EP3825428B1 - Druckgussbauteil und verfahren zur herstellung eines druckgussbauteils - Google Patents

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EP3825428B1
EP3825428B1 EP19211356.1A EP19211356A EP3825428B1 EP 3825428 B1 EP3825428 B1 EP 3825428B1 EP 19211356 A EP19211356 A EP 19211356A EP 3825428 B1 EP3825428 B1 EP 3825428B1
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EP
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minutes
die
range
cast component
temperature
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Marius KOHLHEPP
Robin Müller
Heinz Werner HÖPPEL
Werner FRAGNER
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AMAG casting GmbH
Audi AG
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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AMAG casting GmbH
Audi AG
Friedrich Alexander Universitaet Erlangen Nuernberg
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    • C22C21/04—Modified aluminium-silicon alloys
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    • 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
    • C22F1/002—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working by rapid cooling or quenching; cooling agents used therefor

Definitions

  • the invention relates to a die-cast component and a method for producing this die-cast component.
  • punch rivet suitability i.e. joining by forming - which essentially depends on the ductility of the die-cast component.
  • punch riveting using a dome die requires the highest deformability on the die-cast component compared to other dies (flat die, spherical die, etc.). If the deformability of the material is not sufficient, cracks will appear in the die-cast component on the die side.
  • a further improvement in the suitability for punch rivets by increasing the ductility in turn causes losses in strength - which disadvantageously reduces crash-relevant FDI values.
  • the invention has also set itself the task of creating a die-cast component which, compared to known die-cast components, is characterized by improved suitability for punch rivets with the same elongation at break and strength.
  • the invention solves the problem set by the features of claim 1.
  • the die-cast component By making the die-cast component a hardenable aluminum alloy with 5.0 to 9.0% by weight silicon (Si) and 0.25 to 0.5% by weight magnesium (Mg) and the remainder aluminum and impurities unavoidable due to production, each with a maximum of 0.05% by weight and a total of at most 0.15% by weight, a comparatively high yield point (R p0.2 ) of greater than 190 MPa and also an elongation at break A 5 of greater than or equal to 7% can be made possible.
  • Si 5.0 to 9.0% by weight of silicon (Si), which is a reduced proportion compared to the prior art, can significantly reduce the proportion of crack-initiating primary phases (namely, eutectic silicon particles). This reduces their negative influence when joining by forming.
  • mg 0.25 to 0.5% by weight of magnesium (Mg) can enable a yield strength (R p0.2 ) of greater than 190 MPa.
  • the die-cast component's suitability for punch rivets improves, because uniform elongation (A g ) and necking elongation (A z ) meet the condition A z ⁇ A g /2.
  • this high-strength die-cast component can be subjected to joining by forming, for example punch riveting or clinching, without cracks, even in the case of a thin-walled design.
  • the aluminum alloy can optionally contain one or more alloying elements from the group: up to 0.8% by weight manganese (Mn), from 0.08 to 0.35% by weight zinc (Zn), from 0, 08 to 0.35% by weight chromium (Cr), up to 0.30% by weight zirconium (Zr), up to 0.25% by weight iron (Fe), up to 0.15% by weight titanium ( Ti), up to 0.20% by weight copper (Cu), up to 0.025% by weight strontium (Sr), up to 0.2% by weight vanadium (V) and/or up to 0.2% by weight Molybdenum (Mo).
  • Mn manganese
  • Zn zinc
  • Cr chromium
  • Zr zirconium
  • Fe iron
  • Ti titanium
  • Cu copper
  • V vanadium
  • Molybdenum Molybdenum
  • the aforementioned punch rivet suitability can be further improved if the die-cast component has a uniform elongation (A g ) of at least 6% and a necking elongation (A z ) of at least 4%.
  • the hardenable aluminum alloy has more than 6.5 to 9.0% by weight silicon (Si), in particular more than 6.5 to 8% by weight silicon (Si). .
  • Si 6.5 ⁇ % by weight silicon (Si) ⁇ 9.0
  • primary phases that can cause cracks can also be reduced, for example if the alloy is sufficiently castable, which can further improve joining by forming - all the more so if condition 6, 5 ⁇ wt% silicon (Si) ⁇ 8.0 is satisfied.
  • Strength and ductility can be further improved if the aluminum alloy contains from 0.15 to 0.3% by weight of zinc (Zn) and/or from 0.3 to 0.5% by weight of magnesium (Mg).
  • Zn A zinc (Zn) content of 0.15 to 0.3% by weight can further improve the ductility of the die-cast component.
  • Zinc (Zn) preferably has a content of 0.15 to 0.25% by weight.
  • mg A magnesium (Mg) content of 0.3 to 0.5% by weight can further increase the yield strength (R p0.2 ).
