EP4186988A1 - Verfahren zum aushärten eines gussteils aus einer aluminiumlegierung und ein damit hergestelltes gussteil - Google Patents

Verfahren zum aushärten eines gussteils aus einer aluminiumlegierung und ein damit hergestelltes gussteil Download PDF

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EP4186988A1
EP4186988A1 EP21210907.8A EP21210907A EP4186988A1 EP 4186988 A1 EP4186988 A1 EP 4186988A1 EP 21210907 A EP21210907 A EP 21210907A EP 4186988 A1 EP4186988 A1 EP 4186988A1
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EP
European Patent Office
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holding
range
casting
temperature
cast part
Prior art date
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EP21210907.8A
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Werner FRAGNER
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AMAG casting GmbH
Original Assignee
AMAG casting GmbH
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Publication date
Application filed by AMAG casting GmbH filed Critical AMAG casting GmbH
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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
    • 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 has therefore set itself the task of improving a method of the type described at the outset in such a way that a cast part with precise shape can be produced reproducibly with almost comparatively high elongation at break and tensile strength values.
  • the invention solves the problem set by the features of claim 1.
  • the heat treatment includes a second hold at a second hold temperature in the range of 150 to 250 °C during a second hold time and a subsequent, second, accelerated cooling
  • a second hold at a second hold temperature in the range of 150 to 250 °C during a second hold time and a subsequent, second, accelerated cooling
  • the latter can be specifically avoided by the provision for interrupting the first hold, since the second hold with subsequent second accelerated cooling interrupts the first hold several times and this first holding is thereby divided into holding sections, each at a first holding temperature in the range from 60 to 140° C. and during a first holding time section which lasts longer than the second holding time.
  • the remainder of the cast aluminum alloy is aluminum and impurities that are unavoidable due to production, each with a maximum of 0.05% by weight and a maximum of 0.15% by weight in total.
  • accelerated cooling can be understood to mean faster cooling than cooling at room temperature and still air, e.g. quenching (cf. Friedrich Ostermann, Aluminum Application Technology, 3rd edition, year of publication 2014 : Cooling after solution annealing and Aluminum Paperback, Part 2, 16th edition, S476, Aluminum-Verlag (2009 ) or Campbell J.: Castings Practices, The 10 Rules of Castings, Oxford, S168-S174, Elsevier Butterworth-Heinemann Verlag (2004 )).
  • quenching cf. Friedrich Ostermann, Aluminum Application Technology, 3rd edition, year of publication 2014 : Cooling after solution annealing and Aluminum Paperback, Part 2, 16th edition, S476, Aluminum-Verlag (2009 ) or Campbell J.: Castings Practices, The 10 Rules of Castings, Oxford, S168-S174, Elsevier Butterworth-Heinemann Verlag (2004 )).
  • the first holding temperature is preferably in the range from 80 to 130° C. in order to still be able to ensure a comparatively high Mg-Si cluster formation in the aluminum casting alloy with shorter first holding time sections.
  • the above can be further improved by a first holding temperature in the range from 100 to 120 °C.
  • the first holding periods are preferably less than or equal to 10 hours in order to use essentially all scarred vacancies for the formation of Mg-Si clusters.
  • the first holding time intervals are in the range from 1 to 6 Hours to use a sufficient number of scared vacancies to form Mg-Si clusters.
  • the above can be further improved by first holding periods in the range of 2 to 4 hours.
  • the second holding temperature is in the range from 170 to 250 °C
  • a temperature range can be specified in which, taking into account a comparatively short second holding time, with a reduced tendency to ⁇ " precipitations, a large number of vacancies can advantageously be generated.
  • the above is due to a second Holding temperature in the range from 200 to 240 °C can be further improved.
  • the second holding time of the second holding is preferably less than or equal to 15 minutes in order to create sufficient voids with a low tendency to precipitate in the cast alloy.
  • the second hold time of the second hold is preferably less than or equal to 10 minutes, in particular it is in the range from 5 seconds to 5 minutes.
  • this average crystal grain size can be measured at any time after the first accelerated cooling.
  • the average crystal grain size (KG) can be done after the first accelerated cooling and before the first or second holding.
  • the first soak temperatures are the same throughout the first soak.
  • several or all of the first holding periods are the same.
  • the repeated second holding at a second holding temperature is the same for a second holding time.
  • the first holding time section of the first holding time sections preferably lasts longer than the subsequent first holding time sections.
  • the first and/or second accelerated cooling takes place at a cooling rate of at least 20° C./s, in particular at least 50° C./s, preferably at least 80° C./s, in order to reliably remove the voids formed during the second hold to be able to scare.
