EP3443134A1 - Aushärtbare aluminiumlegierung auf al-mg-si-basis - Google Patents

Aushärtbare aluminiumlegierung auf al-mg-si-basis

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EP3443134A1
EP3443134A1 EP17712414.6A EP17712414A EP3443134A1 EP 3443134 A1 EP3443134 A1 EP 3443134A1 EP 17712414 A EP17712414 A EP 17712414A EP 3443134 A1 EP3443134 A1 EP 3443134A1
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Thomas Ebner
Werner FRAGNER
Helmut Kaufmann
Stefan Pogatscher
Ramona Tosone
Peter J. Uggowitzer
Marion Werinos
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Abstract

Es wird eine aushärtbare Aluminiumlegierung auf Al-Mg-Si-Basis gezeigt. Um eine recyclingfreundliche, lagerbeständige und besonders warmaushärtbare Aluminiumlegierung zu schaffen, wird vorgeschlagen, dass diese Aluminiumlegierung von 0,6 bis 1 Gew.-% Magnesium (Mg), von 0,2 bis 0,7 Gew.-% Silizium (Si), von 0,16 bis 0,7 Gew.-% Eisen (Fe), von 0,05 bis 0,4 Gew.-% Kupfer (Cu), maximal 0,15 Gew.-% Mangan (Mn), maximal 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), maximal 0,2 Gew.-% Zirkon (Zr), maximal 0,25 Gew.-% Zink (Zn), maximal 0,15 Gew.-% Titan (Ti), 0,005 bis 0,075 Gew.-% Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen aufweist, wobei das Verhältnis der Gewichtsprozente von Si/Fe kleiner 2,5 ist und sich der Gehalt von Si nach der Gleichung Gew.-% Si = A + [0,3 * (Gew.-% Fe)] mit dem Parameter A im Bereich von 0,17 bis 0,4 Gew.-% bestimmt.

Description

Aushärtbare Aluminiumlegierung auf Al-Mq-Si-Basis
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine aushärtbare Aluminiumlegierung auf Al-Mg-Si-Basis.
Stand der Technik
Um die Warmaushärtungsfähigkeit einer durch Lagerung bei Raumtemperatur kaltausgehärteten A6061 Aluminiumlegierung auf Al-Mg-Si-Basis zu verbessern, schlägt die WO2013/124472A1 vor, der festen Lösung der Aluminiumlegierung ein Leerstellen aktives Spurenelement, nämlich Zinn (Sn) und/oder Indium (In), zuzugeben.
Zudem ist es bekannt („Statistical and thermodynamic optimization of trace-element modified Al-Mg-Si-Cu Alloys", Stefan Pogatscher et. al.), dass bestimmte Haupt- und Nebenlegierungselemente der A6061 -Aluminiumlegierung die Löslichkeit von Zinn oder Indium in der Aluminiumlegierung reduzieren, was negative Auswirkungen auf die Lagerstabilität bei Raumtemperatur der 6xxx-Aluminiumlegierungen hat. So soll beispielsweise ein erhöhter Gehalt von Mg, Si, Cu oder Zn in der 6xxx- Aluminiumlegierung die Löslichkeit verringern, wohingegen ein erhöhter Gehalt von Fe, Ti und Mn die Löslichkeit erhöht. Zudem haben auch Interaktionseffekte, beispielsweise zwischen Si und Mg und/oder zwischen Cu und Mg, bei der Löslichkeit von Sn in der Aluminiumlegierung eine bedeutende Rolle.
Allerdings können die Haupt- und Nebenlegierungselemente in ihrem Gehalt in der Aluminiumlegierung nicht beliebig variiert werden, weil neben einer wünschenswert hohen Warmaushärtungsfähigkeit auch andere mechanische und/oder chemische Anforderungen - wie beispielsweise Umformbarkeit, Festigkeit, Duktilität und/oder Korrosionsbeständigkeit - zu erfüllten sind. Dies bedarf beispielsweise hoher Konzentrationen von Hauptlegierungselementen in der Aluminiumlegierung, um bestimmte Warmausscheidungen bilden zu können.
