EP1443122B1 - Druckgusslegierung aus Aluminiumlegierung - Google Patents

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EP1443122B1
EP1443122B1 EP04405023A EP04405023A EP1443122B1 EP 1443122 B1 EP1443122 B1 EP 1443122B1 EP 04405023 A EP04405023 A EP 04405023A EP 04405023 A EP04405023 A EP 04405023A EP 1443122 B1 EP1443122 B1 EP 1443122B1
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ppm
aluminium alloy
max
titanium
alloy according
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Hubert Koch
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Aluminium Rheinfelden GmbH
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Aluminium Rheinfelden GmbH
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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
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
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    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys

Definitions

  • the invention relates to an aluminum alloy for die casting of components with high elongation in the cast state.
  • the die casting technology has developed so far today that it is possible to produce components with high quality standards.
  • the quality of a die casting depends not only on the machine setting and the chosen process, but also to a great extent on the chemical composition and the microstructure of the aluminum alloy used. These two latter parameters are known to influence the castability, the feeding behavior ( G. Schindelbauer, J. Czikel “Shape Fillability and Volume Deficit of Usual Aluminum Die Casting Alloys", foundry research 42, 1990, p. 88/89 ), the mechanical properties and - most importantly during diecasting - the lifetime of the casting tools (LA Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson “General Aspect on Wash-out Mechanism in Aluminum Diecasting Dies", 17th International NADCA Diecasting Congress 1993 , Cleveland OH).
  • the die-cast parts In order that the required mechanical properties, in particular a high elongation at break, can be achieved, the die-cast parts usually have to be subjected to a heat treatment.
  • This heat treatment is necessary for the molding of the casting phases and thus for achieving a tough breaking behavior.
  • a heat treatment usually means a solution annealing at temperatures just below the solidus temperature with subsequent quenching in water or another medium to temperatures ⁇ 100 ° C.
  • the material thus treated now has a low yield strength and tensile strength.
  • a thermal aging is then carried out. This can also be done by the process, e.g. by thermal application during painting or by stress-relief annealing of an entire group of components.
  • die castings are cast close to the final dimensions, they usually have a complicated geometry with thin wall thicknesses.
  • delays have to be expected, such as reworking, e.g. by directing the castings or, in the worst case, rejects.
  • the solution annealing also causes additional costs and the economics of this production method could be significantly increased if alloys were available which meet the required properties without a heat treatment.
  • An AlSi alloy with good mechanical values in the as-cast state is from the EP-A-0 687 742 known. Also, for example, from the EP-A-0 911 420 Alloys of the type known AIMg, which have a very high ductility in the cast state, but in complicated shape design tend to hot or cold cracks and are therefore unsuitable.
  • Another disadvantage of ductile die-cast alloys is their slow aging in the cast state, which causes a temporal change in the mechanical properties, including a loss of elongation. can result. This behavior is tolerated in many applications, since the property limits are not exceeded or fallen below, but is not tolerable in some applications and can only be turned off by a targeted heat treatment.
  • the invention has for its object to provide a suitable die-casting aluminum alloy, which is very easy to cast, has a high elongation in the cast state and no longer ages after casting.
  • the alloy should be well weldable and crimpable, can be riveted and have a high corrosion resistance.
  • the object is achieved by an aluminum alloy with 8.5 to 10.5 wt .-% silicon 0.3 to 0.8% by weight of manganese Max. 0.06 wt .-% magnesium Max. 0.15% by weight of iron Max. 0.03 wt .-% copper Max. 0.10% by weight of zinc Max.
  • the alloy composition according to the invention With the alloy composition according to the invention, a high elongation can be achieved in the case of cast parts in the cast state with good values for the yield strength and the tensile strength, so that the alloy is particularly suitable for the production of safety components in the automotive industry. Surprisingly, it has been found that by adding molybdenum, the elongation can be increased again without loss of the other mechanical properties.
  • the desired effect is achieved with an addition of 0.05 to 0.5 wt .-% Mo, the preferred content is 0.08 to 0.25 wt .-% Mo.
  • the elongation can be even further improved.
  • the preferred content is 0.15 to 0.20 wt% Zr.
