EP0918095A1 - Strukturbauteil aus einer Aluminium-Druckgusslegierung - Google Patents

Strukturbauteil aus einer Aluminium-Druckgusslegierung Download PDF

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EP0918095A1
EP0918095A1 EP97810884A EP97810884A EP0918095A1 EP 0918095 A1 EP0918095 A1 EP 0918095A1 EP 97810884 A EP97810884 A EP 97810884A EP 97810884 A EP97810884 A EP 97810884A EP 0918095 A1 EP0918095 A1 EP 0918095A1
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EP
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max
scandium
alloy
structural component
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Jürgen Wüst
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Magna BDW Technologies GmbH
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Alusuisse Lonza Services Ltd
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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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium

Definitions

  • the invention relates to a structural component, in particular a safety component in vehicle construction, made from an aluminum alloy by die casting, the aluminum alloy is selected so that it is connected to the component requirements regarding strength and ductility already in the as-cast state, if necessary after heat treatment in a temperature range of 230 up to 350 ° C, but without high-temperature annealing.
  • the aluminum alloy leads to the achievement of the object according to the invention 0.05 to 0.4% by weight of scandium and optionally 0.1 to 0.4% by weight Contains zirconium.
  • the preferred content ranges for scandium are 0.05 to 0.2% by weight, for zirconium at 0.1 to 0.3% by weight.
  • the present invention makes use of the knowledge that scandium and zirconium largely remain in supersaturated solution when cooled rapidly and lead to finely dispersed, submicron precipitates at temperatures in the range between approximately 230 and 350 ° C.
  • the strength of the base alloy can be increased by precipitation hardening.
  • Scandium can be partially replaced by zirconium; a combination of both elements leads to the favorable curing effect according to the invention due to the formation of the isomorphic phases Al 3 Sc and Al 3 Zr, both of which are characterized as face-centered cubic superstructure phases in the Al matrix lattice.
  • the strengthening effect of the scandium additive results in one small part already during the actual die casting process.
  • a substantial increase in strength can be achieved by a subsequent Heat treatment in a temperature range of 230 to 350 ° C reached become.
  • By choosing the appropriate temperature and duration of the heat treatment can be a desired optimum between high ductility and Strength can be adjusted.
  • This targeted control of the curing effect of scandium or scandium and zirconium becomes the setting tailor-made mechanical properties on a structural component possible.
  • the alloys are therefore Particularly suitable for the production of structural components that are used as safety components in vehicle construction and in particular in automobile construction, for example as space frame nodes or as crash elements.
  • the Structural components are particularly suitable for applications in which one Temperature stress occurs up to about 180 ° C.
  • alloy Composition (% by weight) Si Fe Mn Mg Zr Ti Sc 1 0.10 0.10 1.2 3.2 0.016 0.15 2nd 0.043 0.077 1.32 0.01 0.089 0.099 0.14
  • a die-cast part was produced from alloy 1. Alloy 2 was cast into plates with a thickness of 3 mm to simulate the cooling during die casting using the die casting process. Test rods for tensile tests were worked out from the cast parts and the mechanical properties in the cast state with and without subsequent heat treatment were measured on them. The results are summarized in Table 2.
  • Rp 0.2 means the yield strength
  • Rm the tensile strength
  • A5 the elongation at break.
  • alloy Heat treatment Mechanical properties Rp0.2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%) 1 140 260 18th 1 270 ° C / 5h 210 300 8th 2nd 60 130 32 2nd 350 ° C / 6h 120 180 16

