EP0792380A1 - Aluminium-gusslegierung - Google Patents

Aluminium-gusslegierung

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EP0792380A1 EP95937067A EP95937067A EP0792380A1 EP 0792380 A1 EP0792380 A1 EP 0792380A1 EP 95937067 A EP95937067 A EP 95937067A EP 95937067 A EP95937067 A EP 95937067A EP 0792380 A1 EP0792380 A1 EP 0792380A1
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase

Definitions

  • the invention relates to an aluminum casting alloy, in particular an aluminum die casting alloy.
  • Die casting technology has developed so far today that it is possible to produce castings with high quality standards.
  • the quality of a die-cast piece depends not only on the machine setting and the method chosen, but also to a large extent on the chemical composition and structure of the casting alloy used. These two last-mentioned parameters are known to influence the castability, the feeding behavior (G. Schindelbauer, J. Czikel "Mold filling capacity and volume deficit of common aluminum die-cast alloys" Giessereiforutz 42, 1990, p. 88/89), the mechanical properties and - Particularly important in die casting - the service life of the casting tools (LA Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson "General Aspects on Wash-out Mechanism in Alumium Diecasting Dies", 17th International NADCADiecastingcongress 1993, Cleveland OH).
  • the castings are subjected to a heat treatment.
  • This heat treatment is necessary for molding the casting phases and thus for achieving tough fracture behavior.
  • Heat treatment usually means solution annealing at temperatures just below the target temperature with subsequent quenching in water or another medium to temperatures ⁇ 100 ⁇ C.
  • the material treated in this way now has a low yield strength and tensile strength.
  • a warm aging is then carried out. This can also be done depending on the process, for example by thermal exposure during painting or by the relaxation annealing of the entire component group.
  • the degree of purity of the aluminum used to manufacture the alloy corresponds to that of aluminum A199.8H.
  • This alloy has a well molded ⁇ phase in the as-cast state.
  • the eutectic mainly consisting of Mg_Si and Al ß Mn phases, is very fine and therefore leads to a highly ductile fracture behavior.
  • the eutectic portion of about 30% ensures excellent pourability.
  • the manganese content prevents sticking in the mold and ensures good mold release.
  • the magnesium content in connection with manganese gives the cast piece a high level of design strength, so that very little or no distortion can be expected even when it is removed from the mold.
  • this alloy can be used excellently for thixocasting or thixo forging.
  • the ⁇ phase forms immediately when it melts again, so that excellent thixotropic properties are present.
  • a grain size of ⁇ 100 ⁇ m is generated at the usual heating speeds.
  • a preferred alloy composition has
  • Another preferred alloy composition has
  • a particular embodiment of the aluminum cast embedding according to the invention is seen in the fact that the alloy is already in the rheological structure and is therefore particularly suitable for thixocasting or thixo forging.
  • the aluminum casting alloy according to the invention is intended in particular for processing in die casting, it can of course also be cast using other methods, e.g.
  • the alloy is heat-treatable, weldable and shows excellent casting behavior.
  • a preferred use of the aluminum casting alloy according to the invention is in die casting for components with high demands on the mechanical properties, without the need for heat treatment.

