EP0908527A1 - Aluminium-Gusslegierung - Google Patents
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Classifications
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- C22C—ALLOYS
- C22C21/00—Alloys based on aluminium
- C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
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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 cast pieces to manufacture with high quality requirements.
- the quality of a die casting depends not only on the machine setting and the chosen method, but also to a large extent on the chemical composition and structure the cast alloy used. These two latter parameters are known to influence the pourability, the feeding behavior (G. Schindelbauer, J. Czikel '' Mold Fill Capacity and Volume Deficit of Common Aluminum Die Cast Alloys '' Foundry Research 42, 1990, pp. 88/89), the mechanical Properties and - particularly important in die casting - the service life the casting tools (L.A. Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson "General Aspects on Wash-out Mechanism in Aluminum Diecasting Dies '', 17th International NADCA Diecasting Congress 1993, Cleveland OH).
- AlMg alloys are also known which are distinguished by a high ductility. Such an alloy is disclosed, for example, in US-A-5 573 606. However, these alloys have the disadvantage of high mold wear and cause molding problems, which significantly reduces productivity.
- the alloy should also be easy to weld, a high corrosion resistance and in particular show no susceptibility to stress corrosion cracking.
- This alloy has a well molded ⁇ phase in the as-cast state.
- the eutectic mainly consisting of Mg 2 Si and Al 6 Mn phases, is very fine and therefore leads to a highly ductile fracture behavior.
- the manganese content prevents sticking in the mold and ensures good mold release.
- the magnesium content in combination with manganese gives the casting a high level of design stability, so that very little or no distortion can be expected even when demoulded.
- this alloy can also be used for Use thixocasting or thixo forging.
- the ⁇ phase forms when it melts again immediately, so that excellent thixotropic properties are available.
- a grain size of ⁇ 100 ⁇ m is generated at the usual heating speeds.
- the tendency of the casting to stick in the mold can be drastically reduced and the forming behavior can be significantly improved if manganese partially through Cer is replaced.
- the alloy therefore preferably contains 0.05 to 0.80% by weight, in particular 0.10 to 0.50% by weight of cerium. An optimal effect is achieved if the sum of the cerium and manganese contents in the alloy is at least 0.80% by weight is and the alloy contains at least 0.4 wt .-% manganese.
- a special embodiment of the aluminum casting alloy according to the invention is seen in the fact that the alloy is already in the rheological structure and is particularly suitable for thixocasting or thixo forging.
- alloy is easy to weld, shows excellent casting behavior, a practically negligible tendency to stick and can be shaped well.
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Abstract
Eine Aluminium-Gusslegierung enthält 2,0 bis 3,3 Gew.-%: Magnesium; 0,15 bis 0,35 Gew.-%: Silizium; 0,20 bis 1,0 Gew.-%: Mangan; max. 0,20 Gew.-%: Eisen; max. 0,05 Gew.-%: Kupfer; max. 0,05 Gew.-%: Chrom; max. 0,10 Gew.-%: Zink; max. 0,003 Gew.-%: Beryllium; max. 0,20 Gew.-%: Titan; max. 0,80 Gew.-%: Cer sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0.02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%. Die Aluminium-Gusslegierung eignet sich insbesondere für Druckguss sowie Thixocasting bzw. Thixoschmieden. Eine besondere Verwendung liegt im Druckguss für Bauteile mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, da diese bereits im Gusszustand vorliegen und somit eine weitere Wärmebehandlung nicht erforderlich ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Gusslegierung, insbesondere eine Aluminium-Druckgusslegierung.