  • the heating from the first holding to the second holding preferably takes place at a heating rate of at least 10° C./s, in particular at least 50° C./s.
  • the aluminum alloy is preferably of type EN AC-42100 (or AlSi7Mg0.3 according to DIN EN 1706:2020), EN AC-42200 (or AlSi7Mg0.6 according to DIN EN 1706:2020) or EN AC-43500 (AlSi10MgMn according to DIN EN1706:2020).
  • the cast part preferably has a wall thickness of 1 to 10 mm (millimeters), in particular 2 to 6 mm, at least in sections, in order to create a sufficient number of voids and to prevent unwanted precipitation when the first hold is briefly interrupted.
  • the solution annealing of the cast part preferably takes place at an annealing temperature in the range from 400 to 500° C. in order to further reduce the risk of residual stresses. All the more so when the casting is solution annealed at an annealing temperature in the range of 420 to 480 °C.
  • the casting is preferably solution annealed with an annealing hold time in the range from 30 minutes to 4 hours.
  • the casting can be solution annealed with an annealing hold time in the range of 1.5 to 2.5 hours.
  • the invention has set itself the task of creating a dimensionally accurate cast part, for example a pressure die-cast part, which is subjected to hardening and has comparatively high elongation at break and tensile strength values.
  • the invention solves the problem set by the features of claim 13.
  • the aluminum alloy preferably has a cluster density of at least 2 ⁇ 10 24 clusters/m 3 with a Guinier radius >1 nm (nanometers) and with a median Guinier radius of >1.3 nm, measured using atom probe tomography (LEAP). Type LEAP 3000HR, on.
  • the width of the precipitation-free zones at the grain boundaries is between 5 and 100 nm (nanometers) (measured using a scanning transmission electron microscope (HAADF images at 17,000x magnification, Talos F200X G2 S-TEM)) to avoid a negative impact on the strain values of the to limit the casting - all the more so when the width of the precipitation-free zones at the grain boundaries is between 20 and 80 nm.
  • the precipitations containing Mg and Si, in particular of the Mg 2 Si type preferably have an average size of 30 to 100 nm (nanometers) at the grain boundaries (measured using a scanning transmission electron microscope (HAADF images at 17,000x magnification, Talos F200X G2 S -TEM)) in order to be able to ensure sufficient strength at high strain values - especially when the precipitations at the grain boundaries have an average size of 50 to 70 nm.
  • FIG. 1 shows a view of the sequence of the method according to the invention for hardening a cast part made of an aluminum cast alloy.
  • Castings namely die-castings, A and B each with a wall thickness of 3 mm (millimeters) and an AlSi10MgMn according to DIN EN 1706:2020 cast aluminum alloy were used to demonstrate the effects achieved Si wt% mg wt% Mn wt% Fe wt% Cu wt% Zn wt% Ti wt% Srppm 10.1 0.35 0.52 0.09 0.03 0.07 0.12 180 and the remainder being aluminum and impurities unavoidable due to production, each with a maximum of 0.05% by weight and a maximum of 0.15% by weight in total.
  • This method is known from the prior art, in which the casting A is subjected to solution annealing at 510° C. (degrees Celsius) for 6 h (hours) and a subsequent first accelerated cooling (namely water quenching). This is followed by a single-stage heat treatment consisting of a first holding with a first holding temperature (T1) at 170° C. and a first holding time (h1) of 8 h (hours).
  • T1 first holding temperature
  • h1 first holding time
  • process V2 In contrast to process V1, among other things, the heat treatment of process V2 according to the invention is multi-stage - as in 1 can be seen.
  • This multi-stage structure is formed by interrupting a first holding four times by a second holding together with a second, accelerated cooling. As a result, the first hold is divided into hold sections.
  • first holding time sections h1a or h1b, h1c, h1d, h1e differ from one another on the one hand in the first holding time sections h1a or h1b, h1c, h1d, h1e, and on the other hand are the same in the first holding temperature T1--although the latter does not necessarily have to be the case.
  • Each holding section can have its individual holding temperature T1 during the individual first holding time section h1a, h1b, h1c, h1d or h1e.
  • the first holding temperature T1 or first holding temperatures T1 of the first holding time sections h1a, h1b, h1c, h1d, h1e only have to meet the condition of 60 to 140°C.
  • the first holding time sections h1a, h1b, h1c, h1d and h1e last significantly longer than the second holding time h2 (cf. hours in relation to seconds).
  • casting B achieves improved mechanical properties - as is the case with casting A.
  • cast part B has a significantly higher dimensional accuracy compared to cast part A than is the case with cast part A, for which a higher dimensional deviation was found.
