DE102016118729A1 - A new high-pressure injection molding process for aluminum alloys for high temperature and corrosive environments - Google Patents
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Abstract
Kupferfreie Aluminiumlegierungen, geeignet für Hochdruckgießen, die einer Aushärtung bei erhöhten Temperaturen unterzogen werden können. Die Legierung beinhaltet etwa 7–15 Gew.-% Silicium, etwa 0 bis 0,6 Gew.-% Magnesium, etwa 0 bis 1,0 Gew.-% Eisen, etwa 0 bis 1,0 Gew.-% Mangan, etwa 0 bis 1,0 Gew.-% Zink, etwa 0 bis 0,1 Gew.-% Strontium, etwa 0 bis 0,5 Gew.% Titan, etwa 0 bis 0,5 Gew.% Zirkon, etwa 0 bis 0,5 Gew.% Vanadium, etwa 0 bis 0,5 Gew.% Kupfer und etwa 0 bis 1,0 Gew.-% Nickel, mit einem Rest Aluminium. Verfahren zur Herstellung von Hochdruckgussteilen und Gussteilen, die aus Legierungen hergestellt wurden.Copper-free aluminum alloys, suitable for high pressure casting, which can be cured at elevated temperatures. The alloy comprises about 7-15% by weight of silicon, about 0 to 0.6% by weight of magnesium, about 0 to 1.0% by weight of iron, about 0 to 1.0% by weight of manganese, for example 0 to 1.0% by weight of zinc, about 0 to 0.1% by weight of strontium, about 0 to 0.5% by weight of titanium, about 0 to 0.5% by weight of zirconium, about 0 to 0, 5% by weight of vanadium, about 0 to 0.5% by weight of copper and about 0 to 1.0% by weight of nickel, with a balance of aluminum. Process for producing high pressure castings and castings made from alloys.
Description
GEBIET DER ERFINDUNG FIELD OF THE INVENTION
Die Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Legierung mit niedrigem Kupfergehalt (Cu) oder auf eine Cu-freie Aluminiumlegierung, die zum Hochdruckgießen (HPDC) geeignet ist, und die daraus hergestellten Gussteile, die bei erhöhten Temperaturen mit verringerter Porosität aushärten können, wodurch sie überlegene mechanische Eigenschaften für Anwendungen haben, insbesondere in der Kraftfahrzeugindustrie. The disclosure generally relates to a low-copper (Cu) alloy or to a Cu-free aluminum alloy suitable for high pressure casting (HPDC) and the castings made therefrom that are capable of curing at elevated temperatures with reduced porosity, thereby have superior mechanical properties for applications, especially in the automotive industry.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG BACKGROUND OF THE INVENTION
HPDC ist ein kostengünstiges und weit verbreitetes Verfahren für die industrielle Herstellung metallischer Bauteile, die eine genaue Maßhaltigkeit und niedrige Abmessungstoleranzen erfordern, und bei denen eine glatte Oberflächenbeschaffenheit wichtig ist. Hersteller in der Automobilindustrie sind nun zunehmend gefordert, endkonturnahe Aluminiumbauteilen mit einer Kombination aus hoher Zugfestigkeit und Duktilität zu produzieren, und HPDC stellt das wirtschaftlichste Verfahren zur Herstellung großer Mengen von kleinen bis mittelgroßen Komponenten bereit. HPDC is a cost-effective and widely used process for the industrial fabrication of metallic components that require accurate dimensional accuracy and low dimensional tolerances, and where smooth surface finish is important. Manufacturers in the automotive industry are now increasingly challenged to produce near-net shape aluminum components with a combination of high tensile strength and ductility, and HPDC provides the most economical method of producing large quantities of small to medium sized components.
Um Diskontinuitäten in der Gusskomponente zu vermeiden, wird die geschmolzene Legierung schnell genug in den Formhohlraum eingespritzt, so dass sich der gesamte Hohlraum füllt, bevor ein Teil des Hohlraums beginnt, sich zu verfestigen. Demnach erfolgt das Einspritzen unter hohem Druck, und das geschmolzene Metall wird Wirbelströmung ausgesetzt, wenn es in das Formwerkzeug gepresst wird und sich danach schnell verfestigt. Da die Luft, die durch die Schmelzlegierung verdrängt wird, nur wenig Zeit zum Entweichen hat, wird ein Teil davon eingeschlossen und es resultiert Porosität. Gussteile enthalten auch Poren, die aus gasförmigen Zersetzungsprodukten der organischen Schmierstoffe der Gussformwand stammen und Porosität kann auch aus dem Schwund infolge der Verfestigung entstehen. Ein wesentlicher Nachteil der Porosität, insbesondere als Ergebnis der eingeschlossenen Luft oder der eingeschlossenen Gase aus dem HPDC-Verfahren, ist, dass Gussteile aus Aluminiumlegierungen, die üblicherweise auf die Aushärtung ansprechen, nicht künstlich gehärtet werden können, d. h. es kann vor dem künstlichen Altern in der Lösung keine Übersättigung der Härtungselemente erzielt werden, beispielsweise von Mg oder Cu, da keine konventionelle Lösungsbehandlung auf Hochdruckdruckgussteile angewendet werden kann. Die inneren Poren, die Gase oder gasbildende Komponenten in den Hochdruckgussteilen enthalten, dehnen sich während einer herkömmlichen Lösungsbehandlung bei erhöhten Temperaturen aus, was zur Bildung von Oberflächenblasen an den Gussteilen führt. Das Vorliegen dieser Blasen beeinflusst nicht nur das Erscheinungsbild der Gussteile, sondern auch die Abmessungsstabilität und in manchen Fällen kann es die speziellen mechanischen Eigenschaften der HPDC-Komponenten nachteilig beeinflussen. Insbesondere sind Aluminiumlegierungs-HPDC-Gussteile einer Lösungsbehandlung (T4) bei einer hohen Temperatur, beispielsweise 500 °C nicht zugänglich, wodurch das Potenzial einer Ausscheidungshärtung durch eine volle T6- und/oder T7-Temper-Behandlung (auch als Kombination der Temperbehandlung T4 und T5 bezeichnet) erheblich reduziert ist. Daher ist es praktisch unmöglich, eine herkömmlich verarbeitete HPDC-Komponente ohne große Gasblasen zu finden. To avoid discontinuities in the casting component, the molten alloy is injected into the mold cavity quickly enough so that the entire cavity fills before part of the cavity begins to solidify. Thus, the injection takes place under high pressure and the molten metal is subjected to turbulent flow when it is pressed into the mold and then solidifies rapidly. Since the air displaced by the fusible alloy has little time to escape, some of it is trapped, resulting in porosity. Castings also contain pores derived from gaseous decomposition products of the organic lubricants of the casting wall, and porosity may also result from shrinkage due to solidification. A major disadvantage of porosity, particularly as a result of trapped air or trapped gases from the HPDC process, is that castings of aluminum alloys, which are usually cures, can not be artificially hardened; H. it is not possible to achieve supersaturation of the hardening elements, for example of Mg or Cu, prior to artificial aging in the solution, as no conventional solution treatment can be applied to high pressure die castings. The internal pores containing gases or gas-forming components in the high pressure castings expand at elevated temperatures during conventional solution treatment, resulting in the formation of surface blisters on the castings. The presence of these bubbles not only affects the appearance of the castings but also the dimensional stability and, in some cases, adversely affects the specific mechanical properties of the HPDC components. In particular, aluminum alloy HPDC castings are not amenable to solution treatment (T4) at a high temperature, for example, 500 ° C, thus having the potential of precipitation hardening by full T6 and / or T7 annealing (also as a combination of annealing T4 and T7) T5) is considerably reduced. Therefore, it is practically impossible to find a conventionally processed HPDC component without large gas bubbles.
