AL/SI-GUSSLEGIERUNG MIT ZN SOWIE MG UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES GUSSTEILS AUS EINER SOLCHEN LEGIERUNGAL / SI CAST ALLOY WITH ZN AND MG AND METHOD FOR PRODUCING A CAST PART FROM SUCH AN ALLOY
Die Erfindung betrifft eine Al/Si-Gusslegierung und ein Verfahren zur Herstellung eines Gussteils aus einer solchen Legierung.The invention relates to an Al / Si cast alloy and a method for producing a cast part from such an alloy.
Mit den bekannten Al/Si-Legierungen, die für die Herstellung von Gussteilen verwendet werden, und die bei der Herstellung der Gussteile angewendeten Wärmebehandlungen ist es vielfach nur unter Schwierigkeiten möglich, eine optimale Kombination der mechanischen Eigenschaften bei gleichzeitig minimierten Eigenspannungen und Verwerfungen nach der jeweiligen Wärmebehandlung sicher zu gewährleisten. So können Gussstücke, die beispielsweise aus der unter der Bezeichnung "226S" bekannten Al-Si-Cu-Mg- Legierung gegossen wurden, zwar ohne die Gefahr des Zurückbleibens größerer Eigenspannungen an Luft abgeschreckt und zur Verbesserung ihrer Verarbeitbarkeit einer künstlichen Alterung unterzogen werden. Es zeigt sich jedoch, dass die aus der 226S-Legierung erzeugten Gussteile nach der Wärmebehandlung die hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften, wie Zugfestigkeit, Dehngrenze und Dehnung, bei vielen Anwendungen gestellten Anforderungen nicht erfüllen. Andere Al/Si-Legierungen gewährleisten zwar die erforderlichen mechanischen Eigenschaften. Ihre Verwendung zieht jedoch das Vorhandensein hoher Eigenspannungen und die Gefahr der
Bildung von Gefügeverwerfungen im fertigen Gussstück nach sich .With the known Al / Si alloys, which are used for the production of castings, and the heat treatments used in the production of the castings, it is often only possible with difficulty to achieve an optimal combination of the mechanical properties with at the same time minimized internal stresses and warpage according to the respective To ensure heat treatment safely. Castings that have been cast, for example, from the Al-Si-Cu-Mg alloy known under the name “226S” can be quenched without the risk of residual residual internal stresses in air and can be subjected to artificial aging to improve their processability. It turns out, however, that the cast parts made from the 226S alloy after heat treatment do not meet the requirements for their mechanical properties, such as tensile strength, yield strength and elongation, in many applications. Other Al / Si alloys guarantee the required mechanical properties. However, their use draws the presence of high residual stresses and the risk of Formation of structural distortions in the finished casting itself.
Versuche, diese Nachteile durch eine Änderung der bekannten Legierungen oder durch Zugabe anderer oder weiterer Legierungselemente zu beseitigen, sind in der Regel erfolglos geblieben. So weist eine unter der Bezeichnung "Autodur" (AlSilOZnδ) bekannte Legierung neben Magnesium zwar zusätzlich hohe Anteile an Zink von ca. 10 Gew.-% auf. Diese ermöglichen es, ein aus der Autodur-Legierung erzeugtes Gussstück ohne Wärmebehandlung weiterzuverarbeiten . Es zeigt sich jedoch, dass die im Gussstück erhaltene MikroStruktur und die mechanischen Eigenschaften der bekannten Legierung unstabil sind. Hinzukommt eine erhöhte Korrosions- und Abschreckempfindlichkeit des bekannten Werkstoffs.Attempts to overcome these disadvantages by changing the known alloys or by adding other or further alloying elements have as a rule been unsuccessful. Thus, an alloy known under the name "Autodur" (AlSilOZnδ) has, in addition to magnesium, additionally high proportions of zinc of approximately 10% by weight. These make it possible to process a casting made from the Autodur alloy without heat treatment. However, it turns out that the microstructure obtained in the casting and the mechanical properties of the known alloy are unstable. In addition, there is an increased sensitivity to corrosion and quenching of the known material.
Die Aufgabe der Erfindung bestand darin, eine Al/Si- Gusslegierung zu schaffen, bei der gute mechanische Eigenschaften mit einer geringen Empfindlichkeit gegen die Entstehung von bleibenden Eigenspannungen und Verwerfungen seiner Gefügestruktur kombiniert sind. Darüber hinaus soll ein Verfahren angegeben werden, mit dem sich sicher und zielgerichtet Gussteile mit entsprechend optimierter Eigenschaftskombination erzeugen lassen.The object of the invention was to create an Al / Si cast alloy in which good mechanical properties are combined with a low sensitivity to the development of residual internal stresses and warpage of its microstructure. In addition, a method is to be specified with which castings can be produced safely and in a targeted manner with a correspondingly optimized combination of properties.
