5
Mass.-% festgelegt.
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Zugabe
von Mn in die Legierungszusammensetzung kann thermisches Festfressen
der Legierung in einer Metallform unterdrücken. Wenn die Menge an Mn
weniger als 0,6 Mass.-% beträgt,
tritt thermisches Festfressen der Legierung in der Metallform auf,
was Gussfehler erzeugt. Wenn auf der anderen Seite die Menge an
Mn 1,2 Mass.-% übersteigt,
wird die Dehnung bemerkenswert niedrig, was für das Material eines Kraftfahrzeugrahmens
und einer Kraftfahrzeugkarosserie nicht brauchbar ist. Somit ist
die Menge an Mn auf einen Bereich von 0,6 bis 1,2 Mass.-% festgelegt.
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1 zeigt die Zugfestigkeit
und die Dehnung in Abhängigkeit
von der Menge an Mn in einer Legierung, deren Zusammensetzung ähnlich der
der Legierung AC7A mit Ausnahme der Menge an Mn ist. Wie aus dem
Graphen ersichtlich ist, wird, wenn die Menge an Mn 1,2 Mass.-% übersteigt,
die Zugfestigkeit erniedrigt, und die Dehnung wird niedriger als
20%.
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Zugabe
von Ni in die Legierungszusammensetzung kann die Festigkeit der
Legierung bei hoher Temperatur erhöhen. Dies ist vorteilhaft,
um ein Deformiertwerden des Gussprodukts zu verhindern, wenn es
aus der Metallform abgetrennt wird. Ferner verbessert Ni die Festigkeit
der Legierung bei normaler Temperatur. Wenn die Menge an Ni weniger
als 0,2 Mass.-% beträgt,
kann keine ausreichende Festigkeit erhalten werden. Wenn auf der
anderen Seite die Menge an Ni 0,5 Mass.-% übersteigt, wird die Dehnung
bemerkenswert erniedrigt, was für
ein Material für
den Kraftfahrzeugrahmen und die Kraftfahrzeugkarosserie nicht brauchbar
ist. Somit ist die Menge an Ni auf den Bereich von 0,2 bis 0,5 Mass.-%
festgelegt.
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2 zeigt die Zugfestigkeit
und die Dehnung in Abhängigkeit
von der Menge an Ni in einer Legierung, deren Zusammensetzung der
der Legierung AC7A mit der Ausnahme der Menge an Ni und einer festen
Menge an Mn von 1,0 Mass.-% ähnlich
ist. Wie aus 2 ersichtlich
ist, wird die Dehnung kleiner als 20%, wenn die Menge an Ni 0,5
Mass.-% übersteigt.
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Be
dient zur Verhinderung der Erniedrigung der Häufigkeit an Mg in der Legierung
wegen der Oxidation davon. Wenn die Menge an Be weniger als 0,001
Mass.-% beträgt,
kann die Oxidation von Mg nicht in ausreichendem Maß eingeschränkt werden.
Wenn auf der anderen Seite die Menge an Be 0,010 Mass.-% übersteigt,
tritt eine Kristallisation der Verbindung auf, was die Festigkeit
einer resultierenden Legierung verringert. In diesem Zusammenhang
ist die Menge an Be auf den Bereich von 0,001 bis 0,010 Mass.-%
festgelegt. Jedoch kann auf Be verzichtet werden.
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Ti
und B dienen zur Bereitstellung feiner Kristallkörner, um die Gießfähigkeit
zu verbessern.
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Feine
Kristallkörner
können
durch die Zugabe von Ti allein oder durch die Zugabe von B allein
bereit gestellt werden. Wegen der Verbundwirkung bei der Zugabe
von sowohl Ti als auch B können
jedoch außerordentlich
feine Kristallkörner
bereitgestellt werden. Wenn die Menge an T weniger als 0,01 Mass.-%
beträgt und
wenn die Menge an B weniger als 0,001 Mass.-% beträgt, können keine
feinen Kristallkörner
erhalten werden. Wenn auf der anderen Seite die Menge an Ti 0,3
Mass.% übersteigt
oder die Menge an B 0,1 Mass.-% übersteigt,
wird eine nachteilige Verbindung gebildet, welche die Dehnung der
resultierenden Legierung erniedrigt. Somit ist die Menge an Ti auf
den Bereich von 0,01 bis 0,3 Mass.-% festgelegt, und die Menge an
B ist auf den Bereich von 0,001 bis 0,1 Mass.-% festgelegt. Jedoch
wird keine außerordentlich
bemerkenswerte Verbesserung der mechanischen Eigenschaft der Legierung
durch die Zugabe von Ti und B gefunden, und daher kann auf diese
verzichtet werden.
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Die
Zugabe von Si kann zur Verschlechterung bei anodischer Oxidation
führen.
