EP1896621B1 - Aluminiumlegierung - Google Patents

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EP1896621B1
EP1896621B1 EP06741005A EP06741005A EP1896621B1 EP 1896621 B1 EP1896621 B1 EP 1896621B1 EP 06741005 A EP06741005 A EP 06741005A EP 06741005 A EP06741005 A EP 06741005A EP 1896621 B1 EP1896621 B1 EP 1896621B1
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EP
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aluminium alloy
alloys
samarium
cerium
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Günther TRENDA
Andreas Kraly
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Aluminium Lend GmbH
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Aluminium Lend 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
    • C22C21/06—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
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to an aluminum alloy, in particular an aluminum alloy, which in addition to aluminum magnesium and silicon as main alloying constituents and is intended for use in die casting and related processes.
  • Aluminum die casting parts have become particularly important in the automotive industry.
  • an aluminum alloy having> 3.0 to 7.0 wt% of magnesium, 1.0 to 3.0 wt% of silicon, 0.3 to 0.49 wt% of manganese, 0.1 to 0 , 3% by weight of chromium, 0 to 0.15% by weight of titanium, max. 0.15 wt .-% iron and each max. 0.00005% by weight of calcium and sodium and max. 0.0002 wt .-% phosphorus known.
  • an alloy which contains 3.0 to 6.0, preferably 4.6 to 5.8,% by weight of magnesium, 1.4 to 3.5, preferably 2.0 to 2.8,% by weight of silicon, 0.5 to 2.0, preferably 0.6 to 1.5 wt .-% manganese, max. 0.2, preferably 0.1 to 0.2 wt .-% titanium and max. 0.15, preferably max. Contains 0.1 wt .-% iron and is already in Rheoge Stahl.
  • AlMgSi alloys are intended for use in die casting and related processes. Already in the as-cast state they have similar strength and elongation values as AlSiMg alloys, eg the well-known AlSi7Mg0.3 alloy, in the fully cured state (which is referred to as "T6").
  • the 0.2% proof strength characterizes the transition from the elastic to the plastic deformation of a casting and is particularly relevant in connection with crash-relevant structural parts in the automotive industry.
  • heat treatment of die-cast parts of the above-mentioned AlMgSi alloys involves numerous disadvantages.
  • this eliminates the cost advantage that can be achieved by such alloys.
  • Other significant disadvantages of the heat treatment are typical defects in die cast parts such as distortion and especially bubbles, which are caused by thermal destruction of trapped mold release agents and are known by the term "blister".
  • blister a delay nullifies the process advantage of die-cast parts, namely the near-end production.
  • AT 412 726 shows an aluminum alloy containing, by weight, 0.3 to 4.5% Si, 1.0 to 8.0% Mg, 0.05 to 0.5% Sc, less than 0.7% Fe, less as 0.2% Zn and Cu, optionally one or more elements selected from the group 0.01 to 1.0% Mn, 0.01 to 1.0% Cr, 0.01 to 1.0% Ni, 0, 01 to 0.3% Ce, 0.01 to 0.3% La and further optional secondary alloying elements.
  • the alloy should be able to produce components close to the final dimensions by casting and have high mechanical strength values or be heat treatable.
  • the WO 00/43560 discloses an AlMgSi alloy which, by weight, contains 2.5 to 7% Mg, 1.0 to 3.0% Si, 0.3 to 0.49% Mn, 0.1 to 0.3% Cr , 0 to 0.15% Ti, max. 0.15% Fe, max. 0.00005% Ca, max. 0.00005% Na, max. 0.0002% P, other impurities in an amount of max. 0.02% and the remainder being Al and optionally 0.05 to 0.02% Zr.
  • the alloy should have good mechanical properties in the cast state, especially a high ductility. Z. Yin et al., "Effect of minor Sc and Zr on the microstructure and mechanical properties of Al-Mg based alloys", Materials Science and Engineering, Vol.
  • the object of the present invention is therefore to provide aluminum alloys of the AlMgSi type which are suitable for use in diecasting and have comparable strength properties compared to the alloys known from the prior art, but higher values with regard to the 0.2% proof stress .