Die Druckgusstechnik hat sich heute soweit entwickelt, dass es möglich ist, Gussstükke
mit hohen Qualitätsansprüchen herzustellen. Die Qualität eines Druckgussstückes
hängt aber nicht nur von der Maschineneinstellung und dem gewählten Verfahren ab,
sondern in hohem Masse auch von der chemischen Zusammensetzung und der Gefügestruktur
der verwendeten Gusslegierung. Diese beiden letztgenannten Parameter
beeinflussen bekanntermassen die Giessbarkeit, das Speisungsverhalten (G. Schindelbauer,
J. Czikel ''Formfüllungsvermögen und Volumendefizit gebräuchlicher Aluminiumdruckgusslegierungen''
Giessereiforschung 42, 1990, S. 88/89), die mechanischen
Eigenschaften und -- im Druckguss ganz besonders wichtig -- die Lebensdauer
der Giesswerkzeuge (L.A. Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson "General Aspects on
Wash-out Mechanism in Aluminium Diecasting Dies'', 17. International NADCA Diecastingcongress
1993, Cleveland OH).
In der Vergangenheit wurde der Entwicklung von speziell für den Druckguss anspruchsvoller
Gussstücke geeigneten Legierungen wenig Aufmerksamkeit geschenkt.
Die meisten Anstrengungen wurden auf die Weiterentwicklung der Verfahrenstechnik
des Druckgussprozesses verwendet. Gerade von Konstrukteuren der Automobilindustrie
wird aber immer mehr gefordert, schweissbare Bauteile mit hoher Duktilität im
Druckguss zu realisieren, da bei hohen Stückzahlen der Druckguss die kostengünstigste
Produktionsmethode darstellt.
Durch die Weiterentwicklung der Druckgusstechnik ist es heute möglich, schweissbare
und wärmebehandelbare Gussstücke von hoher Qualität herzustellen. Dies hat den
Anwendungsbereich für Druckgussteile auf sicherheitsrelevante Komponenten erweitert.
Für derartige Komponenten werden heute üblicherweise AlSiMg-Legierungen
eingesetzt, da diese eine gute Giessbarkeit bei geringem Formenverschleiss aufweisen.
Damit die geforderten mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine hohe
Bruchdehnung, erreicht werden können, müssen die Gussteile einer Wärmebehandlung
unterzogen werden. Diese Wärmebehandlung ist zur Einformung der Gussphasen
und damit zur Erzielung eines zähen Bruchverhaltens notwendig. Eine Wärme
behandlung bedeutet in der Regel eine Lösungsglühung bei Temperaturen knapp
unterhalb der Solidustemperatur mit nachfolgendem Abschrecken in Wasser oder
einem anderen Medium auf Temperaturen <100°C. Der so behandelte Werkstoff
weist nun eine geringe Dehngrenze und Zugfestigkeit auf. Um diese Eigenschaften
auf den gewünschten Wert zu heben, wird anschliessend eine Wannauslagerung
durchgeführt. Diese kann auch prozessbedingt erfolgen, z.B. durch eine thermische
Beaufschlagung beim Lackieren oder durch das Entspannungsglühen einer ganzen
Bauteilgruppe.
Da Druckgussstücke endabmessungsnah gegossen werden, haben sie meist eine
komplizierte Geometrie mit dünnen Wandstärken. Während des Lösungsglühens und
besonders beim Abschreckprozess muss mit Verzug gerechnet werden, der eine
Nacharbeit z.B. durch Richten der Gussstücke oder im schlimmsten Fall Ausschuss
nach sich ziehen kann. Die Lösungsglühung verursacht zudem zusätzliche Kosten
und die Wirtschaftlichkeit dieser Produktionsmethode könnte wesentlich erhöht werden,
wenn Legierungen zur Verfügung stehen würden, die die geforderten Eigenschaffen
ohne eine Wärmebehandlung erfüllen.
Es sind auch AlMg-Legierungen bekannt, die sich durch eine hohe Duktilität auszeichnen.
Eine derartige Legierung ist beispielsweise in der US-A-5 573 606 offenbart.
Diese Legierungen haben aber den Nachteil eines hohen Formenverschleisses
und bringen Probleme beim Ausformen, was die Produktivität erheblich verringert.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Druckgusslegierung
mit hoher Bruchdehnung bei noch akzeptabler Dehngrenze zu schaffen, die eine
gute Giessbarkeit aufweist und in der Form möglichst wenig klebt. Die folgenden Minimalwerte
müssen im Gusszustand erreicht werden:
Die Legierung soll zudem gut schweissbar sein, einen hohen Korrosionswiderstand
aufweisen und insbesondere keine Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion zeigen.