  • a dimensionally accurate cast part can therefore be created using method V2, with which outstanding elongation at break and tensile strength values can also be achieved due to the hardening of the aluminum alloy with the formation of essentially Mg-Si clusters.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Aushärten eines Gussteils aus einer Aluminiumlegierung und ein damit hergestelltes Gussteil gezeigt. Um ein formgenaues Gussteil, insbesondere Druckgussteil, mit hohen Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerten zu schaffen, wird eine mehrstufige Wärmebehandlung vorgeschlagen.

Description

  • Aus dem Stand der Technik ist es bekannt (vgl. Ostermann, F.: Anwendungstechnologie Aluminium, Berlin. S183, Springer Verlag (2014) oder Aluminium Taschenbuch, Teil 2, 16. Auflage, S293 und S477-S479, Aluminium-Verlag (2009)), bei einem Gussteil mit einer AISiMg Aluminiumlegierungen Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerte zu verbessern, indem nach einem Lösungsglühen und ersten beschleunigten Abkühlen (Abschrecken z. B.: Wasserabschrecken) die Aluminiumlegierung einer im Wesentlichen Mg-Si-Cluster ausbildenden Wärmebehandlung unterworfen wird. Bei dieser Wärmebehandlung wird erfolgt ein erstes Halten auf einer ersten Haltetemperatur im Bereich von 165 °C ±5 °C für mehrere Stunden. Nachteilig bilden sich bei derart hohen Haltetemperaturen im Wesentlichen β"-Ausscheidungen, was Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerte am Gussteil reduziert. Zudem führt dies zu einem erhöhten Grad an Eigenspannungen im Gussteil, was einen Verzug am Gussteil begünstigt (vgl. Aluminium Taschenbuch, Teil 2, 16. Auflage, S476f, Aluminium-Verlag (2009) oder Campbell J.: Castings Practices, The 10 Rules of Castings, Oxford, S168-S174, Elsevier Butterworth-Heinemann Verlag (2004)). Eine Kombination aus vergleichsweise hohen Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerten bei hoher Formgenauigkeit am Gussteil können solche Verfahren nicht reproduzierbar schaffen.
  • Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, ein Verfahren der eingangs geschilderten Art derart zu verbessern, dass bei nahezu vergleichsweise hohen Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerten ein formgenaues Gussteil reproduzierbar hergestellt werden kann.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
  • Dadurch, dass die Wärmebehandlung ein zweites Halten auf einer zweiten Haltetemperatur im Bereich von 150 bis 250 °C während einer zweiten Haltezeit sowie ein daran anschließendes, zweites beschleunigtes Abkühlen umfasst, kann zunächst erwartet werden, dass auf der einen Seite höhere Eigenspannungen im Gussteil ausbilden und auf der anderen Seite sich nachteilig eine schlechtere Kombination aus Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerten durch β" Ausscheidungen ergibt. Letzteres kann jedoch durch die Vorschrift zur Unterbrechung des ersten Haltens gezielt vermieden werden, da das zweite Halten mit anschließendem zweiten beschleunigtem Abkühlen das erste Halten mehrmals unterbricht und dieses erste Halten dadurch in Halteabschnitte, jeweils auf einer ersten Haltetemperatur im Bereich von 60 bis 140 °C und während einem ersten Haltezeitabschnitt, der länger als die zweite Haltezeit andauert, teilt.
  • Mithilfe des unterbrechenden zweiten Haltens im Zusammenwirken mit dem zweiten beschleunigten Abkühlen kann eine vergleichsweise hohe Anzahl an zusätzlichen Leerstellen in der Gusslegierung erzeugt und eingeschreckt werden, die beim anschließenden ersten Halten die Mg-Si-Clusterbildung unterstützt und die Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerten unter erstem Halten verbessern. Zudem kann durch die vergleichsweise niedrige erste Temperatur die Ausbildung von Eigenspannungen im Gussteil reduzieren und das erfindungsgemäße Verfahren zu einem formgenauen Gussteil reproduzierbarer führen.
  • Erfindungsgemäß können daher bei Aluminiumgusslegierungen vergleichsweise hohe Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerte unter hoher Formgenauigkeit am Gussteil erreicht werden. Vorzugsweise weist hierzu diese Aluminiumgusslegierung:
    • von 6 bis 12 Gew.-% Silizium (Si),
    • von 0,2 bis 0,8 Gew.-% Magnesium (Mg) und
    • mindestens 0,25 Gew.-% Mangan (Mn),
    was beim ersten Halten zu einem großen Ausscheidungsdruck für die Bildung von Mg-Si-Clustern und beim zweiten Halten zu einer erhöhter Leerstellendichte führen kann. Bevorzugt kann hierzu die Aluminiumgusslegierung von 6,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium (Si), von 0,25 bis 0,6, Gew.-% Magnesium (Mg) und/oder von 0,25 bis 0,8, Gew.-% Mangan (Mn) aufweisen.