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Abstract

Zur Herstellung eines Strukturbauteils, insbesondere eines Sicherheitsbauteils im Fahrzeugbau, aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen wird die Aluminiumlegierung so gewählt, dass die an das Bauteil bezüglich Festigkeit und Duktilität gestellten Anforderungen bereits im Gusszustand, gegebenenfalls nach einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 230 bis 350°C, jedoch ohne Hochtemperaturglühung, erfüllt sind. Mit einem Zusatz von 0,05 bis 0,4 Gew.-% Scandium sowie wahlweise noch 0,1 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium wird die Festigkeit im Gusszustand weiter erhöht und durch entsprechende Wahl von Temperatur und Zeitdauer einer nachfolgenden Wärmebehandlung kann ein gewünschtes Optimum zwischen hoher Duktilität und Festigkeit eingestellt werden. Die Aluminiumlegierung besteht weiter aus max. 0,5 Gew.-% Silizium, max. 1,0 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 1,6 Gew.-% Mangan, max. 5,0 Gew.-% Magnesium, max. 0,3 Gew.-% Titan, max. 0,1 Gew.-% Zink und Verunreinigungen einzeln max. 0,01 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, insbesondere ein Sicherheitsbauteil im Fahrzeugbau, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen, wobei die Aluminiumlegierung so gewählt ist, dass die an das Bauteil bezüglich Festigkeit und Duktilität gestellten Anforderungen bereits im Gusszustand, ggf. nach einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 230 bis 350°C, jedoch ohne Hochtemperaturglühung, erfüllt sind.
Mit modernen Giessverfahren können heute hochbelastbare Formteile auch aus Aluminiumlegierungen hergestellt werden. Die eingesetzten Aluminiumwerkstoffe müssen allerdings eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Eine wesentliche Voraussetzung für die Eignung eines Werkstoffs ist die Einhaltung bestimmter mechanischer Kennwerte. So bestimmen etwa Mindestwerte von Streckgrenze und Festigkeit die Tragfähigkeit einer Konstruktion. Im Fahrzeugbau kommt die Anforderung hinzu, dass die bei einem Zusammenstoss deformierten Bauteile vor dem Bruch möglichst viel Energie durch plastische Verformung absorbieren sollen, was eine hohe Duktilität des eingesetzten Werkstoffs erfordert. Eine weitere Voraussetzung ist eine kostengünstige Herstellungsmöglichkeit des Formteils. Hier bietet sich der Druckguss an, wobei für höchste Qualitätsansprüche Spezialverfahren zu bevorzugen sind, mit denen eine gute Formfüllung auch bei geringen Wandstärken des Gussteils erreicht und die Bildung von die Duktilität des Bauteils herabsetzenden Gaseinschlüssen vermindert werden kann.
Zur Herstellung von Druckgussteilen aus Aluminiumwerkstoffen werden heute noch zu einem wesentlichen Teil Aluminiumlegierungen mit einem Anteil von 7 bis 10% Silizium eingesetzt. Diese AlSi-Legierungen mit kleinem Magnesium-Zusatz zeichnen sich durch eine ausserordentlich gute Giessbarkeit bei geringer Klebeneigung des Gussteils in der Form auf. Diese Legierungen erfordern jedoch zur Einformung des Eutektikums eine Hochglühung bei Temperaturen von mindestens 480°C. Damit das Baute die geforderten Festigkeitswerte aufweist, muss das derart lösungsgeglühte Bauteil abgeschreckt und nachfolgend warm ausgelagert werden; der kleine Magnesium-Zusatz bis zu 0,4% ist dafür verantwortlich.
Bauteile mit teilweise geringen Wandstärken, wie sie beispielsweise als Strukturbauteile im Automobilbau eingesetzt werden, verziehen sich beim Abschrecken und müssen daher gerichtet werden. Zudem kann die hohe Glühtemperatur infolge einer Restgasporositat zu Blasenbildung an der Oberfläche der Bauteile führen. Zur Herstellung von Strukturbauteilen der genannten Art durch Druckgiessen wurde deshalb nach Möglichkeiten gesucht, die geforderten Festigkeits- und Dehnungswerte auch mit naturharten Legierungen ohne Durchführung einer Lösungsglühung zu erzielen. Um das Kleben des Gussteils in der Form zu vermindern, wurden unter Inkaufnahme einer Duktilitätseinbusse Legierungen mit bis zu 1% Eisen eingesetzt.