  • the castability of the die-casting alloy can be further improved if the aluminum alloy contains from 0.3 to 0.6% by weight of manganese (Mn).
  • the strength of the aluminum alloy can be further increased with a copper (Cu) content of 0.10 to 0.20% by weight.
  • the aluminum alloy can have a higher content of secondary aluminum, which can be further increased if the aluminum alloy has 0.15 to 0.25% by weight of iron (Fe). This is particularly the case when the aluminum alloy contains from 0.15 to 0.25% by weight of iron (Fe).
  • Ductility and strength of the aluminum alloy can be improved with 0.05 to 0.15 wt% titanium (Ti), while from 0.015 to 0.025 wt% strontium (Sr) can further optimize the ductility.
  • the aluminum alloy has up to 0.05% by weight of manganese (Mn) and/or up to 0.05% by weight of copper (Cu).
  • Mn A manganese (Mn) content of up to 0.05% by weight can lead to a significant increase in ductility. Such a limitation of the manganese content can in fact further reduce the proportion of crack-initiating primary phases (manganese-containing intermetallic phases) which would structurally weaken the cast component, in particular when joining by forming.
  • Cu A copper (Cu) content of up to 0.05% by weight can also further reduce the tendency to crack, which can further facilitate joining by forming or further improve punch riveting.
  • the die-cast component according to the invention is particularly suitable as a body component for a motor vehicle.
  • the die-cast component is preferably firmly connected to the other component via a punch rivet.
  • the die-cast component is preferably part of a motor vehicle as a body component.
  • the invention has set itself the task of changing the method in order to further improve the suitability for punch riveting while the FDI values on the die-cast component remain almost the same.
  • the method should be easy to handle and reproducible.
  • the invention solves the problem set with regard to the method by the features of claim 8.
  • a hardenable aluminum alloy with 5.0 to 9.0% by weight silicon (Si) and from 0.25 to 0.5% by weight magnesium (Mg) and the balance aluminum and unavoidable production-related impurities each with a maximum of 0, 05% by weight and a total of at most 0.15% by weight
  • Si With 5.0 to 9.0% by weight of silicon (Si), due to the lower limit of 5.0% by weight, the castability of the aluminum alloy can be ensured even with complex contours.
  • the aluminum alloy can be prepared for an annealing treatment at higher temperatures.
  • the aluminum alloy can be prepared with 0.25 to 0.5% by weight magnesium (Mg) to achieve increased strength, in particular yield strength (R p0.2 ).
  • the Al-Si alloy is prepared for increased strength with reduced ductility - namely by first annealing at a temperature in the range from 320 °C (degrees Celsius) to 450 °C a period of 20 to 75 minutes and a second anneal at a temperature in the range of 510°C to 540°C for a period of 5 to 35 minutes, ie at elevated temperatures compared to the prior art.
  • the properties (increased strength with reduced ductility) of the die-cast component are set by quenching with a temperature gradient in the range of more than 4 K/s after annealing.
  • a shift in the mechanical properties from ductility in the direction of strength can subsequently be compensated for by overaging of the die-cast component using at least three-stage artificial aging.
  • a T7 state can thus be achieved on the die-cast component, which not only meets the specified FDI values for strength (Rp02, Rm) and ductility or elongation at break A 5 , but also surprisingly shows a significant increase in the suitability for punch rivets.
  • a comparatively high-strength Al-Si aluminum alloy in the T7 state thus has a necking elongation A z that is greater than or equal to A g /2 - which ensures crack-free punch riveting, in particular punch riveting using a dome die, which has a particularly high deformability on the die side required by the die-cast component.
  • the method according to the invention only requires an adaptation in terms of temperature and holding time—which is comparatively easy to handle and thus improves the reproducibility of the method.
  • the method according to the invention can thus ensure the production of a die-cast component that has a yield point (R p0.2 ) of greater than 190 MPa and an elongation at break (A 5 ) of greater than or equal to 7% and whose uniform elongation (A g ) and necking elongation (A z ) satisfies the condition A z ⁇ A g /2.
  • the die-cast component produced can preferably have a uniform elongation (A g ) of at least 6% and a constriction elongation (A z ) of at least 4%.
  • the aluminum alloy can optionally have the following further alloying elements, namely up to 0.8% by weight manganese (Mn), from 0.08 to 0.35% by weight zinc (Zn), from 0.08 to 0.35% by weight chromium (Cr), up to 0.30% by weight zirconium (Zr), up to 0.25% by weight iron (Fe), up to 0.15% by weight titanium (Ti) , up to 0.20% by weight copper (Cu), up to 0.025% by weight strontium (Sr), up to 0.2% by weight vanadium (V) and/or up to 0.2% by weight molybdenum ( Mon).
  • the necking elongation A z can be improved further if the first annealing takes place at a temperature in the range from 390° C. to 410° C. and/or over a period of 50 minutes to 70 minutes.