  • Optional kann die Aluminiumgusslegierung ein oder mehrere der folgenden Elemente aufweisen:
    • bis 1,2 Gew.-% Eisen (Fe)
    • bis 1,2 Gew.-% Zink (Zn)
    • bis 2,0 Gew.-% Kupfer (Cu)
    • maximal 0,2 Gew.-% Titan (Ti)
    • maximal 0,2 Gew.-% Zirkon (Zr)
    • maximal 0,2 Gew.-% Vanadium (V)
    • 50 bis 300 ppm Strontium (Sr)
    • 20 bis 250 ppm Natrium (Na)
    • 20 bis 350 ppm Antimon (Sb)
  • Als Rest weist die Aluminiumgusslegierung Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% auf.
  • Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter einem beschleunigten Abkühlen eine schnellere Abkühlung als eine Abkühlung bei Raumtemperatur und ruhender Luft, beispielsweise Abschrecken, verstanden werden kann (vgl. Friedrich Ostermann, Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, Erscheinungsjahr 2014: Abkühlen nach dem Lösungsglühen sowie Aluminium Taschenbuch, Teil 2, 16. Auflage, S476, Aluminium-Verlag (2009) oder Campbell J.: Castings Practices, The 10 Rules of Castings, Oxford, S168-S174, Elsevier Butterworth-Heinemann Verlag (2004)).
  • Vorzugsweise liegt die erste Haltetemperatur im Bereich von 80 bis 130 °C, um bei kürzeren ersten Haltezeitabschnitten dennoch eine vergleichsweise hohe Mg-Si-Clusterbildung bei der Aluminiumgusslegierung sicherstellen zu können. Vorstehendes ist durch eine erste Haltetemperatur im Bereich von bei 100 bis 120 °C weiter verbesserbar.
  • Die ersten Haltezeitabschnitte sind vorzugsweise kleiner gleich 10 Stunden, um im Wesentlichen alle eingeschreckten Leerstellen zur Ausbildung von Mg-Si-Clustern zu nützen. Vorzugsweise liegen die ersten Haltezeitabschnitte im Bereich von 1 bis 6 Stunden, um damit eine ausreichende Anzahl an eingeschreckten Leerstellen zur Ausbildung von Mg-Si-Clustern zu nützen. Vorstehendes kann durch erste Haltezeitabschnitte im Bereich von 2 bis 4 Stunden weiter verbessert werden.
  • Liegt die zweite Haltetemperatur im Bereich von 170 bis 250 °C kann ein Temperaturrahmen vorgeben werden, in welchem unter Berücksichtigung einer vergleichsweise kurzen zweiten Haltezeit, mit reduzierter Neigung zu β" Ausscheidungen vorteilhaft eine hohe Anzahl an Leerstellen erzeugt werden können. Vorstehendes ist durch eine zweite Haltetemperatur im Bereich von 200 bis 240 °C weiter verbesserbar.
  • Vorzugweise ist die zweite Haltezeit des zweiten Haltens kleiner gleich 15 Minuten, um ausreichende Leerstellen bei geringe Ausscheidungsneigung in der Gusslegierung zu schaffen. Vorzugsweise ist die zweite Haltezeit des zweiten Haltens kleiner gleich 10 Minuten, insbesondere ist diese im Bereich von 5 Sekunden bis 5 Minuten.
  • Das Verfahren zur Aushärtung der Gusslegierung kann weiter verbessert werden, wenn die zweite Haltezeit (h2) in Sekunden bei mittlerer Kristallkorngröße (KG), gemessen nach dem Linienschnittverfahren ASTM E112, in Mikrometer und bei zweiter Haltetemperatur (T2) in Grad Celsius folgende Bedingungen erfüllt: h 2 ≥ A 1 + B 1 ⋅ KG ⋅ exp − T2 C1 + D 1 + E 1 ⋅ KG
    Figure imgb0001
     h 2 ≤ A 2 + B 2 ⋅ KG ⋅ exp − T2 C2 + D 2 + E 2 ⋅ KG
    Figure imgb0002
     mit folgenden Parametern
    • A1= -26400, B1= 5000, C1= 22,00, D1= 2,5 und E1= 0,2
    • A2= -125000, B2= 29700, C2= 20,75, D2= 5,5 und E2= 0,9
  • Da sich die mittlere Kristallkorngröße (KG) nach dem ersten beschleunigten Abkühlen im Wesentlichen nicht mehr verändert, kann diese mittlere Kristallkorngröße zu irgendeinem Zeitpunkt nach dem ersten beschleunigten Abkühlen gemessen werden. Beispielsweise kann die mittlere Kristallkorngröße (KG) nach dem ersten beschleunigten Abkühlen und vor dem ersten oder zweiten Halten erfolgen.