In der Einstellung der Komposition einer Aluminiumlegierung auf Al-Mg-Si-Basis sind daher bei den Haupt- und Nebenlegierungselementen meist zueinander gegenläufige Mengenverhältnisse erforderlich - nämlich einerseits solche Mengenverhältnisse, die der Löslichkeit von Sn in der Aluminiumlegierung dienlich sind, um eine hohe Lagerstabilität bei Raumtemperatur zu ermöglichen, und andererseits jene Mengenverhältnisse, die für hohe mechanische und/oder chemische Kennwerte bzw. Eigenschaften der Aluminiumlegierung sorgen, meist jedoch auf die Löslichkeit von Sn nachteilig wirken.
Darstellung der Erfindung
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine aushärtbare Aluminiumlegierung auf Basis von Al-Mg-Si mit Sn als Spurenelement in der Komposition derart zu verändern, dass eine hohe mechanische und chemische Eigenschaft der Aluminiumlegierung nach der Warmaushärtung mit einer hohen Lagerstabilität bei Raumtemperatur kombiniert werden kann. Zudem soll die Aluminiumlegierung besonders geeignet für die Verwendung von Sekundäraluminium sein.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass die Aluminiumlegierung von 0,6 bis 1 Gew.-% Magnesium (Mg), von 0,2 bis 0,7 Gew.-% Silizium (Si), von 0,1 6 bis 0,7 Gew.-% Eisen (Fe), von 0,05 bis 0,4 Gew.-% Kupfer (Cu), maximal 0,15 Gew.-% (bzw. von 0 bis 0,15 Gew.-%) Mangan (Mn), maximal 0,35 Gew.-% (bzw. von 0 bis 0,35 Gew.-%) Chrom (Cr), maximal 0,2 Gew.-% (bzw. von 0 bis 0,2 Gew.- %) Zirkon (Zr), maximal 0,25 Gew.-% (bzw. von 0 bis 0,25 Gew.-%) Zink (Zn), maximal 0,15 Gew.-% (bzw. von 0 bis 0,15 Gew.-%) Titan (Ti), 0,005 bis 0,075 Gew.-% Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, wobei das Verhältnis der Gewichtsprozente von Si/Fe kleiner 2,5 ist und sich der Gehalt von Si nach der Gleichung Gew.-% Si = A + [0,3 * (Gew.-% Fe)] mit dem Parameter A im Bereich von 0,17 bis 0,4 Gew.-% bestimmt.
Durch die Vorschrift des Beschränkens des Si-Gehalts auf 0,2 bis 0,7 Gew.-% und des Fe-Gehalts auf 0,1 6 bis 0,7 Gew.-% sowie der Abstimmung des Si-Gehalts mit dem Fe-Gehalt kann auf die Lagerstabilität und Warmaushärtungsfähigkeit der Al- Mg-Si-Aluminiumlegierung in besonders hohem Maße vorteilhaft Einfluss genommen werden, wenn diese Abstimmung sowohl dem Verhältnis der Gewichtsprozente von Si/Fe kleiner 2,5 als auch der Gleichung Gew.-% Si = A + [0,3 * (Gew.-% Fe)] mit dem Parameter A im Bereich von 0,17 bis 0,4 Gew.-% genügt.
