EP2425030A1 - Aluminium-silizium-druckgusslegierung für dünnwandige strukturbauteile - Google Patents

Aluminium-silizium-druckgusslegierung für dünnwandige strukturbauteile

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EP2425030A1
EP2425030A1 EP10716768A EP10716768A EP2425030A1 EP 2425030 A1 EP2425030 A1 EP 2425030A1 EP 10716768 A EP10716768 A EP 10716768A EP 10716768 A EP10716768 A EP 10716768A EP 2425030 A1 EP2425030 A1 EP 2425030A1
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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

Definitions

  • the component function also includes corrosion resistance in automotive production.
  • these requirements are difficult to meet, as it comes in particular in thin-walled components due to segregations again and again to inhomogeneities that affect the corrosion resistance.
  • the AlSiIOMnMg alloy is currently the most widely used Die casting alloy for bodywork applications. Parts of this alloy must be subjected to a heat treatment due to the chemical composition, for example a heat treatment according to T6 or T7. The heat treatment process causes dimensional distortions on the component, which must be compensated for by additional process steps.
  • the object of the present invention is therefore to avoid the disadvantages described and to provide an aluminum-silicon diecasting alloy for thin-walled structural components with improved flow properties, improved solidification behavior, optimum ductility and significantly reduced tendency to heat cracks.
  • the new structural component should also be corrosion-resistant and of high dimensional stability in critical areas both in the cast state and after a heat treatment has been carried out.
  • the manganese content was limited to 0.4-0.71% and the magnesium content to 0.003-0.4%.
  • the copper content was limited to 0.003-0.20%, whereby in the cast state already strength values Rm of more than 300 MPa could be achieved at an elongation of more than 10%. These values could also be achieved in critical areas of the structural components produced by die casting.
  • Table 1 Measurements of strength and porosity
  • Table 2 Explanations of the intermetallic phases
  • Table 3 Measurement of viscosity and corrosion behavior
  • FIG. 1 graph for measuring the strength as a function of the alloy ratio according to the invention
  • FIG. 2 Graph for measuring the porosity as a function of the alloy ratio according to the invention
  • FIG. 3 Graph for measuring the viscosity as a function of the alloy ratio according to the invention
  • FIG. 4 graph for measuring corrosion resistance as a function of the invention
  • the porosity values for the specimens were also determined as a function of the ratio Si / (Mg + Mn + Cu) and shown in FIG.
  • a relatively small fluctuation range of +/- 0.20% within the claimed range can be recognized.
  • porosity increased rapidly, due to the poorer flow properties of the comparative alloys tested.
  • a higher magnesium or a higher copper content had a negative effect on the flow properties.
  • the measurements of porosity were made microscopically on the specimens. The viscosity was measured with a rotary viscometer / rheometer.
  • the viscosity was measured on the inventive alloys and the comparative - alloys at different temperatures (680 0 C 700 0 0 C and 72o C) was applied. Again, the curve shows a relatively favorable viscosity behavior within the range limit for the ratio Si / (Mg + Mn + Cu) according to the invention. At higher ratios (greater than 29) the viscosity deteriorated rapidly due to adverse ratios of the power elements. At ratios below 9, negative effects of the accompanying elements magnesium, manganese and copper were found. The viscosity is strongly influenced by the Si / (Mn + Mg + Cu) ratio. The alloying elements Si, Cu, Mn, Mg and accordingly the quantitative ratio of these elements dictates the strength of the cohesive forces of the material on which the viscosity is dependent.
  • the weight losses were determined on the specimens per area, which were found after 30 days in formic acid at room temperature of 20 0 C in the pH range of 2.7 to 3.
  • the corrosion resistance is strongly influenced by the ratio Si / (Mn + Mg + Cu). This is also due to the presence of intermetallic phases which accelerate the chemical reactivity between the formic acid and the Al alloy.
  • the corrosion erosion in the alloy ratio Si / (Mg + Mn + Cu) according to the present invention was particularly low.
  • the range above 29 is not interesting because of the Si primary crystallization for die casting applications (thin-walled parts) and found below 9 by the increased components of the alloy on the accompanying elements manganese and copper.
  • the measured values are summarized in Table 3 in a clear form.
  • Fluorescence analysis can be detected. Because in the case of Si / (Mn + Mg + Cu) ratios outside the stressed intervals decrease, the ductility of the material decreases dramatically (see picture mechanical properties), the potential risk of the formation of hot cracks is correspondingly greater.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aluminium- Silizium- Druckgusslegierung für dünnwandige Strukturbauteile, die durch folgende Gew.% gekennzeichnet ist: Silizium 11,5 bis 12,1 % Mangan 0,40 bis 0,71 % Magnesium 0,003 bis 0,40 % Kupfer 0,003 bis 0,20 %, wobei das Verhältnis Si / (Mg+Mn+Cu) zwischen 9,24 und 28,33 liegt, sowie wahlweise Titanium max. 0,25 % Strontium max. 300 ppm Eisen 0,05 - 0,35 % Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen in einer Menge von jeweils max. 0,05 %, insgesamt max. 0,25 %.