Zur erfindungsgemässen Lösung führt, dass die Legierung aus
- 2,0 bis 3,3 Gew.-%
- Magnesium
- 0,15 bis 0,35 Gew.-%
- Silizium
- 0,20 bis 1,0 Gew.-%
- Mangan
- max. 0,20 Gew.-%
- Eisen
- max. 0,05 Gew.-%
- Kupfer
- max. 0,05 Gew.-%
- Chrom
- max. 0,10 Gew.-%
- Zink
- max. 0,003 Gew.-%
- Beryllium
- max. 0,20 Gew.-%
- Titan
- max. 0,80 Gew.-%
- Cer
Diese Legierung weist im Gusszustand eine gut eingeformte α-Phase auf. Das Eutektikum,
überwiegend bestehend aus Mg2Si- und Al6Mn-Phasen, ist sehr fein ausgebildet
und führt daher zu einem hochduktilen Bruchverhalten. 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 Gussstück eine hohe
Gestaltsfestigkeit, so dass auch beim Entformen mit sehr geringem bis gar keinem
Verzug zu rechnen ist.
Aufgrund der bereits eingeformten α-Phase lässt sich diese Legierung auch für das
Thixocasting bzw. Thixoschmieden einsetzen. Die α-Phase formt sich beim Wiederaufschmelzen
sofort ein, so dass hervorragende thixotrope Eigenschaften vorliegen.
Bei den üblichen Aufheizgeschwindigkeiten wird eine Korngrösse von <100µm erzeugt.
Zur Erzielung einer hohen Duktilität ist von wesentlicher Bedeutung, dass der Eisengehalt
in der Legierung möglichst tief gehalten wird. Überraschenderweise hat sich
gezeigt, dass die erfindungsgemässe Legierungszusammensetzung trotz geringem
Eisengehalt nicht zum Kleben in der Form neigt. Entgegen der allgemeinen Ansicht,
dass mit hohen Eisengehalten ein Kleben in der Form in jedem Fall verhindert werden
kann, hat sich beim erfindungsgemäss vorgeschlagenen Legierungstyp herausgestellt,
dass bei Erhöhung des Eisengehalts auf mehr als 0,4 Gew.-% bereits wieder
eine Zunahme der Klebeneigung beobachtet wird.
Für die einzelnen Legierungselemente werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt:
- Magnesium
- 2,4 bis 3,0 Gew.-%, insbesondere 2,4 bis 2,8 Gew.-%
- Silizum
- 0,20 bis 0,30 Gew.-%
- Mangan
- 0,30 bis 0,90 Gew.-%, insbesondere 0,40 bis 0,80 Gew.-%
- Eisen
- max. 0,15 Gew.-%
Die Klebeneigung des Gussstücks in der Form kann weiter drastisch vermindert und
das Ausformverhalten wesentlich verbessert werden, wenn Mangan teilweise durch
Cer ersetzt wird. Bevorzugt enthält die Legierung daher 0,05 bis 0,80 Gew.-%, insbesondere
0,10 bis 0,50 Gew.% Cer. Eine optimale Wirkung wird dann erreicht, wenn
die Summe der Gehalte an Cer und Mangan in der Legierung mindestens 0,80 Gew.-%
beträgt und die Legierung mindestens 0,4 Gew.-% Mangan enthält.
Eine besondere Ausgestaltung der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung
wird darin gesehen, dass die Legierung bereits im Rheogefügezustand vorliegt und
sich damit besonders für das Thixocasting bzw. Thixoschmieden eignet.
Obwohl die erfindungsgemässe Aluminium-Gusslegierung insbesondere zur Verarbeitung
im Druckguss vorgesehen ist, kann sie selbstverständlich auch mit anderen
Verfahren vergossen werden, z.B.
