WO2005047554A1 - Al-mg-si-aluminium-gusslegierung mit scandium - Google Patents

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WO2005047554A1
WO2005047554A1 PCT/DE2004/002425 DE2004002425W WO2005047554A1 WO 2005047554 A1 WO2005047554 A1 WO 2005047554A1 DE 2004002425 W DE2004002425 W DE 2004002425W WO 2005047554 A1 WO2005047554 A1 WO 2005047554A1
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Hubert Koch
Blanka Lenczowski
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Eads Deutschland Gmbh
Aluminium-Rheinfelden 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
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • 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
    • C22F1/047—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 magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the present invention relates to an aluminum casting alloy which is particularly suitable for cast parts subject to high thermal stress.
  • the performance of cast parts produced therefrom is considerably improved, with their thermal stability being guaranteed up to temperatures of 400.degree.
  • die castings are used to produce castings with high quality standards.
  • the quality of a die-cast part does not only depend on the
  • Machine settings and the selected process but also to a large extent on the chemical composition and structure of the cast alloy used. These last two parameters are known to influence the castability, the feeding behavior, the mechanical properties and, particularly important in die casting, the service life of the casting tools.
  • EP 0 687 742 A1 discloses a die-casting alloy based on aluminum-silicon which contains 9.5-11.5% by weight silicon, 0.1-0.5% by weight magnesium, 0.5-0, 8% by weight manganese, max. 0.15% by weight iron, max. 0.03% by weight copper, Max. 0.10 zinc, max. 0.15 wt .-% titanium and the rest of aluminum and permanent refinement contains 30 to 300 ppm strontium.
  • An aluminum alloy is known from EP 0 792 380 A1, which consists of 5.4-5.8% by weight of magnesium, 1.8-2.5% by weight of silicon, 0.5-0.9% by weight.
  • an aluminum casting alloy is known from EP 1 229 141 A1, which is particularly suitable for permanent mold casting and sand casting, and at least 0.05-0.5% by weight of manganese, 0.2-1.0%. -% Magnesium, 4 - 7 wt .-% zinc and 0.15 - 0.45 wt .-% chromium.
  • the disadvantage is that there is usually a delay in solution annealing, which must be corrected by additional measures or work steps (remeasuring and straightening).
  • the present invention has for its object to develop an aluminum casting alloy that is suitable for thermally highly stressed cast parts.
  • the heat resistance ie the thermal stability of the mechanical properties, should be guaranteed up to temperatures of 400 ° C.
  • the cast aluminum alloy according to the invention is said to have good weldability and to be able to be produced using a large number of processes with good castability.
  • the task is solved by a cast aluminum alloy, which at least consists of
  • Ti titanium
  • element or a group of elements selected from the
  • Zr zircon
  • Hf hafnium
  • Mo molybdenum
  • Tb terbium
  • Be beryllium
  • the magnesium content is preferably between 2-7% by weight and particularly preferably between 3-6% by weight.
  • a silicon content of 1.1-4.0% by weight is advantageous.
  • a silicon content of 1.1-3.0% by weight is particularly advantageous.
  • the addition of scandium is essential.
  • the scandium In addition to intensive particle hardening due to the thermally very stable Al 3 Sc particles, the scandium also causes grain refinement of the cast structure and recrystallization inhibition. Castings made from the alloy according to the invention therefore have the advantage that their mechanical properties are stable up to temperatures of 400 ° C.
  • the cast alloy according to the invention is therefore predestined especially for cast parts subject to high thermal stress.
  • the high heat resistance means that it is not necessary to replace aluminum materials with high-density materials.
  • the component weight is guaranteed with increased conductivity or can even be reduced by thin-walled castings.
  • Another advantage is that the scandium content also improves weldability.
  • the scandium content is preferably between 0.01-0.45% by weight.
  • a scandium content of 0.015-0.4% by weight is particularly preferred.