In Al-Si Gusslegierungen (z. B. Legierungen 319, 356, 390, 360, 380), wird eine Festigkeitserhöhung durch eine Wärmebehandlung nach dem Gießen durch verschiedene gelöste legierungshärtende Stoffe, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Cu und Mg, erreicht. Die Wärmebehandlung von gegossenem Aluminium umfasst einen Mechanismus, der als Aushärtung oder Ausscheidungshärtung beschrieben wird. Wärmebehandlung (herkömmliche T6- und/oder T7-Wärmebehandlung) beinhaltet im Allgemeinen mindestens einen, oder eine Kombination von drei Schritten: (1) Lösungsbehandlung (auch als T4 definiert) bei einer relativ hohen Temperatur unter dem Schmelzpunkt der Legierung, oft über mehr als 8 Stunden oder länger, um die Legierungselemente (gelösten Stoffe) aufzulösen, und die Mikrostruktur zu homogenisieren oder zu verändern; (2) schnelles Abkühlen, oder Abschrecken in einem kalten oder warmen flüssigen Medium nach der Lösungsbehandlung, beispielsweise mit Wasser, um die gelösten Stoffe in einer übersättigten festen Lösung zu halten; und (3) künstliches Altern (T5) durch Halten der Legierung für einen Zeitraum bei einer mittleren Temperatur, die sich für das Aushärten oder die Festigkeitserhöhung durch Ausscheidung eignet. Lösungsbehandlung (T4) dient drei hauptsächlichen Zwecke: (1) Auflösen von Elementen, welche später eine Aushärtung verursachen, (2) Abrunden des ungelösten Bestandteils, und (3) Homogenisierung von Konzentrationen der gelösten Stoffe im Material. Ein Abschrecken nach T4-Lösungsbehandlung hält die gelösten Stoffelemente in einer übersättigten festen Lösung (SSS) und erzeugt auch eine Übersättigung von Fehlstellen, die die Diffusion und die Dispersion der Ausscheidung verstärkt. Um die Festigkeit der Legierung zu maximieren, sollte die Ausscheidung aller festigkeitserhöhenden Phasen während eines Abschreckens verhindert werden. Die Alterung (T5, entweder eine natürliche oder künstliche Alterung) schafft eine kontrollierte Dispersion der festigkeitserhöhenden Ausscheidungen. In Al-Si cast alloys (eg,
Bei der T5-Alterung gibt es im Allgemeinen drei Arten von Alterungsbedingungen, die üblicherweise als Unteralterung, Peak-Alterung und Überalterung bezeichnet werden. Bei der Voralterung, oder einer Anfangsphase der Alterung, bilden sich Guinier-Preston(GP)-Zonen und feine, abscherbare Ausscheidungen, und das Gussteil wird als unteraltert angesehen. In diesem Zustand sind die mechanischen Eigenschaften des Gussteils, zum Beispiel Materialhärte und Streckgrenze, üblicherweise minderwertig. Eine längere Zeit bei einer vorgegebenen Temperatur oder eine Härtung bei einer höheren Temperatur entwickelt die Ausscheidungsstruktur weiter, wodurch die mechanischen Eigenschaften, zum Beispiel Härte und Streckgrenze, zur Erreichung des Peak-Alterungs-/Härtezustandes maximal verbessert werden. Bei einer weiteren Alterung nimmt die Härte/ Streckgrenze ab und das Gussteil überaltert infolge einer Vergröberung der Ausscheidung und der damit verbundenen Transformation zur kristallografischen Inkohärenz. In T5 aging, there are generally three types of aging conditions, commonly referred to as under age, peak aging and overaging. During pre-aging, or an initial phase of aging, Guinier-Preston (GP) zones and fine, exfoliate precipitates form, and the casting is considered as underdeveloped. In this condition, the mechanical properties of the casting, for example, material hardness and yield strength, are usually inferior. Prolonged time at a given temperature or curing at a higher temperature further evolves the precipitation structure, thereby maximally improving mechanical properties such as hardness and yield strength to achieve the peak aging / curing condition. Upon further aging, the hardness / yield point decreases, and the casting over-ages due to a coarsening of the excretion and the associated transformation to the crystallographic incoherence.
Dadurch, dass die konventionellen HPDC-Aluminiumkomponenten zwangsläufig eine innere Porosität aufweisen, wird die künstliche Alterung (T5) ein sehr wichtiger Schritt, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften ohne Blasenbildung zu erzielen. Die Festigkeitserhöhung infolge der Alterung tritt auf, da die zurückgehaltenen härtenden, gelösten Stoffe, die in der übersättigten festen Lösung vorliegen, Ausscheidungen bilden, die in den Körnern fein verteilt sind und die die Fähigkeit des Gussteils erhöhen, einer Verformung durch Schlupf und Kriechen zu widerstehen. Eine maximale Härtung oder Festigkeitserhöhung kann auftreten, wenn die Alterungsbehandlung zur Bildung einer kritischen Dispersion von mindestens einer Art dieser feinen Ausscheidungen führt. As the conventional HPDC aluminum components inevitably have internal porosity, artificial aging (T5) becomes a very important step in achieving the desired mechanical properties without blistering. The increase in strength due to aging occurs because the retained hardening solutes present in the supersaturated solid solution form precipitates which are finely dispersed in the granules and increase the ability of the casting to resist deformation by slippage and creep , Maximum hardening or strength enhancement may occur when the aging treatment results in the formation of a critical dispersion of at least one kind of these fine precipitates.
Zusätzlich werden in herkömmlichen HPDC-Prozessen die Gussteile oft langsam auf eine niedrige Temperatur abgekühlt, beispielsweise, unter 200 °C, bevor ein Auswerfen aus dem Formwerkzeug und ein Abschrecken erfolgen. Dies vermindert das nachfolgende Alterungspotential erheblich, da die Löslichkeit der härtenden, gelösten Stoffe mit abnehmender Abschrecktemperatur erheblich abnimmt. Dadurch ist der verbleibende härtende, gelöste Stoff, wie Cu und Mg, der der Aluminiummatrix für das darauffolgende Aushärten verfügbar ist, sehr begrenzt. Obwohl eine Legierung 3–4 % Cu in nominaler Zusammensetzung enthalten kann, verbindet sich das meiste Cu mit anderen Elementen unter Bildung intermetallischer Phasen. Ohne Lösungsbehandlung tragen die Cu-haltigen intermetallischen Phasen nicht zur Aushärtung des Materials bei. Daher ist die Zugabe von Cu in den derzeit in der Produktion verwendeten HPDC-Legierungen weder hinsichtlich einer Eigenschaftsverbesserung noch einer Qualitätssicherung wirksam. Additionally, in conventional HPDC processes, the castings are often cooled slowly to a low temperature, for example, below 200 ° C, before ejection from the mold and quenching occur. This considerably reduces the subsequent aging potential, since the solubility of the hardening solutes decreases considerably with decreasing quenching temperature. As a result, the residual hardening solute, such as Cu and Mg, available to the aluminum matrix for subsequent curing is very limited. Although an alloy may contain 3-4% Cu in nominal composition, most of the Cu combines with other elements to form intermetallic phases. Without solution treatment, the Cu-containing intermetallic phases do not contribute to the curing of the material. Therefore, the addition of Cu in the HPDC alloys currently used in the production is not effective either for property improvement or quality assurance.
Typische HPDC-Legierungen auf Al-Si-Basis enthalten etwa 3–4 % Cu. Es ist allgemein anerkannt, dass Kupfer (Cu) die größte Einzelwirkung aller gelösten Legierungsstoffe/-Elemente auf die Festigkeit und Härte der Aluminium-Gusslegierungen hat, sowohl wärmebehandelte als auch nicht wärmebehandelte und sowohl bei Umgebungs- als auch bei erhöhten Gebrauchstemperaturen. Es ist bekannt, das Cu die maschinelle Bearbeitbarkeit von Legierungen verbessert, indem es die Härte der Matrix erhöht, wodurch es einfacher ist, kleine Schneidspäne und feinbearbeitete Fertigstücke herzustellen. Auf der anderen Seite erhöht Cu den Gefrierbereich der Legierung und verringert die Nachspeisung, wodurch ein hohes Potential für eine Schwindungsporosität entsteht. Noch bedeutender ist, dass es im Allgemeinen die Korrosionsbeständigkeit von Aluminiumgussteilen reduziert; und bei bestimmten Legierungen und Temper-Behandlungen die Spannungsrisskorrosionsanfälligkeit erhöht. Es wurde beispielsweise berichtet, dass Aluminiumlegierungen mit einem hohen Cu-Gehalt (d. h., oberhalb etwa 3–4 %) eine inakzeptable Korrosionsgeschwindigkeit aufweisen, insbesondere in salzhaltigen Umgebungen. Typische Hochdruck(HPDC)-Aluminiumlegierungen, wie A 380 oder 383, die für Getriebe- und Motorteile verwendet werden, enthalten 2–4 % Cu. Es ist zu erwarten, dass das Korrosionsproblem dieser Legierungen signifikanter werden wird, insbesondere wenn eine längere Garantiezeit und größere Fahrzeug-Fahrleistungen verlangt werden. Typical HPDC Al-Si based alloys contain about 3-4% Cu. It is generally accepted that copper (Cu) has the greatest single effect of all dissolved alloys / elements on the strength and hardness of the aluminum casting alloys, both heat treated and non-heat treated, and at both ambient and elevated service temperatures. It is known that Cu improves the machinability of alloys by increasing the hardness of the matrix, making it easier to make small cutting chips and finely machined finished pieces. On the other hand, Cu increases the freezing range of the alloy and reduces the make-up, creating a high potential for shrinkage porosity. More importantly, it generally reduces the corrosion resistance of aluminum castings; and increases the susceptibility to stress corrosion cracking in certain alloys and annealing treatments. It has been reported, for example, that aluminum alloys having a high Cu content (i.e., above about 3-4%) have an unacceptable rate of corrosion, particularly in saline environments. Typical high pressure (HPDC) aluminum alloys, such as A 380 or 383, used for transmission and engine parts contain 2-4% Cu. It is expected that the corrosion problem of these alloys will become more significant, especially when a longer warranty period and greater vehicle performance is required.
