EP3775309A1 - Aluminium-druckgusslegierung - Google Patents

Aluminium-druckgusslegierung

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EP3775309A1
EP3775309A1 EP20711910.8A EP20711910A EP3775309A1 EP 3775309 A1 EP3775309 A1 EP 3775309A1 EP 20711910 A EP20711910 A EP 20711910A EP 3775309 A1 EP3775309 A1 EP 3775309A1
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EP
European Patent Office
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weight
aluminum die
cast alloy
alloy according
molybdenum
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EP20711910.8A
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EP3775309B1 (de
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Steffen Otterbach
Marc Hummel
Hubert Koch
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Audi AG
Original Assignee
Audi AG
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    • 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
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • 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
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to an aluminum die-cast alloy and a structural component for a motor vehicle.
  • EP 1 443 122 B1 discloses an aluminum alloy for die casting components with high elongation in the as-cast state. Further compositions for aluminum die-cast alloys are described in EP 1 719 820 A2, DE 10 2006 039 684 B4 or DE 10 2010 055 011 A1.
  • manganese is partially added to the alloy in order to reduce the tendency to stick to the die casting mold and thus improve the demoldability of the finished cast parts.
  • the manganese content is typically between 0.3 and 0.8% by weight. With a manganese content of less than 0.3% by weight, there is an increased tendency to stick and a complex casting can no longer be removed from the mold. Such a tendency to stick is not only disruptive to the process and the dimensional accuracy, but also leads to increased wear on the casting tool. On the other hand, too high a manganese content of more than 0.8% by weight due to the formation of coarse, in termetallic precipitates, causes the material to become brittle and therefore a reduction in ductility or deformability.
  • molybdenum is added to the alloy. By adding molybdenum, the increased tendency to stick by reducing the manganese content can be counteracted.
  • molybdenum is relatively expensive as an element, which increases the cost of such a raw material.
  • the inventors have surprisingly found that a reduction in the molybdenum content and the simultaneous use of chromium promote a reduction in the tendency to stick and an increase in ductility.
  • a portion of molybdenum possibly also the entire portion of molybdenum, is replaced by chromium. Even very small amounts of chromium are sufficient here to achieve a significant effect.
  • This at least partial substitution of molybdenum by chromium also results in cost advantages, since the raw material price of chromium is significantly lower than that of molybdenum.
  • the manganese content in the alloy can be reduced to a proportion of 0.25 to 0.6% by weight, resulting in improved development - result in formability and a higher ductility.
  • the surprising thing about the alloy composition according to the invention is therefore that small proportions of chromium enable the proportion of molybdenum to be reduced, which significantly improves both the elongation at break and the demoldability.
  • the silicon content of 7.5 to 11.5% by weight present in the alloy according to the invention ensures sufficient strength and a high mold filling capacity of the aluminum die-cast alloy according to the invention.
  • silicon counteracts solidification voids during cooling.
  • molybdenum is present in a proportion of 0.001 to 0.048% by weight, in particular 0.001 to 0.043% by weight, in particular 0.024 to 0.043% by weight.
  • a proportion of molybdenum has proven to be very suitable in terms of good demoldability and high ductility.
  • chromium is provided in a proportion of 0.04 to 0.05% by weight, in particular 0.04 to 0.048% by weight, the tendency of the material to stick can be further reduced and the ductility of the same can be optimized.
  • manganese is present in a proportion of 0.35 to 0.6% by weight, in particular 0.45 to 0.55% by weight. Such a proportion of manganese has proven to be particularly advantageous with regard to a low tendency to stick.
  • the following further alloy components can be provided: 0.001 to 0.15% by weight iron and / or 0.001 to 0.08% by weight magnesium and / or 0.004 to 0.15% by weight titanium and / or 0.01 to 0.2 wt% zirconium and / or 0.008 to 0.02 wt% strontium and / or 0.001 to 0.1 wt% vanadium.
  • the rule here is that iron as a contaminant element always occurs in small quantities in the alloy, i.e. the lower the iron content, the more expensive rer is the pure aluminum.
  • the strength can be increased, which is done in particular with larger wall thicknesses of the component made from the alloy, in particular with wall thicknesses of 3.5-8 mm, since due to the slower quenching of the material in the Die strength tends to be lower.
  • a structural component for a motor vehicle, produced from an aluminum die-cast alloy according to the invention, is specified in claim 9.
  • Such a structural component can be used for a wide variety of purposes in motor vehicles, since it has the required strength as well as sufficient ductility and good demoldability.
  • a very advantageous development of the structural component can consist in that the structural component is designed as a thin-walled strut mount, battery tray or connecting part and is manufactured without heat treatment.