In Bezug auf den Werkstoff wird diese Aufgabe durch eine Al/Si-Gusslegierung gelöst, die neben Aluminium, Silizium und herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen (in Gew.-%) 4 - 5 % Zn, 0,3 - 0,5 % Mg, 0,2 - 0,6 % Fe, 0,15 - 0,45 % Mn sowie wahlweise 0,1 - 0,5 % Cu enthalten. Die Silizium-Gehalte liegen dabei üblicherweise im Bereich von 5 - 18 Gew.-%.
Die Erfindung geht von einer AI-Legierung aus, die Gehalte an Silizium aufweist, welche im für eine gute Vergießbarkeit üblichen Umfang liegen. Dieser Grundlegierung sind Gehalte an Magnesium und Zink zugegeben, um eine auf dem Ausscheidungssystem Al-Mg-Zn basierende Ausscheidungshärtung zu bewirken. Dabei gewährleisten die erfindungsgemäß vorgesehenen Gehalte an Zn und Mg einen flexibel anpassbaren Startpunkt für die Einstellung der Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung .With regard to the material, this task is solved by an Al / Si cast alloy, which in addition to aluminum, silicon and impurities (in% by weight) that are unavoidable in production (4 - 5% Zn, 0.3 - 0.5% Mg, 0 , 2 - 0.6% Fe, 0.15 - 0.45% Mn and optionally 0.1 - 0.5% Cu. The silicon contents are usually in the range from 5 to 18% by weight. The invention is based on an Al alloy which has silicon contents which are in the usual range for good castability. Magnesium and zinc contents are added to this basic alloy in order to effect precipitation hardening based on the Al-Mg-Zn precipitation system. The Zn and Mg contents provided according to the invention ensure a flexibly adaptable starting point for setting the properties of the alloy according to the invention.
Die Si-Gehalte der erfindungsgemäßen Legierungen können in weiten Grenzen variiert werden, um einerseits die Vergießbarkeit der Legierung zu optimieren oder andererseits verbesserte Verschleißeigenschaften zu erreichen. Die Si-Gehalte werden dabei bevorzugt im Bereich von 5 - 18 Gew.-% variiert.The Si contents of the alloys according to the invention can be varied within wide limits, on the one hand to optimize the castability of the alloy or on the other hand to achieve improved wear properties. The Si contents are preferably varied in the range from 5 to 18% by weight.
Der Gehalt an Mg ist auf höchstens 0,5 Gew.-% beschränkt worden, da bei höheren Mg-Gehalten die Entstehung von Mg- Fe- 'pi ' -Phasen in Primär- oder Sekundäraluminium nicht ausgeschlossen werden kann. Diese Phasen sind im weiteren Prozess schwer aufzulösen und wirken sich negativ auf die Dehnbarkeit des Werkstoffs aus. Daher ist der Bereich der Gehalte an Mg bei einer erfindungsgemäßen Legierung bevorzugt auf 0,3 - 0,4 Gew.- % Magnesium beschränkt.The Mg content has been limited to a maximum of 0.5% by weight, since the formation of Mg-Fe 'pi' phases in primary or secondary aluminum cannot be ruled out at higher Mg contents. These phases are difficult to resolve in the further process and have a negative impact on the ductility of the material. The range of Mg contents in an alloy according to the invention is therefore preferably limited to 0.3-0.4% by weight of magnesium.
Die Gehalte an Zn sind erfindungsgemäß auf 4 - 5 Gew.-% beschränkt, um einerseits die festigkeitssteigernde Wirkung von Zn zu nutzen und andererseits zu vermeiden, dass es zu einem Anstieg der Abschreckempfindlichkeit und der Bildung von Rissen infolge von Spannungskorrosion kommt.
