EP1564308A1 - Gussbauteil aus einer Aluminiumlegierung - Google Patents

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EP1564308A1 EP05100655A EP05100655A EP1564308A1 EP 1564308 A1 EP1564308 A1 EP 1564308A1 EP 05100655 A EP05100655 A EP 05100655A EP 05100655 A EP05100655 A EP 05100655A EP 1564308 A1 EP1564308 A1 EP 1564308A1
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    • A47K10/3809—Dispensers for paper towels or toilet-paper dispensing from a web, e.g. with mechanical dispensing means the web being rolled up with or without tearing edge with roll spindles which are not directly supported
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Definitions

  • the invention relates to a cast component made of an aluminum alloy with good Temperature strength.
  • the invention is based on the object, a thermally stressed for the production To provide components suitable aluminum alloy with good heat resistance.
  • the alloy should primarily be used for gravity chill casting, Low pressure chill casting and sand casting are suitable.
  • the components cast from the alloy should have a high strength combined with high ductility.
  • the mechanical properties sought in the component are defined as follows: yield strength Rp0.2> 170 MPa tensile strenght Rm> 230 MPa elongation A5> 6%
  • the corrosion tendency of the alloy be kept as low as possible, and the alloy must also be an appropriate have good fatigue strength.
  • the castability of the alloy should be better than the AlSiCu casting alloys currently used, and the alloy should show no tendency to crack.
  • cast component fall beside the pure, manufactured only by casting Components also include those cast as a preform and subsequently be kneaded by kneading cold or warm to final dimensions.
  • pure cast components are those that are made exclusively by sand casting, Gravity die casting, low pressure die casting, die casting, Thixocasting or squeezecasting.
  • Forming operations performed on a cast preform by kneading are, for example, forging and Thixoschmieden.
  • the following content ranges are preferred: mg 2.5 to 3.5% by weight, in particular 2.7 to 3.3% by weight Si 0.9 to 1.3% by weight Mn 0.15 to 0.3% by weight Cr 0.15 to 0.3% by weight Ti 0.05 to 0.15% by weight Fe Max. 0.15% by weight Cu Max. 0.05% by weight Be 0.002 to 0.005% by weight V 0.01 to 0.1% by weight Zr 0.1 to 0.2% by weight
  • Silicon in conjunction with magnesium leads to a corresponding curing, especially interested in hot curing.
  • Preferred is a Heat treatment to state T6, e.g. a solution annealing at 550 ° C during 12 h followed by thermal aging at 160-170 ° C during 8 - 10 h.
  • the combination of manganese and chromium leads to a good heat resistance at a constant temperature up to 180 ° C.
  • Titanium and zirconium are used for grain refining. A good grain refinement contributes significantly to improve the casting properties.
  • a preferred area of application of the cast components according to the invention are thermally stressed components, in particular pressure vessel, compressor housing and engine components such as cylinder heads in the automotive industry.
  • the Components are preferably produced by sand or Kokillengiess vide.
  • the inventive alloy was in a sample mold according to Diez cast into round rods of 16 mm diameter.
  • the test bars were the mechanical properties yield strength (Rp0.2), tensile strength (Rm) and elongation at break (A5) in condition T6 (165 ° C / 6h) after a constant temperature load determined from 500 h at different temperatures.
  • the corresponding Values for the comparative alloy were from the above article of Taken from F. Feikus. The results are shown in Fig. 1 in diagram form.
  • the alloy AlMg3Si1MnCr according to the invention achieves the same Yield strength and tensile strength are not the peak values of the comparative alloy AlSi7MgCu1, but is "less changeable" in its temperature behavior. This changeability expresses itself disturbing in operation, as low Changes in temperature great changes in mechanical properties can cause.
  • the yield strength of the alloy according to the invention remains at about 180 ° C at a nearly same level, drops to 200 ° C gradually and begins to fall only from about 200 ° C continuously. Of the continuous waste occurs in comparison to the alloy AlSi7MgCu1 with lower Tilt.
