DE102015015610A1

DE102015015610A1 - Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung, Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils aus der Legierung und Karosseriekomponente mit einem Druckgussbauteil

Info

Publication number: DE102015015610A1
Application number: DE102015015610.1A
Authority: DE
Inventors: Marc Hummel; Andreas Schubert; Jan Gaugler; Steffen Otterbach
Original assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Current assignee: Audi AG; Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU
Priority date: 2015-12-03
Filing date: 2015-12-03
Publication date: 2017-06-08
Also published as: EP3176275A1; EP3176275B1; EP3176275B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine klebbare Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung zur Herstellung eines Druckgussbauteils, insbesondere einer dünnwandigen Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug, enthaltend 6,5 Gew.% bis 12,0 Gew.% Silizium, 0,30 Gew.% bis 0,80 Gew.% Mangan, 0,25 Gew.% bis 0,50 Gew.% Magnesium, 0,08 Gew.% bis 0,35 Gew.% Zink, 0,05 Gew.% bis 0,30 Gew.% Zirconium, 0,006 Gew.% bis 0,025 Gew.% Strontium, einzeln maximal 0,3 Gew.%, insgesamt maximal 0,5 Gew.% Verunreinigungen und als Rest Aluminium. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils, insbesondere für eine dünnwandige Karosseriekomponente, umfassend die Schritte: Gießen eines Druckgussbauteils aus einer Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung und Unterziehen des Druckgussbauteils einer Wärmebehandlung umfassend in der angegebenen Reihenfolge ein mehrstufiges Glühen umfassend wenigstens ein erstes Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 320°C bis 450°C für eine Zeitdauer von 20 Minuten bis 75 Minuten, und ein zweites Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 460°C bis 520°C für eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 35 Minuten, eine Abschreckung mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 3 K/s bis 200 K/s, und einer mehrstufigen Warmauslagerung umfassend wenigstens eine erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 180°C für eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 150 Minuten, und eine zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 195°C bis 300°C für eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 100 Minuten.

Description

Die Erfindung betrifft eine klebbare Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung, ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils aus der Legierung und eine Karosseriekomponente mit einem Druckgussbauteil.
Es ist seit längerem bekannt, Gussbauteile für Karosserie- und Fahrwerksanwendungen im Druckguss aus Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen herzustellen. Diese Legierungen enthalten üblicherweise etwa 6 bis 12 Gew.% Silizium, zeigen gute Gießeigenschaften, eine geringe Schrumpfungsneigung und eine sehr geringe Anfälligkeit für Heißrisse und Lunker.
Die mit diesen Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen hergestellten Gussbauteile werden üblicherweise einer T5-, T6-, oder T7-Wärmebehandlung gemäß DIN EN 515 unterzogen. Durch eine T5-Wärmebehandlung werden Bauteile mit einer guten Maßhaltigkeit bei gleichzeitig hoher Festigkeit und durch eine T6- oder T7-Wärmebehandlung werden Bauteile mit guten Verformungseigenschaften bei gleichzeitig hoher Festigkeit erhalten.
So beschreibt bspw. die EP 2 735 621 A1 eine Aluminium-Legierung für Bauteile mit erhöhter Festigkeit mit einer Dehngrenze Rp_0,2 > 120 MPa und gleichzeitiger Bruchdehnung A > 7% im Gusszustand, einer Dehngrenze Rp_0,2 > 200 MPa und gleichzeitig hoher Bruchdehnung A > 6% nach einer T5-Wärmebehandlung oder einer Dehngrenze Rp_0,2 > 200 MPa und gleichzeitig hoher Bruchdehnung A > 9% nach einer T6-Wärmebehandlung, insbesondere für Struktur- und Fahrwerksteile eines Kraftwagens, enthaltend 9 bis 11,5 Gew.% Silizium, 0,45 bis 0,8 Gew.% Mangan, 0,2 bis 1,0 Gew.% Magnesium, 0,1 bis 1,0 Gew.% Kupfer, max. 0,2 Gew.% Zink, max. 0,4 Gew.% Zirkon, max. 0,4 Gew.% Chrom, max. 0,3 Gew.% Molybdän, max. 0,2 Gew.% Eisen, max. 0,15 Gew.% Titan, 0,01 bis 0,02 Gew.% Strontium und als Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen von insgesamt max. 0,5 Gew.%.
Und aus der DE 10 2013 002 632 A1 ist eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung bekannt, enthaltend 5 bis 12 Ma% Silizium, 0,5 bis 3,0 Ma% Zink, 0,1 bis 0,7 Ma% Magnesium, 0,2 bis 0,8 Ma% Mangan, 0,05 bis 0,3 Ma% Zirconium, einzelnen höchstens 0,05 Ma% und insgesamt höchstens 0,4 Ma% Verunreinigungen und als Rest Aluminium. Diese Offenlegungsschrift beschreibt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils wobei ein Gussbauteil aus einer der vorgeschlagenen Gusslegierungen gegossen wird und das Gussbauteil nach dem Gießen einer Wärmebehandlung auf den Zustand T5, T6 oder T7 unterworfen wird. Die Aluminium-Silizium-Gusslegierung weist eine sehr gute Fließfähigkeit für Bauteile mit Wandstärken unter 2 mm auf und die daraus hergestellten Bauteile zeichnen sich durch eine hohe Festigkeit und gleichzeitig eine gute Verformbarkeit aus.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung insbesondere für dünnwandigen Karosseriekomponenten, ein neues Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils und neuartige Karosseriekomponenten mit einem Druckgussbauteil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug zur Verfügung zu stellen, wobei sich die neue Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung durch eine sehr gute Fließfähigkeit auszeichnet und die daraus hergestellten Druckgussbauteile bzw. Karosseriekomponenten eine gute Klebstoffhaftung, eine hohe Korrosionsresistenz und ein gutes Crashverhalten aufweisen.
Diese Aufgaben werden gelöst durch die Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß Anspruch 1, das Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils gemäß Anspruch 5 und die Karosseriekomponente gemäß Anspruch 7. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung zur Herstellung eines Druckgussbauteils, insbesondere einer dünnwandigen Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug, enthält

