EP0918096B1 - Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles aus einer Aluminium-Druckgusslegierung - Google Patents
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Classifications
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a structural component made of an aluminum alloy by die casting.
- JP-A-56 087 646 is a die-cast aluminum alloy with 1.7 up to 4.0% manganese, 0.05 to 0.6% vanadium and less than 0.5% Impurities known as iron and silicon. By adding Manganese and vanadium are said to improve the castability. In addition, should the castings have high strength and the formation of a enable uniform anodic oxide layer.
- the invention has for its object to provide suitable materials with further improved mechanical properties for structural components of the type mentioned manufactured in die casting.
- the natural hard alloys known for die casting are to be further improved with regard to their combination of properties of strength and elongation at break.
- a method with the features of claim 1 leads to the achievement of the object according to the invention.
- Die-cast alloys suitable for the production of the structural component consist of Max. 1.4 % By weight silicon Max. 0.8 Wt% iron 0.1 to 1.6 Wt% manganese Max. 5.0 % By weight magnesium Max. 0.2 % By weight titanium Max. 0.1 % By weight zinc 0.05 to 0.3 % By weight vanadium as well as aluminum as the rest with further impurities individually max. 0.02% by weight, max. 0.2% by weight.
- the alloy in a first alloy system (AlMnFe), preferably consists of 0.1 to 0.8, preferably 0.15 to 0.25 % By weight silicon 0.2 to 0.8, preferably 0.3 to 0.6 Wt% iron 0.5 to 1.6, preferably 0.7 to 0.9 Wt% manganese Max. 1.5 % By weight magnesium Max. 0.2 % By weight titanium Max. 0.1 % By weight zinc 0.05 to 0.3, preferably 0.1 to 0.2 % By weight vanadium as well as aluminum as the rest with further impurities individually max. 0.02% by weight, max. 0.2% by weight.
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- the known ones Naturally hard aluminum die casting alloys are decisive with regard to their ductility improve.
- the alloys are therefore particularly suitable for Manufacture of structural components used as safety components in vehicle construction and especially in automotive engineering, for example as a space frame node or as crash elements.
- the structural components are suitable especially for applications in which a temperature load up to about 180 ° C occurs.
- Alloys 4 and 8 are according to the invention, the other alloys are commercially available comparative alloys.
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles
aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen.
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 Bauteil 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 Restgasporosität 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 Typ AlMn(Fe) 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. Legierung, bei denen Eisen durch Mangan substituiert
ist, sind in letzter Zeit mit Erfolg in der Produktion eingeführt worden.
Aus der JP-A-56 087 646 ist eine Druckgusslegierung aus Aluminium mit 1,7
bis 4,0 % Mangan, 0,05 bis 0,6% Vanadium und weniger als 0,5%
Verunreinigungen wie Eisen und Silizium bekannt. Durch den Zusatz von
Mangan und Vanadium soll die Giessbarkeit verbessert werden. Zudem sollen
die Gussteile eine hohe Festigkeit aufweisen und die Bildung einer
gleichmässigen anodischen Oxidschicht ermöglichen.
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 ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Es wird vermutet, dass die beobachtete positive Wirkung von Vanadium hinsichtlich
der Duktilität des Gussteils auf eine Komfeinung im Gussgefüge zurückzuführen
ist. Zudem konnte festgestellt werden, dass durch den Vanadiumzusatz
auch die Klebeneigung des Gussteils in der Form verringert wird,
was erlaubt, den Mangangehalt etwas abzusenken. Darüber hinaus verbessert
Vanadium durch Verminderung der Rissneigung die Giessbarkeit und das Gefüge,
so dass ingesamt die Duktilität weiter verbessert wird.
Aufgrund der vermuteten Wirkungsweise von Vanadium darf angenommen
werden, dass sich der positive Effekt auf die Duktilität bei allen naturharten
Aluminium-Druckgusslegierungen auswirkt.
Zur Herstellung des Strukturbauteiles geeignete Druckgusslegierungen
bestehen aus
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02
Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
| max. 1,4 | Gew.-% Silizium |
| max. 0,8 | Gew.-% Eisen |
| 0,1 bis 1,6 | Gew.-% Mangan |
| max. 5,0 | Gew.-% Magnesium |
| max. 0,2 | Gew.-% Titan |
| max. 0,1 | Gew.-% Zink |
| 0,05 bis 0,3 | Gew.-% Vanadium |
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
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02
Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
| 0,1 bis 0,8, | vorzugsweise 0,15 bis 0,25 | Gew.-% Silizium |
| 0,2 bis 0,8, | vorzugsweise 0,3 bis 0,6 | Gew.-% Eisen |
| 0,5 bis 1,6, | vorzugsweise 0,7 bis 0,9 | Gew.-% Mangan |
| max. 1,5 | Gew.-% Magnesium | |
| max. 0,2 | Gew.-% Titan | |
| max. 0,1 | Gew.-% Zink | |
| 0,05 bis 0,3, | vorzugsweise 0,1 bis 0,2 | Gew.-% Vanadium |
Bei einem zweiten bevorzugten Legierungssystem (AlMgMn) besteht die Legierung
bevorzugt aus
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02
Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
| 0,05 bis 1,0, | vorzugsweise 0,15 bis 0,25 | Gew.-% Silizium |
| 0,05 bis 0,2, | vorzugsweise 0,05 bis 0,1 | Gew.-% Eisen |
| 0,5 bis 1,6, | vorzugsweise 0,7 bis 0,9 | Gew.-% Mangan |
| 2,0 bis 4,5, | vorzugsweise 2,5 bis 3,0 | Gew.-% Magnesium |
| max. 0,2 | Gew.-% Titan | |
| max. 0,1 | Gew.-% Zink | |
| 0,05 bis 0,3, | vorzugsweise 0,1 bis 0,2 | Gew.-% Vanadium |
Die positive Wirkung des Vanadiumzusatzes stellt sich bereits während des
eigentlichen Druckgiessvorganges ein. Eine weitere Erhöhung der Bruchdehnung
bei schwachem Festigkeitsrückgang kann durch eine nachfolgende
Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C erreicht
werden. Durch entsprechende Wahl von Temperatur und Zeitdauer der Wärmebehandlung
kann ein gewünschtes Optimum zwischen hoher Duktilität und
Festigkeit eingestellt werden. Dadurch wird die Einstellung massgeschneiderter
mechanischer Eigenschaften an einem Strukturbauteil möglich.