Aluminiumlegierungen wurden entwickelt, um sich einigen bekannten Problemen zuzuwenden. So ist beispielsweise die Aluminiumlegierung A380 eine allgemein aushärtbare Legierung mit der Zusammensetzung (in Gew.-%) 9 Si, 3,1 Cu, 0,86 Fe, 0,53 Zn, 0,16 Mn, 0,11 Ni und 0,1 Mg (
Es ist bekannt, dass eine Reduzierung des Cu-Gehalts die Korrosionsbeständigkeit eines mit Aluminium legierten Werkstoffs verbessert. Man glaubt jedoch, dass Cu in den HPDC-Aluminiumgussteilen eine notwendige Aushärtungskomponente ist. In einer vor kurzem veröffentlichten Arbeit, haben einige Forscher der vorliegenden Erfindung geringere Cu-Gehaltsbereiche von 0,5 % bis 1,5 Gew.-% empfohlen, in Abhängigkeit von den Bedingungen im Gusszustand und der Wärmebehandlung (siehe U.S. Patentanmeldungsnummer Seriennummer 12/827564, Veröffentlichungsnr. 20120000578, wobei die gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist). Nichtsdestoweniger wurde die Gegenwart von Cu in der Gusslösung nach dem Verfestigen als Wesentlich betrachtet, um akzeptable mechanische Eigenschaften zu schützen, insbesondere die Härte/ Zugfestigkeit des Gussteils. It is known that reducing the Cu content improves the corrosion resistance of an aluminum alloyed material. However, it is believed that Cu is a necessary curing component in the HPDC cast aluminum parts. In a recent work, some researchers of the present invention have recommended lower Cu content ranges of 0.5% to 1.5% by weight, depending on the Cast condition and heat treatment conditions (see US Patent Application Serial No. 12/827564, Publication No. 20120000578, the entire disclosure of which is incorporated herein by reference). Nonetheless, the presence of Cu in the casting solution after solidification has been considered essential to protect acceptable mechanical properties, particularly the hardness / tensile strength of the casting.
In der Technik sind hauptsächlich Cu-freie Legierungen, wie A356, bekannt, sie werden jedoch, im Gegensatz zu HDPC und gemäß der Formulierung, typischerweise im Sandguss und/oder semi-permanenten Formguss verwendet, und wie sie formuliert sind, leiden sie an Mängeln bei den mechanischen Eigenschaften, beispielsweise an einer schlechten Zugfestigkeit. In the art, Cu-free alloys such as A356 are mainly known but, unlike HDPC and according to the formulation, they are typically used in sand casting and / or semi-permanent molding, and as they are formulated they suffer from defects in the mechanical properties, for example, a poor tensile strength.
Lin (US. Patentanmeldung Seriennummer 11/031,095) offenbart eine Aluminiumlegierung, die einen reduzierten Cu-Prozentsatz aufweist; aber dennoch lehrt Lin die Bedeutung des Vorhandenseins von etwas Kupfer für den Härtungsprozess. Darüber hinaus enthalten die Lin-Legierungsformulierungen und -Gussteile geringe Gew.-% anteile an Si, um spröde eutektische Al-Si-Netzwerke im gegossenen Zustand zu vermeiden. Das Ziel von Lin war, Aluminiumlegierungen herzustellen, die sich für das Thixoforming eignen, ein Formungsverfahren, das die Merkmale von Gießen und Schmieden kombiniert, das ein Niederdruckformen involviert, um partikuläre mikrokristalline Strukturen zu produzieren und eine Lösungswärmebehandlung zu vermeiden. Die Legierungen von Lin wären für HPDC-Verfahren ungeeignet. Lin (U.S. Patent Application Serial No. 11 / 031,095) discloses an aluminum alloy having a reduced percentage of Cu; but still Lin teaches the importance of having some copper for the hardening process. In addition, the Lin alloy formulations and castings contain low weight percent of Si to avoid as-cast brittle eutectic Al-Si networks. Lin's goal was to produce aluminum alloys suitable for thixoforming, a molding process that combines the features of casting and forging, involving low pressure molding to produce particulate microcrystalline structures and avoid solution heat treatment. Lin alloys would be unsuitable for HPDC processes.
In der Technik besteht eindeutig ein Bedarf für eine Aluminiumlegierung, die für HPDC geeignet ist und einer Aushärtung unterzogen werden kann, ohne Korrosionsbeständigkeit oder mechanische Eigenschaften der Gusskomponenten zu gefährden. There is clearly a need in the art for an aluminum alloy that is suitable for HPDC and can be cured without compromising corrosion resistance or mechanical properties of the cast components.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG SUMMARY OF THE INVENTION
Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung im Wesentlichen Cu-freie Aluminiumlegierungen oder Aluminiumlegierungen mit niedrigem Cu-Gehalt bereit, die für Hochdruckgießen und Aushärtung bei erhöhten Temperaturen, mit reduzierter Porosität im Vergleich zu den bekannten HPDC-Aluminiumlegierungen geeignet sind. Die Gussteile weisen verbesserte mechanische Eigenschaften für Bauanwendungen auf, sowohl bei Raumtemperatur als auch bei erhöhter Temperatur. Accordingly, the present disclosure provides substantially Cu-free aluminum alloys or low Cu content aluminum alloys that are suitable for high pressure casting and elevated temperature, reduced porosity, hardening compared to the known HPDC aluminum alloys. The castings have improved mechanical properties for construction applications, both at room temperature and at elevated temperature.
Eine Aluminiumlegierung gemäß der Erfindung ist für Hochdruckgießen und die Aushärtung geeignet, und stellt nach der Aushärtung bei erhöhten Temperaturen überlegene mechanische Eigenschaften bereit. Ausführungsformen der Aluminiumlegierung umfassen in Gew.-% etwa 7 bis etwa 15 % Silicium (Si); etwa 0 bis etwa 0,6 % Magnesium (Mg); etwa 0 bis etwa 1 % Eisen (Fe); etwa 0 bis etwa 1 % Mangan (Mn); etwa 0 bis etwa 1,0 Zink (Zn); etwa 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium (Sr); etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Titan (Ti); und etwa 0 bis etwa 0,5 Zirkonium (Zr) und mindestens etwa 78 % Aluminium. Eine Legierung kann ferner etwa 0 bis etwa 0,5 % Vanadium (V) umfassen. Eine Legierung gemäß der Offenbarung kann auch etwa 0 bis etwa 0,5 % Kupfer (Cu); und etwa 0 bis etwa 1 % Nickel (Ni) beinhalten. Die obigen Zusammensetzungsbereichen können angepasst werden, basierend auf den Leistungsanforderungen. An aluminum alloy according to the invention is suitable for high pressure casting and curing, and provides superior mechanical properties after curing at elevated temperatures. Embodiments of the aluminum alloy include, by weight, about 7 to about 15% silicon (Si); from about 0 to about 0.6% magnesium (Mg); from about 0 to about 1% iron (Fe); from about 0 to about 1% manganese (Mn); from about 0 to about 1.0 zinc (Zn); about 0 to about 0.1 weight percent strontium (Sr); from about 0 to about 0.5 weight percent titanium (Ti); and about 0 to about 0.5 zirconium (Zr) and at least about 78% aluminum. An alloy may further comprise about 0 to about 0.5% vanadium (V). An alloy according to the disclosure may also contain about 0 to about 0.5% copper (Cu); and about 0 to about 1% nickel (Ni). The above composition ranges may be adjusted based on the performance requirements.