Zur Erzielung der heute an Sicherheitsbauteile im Fahrzeug- und insbesondere im Automobilbau gestellten Anforderungen bezüglich Festigkeit und Duktilität ist ein wesentlicher Fortschritt durch die Einführung von Werkstoffen mit niedrigem Eisengehalt gelungen. Mit dieser Massnahme wird der Volumenanteil spröder intermetallischer Phasen des Eisen mit dem Aluminium verringert. Das bei tiefen Eisengehalten auftretende Kleben des Gussteils an der Formwand wird mit einem höheren Gehalt an Mangan, das eine ähnliche Wirkung wie Eisen zeigt, kompensiert. Mit der Zugabe von Mangan wird allerdings der Anteil intermetallischer Phasen des Typs Al(MnFe) wiederum vergrössert. Da die Verteilung und Grösse der manganhaltigen intermetallischen Partikel im Vergleich zu den eisenhaltigen Phasen aber weitaus günstiger ist, ergibt sich bei etwa gleichem Festigkeitsniveau eine erhöhte Duktilität. Derartige Werkstoffe mit niedrigem Eisengehalt, d.h. Legierungen, bei denen Eisen durch Mangan substituiert ist, sind in letzter Zeit mit Erfolg in der Produktion eingeführt worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für im Druckguss hergestellte Strukturbauteile der eingangs genannten Art geeignete Werkstoffe mit weiter verbesserten mechanischen Eigenschaften bereitzustellen. Insbesondere sollen die für das Druckgiessen bekannten naturharten Legierungen bezüglich ihrer Eigenschaftskombination von Festigkeit und Bruchdehnung weiter verbessert werden. Für Sicherheitsteile im Automobilbau sollten die folgenden Minimalwerte im Gusszustand bzw. nach einer Wärmebehandlung ohne Lösungsglühung erreicht werden:
Dehngrenze (Rp0.2):
120 MPa
Zugfestigkeit (Rm):
180 MPa
Dehnung (A5):
10%.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Aluminiumlegierung 0,05 bis 0,4 Gew.-% Scandium sowie wahlweise noch 0,1 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium enthält.
Die bevorzugten Gehaltsbereiche liegen für Scandium bei 0,05 bis 0,2 Gew.-%, für Zirkonium bei 0,1 bis 0,3 Gew.-%.
Die vorliegende Erfindung macht sich die Erkenntnis zunutze, dass Scandium und Zirkonium bei rascher Abkühlung zum grössten Teil in übersättigter Lösung bleiben und bei Temperaturen im Bereich zwischen etwa 230 und 350°C zu feindispersen, submikronen Ausscheidungen führen. Mit einem Zusatz von Scandium kann daher die Festigkeit der Grundlegierung durch eine Ausscheidungshärtung erhöht werden. Scandium kann teilweise durch Zirkonium ersetzt werden; eine Kombination beider Elemente führt infolge der Bildung der isomorphen Phasen Al3Sc und Al3Zr, die beide als kubisch flächenzentrierte Überstrukturphasen im Al-Matrixgitter gekennzeichnet sind, zu dem erfindungsgemässen günstigen Aushärtungseffekt.
Aufgrund der Wirkungsweise von Scandium darf angenommen werden, dass sich der festigkeitssteigernde Effekt bei allen naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen auswirkt, welche einen geringen Gehalt an Silizium aufweisen und die verfahrensbedingt durch rasche Erstarrung und damit Übersättigung der Elemente Scandium und Zirkonium erzeugt werden.
Zur Herstellung des erfindungsgemässen Strukturbauteiles geeignete Druckgusslegierungen bestehen bevorzugt aus
  • max. 0,5 Gew.-% Silizium
  • max. 1,0 Gew.-% Eisen
  • 0,1 bis 1,6 Gew.-% Mangan
  • max. 5,0 Gew.-% Magnesium
  • max. 0,3 Gew.-% Titan
  • max. 0,1 Gew.-% Zink
  • 0,05 bis 0,4 Gew.-% Scandium
    wahlweise noch
  • 0,1 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium
    • sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
    Innerhalb der vorstehend angegebenen Bereichsgrenzen für die Legierungselemente haben sich zwei Legierungssysteme als besonders vorteilhaft herausgestellt.