Die erfindungsgemäße Legierung kann erforderlichenfalls bis zu der vorgegebenen Obergrenze Cu enthalten, um die Warmfestigkeit der Legierung zu verbessern. Diese Verbesserung tritt bereits bei Gehalten von mindestens 0,1 Gew.-% Cu ein. Besonders wirksam lässt sich der positive Einfluss von Cu jedoch dann nutzen, wenn der Cu- Gehalt mindestens 0,3 Gew.-% beträgt.According to the invention, the Zn contents are limited to 4-5% by weight, on the one hand to use the strength-increasing effect of Zn and on the other hand to avoid an increase in the sensitivity to quenching and the formation of cracks as a result of stress corrosion. If necessary, the alloy according to the invention can contain Cu up to the predetermined upper limit in order to improve the heat resistance of the alloy. This improvement occurs at a content of at least 0.1% by weight of Cu. However, the positive influence of Cu can be used particularly effectively if the Cu content is at least 0.3% by weight.
Fe kann bis zu der angegebenen Obergrenze in erfindungsgemäßen Al/Si-Zusammensetzungen als Begleitbestandteil des Primär- oder Sekundäraluminiums vorhanden sein, aus dem die Legierung erzeugt worden ist. Eine erfindungsgemäße Legierung verhält sich insoweit wie jede andere Fe-enthaltende Al/Si-Legierung. Allzu hohe Fe- Gehalte führen allerdings zu einer Abnahme der Dehnfähigkeit und können die Wirksamkeit der Wärmebehandlung durch Bildung von "pi"-Phasen (FeMg3Si6Al8) beeinträchtigen .Fe can be present up to the specified upper limit in Al / Si compositions according to the invention as a component of the primary or secondary aluminum from which the alloy was produced. To this extent, an alloy according to the invention behaves like any other Fe-containing Al / Si alloy. However, excessively high Fe contents lead to a decrease in the elasticity and can impair the effectiveness of the heat treatment by forming "pi" phases (FeMg 3 Si6Al 8 ).
In Bezug auf das Verfahren wird die oben angegebene Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen von Leichtmetall- Gussteilen gelöst, bei dem folgende Arbeitsschritte durchlaufen werden:With regard to the method, the above-mentioned object is achieved by a method for producing light metal castings, in which the following work steps are carried out:
a) Vergießen einer erfindungsgemäß zusammengesetzten Al/Si- Schmelze zu einem Gussteil;a) casting an Al / Si melt composed according to the invention into a casting;
b) Lösungsglühung mit anschließender gesteuerter Abkühlung des Gussteils;b) solution annealing followed by controlled cooling of the casting;
c) Durchführen einer Alterungsbehandlung des lösungsgeglühten und abgekühlten Gussteils, umfassend c.l) ein Halten des Gussteils bei Raumtemperatur für ein bis fünf Tage (Kaltauslagerung) ,
c.2) anschließendes kontrolliertes Aufheizen des Gussteils auf eine 150 - 240 °C betragende Alterungstemperatur mit einer höchstens 1200 °C/h betragenden Heizrate, c.3) Halten des Gussteils bei Alterungstemperatur für mindestens 2 Stunden, c.4) Abkühlen des alterungsbehandelten Gussteils.c) carrying out an aging treatment of the solution-annealed and cooled cast part, comprising cl) keeping the cast part at room temperature for one to five days (cold aging), c.2) subsequent controlled heating of the casting to an aging temperature of 150-240 ° C with a heating rate of at most 1200 ° C / h, c.3) holding the casting at aging temperature for at least 2 hours, c.4) cooling of the aging treated casting.
Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung lassen sich besonders gut nutzen, wenn sie im T6 oder T7 Zustand eingesetzt wird. Dazu wird das Gussteil nach dem Abgießen zunächst einer Lösungsglühung unterzogen. Die Glühtemperatur liegt bevorzugt im Bereich von 430 °C bis 540 °C. Im tieferen Abschnitt dieses Bereichs liegende Glühtemperaturen erweisen sich in der überwiegenden Zahl solcher Anwendungsfälle als günstig, bei denen Mg und Zn homogenisiert werden sollen. Diese Legierungselemente werden insbesondere bei Temperaturen von 430 °C - 450 °C gelöst. Sollen dagegen abgerundete Silizium-Phasen in dem Werkstück erzeugt werden, so ist es günstig, im höheren, oberhalb von 450 °C liegenden Temperaturabschnitt zu glühen. Bei über 480 °C liegenden Temperaturen werden die aushärtenden Elemente in Lösung gebracht werden, so dass bei einer Erwärmung auf diese Temperaturen Festigkeitssteigerungen erzielt werden können.The properties of the alloy according to the invention can be used particularly well if it is used in the T6 or T7 state. For this purpose, the cast part is first subjected to solution annealing after casting. The annealing temperature is preferably in the range from 430 ° C to 540 ° C. Annealing temperatures in the lower section of this range prove to be favorable in the majority of such applications in which Mg and Zn are to be homogenized. These alloying elements are dissolved in particular at temperatures of 430 ° C - 450 ° C. If, on the other hand, rounded silicon phases are to be produced in the workpiece, it is advantageous to anneal in the higher temperature section above 450 ° C. At temperatures above 480 ° C, the hardening elements will be brought into solution so that increases in strength can be achieved when heated to these temperatures.