– 6,5 Gew.% bis 12,0 Gew.% Silizium,
– 0,30 Gew.% bis 0,80 Gew.% Mangan,
– 0,25 Gew.% bis 0,50 Gew.% Magnesium,
– 0,08 Gew.% bis 0,35 Gew.% Zink,
– 0,05 Gew.% bis 0,30 Gew.% Zirconium,
– 0,006 Gew.% bis 0,025 Gew.% Strontium,
– einzeln maximal 0,3 Gew.%, insgesamt maximal 0,5 Gew.% Verunreinigungen und
– als Rest Aluminium.

Durch einen Gehalt von mindestens 6,5 Gew.% Silizium (Si) wird eine ausreichende Gießbarkeit gewährleistet und Erstarrungsschrumpfungen vermieden. Die Obergrenze von maximal 12 Gew.% ist einzuhalten, damit keine primären Siliziumphasen auftreten.
Ein Mangangehalt (Mn) von 0,3 bis 0,8 Gew.% verbessert die Entformbarkeit aus der Werkzeugkavität bei geringen Eisengehalten < 0,3 Gew.%.
Ein Magnesiumgehalt (Mg) von min. 0,25 Gew.% führt zur Ausbildung von aushärtenden Mg₂Si-Phasen, die Obergrenze von 0,5 Gew.% verhindert eine zu starke Versprödung des Werkstoffs.
Zink (Zn) wird für die weitere Festigkeitssteigerung mittels Mischkristallhärtung der Legierung verwendet. Dabei ist der Zink-Gehalt in der Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung auf maximal 0,35 Gew.% begrenzt, da ein höherer Gehalt die Klebstoffhaftung beim Verbau eines solchen Bauteils stark reduziert, sowie die Korrosionsneigung erhöht.
Zur weiteren Erhöhung der mechanischen Eigenschaften kann durch die Zugabe von Zirconium (Zr) ein feineres Korn ausgebildet werden. Der optimale Gehalt liegt zwischen 0,05 Gew.-% und 0,30 Gew.-% Zirconium.
Durch einen Strontiumgehalt (Sr) im Bereich von 0,006 Gew.% bis 0,025 Gew.% kann eine Veredelung der Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung enthält diese

– mehr als 0,35 Gew.% bis 0,50 Gew.% Magnesium, bevorzugt
– 0,38 Gew.% bis 0,45 Gew.% Magnesium.

Wie Versuche überraschend ergeben haben und wie unter Bezug auf die in dieser Anmeldung erläuterten erfindungsgemäßen Beispiele gezeigt wird, werden die Aufgaben der vorliegenden Erfindung besonders gut gelöst, sofern der Magnesiumgehalt in der Legierung mehr als 0,35 Gew.% bis 0,50 Gew.%, bevorzugt im Bereich von 0,38 Gew.% bis 0,45 Gew.% beträgt.
Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung enthält diese weiter

– maximal 0,2 Gew.% Vanadium,
– maximal 0,2 Gew.% Molybdän,
– maximal 0,3 Gew.% Zinn,
– maximal 0,3 Gew.% Kobalt, und/oder
– maximal 0,2 Gew.% Titan