  • titanium Like scandium, titanium also causes grain refinement and thus contributes accordingly to improving the heat resistance. In addition, titanium lowers electrical conductivity.
  • the titanium content is preferably 0.01-0.2% by weight, in particular 0.05-0.15% by weight.
  • zircon Since zircon has the same effect as scandium or titanium, it is also advantageous to add zircon to the alloy.
  • the combined effect of scandium and zircon increases the effect of the scandium, an intensive particle hardening by the thermally very stable AI 3 Sc particles, a grain refinement of the structure as well as a recrystallization inhibition.
  • Zircon substitutes for Sc atoms and forms particles of the ternary compound Al 3 (Sc 1-x , Zr x ) which are less prone to coagulation at higher temperatures than the Alasc particles.
  • the scandium and zircon components thus further improve the heat resistance of the alloy compared to an alloy that contains only scandium. This enables further optimization towards lower scandium contents in order to reduce costs.
  • the zirconium content of preferred embodiments is between 0.01-0.3% by weight and 0.05-0.1% by weight.
  • the aluminum casting alloy according to the invention has the effect of increasing the heat resistance even in the as-cast state.
  • the heat resistance can be varied accordingly by a suitable choice of temperature and time period, the time period being known to depend on the component size or thickness.
  • Solution annealing with subsequent hot aging is not necessary, which is advantageous insofar as the problem of warpage, which usually entails re-measuring and straightening and is known to occur with the classic, solution-annealed and heat-aged cast aluminum alloys, does not matter.
  • hafnium, molybdenum, terbium, niobium, gadolinium, erbium and / or vanadium can be added to the alloy.
  • the alloy contains one or more elements selected from the group consisting of zirconium, hafnium, molybdenum, terbium, niobium, gadolinium, erbium and vanadium. The sum of the selected elements is at most 0.5% by weight, but preferably 0.01-0.3% by weight.
  • the alloy contains at least 0.001% by weight, preferably at least 0.008% by weight, of vanadium. Vanadium acts as a grain refiner similar to titanium. It also improves weldability and reduces the tendency of the melt to scratch.
  • the alloy contains at least 0.001% by weight of gadolinium.
  • Chromium 0.001-0.3% by weight, in particular 0.0015-0.2% by weight of copper: 0.001-1.0% by weight, in particular 0.5-1.0% by weight of zinc: 0.001-0.1% by weight, in particular 0.001-0.05% by weight.
  • iron and / or manganese reduces the adhesive effect.
  • the technical iron content is typically at least 0.12% by weight.
  • the addition of iron and / or manganese is not absolutely necessary when casting molds and sand.
  • Manganese content preferably between 0.4-0.8% by weight.
  • the sum of manganese and iron content should be at least 0.8% by weight.
  • the die-casting alloy contains either only iron or only manganese.
  • Sample rods for determining the mechanical properties were cast from three different alloys using the die rod mold.
  • the first alloy also contains zircon.
  • the second alloy has a higher scandium content than the first alloy, but does not contain zircon.
  • the third alloy is a variant with a higher magnesium and silicon content.
  • a fourth alloy was produced using die casting, which also contains copper. This alloy was melted in a 200 kg, electrically heated crucible furnace. The casting temperature was 700 ° C. It was cast on a 4001 (tensile holding force) die casting machine. A plate with the dimensions 220 x 60 x 3 mm was used as the sample form. Test bars for tensile tests were taken from the plates. The test bars were only processed on the narrow sides.
  • the mechanical properties of the various alloys according to the invention cast by means of die die mold were obtained in the as-cast state, after 3 hours of heat treatment at 300 ° C. and then under various thermal loads (200 ° C./500 h, 250 ° C./500 h, 350 ° C./500 h and 400 ⁇ C / 500h), to determine the thermal stability.
  • the mechanical properties of alloy 4 (die casting alloy) were measured only in the as-cast state and after 1 hour, 300 ° C. heat treatment.