Andere Ausführungsformen sind auf HPDC-Gusserzeugnisse aus einer Aluminiumlegierung gemäß der Erfindung gerichtet. Eine Aluminiumlegierung wird derart formuliert, dass die Legierung eine Korrosion von weniger als ca. 0,1 mm pro Jahr aufweist. Eine Aluminiumlegierung wird derart formuliert, dass die Legierung im gegossenen, durch T5-Temper-Behandlung ausgehärtet und bei 200 °C für 200 Stunden getränkt, und geprüft bei 200 °C, eine Zugfestigkeit oberhalb etwa 150 mPa, eine Reißfestigkeit oberhalb etwa 190 mPa, und eine Verformung oberhalb etwa 1,8 Prozent aufweist. Die Legierung kann eine Lösungsbehandlung über eine Zeitdauer erhalten, die im Allgemeinen kleiner ist, als andere Aluminiumlegierungen dies erfordern. Diese Ausführungsformen ergeben keine Blasenbildung und können einer effektiven Temper-Behandlung oder T6/T7-Aushärtungen unterzogen werden. Ausführungsformen, die sich auf gegossene Erzeugnisse beziehen, besitzen überlegene mechanische Eigenschaften, wenn sie einem oder mehreren Temper-Behandlungen zur Aushärtung unterzogen werden. Other embodiments are directed to HPDC cast aluminum alloy articles according to the invention. An aluminum alloy is formulated such that the alloy has a corrosion of less than about 0.1 mm per year. An aluminum alloy is formulated such that the alloy is cured in the cast, by T5 temper treatment and soaked at 200 ° C for 200 hours, and tested at 200 ° C, a tensile strength above about 150 mPa, a tear strength above about 190 mPa, and has a deformation above about 1.8 percent. The alloy can be solution treated for a period of time that is generally less than other aluminum alloys require. These embodiments do not blister and may be subjected to an effective temper treatment or T6 / T7 cure. Embodiments relating to molded products have superior mechanical properties when subjected to one or more annealing tempering treatments.
Weitere Ausführungsformen beziehen sich auf Verfahren zur Herstellung von Erzeugnissen mithilfe von HPDC einer Aluminiumlegierung gemäß der Offenbarung. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung gemäß den Ausführungsformen der Offenbarung, Einspritzen der geschmolzenen Aluminiumlegierung in eine Form unter hohem Druck, Verfestigen der Legierung in der Form zur Bildung des Gussteils, Abkühlen des Gussteils in der Gussform auf eine Abschrecktemperatur, Abschrecken des Gussteils in einer Abschrecklösung, und Unterwerfen des Gussteils einer oder mehrerer Aushärtungsbehandlungen. Die Legierung ist derart formuliert, dass das Gussteil mit einer Geschwindigkeit von weniger als ca. 0,1 mm pro Jahr korrodiert und eine Streckgrenze oberhalb etwa 150 mPa, eine Reißfestigkeit oberhalb etwa 190 mPa, und eine Verformung oberhalb etwa 1,8 Prozent bewahrt, nachdem es bei 200 °C für 200 Stunden durchtränkt wird und bei 200 °C geprüft wird. Other embodiments relate to methods of making articles using HPDC of an aluminum alloy in accordance with the disclosure. The method comprises providing a molten aluminum alloy according to embodiments of the disclosure, injecting the molten aluminum alloy into a mold under high pressure, solidifying the alloy in the mold to form the casting, cooling the casting in the mold to a quench temperature, quenching the casting in FIG quenching, and subjecting the casting to one or more curing treatments. The alloy is formulated such that the casting corrodes at a rate of less than about 0.1 mm per year and maintains a yield strength above about 150 mPa, a tear strength above about 190 mPa, and a strain above about 1.8 percent. after soaking at 200 ° C for 200 hours and testing at 200 ° C.
Diese und weitere Aspekte und Ausführungsformen werden im Hinblick auf die ausführliche Beschreibung und die nachstehenden Figuren besser verdeutlicht. These and other aspects and embodiments will become better understood with regard to the detailed description and the following figures.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
Die folgende detaillierte Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen kann am besten verstanden werden, wenn sie zusammen mit den folgenden Zeichnungen gelesen wird: The following detailed description of the specific embodiments may be best understood when read in conjunction with the following drawings:
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Die Ausführungsformen der Offenbarung betreffen im Allgemeinen die im Wesentlichen Cu-freien Aluminiumlegierungen bzw. die Aluminiumlegierungen mit niedrigem Cu-Gehalt, die formuliert wurden, um HPDC-gegossene Komponenten bereitzustellen, die einer Aushärtung bei erhöhten Temperaturen unterzogen werden können und sich durch überlegene mechanische Eigenschaften und eine geringe Porosität ausgezeichnet. Anders als die in der Technik bekannten Legierungsgussteile aus einer aluminiumbasierten Cu-haltigen Legierung, können die hier vorliegenden Gussteile einem vollständigen Bereich von Temper-Behandlungen zur Aushärtung unterzogen werden. The embodiments of the disclosure generally relate to the substantially Cu-free aluminum alloys and the low Cu content aluminum alloys that have been formulated to provide HPDC cast components that can be cured at elevated temperatures and superior mechanical properties and a low porosity excellent. Unlike the alloy castings known in the art from an aluminum-based Cu-containing alloy, the castings present here can be subjected to a full range of tempering treatments for curing.
Wie hierin verwendet, bezieht sich „Gussteile” im Wesentlichen auf im Hochdruckgießen hergestellte Aluminiumlegierungen, die durch Verfestigung der Aluminiumlegierungszusammensetzungen gebildet werden. Dadurch kann auf die Gussteile hier während jeder Stufe eines Hochdruckgießens und/oder einer Wärmebehandlung nach einer Verfestigung, egal ob durch Kühlung, Abschrecken, Alterung, oder anderweitig, Bezug genommen werden. Des Weiteren können Gussteile jedes Teil, jede Komponente, jedes Produkt, gebildet über eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung, beinhalten. As used herein, "castings" essentially refer to high pressure-cast aluminum alloys formed by solidification of the aluminum alloy compositions. This may refer to the castings herein during each stage of high pressure casting and / or heat treatment after solidification, whether by cooling, quenching, aging, or otherwise. Further, castings may include any part, component, product formed over an embodiment of the present disclosure.
Des Weiteren, wie hierin verwendet, bezieht sich „mechanisches Eigenschaft,” und zugehörige Ausdrücke hierzu, im Wesentlichen mindestens auf eine und/oder eine beliebige Kombination von, Festigkeit, Härte, Zähigkeit, Elastizität, Plastizität, Sprödigkeit und Duktilität und Formbarkeit, die bezeichnet, wie ein Metall, wie Aluminium und Legierungen davon, sich unter Last verhält. Die mechanischen Eigenschaften werden im Allgemeinen als Arten der Kraft oder der Beanspruchung beschrieben, welcher das Metall standhalten muss und es diesen widersteht. Further, as used herein, "mechanical property," and related terms, refer to substantially at least one and / or any combination of strength, hardness, toughness, resiliency, plasticity, brittleness, and ductility and formability referred to How a metal, such as aluminum and alloys thereof, behaves under load. The mechanical properties are generally described as types of force or stress that the metal must withstand and withstand.
Wie hierin verwendet, bezieht sich „Festigkeit” auf mindestens eine und/oder eine beliebige Kombination von Streckgrenze, Reißfestigkeit, Zugfestigkeit, Dauerfestigkeit, und Schlagzähigkeit. Festigkeit bezieht sich im Allgemeinen auf eine Eigenschaft, die ein Metall dazu befähigt, einer Verformung unter Last zu widerstehen. Streckgrenze bezieht sich im Allgemeinen auf die Beanspruchung, bei der ein Material beginnt sich plastisch zu verformen. In der Technik kann die Streckgrenze als die Beanspruchung definiert werden, bei der eine vorgegebene Menge (beispielsweise ungefähr 0,2 %) einer dauerhaften Verformung auftritt. Die Reißfestigkeit bezieht sich im Allgemeinen auf eine maximale Dehnung, der ein Metall widerstehen kann. Zugfestigkeit bezieht sich im Allgemeinen auf eine Messung eines Widerstands gegenüber einem Auseinander-Gezogen-Werden bei einer Zugbelastung. Die Dauerfestigkeit bezieht sich im Allgemeinen auf eine Fähigkeit eines Metalls verschiedenen Arten sich schnell ändernden Spannungen standzuhalten und kann durch die Größe der wechselnden Belastung für eine vorgegebene Anzahl von Zyklen angegeben werden. Die Schlagfestigkeit bezieht sich im Allgemeinen auf die Fähigkeit eines Metalls, plötzlich angelegten Kräften zu widerstehen. Im Allgemeinen gilt: je höher die Streckgrenze, desto höher sind auch die anderen Festigkeiten. As used herein, "strength" refers to at least one and / or any combination of yield strength, tear strength, tensile strength, fatigue strength, and impact strength. Strength generally refers to a property that enables a metal to resist deformation under load. Yield strength generally refers to the stress at which a material begins to plastically deform. In the art, the yield strength can be defined as the stress at which a given amount (for example, about 0.2%) of permanent deformation occurs. The tear strength generally refers to a maximum elongation that a metal can withstand. Tensile strength generally refers to a measurement of resistance to being pulled apart in a tensile load. Fatigue life generally refers to an ability of a metal to withstand various types of rapidly changing stresses and can be represented by the magnitude of the alternating load for a given number of cycles. Impact resistance generally refers to the ability of a metal to withstand sudden forces. In general, the higher the yield strength, the higher the other strengths.