Wie oben bereits erwähnt, ist der Zink-Gehalt in der Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung auf maximal 0,35 Gew.% begrenzt, da ein höherer Gehalt die Klebstoffhaftung beim Verbau eines solchen Bauteils stark reduziert sowie die Korrosionsneigung erhöht. Andererseits würde ein höherer Zink-Gehalt die Festigkeit in vorteilhafter Weise weiter erhöhen.
Um einen Festigkeitsausgleich zu schaffen, kann für die Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise vorgesehen sein, je nach Festigkeitsniveau (bspw. für höchstfeste Eigenschaften) Zinn (Sn) und/oder Kobalt (Co) bis zu den jeweils angegebenen maximalen Gehalten hinzulegiert. Zinn führt dabei zu einer Erhöhung der Anzahl an Leerstellen nach der Abschreckung, was eine beschleunigte Ausscheidungskinetik zur Folge hat. Der Zinn- und Kobalt-Gehalt sollte jedoch auf jeweils max. 0,30 Gew.-% begrenzt werden, da sonst versprödende intermetallische Phasen bei Kobalt und niedrigschmelzende Gefügebestandteile im Falle von Zinn auftreten.
Mit einer Zugabe von Vanadium (V), Molybdän (Mo) und/oder Titan (Ti) einzeln oder in Kombination mit jeweils einem Gehalt von max. 0,2 Gew.% kann eine weitere Kornfeinung bei der Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
Wie oben bereits angegeben ist, weist die Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung einzeln maximal 0,3 Gew.%, insgesamt maximal 0,5 Gew.% Verunreinigungen auf, die Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung wird also aus sehr reinen Ausgangsmaterialien hergestellt.
Diesbezüglich hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung

– maximal 0,05 Gew.% Kupfer,
– maximal 0,002 Gew.% Phosphor,
– maximal 0,002 Gew.% Calcium,
– maximal 0,002 Gew.% Natrium, und/oder
– maximal 0,30 Gew.% Eisen

Bezüglich des Legierungsbestandteils Aluminium kann dem Erfordernis nach großer Reinheit bspw. durch die Verwendung von Reinaluminium aus der Elektrolyse oder aus sortenreinen Aluminiumrecyclaten, z. B. aus der Bau- oder Verpackungsindustrie Rechnung getragen werden. Die Maximalangaben der Verunreinigungselemente, vor allem Kupfer (maximal 0,05 Gew.%), sind zur Erfüllung der gewünschten Eigenschaften einzuhalten.
Die vorliegende Erfindung umfasst auch ein Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils, insbesondere für eine dünnwandige Karosseriekomponente, umfassend die Schritte:

– Gießen eines Druckgussbauteils aus einer erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung oder einer ihrer vorteilhaften Weiterbildungen und Ausgestaltungen, und
– Unterziehen des Druckgussbauteils einer Wärmebehandlung umfassend in der angegebenen Reihenfolge
– ein mehrstufiges Glühen umfassend wenigstens
– ein erstes Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 320°C bis 450°C für eine Zeitdauer von 20 Minuten bis 75 Minuten, und
– ein zweites Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 460°C bis 520°C für eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 35 Minuten,
– eine Abschreckung mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 3 K/s bis 200 K/s, und
– einer mehrstufigen Warmauslagerung umfassend wenigstens
– eine erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 180°C für eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 150 Minuten, und
– eine zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 195°C bis 300°C für eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 100 Minuten.

Umfasst das Glühen und/oder die Warmauslagerung drei oder mehr Stufen, ist es von Vorteil, wenn die Gesamtdauer des Glühens und/oder die Gesamtdauer der Warmauslagerung im Wesentlichen den oben genannten Werten entspricht, d. h. die oben angegebenen Zeitdauern für die jeweiligen Stufen anteilig reduziert werden.
Bei einem dreistufigen Glühen kann bspw. als erste Stufe ein Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 320°C bis 380°C vorgesehen sein (zum Abbau von Eigenspannungen), daran anschließend eines zweite Glühstufe bei etwa 440°C und eine dritte Glühstufe bei etwa 490°C.
Und bei einer dreistufigen Warmauslagerung kann bspw. als letzte Stufe eine Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 240°C bis 300°C für eine kurze Zeitdauer im Bereich von etwa 5 Minuten bis etwa 45 Minuten vorgesehen sein (zur Erhöhung der Duktilität).
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dahin in vorteilhafter Weise weitergebildet sein, dass

– das erste Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 380°C bis 440°C für eine Zeitdauer von 20 Minuten bis 45 Minuten,
– das zweite Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 490°C bis 510°C für eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 20 Minuten,
– die Abschreckung mittels Luft mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 3 K/s bis 12 K/s oder mittels Wasser mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 80 K/s bis 200 K/s,
– die erste Warmauslagerung bei einer Temperatur von 120°C bis 170°C für eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 90 Minuten, und
– die zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur von 200°C bis 240°C für eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 80 Minuten