  • the relatively large proportion of eutectic silicon is refined by strontium. Compared to granular die-cast alloys with higher impurities, the alloy according to the invention also has advantages in terms of fatigue strength.
  • the fracture toughness is higher due to the very small present mixed crystals and the refined eutectic.
  • the strontium content is preferably between 50 and 150 ppm and should generally not fall below 50 ppm, since otherwise the casting behavior can be worsened. Instead of strontium, sodium and / or calcium may be added.
  • the limitation of the magnesium content to preferably max. 0.05% by weight of Mg causes the eutectic structure not to be coarsened and the alloy has no curing potential, which contributes to high elongation.
  • the proportion of manganese prevents sticking in the mold and ensures good mold release.
  • the manganese content gives the casting a high structural strength at elevated temperature, so that with demolding with very little to no distortion is to be expected.
  • the alloy according to the invention can be riveted in the cast state.
  • the alloy according to the invention is preferably produced as a horizontal continuous casting ingot.
  • a die-cast alloy with low oxide contamination can be melted without expensive melt cleaning: an important prerequisite for achieving high elongation values in the die-cast part.
  • the purification of the inventive time-refined AlSi alloy is preferably carried out by means of a purge gas treatment with inert gases by means of an impeller.
  • Grain refining is preferably carried out in the case of the alloy according to the invention.
  • the alloy gallium phosphide and / or indium phosphide in an amount corresponding to 1 to 250 ppm, preferably 1 to 30 ppm of phosphorus can be supplied.
  • the alloy for grain refining may also contain titanium and boron, the addition of titanium and boron via a master alloy with 1 to 2% by weight of Ti and 1 to 2% by weight of B, balance aluminum.
  • the aluminum master alloy contains 1.3 to 1.8% by weight of Ti and 1.3 to 1.8% by weight of B, and has a Ti / B weight ratio of about 0.8 to 1.2.
  • the content of the master alloy in the alloy of the present invention is preferably adjusted to 0.05 to 0.5% by weight.
  • the aluminum alloy according to the invention is particularly suitable for the production of safety components in diecasting.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung zum Druckgiessen von Bauteilen mit hoher Dehnung im Gusszustand.
  • Die Druckgiesstechnik hat sich heute soweit entwickelt, dass es möglich ist, Bauteile mit hohen Qualitätsansprüchen herzustellen. Die Qualität eines Druckgussteils 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 Aluminiumlegierung. 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 -- beim Druckgiessen 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 das Druckgiessen anspruchsvoller Bauteile geeigneten Aluminiumlegierungen einige Aufmerksamkeit geschenkt. Gerade von Konstrukteuren der Automobilindustrie wird immer mehr gefordert, z. B. schweissbare Bauteile mit hoher Duktilität im Druckguss zu realisieren, da bei hohen Stückzahlen das Druckgiessen die kostengünstigste Produktionsmethode darstellt.
  • Durch die Weiterentwicklung der Druckgiesstechnik ist es heute möglich, schweissbare Bauteile von hoher Qualität herzustellen. Dies hat den Anwendungsbereich für Druckgussteile auf Komponenten im Chassis erweitert.
    Der Duktilität kommt gerade bei kompliziert gestalteten Teilen immer mehr Bedeutung zu.
  • Damit die geforderten mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine hohe Bruchdehnung, erreicht werden können, müssen die Druckgussteile üblicherweise einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese Wärmebehandlung ist zur Einformung der Gussphasen und damit zur Erzielung eines zähen Bruchverhaltens notwendig. Eine Wärmebehandlung 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 Warmauslagerung durchgeführt. Diese kann auch prozessbedingt erfolgen, z.B. durch eine thermische Beaufschlagung beim Lackieren oder durch das Entspannungsglühen einer ganzen Bauteilgruppe.
  • Da Druckgussteile 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 Gussteile 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, welche die geforderten Eigenschaften ohne eine Wärmebehandlung erfüllen.