  • the Reference alloy was subjected to conventional high temperature annealing.
  • the reference alloy was solution annealed at 540 ° C for 12 hours, then quenched with water and then aged at 165 ° C for 6 hours.
  • the measurement results are summarized in Table 2, where Rp0.2 is the yield strength in MPa, Rm is the tensile strength in MPa and A5 is the elongation at break in%.
  • the tests show that the alloy according to the invention has good mechanical properties even in the as-cast state.
  • the mechanical properties are further increased by a heat treatment (here 300 ° C. for 3 hours or 300 ° C. for 1 hour), which is due to particle hardening by segregation from the supersaturated mixed crystal during “warm aging”, ie formation of secondary precipitates AI 3 (Sc ⁇ - x , Zr x ) and the thermal stability of alloys 1 - 3 up to temperatures of 400 ° C is clearly visible.
  • the yield strength and tensile strength values are quite high up to temperatures of 400 ° C. If the measured values of the reference alloy at 250 ° C. are compared with the corresponding values of the alloy according to the invention, one can clearly see that the very good mechanical properties of the alloy according to the invention are retained. In contrast, the reference alloy already shows a significant reduction in the yield strength and tensile strength at 250 ° C.
  • the alloy according to the invention has very good weldability. It has excellent casting behavior and can be produced using the usual casting processes (die casting, sand casting, mold casting, thixocasting, rheocasting or derivatives of these processes).
  • the alloy according to the invention is preferably used for cast parts subject to high thermal loads.
  • These are, for example, cylinder heads, crankcases, components for air conditioning systems, aircraft structural components, in particular for Supersonic aircraft, engine segments, pylons, which are highly stressed connecting components between engine and wing, and the like.

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Abstract

Aluminium-Gusslegierung, zumindest bestehend aus 1,0 - 8,0 Gew.-% Magnesium (Mg), > 1,0 - 4,0 Gew.-% Silizium (Si), 0,01 - < 0,5 Gew.-% Scandium (Sc), 0,005 - 0,2 Gew.-% Titan (Ti), 0 - 0,5 Gew.-% eines Elementes oder einer Elementengruppe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Terbium (Tb), Niob (Nb), Gadolinium (Gd), Erbium (Er) und Vanadium (V), 0 - 0,8 Gew.-% Mangan (Mn), 0 - 0,3 Gew.-% Chrom (Cr), 0 - 1,0 Gew.-% Kupfer (Cu), 0 - 0,1 Gew.-% Zink (Zn), 0 - 0,6 Gew.­ % Eisen (Fe), 0 - 0,004 Gew.-% Beryllium (Be) sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,1 Gew.-% und insgesamt max. 0,5 Gew.-%.

Description

AL -MG- SI -ALUMINIUM- GUSSLEGIERUNG MIT SCANDIUM
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminium-Gusslegierung, die insbesondere für thermisch hochbelastete Gussteile geeignet ist. Durch Verwendung der erfindungsgemäßen Aluminium-Gusslegierung wird die Leistungsfähigkeit daraus hergestellter Gussteile erheblich verbessert, wobei deren thermische Stabilität bis zu Temperaturen von 400 °C gewährleistet ist.
Mit modernen Gießverfahren, wie beispielsweise dem Druckguss-, Sandguss-, Kokillengussverfahren oder dem Thixo- und Rheocasting, die technisch sehr weit entwickelt sind, können heute hochbelastbare Gussteile aus Aluminium- Legierungen hergestellt werden.
Mittels Druckguss werden zum Beispiel Gussteile mit hohen Qualitätsansprüchen hergestellt. Die Qualität eines Druckgussteils hängt aber nicht nur von der
Maschineneinstellung und dem gewählten Verfahren ab, sondern in hohem Maße auch von der chemischen Zusammensetzung und der Gefügestruktur der verwendeten Gusslegierung. Diese beiden letztgenannten Parameter beeinflussen bekanntermaßen die Gießbarkeit, das Speisungsverhalten, die mechanischen Eigenschaften und, im Druckguss ganz besonders wichtig, die Lebensdauer der Gießwerkzeuge.