Die vorliegende Erfindung umfasst auch eine Karosseriekomponente, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zumindest anteilig aus einem Druckgussbauteil besteht, das unter Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens oder einer seiner vorteilhaften Weiterbildungen oder Ausgestaltungen hergestellt wurde.
Das Druckgussbauteil der Karosseriekomponente kann in vorteilhafter Weise eine Wandstärke im Bereich von 0,6 mm bis 10 mm aufweisen. Des Weiteren kann bei der Karosseriekomponente das Druckgussbauteil mit wenigstens einem Blechbauteil, Stahlblechbauteil, Aluminiumbauteil oder Gussbauteil verklebt sein.
Die Karosseriekomponente kann bspw. in Form einer Federbeinaufnahme, eines Längsträgers, eines Verbindungsteils, einer Sitzaufnahme, einer Scharnieraufnahme oder einer Prallplatte ausgebildet sein.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 den Einfluss des Zink-Gehalts auf die Zugscherfestigkeit nach zwei und vier Wochen Immersionstest bei einer Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einer Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogen wurde;
2 den Einfluss des Kupfer-Gehalts auf die Zugscherfestigkeit nach zwei und vier Wochen Immersionstest bei einer Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung, die einer Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogen wurde;
3 einen Vergleich der Materialeigenschaften von Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen nach dem Stand der Technik und Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar. Die vorliegende Erfindung ist selbstverständlich nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt.
Die in der obigen Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen, Ausführungsbeispielen und der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Durch die neuartige Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung können in Kombination mit der erfindungsgemäß vorgesehene Wärmebehandlung unerwartete Vorteile erzielt werden.
Die Durchführung einer zwei- oder mehrstufigen Lösungsglühung erlaubt die Glühung eines Bauteils bei Temperaturen von 460°C bis 520°C (bspw. über 480°C, bevorzugt über 490°C, besonders bevorzugt über 500°C) für kurze Zeiten von 5 Minuten bis 35 Minuten (bspw. im Bereich von 5 Minuten bis 25 Minuten) in der letzten Stufe.
Hierdurch werden noch vorhandene organische Trennmittelrückstände aus dem Gießprozess (die sehr temperaturbeständige Mischungen aus Ölen, Wachsen, Polysiloxanen und weiteren Additiven aufweisen können) besonders wirkungsvoll vercrackt und können damit sehr gut und zumindest nahezu rückstandslos entfernt werden. Im Ergebnis kann so eine deutliche Steigerung der Klebstoffhaftung gegenüber herkömmlich wärmebehandelten Legierungen erzielt werden.
Resultierend daraus ergeben sich als sekundärer Effekt hohe Werte für die Zugscherfestigkeiten, insbesondere nach Einwirkung korrosiver Medien. Die kurze Haltedauer der letzten Lösungsglühstufe reduziert außerdem die Gefahr des Verzugs des Bauteils.
Das Festigkeitsniveau kann erfindungsgemäß über den Abschreckgradienten nach der Lösungsglühung eingestellt werden. Dabei gilt der Zusammenhang, dass je höher der Abschreckgradient gewählt wird, desto höher die zu erreichende Festigkeit ist.
Eine zwei- oder mehrstufige Auslagerung erlaubt die Reduzierung der Auslagerungsdauer mittels Separation der Auslagerungsmechanismen (Keimbildung, Keimwachstum, etc.). Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass sich insbesondere die zweite Stufe positiv auf das Festigkeits-Duktilitäts-Verhältnis bei den angegebenen Gehalten aus Zink und Zirconium auswirkt. Dabei ist die zweite Auslagerungsstufe so gestaltet, dass die Temperatur dabei höher als bei der ersten Auslagerungsstufe ist und im Bereich von 195 bis 300°C liegt.
Sollen verschiedene Bauteile unterschiedliche Festigkeiten aufweisen, ist es besonders vorteilhaft, eine einheitliche (d. h. die gleiche) Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung zu verwenden und auch die Glüh- sowie Auslagerungsprozesse gleich bezüglich Temperatur- und Zeitverläufe zu gestalten. Die unterschiedlichen Festigkeiten können dann auf einfache Weise durch unterschiedlich hohe Abschreckgradienten nach dem letzten Glühprozess eingestellt werden (siehe hierzu nachfolgend Beispiele 1 und 3). Hierüber ist es möglich, besonders gute Klebstoffhaftungs- und Crasheigenschaften über alle Festigkeitsklassen zu erreichen.