Die grössten Vorteile ergeben sich jedoch bei Giessverfahren, die mit hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten
ablaufen, wie beispielsweise beim Druckgiessverfahren.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung
sowie deren hervorragende Eigenschaften ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Aus vier verschiedenen Legierungen wurde auf einer Druckguss-Maschine mit 400 t
Schliesskraft jeweils ein Topf mit einer Wanddicke von 3 mm und den Abmessungen
120 x 120 x 60 mm gegossen. Aus den Seitenteilen wurden Probestäbe für Zugversuche
herausgearbeitet und an diesen die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand
gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst.
Hierbei bedeuten Rp0.2 die Dehngrenze, Rm die Zugfestigkeit und A5 die
Bruchdehnung. Bei den angegebenen Messwerten handelt es sich um Mittelwerte aus
10 Einzelmessungen. Die Legierungen wurden auf der Basis Hütten-Aluminium der
Qualität Al 99.8H erschmolzen.
Die Versuche zeigen, dass mit der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung die
bezüglich der Dehngrenze und der Bruchdehnung geforderten Minimalwerte im Gusszustand
erreicht werden.
Die Legierung ist gut schweissbar, zeigt ein ausgezeichnetes Giessverhalten, eine
praktisch vernachlässigbare Klebeneigung und lässt sich gut ausformen.
| Legierung 1 | Legierung 2 | Legierung 3 | Legierung 4 | |
| Si [Gew.-%] | 0.25 | 0.25 | 0.25 | 0.23 |
| Fe [Gew.-%] | 0.10 | 0.09 | 0.07 | 0.10 |
| Mn [Gew.-%] | 0.80 | 0.50 | 0.77 | 0.78 |
| Mg [Gew.-%] | 2.40 | 2.30 | 2.34 | 2.35 |
| Ce [Gew.-%] | 0.40 | 0.40 | 0.20 | -- |
| Rp0.2[N/mm2] | 107 | 100 | 120 | 129 |
| Rm [N/mm2] | 219 | 192 | 205 | 218 |
| A5 [%] | 20.9 | 16.5 | 16.3 | 20.0 |
Claims (9)
- Aluminium-Gusslegierung, insbesondere Aluminium-Druckgusslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
- 2,0 bis 3,3 Gew.-%
- Magnesium
- 0,15 bis 0,35 Gew.-%
- Silizium
- 0,20 bis 1,0 Gew.-%
- Mangan
- max. 0,20 Gew.-%
- Eisen
- max. 0,05 Gew.-%
- Kupfer
- max. 0,05 Gew.-%
- Chrom
- max. 0,10 Gew.-%
- Zink
- max. 0,003 Gew.-%
- Beryllium
- max. 0,20 Gew.-%
- Titan
- max. 0,80 Gew.-%
- Cer
- Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,4 bis 3,0 Gew.-%, insbesondere 2,4 bis 2,8 Gew.-% Magnesium enthält.
- Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,20 bis 0,30 Gew.-% Silizium enthält.
- Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,30 bis 0,90 Gew.-%, insbesondere 0,40 bis 0,80 Gew.-% Mangan enthält.
- Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,15 Gew.-% Eisen enthält.
- Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,05 bis 0,80 Gew.-%, insbesondere 0,10 bis 0,50 Gew.-% Cer enthält.
- Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Gehalte an Cer und Mangan in der Legierung min. 0,80 Gew.-% beträgt und die Legierung min. 0,40 Gew.-% Mangan enthält.
- Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung als Druckgusslegierung im Gusszustand eine Dehngrenze (Rp0.2) von min. 100 MPa und eine Bruchdehnung (A5) von min. 14% aufweist.
- Verwendung einer Aluminium-Legierung bestehend aus
- 2,0 bis 3,3 Gew.-%
- Magnesium
- 0,15 bis 0,35 Gew.-%
- Silizium
- 0,20 bis 1,0 Gew.-%
- Mangan
- max. 0,20 Gew.-%
- Eisen
- max. 0,05 Gew.-%
- Kupfer
- max. 0,05 Gew.-%
- Chrom
- max. 0,10 Gew.-%
- Zink
- max. 0,003 Gew.-%
- Beryllium
- max. 0,20 Gew.-%
- Titan
- max. 0,80 Gew.-%
- Cer
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