  • Another object of the invention is to provide such aluminum alloys, which have the desired strength properties already in the cast state, so that a heat treatment of die castings and the associated disadvantages are avoided.
  • a zirconium content of 0.05 to 0.2 wt .-% is provided.
  • the rare earth metals samarium, cerium or lanthanum can be alloyed alone or in any combination. Particularly advantageous are combinations of samarium and cerium or samariam and lanthanum.
  • a particularly preferred alloy contains the rare earth metals samarium and cerium in an amount of 0.0050 to 0.8% by weight of samarium and 0.0050 to 0.8% by weight of cerium.
  • cerium also reduces the sticking tendency of the alloy in the diecasting tool, which additionally has an advantageous effect on the quality of the diecasting parts.
  • the present invention will be further illustrated with reference to the mechanical characteristics determined for the following alloys.
  • the mechanical characteristics were determined on step plates produced by die casting in the tensile test according to DIN EN 10002, wherein the 2.7 mm step was used for the tensile test.
  • This wall thickness range is preferably used for the production of weldable and possibly crashrelevanten structural parts.
  • the mechanical characteristics represent the average of 25 measurements.
  • the results of the tensile tests performed are shown in Table 1.
  • the reference alloy is an alloy whose composition corresponds to an alloy according to the invention, but does not contain any alloying with rare earth metals.
  • the strength values achievable with the aluminum alloys according to the invention are also at a level which is achieved with forgings made of AlSi1MgMn in the state T6, that is to say after a heat treatment. Because of this and the improved compared to the known aluminum alloys of AlMgSi-type 0.2% proof strength alloys of the invention for new applications, in particular for the production of highly loaded aluminum die cast parts, as they are increasingly of interest in the automotive industry, suitable.
  • the aluminum alloy according to the invention is used for the die casting, squeeze casting, thixoforming or thixoforging process and other processes which are based on shaping in the partially liquid state.

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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung, welche neben Aluminium Magnesium und Silizium als Hauptlegierungsbestandteile enthält und für die Verwendung im Druckguß und verwandten Verfahren vorgesehen ist.
  • Aluminium-Druckgußteile haben insbesondere im Automobilbau besondere Bedeutung erlangt. Den steigenden mechanischen Anforderungen an Aluminium-Druckgußteile im Automobilbau, ausgelöst vor allem durch die gewichtsbedingte Substitution von Stahlkomponenten durch solche aus Aluminiumlegierungen, begegnet man durch den Einsatz spezieller AlSiMg- bzw. AlMgSi-Druckgußlegierungen und einer dem Gießprozeß nachfolgenden Wärmebehandlung.
  • Aus AT 407 533 ist beispielsweise eine Aluminiumlegierung mit >3,0 bis 7,0 Gew.-% Magnesium, 1,0 bis 3,0 Gew.-% Silizium, 0,3 bis 0,49 Gew.-% Mangan, 0,1 bis 0,3 Gew.-% Chrom, 0 bis 0,15 Gew.-% Titan, max. 0,15 Gew.-% Eisen und jeweils max. 0,00005 Gew.-% Kalzium und Natrium und max. 0,0002 Gew.-% Phosphor bekannt.
  • In der EP-B-0 792 380 ist eine Legierung beschrieben, welche 3,0 bis 6,0, bevorzugt 4,6 bis 5,8 Gew.-% Magnesium, 1,4 bis 3,5, bevorzugt 2,0 bis 2,8 Gew.-% Silizium, 0,5 bis 2,0, bevorzugt 0,6 bis 1,5 Gew.-% Mangan, max. 0,2, bevorzugt 0,1 bis 0,2 Gew.-% Titan und max. 0,15, bevorzugt max. 0,1 Gew.-% Eisen enthält und bereits im Rheogefügezustand vorliegt.
  • Diese bekannten AlMgSi-Legierungen sind für die Verwendung in Druckgußverfahren und damit verwandten Verfahren vorgesehen. Sie besitzen bereits im Gußzustand ähnliche Festigkeits- und Dehnungswerte wie AlSiMg-Legierungen, z.B. die bekannte Legierung vom Typ AlSi7Mg0,3, im vollausgehärteten Zustand (welcher als "T6" bezeichnet wird). Ein wesentlicher Nachteil dieser AlMgSi-Legierungstypen ist jedoch die - verglichen mit AlSiMg-Legierungen - geringere 0,2%-Dehngrenze.