Description

Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung für dünnwandige
Strukturbauteile
Bei im Druckgussverfahren hergestellten Strukturbauteilen, insbesondere bei dünnwandigen Strukturbauteilen mit Wandstärken kleiner 5 mm kommt es entscheidend auf die Fliesseigenschaft und Erstarrungscharakteristik der eingesetzten Druckgusslegierung an. Dünnwandige Strukturbauteile sind bei Erfüllung gleicher Bauteil- funktionen aufgrund des verringerten Materialeinsatzes insbesondere im Automobilbereich von großer Bedeutung, da sie neben einem Kostenvorteil durch verringerten Material- einsatz bei der Herstellung auch einen Gewichtsvorteil bieten, der zu einer Senkung der Betriebskosten im Gebrauchsfal1 führt .
Zur Erfüllung der Bauteilfunktion gehört - neben den bekannten Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit und Dehnung sowohl im Gusszustand als auch nach der Durchführung einer Wärmebehandlung - in der Automobilfertigung auch die Korrosionsbeständigkeit. Diese Anforderungen sind jedoch nur schwer zu erfüllen, da es insbesondere bei dünnwandigen Bauteilen aufgrund von Seigerungen immer wieder zu Inhomogenitäten kommt, die die Korrosionsbeständigkeit beinträchtigen .
Ein weiteres Problem besteht bei wärmebehandelten Druckgussteilen, die für das Zusammenbauen von Karosserieteilen verwendet werden sollen und daher besonders maßhaltig sein müssen. Die Legierung AlSiIOMnMg ist die zurzeit am häufigsten angewendete Druckgusslegierung für Karosserieanwendungen. Teile dieser Legierung müssen aufgrund der chemischen Zusammensetzung einer Wärmebehandlung unterzogen werden, beispielsweise einer Wärmebehandlung nach T6 oder T7. Der Wärmebehandlungsprozess verursacht Maßverzüge am Bauteil, welche über zusätzliche Prozessschritte kompensiert werden müssen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die beschriebenen Nachteile zu vermeiden und eine Aluminium- Silizium-Druckgusslegierung für dünnwandige Strukturbauteile anzugeben mit verbesserten Fliesseigenschaften, verbessertem Erstarrungsverhalten, optimaler Duktilität und deutlich reduzierter Warmrissneigung. Das neue Strukturbauteil soll auch in kritischen Bereichen sowohl im Gusszustand als auch nach Durchführung einer Wärmebehandlung korrosionsbeständig und von hoher Maßhaltigkeit sein.
Die Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale gelöst. Es hat sich gezeigt, dass eine hoch- siliziumhaltige Druckgusslegierung mit einem Si- Gehalt von 11,5-12,1% optimale Fliesseigenschaften und ein verbessertes Erstarrungsverhalten aufweist, wenn die Gehalte an Mangan, Magnesium und Kupfer limitiert werden.
Da sich Silizium beim Erstarren ausdehnt, war es möglich, diesen Effekt durch die gezielte Zugabe von Silizium auszunutzen. Hierzu wurde der Mangangehalt auf 0,4- 0,71% und der Magnesiumgehalt auf 0,003-0,4% beschränkt. Zur Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit war es erforderlich, einen weiteren Legierungszusatz in Betracht zu ziehen, der das Festigkeits- und Dehnungsverhalten sowohl im Gusszustand als auch nach Durchführung einer Wärmebehandlung in geeigneter Weise beeinflusst. Hierzu wurde der Kupfergehalt auf 0,003-0,20 % eingeschränkt, wobei im Gusszustand bereits Festigkeitswerte Rm von über 300 MPa bei einer Dehnung von über 10% erreicht werden konnten. Diese Werte konnten auch in kritischen Bereichen der im Druckgussverfahren hergestellten Strukturbauteile erreicht werden.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Tabelle 1: Messwerte für Festigkeit und Porosität Tabelle 2 : Erläuterungen zu den intermetallischen Phasen Tabelle 3 : Messung von Viskosität und Korrosionsverhalten
FIG. 1 Grafik zur Messung der Festigkeit als Funktion des erfindungsgemäßen Legierungsverhältnisses FIG. 2 Grafik zur Messung der Porosität als Funktion des erfindungsgemäßen Legierungsverhältnisses FIG. 3 Grafik zur Messung der Viskosität als Funktion des erfindungsgemäßen Legierungsverhältnisses FIG. 4 Grafik zur Messung der Korrosionsbeständigkeit als Funktion des erfindungsgemäßen
Legierungsverhältnisses
Die Messungen der mechanischen Eigenschaften wurden an Probekörpern mit einer Wanddicke von 3 mm durchgeführt und die Werte für Rp0 2, Rm und die Bruchdehnung A nach DIN gemessen. Die gemessenen Werte wurden in einem Diagramm in Abhängigkeit von dem Si/ (Mg+Mn+Cu) -Verhältnis aufgetragen (Figur 1) . Es handelte sich um Al -Si-Druckgusslegierungen mit herstellungsbedingten Verunreinigungen für dünnwandige Strukturbauteile gekennzeichnet durch folgende Gehalte in Gew.%
Silizium 11,5 bis 12,1 % Mangan 0,40 bis 0,71 % Magnesium 0,003 bis 0,40 %