Wie hierin verwendet, bezieht sich „Härte” im Allgemeinen auf eine Eigenschaft eines Metalls, einem permanenten Eindruck standzuhalten. Härte ist im Allgemeinen direkt proportional zur Festigkeit. Daher hat ein Metall mit einer hohen Festigkeit typischerweise auch eine hohe Härte. As used herein, "hardness" generally refers to a property of a metal to withstand a permanent impression. Hardness is generally directly proportional to the strength. Therefore, a metal having a high strength typically also has a high hardness.
Es ist bekannt, dass Aluminiumlegierungszusammensetzungen, die sich verfestigen, um Gussteile zu bilden, eine Vielzahl von Elementen umfassen, wie, jedoch nicht beschränkt auf, Aluminium (Al), Silicium (Si), Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), Eisen (Fe), Mangan (Mn), Zink (Zn), Nickel (Ni), Titan (Ti), Strontium (Sr) usw. Die Elemente und ihre entsprechenden Konzentrationen, die eine Aluminiumlegierungszusammensetzung definieren, können die mechanischen Eigenschaften des daraus geformten Gussteils erheblich beeinflussen. Insbesondere können einige Elemente als härtende, gelöste Stoffe bezeichnet werden. Diese härtenden gelösten Stoffe können ineinander eingreifen und/oder sich aneinander und/oder mit anderen Elementen während Verfestigung, Abkühlung, Abschreckung und Aushärtung des Gussteils und während des Wärmebehandlungsverfahrens binden. Die Alterung wird im Allgemeinen verwendet, um die Festigkeit der Gussteile zu erhöhen. Während zur Alterung verschiedene Prozesse verfügbar sind, sind im Allgemeinen für das Hochdruckgießen einer Aluminiumlegierung aus den oben beschriebenen Gründen nur einige anwendbar und/oder ausreichend wirksam. Die für HPDC-Teile bekannten Aluminiumlegierungsgussteile sind im Allgemeinen auf die T5-Temper-Behandlung zur Alterung (natürlichen oder künstlich) begrenzt. Die Alterung erhöht die Festigkeit der Gussteile, indem Sie die Ausscheidung der härtenden, gelösten Stoffe der Aluminiumlegierungszusammensetzung erleichtert. It is known that aluminum alloy compositions that solidify to form castings include a variety of elements such as, but not limited to, aluminum (Al), silicon (Si), magnesium (Mg), copper (Cu), iron (Fe), manganese (Mn), zinc (Zn), nickel (Ni), titanium (Ti), strontium (Sr), etc. The elements and their respective concentrations which define an aluminum alloy composition can provide the mechanical properties of the casting molded therefrom significantly influence. In particular, some elements may be termed hardening solutes. These hardening solutes may interlock and / or bond to each other and / or to other elements during solidification, cooling, quenching and curing of the casting and during the heat treatment process. Aging is generally used to increase the strength of the castings. While various processes are available for aging, generally only a few are applicable and / or sufficiently effective for high pressure casting of an aluminum alloy for the reasons described above. The aluminum alloy castings known for HPDC parts are generally limited to the T5 temper treatment for aging (natural or artificial). Aging increases the strength of the castings by facilitating the precipitation of the hardening solutes of the aluminum alloy composition.
Künstliche Alterung (T5) erwärmt die Gussteile auf eine erhöhte, typischerweise mittlere Temperatur für eine Zeitdauer, die zur Festigkeitserhöhung des Gussteils durch Ausscheidung der härtenden, gelösten Stoffe ausreicht. Da die Ausscheidung ein kinetischer Prozess ist, sind die entsprechenden, verfügbaren Konzentrationen (Übersättigung) des härtenden, gelösten Stoffes, die für eine Ausscheidung verfügbar sind, für die Antwort der Festigkeitserhöhung des Gussteils auf die Aushärtung signifikant. Demnach haben die Konzentrationen von härtenden, gelösten Stoffen, und die Verfügbarkeit derselben zur Ausscheidung, einen erheblichen Einfluss auf das Ausmaß, zu dem das Gussteil während einer Aushärtung verfestigt wird. Wenn verhindert wird, oder im Wesentlichen verhindert wird, dass die härtenden gelösten Stoffe aneinander binden und/oder sich mit anderen Elementen vor der Aushärtung verbinden, dann können die härtenden gelösten Stoffe während der Aushärtung unter Verfestigung bzw. Festigkeitserhöhung des Gussteils ausscheiden. Artificial Aging (T5) heats the castings to an elevated, typically medium temperature for a time sufficient to increase the strength of the casting by excreting the hardening solutes. Since excretion is a kinetic process, the corresponding available (supersaturation) levels of hardening solute available for excretion are significant to the response of the strength increase of the casting to the cure. Thus, the concentrations of hardening solutes and their availability for precipitation have a significant impact on the extent to which the casting solidifies during cure. If it is prevented or substantially prevented that the hardening solutes bind to each other and / or combine with other elements before curing, then the hardening solutes may precipitate during hardening to increase the strength of the casting.
Um zu verhindern, oder mindestens im Wesentlichen zu verhindern, dass sich die härtenden, gelösten Stoffe aneinander binden und/oder mit anderen Elementen der Aluminiumlegierungszusammensetzung vor der Aushärtung verbinden, und um dadurch die Verfügbarkeit der härtenden gelösten Stoffe aufrecht zu erhalten, wird das Gussteil im Formwerkzeug auf eine Abschrecktemperatur abgekühlt und unmittelbar danach abgeschreckt. Um die Abkühlung des Gussteils auf die Abschrecktemperatur zu erleichtern, kann eine Ausführungsform ein selektives Erwärmen und/oder Abkühlen eines bestimmten Bereichs oder mehrerer bestimmter Bereiche des Gussteils vor seiner Entnahme aus dem Formwerkzeug zum Abschrecken umfassen. In order to prevent, or at least substantially prevent, the hardening solutes from binding to one another and / or bonding to other elements of the aluminum alloy composition prior to curing, and thereby maintaining the availability of the hardening solutes, the casting becomes inert Cooled mold to a quenching temperature and immediately quenched. To facilitate cooling of the casting to the quench temperature, an embodiment may include selectively heating and / or cooling a particular region or regions of the casting prior to removal from the quench mold.