  • this comparatively narrow temperature and time range means that the mechanical properties of the finished die-cast component can be influenced in a more reproducible manner.
  • the second annealing takes place at a temperature in the range from 520 °C to 535 °C, in particular from 525 °C to 535 °C, and/or over a period of 25 to 30 minutes, a delay is likely due to the comparatively short holding time Die-cast component avoidable. This also improves the reproducibility of the method.
  • the strength values can be set within comparatively narrow limits if quenching takes place with a temperature gradient in the range from 7 K/s to 20 K/s. This accelerated cooling can take place, for example, by cooling in moving air, etc.
  • the first artificial aging preferably takes place at a temperature in the range from 140° C. to 160° C. and/or over a period of 110 minutes to 130 minutes in order to first bring the die-cast component into a T64 state.
  • a T6 condition on the die-cast component is achieved by the second artificial aging at a temperature in the range from 190 °C to 210 °C and/or for a period of 50 minutes to 70 minutes.
  • the strength and ductility of the die-cast component can be adjusted even more precisely.
  • a comparatively high necking elongation (A z ) can be achieved, which can further reduce the risk of cracking when punch riveting the die-cast component.
  • Table 1 Overview of the aluminum alloys alloys Si wt% mg wt% Mn wt% Fe wt% Zn wt% Zr wt% Ti wt% Sr wt% AlSi10Mg0.4Mn 10.5 0.4 0.61 ⁇ 0.22 0.2 0.15 0.06 0.02 AlSi7Mg0.4 7 0.4 0.05 ⁇ 0.15 0.2 0.15 0.06 0.02
  • alloys AlSi7Mg0.4 are within the content limits according to the invention according to the independent claims.
  • Alloy AlSi10Mg0.4Mn has a significantly higher Si content than alloy AlSi7Mg0.4 - and in this regard is therefore outside the content limits according to the invention.
  • the die-cast components P1 (prior art) and I1 (according to the invention) with the relevant Al-Si aluminum alloys were subjected to the following heat treatment according to Table 2:
  • the difference in the second annealing 1.2 between the invention I1 and the prior art P1 can also be seen.
  • the second annealing in the prior art P1 thus takes place at a significantly lower temperature than in the case of the invention I1.
  • the cast component P1 lacks a third artificial aging.
  • Significant differences can also be found in the parameters of the second annealing - these differences mean that the cast component P1 is in the T6 state after the heat treatment.
  • the die-cast component I1 according to the invention has a significantly higher constriction elongation (A z )—which means that the die-cast component I1 has particularly good punch rivet suitability or is generally particularly suitable for joining by forming.
  • the die-cast component I1 according to the invention also has, for example, a particularly good suitability for thin-walled molded parts on a body of a vehicle, preferably a motor vehicle.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Druckgussbauteil und ein Verfahren zur Herstellung dieses Druckgussbauteils.
  • Um bei einem dünnwandigen Druckgussbauteil, beispielsweise bei Strukturbauteilen für Kraftfahrzeuge, die Festigkeit (Rp0,2, Rm) und die Duktilität (bzw. Bruchdehnung A5) in ein gewünschtes Verhältnis zueinander zu bringen - damit beispielsweise crashrelevante FDI-Werte [FDI=Festigkeits-Duktilitäts-Index, der sich aus Materialkennwerten Rm, Rp0,2 und A5 berechnet, nämlich FDI = (Rm+3* Rp0,2)/4*A5/100] im Automobilbereich zu erfüllen sind -, schlägt die EP3176275A1 eine Wärmebehandlung einer Al-Si-Aluminiumlegierung mit einem zweistufigen Glühen, Abschrecken und dreistufigen Warmauslagern vor. Dieses Verfahren führt auch zu einer guten Stanznieteignung - also einem Fügen durch Umformen -, was im Wesentlichen von der Duktilität des Druckgussbauteils abhängig ist. Insbesondere bedarf es beim Stanznieten unter Verwendung einer Dommatrize im Vergleich zu anderen Matrizen (Flachmatrize, Kugelmatrize etc.) der höchsten Verformungsfähigkeit am Druckgussbauteil. Ist die Verformungsfähigkeit des Materials nicht ausreichend, entstehen matrizenseitig Risse im Druckgussbauteil. Eine weitere Verbesserung der Stanznieteignung durch Erhöhung der Duktilität bedingt wiederum Verluste bei der Festigkeit - was nachteilig crashrelevante FDI-Werte reduziert.