Eine derart eng in Si- und Fe-Gehalt abgestimmte Aluminiumlegierung, welche Abstimmung beispielsweise am schraffierten Bereich in Fig. 1 zu erkennen ist, kann nämlich aufgrund der Obergrenze der genannten Vorschrift für eine ausreichende Löslichkeit von Zinn und/oder Indium in der festen Lösung der Aluminiumlegierung gewährleisten, was das Ausscheidungsverhalten beim Kaltaushärten verlangsamt und damit der Lagerstabilität der Aluminiumlegierung förderlich ist. Aufgrund der Untergrenze in der Abstimmung ist zudem mit einem ausreichenden Ausscheidungsverhalten beim Warmaushärten zu rechnen - wodurch hohe Festigkeitswerte beim Warmaushärten erreichbar sind und die Aluminiumlegierung selbst jene mechanischen und chemischen Eigenschaften erreichen oder verbessern kann, welche von 6xxx-Aluminiumlegierungeinem mit höherem Gehalt an Haupt- und Nebenlegierungselementen bekannt sind.
Überraschend hat sich jedoch herausgestellt, dass mit diese Vorschrift im Vergleich mit bekannten 6xxx-Aluminiumlegierungen, aufweisend Sn zur Unterdrückung der Kaltaushärtung, ein um ein Vielfaches verlangsamtes Ausscheidungsverhalten bei Raumtemperatur beobachtet werden kann. Zwar ist bekannt, dass ein vergleichsweise niedriger Si-Gehalt für ein verzögertes Kaltaushärtung verantwortlich sein kann, die erfindunsgemäße Abstimmung des Si-Gehalts führt jedoch weit über diese bekannten Effekte hinaus und zeigt eine ungewöhnlich hohe Lagerstabilität an der Aluminiumlegierungen.
Erfindungsgemäß können daher die Vorteile einer besonders hohen Lagerstabilität bei Raumtemperatur sowie guter Warmaushärtungsfähigkeit der Aluminiumlegierung kombiniert werden.
Zudem kann sich diese erfindungsgemäße Komposition durch den vergleichsweise hohen Fe Gehalt auch besonders gut für die Verwendung von Sekundäraluminium hierfür eignen.
Im Allgemeinen wird erwähnt, dass in der Al-Mg-Si-Aluminiumlegierung Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% vorkommen können. Zudem wird im Allgemeinen erwähnt, dass maximale Gew.-% Angaben, wie diese bei Mn, Cr, Zr, Zn oder Titan beispielsweise zu finden sind, als von 0 ausgehend betrachtet werden können.
Der Vollständigkeit halber wird weiter erwähnt, dass als Sekundaraluminium Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung, gewonnen aus Aluminiumschrott, verstanden werden kann.
Die Lagerstabilität und die Warmaushärtungsfähigkeit der Aluminiumlegierung können weiter verbessert werden, wenn der Parameter A im Bereich von 0,26 bis 0,34 Gew.-% liegt. Durch diese Vorschrift, kann nämlich die Löslichkeit von Sn verhältnismäßig groß werden und Si nur mehr einen geringen Einfluss auf eine Kaltaushärtung ausüben. Damit kann eine unerwartet hohe Stabilität bei Raumtemperatur ermöglicht werden. Zudem kann sich zeigen, dass diese derart eingestellte Legierung nach einer Warmaushärtung - beispielsweise durch Warmauslagerung - eine überraschend hohe Festigkeit erreichen kann, obwohl diese Legierung einen vergleichsweise niedrigen Si-Gehalt aufweist.
Ein Optimum an Lagerstabilität und Warmaushärtungsfähigkeit kann sich zeigen, wenn der Parameter A 0,3 Gew. -% ist. Bestimmt sich der Gehalt von Si nach der Gleichung Gew.-% Si = A + [0,3 * (Gew.- % Fe)] - Gew.-% Ti, können die, die Löslichkeit von Sn beeinfussenden Komponenten noch weiter verbessert aufeinander abgestimmt werden. Insbesondere kann Ti Phasen mit Si ausbilden, was einen positiven Einfluss auf die Löslichkeit von Sn haben kann. Die Lagerstabilität der Aluminiumlegierung ist damit weiter verbesserbar.