  • Vorzugsweise sind die ersten Haltetemperaturen über das gesamte erste Halten gleich. Vorzugsweise sind mehrere oder alle erste Haltezeitabschnitte gleich. Vorzugsweise ist das mehrmalige zweite Halten auf einer zweiten Haltetemperatur während einer zweiten Haltezeit gleich. Vorzugsweise dauert der erste Haltezeitabschnitt der ersten Haltezeitabschnitte länger als die nachfolgenden ersten Haltezeitabschnitte an.
  • Insbesondere erfolgt das erste und/oder zweite beschleunigte Abkühlen mit einer Abkühlrate von mindestens 20 °C/s, insbesondere von mindestens 50 °C/s, vorzugsweise von mindestens 80 °C/s, erfolgt, um damit die beim zweiten Halten gebildeten Leerstellen zuverlässig einschrecken zu können.
  • Vorzugsweise erfolgt das Aufheizen vom ersten Halten auf das zweite Halten mit einer Aufheizrate von mindestens 10 °C/s, insbesondere mindestens 50 °C/s.
  • Vorzugsweise ist die Aluminiumlegierung vom Typ EN AC-42100 (bzw. AlSi7Mg0,3 gemäß DIN EN 1706:2020), EN AC-42200 (bzw. AlSi7Mg0,6 gemäß DIN EN 1706:2020) oder EN AC-43500 (AlSi10MgMn gemäß DIN EN 1706:2020).
  • Vorzugsweise weist das Gussteil zumindest abschnittsweise eine Wandstärke von 1 bis 10 mm (Millimeter), insbesondere von 2 bis 6 mm auf, um mit dem kurzzeitigen Unterbrechen des ersten Haltens eine ausreichende Anzahl an Leerstellen zu erzeugen und unerwünschte Ausscheidungen zu unterbinden.
  • Vorzugsweise erfolgt das Lösungsglühen des Gussteils bei einer Glühtemperatur im Bereich von 400 bis 500 °C, um die Gefahr von Eigenspannungen weiter zu vermindern. Dies umso mehr, wenn das Lösungsglühen des Gussteils bei einer Glühtemperatur im Bereich 420 bis 480 °C erfolgt.
  • Vorzugsweise erfolgt das Lösungsglühen des Gussteils mit einer Glühhaltezeit im Bereich von 30 Minuten bis 4 Stunden. Beispielsweise kann das Lösungsglühen des Gussteils mit einer Glühhaltezeit im Bereich von 1,5 bis 2,5 Stunden erfolgen.
  • Außerdem hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein einer Aushärtung unterworfenes formgenaues Gussteil, beispielsweise Druckgussteil, mit vergleichsweise hohen Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerten zu schaffen.
  • Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 13.
  • Dadurch dass das Gussteil dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Aushärtung unterworfen worden ist, kann damit eine ausreichend hohen 0,2 %-Dehngrenze Rp0,2 > 150 MPa und eine ausreichend hohen Bruchdehnung A von > 7 % erreicht werden - dies mit im Wesentlichen Mg-Si-Clustern in der Aluminiummatrix.
  • Vorzugsweise weist die Aluminiumlegierung eine Clusterdichte von mindestens 2 x 1024 Cluster/m3 mit einem Guinier Radius > 1 nm (Nanometer) und mit einem Median-Guinier Radius von > 1,3 nm, gemessen mit einer Atomsonden-Tomographie (LEAP) vom Typ LEAP 3000HR, auf.
  • Vorzugsweise liegt die Breite der ausscheidungsfreien Zonen an den Korngrenzen zwischen 5 und 100 nm (Nanometer) (gemessen mithilfe eines Rastertransmissionselektronenmikroskops (HAADF-Aufnahmen bei 17.000x Vergrößerung, Talos F200X G2 S-TEM)) liegt, um einen negativen Einfluss auf die Dehnungswerte des Gussteils zu beschränken - dies umso mehr, wenn die Breite der ausscheidungsfreien Zonen an den Korngrenzen zwischen 20 und 80 nm liegt.
  • Vorzugsweise weisen die Mg- und Si-haltigen Ausscheidungen, insbesondere vom Typ Mg2Si, an den Korngrenzen eine mittlere Größe von 30 bis 100 nm (Nanometer) (gemessen mithilfe eines Rastertransmissionselektronenmikroskops (HAADF-Aufnahmen bei 17.000x Vergrößerung, Talos F200X G2 S-TEM)) auf, um ausreichende Festigkeit bei hohen Dehnwerten sicherstellen zu können - dies insbesondere, wenn die Ausscheidungen an den Korngrenzen eine mittlere Größe von 50 bis 70 nm aufweisen.