Somit steht in der Automobil- und Flugzeugkonstruktionstechnik die Legierungsentwicklung an sich wieder stärker im Vordergrund, um durch spezielle Legierungszusammensetzungen die gewünschten Eigenschaften der Bauteile zu erzielen.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von Zusammensetzungen für Aluminium-Gusslegierungen bekannt.
EP 0 687 742 A1 offenbart zum Beispiel eine Druckgusslegierung auf Aluminium- Silizium-Basis, die 9,5 - 11,5 Gew.-% Silizium, 0,1 - 0,5 Gew.-% Magnesium, 0,5 - 0,8 Gew.-% Mangan , max. 0,15 Gew.-% Eisen, max. 0,03 Gew.-% Kupfer, max. 0,10 Zink, max. 0,15 Gew.-% Titan sowie als Rest Aluminium und Dauerveredelung 30 bis 300 ppm Strontium enthält.
Aus EP 0 792 380 A1 ist eine Aluminiumlegierung bekannt, die aus 5,4 - 5,8 Gew.-% Magnesium, 1 ,8 - 2,5 Gew.-% Silizium, 0,5 - 0,9 Gew.-% Mangan, max. 0,2 Gew.-% Titan, max. 0,15 Gew.-% Eisen, sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.- % besteht, die insbesondere für das Thixocasting oder Thixoschmieden geeignet ist.
Ferner ist aus EP 1 229 141 A1 eine Aluminium-Gusslegierung bekannt, die vor allem für den Kokillenguss und den Sandguss geeignet ist, und zumindest 0,05 - 0,5 Gew.-% Mangan, 0,2 - 1 ,0 Gew.-% Magnesium, 4 - 7 Gew.-% Zink und 0,15 - 0,45 Gew.-% Chrom enthält.
Diese Aluminium-Gusslegierungen sind jedoch hauptsächlich für sicherheitsrelevante Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Lenker, Träger, Rahmenteile und Räder, konzipiert, bei denen primär eine hohe Bruchdehnung im Vordergrund steht. Für thermische Belastungen bis zu 400 °C sind diese Legierungen nicht geeignet. Die klassischen Aluminium-Gusswerkstoffe sind nur bis ca. 200 °C thermisch stabil.
Zudem ist aus dem Artikel von Feikus et. al „Optimierung einer AISi-Gußlegierung und anwendungsorientierte Entwicklung der Gießtechnik zu Herstellung hochbelastbarer Motorblöcke", Giesserei 88 (2001 ), Nr. 11 , Seite 25 - 32, eine speziell für Motorgussteile konzipierte AISi7MgCuNiFe-Legierung bekannt.
Daneben sind aus der WO A-96/10099 Aluminium-Legierungen mit Scandium zur Erhöhung der Festigkeit bekannt. Die hohe Festigkeit ergibt sich durch eine Warmauslagerung nach Lösungsglühen und Abschrecken mit Wasser. Von
Nachteil ist, dass es beim Lösungsglühen in der Regel zu einem Verzug kommt, der durch zusätzliche Maßnahmen bzw. Arbeitsschritte (Nachmessen und Richten) korrigiert werden muss. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aluminium- Gusslegierung zu entwickeln, die für thermisch hochbelastete Gussteile geeignet ist. Die Warmfestigkeit, d.h. die thermische Stabilität der mechanischen Eigenschaften, soll dabei bis zu Temperaturen von 400 °C gewährleistet sein. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße Aluminium-Gusslegierung eine gute Schweißbarkeit aufweisen und sich mit einer Vielzahl von Verfahren bei guter Gießbarkeit herstellen lassen.