Nach dem Lösungsglühen wird das Gussteil in an sich bekannter Weise gesteuert abgekühlt. Dazu kann es an ruhender Luft kontrolliert abgekühlt oder beschleunigt durch gezielte Aufgabe von Luft oder Wasser abgeschreckt werden. Das erhaltene Werkstück weist eine stabile
MikroStruktur und ebenso stabile mechanische Eigenschaften auf.After solution annealing, the cast part is cooled in a manner known per se. To do this, it can be cooled in quiescent air in a controlled manner or quenched by targeted application of air or water. The workpiece obtained has a stable Micro structure and equally stable mechanical properties.
An die gesteuerte Abkühlung schließt sich zunächst eine natürliche Alterung an. Dabei wird das Gussteil bei Raumtemperatur für eine ausreichende Zeitdauer, die bevorzugt 1 bis 5 Tage beträgt, gehalten. Anschließend wird das Werkstück auf die Alterungstemperatur aufgeheizt, auf der es für mindestens 2 Stunden gehalten wird.Controlled cooling is followed by natural aging. The cast part is kept at room temperature for a sufficient period of time, which is preferably 1 to 5 days. The workpiece is then heated to the aging temperature at which it is held for at least 2 hours.
Die Alterungstemperatur beträgt vorteilhafterweise 160 °C bis 220 °C. Es hat sich herausgestellt, dass sich bei Einhaltung dieser Temperaturen besonders günstige Eigenschaften einstellen. Dabei haben Versuche ergeben, dass sich insbesondere bei der Erzeugung von Bauteilen für Verbrennungsmotoren gute Eigenschaftsprofile einstellen, wenn mit hohen Alterungstemperatύren gearbeitet wird.The aging temperature is advantageously 160 ° C to 220 ° C. It has been found that particularly favorable properties are obtained when these temperatures are maintained. Tests have shown that, particularly when producing components for internal combustion engines, good property profiles are obtained when working with high aging temperatures.
Die Erwärmung erfolgt dabei mit einer 400 °C/h bis 1200 °C/h, bevorzugt ca. 800 °C/h betragenden Heizrate.The heating takes place at a heating rate of 400 ° C / h to 1200 ° C / h, preferably approximately 800 ° C / h.
Die Erwärmung auf die Alterungstemperatur kann bei nicht kontinuierlicher Temperaturzunahme erfolgen. Sie umfasst in diesem Fall bevorzugt mindestens einen Halteabschnitt, in dem das Werkstück für eine bestimmte Haltezeit auf einer 90 °C - 110 °C betragenden Haltetemperatur gehalten wird. Im genannten Temperaturbereich um 100 °C kommt es zur vermehrten Ausscheidung von GPII-Phasen. Diese unterstützen die Bildung von η-Phasen, welche die Steigerung der Festigkeit bewirken.The heating to the aging temperature can take place if the temperature does not increase continuously. In this case, it preferably comprises at least one holding section in which the workpiece is held at a holding temperature of 90 ° C.-110 ° C. for a specific holding time. In the above-mentioned temperature range around 100 ° C there is an increased excretion of GPII phases. These support the formation of η phases, which increase the strength.
Mit einer solchen erfindungsgemäßen Vorgehensweise lassen sich Gussteile erzeugen, die bei einer mindestens 140 MPa betragenden Dehngrenze, bei einer mindestens 250 MPa
betragenden Zugfestigkeit eine mindestens 5 % bis zu 12 % und mehr betragende Dehnung besitzen. Gleichzeitig erweisen sich die erfindungsgemäß erzeugten Gussteile als unempfindlich gegen die Bildung von Eigenspannungen und die Entstehung von Verwerfungen im Gefüge in Folge der Wärmebehandlung .With such a procedure according to the invention, castings can be produced which have an elastic limit of at least 140 MPa and at least 250 MPa tensile strength have at least 5% up to 12% and more elongation. At the same time, the cast parts produced according to the invention prove to be insensitive to the formation of residual stresses and the development of distortions in the structure as a result of the heat treatment.