  • Die 0,2%-Dehngrenze charakterisiert den Übergang von der elastischen zur plastischen Verformung eines Gußteiles und ist insbesondere auch im Zusammenhang mit crashrelevanten Strukturteilen im Automobilbau von Relevanz.
  • In der Literatur wird über die Möglichkeit einer kurzen, max. 2 Stunden dauernden, Wärmebehandlung zur Anhebung der 0,2%-Dehngrenze berichtet.
  • Eine Wärmebehandlung von Druckgußteilen aus den oben angeführten AlMgSi-Legierungen bringt jedoch zahlreiche Nachteile mit sich. Zunächst wird dadurch der Kostenvorteil, welcher durch derartige Legierungen erzielt werden kann, zunichte gemacht. Weitere wesentliche Nachteile der Wärmebehandlung sind typische Fehler an Druckgußteilen wie Verzug und vor allem Blasen, welche durch thermische Zerstörung von eingeschlossenen Formtrennstoffen entstehen und unter dem Begriff "Blister" bekannt sind. Ein Verzug macht jedoch den Prozessvorteil von Druckgußteilen, nämlich die endabmessungsnahe Fertigung, zunichte.
  • Bei Druckgußteilen, welche keiner Wärmebehandlung zur Erhöhung insbesondere der 0,2%-Dehngrenze unterworfen werden, wird als Folge der verhältnismäßig geringen 0,2%-Dehngrenze das Einsatzgebiet der vorstehend beschriebenen Aluminiumlegierungen eingeschränkt, da besonders bei belasteten Druckgußteilen höhere Festigkeitseigenschaften gefordert sind. Einem Einsatz von aus solchen Legierungen hergestellten Druckgußteilen kann dann nur durch eine Vergrößerung der Wandstärke begegnet werden. Die Vergrößerung der Wandstärke verringert jedoch einen durch den Einsatz von Aluminium erreichbaren Gewichtsvorteil oder macht diesen zunichte.
  • AT 412 726 zeigt eine Aluminiumlegierung, welche, bezogen auf das Gewicht, 0,3 bis 4,5% Si, 1,0 bis 8,0% Mg, 0,05 bis 0,5% Sc, weniger als 0,7% Fe, weniger als 0,2% Zn und Cu, wahlweise eines oder mehrere Elemente ausgewählt von der Gruppe 0,01 bis 1,0% Mn, 0,01 bis 1,0% Cr, 0,01 bis 1,0 % Ni, 0,01 bis 0,3% Ce, 0,01 bis 0,3% La und weitere wahlweise Nebenlegier- ungselemente aufweist. Aus der Legierung sollen Bauteile endabmessungsnah durch Gießen herstellbar sein und hohe Werte der mechanischen Festigkeiten aufweisen bzw. auf solche vergüt- bar sein. Die WO 00/43560 offenbart eine AlMgSi-Legierung, welche, bezogen auf das Gewicht, 2,5 bis 7% Mg, 1,0 bis 3,0% Si, 0,3 bis 0,49 % Mn, 0,1 bis 0,3% Cr, 0 bis 0,15% Ti, max. 0,15% Fe, max. 0,00005% Ca, max. 0,00005% Na, max. 0,0002% P, sonstige Verunreinigungen in einer Menge von jeweils max. 0,02% und als Rest Al und wahlweise 0,05 bis 0,02% Zr aufweist. Die Legierung soll u.a. gute mechanischen Eigenschaften im Gusszustand, besonders eine hohe Duktilität aufweisen. Z.Yin et al., "Effect of minor Sc and Zr on the micro- structure and mechanical properties of Al-Mg based alloys", Materials Science and Engineering, Bd. A280, 2000, S. 151-155, untersuchen die Wirkung der Zugabe vom Zirkonium und Scandium auf die Struktur und die mechanische Festigkeit von Legierungen ais Aluminium und Magnesium. Die gleichzeitige Zugabe von Scandium und Zirkonium bewirkt eine gegenüber der alleinigen Zugabe von Scandium oder Zirkonium außerordentliche Erhöhung mechanischer Kennwerte. Chen Yuyong et al., "Influence of cerium and mischmetall on the hardness and brightness of AL-Mg-Si alloys", Journal of Less Common Metals, Bd. 110, 1985, S. 175-178, beschreiben die Erhöhung der Brinellhärte und des Glanzes bei AlMg- und AlMgSi-Legierungen durch die Zugabe von Cer oder Mischmetall. Die Legierungen werden als Ornamente und für Haushaltswaren eingesetzt.
  • Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, Aluminiumlegierungen vom Typ AlMgSi bereitzustellen, welche für die Verwendung im Druckguß geeignet sind und im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Legierungen vergleichbare Festigkeitseigenschaften, jedoch höhere Werte hinsichtlich der 0,2%-Dehngrenze aufweisen. Ein weiteres Ziel der Erfindung besteht darin derartige Aluminiumlegierungen bereitzustellen, welche die gewünschten Festigkeitseigenschaften bereits im Gußzustand aufweisen, sodaß eine Wärmebehandlung von Druckgußteilen und die damit verbundenen Nachteile vermieden werden. Es ist ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung Aluminiumlegierungen bereitzustellen, welche für Aluminiumkomponenten im Automobilbau, insbesondere auch solche, welche hohen mechanischen Anforderungen genügen müssen, verwendet werden können, um so das Anwendungsgebiet von Aluminiumkomponenten beispielsweise im Automobilbau zu erweitern.
  • Diese Ziele werden erfindungsgemäß durch eine Legierung erreicht, welche die folgende Zusammensetzung besitzt:
    • 4,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium,
    • 1,0 bis 3,0 Gew.-% Silizium,
    • 0,3 bis 1,0 Gew.-% Mangan,
    • 0,02 bis 0,3 Gew.-% Chrom,
    • 0,02 bis 0,2 Gew.-% Titan,
    • 0,02 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium,
    • 0,0050 bis 1,6 Gew.-% eines oder mehrerer Seltenerdmetalle, ausgewählt unter Samarium, Cer und Lanthan, max. 0,2 Gew.-% Eisen und als Rest Aluminium.
  • In einer weiteren Ausführungsform besitzt die erfindungsgemäße Legierung die folgende Zusammensetzung:
    • 5,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium
    • 2,4 bis 2,8 Gew.-% Silizium
    • 0,4 bis 0,6 Gew.-% Mangan
    • 0,05 bis 0,15 Gew.-% Chrom.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Legierung ist ein Zirkoniumgehalt von 0,05 bis 0,2 Gew.-% vorgesehen.
  • Die Seltenerdmetalle Samarium, Cer oder Lanthan können allein oder in jedweder Kombination miteinander zulegiert werden. Besonders vorteilhaft sind Kombinationen aus Samarium und Cer oder Samariam und Lanthan. Eine besonders bevorzugte Legierung enthält die Seltenerdmetalle Samarium und Cer in einer Menge von 0,0050 bis 0,8 Gew.-% Samarium und 0,0050 bis 0,8 Gew.-% Cer.
  • Die Zugabe von Samarium und Cer führt bei der Erstarrung der Legierung zur Bildung von Ausscheidungen des Typs AlCe und AlSm in unterschiedlichen Zusammensetzungen, welche einen Verfestigungseffekt bewirken.
  • Durch die Zugabe von Cer wird zudem auch die Klebeneigung der Legierung im Druckgußwerkzeug vermindert, was sich auf die Qualität der Druckgußteile zusätzlich vorteilhaft auswirkt.
  • Die vorliegende Erfindung wird an Hand der für die nachstehenden Legierungen ermittelten mechanischen Kennwerte weiter veranschaulicht. Die mechanischen Kennwerte wurden an mittels Druckguß hergestellten Stufenplatten im Zugversuch nach DIN EN 10002 ermittelt, wobei für den Zugversuch die 2,7 mm Stufe herangezogen wurde. Dieser Wandstärkenbereich wird bevorzugt zur Herstellung von schweißbaren und unter Umständen crashrelevanten Strukturteilen verwendet. Die mechanischen Kennwerte stellen den Mittelwert aus 25 Messungen dar.