  • the alloy according to the invention is distinguished by a nearly constant value up to 180 ° C from.
  • High elongation values deliver a favorable fracture / failure behavior.
  • the break of the component goes a visible deformation ahead. Above 180 ° C, the strain increases continuously at.
  • the comparison alloy AlSi7MgCu1 one recognizes the clear curing effect.
  • Low elongation values cause an unfavorable Failure behavior, i. the component deforms only slightly or even Not. At load peaks, the component breaks without warning.

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Abstract

Ein Gussbauteil mit guter Warmfestigkeit besteht aus einer Legierung mit 2 bis 4 Gew.-% Magnesium, 0,9 bis 1,5 Gew.-% Silizium, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,4 Gew.-% Chrom, max. 0,2 Gew.-% Eisen, max. 0,1 Gew.-% Kupfer, max. 0,2 Gew.-% Zink, max. 0,2 Gew.-% Titan, max. 0.3 Gew.-% Zirkonium, max. 0,008 Gew.-% Beryllium, max. 0,5 Gew.-% Vanadium sowie Aluminium als Rest mit weiteren Elementen und herstellungsbedingten Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Gussbauteil aus einer Aluminiumlegierung mit guter Warmfestigkeit.
Für thermisch beanspruchte Bauteile werden heute üblicherweise AlSi-Legierungen eingesetzt, wobei die Warmfestigkeit durch Zulegieren von Cu erreicht wird. Kupfer erhöht allerdings auch die Warmrissneigung und wirkt sich negativ auf die Giessbarkeit aus. Anwendungen, bei denen insbesondere Warmfestigkeit gefordert wird, findet man Hauptsächlich im Bereich der Zylinderköpfe im Automobilbau, siehe z.B. F. J. Feikus, "Optimierung von Aluminium-Silicium-Gusslegierungen für Zylinderköpfe", Giesserei-Praxis, 1999, Heft 2, S. 50-57.
Aus der WO-A-0043560 ist eine Aluminiumlegierung mit 2,5 - 7,0 Gew.-% Mg, 1,0 - 3,0 Gew.-% Si, 0,3 - 0,49 Gew.-% Mn, 0,1 - 0,3 Gew.-% Cr, max. 0,15 Gew.-% Ti, max. 0,15 Gew.-% Ti, max. 0,15 Gew.-% Fe, max. 0,00005 Gew.-% Ca, max. 0,00005 Gew.-% Na, max. 0,0002 Gew.-% P, sonstige Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-% und Aluminium als Rest zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen im Druckguss-, Squeezecasting-, Thixoforming- oder Thixoforging-Verfahren bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zur Herstellung thermisch beanspruchter Bauteile geeignete Aluminiumlegierung mit guter Warmfestigkeit bereitzustellen. Die Legierung soll sich vor allem für den Schwerkraft-Kokillenguss, den Niederdruck-Kokillenguss und den Sandguss eignen.
Die aus der Legierung gegossenen Bauteile sollen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit hoher Duktilität aufweisen. Die im Bauteil angestrebten mechanischen Eigenschaften sind wie folgt definiert:
Dehngrenze Rp0.2 > 170 MPa
Zugfestigkeit Rm > 230 MPa
Bruchdehnung A5 > 6%
Bedingt durch die Anwendungen soll die Korrosionsneigung der Legierung möglichst tief gehalten werden, und die Legierung muss auch eine entsprechend gute Dauerfestigkeit aufweisen. Die Giessbarkeit der Legierung sollte besser sein, als die der derzeit angewendeten AlSiCu-Gusslegierungen, und die Legierung sollte keine Tendenz zu Warmrissen zeigen.
Unter den Begriff Gussbauteil fallen neben den reinen, nur durch Giessen hergestellten Bauteilen auch solche, die als Vorform gegossen und nachfolgend durch Kneten kalt oder warm auf Endmass geformt werden.