    Bei einem ersten Legierungssystem (AlMnFe) besteht die Legierung bevorzugt aus
  • 0,1 bis 0,8, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium
  • 0,2 bis 0,8, vorzugsweise 0,5 bis 0,7 Gew.-% Eisen
  • 0,5 bis 1,8, vorzugsweise 1,2 bis 1,4 Gew.-% Mangan
  • max. 1,5 Gew.-% Magnesium
  • max. 0,3 Gew.-% Titan
  • max. 0,1 Gew.-% Zink
  • 0,05 bis 0,4, vorzugsweise 0,05 bis 0,2 Gew.-% Scandium
    wahlweise noch
  • 0,1 bis 0,4, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium
    • sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
    Bei einem zweiten bevorzugten Legierungssystem (AlMgMn) besteht die Legierung bevorzugt aus
  • 0,05 bis 1,0, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium
  • 0,05 bis 0,2, vorzugsweise max. 0,15 Gew.-% Eisen
  • 0,5 bis 1,8, vorzugsweise 0,8 bis 1,0 Gew.-% Mangan
  • 2,0 bis 4,5, vorzugsweise 2,5 bis 3,5 Gew.-% Magnesium
  • max. 0,2 Gew.-% Titan
  • max. 0,1 Gew.-% Zink
  • 0,05 bis 0,4, vorzugsweise 0,05 bis 0,2 Gew.-% Scandium
    wahlweise noch
  • 0,1 bis 0,4, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium
    • sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
    Die festigkeitsteigernde Wirkung des Scandiumzusatzes ergibt sich zu einem geringen Teil bereits während des eigentlichen Druckgiessvorganges. Eine wesentliche Erhöhung der Festigkeit kann jedoch durch eine nachfolgende Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 230 bis 350°C erreicht werden. Durch entsprechende Wahl von Temperatur und Zeitdauer der Wärmebehandlung kann ein gewünschtes Optimum zwischen hoher Duktilität und Festigkeit eingestellt werden. Durch diese gezielte Steuerung des Aushärtungseffektes von Scandium bzw. Scandium und Zirkonium wird die Einstellung massgeschneiderter mechanischer Eigenschaften an einem Strukturbauteil möglich.
    Mit dem erfindungsgemässen Zusatz von Scandium und ggf. Zirkonium lassen sich die bekannten naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen bezüglich Festigkeit und Duktilität entscheidend verbessern. Die Legierungen sind daher besonders geeignet zur Herstellung von Strukturbauteilen, die als Sicherheitsbauteile im Fahrzeugbau und insbesondere im Automobilbau, beispielsweise als Space Frame Knoten oder als Crashelemente, eingesetzt werden. Die Strukturbauteile eignen sich insbesondere für Anwendungen, bei welchen eine Temperaturbelastung bis etwa 180°C auftritt.
    Die vorteilhafte Wirkung eines Zusatzes von Scandium bzw. Scandium und Zirkonium zu naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen ergibt sich aus den nachfolgend zusammengestellten Versuchsergebnissen beispielhafter Legierungen.
    Beispiele
    Die untersuchten Legierungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt.
    Legierung Zusammensetzung (Gew.-%)
    Si Fe Mn Mg Zr Ti Sc
    1 0.10 0.10 1.2 3.2 0.016 0.15
    2 0.043 0.077 1.32 0.01 0.089 0.099 0.14
    Aus der Legierung 1 wurde ein Druckgussteil hergestellt. Die Legierung 2 wurde zur Simulation der Abkühlung beim Druckgiessen im Kokillengiessverfahren zu Platten von 3 mm Dicke vergossen. Aus den Gussteilen wurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet und an diesen die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand mit und ohne nachfolgende Wärmebehandlung gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Hierbei bedeuten Rp 0.2 die Dehngrenze, Rm die Zugfestigkeit und A5 die Bruchdehnung.
    Legierung Wärmebehandlung Mechanische Eigenschaften
    Rp0.2 (MPa) Rm (MPa) A5 (%)
    1 140 260 18
    1 270°C/5h 210 300 8
    2 60 130 32
    2 350°C/6h 120 180 16
    Die Versuche zeigen deutlich das Potential von Scandium bzw. von Scandium und Zirkonium bezüglich der Einstellungsmöglichkeiten von Festigkeit und Duktilität am gegossenen Bauteil mittels einer entsprechend angepassten Wärmebehandlung.