Die Aufgabe wird durch eine Aluminium-Gusslegierung gelöst, die zumindest aus
1 ,0 - 8,0 Gew.-% Magnesium (Mg),
> 1 ,0 - 4,0 Gew.-% Silizium (Si),
0,01 - < 0,5 Gew.-% Scandium (Sc),
0,005 - 0,2 Gew.-% Titan (Ti), 0 - 0,5 Gew.-% eines Elementes oder einer Elementengruppe ausgewählt aus der
Gruppe bestehend aus Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Terbium (Tb),
Niob (Nb), Gadolinium (Gd), Erbium (Er) und Vanadium (V),
0 - 0,8 Gew.-% Mangan (Mn),
0 - 0,3 Gew.-% Chrom (Cr), 0 - 1 ,0 Gew.-% Kupfer (Cu),
0 - 0,1 Gew.-% Zink (Zn),
0 - 0,6 Gew.-% Eisen (Fe),
0 - 0,004 Gew.-% Beryllium (Be),
Rest Aluminium und weiteren Verunreinigungen mit einzeln max. 0,1 Gew.-% und insgesamt max. 0,5 Gew.-% besteht.
Der Magnesiumgehalt liegt dabei bevorzugt zwischen 2 - 7 Gew.-% und besonders bevorzugt zwischen 3 - 6 Gew.-%.
Vorteilhaft ist ein Siliziumgehalt von 1 ,1 - 4,0 Gew.-%. Besonders vorteilhaft ist ein Siliziumgehalt von 1,1 - 3,0 Gew.-%. Wesentlich ist die Zugabe von Scandium. Das Scandium bewirkt neben einer intensiven Teilchenhärtung durch die thermisch sehr stabilen AI3Sc-Teilchen eine Kornfeinung des Gussgefüges und eine Rekristallisationshemmung. Gussteile, die aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellt sind, haben somit den Vorteil, dass ihre mechanischen Eigenschaften bis zu Temperaturen von 400 °C stabil sind. Die erfindungsgemäße Gusslegierung ist damit vor allem für thermisch hochbelastete Gussteile prädestiniert. Ferner ist es von Vorteil, dass durch die hohe Warmfestigkeit ein Ersatz von Aluminiumwerkstoffen durch Werkstoffe mit hoher Dichte nicht erforderlich ist. Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen Legierung wird das Bauteilgewicht bei erhöhter Leitungsfähigkeit garantiert bzw. kann sogar durch dünnwandigere Gussteile reduziert werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch den Scandiumanteil auch die Schweißbarkeit verbessert wird. Bevorzugt liegt der Scandiumgehalt zwischen 0,01 - 0,45 Gew.-%. Besonders bevorzugt ist ein Scandiumgehalt von 0,015 - 0,4 Gew.-%.
Wie Scandium bewirkt auch Titan eine Kornfeinung und trägt damit in entsprechender weise zur Verbesserung der Warmfestigkeit bei. Daneben senkt Titan die elektrische Leitfähigkeit. Vorzugsweise beträgt der Titangehalt 0,01 - 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,05 - 0,15 Gew.-%.