  • Die Erfindung hat sich außerdem ausgehend vom eingangs geschilderten Stand der Technik die Aufgabe gestellt, ein Druckgussbauteil zu schaffen, das sich im Vergleich zu bekannten Druckgussbauteilen in einer verbesserten Stanznieteignung bei gleicher Bruchdehnung und Festigkeit auszeichnet.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Indem das Druckgussbauteil eine aushärtbare Aluminiumlegierung mit 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si) und von 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% aufweist, kann eine vergleichsweise hohe Streckgrenze (Rp0,2) von größer 190 MPa und auch eine Bruchdehnung A5 von größer gleich 7 % ermöglicht werden.
    Si: 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si), was einen reduzierten Anteil im Vergleich mit dem Stand der Technik darstellt, kann den Anteil an rissauslösenden Primärphasen (nämlich eutektischen Siliziumpartikel) deutlich verringern. Damit reduziert sich deren negative Einfluss beim Fügen durch Umformen.
    Mg: 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) kann eine Streckgrenze (Rp0,2) von größer 190 MPa ermöglichen.
  • Besonders aber verbessert sich durch die Stanznieteignung des Druckgussbauteils, weil Gleichmaßdehnung (Ag) und Einschnürdehnung (Az) die Bedingung Az ≥ Ag/2 erfüllen. Dadurch kann dieses hochfeste Druckgussbauteil selbst bei dünnwandiger Ausführung rissfrei einem Fügen durch Umformen, beispielsweise Stanznieten oder Durchsetzfügen, unterworfen werden.
  • Zusätzlich zu Si und Mg kann die Aluminiumlegierung optional ein oder mehrere Legierungselemente der Gruppe aufweisen: bis 0,8 Gew.-% Mangan (Mn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Zink (Zn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), bis 0,30 Gew.-% Zirkonium (Zr), bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe), bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti), bis 0,20 Gew.- % Kupfer (Cu), bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr), bis 0,2 Gew.-% Vanadium (V) und/oder bis 0,2 Gew.-% Molybdän (Mo).
  • Vorgenannte Stanznieteignung ist weiter verbesserbar, wenn das Druckgussbauteil eine Gleichmaßdehnung (Ag) von mindestens 6 % und eine Einschnürdehnung (Az) von mindestens 4 % aufweist.
  • Weiteres sind in der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung für Silizium (Si) und/oder Zink (Zn) und/oder Magnesium (Mg) und/oder Mangan (Mn) und/oder Kupfer (Cu) und/oder Eisen (Fe) und/oder Titan (Ti) und/oder Strontium (Sr) folgender Gehalt oder folgende Gehalte vorstellbar:
    • von mehr als 6,5 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si)
      insbesondere von mehr als 6,5 bis 8 Gew.-% Silizium (Si)
    • von 0,3 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg)
    • von 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan (Mn)
    • von 0,15 bis 0,3 Gew.-% Zink (Zn)
      insbesondere von 0,15 bis 0,25 Gew.-% Zink (Zn)
    • von 0,10 bis 0,20 Gew.-% Kupfer (Cu)
    • von 0,10 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe)
      insbesondere von 0,15 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe)
    • von 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti)
    • von 0,015 bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr)
  • Besonders hohe FDI-Werte sind erreichbar, wenn die aushärtbare Aluminiumlegierung von mehr als 6,5 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si), insbesondere von mehr als 6,5 bis 8 Gew.-% Silizium (Si), aufweist.
    Si: 6,5 < Gew.-% Silizium (Si) ≤ 9,0 können beispielsweise bei ausreichend guter Gießbarkeit der Legierung auch rissauslösende Primärphasen reduziert werden, was das Fügen durch Umformen noch weiter verbessern kann - dies um so mehr, wenn die Bedingung 6,5 < Gew.-% Silizium (Si) ≤ 8,0 erfüllt wird.
  • Festigkeit und Duktilität sind weiter zu verbessern, wenn die Aluminiumlegierung von 0,15 bis 0,3 Gew.-% Zink (Zn) und/oder von 0,3 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) aufweist.
    Zn: Ein Gehalt von 0,15 bis 0,3 Gew.-% Zink (Zn) kann die Duktilität des Druckgussbauteils weiter verbessern. Bevorzugt weist Zink (Zn) einen Gehalt von 0,15 bis 0,25 Gew.-% auf.
    Mg: Ein Gehalt von 0,3 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) kann die Streckgrenze (Rp0,2) weiter erhöhen.
  • Die Gießbarkeit der Druckgusslegierung kann weiter verbessert werden, wenn die Aluminiumlegierung von 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan (Mn) aufweist.
  • Die Festigkeit der Aluminiumlegierung kann mit einem Gehalt an Kupfer (Cu) von 0,10 bis 0,20 Gew.-% weiter erhöht werden.
  • Zudem kann durch diesen Gehalt an Kupfer die Aluminiumlegierung einen höheren Gehalt an Sekundäraluminium aufweisen, was weiter erhöht werden kann, wenn die Aluminiumlegierung 0,15 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe) aufweist. Dies insbesondere, wenn die Aluminiumlegierung von 0,15 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe) aufweist.