Die vorliegende Erfindung und die durch sie erzielbaren Vorteile werden nachfolgend durch einen Vergleich zwischen verschiedenen Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen und den jeweils angegebenen Wärmebehandlungen näher erläutert. Bei den angegebenen Vergleichsbeispielen 1 bis 5 wird keine Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet, bei Vergleichsbeispiel 6 wird eine Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung mit nur einem einstufigen Lösungsglühen und einer einstufigen Warmauslagerung behandelt und bei den Beispielen 1 bis 3 handelt es sich um Beispiele, bei denen Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen gemäß der vorliegenden Erfindung einer Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogen wurden. Verwendete Wärmebehandlungsverfahren:

WBH Nr. 1:
	Lösungsglühung, einstufig:	460°C/1,5 h
	Abschreckung:	Luftabschreckung 0,5–2 K/s
	Warmauslagerung, einstufig:	220°C/3 h
WBH Nr. 2 (erfindungsgemäß):
	Lösungsglühung, zweistufig:	400°C/1 h + 510°C/30 min
	Abschreckung:	Luftabschreckung > 3 K/s
	Warmauslagerung, zweistufig:	120°C/2 h + 230°C/1 h
WBH Nr. 3 (erfindungsgemäß):
	Lösungsglühung, zweistufig:	400°C/1 h + 510°C/30 min
	Abschreckung:	Wasserabschreckung > 80 K/s
	Warmauslagerung, zweistufig:	120°C/2 h + 230°C/1 h

Die angegebenen Zeitdauern bei der Lösungsglühung und Warmauslagerung entsprechen den Ofenzeiten. Die Bauteile können hierzu bspw. entweder mit Hilfe eines Mehrkammerofens in die Kammer mit den jeweils angegebenen Temperaturen (weiter)transportiert werden oder mittels einer Rampenaufheizung von einer ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur erwärmt werden.

Die Abschreckung erfolgt ohne genaue Festlegung einer unteren Grenztemperatur und es wurde regelmäßig bis in etwa Raumtemperatur oder etwas darüber abgekühlt, mindestens jedoch auf kleiner 200°C. Verwendete Legierungen:

Legierung Nr. 1:	AlSi10,5Mn0,60Mg0,30Sr0,012Ti0,06
	(genormte Referenzlegierung)
Legierung Nr. 2:	AlSi10,5Mn0,60Mg0,40Sr0,012Ti0,06Zn0,90Zr0,10
	(Legierung gemäß DE 10 2013 002 632 A1 )
Legierung Nr. 3:	AlSi10,5Mn0,60Mg0,32Sr0,012Ti0,06Zn0,10Cu0,25
	(Legierung gemäß EP 2 735 621 A1 )
Legierung Nr. 4:	AlSi9,5Mn0,60Mg0,42Sr0,015Ti0,12Zn0,20Zr0,20
	(Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung, Variante 1)
Legierung Nr. 5:	AlSi9,5Mn0,60Mg0,42Sr0,015Ti0,12Zn0,20Zr0,020Sn0,15Co0,10
	(Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung; Variante 2)

Tabelle 1 zeigt die verwendeten Legierungen und die damit jeweils durchgeführten Wärmebehandlung. Tabelle 1

Beispiel	Legierung (Nr. #)	Wärmebehandlung (WBH Nr. #)
Vergleichsbeispiel 1	1	1
Vergleichsbeispiel 2	2	1
Vergleichsbeispiel 3	3	1
Vergleichsbeispiel 4	1	2
Vergleichsbeispiel 5	2	2
Vergleichsbeispiel 6	4	1
Beispiel 1	4	2
Beispiel 2	5	2
Beispiel 3	4	3

Tabelle 2 zeigt die resultierenden Eigenschaftsprofile. Tabelle 2

Beispiel	Rm (MPa)	Rp_0,2 (MPa)	A5 (%)	FDI	Korrosionsbeständigkeit	Fließfähigkeit	Klebstoffhaftung
Vergleichsbeispiel 1	205	133	16,3	25	+	0	+
Vergleichsbeispiel 2	233	169	13,1	24	0	+	––
Vergleichsbeispiel 3	246	183	11,7	23	–	–	––
Vergleichsbeispiel 4	230	158	13,5	24	+	0	+
Vergleichsbeispiel 5	252	206	12,6	27	0	+	––
Vergleichsbeispiel 6	235	163	14,7	27	+	++	+
Beispiel 1	253	192	14,8	31	+	++	++
Beispiel 2	263	210	14,3	32	+	++	++
Beispiel 3	340	265	12,3	35	+	++	++

++: überraschend sehr gut; +: gut 0: durchschnittlich –: schlecht; ––: ungenügend

