DE102022115004A1

DE102022115004A1 - Mehrzweckaluminiumlegierungszusammensetzung

Info

Publication number: DE102022115004A1
Application number: DE102022115004.6A
Authority: DE
Inventors: Henry Zhan; Zhou Wang; Jianfeng Wang
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2022-04-22
Filing date: 2022-06-15
Publication date: 2023-10-26
Also published as: US20230340646A1; CN116970846A

Abstract

Aluminiumlegierung und daraus gegossene Aluminiumlegierungsformteile. Die Aluminiumlegierung umfasst in Massenanteilen ≥ ungefähr 6,5 % bis ≤ ungefähr 8 % Silicium, ≥ ungefähr 0,1 % bis ≤ ungefähr 0,35 % Magnesium, ≥ ungefähr 0,2 % bis ≤ ungefähr 0,25 % Eisen, ≥ ungefähr 0,05 % bis ≤ ungefähr 0,15 % Mangan und ≥ ungefähr 0,1 % bis ≤ ungefähr 0,2 % Chrom. Der Massenanteil von Eisen (Fe%), der Massenanteil von Mangan (Mn%) und der Massenanteil von Chrom (Cr%) in der Aluminiumlegierung erfüllen die folgenden Beziehungen: (i) [Mn% + (a × Cr%)]/Fe% > 1, und (ii) Fe% + (b × Mn%) + (c × Cr%) > 0,6 %, wobei gilt: ungefähr 1,3 ≤ a ≤ ungefähr 1,7, ungefähr 1,2 ≤ b ≤ ungefähr 1,7 und ungefähr 2,5 ≤ c ≤ ungefähr 2,9.

