EP1645647B1 - Kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung und Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgussteils - Google Patents

Kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung und Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgussteils Download PDF

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EP1645647B1 EP05019300A EP05019300A EP1645647B1 EP 1645647 B1 EP1645647 B1 EP 1645647B1 EP 05019300 A EP05019300 A EP 05019300A EP 05019300 A EP05019300 A EP 05019300A EP 1645647 B1 EP1645647 B1 EP 1645647B1
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Ursula Dipl.-Ing. Carlson
Ina Dipl.-Ing. Diederichs-Mittler
Andreas Dr. Ing. Kleine
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    • C22F1/04Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon

Definitions

  • the invention relates to a cold-hardening cast aluminum alloy, which was melted on the basis of metallurgical aluminum Al 99.9 and at high tensile strength and yield strength still has an elongation of well over 1%, and a method for producing an aluminum casting.
  • the alloy 226A (VDS list) is known as a standardized casting alloy of the type G-AlSi8Cu3.
  • the chemical composition of this alloy is given in weight percent (Gw%) as follows: silicon 7.5-9.5 Gw%, iron max 0.8 Gw%, copper 2-3.5 Gw%, manganese 0.15-0 , 65% by weight, magnesium 0.05-0.55% by weight, nickel max 0.35% by weight, zinc max 1.2% by weight, titanium max 0.25% by weight, lead max 0.25% by weight, chromium max 0.15% by weight, balance aluminum and other admixtures 0.05% (individually) and 0.25% by weight (total).
  • a cold-hardening cast aluminum alloy and a method for producing an aluminum casting with high tensile strength and yield strength with simultaneously improved ductility should be specified.
  • the alloy should be easy to cast and suitable for the production of thermally highly stressable castings.
  • the castings should also be well weldable by conventional means.
  • sample thickness a 3mm
  • sample width b 8mm
  • head width B 12mm
  • head height h 15mm
  • initial length L0 30mm
  • Trial length Lc 33mm
  • total length Lt 80mm.
  • microstructures were compared. It was found that only small amounts of Mg 2 Si phases were formed in the alloy according to the invention. The recrystallization temperature was likewise markedly increased in the case of the alloy according to the invention. Furthermore, the number of beta-Al-Fe-Si needles was reduced by about 80%, which suggests a significantly improved ductility of the alloy according to the invention.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung, die auf Basis von Hüttenaluminium Al 99,9 erschmolzen wurde und bei hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze noch eine Dehnung von deutlich über 1 % aufweist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgussteils.
  • Stand der Technik
  • Aus dem Werkstoff-Datenblatt ENAC-46200 ist als genormte Gusslegierung vom Typ G-AlSi8Cu3 die Legierung 226A (VDS Liste) bekannt. Die chemische Zusammensetzung dieser Legierung wird in Gewichtsprozent (Gw%) wie folgt angegeben: Silicium 7,5 - 9,5 Gw%, Eisen max 0,8 Gw%, Kupfer 2 - 3,5 Gw%, Mangan 0,15 - 0,65 Gw%, Magnesium 0,05 - 0,55 Gw%, Nickel max 0,35 Gw%, Zink max 1,2 Gw%, Titan max 0,25 Gw%, Blei max 0,25 Gw%, Chrom max 0,15 Gw%, Rest Aluminium sowie andere Beimengungen 0,05% (einzeln) und 0,25Gw% (insgesamt).
  • Aus M. Schaefer und R.A Fournelle, "Effekt of strontium modification on near-threshold fatigue crack growth in an Al-Si-Cu die cast alloy", Metallurgical and Materials Transactions 27A, 05/1996, 1295-1301, sind Al-Si-Cu-Fe-Zn-Mn-Legierungen mit Zusatz von Sr bekannt.
  • Aufgabenstellung
  • Ausgehend davon soll eine kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumgußteils mit hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze bei gleichzeitig verbesserter Duktilität angegeben werden. Die Legierung soll gut vergießbar und zur Herstellung thermisch hoch beanspruchbarer Gussteile geeignet sein. Die Gussteile sollen auch mit herkömmlichen Mitteln gut schweißbar sein.
  • Zur Lösung des ersten Teils dieser Aufgabe wird eine neue AlSi9Cu3 mit zusätzlichen Gehalten an Mangan, Zink, Strontium und Obergrenzen für Magnesium, Eisen und Titan gemäß kennzeichnendem Teil von Patentanspruch 1 angegeben. Das neue Verfahren ist durch die im Patentanspruch 2 definierten Maßnahmen gekennzeichnet.
  • Beispiele
  • Im folgenden wird die Erfindung mit einer Standartlegierung verglichen. Dabei wurden die Werte von Zugfestigkeit, Dehngrenze und Dehnung an einem im Schwerkraftkokillenguss gegossenen Probestab gemessen, der auf folgende Abmessungen abgedreht wurde: Probendicke a= 3mm, Probenbreite b= 8mm, Kopfbreite B= 12mm, Kopfhöhe h= 15mm, Anfangslänge L0= 30mm, Versuchslänge Lc= 33mm und Gesamtlänge Lt= 80mm.
  • 1. Beispiel nach dem Stand der Technik
  • Als Vergleichslegierung wird eine 226A-Gusslegierung mit folgender Zusammensetzung verwendet:
    • Si 8%, Fe 0,6%, Cu 3,0%, Mn 0,3%, Ni 0,2%, Zn 1,0%, Ti 0,2%, Pb 0,1%, Sn 0,1%, Mg 0,45 andere Beimengungen: einzeln 0,05, insgesamt 0,25%, Rest Aluminium.
  • Die Gusslegierung G-AlSi8Cu3 (Werkstoff Nr. 3.2162.05) weist im Gusszustand folgende Werkstoffeigenschaften auf:
    • Streckgrenze Rp0,2 = 100 MPa
    • Zugfestigkeit Rm = 170 MPa
    • Dehnung A50mm = 1%
    Vergleich der Verarbeitungseigenschaften
  • Der Vergleich zwischen der Legierung 226A nach dem Stand der Technik und der erfindungsgemäßen Legierung zeigt die überlegenen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung, da die Werte für
    Streckgrenze Rp0,2 ≥ 170MPa
    Zugfestigkeit Rm ≥ 230 MPa bei gleichzeitig hoher
    Dehnung A50mm > 1.5% gemessen wurden.
  • Außerdem wurden die Gefügestrukturen verglichen. Dabei zeigte sich, dass bei der erfindungsgemäßen Legierung nur geringe Gehalte an Mg2Si-Phasen gebildet wurden. Die Rekristallisationstemperatur war bei der erfindungsgemäßen Legierung ebenfalls deutlich erhöht. Ferner war die Anzahl der Beta-Al-Fe-Si-Nadeln um ca. 80% verringert, was auf eine deutlich verbesserte Duktilität der erfindungsgemäßen Legierung schließen lässt.
  • Weitere Versuche zur Interpretation der Gehaltsgrenzen
  • Durch Variation der im Anspruch 1 angegebenen Gusslegierung hinsichtlich der Legierungsgrenzen wurden folgende Ergebnisse festgehalten:
  • 1.
    Magnesium: bei Gehalten von über 0,55 % wird während des Vergießens der erfindungsgemäß zusammengesetzte Basislegierung die Oxidationsneigung gefördert. Außerdem konnte bei derartig hohen Mg-Gehalten keine weitere Festigkeitssteigerung festgestellt werden, da sich Mg 2Si-Phasen bildeten.
    2.
    Eisen: bei Gehalten über 0,2 % wird bei allen nach Anspruch 8 vergossenen Legierungen die Dehnung deutlich herabgesetzt.
    3.
    Titan: Oberhalb von 0,2 % wurde keine Verbesserung des Gefüges eines nach Anspruch 1 ausgebildeten Gussteils im Hinblick auf die Rekristallisationstemperatur festgestellt.
    4.
    Indium und Cadmium verkürzen die Kaltauslagerungszeit der erfindungsgemäßen Legierung.
    5.
    Beryllium vermindert bei Magnesiumgehalten von über 0,4 bis 0,55 Gw% die Oxidationsneigung, die wiederum einen ungünstigen Einfluss auf die Dehnung hat.
    6.
    Cer erhöht in Aluminiumgusslegierungen der Zusammensetzung nach Anspruch 1 - 4 die Fließfähigkeit und mindert bis zu Gehalten von 0,4% die Klebneigung.
    7.
    Zink verbessert bis zu einem Gehalt von 3,5 % bei einer nach Anspruch 1 zusammengesetzten Legierung die Formstabilität des Gussteils, bei Gehalten von mehr als 3,5% wurde keine weitere Steigerung der Formstabilität bzw. eine Verringerung der Klebeneigung festgestellt.
  • Somit lässt sich die technische Überlegenheit der ausgewählten Parameter für die erfindungsgemäße Aluminiumgusslegierung als Ergebnis einer synergistischen Wirkung der jeweils beteiligten Legierungselemente begründen.