  • Duktilität und Festigkeit der Aluminiumlegierung kann mit 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti) verbessert, wobei von 0,015 bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr) die Duktilität weiter optimieren kann.
  • Vorstellbar ist weiter, dass die Aluminiumlegierung bis 0,05 Gew.-% Mangan (Mn) und/oder bis 0,05 Gew.-% Kupfer (Cu) aufweist.
    Mn: Ein Gehalt an Mangan (Mn) bis 0,05 Gew.-% kann zu einer signifikanten Duktilitätssteigerung führen. Solch eine Beschränkung des Mangangehalts kann nämlich den Anteil an rissauslösenden Primärphasen (manganhaltigen intermetallischen Phasen) noch weiter reduzieren, welche das Gussbauteil strukturell schwächen würden, insbesondere beim Fügen durch Umformen.
    Cu: Ein Gehalt an Kupfer (Cu) bis 0,05 Gew.-% kann zudem die Rissneigung weiter reduzieren, was das Fügen durch Umformen weiter erleichtern bzw. das Stanznieten weiter verbessern kann.
  • Das erfindungsgemäße Druckgussbauteil ist insbesondere als Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug geeignet. Vorzugsweise ist das Druckgussbauteil mit dem anderen Bauteil über eine Stanzniete fest verbunden. Das Druckgussbauteil ist vorzugsweise als Karosseriekomponente Teil eines Kraftfahrzeugs.
  • Die Erfindung hat sich ausgehend vom eingangs geschilderten Stand der Technik die Aufgabe gestellt, das Verfahren zu verändern, um bei nahezu gleichbleibenden FDI-Werten am Druckgussbauteil, die Stanznieteignung weiter zu verbessern. Zudem soll das Verfahren einfach handhabbar und reproduzierbar ausgeführt werden können.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merkmale des Anspruchs 8.
  • Wird eine aushärtbare Aluminiumlegierung mit 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si) und von 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% verwendet, kann eine besondere Wärmebehandlung durchgeführt werden.
    Si: Mit 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si) kann zunächst aufgrund der Untergrenze von 5,0 Gew.-% die Gießbarkeit der Aluminiumlegierung auch bei komplexen Konturen sichergestellt werden. Zudem kann aufgrund der Obergrenze von 9,0 Gew.-% Silizium (Si) die Aluminiumlegierung auf eine Glühbehandlung bei höheren Temperaturen vorbereitet werden.
    Mg: Mit 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) kann die Aluminiumlegierung zur Erreichung einer erhöhten Festigkeit, insbesondere Streckgrenze (Rp0,2), vorbereitet werden.
  • Auf Basis dieser Si- und Mg-Gehalte wird sohin die Al-Si-Legierung für eine erhöhte Festigkeit bei reduzierter Duktilität vorbereitet - nämlich, indem ein erstes Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 320 °C (Grad Celsius) bis 450 °C über eine Zeitdauer von 20 bis 75 Minuten und ein zweites Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 510 °C bis 540 °C über eine Zeitdauer von 5 bis 35 Minuten erfolgt, also bei erhöhten Temperaturen gegenüber dem Stand der Technik. Durch das, dem Glühen anschließende Abschrecken mit einem Temperaturgradienten im Bereich von größer 4 K/s werden die Eigenschaften (erhöhte Festigkeit bei reduzierter Duktilität) am Druckgussbauteil eingestellt.
  • Eine Verschiebung der mechanischen Eigenschaften von Duktilität in Richtung Festigkeit kann in weiterer Folge durch eine Überalterung des Druckgussbauteils mithilfe einer zumindest dreistufigen Warmauslagerung kompensiert werden.
  • Hierzu hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 180 °C über eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 150 Minuten, eine zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 180 °C bis 300 °C über eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 100 Minuten und eine dritte Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 230 °C bis 300 °C über eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 120 Minuten erfolgen. Damit kann ein T7-Zustand am Druckgussbauteil erreicht werden, welcher nicht nur vorgegebenen FDI-Werte aus Festigkeit (Rp02, Rm) und Duktilität bzw. Bruchdehnung A5 erfüllt, sondern überraschend auch eine deutliche Erhöhung der Stanznieteignung aufweist. Untersuchungen ergaben, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders Einfluss auf das Verhältnis zwischen Einschnürdehnung (Az) und Gleichmaßdehnung (Ag) nimmt, welche Einschnürdehnung Az sich durch die Gleichung Az=A(bzw. A5)-Ag bestimmt. Erfindungsgemäß ergibt sich sohin bei einer vergleichsweise hochfesten Al-Si-Aluminiumlegierung im Zustand T7 eine Einschnürdehnung Az, welche größer gleich Ag/2 ist - was ein rissfreies Stanznieten sicherstellt, insbesondere auch ein Stanznieten unter Verwendung einer Dommatrize, was matrizenseitig besonders hohe Verformungsfähigkeit vom Druckgussbauteil fordert.