Um die Ausscheidung während der Alterung zu erhöhen, und damit die mechanischen Eigenschaften der Gussteile zu verbessern, werden ein oder mehrere bestimmte härtende, gelöste Stoffe typischerweise in die Aluminiumlegierung integriert. Herkömmlicherweise wird in der Technik anerkannt, dass Magnesium (Mg), Kupfer (Cu), und Silicium (Si) besonders wirksam sind und auch in Aluminiumlegierungen als härtende, gelöste Stoffe notwendig sind. Mg kann sich mit Si unter Bildung von Mg/Si-Ausscheidungen verbinden, zum Beispiel β’’-, ß’- und Gleichgewichts-Mg2Si-Phasen. Die Ausscheidungsarten, -größen, und -konzentrationen hängen typischerweise von den vorliegenden Alterungsbedingungen und den Zusammensetzungen der Aluminiumlegierungen ab. So neigt beispielsweise eine Unteralterung zur Bildung von abscherbaren β″ Ausscheidungen, während die Peak-Alterung und Überalterung im Allgemeinen zur Bildung von nicht abscherbaren β’ und Mg2Si-Gleichgewichtsphasen neigen. Bei der Alterung von Aluminiumlegierungen, kann Si allein Si-Ausscheidungen bilden. Bei der Festigkeitserhöhung von Aluminiumlegierungen sind Si-Ausscheidungen jedoch im Allgemeinen nicht so wirksam wie Mg/Si-Ausscheidungen. Des Weiteren kann sich Cu mit Aluminium (Al) unter Bildung mehrerer metastabiler Ausscheidungsphasen vereinigen, wie zum Beispiel θ′ und θ in Al-Si-Mg-Cu-Legierungen, von denen bekannt ist, dass sie zur Festigkeitserhöhung sehr wirksam sind. In order to increase precipitation during aging and thereby improve the mechanical properties of the castings, one or more particular hardening solutes are typically incorporated into the aluminum alloy. Conventionally, it has been recognized in the art that magnesium (Mg), copper (Cu), and silicon (Si) are particularly effective and are also required in aluminum alloys as hardening solutes. Mg can combine with Si to form Mg / Si precipitates, for example, β ", β 'and equilibrium Mg 2 Si phases. The precipitation types, sizes, and concentrations typically depend on the present aging conditions and the compositions of the aluminum alloys. For example, under aging tends to form shearable β "precipitates, while peak aging and overaging generally tend to form non-shearable β 'and Mg 2 Si equilibrium phases. In the aging of aluminum alloys, Si alone can form Si precipitates. However, in the strength enhancement of aluminum alloys, Si precipitates are generally not as effective as Mg / Si precipitates. Furthermore, Cu may combine with aluminum (Al) to form several metastable precipitation phases, such as θ 'and θ in Al-Si-Mg-Cu alloys, which are known to be very effective in increasing strength.
Es besteht auch eine breite Akzeptanz, dass erhöhte Konzentrationen des wirksameren härtenden, gelösten Stoffes in die Aluminiumlegierungszusammensetzung integriert werden können, um deren Verfügbarkeit zur Ausscheidung bei der Alterung zu erhöhen. Gemäß technischer Daten zu konventionellen Aluminiumlegierungszusammensetzungen für HPDC liegt im Allgemeinen die maximal integrierte Mg-Konzentration unter 0,1 Gew.-% der jeweiligen Zusammensetzungen. In der Industriepraxis liegen die Mg-Konzentrationen in solchen Aluminiumlegierungszusammensetzungen jedoch weit unter 0,1 %. Dadurch können die Zusammensetzungen im Allgemeinen keine Mg/Si-Ausscheidungen bilden, wodurch es zu einer minimalen Festigkeitserhöhung des Gussteils durch Mg/Si-Ausscheidung kommt, auch während den T5-Alterungsprozessen. In der Tat ist allgemein anerkannt, dass die einzig durchführbare Festigkeitserhöhung des Gussteils in diesem Fall durch Bildung von Al/Cu-Ausscheidungen resultiert. Daher wird Cu als notwendiger härtender, gelöster Stoff in Aluminium-Silicium-Legierungen in HPDC-Verfahren angesehen. There is also widespread acceptance that increased concentrations of the more effective hardening solute can be incorporated into the aluminum alloy composition to increase its availability for precipitation during aging. According to technical data on conventional aluminum alloy compositions for HPDC, generally the maximum integrated Mg concentration is below 0.1% by weight of the respective compositions. However, in industrial practice, the Mg concentrations in such aluminum alloy compositions are well below 0.1%. This allows the compositions in the Generally, they do not form Mg / Si precipitates, resulting in a minimal increase in strength of the casting due to Mg / Si precipitation, even during T5 aging processes. In fact, it is generally accepted that the only feasible increase in strength of the casting in this case results from the formation of Al / Cu precipitates. Therefore, Cu is considered to be a necessary hardening solute in aluminum-silicon alloys in HPDC processes.
Wird jedoch ein HPDC-Gussteil den gewünschten Aushärtungs-Temper-Behandlungen unterzogen, kann die Härtungswirksamkeit der Härtungsbeitrag von Cu überraschenderweise begrenzt sein. Obwohl typische HPDC-Aluminiumlegierungen, wie A380, 380 oder 383, in nominaler Zusammensetzung 3–4 % Cu enthalten, ist der tatsächliche gelöste Cu-Stoff, der für die nachfolgende Alterung in der gegossenen Aluminiummatrix verbleibt, tatsächlich stark reduziert. Wie in
Dementsprechend stellt eine Ausführungsform der Offenbarung eine Aluminiumlegierung bereit, die für HPDC-Verfahren und eine Temper-Behandlung zur Aushärtung bei erhöhten Temperaturen geeignet ist. Die Legierung umfasst mindestens etwa 78 Gew.-% Aluminium (Al); etwa 7 bis etwa 15 Gew.-% Silicium (Si); etwa 0 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium (Mg); etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Eisen (Fe); etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Mangan (Mn); etwa 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Zink (Zn); etwa 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium (Sr); etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Titan (Ti); und etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zirkonium (Zr). Mg und Si sind wirksame härtende, gelöste Stoffe. Mg vereinigt sich mit Si zur Bildung von Mg/Si-Ausscheidungen, wie β", β' und Mg2Si-Gleichgewichtsphasen. Der tatsächliche Ausscheidungstyp, seine Menge und Größe hängen von den Alterungsbedingungen und insbesondere vom Mg- und Si-Gehalt, der nach dem Gießen in der Matrix verbleibt, ab. Im Vergleich zu Cu ist die Löslichkeit von Si und Mg in der Aluminiummatrix höher. Auch die Diffusität von Mg und Si in der Aluminiummatrix ist höher als die von Cu. Erhöhen des Si-Gehalts nahe der eutektischen Zusammensetzung (~12 %) kann den Gefrierbereich ebenfalls reduzieren und somit die Gießfähigkeit und Qualität des Gussteils verbessern. Mg und Si sind beide leichter und kostengünstiger als Cu. Accordingly, one embodiment of the disclosure provides an aluminum alloy that is suitable for HPDC processes and annealing for curing at elevated temperatures. The alloy comprises at least about 78% by weight of aluminum (Al); from about 7 to about 15 weight percent silicon (Si); from about 0 to about 0.6 weight percent magnesium (Mg); from about 0% to about 1% by weight of iron (Fe); from about 0 to about 1 weight percent manganese (Mn); from about 0 to about 1.0 weight percent zinc (Zn); about 0 to about 0.1 weight percent strontium (Sr); from about 0 to about 0.5 weight percent titanium (Ti); and about 0 to about 0.5 weight percent zirconium (Zr). Mg and Si are effective hardening solutes. Mg combines with Si to form Mg / Si precipitates such as β ", β 'and Mg 2 Si equilibrium phases The actual type of precipitation, its amount and size depend on the aging conditions and in particular on the Mg and Si content After dissolution in the matrix, the solubility of Si and Mg in the aluminum matrix is higher, and the diffusivity of Mg and Si in the aluminum matrix is higher than that of Cu eutectic composition (~ 12%) can also reduce the freezing area, thus improving the casting ability and quality of the casting, both of which are lighter and less expensive than Cu.