  • Fig. 1 zeigt eine Ansicht zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Aushärten eines Gussteils aus einer Aluminiumgusslegierung.
  • Zum Nachweis der erzielten Effekte wurden Gussteile, nämlich Druckgussteile, A und B mit je einer Wandstärke von 3 mm (Millimeter) und einer AlSi10MgMn gemäß DIN EN 1706:2020 Aluminiumgusslegierung mit
    Si Gew.-% Mg Gew.-% Mn Gew.-% Fe Gew.-% Cu Gew.-% Zn Gew.-% Ti Gew.-% Sr ppm
    10,1 0,35 0,52 0,09 0,03 0,07 0,12 180
    und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% hergestellt.
  • Diese Gussteile A, B und werden unterschiedlichen Verfahren V1, V2 zur Aushärtung unterworfen.
    • Verfahren V1 (Stand der Technik):
  • Dieses Verfahren ist aus dem Stand der Technik bekannt, bei dem das Gussteil A, an das Lösungsglühen bei 510 °C (Grad Celsius) für 6 h (Stunden) und ein daran anschließendes, erstes beschleunigtes Abkühlen (nämlich Wasserabschrecken) unterworfen wird. Danach erfolgt eine einstufige Wärmebehandlung, besteht aus einem ersten Halten mit einer ersten Haltetemperatur (T1) bei 170 °C und einer ersten Haltezeit (h1) von 8 h (Stunden).
    • Verfahren V2 (erfindungsgemäß):
  • Zum Unterschied zum Verfahren V1 ist unter anderem die Wärmebehandlung der erfindungsgemäßen Verfahrens V2 mehrstufig - wie in Fig. 1 zu erkennen ist.
  • Diese Mehrstufigkeit bildet sich unter einem viermaligen Unterbrechen eines ersten Haltens durch ein zweites Halten samt zweiten beschleunigtem Abkühlen. Dadurch teilt sich das erste Halten in Halteabschnitte.
  • Diese Halteabschnitte sind voneinander einerseits in den ersten Haltezeitabschnitten h1a bzw. h1b, h1c, h1d, h1e unterschiedlich, andererseits in der ersten Haltetemperatur T1 gleich - wobei letzteres jedoch nicht zwingend der Fall sein muss. Jeder Halteabschnitt kann seine individuelle Haltetemperatur T1 während des individuellen ersten Haltezeitabschnitts h1a, h1b, h1c, h1d bzw. h1e aufweisen. Die erste Haltetemperatur T1 bzw. ersten Haltetemperaturen T1 der ersten Haltezeitabschnitte h1a, h1b, h1c, h1d, h1e müssen nur die Bedingung von 60 bis 140 °C erfüllen.
  • Gussteil B wurde dem Verfahren zum Aushärten mit folgenden Verfahrensschritten in folgender Reihenfolge unterworfen:
    1. a. Lösungsglühen bei 450 °C (Grad Celsius) für 2 h (Stunden) und ein daran anschließendes, erstes beschleunigtes Abkühlen (nämlich Abschrecken, z. B.: Wasserabschrecken) auf Raumtemperatur (20 °C);
    2. b. erstes Halten auf einer ersten Haltetemperatur T1 bei 120 °C während eines ersten Haltezeitabschnitts h1a von 4 h (Stunden), wobei der erste Haltezeitabschnitt h1a auch gleich mit den anderen Haltezeitabschnitten h1b, h1c, h1d und h1e sein kann, was nicht dargestellt worden ist.
    3. c. Erwärmen unter Einbringung in ein Metallbad mit einer Aufheizrate von mehr als 100 °C/s (Grad Celsius pro Sekunde) auf eine zweite Haltetemperatur T2;
    4. d. zweites Halten auf einer zweiten Haltetemperatur T2 bei 230 °C während einer zweiten Haltezeit h2 von 20 Sekunden, wobei damit die zweite Haltezeit h2 bei einer Korngröße KG von 20 µm (gemessen nach dem Linienschnittverfahren ASTM E112) die Bedingung 8,6 Sekunden ≤ h2 ≤ 30,7 Sekunden erfüllt wird;
    5. e. zweites beschleunigtes Abkühlen, nämlich Abschrecken, unter Einbringung in ein Metallbad mit einer Abkühlrate von 80 °C/s auf Raumtemperatur (20 °C);
    6. f. Erwärmen unter Einbringung in ein Ölbad mit einer Aufheizrate von 10 °C/s auf die erste Haltetemperatur T1;
    7. g. erstes Halten auf einer ersten Haltetemperatur T1 bei 120 °C während eines ersten Haltezeitabschnitts h1b bzw. h1c bzw. h1d bzw. h1e von 2 Stunden; wobei anschließend die Schritte c bis g dreimal wiederholt werden und nach diesen Wiederholungen anschließend das Gussteil B auf Raumtemperatur, gegebenenfalls beschleunigt, abgekühlt bzw. abgeschreckt wird - wie dies in Fig. 1 zu erkennen ist.