  • Dies ist auch bei einem dünnwandigen Druckgussbauteil erreichbar, beispielsweise für den Karosseriebau, welche derzeit einem Fügen durch Umformen, vor allem einem Stanznieten, nicht zuverlässig zugänglich waren.
  • Zudem bedarf das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu bekannten anderen Verfahren lediglich einer Adaptierung in Temperatur und Haltedauer - was vergleichsweise einfach handhabbar ist und so die Reproduzierbarkeit des Verfahrens verbessert.
  • Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann sohin die Herstellung eines Druckgussbauteils sicherstellen, das eine Streckgrenze (Rp0,2) von größer 190 MPa und eine Bruchdehnung (A5) von größer gleich 7 % aufweist und dessen Gleichmaßdehnung (Ag) und Einschnürdehnung (Az) die Bedingung Az ≥ Ag/2 erfüllt.
  • Vorzugsweise kann das hergestellte Druckgussbauteil eine Gleichmaßdehnung (Ag) von mindestens 6 % und eine Einschnürdehnung (Az) von mindestens 4 % aufweisen. Zusätzlich zu Si und Mg kann die Aluminiumlegierung folgende weitere Legierungselemente optional aufweisen, nämlich bis 0,8 Gew.-% Mangan (Mn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Zink (Zn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), bis 0,30 Gew.-% Zirkonium (Zr), bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe), bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti), bis 0,20 Gew.- % Kupfer (Cu), bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr), bis 0,2 Gew.-% Vanadium (V) und/oder bis 0,2 Gew.-% Molybdän (Mo).
  • Die Einschnürdehnung Az ist weiter verbesserbar, wenn das erste Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 390 °C bis 410 °C und/oder über eine Zeitdauer von 50 Minuten bis 70 Minuten erfolgt. Zudem kann durch diesen vergleichsweise engen Temperatur- und Zeitbereich reproduzierbarer auf die mechanischen Eigenschaften am fertigen Druckgussbauteil Einfluss genommen werden.
  • Erfolgt das zweite Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 520 °C bis 535 °C, insbesondere von 525 °C bis 535 °C, und/oder über eine Zeitdauer von 25 bis 30 Minuten, ist beispielsweise aufgrund der vergleichsweise kurzen Haltedauer ein Verzug am Druckgussbauteil vermeidbar. Dies verbessert zudem auch die Reproduzierbarkeit des Verfahrens.
  • Die Festigkeitswerte können in vergleichsweise engen Grenzen eingestellt werden, wenn das Abschrecken mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 7 K/s bis 20 K/s erfolgt. Dieses beschleunigte Abkühlen kann beispielsweise durch Abkühlung an bewegter Luft, etc. erfolgen.
  • Vorzugsweise erfolgt die erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 140 °C bis 160 °C und/oder über eine Zeitdauer von 110 Minuten bis 130 Minuten, um das Druckgussbauteil zunächst in einen T64-Zustand zu versetzen.
  • Ein T6-Zustand am Druckgussbauteil wird erreicht, indem die zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 190 °C bis 210 °C und/oder über eine Zeitdauer von 50 Minuten bis 70 Minuten erfolgt.
  • Erfolgt die dritte Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 230 °C bis 270 °C und/oder über eine Zeitdauer von 10 Minuten bis 30 Minuten, sind am Druckgussbauteil Festigkeit und Duktilität noch genauer einstellbar. Insbesondere aber ist damit eine vergleichsweise hohe Einschnürdehnung (Az) erreichbar, was die Rissgefahr beim Stanznieten des Druckgussbauteils noch weiter reduzieren kann.
  • Zum Nachweis der erzielten Effekte wurden aus verschiedenen Gusslegierungen dünnwandige Gussbauteile im Druckgussverfahren hergestellt. In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. So zeigen
    • Fig. 1
    eine Ansicht zum Ablauf der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung,
    Fig. 2a
    abgerissener Querschliff von zwei stanzgenieteten Bauteilen, wobei das untere Bauteil ein Druckgussbauteil nach dem Stand der Technik ist,
    Fig. 2b
    eine dreidimensionale, matrizenseitige Ansicht der Fig. 2a,
    Fig. 3a
    abgerissener Querschliff von zwei stanzgenieteten Bauteilen, wobei es sich beim unteren Bauteil um das erfindungsgemäße Druckgussbauteil handelt, und
    Fig. 3b
    eine dreidimensionale, matrizenseitige Ansicht der Fig. 3a.