    Claims (8)

    1. Strukturbauteil, insbesondere Sicherheitsbauteil im Fahrzeugbau, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen, wobei die Aluminiumlegierung so gewählt ist, dass die an das Bauteil bezüglich Festigkeit und Duktilität gestellten Anforderungen bereits im Gusszustand, gegebenenfalls nach einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C, jedoch ohne Hochtemperaturglühung, erfüllt sind,
      dadurch gekennzeichnet, dass
      die Aluminiumlegierung 0,05 bis 0,4 Gew.-% Scandium sowie wahlweise noch 0,1 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium enthält.
    2. Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,05 bis 0,2 Gew.-% Scandium sowie wahlweise 0,1 bis 0,3 Gew.-% Zirkonium enthält.
    3. Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
      max. 0,5 Gew.-% Silizium
      max. 1,0 Gew.-% Eisen
      0,1 bis 1,6 Gew.-% Mangan
      max. 5,0 Gew.-% Magnesium
      max. 0,3 Gew.-% Titan
      max. 0,1 Gew.-% Zink
      0,05 bis 0,4 Gew.-% Scandium
      wahlweise noch
      0,1 bis 0,4 Gew.-% Zirkonium
      sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
    4. Strukturbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
      0,1 bis 0,8, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium
      0,2 bis 0,8, vorzugsweise 0,5 bis 0,7 Gew.-% Eisen
      0,5 bis 1,8, vorzugsweise 1,2 bis 1,4 Gew.-% Mangan
      max. 1,5 Gew.-% Magnesium
      max. 0,3 Gew.-% Titan
      max. 0,1 Gew.-% Zink
      0,05 bis 0,4, vorzugsweise 0,05 bis 0,2 Gew.-% Scandium
      wahlweise noch
      0,1 bis 0,4, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium
      sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-% besteht.
    5. Strukturbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
      0,05 bis 1,0, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium
      0,05 bis 0,2, vorzugsweise max. 0,15 Gew.-% Eisen
      0,5 bis 1,8, vorzugsweise 0,8 bis 1,0 Gew.-% Mangan
      2,0 bis 4,5, vorzugsweise 2,5 bis 3,5 Gew.-% Magnesium
      max. 0,2 Gew.-% Titan
      max. 0,1 Gew.-% Zink
      0,05 bis 0,4, vorzugsweise 0,05 bis 0,2 Gew.-% Scandium
      wahlweise noch
      0,1 bis 0,4, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium
      sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
    6. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das am Bauteil zur Erhöhung der Festigkeit eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 230 bis 350°C durchgeführt worden ist.
    7. Verwendung eines Strukturbauteiles nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Sicherheitsbauteil im Fahrzeugbau.
    8. Verwendung eines Strukturbauteiles nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für Anwendungen mit einer Temperaturbelastung bis etwa 180°C.
    EP97810884A 1997-11-20 1997-11-20 Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles aus einer Aluminium-Druckgusslegierung Expired - Lifetime EP0918095B1 (de)

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    ES (1) ES2192257T3 (de)
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