  • the aluminum die-cast alloy according to the invention is particularly well suited for the components mentioned; however, it can also be used for other components. By dispensing with heat treatment of the structural component, warping of the same is avoided, so that a high level of accuracy of the components can be achieved.
  • the improved demoldability that can be achieved with the aluminum die-cast alloy according to the invention could be clearly demonstrated, as described below, can also be found in the table below leaves.
  • the mechanical parameters, ie the strength and the ductility, were determined on flat tensile specimens with an average wall thickness of 3.5 mm. To this end, three different compositions of a basic alloy were compared with one another and a test cast with a maximum of 250 casts was carried out.
  • the test was carried out until the process was interrupted due to the component sticking to the casting mold or an impossible removal of the component. In those cases in which the process was not interrupted, the test was terminated as OK after 250 castings.
  • the column "Demouldability" the number of components cast without interruption up to a process interruption due to no demouldability or up to a maximum of 250 castings is indicated.
  • composition of the base alloy used was as follows: AISi1 OFeO, 13Mg0.04Ti0.09Zr0, 15Sr0.012.
  • Alloy 1 according to the prior art could be demolded very well, but had a very low elongation at break due to the high manganese content.
  • the manganese content was reduced, which, however, led to an increased tendency to stick and therefore poorer demoldability. Basically, the reduction in the manganese content is also noticeable in a higher elongation at break with a slightly lower yield point.
  • the alloys 6 and 7 are two different versions of the aluminum die-cast alloy according to the present invention.
  • the molybdenum content was reduced and chromium was also added.
  • the strength of the two alloys 6 and 7 is also sufficient for the purpose for which they are intended.
  • the table shows the effect of the molybdenum and chromium used on the properties of the aluminum die-cast alloy as described above.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aluminum-Druckgusslegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen: 7,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium, 0,25 bis 0,6 Gew.-% Mangan, 0,03 bis 0,06 Gew.-% Chrom, < 0,05 Gew.-% Molybdän sowie Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

Aluminium-Druckgusslegierung
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Druckgusslegierung sowie ein Struktur bauteil für ein Kraftfahrzeug.
Aus der EP 1 443 122 B1 ist eine Aluminiumlegierung zum Druckgießen von Bauteilen mit hoher Dehnung im Gusszustand bekannt. Weitere Zusammen setzungen für Aluminium-Druckgusslegierungen sind in der EP 1 719 820 A2, der DE 10 2006 039 684 B4 oder der DE 10 2010 055 011 A1 beschrie ben.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird der Legierung teilweise Mangan zugesetzt, um die Klebeneigung an der Druckgießform zu reduzieren und damit die Entformbarkeit der fertigen Gussteile zu verbes sern. Dabei beträgt der Mangangehalt typischerweise zwischen 0,3 und 0,8 Gew.-%. Bei einem Mangangehalt von weniger als 0,3 Gew.-% kommt es zu einer erhöhten Klebeneigung und ein komplexes Gussteil kann nicht mehr aus der Gießform entformt werden. Eine solche Klebeneigung ist nicht nur störend für den Prozess und die Maßhaltigkeit, sondern führt auch zu einem erhöhten Verschleiß des Gießwerkzeugs. Dagegen bewirkt ein zu hoher Mangananteil von mehr als 0,8 Gew.-% aufgrund der Bildung von groben, in termetallischen Ausscheidungen, eine Versprödung des Werkstoffs und da mit eine Verringerung der Duktilität bzw. der Verformbarkeit. Um den Mangangehalt verringern zu können, wird gemäß der EP 1 443 122 B1 Molybdän zu der Legierung hinzugegeben. Durch die Zugabe von Molyb dän kann der erhöhten Klebeneigung, durch die Reduzierung des Mangan- gehaltes, entgegengewirkt werden. Jedoch ist Molybdän als Element relativ teuer, was die Kosten für ein solches Rohmaterial erhöht.
Bei der Lösung gemäß der DE 10 2006 039 684 B4 hat sich herausgestellt, dass der niedrige Siliziumgehalt von 1 bis 5 Gew.-% zu einer zu geringen Festigkeit führt.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminium- Druckgusslegierung zu schaffen, die eine geringe Klebeneigung und eine hohe Duktilität aufweist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass eine Reduzierung des Molybdängehalts und ein gleichzeitiger Einsatz von Chrom die Verringe rung der Klebeneigung und die Erhöhung der Duktilität fördern. Im Prinzip wird gegenüber bekannten Legierungszusammensetzungen also ein Anteil an Molybdän, gegebenenfalls auch der gesamte Anteil an Molybdän, durch Chrom ersetzt. Hier reichen bereits sehr geringe Mengen an Chrom aus, um einen deutlichen Effekt zu erzielen. Durch diese zumindest teilweise Substi tution von Molybdän durch Chrom ergeben sich außerdem Kostenvorteile, da der Rohstoffpreis von Chrom wesentlich geringer ist als derjenige von Mo lybdän.