  • Eine AlSi-Legierung mit guten mechanischen Werten im Gusszustand ist aus der EP-A-0 687 742 bekannt. Auch sind beispielsweise aus der EP-A-0 911 420 Legierungen vom Typ AIMg bekannt, die im Gusszustand eine sehr hohe Duktilität aufweisen, bei kompliziertem Form-Design aber zu Warm- oder Kaltrissen neigen und deshalb ungeeignet sind. Ein weiterer Nachteil duktiler Druckgusslegierungen ist deren langsame Alterung im Gusszustand, was eine zeitliche Veränderung der mechanischen Eigenschaften -- u.a. ein Verlust an Dehnung -- zur Folge haben kann. Dieses Verhalten wird bei vielen Anwendungen toleriert, da die Eigenschaftsgrenzen nicht über- oder unterschritten werden, ist aber bei einigen Anwendungen nicht tolerierbar und kann nur durch eine gezielte Wärmebehandlung ausgeschaltet werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zum Druckgiessen geeignete Aluminiumlegierung bereitzustellen, die sehr gut giessbar ist, im Gusszustand eine hohe Dehnung aufweist und nach dem Giessen nicht mehr altert. Darüber hinaus soll die Legierung gut schweissbar und bördelbar sein, genietet werden können und eine hohe Korrosionsbeständigkeit aufweisen.
  • Erfindungsgemäss wird die Aufgabe gelöst durch eine Aluminiumlegierung mit
    8,5 bis 10,5 Gew.-% Silizium
    0,3 bis 0,8 Gew.-% Mangan
    max. 0.06 Gew.-% Magnesium
    max. 0,15 Gew.-% Eisen
    max. 0,03 Gew.-% Kupfer
    max. 0,10 Gew.-% Zink
    max. 0,15 Gew.-% Titan
    0,05 bis 0.5 Gew.-% Molybdän
    30 bis 300 ppm Strontium oder 5 bis 30 ppm Natrium und/oder 1 bis 30 ppm Calcium zur Dauerveredelung;
    wahlweise noch
    0,05 bis 0.3 Gew.-% Zirkonium
    Galliumphosphid und/oder Indiumphosphid in einer Menge entsprechend 1 bis 250 ppm Phosphor zur Kornfeinung
    Titan und Bor, zugegeben über eine Aluminium-Vorlegierung mit 1 bis 2 Gew.-% Ti und 1 bis 2 Gew.-% B, zur Kornfeinung;
    und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
  • Mit der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung lässt sich bei Druckgussteilen im Gusszustand bei guten Werten für die Dehngrenze und die Zugfestigkeit eine hohe Dehnung erzielen, so dass die Legierung insbesondere zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen im Automobilbau geeignet ist. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass durch eine Zugabe von Molybdän die Dehnung ohne Einbusse bei den anderen mechanischen Eigenschaften nochmals angehoben werden kann. Die gewünschte Wirkung wird mit einer Zugabe von 0,05 bis 0.5 Gew.-% Mo erreicht, der bevorzugte Gehalt liegt bei 0,08 bis 0,25 Gew.-% Mo.
  • Mit einer kombinierten Zugabe von Molybdän und 0,05 bis 0,3 Gew.-% Zr kann die Dehnung sogar noch weiter verbessert werden. Der bevorzugte Gehalt liegt bei 0,15 bis 0,20 Gew.-% Zr.
  • Der relativ grosse Anteil eutektischen Siliziums wird durch Strontium veredelt. Gegenüber körnigen Druckgusslegierungen mit höheren Verunreinigungen besitzt die erfindungsgemässe Legierung auch Vorteile hinsichtlich der Dauerschwingfestigkeit. Die Risszähigkeit ist aufgrund der sehr klein vorliegenden Mischkristalle und des veredelten Eutektikums höher. Der Strontiumgehalt liegt bevorzugt zwischen 50 und 150 ppm und sollte im allgemeinen nicht unter 50 ppm fallen, da sonst das Giessverhalten verschlechtert werden kann. Anstelle von Strontium kann Natrium und/oder Calcium zugegeben werden.
  • Die Beschränkung des Magnesiumgehaltes auf vorzugsweise max. 0,05 Gew.-% Mg bewirkt, dass das eutektische Gefüge nicht vergröbert wird und die Legierung kein Aushärtungspotential hat, was zu einer hohen Dehnung beiträgt.
  • Durch den Anteil an Mangan wird das Kleben in der Form vermieden und eine gute Entformbarkeit gewährleistet. Der Mangangehalt gibt dem Gussteil eine hohe Gestaltfestigkeit bei erhöhter Temperatur, so dass beim Entformen mit sehr geringem bis gar keinem Verzug zu rechnen ist.