Mit dem erfindungsgemässen Zusatz von Vanadium lassen sich die bekannten
naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen bezüglich ihrer 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 Vanadium zu naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen
ergibt sich aus den nachfolgend zusammengestellten
Versuchsergebnissen beispielhafter Legierungen.
Die untersuchten Legierungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Legierungen
4 und 8 sind erfindungsgemäss, die übrigen Legierungen stellen handelsübliche
Vergleichslegierungen dar.
| Leg. | Zusammensetzung | ||||||||||
| Si | Fe | Cu | Mn | Mg | Zn | V | Tl | Sb | Zr | Giessverhalten | |
| 1 | 2 | 0.063 | <0.003 | 0.67 | 6.26 | 0.005 | <0.01 | 0.14 | Einfallstellen | ||
| 2 | 0.81 | 0.088 | 0.30 | 0.65 | 0.92 | 0.83 | <0.01 | 0.15 | Risse | ||
| 3 | 1.26 | 0.065 | <0.003 | 0.87 | 4.31 | <0.005 | 0.01 | 0.15 | Risse | ||
| 4 | 1.25 | 0.074 | <0.003 | 0.86 | 4.43 | <0.005 | 0.078 | 0.15 | ohne Risse | ||
| 5 | 1.25 | 0.068 | <0.003 | 0.86 | 4.48 | <0.005 | <0.01 | 0.14 | 0.015 | wenig Risse | |
| 6 | 1.26 | 0.072 | 0.17 | 0.86 | 4.51 | <0.005 | <0.01 | 0.15 | Risse | ||
| 7 | 0.101 | 0.066 | <0.01 | 1.20 | 3.14 | <0.01 | <0.01 | 0.01 | 0.144 | Risse | |
| 8 | 0.104 | 0.063 | <0.01 | 1.21 | 3.20 | <0.01 | 0.14 | 0.008 | ohne Risse |
Die Legierungen wurden zur Simulation der Abkühlung beim Druckgiessen im
Kokillengiessverfahren zu Platten von 4 mm Dicke vergossen. Aus den
Gussteilen wurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet und an diesen
die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand gemessen. Die Ergebnisse
sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Hierbei bedeuten Rp 0.2 die Dehngrenze,
Rm die Zugfestigkeit und A5 die Bruchdehnung.
| Legierung | mechanische Eigenschaften | ||
| Rm(MPa) | Rp0.2(MPa) | A5(%) | |
| 1 | 254 | 153 | 3.7 |
| 2 | 197 | 110 | 10.0 |
| 3 | 244 | 136 | 6.5 |
| 4 | 262 | 139 | 9.9 |
| 5 | 243 | 135 | 6.5 |
| 6 | 237 | 136 | 5.6 |
| 7 | 246 | 137 | 12.5 |
| 8 | 252 | 140 | 15.4 |
Die Versuche zeigen deutlich die positive Wirkung von Vanadium auf das
Giessverhalten und die Duktilität der erfindungsgemässen Legierungen 4 und 8
im Gusszustand. Unter Inkaufnahme eines kleinen Festigkeitsverlustes lässt
sich die Duktilität der erfindungsgemässen Legierungen durch eine Wärmebehandlung
in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C weiter erhöhen.
Claims (7)
- Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
max. 1,4 Gew.-% Silizium max. 0,8 Gew.-% Eisen 0,1 bis 1,6 Gew.-% Mangan max. 5,0 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
0,1 bis 0,8 Gew.-% Silizium 0,2 bis 0,8 Gew.-% Eisen 0,5 bis 1,6 Gew.-% Mangan max. 1,5 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium - Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium 0,3 bis 0,6 Gew.-% Eisen 0,7 bis 0,9 Gew.-% Mangan max. 1,5 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
0,05 bis 1,0 Gew.-% Silizium 0,05 bis 0,2 Gew.-% Eisen 0,5 bis 1,6 Gew.-% Mangan 2,0 bis 4,5 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium - Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium 0,05 bis 0,1 Gew.-% Eisen 0,7 bis 0,9 Gew.-% Mangan 2,5 bis 3,0 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium - Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das Strukturbauteil als Sicherheitsbauteil im Fahrzeugbau verwendet wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Strukturbauteil für Anwendungen mit einer Temperaturbelastung bis etwa 180°C verwendet wird.
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