  • Die Zusammensetzungen der untersuchten Legierungen sind in der Tabelle 1 angeführt, wobei zu den in dieser Tabelle angeführten Legierungselementen als Rest Aluminium und herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% hinzukommen. Tabelle 1: Übersicht zu den Aluminiumlegierungen
    Legierungen Si Gew.-% Mg Gew.-% Mn Gew.-% Fe Gew.-% Zn Gew.-% Zr Gew.-% Ti Gew.-% Sr Gew.-%
    AlSi10Mg0,4Mn 10,5 0,4 0,61 <0,22 0,2 0,15 0,06 0,02
    AlSi7Mg0,4 7 0,4 0,05 ≤0,15 0,2 0,15 0,06 0,02
  • Die Legierungen AlSi7Mg0,4 bewegt sich in den erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen nach den unabhängigen Ansprüchen. Legierung AlSi10Mg0,4Mn weist im Vergleich zu Legierung AlSi7Mg0,4 einen wesentlich höheren Si-Gehalt auf - und liegt diesbezüglich sohin außerhalb der erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen.
  • Die Druckgussbauteile P1 (Stand der Technik) und I1 (erfindungsgemäß) mit den diesbezüglichen Al-Si-Aluminiumlegierungen wurden nach Tabelle 2 folgender Wärmebehandlung unterzogen: Tabelle 2: Übersicht zur Wärmebehandlung
    Bauteil Legierung Glühen Absch recken Warmauslagern
    erstes zweites erstes zweites drittes
    P1 AlSi10Mg0,4Mn 400 °C 1 h 510 °C 30 min 3 K/s 120 °C 2 h 230 °C 1 h
    I1 AlSi7Mg0,4 400 °C 1 h 530 °C 30 min 7 K/s 150 °C 2 h 200 °C 1 h 250 °C 20 min
  • In der Fig. 1 ist der Ablauf der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung näher dargestellt: Zuerst erfolgt ein zweistufiges Glühen, nämlich ein erstes Glühen 1.1 und ein daran anschließendes zweites Glühen 1.2, darauffolgend ein Abschrecken 2 und nach einer gewissen Lagerzeit eine dreistufige Warmauslagerung mit einem ersten Erwärmen 3.1, einem anschließenden zweiten Erwärmen 3.2 und einem anschließenden dritten Erwärmen 3.3. Das Gussbauteil I1 durchschreitet bei dieser Wärmebehandlung verschiedenste Zustände von T4, T6x, T6 bis zu T7, wie in Fig. 1 zu erkennen.
  • In Fig. 1 ist auch der Unterschied beim zweiten Glühen 1.2 zwischen der Erfindung I1 und dem Stand der Technik P1 zu erkennen. So erfolgt das zweite Glühen im Stand der Technik P1 mit einer deutlich niedrigeren Temperatur als bei der Erfindung I1. Im Gegensatz zur Erfindung fehlt dem Gussbauteil P1 ein drittes Warmauslagern. Wesentliche Unterschiede finden sich auch in den Parametern des zweiten Glühens - diese Unterschiede führt insgesamt dazu, dass sich nach der Wärmebehandlung das Gussbauteil P1 im Zustand T6 befindet.
  • Die beiden Druckgussteile P1 und I1 wurden schließlich auf ihre mechanischen Eigenschaften hin untersucht. Hierzu wurden Streckgrenze Rp0,2, Zugfestigkeit Rm, Bruchdehnung A5 sowie die Gleichmaßdehnung Ag bestimmt. Die erhaltenen Messwerte sind in der Tabelle 3 zusammengefasst. Die Einschnürdehnung Az wurde aus Bruchdehnung A5 und Gleichmaßdehnung Ag errechnet. Tabelle 3: mechanische Kennwerte
    Bauteil Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] Ag [%] Az [%] =A5-Ag
    P1 195 277 12,8 8,7 3,7
    I1 195 250 12,4 6,7 6,1
  • Gemäß Tabelle 3 weist das erfindungsgemäße Druckgussbauteil I1 eine deutlich höhere Einschnürdehnung (Az) auf - womit das Druckgussbauteil I1 eine besonders gute Stanznieteignung aufweist bzw. generell für ein Fügen durch Umformen besonders geeignet ist.
  • Diese Eignung wurde durch ein Stanznieten unter Verwendung einer Dommatrize geprüft - und zwar wurde ein Aluminiumblech A der 6xxx Reihe matrizenseitig mit dem Druckgussbauteil P1 bzw. mit dem Druckgussbauteil I1 matrizenseitig unter Verwendung eines Nietelements N stanzgenietet. Die Ergebnisse dieses Stanznietens sind in den Figuren 2a, 2b bzw. 3a, 3b ersichtlich.