  • Die erfindungsgemässe Legierung lässt sich im Gusszustand nieten.
  • Mit einer Stabilisierungsglühung während 1 bis 2 h in einem Temperaturbereich von etwa 280 bis 320° C können sehr hohe Dehnungswerte erreicht werden.
  • Die erfindungsgemässe Legierung wird bevorzugt als Horizontal-Stranggussmassel hergestellt. Damit kann ohne aufwendige Schmelzereinigung eine Druckgusslegierung mit geringer Oxidverunreinigung erschmolzen werden: eine wichtige Voraussetzung zur Erzielung hoher Dehnungswerte im Druckgussteil.
  • Beim Einschmelzen ist jede Verunreinigung der Schmelze, insbesondere durch Kupfer oder Eisen, zu vermeiden. Die Reinigung der erfindungsgemässen dauerveredelten AlSi-Legierung erfolgt bevorzugt mittels einer Spülgasbehandlung mit inerten Gasen mittels Impeller.
  • Bevorzugt wird bei der erfindungsgemässen Legierung eine Kornfeinung durchgeführt. Hierzu kann der Legierung Galliumphosphid und/oder Indiumphosphid in einer Menge entsprechend 1 bis 250 ppm, vorzugsweise 1 bis 30 ppm Phosphor zugeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Legierung zur Kornfeinung auch Titan und Bor enthalten, wobei die Zugabe von Titan und Bor über eine Vorlegierung mit 1 bis 2 Gew.-% Ti und 1 bis 2 Gew.-% B, Rest Aluminium, erfolgt. Bevorzugt enthält die Aluminium-Vorlegierung 1,3 bis 1,8 Gew.-% Ti und 1,3 bis 1,8 Gew.-% B und weist ein Ti/B-Gewichtsverhältnis von etwa 0,8 bis 1,2 auf. Der Gehalt der Vorlegierung in der erfindungsgemässen Legierung wird bevorzugt auf 0,05 bis 0,5 Gew.-% eingestellt.
  • Die erfindungsgemässe Aluminiumlegierung eignet sich insbesondere zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen im Druckgiessverfahren.

Claims (8)

  1. Aluminiumlegierung zum Druckgiessen von Bauteilen mit hoher Dehnung im Gusszustand, mit
    8.5 bis 10,5 Gew.-% Silizium
    0,3 bis 0,8 Gew.-% Mangan
    max. 0.06 Gew.-% Magnesium
    max. 0,15 Gew.-% Eisen
    max. 0,03 Gew.-% Kupfer
    max. 0,10 Gew.-% Zink
    max. 0,15 Gew.-% Titan
    0,05 bis 0.5 Gew.-% Molybdän
    30 bis 300 ppm Strontium oder 5 bis 30 ppm Natrium und/oder 1 bis 30 ppm Calcium zur Dauerveredelung;
    wahlweise noch
    0,05 bis 0.3 Gew.-% Zirkonium
    Galliumphosphid und/oder Indiumphosphid in einer Menge entsprechend 1 bis 250 ppm Phosphor zur Kornfeinung
    Titan und Bor, durch Zugabe von 0,05 bis 0,5 Gew.-% einer Aluminium-Vorlegierung mit 1 bis 2 Gew.-% Ti und 1 bis 2 Gew.-% B, zur Kornfeinung;
    und als Rest Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen.
  2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 50 bis 150 ppm Strontium.
  3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch max.
    0,05 Gew.-% Magnesium.
  4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch 0,10 bis 0,20 Gew.-% Zirkonium.
  5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch 0,08 bis 0,25 Gew.-% Molybdän.
  6. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch Galliumphosphid und/oder Indiumphosphid in einer Menge entsprechend 1 bis 30 ppm Phosphor.
  7. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Aluminium-Vorlegierung mit 1,3 bis 1,8 Gew.-% Titan und 1,3 bis 1,8 Gew.-% Bor und ein Titan/Bor-Gewichtsverhältnis zwischen 0,8 und 1,2.
  8. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Druckgiessen von Sicherheitsbauteilen im Automobilbau.
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