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Description

Aluminium-Gusslegierung
Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Gusslegierung, insbe¬ sondere eineAluminium-Druckgusslegierung.
Die Druckgusstechnik hat sich heute soweit entwickelt, dass es möglich ist, Gussstücke mit hohen Qualitätsansprüchen herzustellen. Die Qualität eines Druckgussstückes hängt aber nicht nur von der Maschineneinstellung und dem gewähl¬ ten Verfahren ab, sondern in hohem Masse auch von der chemi¬ schen Zusammensetzung und der Gefügestruktur der verwende- ten Gusslegierung. Diese beiden letztgenannten Parameter beeinflussen bekanntermassen die Giessbarkeit, das Spei¬ sungsverhalten (G. Schindelbauer, J. Czikel "Formfüllungs- vermögen und Volumendefizit gebräuchlicher Aluminiumdruck¬ gusslegierungen" Giessereiforschung 42, 1990, S. 88/89), die mechanischen Eigenschaften und -- im Druckguss ganz be¬ sonders wichtig — die Lebensdauer der Giesswerkzeuge (L.A. Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson "General Aspects on Wash-out Mechanism in Alumium Diecasting Dies", 17. Inter¬ national NADCADiecastingcongress 1993, Cleveland OH).
In der Vergangenheit wurde der Entwicklung von speziell für den Druckguss anspruchsvoller Gussstücke geeigneten Legie¬ rungen wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Die meisten Anstren¬ gungen wurden auf die Weiterentwicklung der Verfahrenstech- nik des Druckgussprozesses verwendet. Gerade von Konstruk¬ teuren der Automobilindustrie wird aber immer mehr gefor¬ dert, schweissbare Bauteile mit hoher Duktilität im Druck¬ guss zu realisieren, da bei hohen Stückzahlen der Druckguss die kostengünstigste Produktionsmethodedarstellt.
Damit die gefordertenmechanischen Eigenschaften, insbeson¬ dere eine hohe Bruchdehnung, erreicht werden können, müssen die Gussteile einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Die¬ se Wärmebehandlung ist zur Einformung der Gussphasen und damit zur Erzielung eines zähen Bruchverhaltens notwendig. Eine Wärmebehandlung bedeutet in der Regel eine Lösungsglü- hung bei Temperaturen knapp unterhalb der Solldustemperatur mit nachfolgendem Abschrecken in Wasser oder einem anderen Medium auf Temperaturen <100βC. Der so behandelte Werkstoff weist nun eine geringe Dehngrenze und Zugfestigkeit auf. Um diese Eigenschaften auf den gewünschten Wert zu heben, wird anschliessend eine Warmauslagerung durchgeführt. Diese kann auch prozessbedingt erfolgen, z.B. durch eine thermische Beaufschlagung beim Lackieren oder durch das Entspannungs- glüheneinerganzenBauteilgruppe.
Da Druckgussstücke endabmessungsnah gegossen werden, haben sie meist eine komplizierte Geometrie mit dünnen Wandstär¬ ken. Während des Lösungsglühens und besonders beim Ab- schreckprozess muss mit Verzug gerechnet werden, der eine Nacharbeit z.B. durch Richten der Gussstücke oder im schlimmsten Fall Ausschuss nach sich ziehen kann. Die Lö- sungsglühung verursacht zudem zusätzliche Kosten und die Wirtschaftlichkeit dieser Produktionsmethode könnte we¬ sentlich erhöht werden, wenn Legierungen zur Verfügung ste¬ hen würden, die die geforderten Eigenschaften ohne eine Wär- mebehandlung erfüllen.
Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine Aluminium-Gusslegierung zu ent¬ wickeln, die folgendeEigenschaftenaufweist:
gute mechanische Eigenschaften im Gusszustand, insbesondere einehohe Bruchdehnung guteVergiessbarkeit keineKlebeneigung, gute Entformbarkeit - hoheGestaltsfestigkeit guteSchweissbarkeit Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Legierung
3,0 bis 6,0 Gew.%Magnesium 1,4 bis 3,5 Gew.% Silizium
0,5 bis 2,0 Gew.%Mangan max. 0,2 Gew.% Titan max. 0,15 Gew.% Eisen
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen ein¬ zeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.% enthält. Der zur Herstellung der Legierung verwendete Reinheitsgrad des Aluminiums entspricht einem Hütten-Aluminium der Qualität A199.8H.
Spezielle und weiterbildende Ausführungsarten der erfin¬ dungsgemässen Aluminium-Gusslegierung sind Gegenstand von abhängigen Patentansprüchen.
Diese Legierung weist im Gusszustand eine gut eingeformte α- Phase auf. Das Eutektikum, überwiegend bestehend aus Mg_Si- und AlßMn-Phasen, ist sehr fein ausgebildet und führt daher zu einem hochduktilen Bruchverhalten. Der eutektische An¬ teil von etwa 30% gewährleistet eine ausgezeichnete Giess- barkeit. Durch den Anteil an Mangan wird das Kleben in der Form vermieden und eine gute Entformbarkeit gewährleistet. Der Magnesiumgehalt in Verbindung mit Mangan gibt dem Guss¬ stück eine hohe Gestaltsfestigkeit, so dass auch beim Ent- formen mit sehr geringem bis gar keinem Verzug zu rechnen ist.
Aufgrund der bereits eingeformten α-Phase lässt sich diese Legierung hervorragend für das Thixocasting bzw. Thixo- schmieden einsetzen. Die α-Phase formt sich beim Wiederauf- schmelzen sofort ein, so dass hervorragende thixotrope Ei¬ genschaftenvorliegen. Bei den üblichenAufheizgeschwindig- keitenwird eine Korngrössevon <100μmerzeugt. Eine bevorzugte Legierungszusammensetzungweist
4,6 bis 5,8 Gew.% Magnesium 2,0 bis 2,8 Gew.% Silizium
0,6 bis 1,5 Gew.% Mangan 0,1 bis 0,2 Gew.% Titan max. 0,1 Gew.% Eisen
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen ein¬ zelnmax.0,02 Gew.%, insgesamt max.0,2 Gew.% auf.
Eineweitere bevorzugte Legierungszusammensetzungweist
4,6 bis 5,4 Gew.% Magnesium
1,8 bis 2,5 Gew.% Silizium 0,5 bis 0,9 Gew.% Mangan 0,1 bis 0,2Gew.% Titan max. 0,15 Gew.% Eisen
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen ein¬ zelnmax.0,02 Gew.%, insgesamtmax.0,2Gew.% auf.
Eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Alumi- nlum-Gussleglerung wird darin gesehen, dass die Legierung bereits im Rheogefügezustand vorliegt und sich damit beson¬ ders für das Thixocasting bzw. Thixoschmiedeneignet.
Obwohl die erfindungsgemässe Aluminium-Gusslegierung ins- besondere zur Verarbeitung im Druckguss vorgesehen ist, kann sie selbstverständlich auch mit anderen Verfahren vergossen werden, z.B.
Sandguss Schwerkraftkokillenguss
Niederdruckguss Giessschmieden Thixocasting/Thixoschmieden
Die grössten Vorteile ergeben sich jedoch bei Giessverfah- ren, die mit hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten ablaufen, wiebeispielsweisebeimDruckgiessverfahren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungs- gemässen Aluminium-Gusslegierung sowie deren hervorragende Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei- bungeinesbevorzugtenAusführungsbeispiels.
Eine Legierungmitder Zusammensetzung
Si: 2,2 Gew.% Mn: 0,86 Gew.%
Mg: 5,4 Gew.% Ti: 0,14 Gew.% Fe: 0,1 Gew.%
Rest auf der Basis Hütten-Aluminiumder Qualität A199.8H,
wurde imDruckguss vergossen. Als Formdiente eine Platte mit einer Dickevon 4mm. Aus diesen Plattenwurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet.
Die nachfolgenden mechanischen Eigenschaften, Mittelwerte aus 21 Einzelmessungen, wurden im Gusszustand ermittelt:
17,2%
Vergleichsweise werden für eine Legierung des Typs AlMgδSi für die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand die fol- gendenWerte angegeben: p0,2 110-150 N/mm m 150-240 N/mm" 3-8%
Der Vergleich zeigt, dass die erfindungsgemässe Aluminium- Gusslegierung im Gusszustand sowohl bezüglich der Dehngren¬ ze (R 0 2) als auchbezüglichder Bruchdehnung (A5) denheute bekannten Legierungenweit überlegen ist.
Die Legierung ist wärmebehandelbar, schweissbar und zeigt einausgezeichnetes Giessverhalten. Einbevorzugter Einsatz der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung liegt im Druckguss für Bauteile mit hohen Anforderungen an die mecha¬ nischen Eigenschaften, ohne dass hierzu eine Wärmebehand- lung erforderlich ist.