In Tabelle 2 bedeuten

Rm:: Zugfestigkeit
Rp_0,2:: 0,2%-Dehngrenze
A5:: Bruchdehnung
FDI:: Festigkeits-Duktilitäts-Index, berechnet aus den für Fahrzeugkarosserie-Bauteile auslegungsrelevanten Materialkennwerten Rm, Rp_0,2 und A5; FDI = (Rm + 3·Rp_0,2)/4·A5/100

Für den FDI wurden die Festigkeitswerte nach Priorisierung im Karosseriebau gewichtet (Rm: einfach; Rp_0,2: dreifach). Der gemittelte Festigkeitswert wird mit entsprechender Gewichtung (Rm: einfach, Rp_0,2: dreifach) mit der Bruchdehnung A5 multipliziert und aus Gründen der Übersichtlichkeit durch den Divisor 100 dividiert.
Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen können nur FDI-Werte bis maximal ≤ 27 erreicht werden (siehe Vergleichsbeispiele 5 und 6).
Auf Basis der erfindungsgemäßen Beispiele 1 bis 3 ist ersichtlich, dass nur durch eine Kombination der neuen Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung mit der optimierten Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung ein FDI > 30 erreicht werden kann und weitere Eigenschaftsvorteile hinsichtlich Klebstoffhaftung, Fließfähigkeit sowie Korrosions- und Crashverhalten erzielt werden können.
Demgegenüber können, wenn aus dem Stand der Technik bekannte Legierungen (Legierung Nr. 1 oder Nr. 2) einer Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung unterzogen werden (WBH Nr. 2), lediglich FDI-Werte < 30 erreicht werden (siehe Vergleichsbeispiele 4 und 5). Gleiches gilt, wenn eine Legierung gemäß der vorliegenden Erfindung (Legierung Nr. 4) einer nur einfachen Wärmebehandlung (WBH Nr. 1) mit jeweils einer Lösungsglühung und einer Warmauslagerung unterzogen wird (siehe Vergleichsbeispiel 6).
In 1 ist die Abhängigkeit der Klebstoffhaftung (Zugscherfestigkeit) im Immersionstest nach 2 und 4 Wochen vom Zinkgehalt dargestellt. In 2 ist die Abhängigkeit der Klebstoffhaftung (Zugscherfestigkeit) im Immersionstest nach 2 und 4 Wochen in Abhängigkeit vom Kupfergehalt aufgetragen. In Bezug auf die übrigen Legierungsbestandteile sowie die Wärmebehandlung entsprechen die gemäß dieser Figuren untersuchten Legierungen jeweils Beispiel 1.
Aus 1 ist ersichtlich, dass besonders vorteilhafte Klebstoffhaftungseigenschaften dann erreicht werden, wenn bei der Legierung Nr. 4 der Zinkgehalt zwischen 0,08 Gew.% und 0,35 Gew.% liegt und Kupfer nicht als Legierungselement verwendet wird. Kupfer ist lediglich als Verunreinigungselement mit Gehalten bis maximal 0,05 Gew.% zulässig, damit die geforderten Zugscherfestigkeiten von prozesssicheren > 25 MPa nach 4 Wochen Immersionstest erreicht werden können.
Neben den Klebstoffhaftungseigenschaften hat sich bei der Legierung gemäß Beispiel 1 (Legierung Nr. 4, Wärmebehandlung Nr. 2) überraschenderweise gezeigt, dass neben sehr hohen 0,2%-Dehngrenzen im Bereich von 0,08 Gew.% bis 0,35 Gew.% Zink vor allem die Fließfähigkeit der Legierung besonders gute Werte liefert. Es konnte hier ein Maximum in Abhängigkeit vom Zinkgehalt der Legierung festgestellt werden. Die Zusammenhänge sind in 3 dargestellt.
Eine weitere Erhöhung der mechanischen Kennwerte ohne weitere Eigenschaftsnachteile konnten durch geringe Gehalte von Kobalt (Co) und/oder Zinn (Sn) zur Erhöhung der 0,2%-Dehngrenze erzielt werden (vgl. Beispiele 1 und 2).
Eine deutliche Steigerung der mechanischen Kennwerte kann auch durch Erhöhung des Abschreckgradienten erzielt werden (siehe Beispiel 3 mit Legierung Nr. 4 und Wasserabschreckung). Die Legierungen Nr. 4 und Nr. 5 besitzen besonders gute mechanische Kennwerte bei Abschreckgradienten > 3 K/s, insbesondere > 4 K/s.
Vor allem bei Legierung Nr. 4 konnten durch die optimierte Wärmebehandlung WBH Nr. 2 sehr gute Festigkeits-Duktilitäts-Eigenschaften von Versuchsbauteilen der erzeugten Gussbauteile erzielt werden (vgl. Vergleichsbeispiel 6 und Beispiel 1).