  • Außerdem kann in Fig. 1 erkannt werden, dass die ersten Haltezeitabschnitte h1a, h1b, h1c, h1d und h1e deutlich länger als die zweite Haltezeit h2 andauern (vgl. Stunde in Relation zu Sekunden).
  • Die dem Verfahren V1 bzw. V2 zur Aushärtung unterworfenen Gussteile A bzw. B wurden mittels Zugversuchs hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte 0,2 %-Dehngrenze Rp0,2, Zugfestigkeit Rm, Gleichmaßdehnung Ag und Bruchdehnung A untersucht. Tabelle 1: Mechanische Kennwerte
    Gussteil Rp0,2 [MPa] Rm [MPa] Ag [%] A [%] Maßabweichung [%]
    A 164 272 12 14,3 1,2
    B 203 295 13,4 16,1 0,7
  • Wie der Tabelle 1 zu entnehmen, erzielt das Gussteil B verbesserte mechanische Kennwerte - wie dies bei Gussteil A der Fall ist. Insbesondere aber weist das Gussteil B im Vergleich mit dem Gussteil A eine deutlich höherer Formgenauigkeit auf, als dies bei Gussteil A der Fall ist, bei dem eine höhere Maßabweichung festgestellt wurde.
  • Zudem ergaben eine metallurgische Untersuchung von Gussteil B folgende Ergebnisse:
    • Breite der ausscheidungsfreien Zonen an den Korngrenzen 42 nm (gemessen mithilfe eines Rastertransmissionselektronenmikroskops (HAADF-Aufnahmen bei 17.000x Vergrößerung, Talos F200X G2 S-TEM)).
    • Mittlere Größe der Ausscheidungen vom Typ Mg2Si an den Korngrenzen 61 nm (gemessen mithilfe eines Rastertransmissionselektronenmikroskops (HAADF-Aufnahmen bei 17.000x Vergrößerung, Talos F200X G2 S-TEM)).
    • Clusterdichte von 2,3 x 1024 Cluster/m3 mit einem Median-Guinier Radius von 1,5 nm, gemessen mit einer Atomsonden-Tomographie (LEAP) vom Typ LEAP 3000HR.
  • Erfindungsgemäß kann daher anhand des Verfahrens V2 ein maßgenaues Gussteil geschaffen werden, mit dem auch herausragende Bruchdehnungs- und Zugfestigkeitswerte aufgrund der Aushärtung der Aluminiumlegierung unter Bildung von im Wesentlichen Mg-Si-Clustern erreicht werden.
  • Im Allgemeinen wird festgehalten, dass "insbesondere" als "more particularly" ins Englische übersetzt werden kann. Ein Merkmal, dem "insbesondere" vorangestellt ist, ist als fakultatives Merkmal zu betrachten, das weggelassen werden kann, und stellt damit keine Einschränkung, beispielsweise der Ansprüche, dar. Das gleiche gilt für "vorzugsweise", ins Englische übersetzt als "preferably".