Beispiele für reine Gussbauteile sind solche, die ausschliesslich durch Sandgiessen, Schwerkraft-Kokillengiessen, Niederdruck-Kokillengiessen, Druckgiessen, Thixogiessen oder Squeezecasting hergestellt werden.
Umformoperationen, die an einer gegossenen Vorform durch Kneten durchgeführt werden, sind beispielsweise Schmieden und Thixoschmieden.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt eine Aluminiumlegierung mit
2 bis 4 Gew.-% Magnesium
0,9 bis 1,5 Gew.-% Silizium
0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan
0,1 bis 0,4 Gew.-% Chrom
max. 0,2 Gew.-% Eisen
max. 0,1 Gew.-% Kupfer
max. 0,2 Gew.-% Zink
max. 0,2 Gew.-% Titan
max. 0.3 Gew.-% Zirkonium
max. 0,008 Gew.-% Beryllium
max. 0,5 Gew.-% Vanadium
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Elementen und herstellungsbedingten Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
Für die einzelnen Legierungselemente werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt:
Mg 2,5 bis 3,5 Gew.-%, insbesondere 2,7 bis 3,3 Gew.-%
Si 0,9 bis 1,3 Gew.-%
Mn 0,15 bis 0,3 Gew.-%
Cr 0,15 bis 0,3 Gew.-%
Ti 0,05 bis 0,15 Gew.-%
Fe max. 0,15 Gew.-%
Cu max. 0,05 Gew.-%
Be 0,002 bis 0,005 Gew.-%
V 0,01 bis 0,1 Gew.-%
Zr 0,1 bis 0,2 Gew.-%
Die Wirkung der Legierungselemente kann etwa wie folgt charakterisiert werden:
Silizium in Verbindung mit Magnesium führt zu einer entsprechenden Aushärtung, wobei vor allem die Warmaushärtung interessiert. Bevorzugt wird eine Wärmebehandlung zum Zustand T6, z.B. eine Lösungsglühung bei 550 °C während 12 h mit anschliessender Warmauslagerung bei 160 -170 °C während 8 - 10 h.
Die Kombination von Mangan und Chrom führt zu einer guten Warmfestigkeit bei einer Dauertemperatur bis zu 180 °C.
Titan und Zirkonium dienen der Kornfeinung. Eine gute Kornfeinung trägt wesentlich zur Verbesserung der Giesseigenschaften bei.
Beryllium in Verbindung mit Vanadium vermindert die Krätzebildung.
Ein bevorzugter Anwendungsbereich der erfindungsgemässen Gussbauteile sind thermisch beanspruchte Bauteile, insbesondere Druckbehälter, Kompressorengehäuse und Motorkomponenten wie Zylinderköpfe im Automobilbau. Die Bauteile werden bevorzugt im Sand- oder Kokillengiessverfahren hergestellt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in
Fig. 1 - 3
Zugfestigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung in Abhängigkeit von der Temperatur nach 500 h Dauertemperaturbeanspruchung für eine erfindungsgemässe Legierung und eine Vergleichslegierung nach dem Stand der Technik.
Eine erfindungsgemässe Legierung mit der Bezeichnung AlMg3Si1MnCr und eine Vergleichslegierung mit der Bezeichnung AlSi7MgCu1 aus F. J. Feikus, "Optimierung von Aluminium-Silicium-Gusslegierungen für Zylinderköpfe", Giesserei-Praxis, 1999, Heft 2, S. 50-57 mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen wurden hinsichtlich ihres Langzeitverhaltens unter Dauertemperaturbelastung miteinander verglichen.