Da Zirkon die gleiche Wirkung wie Scandium bzw. Titan hat, ist es ferner vorteilhaft, der Legierung zusätzlich Zirkon beizumengen. Der Effekt des Scandiums, eine intensive Teilchenhärtung durch die thermisch sehr stabilen AI3Sc-Teilchen, eine Kornfeinung des Gefüges sowie eine Rekristallisationshemmung zu bewirken, wird durch die kombinierte Wirkung von Scandium und Zirkon noch erhöht. Zirkon substituiert Sc-Atome und bildet Teilchen der ternären Verbindung AI3(Sc1-x, Zrx), die weniger zur Koagulation bei höheren Temperaturen neigen als dieAlaSc-Teilchen. Somit wird durch die Bestandteile Scandium und Zirkon die Warmfestigkeit der Legierung im Vergleich zu einer Legierung, die nur Scandium enthält, nochmals verbessert. Damit ist eine weitere Optimierung in Richtung geringerer Scandiumgehalte zur Kostensenkung möglich. Der Zirkongehalt bevorzugter Ausführungsformen liegt zwischen 0,01 - 0,3 Gew.-% bzw. 0,05 - 0,1 Gew.-% . Neben der Erhöhung der Warmfestigkeit durch die Zugabe von Scandium, Titan und gegebenenfalls Zirkon, besteht zudem der Vorteil, dass die erfindungsgemäße Aluminium-Gusslegierung bereits im Gusszustand die warmfestigkeitssteigemde Wirkung aufweist. Durch eine nachfolgende
Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von typischerweise 250 - 400 °C werden die mechanischen Eigenschaften mit entsprechender Warmfestigkeit abschließend erzielt. Durch geeignete Wahl von Temperatur und Zeitdauer, wobei die Zeitdauer bekanntlich von der Bauteilgröße bzw. -dicke abhängt, kann die Warmfestigkeit entsprechend variiert werden. Ein Lösungsglühen mit anschließender Warmauslagerung ist nicht erforderlich, was insofern vorteilhaft ist, da somit das Problem des Verzuges, was in der Regel ein Nachmessen und Richten nach sich zieht und bekanntlich bei den klassischen, lösungsgeglühten und warmausgelagerten Aluminium-Gusslegierungen auftritt, keine Rolle spielt.
Zusätzlich zum Zirkon oder auch anstelle des Zirkons können der Legierung Hafnium, Molybdän, Terbium, Niob, Gadolinium, Erbium und/oder Vanadium beigefügt werden. Gemäß einer alternativen Ausführungsform enthält die Legierung ein oder mehrere Elemente ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkon, Hafnium, Molybdän, Terbium, Niob, Gadolinium, Erbium und Vanadium. Dabei beträgt die Summe der ausgewählten Elemente maximal 0,5 Gew.-%, vorzugsweise jedoch 0,01 - 0,3 Gew.-%.
Besonders vorteilhaft ist jedoch, wenn die Legierung mindestens 0,001 Gew.-%, bevorzugt mindestens 0,008 Gew.-% Vanadium enthält. Vanadium wirkt als Kornfeiner ähnlich wie Titan. Zudem verbessert es die Schweißbarkeit und verringert die Verkrätzungsneigung der Schmelze.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform enthält die Legierung mindestens 0,001 Gew.-% Gadolinium.
Für die weiteren optionalen Legierungsbestandteile Chrom, Kupfer und Zink werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt: Chrom: 0,001 - 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,0015 - 0,2 Gew.-% Kupfer: 0,001 - 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,5 - 1 ,0 Gew.-% Zink: 0,001 - 0,1 Gew.-%, insbesondere 0,001 - 0,05 Gew.-%.
Durch die Zugabe von Eisen und/oder Mangan wird bekanntlich die Klebewirkung vermindert. Bevorzugt wird ein Mangangehalt von maximal 0,01 Gew.-% und ein Eisengehalt von 0,05 -0,6 Gew.-%, insbesondere 0,05 - 0,2 Gew.-% verwendet. Der technische Eisengehalt liegt typischerweise bei mindestens 0,12 Gew.-%. Allerdings ist die Zugabe von Eisen und/oder Mangan beim Kokillen- und Sandguss nicht unbedingt erforderlich.