Idealerweise sollte eine Cu-freie Aluminiumlegierung nach der Verfestigung eine ähnliche Menge an Sekundärphasenpartikeln bilden. Die Legierung sollte auch Eisen (Fe) enthalten, um ein Kleben an der Form zu vermeiden. Fe kann jedoch leicht eine unerwünschte nadelförmige intermetallische Phase bilden, wenn Mangan (Mn) nicht in den entsprechenden proportionalen Mengen hinzugefügt wird. Gemäß anderen Ausführungsformen, umfasst die Aluminiumlegierung ferner: etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Vanadium (V). Entsprechend einer sehr spezifischen Ausführungsform, besteht eine Aluminiumlegierung, die geeignet ist für HPDC und die Aushärtung, im Wesentlichen aus: etwa 13 Gew.-% Silicium (Si); etwa 0,4 Gew.-% Magnesium (Mg); etwa 0,4 Gew.-% Eisen (Fe); etwa 0,8 Gew.-% Mangan (Mn); etwa 0,5 Gew.-% Zink (Zn); etwa 0,04 Gew.-% Strontium (Sr); etwa 0,3 Gew.-% Titan (Ti); etwa 0,15 Gew.-% Zirkonium (Zr); und als Rest Aluminium (Al). Gemäß einer weiteren sehr speziellen Ausführungsform, besteht eine Aluminiumlegierung, geeignet für HPDC und die Aushärtung, im Wesentlichen aus: etwa 8,5 Gew.-% Silicium (Si); etwa 0,4 Gew.-% Magnesium (Mg); etwa 0,4 Gew.-% Eisen (Fe); etwa 0,5 Gew.-% Mangan (Mn); etwa 0,5 Gew.-% Zink (Zn); etwa 0,04 Gew.-% Strontium (Sr); etwa 0,3 Gew.-% Titan (Ti); etwa 0,3 Gew.-% Zirkonium (Zr); etwa 0,3 Gew.-% Vanadium (V); und als Rest Aluminium (Al). Gemäß einer weiteren sehr speziellen Ausführungsform, besteht eine Aluminiumlegierung, geeignet für HPDC und Aushärtung, im Wesentlichen aus: etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer (Cu); und etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Nickel (Ni). Ideally, a Cu-free aluminum alloy after solidification should form a similar amount of secondary phase particles. The alloy should also contain iron (Fe) to avoid sticking to the mold. However, Fe can easily form an undesirable acicular intermetallic phase if manganese (Mn) is not added in the corresponding proportional amounts. In other embodiments, the aluminum alloy further comprises: about 0 to about 0.5 weight percent vanadium (V). According to a very specific embodiment, an aluminum alloy suitable for HPDC and curing consists essentially of: about 13% by weight silicon (Si); about 0.4% by weight of magnesium (Mg); about 0.4% by weight of iron (Fe); about 0.8 wt% manganese (Mn); about 0.5% by weight % Zinc (Zn); about 0.04 wt.% strontium (Sr); about 0.3% by weight of titanium (Ti); about 0.15 weight percent zirconium (Zr); and the balance aluminum (Al). According to another very specific embodiment, an aluminum alloy suitable for HPDC and curing consists essentially of: about 8.5% by weight of silicon (Si); about 0.4% by weight of magnesium (Mg); about 0.4% by weight of iron (Fe); about 0.5% by weight of manganese (Mn); about 0.5% by weight of zinc (Zn); about 0.04 wt.% strontium (Sr); about 0.3% by weight of titanium (Ti); about 0.3 wt% zirconium (Zr); about 0.3 wt% vanadium (V); and the balance aluminum (Al). According to another very specific embodiment, an aluminum alloy suitable for HPDC and curing consists essentially of: about 0 to about 0.5 weight percent copper (Cu); and about 0 to about 1 weight percent nickel (Ni).
Entsprechend einer sehr spezifischen Ausführungsform, besteht eine Aluminiumlegierung, geeignet für HPDC und Aushärtung, im Wesentlichen aus: mindestens etwa 78 bis etwa 90 Gew.-% Aluminium (Al); etwa 7 bis 15 Gew.-% Silicium (Si); etwa 0 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium(Mg); etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Eisen (Fe); etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Mangan (Mn); etwa 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Zink (Zn); etwa 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium (Sr); etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Titan (Ti); etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zirkonium (Zr); etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Vanadium (V); etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer (Cu); und etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Nickel (Ni). According to a very specific embodiment, an aluminum alloy suitable for HPDC and curing consists essentially of: at least about 78 to about 90 weight percent aluminum (Al); about 7 to 15% by weight of silicon (Si); from about 0 to about 0.6 weight percent magnesium (Mg); from about 0% to about 1% by weight of iron (Fe); from about 0 to about 1 weight percent manganese (Mn); from about 0 to about 1.0 weight percent zinc (Zn); about 0 to about 0.1 weight percent strontium (Sr); from about 0 to about 0.5 weight percent titanium (Ti); from about 0 to about 0.5 weight percent zirconium (Zr); from about 0 to about 0.5 weight percent vanadium (V); from about 0 to about 0.5 weight percent copper (Cu); and about 0 to about 1 weight percent nickel (Ni).
Die Tabelle in
In bestimmten Ausführungsformen ist die Verwendung einiger Elemente in der vorliegenden Anmeldung für Aluminiumlegierungen ungewöhnlich. Strontium wurde in Aluminiumlegierungen verwendet, um die Duktilität und die Beständigkeit bezüglich dem Kleben an der Form zu reduzieren. Es ist bekannt, dass Strontium das Aluminium-Silizium-Eutektikum verändert, was mit sehr niedrigen Gehalten erreicht werden kann. Es ist jedoch wünschenswert, die Zugabe höherer Gehalte zu vermeiden, da diese mit Porosität beim Gießen verbunden sind. Ebenso ist Titan ein Element, das als Kornverfeiner zu einer Aluminiumlegierung hinzugefügt werden kann, sowie zur Verbesserung des Verhältnisses zwischen Festigkeit und Gewicht und der Korrosionsbeständigkeit. Titan kann auch in Konzentrationen hinzugefügt werden, die größer als die zur Kornverfeinerung erforderlich sind, um die Rissneigung zu reduzieren und die Hochtemperaturleistungsfähigkeit zu verbessern. Zirkonium wird in Legierungen größtenteils wegen seiner Korrosionsbeständigkeit und Hochtemperaturleistungsfähigkeit verwendet. Die Bildung einer feinen intermetallischen Ausscheidung, das die die Erholung und Umkristallisation hemmt, ist eine weitere Wirkung der Zugabe von Zirkonium zur Legierung. Schließlich ist Vanadium im Allgemeinen für seine Korrosionsbeständigkeit bekannt, und kann als Stabilisator in einer Aluminiumlegierung verwendet werden. Es hat sich auch gezeigt, dass es andere Eigenschaften erheblich verbessert, wie die Festigkeit in Triebwerken und in Flugzeugzellen. In certain embodiments, the use of some of the elements in the present application is unusual for aluminum alloys. Strontium has been used in aluminum alloys to reduce ductility and sticking to the mold. It is known that strontium alters the aluminum-silicon eutectic, which can be achieved at very low levels. However, it is desirable to avoid the addition of higher levels as these are associated with porosity in casting. Also, titanium is an element that can be added as a grain refiner to an aluminum alloy, as well as to improve the relationship between strength and weight and corrosion resistance. Titanium may also be added in concentrations greater than that required for grain refining to reduce cracking tendency and improve high temperature performance. Zirconium is used in alloys mostly because of its corrosion resistance and high temperature performance. The formation of a fine intermetallic precipitate which inhibits recovery and recrystallization is another effect of the addition of zirconium to the alloy. Finally, vanadium is generally known for its corrosion resistance, and can be used as a stabilizer in an aluminum alloy. It has also been shown to significantly improve other properties, such as strength in engines and in airframes.