Claims (3)

  1. Kaltaushärtende Aluminiumgusslegierung, die auf Basis von Primärmetall/Hüttenaluminium der Reinheit Al 99,9 oder einer höheren Reinheitsstufe als Primärlegierung erschmolzen wurde und bei hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze noch eine Dehnung von über 1 % aufweist, gekennzeichnet durch folgende Legierungsgehalte in Gewichts(Gw)%:
    Silicium 6 -11 Gw%
    Kupfer 2,0 - 4,0 Gw%
    Mangan 0,65 -1,0 Gw%
    Zink 0,5 - 3,5 Gw%
    Strontium 0,01 - 0,04 Gw%
    Magnesium max 0,55 Gw%
    Eisen max 0,2 Gw%
    Titan max 0,2 Gw%
    und wahlweise eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe
    - Silber 0,01 - 0,80 Gw%
    - Samarium 0,01 - 1,0 Gw%
    - Nickel 0,01 - 0,40 Gw%,
    und/oder wahlweise eines oder mehrere Elemente aus der Gruppe
    - Cadmium 0,01 - 0,30 Gw%
    - Indium 0,01 - 0,20 Gw%,
    und/oder wahlweise Beryllium bis zu 0,001 Gw%
    Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen.
  2. Verfahren zur Herstellung eines kaltaushärtenden Aluminium-Gussteils, das bei hoher Zugfestigkeit und Streckgrenze eine Dehnung von deutlich über 1 % aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine AlSiCu-Gusslegierung gemäß Anspruch 1 auf der Basis von Primärmetall/Hüttenmetall der Reinheit Al 99,9 oder reiner erschmolzen wird und sich dem Gießvorgang unmittelbar nachfolgend eine Kaltauslagerung von 7 - 9 Tagen anschließt.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verbesserung der Festigkeitswerte bei gleichbleibend hoher Dehnung von über 1,5 % nach der Kaltsauslagerung eine Warmauslagerung bei 160 bis 240°C durchgeführt wird.
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