Ist das Verhältnis der Gewichtsprozente von Si/Fe kleiner 2, kann durch erhöhtes Abbinden von Si durch Fe der Anteil an gelöstem Si in der Aluminiumlegierung erheblich verringert werden. Damit kann die Löslichkeit von Zinn und/oder Indium in der festen Lösung der Al-Mg-Si-Aluminiumlegierung verbessert werden, was die Lagerstabilität weiter erhöhen kann.
Eine vergleichsweise hohe Löslichkeit von Zinn und/oder Indium in der festen Lösung der Al-Mg-Si-Aluminiumlegierung kann erreicht werden, wenn das Verhältnis der Gewichtsprozente von Si/Mg im Bereich von 0,3 bis 0,9 liegt.
Weist die Aluminiumlegierung mindestens 0,25 Gew.-% Kupfer (Cu) auf, kann auf Basis dieses vergleichsweise hohen Gehalts an Cu kompensierend auf die nachteiligen Effekte von Mg und Si hinsichtlich der Löslichkeit von Sn in der festen Lösung der Al-Mg-Si-Aluminiumlegierung eingegriffen werden.
Eine hervorragende Lagerstabilität der Aluminiumlegierung kann erreicht werden, wenn diese im Bereich von 0,005 bis 0,05 Gew.-% Zinn (Sn) in fester Lösung im Aluminiummischkristall aufweist. Im Allgemeinen wird erwähnt, dass der Begriff „fester Lösung" einen Zustand bezeichnen kann, in welchem ein Legierungselement in einer festen Matrix verteilt ist.
Vorzugsweise gehört die Aluminiumlegierung der 6xxx Reihe an. Vorzugsweise ist die Aluminiumlegierung eine EN AW-6061 Aluminiumlegierung. Weist die Aluminiumlegierung maximal 0,05 Gew.-% Chrom (Cr) und mehr als 0,05 Gew.-% Zirkon (Zr) auf, kann die Abschreckempfindlichkeit für Sn reduzieren und Sn auch bei vergleichsweise niedrigen Abschreckraten in fester Lösung im Aluminiummischkristall gehalten werden. Außerdem ist damit ermöglichbar, selbst bei Grobblechen ein Optimum an Lagerstabilität und Warmaushärtungsfähigkeit zu erreichen.
Die Aluminiumlegierung kann mindestens 0,02 Gew.-% Chrom (Cr) aufweisen, um damit eventuell das Korrosionsverhalten zu verbessern.
Wege zur Ausführung der Erfindung
Zum Nachweis der erzielten Effekte wurden Feinbleche aus verschiedenen Aluminiumlegierungen auf Al-Mg-Si-Basis (6xxx-Reihe) hergestellt. Die Zusammensetzungen der untersuchten Legierungen sind in der Tabelle 1 angeführt.
Tabelle 1 : Ubersicht zu den untersuchten Legierungen in Gew
Die Aluminiumlegierung 1 der Tabelle 1 entspricht im Wesentlichen einer Standard- Legierung AA6061 nach Zugabe des Spurenelements Sn, wobei vorstellbar ist anstatt von Zinn Indium oder eine Kombination von Sn und In zu verwenden. Legierung 2 stellt die erfindungsgemäße Komposition der 6xxx-Reihe dar und ist durch den vergleichsweise hohen Fe Gehalt vergleichsweise recyclingfreundlich.
Die Aluminiumlegierung 1 liegt deutlich außerhalb des erfindungsgemäß abgestimmten Si/Fe-Gehalts, wir dies beispielsweise in der Fig. 1 zu erkennen ist. Die Aluminiumlegierung 2 liegt in diesem abgestimmten Si/Fe Gehalt im Wesentlichen mittig platziert.
Beide Aluminiumlegierungen 1 und 2 wurden in feste Lösung durch Lösungsglühen gebracht, abgeschreckt und durch Auslagern bei Raumtemperatur kalt- sowie anschließend warmausgehärtet. Das Lösungsglühen erfolgte bei einer Temperatur größer 530 Grad Celsius - das Abschrecken mit einer Abschreckrate größer 20 Grad Celsius/Sekunde. Beide Legierungen 1 und 2 wurden einer Lagerzeit bzw. einer Kaltaushärtung von 180 Tagen [d] und einer Warmaushärtung von 30 Minuten bei unterschiedlichen Temperaturen unterworfen. Während der Kalt- bzw. nach der Warmauslagerung wurden Brinellhärten [HBW] bestimmt.