Ein maßgeblicher Vorteil der erfindungsgemäßen Legierungen ist, dass die in der Technik bekannten Korrosionsprobleme, die mit dem Cu-Gehalt in Zusammenhang gebracht werden, eliminiert bzw. stark vermindert werden können, ohne dabei die Festigkeit des HPDC-Gusserzeugnisses zu beeinflussen. Die Verwendung einer Cu-freien oder Cu-armen Legierung löst dieses Problem weitgehend.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein HPDC-Gusserzeugnis aus einer im Wesentlichen Cu-freien formulierten Aluminiumlegierung gemäß der Offenbarung bereitgestellt. Anders als bei konventionellen Cu-haltigen Legierungen, kann die Cu-freie bzw. Cu-arme Legierung einer sehr kurzen (d. h. 10 Minuten) T4-Lösungsbehandlung unterzogen werden, ohne dass Probleme mit Blasen auftreten, um eine effektive Temper-Wärmebehandlung oder T6/T7-Alterungshärtungen durchführen zu können. Gegenüber Cu hat Mg eine hohe Diffusität in einer Al-Si-Legierung und erfordert somit eine wesentlich kürzere Lösungsbehandlungszeit. Durch die Abwesenheit von C in der vorliegenden Erfindung, bzw. durch die wesentlich niedrigeren Cu-Gehalte, müssen sich während der Lösungsbehandlung nur die Mg- und Si-Partikel auflösen. Daher können die Legierungen der vorliegenden Offenbarung, infolge der vergleichsweise höheren Konzentrationen an Mg und Si und den vergleichsweise niedrigeren Konzentrationen an Cu, einer verkürzten Lösungsbehandlung unterzogen werden. In bestimmten Ausführungsformen können die Gusserzeugnisse bei Temperaturen um etwa 500 °C einer Lösungsmittelbehandlung unterzogen werden. Gemäß der vorliegenden Offenbarung kann die Auflösung der Mg2Si-Partikel während der Lösungsbehandlung bei 450 °C nach 25 Minuten abgeschlossen werden, selbst für die größte Partikelgröße von 10 µm. Im Allgemeinen beträgt bei HPDC-Teilen die typische Mg2Si-Partikelgröße weniger als 5 µm, selbst in einem dicken Abschnitt, wie beispielsweise im Trennwandbereich eines Motorblocks. In einem Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung, kann eine Lösungsbehandlung der Druckgussteile mit den offenbarten Legierungen in nur 5 Minuten durchgeführt werden. Die Gusserzeugnisse können eine Mikrostruktur aufweisen, die mindestens einen oder mehrere der unlöslichen, verfestigten und/oder ausgeschiedenen Partikeln mit mindestens einem Legierungselement umfassen, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Al, Si, Mg, Fe, Mn, Zn, Sr, Ti, Zr, V, Cu, Ni. In accordance with another embodiment, an HPDC cast product is provided from a substantially Cu-free formulated aluminum alloy in accordance with the disclosure. Unlike conventional Cu-containing alloys, the Cu-free or Cu-lean alloy can be subjected to a very short (
Gemäß anderen Ausführungsformen wird ein HPDC-Herstellungsverfahren bereitgestellt, worin eine geschmolzene, im Wesentlichen Cu-freie oder Cu-arme Aluminiumlegierung bereitgestellt wird und unter hohem Druck in eine Gussform gegossen wird. Die Legierung verfestigt sich in der Form und bildet das Gussteil, und das Gussteil in der Gussform auf eine gewünschte Abschrecktemperatur wird abgekühlt, die üblicherweise empirisch ermittelt wird. Das Gussteil kann aus der Gussform entnommen und in einer Abschrecklösung abgeschreckt werden. Das Gussteil kann einem oder mehreren Schritte von Temper-Behandlungen zur Aushärtung unterzogen werden. Das Gussteil kann auch für eine Zeitdauer von etwa 5 Minuten bis etwa 25 Minuten einer Lösungswärmebehandlung unterzogen werden. Diese Behandlung kann nach dem Abschrecken des Gussteils durchgeführt werden und bevor das Gussteil mindestens einer Aushärtungsbehandlung unterzogen wird. Alternativ kann diese kurze Lösungsbehandlung unmittelbar nach Herstellung und Entnahme des Gussteils aus der Gussform erfolgen, während das Gussteil noch heiß ist, um Energie und die Kosten infolge des erneuten Erhitzens zu sparen. According to other embodiments, there is provided an HPDC manufacturing method wherein a molten, substantially Cu-free or low-Cu aluminum alloy is provided and poured under high pressure into a mold. The alloy solidifies in the mold and forms the casting, and the casting in the casting mold is cooled to a desired quench temperature, which is usually determined empirically. The casting can be removed from the mold and quenched in a quench solution. The casting may be subjected to one or more steps of annealing tempering treatments. The casting may also be subjected to a solution heat treatment for a period of about 5 minutes to about 25 minutes. This treatment may be carried out after the casting has been quenched and before the casting is subjected to at least one curing treatment. Alternatively, this brief solution treatment can be made immediately after the casting is produced and removed from the mold while the casting is still hot to save energy and the cost of re-heating.
Gemäß ganz bestimmten Ausführungsformen umfasst das Herstellungsverfahren eines hohen Hochdruckgussteils aus einer Aluminiumlegierung: Bereitstellen einer geschmolzenen Aluminiumlegierung, bestehend im Wesentlichen aus mindestens etwa 78 bis etwa 90 Gew.-% Aluminium (Al), etwa 7 bis etwa 15 Gew.-% Silizium (Si), etwa 0 bis etwa 0,6 Gew.-% Magnesium (Mg), etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Eisen (Fe); etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Mangan (Mn), etwa 0 bis etwa 1,0 Gew.-% Zink (Zn) etwa 0 bis etwa 0,1 Gew.-% Strontium (Sr), etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Titan (Ti), etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Zirkonium (Zr), etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Vanadium (V), etwa 0 bis etwa 0,5 Gew.-% Kupfer (Cu), und etwa 0 bis etwa 1 Gew.-% Nickel (Ni); Gießen der geschmolzenen Aluminiumlegierung in eine Form unter hohem Druck; Erstarren der Legierung in der Form um das Gussteile zu bilden; Abkühlen des Gussteils noch in der Gussform auf eine Abschrecktemperatur; Abschrecken des Gussteils in einer Abschrecklösung; und Unterwerfen des Gussteils einer T5-Aushärtungsbehandlung. According to quite specific embodiments, the method of producing a high aluminum alloy high pressure casting comprises: providing a molten aluminum alloy consisting essentially of at least about 78 to about 90 weight percent aluminum (Al), about 7 to about 15 weight percent silicon (Si ), about 0 to about 0.6 weight percent magnesium (Mg), about 0 to about 1 weight percent iron (Fe); about 0 to about 1 weight percent manganese (Mn), about 0 to about 1.0 weight percent zinc (Zn), about 0 to about 0.1 weight percent strontium (Sr), about 0 to about zero , 5% by weight of titanium (Ti), about 0 to about 0.5% by weight of zirconium (Zr), about 0 to about 0.5% by weight of vanadium (V), about 0 to about 0.5 Wt% copper (Cu), and about 0 to about 1 wt% nickel (Ni); Pouring the molten aluminum alloy into a mold under high pressure; Solidifying the alloy in the mold to form the castings; Cooling the casting still in the mold to a quenching temperature; Quenching the casting in one quench; and subjecting the casting to a T5 cure treatment.
Es wird angemerkt, dass Begriffe wie „im Allgemeinen”, „üblicherweise”, und „typischerweise” hier nicht zur Einschränkung des Schutzumfangs der anspruchsgemäßen Ausführungsformen verwendet werden oder implizieren, dass bestimmte Merkmale kritisch, essenziell oder sogar wichtig für die Struktur oder Funktion der anspruchsgemäßen Ausführungsformen sind. Stattdessen werden diese Begriffe verwendet, um besondere Aspekte einer Ausführungsform zu identifizieren oder lediglich die alternativen oder zusätzlichen Merkmale hervorzuheben, die in einer bestimmten Ausführungsform verwendet werden können, aber nicht müssen. It is noted that terms such as "general," "common," and "typically" are not used herein to limit the scope of the claimed embodiments, or imply that certain features are critical, essential, or even important to the structure or function of the claims Embodiments are. Instead, these terms are used to identify particular aspects of an embodiment or merely highlight the alternative or additional features that may or may not be used in a particular embodiment.
Zum Zweck der Beschreibung und der Definition der vorliegenden Ausführungsformen, sei darauf hingewiesen, dass die Bezeichnungen „im Wesentlichen” „erheblich” und „etwa” hierin verwendet werden, um den entsprechenden Grad von Ungewissheit darzustellen, der jedem quantitativen Vergleich, Wert, Maß oder anderer Darstellung zugeschrieben werden kann. Die Begriffe „im Wesentlichen”, „erheblich” und „etwa” werden hier auch verwendet, um den Grad darzustellen, mit dem eine quantitative Darstellung von einer angegebenen Referenz abweichen kann, ohne die grundlegende Funktion der behandelten Materie zu ändern. For purposes of description and definition of the present embodiments, it should be understood that the terms "substantially" "substantially" and "approximately" are used herein to represent the corresponding degree of uncertainty associated with each quantitative comparison, value, measure, or attributed to another representation. The terms "substantial," "significant," and "about" are also used herein to indicate the degree to which a quantitative representation may differ from a given reference without altering the basic function of the matter being treated.
Nachdem die Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung detailliert und mit Bezug zu spezifischen Ausführungsformen dergleichen beschrieben wurde, wird es offensichtlich sein, dass Modifikationen und Variationen möglich sind, ohne den Umfang der Ausführungsformen zu verlassen, der in den angehängten Patentansprüchen definiert ist. Genauer wird erwogen, dass die vorliegendem Ausführungsformen der gegenwärtigen Erfindung nicht notwendigerweise auf die bevorzugten Aspekte der Erfindung beschränkt sind, obgleich manche Aspekte hierin als bevorzugt oder besonders vorteilhaft beschrieben werden. Having described the embodiments of the present invention in detail and with reference to specific embodiments thereof, it will be obvious that modifications and variations are possible without departing from the scope of the embodiments defined in the appended claims. More particularly, it is contemplated that the present embodiments of the present invention are not necessarily limited to the preferred aspects of the invention, although some aspects are described herein as preferred or particularly advantageous.
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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
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