Beim Druckgussverfahren ist das anders. Hier ist eine Zugabe von Eisen und/oder Mangan erforderlich, um die Klebewirkung des Druckgussteils in der Form zu vermindern. Bei Aluminium-Gusslegierung für den Druckguss liegt der
Mangangehalt bevorzugt zwischen 0,4 - 0,8 Gew.-%. Zudem sollte die Summe aus Mangan- und Eisengehalt mindestens 0,8 Gew.-% betragen. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, wenn die Druckgusslegierung entweder nur Eisen oder nur Mangan enthält.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemäßen Aluminium- Gusslegierung sowie deren Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Beispiele:
Aus drei verschiedenen Legierungen wurden mittels der Diezstabkokille Probenstäbe zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften gegossen. Die erste Legierung enthält neben Scandium und Titan auch Zirkon. Die zweite Legierung weist einen höheren Scandiumgehalt als die erste Legierung auf, enthält aber kein Zirkon. Die dritte Legierung ist eine Variante mit höherem Magnesium- und Siliziumgehalt. Zudem wurde eine vierte Legierung mittels Druckguß hergestellt, die auch Kupfer enthält. Diese Legierung wurde in einem 200 kg-elektrobeheizten Tiegelofen erschmolzen. Die Gießtemperatur betrug 700 °C. Es wurde auf einer 4001 (Zughaltekraft) Druckgussmaschine gegossen. Als Probenform diente eine Platte mit den Massen 220 x 60 x 3 mm. Aus den Platten wurden Probestäbe für Zugversuche entnommen. Die Probestäbe waren nur auf den Schmalseiten bearbeitet.
Zu Vergleichszwecken wurde ferner eine Referenzlegierung (Legierung 5), die weder Scandium noch Zirkon enthält, verwendet. Diese Legierung wurde ebenfalls mittels Diezstabkokille gegossen. Die jeweiligen Legierungszusammensetzungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.
Tabelle 1: Legierungszusammensetzungen
Figure imgf000008_0001
Die mechanischen Eigenschaften der verschiedenen mittels Diezstabkokille gegossenen erfindungsgemäßen Legierungen wurden im Gusszustand, nach 3- stündiger Wärmebehandlung bei 300 °C und anschließend unter verschieden thermischen Belastungen (200 °C/500h, 250 °C/500h, 350 °C/500h und 400 αC/500h), zum Ermitteln der thermischen Stabilität, gemessen. Die mechanischen Eigenschaften der Legierung 4 (Druckgusslegierung) wurden lediglich im Gusszustand und nach 1 -stündiger, 300 °C - Wärmebehandlung gemessen. Die Referenzlegierung wurde einem herkömmlichen Hochtemperaturglühen unterzogen. Die Referenzlegierung wurde bei 540 °C für 12h lösungsgeglüht, anschließend mit Wasser abgeschreckt und dann bei 165 °C für 6h warmausgelagert. Die Messergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst, wobei Rp0.2 die Dehngrenze in MPa, Rm die Zugfestigkeit in MPa und A5 die Bruchdehnung in % ist.
Die Versuche zeigen, dass die erfindungsgemäße Legierung bereits im Gusszustand gute mechanische Eigenschaften aufweist. Durch eine Wärmebehandlung (hier 300 °C für 3h bzw. 300 °C für 1 h) werden die mechanischen Eigenschaften weiter erhöht, was auf Teilchenhärtung durch Entmischung aus dem übersättigten Mischkristall bei „Warmauslagerung", also Bildung von Sekundärausscheidungen AI3(Scι-x, Zrx) zurückzuführen ist. Außerdem ist die thermische Stabilität der Legierungen 1 - 3 bis zu Temperaturen von 400 °C gut zu erkennen.
Insbesondere die Werte für die Dehngrenze und die Zugfestigkeit sind bis zu Temperaturen von 400 °C recht hoch. Vergleicht man die Messwerte der Referenzlegierung bei 250 °C mit den entsprechenden Werten der erfindungsgemäßen Legierung, erkennt man deutlich die Beibehaltung der sehr guten mechanischen Eigenschaften bei der erfindungsgemäßen Legierung. Im Gegensatz dazu zeigt die Referenzlegierung bei 250 °C bereits eine deutliche Reduzierung der Dehngrenze sowie der Zugfestigkeit.
Neben der Warmfestigkeit bis zu Temperaturen von 400 °C, weist die erfindungsgemäße Legierung eine sehr gute Schweißbarkeit auf. Sie hat ein ausgezeichnetes Gießverhalten und ist mit den üblichen Gussverfahren (Druckguss, Sandguss, Kokillenguss, Thixocasting, Rheocasting oder Derivate dieser Verfahren) herstellbar.