  • So sind im Querschliff nach Fig. 2a zur AlSi10Mg0,4Mn im T6-Zustand mehrere Risse R zu erkennen, wohingegen im Querschliff nach Fig. 3a zur erfindungsgemäßen Al-Si7Mg0,4-Legierung im hochfesten T7-Zustand keine Risse zu erkennen sind. Zudem zeigt die AlSi10Mg0,4Mn T6 nach Fig. 2b zahlreiche tiefe Risse matrizenseitig, wohingegen die Risse bei AI-Si7Mg0,4 T7 deutlich feiner ausgeprägt sind. Deren Anzahl ist zwar höher, jedoch sind diese aufgrund ihrer geringen Breite und Tiefe unkritisch. Erfindungsgemäß verbessert sich sohin ein Niet-Ergebnis signifikant gegenüber dem Stand der Technik.
  • Aus diesem Grund weist auch das erfindungsgemäße Druckgussbauteil I1 beispielsweise eine besonders gute Eignung für dünnwandige Formteile an einer Karosserie eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, auf.

Claims (14)

  1. Druckgussbauteil aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen: von 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si), von 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) und optional bis 0,8 Gew.-% Mangan (Mn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Zink (Zn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), bis 0,30 Gew.-% Zirkonium (Zr), bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe), bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti), bis 0,20 Gew.-% Kupfer (Cu), bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr), bis 0,2 Gew.-% Vanadium (V), bis 0,2 Gew.-% Molybdän (Mo),
    und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-%,
    wobei das Druckgussbauteil
    eine Streckgrenze (Rp0,2) von größer 190 MPa und
    eine Bruchdehnung (A5) von größer gleich 7 % aufweist und
    Gleichmaßdehnung (Ag) und Einschnürdehnung (Az) die Bedingung Az ≥ Ag/2 erfüllt.
  2. Druckgussbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Druckgussbauteil
    eine Gleichmaßdehnung (Ag) von mindestens 6 % und
    eine Einschnürdehnung (Az) von mindestens 4 % aufweist.
  3. Druckgussbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtbare Aluminiumlegierung
    von mehr als 6,5 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si),
    insbesondere von mehr als 6,5 bis 8 Gew.-% Silizium (Si),
    und/oder
    von 0,3 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg),
    und/oder
    von 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan (Mn),
    und/oder
    von 0,15 bis 0,3 Gew.-% Zink (Zn),
    insbesondere von 0,15 bis 0,25 Gew.-% Zink (Zn),
    und/oder
    von 0,10 bis 0,20 Gew.-% Kupfer (Cu),
    und/oder
    von 0,10 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe),
    insbesondere von 0,15 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe),
    und/oder
    von 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti),
    und/oder
    von 0,015 bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr) aufweist.
  4. Druckgussbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die aushärtbare Aluminiumlegierung bis 0,05 Gew.-% Mangan (Mn) und/oder bis 0,05 Gew.-% Kupfer (Cu)
    aufweist.
  5. Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug mit einem Druckgussbauteil (I1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.
  6. Karosseriekomponente nach Anspruch 5, mit mindestens einer Stanzniete (N) und mit einem anderen Bauteil (A), wobei das Druckgussbauteil (I1) mit dem anderen Bauteil (A) über die Stanzniete (N) fest verbunden ist.
  7. Kraftfahrzeug mit einer Karosseriekomponente nach Anspruch 5 oder 6.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Verfahren eine Wärmebehandlung mit folgenden Schritten in der angegebenen Reihenfolge umfasst:
    Zumindest zweistufiges Glühen, umfassend wenigstens
    ein erstes Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 320 °C bis 450 °C über eine Zeitdauer von 20 Minuten bis 75 Minuten, und
    ein zweites Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 510 °C bis 540 °C über eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 35 Minuten,
    Abschrecken mit einem Temperaturgradienten im Bereich von größer 4 K/s und
    zumindest dreistufige Warmauslagerung, umfassend wenigstens eine
    erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 180 °C über eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 150 Minuten, eine
    zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 180 °C bis 300 °C über eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 100 Minuten und eine
    dritte Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 230 °C bis 300 °C über eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 120 Minuten.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 390 °C bis 410 °C und/oder über eine Zeitdauer von 50 Minuten bis 70 Minuten erfolgt
  10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 520 °C bis 535 °C, insbesondere von 525 °C bis 535 °C, und/oder über eine Zeitdauer von 25 bis 30 Minuten erfolgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abschrecken mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 7 K/s bis 20 K/s erfolgt.
  12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 140 °C bis 160 °C und/oder über eine Zeitdauer von 110 Minuten bis 130 Minuten erfolgt.
  13. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 190 °C bis 210 °C und/oder über eine Zeitdauer von 50 Minuten bis 70 Minuten erfolgt.
  14. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 230 °C bis 270 °C und/oder über eine Zeitdauer von 10 Minuten bis 30 Minuten erfolgt.
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