Daher ist Si ungeeignet als eine Komponente der Legierung, die für eine Karosserie
verwendet wird, in der ein besonderes Augenmerk auf ihre äußere Erscheinung
gelegt wird, wie beispielsweise eine Karosserie für ein Motorrad.
In diesem Zusammenhang wird Si als eine erschmelzungsbedingte Verunreinigung,
die in der Legierung enthalten ist, betrachtet. Ferner bewirkt die
Zugabe von Cu und Fe eine Verschlechterung der Korrosionsbeständigkeit
der Legierung. Somit werden auch Cu und Fe als erschmelzungsbedingte
Verunreinigungen, die in der Legierung enthalten sind, angesehen.
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Teststücke in Übereinstimmung
mit der oben beschriebenen Ausführungsform
und Vergleichsteststücke
wurden für
einen Test der Zugfestigkeit hergestellt. Die Zusammensetzungen
der Teststücke
1 bis 9 sind in Tabelle 1 gezeigt, in der die Einheit der Zahlenwerte
Mass.-% ist. Die Menge an Si von 0,1 Mass.-% und die Menge an Fe
von 0,2 Mass.-% können
als Verunreinigungen betrachtet werden.
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Die
Teststücke
1 und 2 stehen in Übereinstimmung
mit der oben beschriebenen Ausführungsform. Teststück 9 wurde
aus der Legierung ADC10 gebildet. Die Teststücke 1 bis 9 wurden unter Verwendung
einer 90-Tonnen-Hochdruck-Spritzgussmaschine bei einer Gusstemperatur
von 720 ± 10°C, einer
Temperatur der Metallform von 150 ± 20°C, einer Einspritzgeschwindigkeit
von 1,8 m/s bis 2,0 m/s, einem Gussdruck von 75 MPa und einer Härtungszeit
von 5 Sekunden hergestellt. Es wurde eine Metallform für das Gießen von
zwei ASTM-Teststangen gleichzeitig zur Verwendung im Test zur Zugfestigkeit
und dem Test zur Stoßfestigkeit
entworfen. Tabelle
1
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Die
unten stehende Tabelle 2 zeigt Gießfähigkeit, Zugfestigkeit und
Dehnung dieser Teststücke
im gegossenen Zustand. Die Einheiten der Zugfestigkeit und der Dehnung
sind jeweils MPa und %. Ferner kennzeichnet in Tabelle 2 ein Kreis
eine ausreichende Gussqualität; "X" kennzeichnet eine unzureichende Gussqualität, und ein
Dreieck kennzeichnet eine dazwischenliegende Gussqualität.
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Wie
aus Tabelle 2 ersichtlich wird, stellten die Teststücke 1 und
2 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Ausführungsform
eine Zugfestigkeit von nicht weniger als 320 MPa und eine Dehnung
von nicht weniger als 20% bereit, was für das Material des Kraftfahrzeugrahmens
und der Kraftfahrzeugkarosserie gefordert wird. Auf der anderen
Seite stellten die Teststücke
3 bis 6, die kein Nickel enthielten, eine Zugfestigkeit von weniger
als 320 MPa bereit. Insbesondere stellte das Teststück 3, dessen
Menge an Mn weniger als die der Teststücke 1 und 2 betrug, eine unzureichende
Gießfähigkeit
bereit.
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Ferner
stellte das Teststück
6, dessen Menge an Mn größer ist
als die der Teststücke
1 und 2, eine außerordentlich
niedrige Dehnung bereit. Darüber
hinaus stellten die Teststücke
7 und 8, deren Menge an Ni größer ist
als die der Teststücke
1 und 2, eine Dehnung von weniger als 20% bereit. Das Teststück 9, das
die Legierung ADC10 ist, die gewöhnlicherweise
als ein Material für
ein Gehäuse
und eine Abdeckung des Kraftfahrzeugs verwendet wird, stellt eine
unzureichende Zugfestigkeit und Dehnung bereit, was für das Material des
Kraftfahrzeugrahmens und der Karosserie unbrauchbar ist. Tabelle
2
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Die
inneren Strukturen der Teststücke
1 und 2 sind in mikroskopischen Fotografien der 3 gezeigt. Diese sind Querschnittsflächen dieser
Proben. Das Teststück
1, das kein Ti enthält,
weist fehlerhafte Anteile auf, die durch schwarze Farbe gekennzeichnet
sind. Auf der anderen Seite kann in dem Teststück 2, in dem 0,1 Mass.-% Ti
zu den Zusammensetzungen des Teststücks 1 gegeben wurden, kein
kritischer, fehlerhafter Anteil gefunden werden. Somit kann die
Zugabe von Ti zur feinen Kristallisation der Legierung führen, was
den internen Defekt des Gussprodukts verringert.
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Während die
Erfindung detailliert in Bezug auf spezielle Ausführungsformen
davon beschrieben wurde, würde
es für
den Fachmann offensichtlich, dass verschiedene Änderungen und Modifizierungen
darin gemacht werden können,
ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen.