In Bezug auf die Lagerstabilität ist nach Fig. 2 zu erkennen, dass die Legierung 1 bereits nach 14 Tagen einer vergleichsweise stark ansteigenden Kaltaushärtung bei Lagerung bei Raumtemperatur unterliegt - was über eine längere Lagerzeit gesehen nachteilig zu vergleichsweise hoher und steigender Brinellhärte führt und sich nachteilig auf ein Umformen vor der Warmaushärtung auswirkt.
Im Gegensatz dazu zeichnet sich bei der Legierung 2 erst nach ca. 180 Tagen eine beginnende Kaltaushärtung ab, wodurch die erfindungsgemäße Legierung 2 als besonders lagerbeständig gilt. Eine derart überraschend hohe Lagerbeständigkeit wurde bis dato noch bei keiner 6xxx-Legierung beobachtet. Dies führt zu einem unerwarteten, enormen Gewinn in der Manipulationszeit der Legierung nach dem Abschrecken in weichem Zustand.
Bei der anschließenden Warmaushärtung ist im Vergleich der beiden Legierungen nach Fig. 3 zu erkennen, dass die Legierung 2 bei niedrigeren Auslagerungstemperaturen in der Brinellhärte zunächst der Legierung 1 nachhinkt. Bei höheren Auslagerungstemperaturen kann die Brinellhärte der Legierung 1 deutlich übertroffen werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e : 1 . Aushärtbare Aluminiumlegierung auf Al-Mg-Si-Basis, aufweisend
von 0,6 bis 1 Gew.-% Magnesium (Mg),
von 0,2 bis 0,7 Gew.-% Silizium (Si),
von 0,1 6 bis 0,7 Gew.-% Eisen (Fe),
von 0,05 bis 0,4 Gew.-% Kupfer (Cu),
maximal 0,15 Gew.-% Mangan (Mn),
maximal 0,35 Gew.-% Chrom (Cr),
maximal 0,2 Gew.-% Zirkon (Zr),
maximal 0,25 Gew.-% Zink (Zn),
maximal 0,15 Gew.-% Titan (Ti),
0,005 bis 0,075 Gew.-% Zinn (Sn) und/oder Indium (In)
und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, wobei
das Verhältnis der Gewichtsprozente von Si/Fe kleiner 2,5 ist
und sich der Gehalt von Si nach der Gleichung
Gew.-% Si = A + [0,3 * (Gew.-% Fe)]
mit dem Parameter A im Bereich von 0,17 bis 0,4 Gew.-%
bestimmt.
2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter A im Bereich von 0,26 bis 0,34 Gew.-% liegt.
3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Parameter A 0,3 Gew.-% ist.
4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 , 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass und sich der Gehalt von Si nach der Gleichung Gew.-% Si = A + [0,3 * (Gew.-% Fe)] - Gew.-% Ti
bestimmt.
5. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gewichtsprozente von Si/Fe kleiner 2 ist.
6. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Gewichtsprozente von Si/Mg im Bereich von 0,3 bis 0,9 liegt.
7. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung mindestens 0,25 Gew.-% Kupfer (Cu) aufweist.
8. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung im Bereich von 0,005 bis 0,05 Gew.-% Zinn (Sn) in fester Lösung im Aluminiummischkristall aufweist.
9. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung der 6xxx Reihe angehört.
10. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung maximal 0,05 Gew.-% Chrom (Cr) und mehr als 0,05 Gew.-% Zirkon (Zr) aufweist.
1 1 . Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung mindestens 0,02 Gew.-% Chrom (Cr) aufweist.
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