Insbesondere kann durch eine Zugabe von Chrom mit einem Anteil von 0,03 bis 0,06 Gew.-% der Mangangehalt in der Legierung auf einen Anteil von 0,25 bis 0,6 Gew.-% reduziert werden, wodurch sich eine verbesserte Ent- formbarkeit und eine höhere Duktilität ergeben. Das überraschende an der erfindungsgemäßen Legierungszusammenset zung ist demnach, dass geringe Anteile von Chrom die Verringerung des An teils von Molybdän ermöglichen, was sowohl die Bruchdehnung als auch die Entformbarkeit wesentlich verbessert.
Der erfindungsgemäß in der Legierung vorhandene Siliziumanteil von 7,5 bis 11 ,5 Gew.-% gewährleistet dabei eine ausreichende Festigkeit sowie ein ho hes Formfüllungsvermögen der erfindungsgemäßen Aluminium- Druckgusslegierung. Des Weiteren wirkt Silizium bei der Abkühlung Erstar rungslunkern entgegen.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Molybdän mit einem Anteil von 0,001 bis 0,048 Gew.-%, insbe sondere 0,001 bis 0,043 Gew.-%, insbesondere 0,024 bis 0,043 Gew.-%, vorhanden ist. Ein solcher Anteil an Molybdän hat sich hinsichtlich einer gu ten Entformbarkeit und einer hohen Duktilität als sehr gut geeignet erwiesen.
Wenn Chrom mit einem Anteil von 0,04 bis 0,05 Gew.-%, insbesondere 0,04 bis 0,048 Gew.-%, vorgesehen ist, so kann die Klebeneigung des Werkstoffs noch weiter verringert und die Duktilität desselben optimiert werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass Mangan mit einem Anteil von 0,35 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,45 bis 0,55 Gew.-% vorhanden ist. Ein der artiger Anteil an Mangan hat sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich einer geringen Klebeneigung herausgestellt.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung können folgende weitere Legierungsbestandteile vorgesehen sein: 0,001 bis 0,15 Gew.-% Ei sen und/oder 0,001 bis 0,08 Gew.-% Magnesium und/oder 0,004 bis 0,15 Gew.-% Titan und/oder 0,01 bis 0,2 Gew.-% Zirkon und/oder 0,008 bis 0,02 Gew.-% Strontium und/oder 0,001 bis 0,1 Gew.-% Vanadium. Dabei gilt, dass Eisen als Verunreinigungselement zwangsläufig immer in kleinen Men gen in der Legierung vorkommt, d.h., je geringer der Eisengehalt, desto teu- rer ist das Reinaluminium. Durch das Hinzulegieren von Magnesium oder Vanadium kann die Festigkeit erhöht werden, was insbesondere bei größe ren Wandstärken des aus der Legierung hergestellten Bauteils, insbesondere bei Wandstärken von 3,5 - 8 mm, vorgenommen wird, da aufgrund der lang sameren Abschreckung des Materials in der Druckgießform die Festigkeit tendenziell geringer ist.
Ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einer erfindungsge mäßen Aluminium-Druckgusslegierung, ist in Anspruch 9 angegeben.
Ein solches Strukturbauteil lässt sich für die unterschiedlichsten Einsatzzwe cke bei Kraftfahrzeugen nutzen, da es sowohl die erforderliche Festigkeit als auch eine ausreichende Duktilität und eine gute Entformbarkeit aufweist.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des Strukturbauteils kann darin beste hen, dass das Strukturbauteil als dünnwandige Federbeinaufnahme, Batte riewanne oder Verbindungsteil ausgebildet und ohne Wärmebehandlung hergestellt ist. Für die genannten Bauteile ist die erfindungsgemäße Alumini um-Druckgusslegierung besonders gut geeignet; sie lässt sich jedoch auch für andere Bauteile einsetzen. Durch den Verzicht auf eine Wärmebehand lung des Strukturbauteils wird ein Verziehen desselben vermieden, so dass eine hohe Genauigkeit der Bauteile erreicht werden kann.
Nachfolgend wird eine Versuchsdurchführung und sich dadurch ergebende Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung beschrieben.