Claims (16)

  1. Verfahren zum Aushärten eines Gussteils aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere mit einer AlSiMg-Basis, aufweisend
    6 bis 12, insbesondere 6,5 bis 11,5, Gew.-% Silizium (Si),
    0,2 bis 0,8, insbesondere 0,25 bis 0,6, Gew.-% Magnesium (Mg),
    mindestens 0,25, insbesondere 0,25 bis 0,8, Gew.-% Mangan (Mn),
    optional jeweils einzeln oder in Kombination: bis 1,2 Gew.-% Eisen (Fe) bis 1,2 Gew.-% Zink (Zn) bis 2,0 Gew.-% Kupfer (Cu) maximal 0,2 Gew.-% Titan (Ti) maximal 0,2 Gew.-% Zirkon (Zr) maximal 0,2 Gew.-% Vanadium (V) 50 bis 300 ppm Strontium (Sr) 20 bis 250 ppm Natrium (Na) 20 bis 350 ppm Antimon (Sb)
    und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, mit folgenden Schritten:
    Lösungsglühen des Gussteils,
    erstes beschleunigtes Abkühlen des lösungsgeglühten Gussteils und
    Wärmebehandlung des Gussteils, welche Wärmebehandlung
    ein erstes Halten auf einer ersten Haltetemperatur (T1) im Bereich von 60 bis 140 °C und
    ein zweites Halten auf einer zweiten Haltetemperatur (T2) im Bereich von 150 bis 250 °C während einer zweiten Haltezeit (h2) sowie ein daran anschließendes, zweites beschleunigtes Abkühlen umfasst, wobei das zweite Halten mit anschließendem zweiten beschleunigtem Abkühlen das erste Halten mehrmals unterbricht und dieses erste Halten dadurch in Halteabschnitte, jeweils auf einer ersten Haltetemperatur (T1) im Bereich von 60 bis 140 °C und während einem ersten Haltezeitabschnitt (h1a, h1b, h1c, h1d, h1e), der länger als die zweite Haltezeit (h2) andauert, teilt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Haltetemperatur (T1) im Bereich von 80 bis 130 °C, insbesondere bei 100 bis 120 °C, liegt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Haltezeitabschnitte (h1a, h1b, h1c, h1d, h1e) kleiner gleich 10 Stunden sind, insbesondere im Bereich von 1 bis 6 Stunden, vorzugsweise im Bereich von 2 bis 4 Stunden, liegen.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haltetemperatur (T2) im Bereich von 170 bis 250 °C, insbesondere im Bereich von 200 bis 240 °C, liegt.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haltezeit (h2) des zweiten Haltens keiner gleich 15 Minuten, insbesondere keiner gleich 10 Minuten, beispielsweise im Bereich von 5 Sekunden bis 5 Minuten, ist.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Haltezeit (h2) in Sekunden bei mittlerer Kristallkorngröße (KG) in Mikrometer und bei zweiter Haltetemperatur (T2) in Grad Celsius folgende Bedingungen erfüllt: h 2 ≥ A 1 + B 1 ⋅ KG ⋅ exp − T2 C1 + D 1 + E 1 ⋅ KG
    Figure imgb0003
     h 2 ≤ A 2 + B 2 ⋅ KG ⋅ exp − T2 C2 + D 2 + E 2 ⋅ KG
    Figure imgb0004
     mit folgenden Parametern
    A1= -26400, B1= 5000, C1= 22,00, D1= 2,5 und E1= 0,2
    A2= -125000, B2= 29700, C2= 20,75, D2= 5,5 und E2= 0,9
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Haltetemperaturen (T1) über das gesamte erste Halten gleich sind und/oder die mehreren oder alle ersten Haltezeitabschnitte (h1a, h1b, h1c, h1d, h1e) gleich sind und/oder das mehrmalige zweite Halten auf einer zweiten Haltetemperatur (T2) während einer zweiten Haltezeit (h2) gleich ist.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und/oder zweite beschleunigte Abkühlen mit einer Abkühlrate von mindestens 20 °C/s, insbesondere von mindestens 50 °C/s, vorzugsweise von mindestens 80 °C/s, erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufheizen vom ersten Halten auf das zweite Halten mit einer Aufheizrate von mindestens 10 °C/s, insbesondere von mindestens 50 °C/s, erfolgt.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung vom Typ EN AC-42100, EN AC-42200 oder EN AC-43500 ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil zumindest abschnittsweise eine Wandstärke von 1 bis 10 mm, insbesondere von 2 bis 6 mm, aufweist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsglühen des Gussteils bei einer Glühtemperatur im Bereich von 400 bis 500 °C, insbesondere von 420 bis 480 °C, und/oder mit einer Glühhaltezeit im Bereich von 30 Minuten bis 4 Stunden, insbesondere von 1,5 bis 2,5 Stunden, erfolgt.
  13. Gussteil, hergestellt nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Gussteil eine 0,2%-Dehngrenze (Rp0,2) > 150 MPa und eine Bruchdehnung (A) von > 7 % aufweist.
  14. Gussteil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung eine Clusterdichte von mindestens 2 x 1024 Cluster/m3 mit einem Guinier Radius > 1 nm und mit einem Median-Guinier Radius von > 1,3 nm aufweist.
  15. Gussteil nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der ausscheidungsfreien Zonen an den Korngrenzen zwischen 5 und 100 nm, insbesondere zwischen 20 und 80 nm, liegt.
  16. Gussteil nach Anspruch 13, 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Mg-und Si-haltigen Ausscheidungen, insbesondere vom Typ Mg2Si, an den Korngrenzen eine mittlere Größe von 30 bis 100 nm, insbesondere von 50 bis 70 nm, aufweisen.
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