Dies wird nach heutigem Kenntnisstand dadurch erreicht, dass durch die erfindungsgemäße Zusammensetzung der Legierung und durch den erfindungsgemäßen Herstellprozess die Bildung von GP-Zonen im Werkstück bei Raumtemperatur bzw. bei der erhöhten Haltetemperatur einsetzt. Anschließend kommt es dann während des Haltens auf der Alterungstemperatur zur Bildung von n' -Ausscheidungen (MgZn2) aus den GP-Zonen, die sich dann zu n-Ausscheidungen umbilden.According to current knowledge, this is achieved in that the composition of the alloy according to the invention and the manufacturing process according to the invention result in the formation of GP zones in the workpiece at room temperature or at the elevated holding temperature. Subsequently, during the holding at the aging temperature, n 'precipitates (MgZn 2 ) are formed from the GP zones, which then form n precipitates.
Zum Nachweis der mit der Erfindung erzielten Effekte wurde eine 7 Gew.-% Si, 0,3 Gew.-% Mg, 4 Gew.-% Zn, 0,12 Gew.-% Fe, 0,5 Gew.-% Cu und als Rest Aluminium sowie unvermeidbare Verunreinigungen enthaltende, erfindungsgemäße Al/Si-Schmelze Sl erschmolzen. Ebenso wurde eine Al/Si-Schmelze S2 erschmolzen, die hinsichtlich ihrer Gehalte an AI, Si, Mg, Zn und Fe mit der Schmelze Sl übereinstimmte, jedoch kein Cu enthielt.To demonstrate the effects achieved with the invention, a 7% by weight Si, 0.3% by weight Mg, 4% by weight Zn, 0.12% by weight Fe, 0.5% by weight Cu and the remainder melted aluminum and inevitable impurities containing Al / Si melt S1 according to the invention. Likewise, an Al / Si melt S2 was melted, which matched the melt S1 in terms of its contents of Al, Si, Mg, Zn and Fe, but did not contain any Cu.
Die Schmelzen Sl und S2 sind jeweils zu Probestücken vergossen worden. Diese Probestücke sind anschließend bei einer Temperatur von 530 °C für 6 Stunden lösungsgeglüht worden .The melts S1 and S2 were cast into test pieces. These test pieces were then solution annealed at a temperature of 530 ° C for 6 hours.
Eine erste Gruppe von aus den Schmelzen Sl und S2 gegossenen Gussteilen ist daraufhin beschleunigt mit Wasser und eine zweite Gruppe von aus den Schmelzen Sl und S2
gegossenen Gussteilen beschleunigt an Luft auf Raumtemperatur abgekühlt worden.A first group of castings cast from the melts S1 and S2 is then accelerated with water and a second group of castings from the melts S1 and S2 cast castings have been accelerated in air to room temperature.
Die Gussteile sind dann auf eine Haltetemperatur von 90 °C erwärmt worden, bei der sie für 4 Stunden gehalten worden sind.The castings were then heated to a holding temperature of 90 ° C, at which they were held for 4 hours.
Anschließend sind die Gussteile auf eine 180 °C betragende Alterungstemperatur aufgeheizt worden, bei der sie für ebenfalls 8 Stunden gehalten worden sind.The castings were then heated to an aging temperature of 180 ° C., at which they were also kept for 8 hours.
Die Erwärmungsgeschwindigkeit betrug jeweils ca. 1000 °C/h.The heating rate was approx. 1000 ° C / h in each case.
Nach Beendigung der Alterungsbehandlung konnten folgende Eigenschaften an den verschiedenen Probenstücken festgestellt werden:After finishing the aging treatment, the following properties could be determined on the various specimens:
*) Qualitätsindex Q = Zugfestigkeit + 150 x log (Dehnung) *) Quality index Q = tensile strength + 150 x log (elongation)
Unabhängig davon, wie die Gussteile nach dem Lösungsglühen abgekühlt worden sind, wiesen die untersuchten Probenstücke somit jeweils besonders hohe Werte ihrer mechanischen Eigenschaften auf. Gleichzeitig waren die in ihnen feststellbaren Eigenspannungen auf ein Minimum reduziert und sie besaßen ein homogenes, von Verwerfungen freies Gefüge .
Regardless of how the castings were cooled after solution annealing, the specimens examined each showed particularly high values of their mechanical properties. At the same time, the residual stresses found in them were reduced to a minimum and they had a homogeneous structure free of faults.