Anhand eines komplexen Versuchsbauteils mit einem hohen Schussgewicht zwischen 15 und 20 kg, im vorliegenden Fall einem Verbindungsteil zwischen einem Schweller und einem Längsträger eines Kraftfahrzeugs, konnte, wie nachfolgend beschrieben, die durch die erfindungsgemäße Aluminium- Druckgusslegierung erreichbare verbesserte Entformbarkeit eindeutig nach gewiesen werden, wie sich auch der nachfolgenden Tabelle entnehmen lässt. Die mechanischen Kennwerte, d.h. die Festigkeit und die Duktilität, wurden an Flachzugproben mit einer durchschnittlichen Wanddicke von 3,5 mm ermittelt. Flierzu wurden drei unterschiedliche Zusammensetzungen einer Basislegie rung miteinander verglichen und ein Versuchsabguss mit maximal 250 Ab güssen durchgeführt. Um die Entformbarkeit des gegossenen Bauteils aus der Gießform bzw. die Klebeneigung bewerten zu können, wurde der Ver such so lange durchgeführt, bis es aufgrund eines Anklebens des Bauteils an der Gießform bzw. einer nicht möglichen Entfernung des Bauteils zu einer Prozessunterbrechung kam. In den Fällen, in denen es nicht zu einer Pro zessunterbrechung kam, wurde der Versuch nach 250 Abgüssen als in Ord nung beendet. In der Spalte "Entformbarkeit" ist demnach die Anzahl der oh ne Unterbrechung gegossenen Bauteile bis zu einer Prozessunterbrechung aufgrund nicht gegebener Entformbarkeit oder bis maximal 250 Abgüssen angegeben.
Die Zusammensetzung der jeweils eingesetzten Basislegierung war wie folgt: AISi1 OFeO, 13Mg0,04Ti0,09Zr0, 15Sr0,012.
Die Legierung 1 gemäß dem Stand der Technik ließ sich zwar sehr gut ent- formen, wies aufgrund des hohen Mangangehalts jedoch eine sehr geringe Bruchdehnung auf.
Bei den Legierungen 2 und 3 wurde der Mangangehalt reduziert, was jedoch zu einer erhöhten Klebeneigung und dadurch einer schlechtere Entformbar- keit führte. Grundsätzlich macht sich die Reduzierung des Mangangehalts auch in einer höheren Bruchdehnung bei geringfügig niedrigerer Streckgren ze bemerkbar.
Durch die Zugabe von Molybdän bei den Legierungen 4 und 5 konnte zwar sowohl die Bruchdehnung als auch die Entformbarkeit verbessert werden, eine ausreichende Prozessstabilität war aufgrund der immer noch schlechten Entformbarkeit jedoch auch hier nicht gegeben.
Bei den Legierungen 6 und 7 handelt es sich um zwei unterschiedliche Aus führungen der Aluminium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Er findung. Hierbei wurde gegenüber den Legierungen 4 und 5 der Molybdän gehalt reduziert und es wurde zusätzlich Chrom hinzugegeben. Dadurch er höhte sich die Bruchdehnung auf für den Einsatz in Kraftfahrzeugen akzep table Werte und es ergab sich eine sehr geringe Klebeneigung und dadurch eine sehr gute Entformbarkeit. Auch die Festigkeit der beiden Legierungen 6 und 7 ist für den Zweck, für den sie vorgesehen sind, ausreichend. Aus der Tabelle geht demnach die oben beschriebene Wirkung der verwendeten An teile an Molybdän und Chrom für die Eigenschaften der Aluminium- Druckgusslegierung hervor.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Aluminium-Druckgusslegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen:
7,5 bis 11 ,5 Gew.-% Silizium,
0,25 bis 0,6 Gew.-% Mangan,
0,03 bis 0,06 Gew.-% Chrom,
< 0,05 Gew.-% Molybdän
sowie Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1 ,
gekennzeichnet durch
0,001 bis 0,048 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,043 Gew.-%, insbe sondere 0,024 bis 0,043 Gew.-%, Molybdän.
3. Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruchl oder 2,
gekennzeichnet durch
0,04 bis 0,05 Gew.-%, insbesondere 0,04 bis 0,048 Gew.-%, Chrom.
4. Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
gekennzeichnet durch
0,35 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,45 bis 0,55 Gew.-%, Mangan.
5. Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch
0,001 bis 0,15 Gew.-% Eisen.
6. Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch
0,001 bis 0,08 Gew.-% Magnesium.
7. Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch
0,004 bis 0,15 Gew.-% Titan.
8. Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch
0,01 bis 0,2 Gew.-% Zirkon und/oder 0,008 bis 0,02 Gew.-% Strontium und/oder 0,001 bis 0,1 Gew.-% Vanadium.
9. Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einer Aluminium- Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Strukturbauteil nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Strukturbauteil als dünnwandige Federbeinaufnahme, Batteriewan ne oder Verbindungsteil ausgebildet und ohne Wärmebehandlung her gestellt ist.
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