Wie aus 3 ersichtlich ist, zeigen lediglich Kombinationen der Legierungszusammensetzung gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung die geforderten Eigenschaftsprofile (Beispiele 1 bis 3). Alle in 3 dargestellten Eigenschaften sind referenziert auf Vergleichsbeispiel 1 mit einer Standardlegierung für Karosseriegussanwendungen und einer Wärmebehandlung gemäß dem Stand der Technik (WBH Nr. 1). Bei den Beispielen Nr. 1 bis 3 gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen sich sämtliche betrachteten Eigenschaften gegenüber dem Vergleichsbeispiel 1 deutlich verbessert.
Für die in den Figuren verwendeten Begriffe gilt folgendes:
Fließfähigkeit:
Die jeweilige Legierung wurde auf ca. 700°C erwärmt und anschließend in eine Prüfkokille (max. Länge 300 mm) gegossen. Je nach Eigenschaft der Legierung ergeben sich unterschiedliche Fülllängen. Diese Fülllänge wurde zur Ermittlung der Fließfähigkeit gemessen und zwischen den Legierungsvarianten verglichen. Übliche Fließlängen liegen bei 200–250 mm. Legierungen mit einer Fließfähigkeit > 250 mm wurden als „gut” bewertet; Legierungen mit einer Fließfähigkeit von < 200 mm wurden als „schlecht” bewertet. Die Auftragung erfolgte relativ normiert zur Legierung Nr. 1 (Referenzlegierung).
Korrosionsresistenz:
Eine gegossene Probe wurde in künstlichen Atmosphären einer Salzsprühnebelprüfung nach DIN EN ISO 9227 über eine Dauer von 3024 h (18 Wochen) unterzogen. Die Bewertung des Korrosionsverhaltens, also der Angriff, auf die Probe erfolgte nach DIN EN ISO 9227 und wurde entsprechend ausgewertet. Die Proben mit dem geringsten bzw. höchsten Korrosionsangriff wurden unter dem Begriff Korrosion zu –100% (größter Angriff) bzw. 0% (geringster Angriff) normiert.
Immersionstest:
Je zwei gegossene Gussplatten wurden mit einer definierten Überlappung verklebt und nach der Aushärtung des Klebstoffs in den Immersionstest gegeben. Hier werden die Probestreifen 2 bzw. 4 Wochen in einer 5-prozentigen NaCl-Lösung bei einer definieren Temperatur zwischen 50–80°C gelagert. Nach Beendigung des Tests werden die Zugproben mit Hilfe einer Zugprüfmaschine zerstört, d. h. die Kleberaupe bis zum Versagen auseinandergezogen und die auftretende Zugkraft (Zugscherfestigkeit) ermittelt.
Übliche Zugscherfestigkeitswerte nach 4 Wochen Immersionstest liegen bei ca. 25 MPa. Sehr gute Ergebnisse liegen zwischen 27–30 MPa, schlechte Werte weisen Zugscherfestigkeiten < 23 MPa auf. Die Resultate wurden anschließend zur Legierung Nr. 1 (Referenzlegierung) normiert.
Ein besonderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen zur Verfügung gestellt werden, durch die Gussteile erhalten werden können, die in der Fahrzeugkarosserie durch kleben miteinander verbunden werden können. Gegenüber bisher bekannten Legierungen weist die erfindungsgemäße Legierung ein deutlich erhöhte Klebstoffhaftung bei einem hohen Festigkeitsniveau auf.
Bezüglich der hierbei verwendbaren Klebstoffe und der Klebverfahren ergeben sich keine Besonderheiten bzw. keine Einschränkungen im Bezug auf die aus dem Stand der Technik bekannten Klebstoffe und -verfahren. Gleiches gilt für die Materialien, mit denen die Legierungen gemäß der vorliegenden Erfindung verklebt werden können. Diesbezüglich kann ein Fachmann somit auf die ihm aufgrund seines Fachwissens bekannten Lösungen zurückgreifen, so dass in der vorliegenden Anmeldung hierauf auch nicht näher eingegangen zu werden braucht.
Durch die Erfindung können Karosseriekomponenten (Druckgussbauteile) im Wandstärkenbereich im Bereich von < 1,0 mm und 10 mm Wanddicke hergestellt werden, besonders vorteilhaft auch sehr dünnwandige Bauteile. Entgegen dem vorbekannten Stand der Technik sind durch die vorliegende Erfindung Wandstärken von < 1,0 mm bis minimal 0,6 mm möglich.
Als einige, nicht abschließende Beispiele für durch die vorliegende Erfindung herstellbare Karosseriekomponenten seien erwähnt Federbeinaufnahmen, Längsträger, Verbindungsteile, Sitzaufnahmen, Scharnieraufnahmen und/oder Prallplatten.
Durch die vorliegende Erfindung ergeben sich somit insbesondere die folgenden Vorteile:

– hohe Korrosionsresistenz durch begrenzten Zink-Gehalt;
– durch begrenzten Zink-Gehalt bedingtes erniedrigtes Festigkeitsniveau wird durch mehrstufige Wärmebehandlung kompensiert, wahlweise auch durch Zugabe von Zinn und/oder Kobalt;
– gute Klebstoffhaftung auch unter Feuchteeinfluss im Immersionstest;
– sehr guter Festigkeits-Duktilitäts-Index (FDI), d. h. gutes Crashverhalten;
– sehr gute Fließfähigkeit, daher sehr dünnwandige Bauteile möglich;
– durch den Entfall von Kupfer als Legierungsbestandteil hohe Korrosionsbeständigkeit und Crashfestigkeit der Legierung; ebenso ist eine sehr gute Stanznieteignung gegeben.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 2735621 A1 [0004, 0048]
DE 102013002632 A1 [0005, 0048]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 515 [0003]
DIN EN ISO 9227 [0065]
DIN EN ISO 9227 [0065]

Claims

Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung zur Herstellung eines Druckgussbauteils, insbesondere einer dünnwandigen Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug, enthaltend – 6,5 Gew.% bis 12,0 Gew.% Silizium, – 0,30 Gew.% bis 0,80 Gew.% Mangan, – 0,25 Gew.% bis 0,50 Gew.% Magnesium, – 0,08 Gew.% bis 0,35 Gew.% Zink, – 0,05 Gew.% bis 0,30 Gew.% Zirconium, – 0,006 Gew.% bis 0,025 Gew.% Strontium, – einzeln maximal 0,3 Gew.%, insgesamt maximal 0,5 Gew.% Verunreinigungen und – als Rest Aluminium.
Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1, enthaltend – mehr als 0,35 Gew.% bis 0,50 Gew.% Magnesium, bevorzugt – 0,38 Gew.% bis 0,45 Gew.% Magnesium.
Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, weiter enthaltend – maximal 0,2 Gew.% Vanadium, – maximal 0,2 Gew.% Molybdän, – maximal 0,3 Gew.% Zinn, – maximal 0,3 Gew.% Kobalt, und/oder – maximal 0,2 Gew.% Titan als optionale(n) Legierungsbestandteil(e).
Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, enthaltend als Verunreinigung(en) – maximal 0,05 Gew.% Kupfer, – maximal 0,002 Gew.% Phosphor, – maximal 0,002 Gew.% Calcium, – maximal 0,002 Gew.% Natrium, und/oder – maximal 0,30 Gew.% Eisen.
Verfahren zur Herstellung eines Druckgussbauteils, insbesondere für eine dünnwandige Karosseriekomponente, umfassend die Schritte: – Gießen eines Druckgussbauteils aus einer Aluminium-Silizium-Druckgusslegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, und – Unterziehen des Druckgussbauteils einer Wärmebehandlung umfassend in der angegebenen Reihenfolge – ein mehrstufiges Glühen umfassend wenigstens – ein erstes Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 320°C bis 450°C für eine Zeitdauer von 20 Minuten bis 75 Minuten, und – ein zweites Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 460°C bis 520°C für eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 35 Minuten, – eine Abschreckung mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 3 K/s bis 200 K/s, und – einer mehrstufigen Warmauslagerung umfassend wenigstens – eine erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 100°C bis 180°C für eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 150 Minuten, und – eine zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 195°C bis 300°C für eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 100 Minuten.
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem – das erste Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 380°C bis 440°C für eine Zeitdauer von 20 Minuten bis 45 Minuten, – das zweite Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 490°C bis 510°C für eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 20 Minuten, – die Abschreckung mittels Luft mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 3 K/s bis 12 K/s oder mittels Wasser mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 80 K/s bis 200 K/s, – die erste Warmauslagerung bei einer Temperatur von 120°C bis 170°C für eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 90 Minuten, und – die zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur von 200°C bis 240°C für eine Zeitdauer von 40 Minuten bis 80 Minuten durchgeführt werden.
Karosseriekomponente für ein Kraftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest anteilig aus einem Druckgussbauteil besteht, das gemäß einem der Ansprüche 5 oder 6 hergestellt ist.
Karosseriekomponente gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil eine Wandstärke im Bereich von 0,6 mm bis 10 mm aufweist.
Karosseriekomponente gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckgussbauteil mit wenigstens einem Blechbauteil, Stahlblechbauteil, Aluminiumbauteil oder Gussbauteil verklebt ist.
Karosseriekomponente gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9 in Form einer Federbeinaufnahme, eines Längsträgers, eines Verbindungsteils, einer Sitzaufnahme, einer Scharnieraufnahme oder einer Prallplatte.