Kupfer 0,003 bis 0,20 %, wobei das Verhältnis Si/ (Mg+Mn+Cu) zwischen 9,24 und 28,33 liegt, sowie wahlweise Titan max. 0,25%
Strontium max. 300 ppm Eisen 0,05-0,35%
Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen in einer Menge von jeweils max. 0,05 %, insgesamt max. 0,25 %.
Bewertung: Innerhalb des erfindungsgemäßen Bereiches von 9,24 bis 28,33 ergaben sich relativ konstante Resultate für die mechanischen Eigenschaften. Erst bei einem Verhältnis kleiner 9,24 zeigte sich eine sprunghafte Änderung in den Festigkeitswerten. Die Erhöhung des Mg- und Cu-Gehaltes führte zu einer drastischen Abnahme der Bruchdehnung. Dies ist das Resultat der Verfestigung der Legierung durch die Mg- und Cu-haltigen intermetallischen Phasen (siehe Tabelle 2) , die bei höheren Konzentrationen eine starke Reduzierung der Duktilität hervorrufen. Bei Konzentrationen außerhalb des angegebenen Intervalls ist der Aushärtungseffekt so groß, dass der Werkstoff seine Duktilität verliert.
Analog zu Figur 1 wurden auch die Porositätswerte für die Probekörper in Abhängigkeit vom Verhältnis Si/ (Mg+Mn+Cu) ermittelt und in Figur 2 dargestellt. Man erkennt auch hier eine relativ geringe Schwankungsbreite von +/- 0,20% innerhalb des beanspruchten Bereiches . Außerhalb des Bereiches nahm jedoch die Porosität rapide zu, was auf die schlechteren Fließeigenschaften der untersuchten Vergleichslegierungen zurückzuführen ist. Hier wirkte sich insbesondere ein höherer Magnesium- oder ein höherer Kupfergehalt negativ auf die Fließeigenschaften aus. Die Messungen der Porosität wurden mikroskopisch an den Probekörpern vorgenommen. Die Viskosität wurde mit einem rotativen Viscosimeter/Rheometer gemessen.
In Figur 3 wurde die Viskosität, gemessen an den erfindungsgemäßen Legierungen und den Vergleichs - legierungen bei unterschiedlichen Temperaturen (6800C, 7000C und 72O0C) aufgetragen. Auch hier zeigt der Kurvenverlauf ein relativ günstiges Viskositätsverhalten innerhalb der erfindungsgemäßen Bereichsgrenze für das Verhältnis Si/ (Mg+Mn+Cu) . Bei größeren Verhältniswerten (über 29) verschlechterte sich die Viskosität rapide aufgrund von ungünstigen Verhältnissen der Leistungselemente. Bei Verhältniswerten unter 9 zeigten sich negative Einflüsse der Begleitelemente Magnesium, Mangan und Kupfer. Die Viskosität wird stark vom Si/ (Mn+Mg+Cu) Verhältnis beeinflusst. Die Legierungselemente Si, Cu, Mn, Mg und dementsprechend das quantitative Verhältnis dieser Elemente diktiert die Stärke der Kohäsionskräfte des Werkstoffes, von denen die Viskosität abhängig ist.
Für den Korrosionstest wurden die Gewichtsverluste an den Probekörpern pro Fläche bestimmt, die nach 30 Tagen in Ameisensäure bei Raumtemperatur von 200C im pH-Bereich von 2,7 bis 3 festgestellt wurden. Die Korrosionsbeständigkeit ist vom Verhältnis Si/ (Mn+Mg+Cu) stark beeinflusst. Dies ist auch auf die Anwesenheit von intermetallischen Phasen, die die chemische Reaktivität zwischen der Ameisensäure und der Al-Legierung beschleunigen, zurückzuführen.
Wie die Darstellung nach Figur 4 zeigt, war der Korrosionsabtrag im erfindungsgemäßen Bereich des Legierungsverhältnisses Si/ (Mg+Mn+Cu) besonders niedrig. Der Bereich oberhalb von 29 ist wegen der Si- Primärkristallisierung für Druckgussanwendungen (dünnwandige Teile) nicht interessant und unterhalb von 9 durch die erhöhten Bestandteile der Legierung an den Begleitelementen Mangan und Kupfer festgestellt. Die gemessenen Werte sind in Tabelle 3 in übersichtlicher Form zusammengefasst .
Für alle 35 Versuche wurde eine optische Analyse in Form einer Fluoreszenzanalyse zur Bestimmung der Warmrissbildung durchgeführt. Alle Probekörper aus den 30 Versuchen nach der Erfindung waren in Ordnung, das heißt es konnte keine Warmrissbildung nach der
Fluoreszenzanalyse festgestellt werden. Weil im Falle von Si/ (Mn+Mg+Cu) Verhältnissen, die außerhalb des beanspruchten Intervalls liegen, die Duktilität des Werkstoffes dramatisch abnimmt (siehe Bild mechanische Eigenschaften) , ist die potentielle Gefahr der Entstehung von Warmrissen dementsprechend größer.
Die 5 Vergleichsversuche (alle Versuche unterhalb des erfindungsgemäßen Legierungsverhältnisses) wurden nach der gleichen Methode bewertet, zeigten jedoch teilweise beginnende Warmrisse, sodass die Feststellung einer überragenden Eignung der erfindungsgemäßen Legierung zur Herstellung von dünnwandigen Strukturbauteilen als gerechtfertigt anzusehen ist.
Tabelle 1
Messwerte für Festigkeit und Porosität
Tabelle 2
Intermetallische Phasen im Al-Si System
Tabelle 3
Korrosionsbeständigkeit und Viskosität