Bevorzugt wird die erfindungsgemäße Legierung für thermisch hochbelastete Gussteile verwendet. Dies sind beispielsweise Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, Komponenten für Klimaanlagen, Flugzeugstrukturbauteile, insbesondere für Überschallflugzeuge, Triebwerksegmente, Pylone, welche hochbelastete Verbindungsbauteile zwischen Triebwerk und Flügel sind, und dergleichen.
Tabelle 2: Mechanische Eigenschaften
Figure imgf000010_0001

Claims

Patentansprüche
1. Aluminium-Gusslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung zumindest aus 1 ,0 - 8,0 Gew.-% Magnesium (Mg), > 1 ,0 - 4,0 Gew.-% Silizium (Si), 0,01 - < 0,5 Gew.-% Scandium (Sc), 0,005 - 0,2 Gew.-% Titan (Ti), 0 - 0,5 Gew.-% eines Elementes oder einer Elementengruppe ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkon (Zr), Hafnium (Hf), Molybdän (Mo), Terbium (Tb), Niob (Nb), Gadolinium (Gd), Erbium (Er) und Vanadium (V), 0 - 0,8 Gew.-% Mangan (Mn), 0 - 0,3 Gew.-% Chrom (Cr), 0 - 1 ,0 Gew.-% Kupfer (Cu), 0 - 0,1 Gew.-% Zink (Zn), 0 - 0,6 Gew.-% Eisen (Fe), 0 - 0,004 Gew.-% Beryllium (Be) sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,1 Gew.- % und insgesamt max. 0,5 Gew.-%.
2. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2,0 - 7,0 Gew.-%, insbesondere 3 - 6 Gew.-% Magnesium (Mg) enthält.
3. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 1 ,1 - 4,0 Gew.-%, insbesondere 1 ,1 - 3,0 Gew.-% Silizium (Si) enthält.
4. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,01 - 0,45 Gew.-%, insbesondere 0,015 - 0,4 Gew.-% Scandium (Sc) enthält.
5. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,01 - 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,05 - 0,15 Gew.-% Titan (Ti) enthält.
6. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,01 - 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,05 - 0,1 Gew.-% Zirkon (Zr) enthält.
7. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mindestens 0,001 Gew.-%, insbesondere mindestens 0,008 Gew.-% Vanadium (V) enthält.
8. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mindestens 0,001 Gew.-% Gadolinium (Gd) enthält.
9. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 - 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,0015 - 0,2 Gew.-% Chrom (Cr) enthält.
10. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 - 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,5 - 1 ,0 Gew.-% Kupfer (Cu) enthält.
11. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,001 - 0,1 Gew.-%, vorzugsweise 0,001 - 0,05 Gew.-% Zink (Zn) enthält.
12. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,05 - 0,6 Gew.-%, vorzugsweise 0,05 - 0,2 Gew.-% Eisen (Fe) enthält
13. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0,15 Gew.-% oder 0,4 - 0,8 Gew.-% Mangan (Mn) enthält.
14. Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zum Herstellen von thermisch hochbelasteten Gussteilen, wobei die Gussteile nach dem Gießen bei einer Temperatur von 250 - 400°C wärmebehandelt werden.
15. Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 - 13 vorangegangenen Ansprüche zur Herstellung von warmfesten Gussteilen mittels Druckguss, Sandguß, Kokillenguß, Thixocasting, Rheocasting oder Derivate dieser Verfahren.
16. Verwendung der Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 - 13 für Zylinderköpfe, Kurbelgehäuse, warmfeste Sicherheitsbauteile, Klimaanlagenkomponenten, Flugzeugstrukturbauteile, insbesondere bei Überschallflugzeugen, Triebwerksegmente oder Pylone.
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