  • Die Ergebnisse der durchgeführten Zugversuche sind in der Tabelle 1 angeführt. Bei den darin angeführten Legierungen sind die Legierungen der Versuche 1 bis 4 erfindungsgemäß; bei der Referenzlegierung handelt es sich um eine Legierung, deren Zusammensetzung einer erfindungsgemäßen Legierung entspricht, jedoch keine Seltenerdmetalle zulegiert enthält. Tabelle 1
    Versuch Variante Zugfestigkeit RM [MPa] 0,2%-Dehngrenze Rp0,2 [MPa] Bruchdehnung A [%]
    1 AlMg5Si2MnCr+ 0,02% Sm 330 200 10,4
    2 AlMg5Si2MnCr+ 0,04% Sm+0, 02% Ce 360 220 9,8
    3 AlMg5Si2MnCr+ 0,05% Sm+0,03% Ce 330 200 11,5
    4 AlMg5Si2MnCr+ 0,11% Sm+0,06% Ce 340 200 9,5
    Referenz AlMg5Si2MnCr 297 179 12,8
  • Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, führt die Zugabe von Cer und Samarium im Vergleich zur unmodifizierten AlMg5Si2MnCr-Basislegierung zu einem signifikanten Anstieg der 0,2%-Dehngrenze.
  • Die mit den erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen erreichbaren Festigkeitswerte liegen zudem auf einem Niveau, welches mit Schmiedestücken aus AlSi1MgMn im Zustand T6, also nach einer Wärmebehandlung erreicht, wird. Aufgrund dessen und der gegenüber den bekannten Aluminiumlegierungen vom AlMgSi-Typ verbesserten 0,2%-Dehngrenze sind die erfindungsgemäßen Legierungen für neue Anwendungsgebiete, insbesondere zur Herstellung von hochbelasteten Aluminiumdruckgußteilen, wie sie vermehrt in der Automobilindustrie von Interesse sind, geeignet.
  • Ähnliche Ergebnisse hinsichtlich der mechanischen Festigkeitswerte können auch durch erfindungsgemäße Legierungen werden, worin Cer teilweise oder zur Ganze durch Lanthan ersetzt ist.
  • Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung wird für den Einsatz im Druckguß-, Squeezecasting-, Thixoforming- oder Thixoforging-Verfahren und weiteren Verfahren, welche auf der Formgebung im teilflüssigen Zustand beruhen, eingesetzt.

Claims (7)

  1. Aluminiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, dass sie
    4,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium,
    1,0 bis 3,0 Gew.-% Silizium,
    0,3 bis 1,0 Gew.-% Mangan,
    0,02 bis 0,3 Gew.-% Chrom,
    0,02 bis 0,2 Gew.-% Titan,
    0,02 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium,
    0,0050 bis 1,6 Gew.-% eines oder mehrerer Seltenerdmetalle, ausgewählt unter Samarium, Cer und Lanthan, max. 0,2 Gew.-% Eisen
    und als Rest Aluminium enthält.
  2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie
    5,5 bis 6,5 Gew.-% Magnesium
    2,4 bis 2,8 Gew.-% Silizium
    0,4 bis 0,6 Gew.-% Mangan
    0,05 bis 0,15 Gew.-% Chrom.
    enthält.
  3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie Zirkonium in einer Menge von 0,05 bis 0,2 Gew.-% enthält.
  4. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Seltenerdmetall Cer und Samarium enthalten sind.
  5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenntzeichnet, dass sie
    0,0050 bis 0,8 Gew.-% Samarium und
    0,0050 bis 0,8 Gew.-% Cer
    enthält.
  6. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Seltenerdmetall Lanthan und Samarium enthalten sind.
  7. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für den Einsatz in Druckguß-, Squeezecasting-, Thixoforming- oder Thixoforging-Verfahren.
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