Chemische Zusammensetzung der Legierungen (in Gew.-%)
Legierung Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Be V Zr
AlSi7MgCu1 6.97 0.11 0.94 0.005 0.38 0.008 0.03
AlMg3Si1MnCr 1.10 0.07 0.001 0.20 3.2 0.21 0.002 0.12 0.003 0.03 0.0005
Die erfindungsgemässe Legierung wurde in einer Probestabkokille nach Diez zu Rundstäben von 16 mm Durchmesser vergossen. An den Probestäben wurden die mechanischen Eigenschaften Dehngrenze (Rp0.2), Zugfestigkeit (Rm) und Bruchdehnung (A5) im Zustand T6 (165 °C / 6h) nach einer Dauertemperaturbelastung von 500 h bei verschiedenen Temperaturen bestimmt. Die entsprechenden Werte für die Vergleichslegierung wurden dem obigen Artikel von F. J. Feikus entnommen. Die Ergebnisse sind in Fig. 1 in Diagrammform dargestellt.
Die erfindungsgemässe Legierung AlMg3Si1MnCr erreicht zwar hinsichtlich der Dehngrenze und der Zugfestigkeit nicht die Spitzenwerte der Vergleichslegierung AlSi7MgCu1, ist aber in ihrem Temperaturverhalten "weniger wechselhaft". Diese Wechselhaftigkeit drückt sich im Betrieb insofern störend aus, als geringe Änderungen der Temperatur große Veränderungen der mechanischen Eigenschaften verursachen können. Die Streckgrenze der erfindungsgemässen Legierung bleibt bis etwa 180 °C auf einem nahezu gleichen Niveau, fällt bis 200 °C allmählich ab und beginnt erst ab ca. 200 °C kontinuierlich abzufallen. Der kontinuierliche Abfall geschieht im Vergleich zur Legierung AlSi7MgCu1 mit geringerer Neigung.
Hinsichtlich der Bruchdehnung zeichnet sich die erfindungsgemässe Legierung durch einen nahezu konstanten Wert bis 180 °C aus. Hohe Dehnungswerte liefern ein günstiges Bruch-/ Versagensverhalten. Dem Bruch des Bauteils geht eine sichtbare Verformung voraus. Oberhalb 180 °C steigt die Dehnung kontinuierlich an. Bei der Vergleichslegierung AlSi7MgCu1 erkennt man hier den deutlichen Aushärtungseffekt. Niedrige Dehnungswerte bewirken ein ungünstiges Versagensverhalten, d.h. das Bauteil verformt sich nur geringfügig oder gar nicht. Bei Belastungsspitzen bricht das Bauteil ohne Vorwarnung.

Claims (13)

  1. Gussbauteil aus einer Aluminiumlegierung mit guter Warmfestigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung
    2 bis 4 Gew.-% Magnesium
    0,9 bis 1,5 Gew.-% Silizium
    0,1 bis 0,4 Gew.-% Mangan
    0,1 bis 0,4 Gew.-% Chrom
    max. 0,2 Gew.-% Eisen
    max. 0,1 Gew.-% Kupfer
    max. 0,2 Gew.-% Zink
    max. 0,2 Gew.-% Titan
    max. 0.3 Gew.-% Zirkonium
    max. 0,008 Gew.-% Beryllium
    max. 0,5 Gew.-% Vanadium
    sowie Aluminium als Rest mit weiteren Elementen und herstellungsbedingten Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-% enthält.
  2. Gussbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,5 bis 3,5 Gew.-% Mg, insbesondere 2,7 bis 3,3 Gew.-% Mg enthält.
  3. Gussbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,9 bis 1,3 Gew.-% Si enthält.
  4. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,15 bis 0,3 Gew.-% Mn enthält.
  5. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,15 bis 0,3 Gew.-% Cr enthält.
  6. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,05 bis 0,15 Gew.-% Ti enthält.
  7. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,15 Gew.-% Fe enthält.
  8. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,05 Gew.-% Cu enthält.
  9. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,002 bis 0,005 Gew.-% Be enthält.
  10. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,01 bis 0,1 Gew.-% V enthält.
  11. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,1 bis 0,2 Gew.-% Zr enthält.
  12. Gussbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, hergestellt im Sand- oder Kokillengiessverfahren.
  13. Verwendung eines Gussbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für Druckbehälter, Kompressorengehäuse und Motorkomponenten wie Zylinderköpfe im Automobilbau.
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