Claims

Patentansprüche
1. Aluminium-Gusslegierung, insbesondere Aluminium- Druckgusslegierung,
dadurchgekennzeichnet,
dass sie
3,0 bis 6,0 Gew.%Magnesium 1,4 bis 3,5 Gew.% Silizium 0,5 bis 2,0 Gew.%Mangan max. 0,2 Gew.% Titan max. 0,15 Gew.% Eisen
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.% ent¬ hält.
2. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass sie
4,6 bis 5,8 Gew.%Magnesium 2,0 bis 2,8 Gew.% Silizium 0,6 bis 1,5 Gew.%Mangan 0, 1 bis 0,2 Gew.% Titan max. 0,1 Gew.% Eisen
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.% ent¬ hält.
3. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass sie
4, 6 bis 5,4 Gew.% Magnesium 1,8 bis 2,5 Gew.% Silizium 0,5 bis 0,9 Gew.%Mangan 0,1 bis 0,2 Gew.% Titan max. 0,15 Gew.% Eisen
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.% ent¬ hält.
4. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie bereits im Rheoge- fügezustand vorliegt und damit besonders für das Thixo- casting bzw. für das Thixoschmiedengeeignet ist.
5. Verfahren zum Vergiessen einer Alumlnium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich¬ net, dass die Erstarrung mit hoher Abkühlungsgeschwin¬ digkeit erfolgt.
6. Verwendung einer Alumlnium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für imDruckguss ohne nachfolgende Wär¬ mebehandlung hergestellte Bauteile mit hohen Anforde¬ rungenandiemechanischenEigenschaften.
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