Claims

Ansprüche
1. Aluminium-SiIizium-Druckgusslegierung für dünnwandige Strukturbauteile, gekennzeichnet durch folgende Gehalte in Gew.%
Silizium 11,5 bis 12,1 %
Mangan 0,40 bis 0,71 %
Magnesium 0,003 bis 0,40 %
Kupfer 0,003 bis 0,20 %, wobei das Verhältnis
Si/ (Mg+Mn+Cu) zwischen 9,24 und 28,33 liegt, sowie wahlweise Titan max. 0,25%
Strontium max. 300 ppm
Eisen 0,05-0,35%
Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen in einer Menge von jeweils max. 0,05 %, insgesamt max. 0,25 %.
2. Strukturbauteil, hergestellt aus einer Aluminium- Silizium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Festigkeit im gegossenen, unbehandelten Zustand von Rp0, 2 größer/gleich MPa 130 und einer Dehnung A größer/gleich 10 %, wobei der Siliziumgehalt 11,5 bis 11,7 %, der Mangangehalt 0,40 bis 0,50 % und der Kupfergehalt 0,003 bis 0,005 % beträgt.
3. Sicherheits-Strukturbauteil, hergestellt aus einer Aluminium-Silizium Druckgusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Streckgrenze Rp0 2 > 140 MPa und die Dehnung A 14 % im wärmebehandelten Zustand T6 oder T7 beträgt, wobei der Siliziumgehalt auf 11,75 bis 12,10 %, der Mangangehalt auf 0,60 bis 0,70, % der Magnesiumgehalt auf 0,20 bis 0,40 % und der Kupfergehalt auf 0,003 bis 0,20 % eingestellt ist.
4. Verwendung einer Aluminium-Silizium- Druckgusslegierung nach Anspruch 1 zur Herstellung von Karosseriestruktur- Fahrwerks- und Innenausstattungskomponenten mit einer Wandstärke von 1-5 mm, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine zweistufige Wärmebehandlung bei 460-4900C für 30-120 Minuten an Luft und 170-2400C für 100 Minuten bis 300 Minuten.
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