Description

EINLEITUNG
Dieser Abschnitt enthält Hintergrundinformationen im Zusammenhang mit der vorliegenden Offenbarung, die nicht unbedingt zum Stand der Technik gehören.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf Aluminiumlegierungen und insbesondere auf Aluminiumlegierungen zur Verwendung beim Gießen von Aluminiumlegierungsformteilen.
Aluminiumlegierungen werden bei der Herstellung von Konsumgütern und Bauteilen verwendet und können durch verschiedene Verfahren in die gewünschte Form gebracht werden, z. B. durch Druckguss und Kokillenguss. Bei herkömmlichen Gießverfahren wird eine Metallschmelze in einen Formhohlraum eingebracht, wo sie abkühlt und erstarrt, bevor das Gussteil entnommen wird. Vor dem Gießen kann ein Schmiermittel auf die Innenfläche des Formhohlraums gesprüht werden, um beispielsweise die Regelung der Temperatur der Form zu unterstützen und die Entnahme des Gussteils aus der Form zu erleichtern. Bei einigen Gießverfahren (z. B. Druckgussverfahren) wird Metallschmelze unter hohem Überdruck in den Formhohlraum gepresst (z. B. bei einem Druck von ungefähr 1.500 psi bis ungefähr 25.400 psi), was ein schnelles Füllen des Formhohlraums erleichtern und die Massenproduktion von Teilen mit relativ dünnen Wänden (z. B. wenig als ungefähr 5 Millimeter) ermöglichen kann. Bei anderen Gießverfahren kann das Formmetall durch Schwerkraft unter Verwendung eines relativ niedrigen Überdrucks (z. B. ungefähr 3 psi bis ungefähr 50 psi) oder unter Vakuum in den Formhohlraum eingebracht werden, was die Herstellung von relativ dickwandigen (z. B. mehr als ungefähr 5 Millimeter dicken) Gussteilen mit relativ geringer Porosität ermöglichen kann. Beispiele für diese relativ druckarmen Gießverfahren sind das Kokillengießverfahren (z. B. Niederdruck-, Gegendruck- und Schwerkraftgießverfahren) sowie der Sandguss.
Die für das Gießen von Aluminiumlegierungsteilen verwendeten Formen sind häufig aus Stahl hergestellt und während des Gießvorgangs kann es zu einem Gussfehler kommen, der als Anbacken bekannt ist, wenn Aluminiumschmelze an der Innenfläche des Formhohlraums haftet oder sich mit ihr verbindet und nach dem Entfernen des Gussteils aus der Form im Hohlraum verbleibt. Um Anbackfehler zu vermeiden, können die Aluminiumlegierungen so formuliert werden, dass sie relativ große Mengen an Eisen (z. B. mehr als ungefähr 0,8 Massenprozent Fe) oder Mangan (z. B. mehr als ungefähr 0,5 Massenprozent Mn) enthalten. Der hohe Eisen- und/oder Mangangehalt kann jedoch die Duktilität der daraus hergestellten Aluminiumlegierungsgussteile verringern, was die Verwendung solcher Legierungen für die Herstellung bestimmter Strukturbauteile, z. B. in der Automobilindustrie, verhindern kann. Beim Gießen von Aluminiumlegierungsteilen kann beispielsweise eine ausreichend hohe Duktilität erforderlich sein, um sicherzustellen, dass die Gussteile ein hervorragendes Bruch- oder Stoßverhalten aufweisen, selbst wenn die Teile zur Gewichtsreduzierung dünnwandig konstruiert sind.
Das Recycling von Aluminiumlegierungsteilen ist aus Gründen der Energieeinsparung und der Nachhaltigkeit wünschenswert. Recyclingverfahren mit zusammensetzungsmäßig geschlossenem Kreislauf, bei denen die Zusammensetzung des Eingangs- und des Ausgangsmaterials aus Aluminiumlegierungen im Wesentlichen gleich ist (d. h. die gleichen Legierungselemente in den Eingangs- und Ausgangsmaterialien in im Wesentlichen gleichen Mengen vorhanden sind), sind besonders wünschenswert, da sie das Potenzial haben, das Downcycling (oder Upcycling) von Aluminiumlegierungsschrott überflüssig zu machen. Beim Downcycling kann das Mischen verschiedener Aluminiumlegierungsschrotte zu einer Anhäufung von Verunreinigungen und Legierungselementen in den recycelten Aluminiumlegierungen führen, was die nachgeschaltete Verwendung der recycelten Materialien auf Verwendungen mit geringerem Reinheitsgrad beschränken kann. Zum Beispiel enthalten Aluminiumlegierungszusammensetzungen, die bei Druckgussverfahren verwendet werden, oft relativ hohe Mengen an Eisen und Mangan im Vergleich zu Teilen aus Aluminiumlegierungen, die durch Niederdruckgussverfahren gegossen werden (z. B. bei der Herstellung von tragenden Strukturbauteilen), und die Kombination dieser unterschiedlichen Aluminiumlegierungszusammensetzungen während des Recyclings kann dazu führen, dass die daraus resultierenden recycelten Aluminiumlegierungen nicht mehr für die Herstellung der ursprünglichen Aluminiumlegierungen wiederverwendet werden können. Um die Kreislaufwirtschaft von Aluminium zu fördern, wäre es von Vorteil, eine Aluminiumlegierungszusammensetzung zu entwickeln, die in mehreren Arten von Herstellungsverfahren verwendet werden kann, um erfolgreich Verbraucherprodukte aus Aluminiumlegierungen und/oder Bauteile für eine Vielzahl verschiedener Industrien und/oder Anwendungen herzustellen.
KURZDARSTELLUNG
Dieser Abschnitt enthält eine allgemeine Zusammenfassung der Offenbarung und ist keine umfassende Offenbarung ihres vollen Umfangs oder aller ihrer Merkmale.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Aluminiumlegierung zum Gie-ßen von Formteilen aus Aluminiumlegierungen. Die Aluminiumlegierung umfasst in Massenanteilen größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 8 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,4 % Magnesium, größer oder gleich ungefähr 0,2 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,25 % Eisen, größer oder gleich ungefähr 0,05 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,15 % Mangan und größer oder gleich ungefähr 0,10 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,2 % Chrom. Der Massenanteil von Eisen (Fe%), der Massenanteil von Mangan (Mn%) und der Massenanteil von Chrom (Cr%) in der Aluminiumlegierung entsprechen den folgenden mathematischen Beziehungen:

(i) [Mn% + (a × Cr%)]/Fe% > 1 und
(ii) Fe% + (b × Mn%) + (c × Cr%) > 0,6 %,

Bei manchen Aspekten kann a größer oder gleich ungefähr 1,4 und kleiner oder gleich ungefähr 1,6 sein, b kann größer oder gleich ungefähr 1,4 und kleiner oder gleich ungefähr 1,6 sein und c kann größer oder gleich ungefähr 2,6 und kleiner oder gleich ungefähr 2,8 sein.
Bei manchen Aspekten kann a ungefähr 1,5, b ungefähr 1,5 und c ungefähr 2,7 betragen.
Die Aluminiumlegierung kann ferner in Massenanteilen größer 0 % bis kleiner oder gleich 0,2 % Kupfer, größer 0 % bis kleiner oder gleich 0,2 % Zink und als Rest Aluminium umfassen.
Bei manchen Aspekten kann die Aluminiumlegierung in Massenanteilen größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 7,5 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,05 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,1 % Mangan und größer oder gleich ungefähr 0,12 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,18 % Chrom umfassen. In diesem Fall kann die Aluminiumlegierung ferner in Massenanteilen größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,1 % Kupfer, größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,1 % Zink und als Rest Aluminium umfassen.
Bei einigen Aspekten kann die Aluminiumlegierung in Massenanteilen größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 7,5 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,08 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,12 % Mangan und größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,15 % Chrom umfassen. In diesem Fall kann die Aluminiumlegierung ferner in Massenanteilen größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,1 % Kupfer, größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,1 % Zink und als Rest Aluminium umfassen.
Bei manchen Aspekten kann die Aluminiumlegierung in Massenanteilen größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 7,5 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,3 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,4 % Magnesium, ungefähr 0,25 % Eisen, größer oder gleich ungefähr 0,08 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,12 % Mangan und größer oder gleich ungefähr 0,11 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,14 % Chrom umfassen.
Nach dem Gießen der Aluminiumlegierung zu einem Aluminiumlegierungsformteil kann das Aluminiumlegierungsformteil ein mehrphasiges Mikrogefüge aufweisen, das eine Aluminiummatrixphase und eine Fe-haltige intermetallische Phase umfasst, die in der Aluminiummatrixphase verteilt ist. Die Fe-haltige intermetallische Phase kann eine Vielzahl von intermetallischen AlFeSi-Teilchen und eine Vielzahl von intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen umfassen, wobei M Mn und/oder Cr ist.
Bei manchen Aspekten können die intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen bezogen auf das Volumen mehr als 50 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen und die intermetallischen AlFeSi-Teilchen können bezogen auf das Volumen weniger als 50 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen.
Bei manchen Aspekten können die intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen bezogen auf das Volumen mehr als 75 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen und die intermetallischen AlFeSi-Teilchen können bezogen auf das Volumen weniger als 25 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen.
Die intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen weisen im zweidimensionalen Querschnitt betrachtet ein mittleres Aspektverhältnis von kleiner 3 auf.
Die intermetallischen AlFeSi-Teilchen weisen im zweidimensionalen Querschnitt betrachtet ein mittleres Aspektverhältnis von größer 3 auf.
Die Aluminiumlegierung darf beim Gießen in einem Stahlformhohlraum bei einer Temperatur von ungefähr 705 °C kein Anbacken an der Form aufweisen.
Offenbart ist ein Aluminiumlegierungsteil. Das Aluminiumlegierungsteil umfasst in Massenanteilen größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 8 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,4 % Magnesium, größer oder gleich ungefähr 0,2 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,25 % Eisen, größer oder gleich ungefähr 0,05 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,15 % Mangan und größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,2 % Chrom. Der Massenanteil von Eisen (Fe%), der Massenanteil von Mangan (Mn%) und der Massenanteil von Chrom (Cr%) in der Aluminiumlegierung entsprechen den folgenden mathematischen Beziehungen:

(iii) [Mn% + (a × Cr%)]/Fe% > 1 und
(iv) Fe% + (b × Mn%) + (c × Cr%) > 0,6 %,

Bei manchen Aspekten kann das Aluminiumlegierungsteil durch ein Kokillengießverfahren oder ein Sandgießverfahren hergestellt werden, bei dem ein Volumen einer Aluminiumlegierung in eine Form gegossen wird, die die Form des Aluminiumlegierungsteils bei einem Druck von kleiner oder gleich ungefähr 50 psi definiert, und dann mit einer durchschnittlichen Abkühlgeschwindigkeit von kleiner oder gleich ungefähr 10 Grad Celsius pro Sekunde auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Das Aluminiumlegierungsteil kann eine Wandstärke von größer als 5 Millimeter bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Millimeter aufweisen. In diesem Fall kann das Aluminiumlegierungsteil, nachdem es lösungsgeglüht und künstlich gealtert wurde, eine Streckgrenze im Bereich von größer oder gleich ungefähr 180 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 270 MPa, eine Bruchfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 260 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 330 MPa, eine Ermüdungsfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 70 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 100 MPa und eine Bruchdehnung im Bereich von größer oder gleich ungefähr 8 % bis kleiner oder gleich ungefähr 13 % aufweisen.
Bei anderen Aspekten kann das Aluminiumlegierungsteil durch ein Druckgussverfahren hergestellt werden, bei dem ein Volumen einer Aluminiumlegierung in eine Form gegossen wird, die die Form des Aluminiumlegierungsteils bei einem Druck im Bereich von ungefähr 1.500 psi bis ungefähr 25.400 psi definiert, und dann mit einer durchschnittlichen Abkühlgeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 100 Grad Celsius pro Sekunde bis ungefähr 1.000 Grad Celsius pro Sekunde auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Das Aluminiumlegierungsteil kann eine Wandstärke von größer oder gleich ungefähr 0,5 Millimeter bis kleiner ungefähr 5 Millimeter aufweisen. In diesem Fall kann das Aluminiumlegierungsteil, nachdem es auf Umgebungstemperatur abgekühlt wurde, eine Streckgrenze im Bereich von größer oder gleich ungefähr 100 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 130 MPa, eine Bruchfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 220 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 280 MPa und eine Bruchdehnung im Bereich von größer oder gleich ungefähr 8 % bis kleiner oder gleich ungefähr 17 % aufweisen.
Weitere Anwendungsbereiche ergeben sich aus der hierin gegebenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen nur der Veranschaulichung und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zur Veranschaulichung ausgewählter Ausgestaltungen und nicht aller möglichen Ausführungen und sind nicht dazu bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken.

1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer AI-7Si-0,25Fe-Legierung ohne Zusatz von Mangan oder Chrom.
2A, 2B und 2C zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Al-7Si-0,25Fe-Legierungen, die einen Massenanteil von 0,1 %, 0,15 % bzw. 0,2 % Mangan umfassen.
3A, 3B und 3C zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Al-7Si-0,25Fe-Legierungen, die einen Massenanteil von 0,1 %, 0,15 % bzw. 0,2 % Chrom umfassen.
4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer AI-7,2Si-0,38Mg-0,11 Fe-Legierung ohne Zusatz von Mangan oder Chrom.
5 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer AI-7,1 Si-0,35Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,05Mn-Legierung.
6 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer AI-6,6Si-0,34Mg-0,25Fe-0, 14Cr-0, 12Mn-Legierung.
7 ist ein Weibull-Diagramm der Wahrscheinlichkeit der prozentualen Beanspruchungszeit (in %) gegenüber der prozentualen Beanspruchungszeit (PBZ) für Proben einer AI-7,2Si-0,38Mg-0,11 Fe-Basislegierung, wobei die PBZ nach der folgenden Formel berechnet wird: [(Zyklenlebensdauer)/(vorgegebene Zyklenlebensdauer)]×100 %, wobei die Zyklenlebensdauer gleich der Anzahl der kumulativen Zyklen bis zum Versagen ist und die vorgegebene Zyklenlebensdauer gleich der Anzahl der vorgegebenen Zyklen ist.
8 zeigt ein Weibull-Diagramm der Wahrscheinlichkeit der PBZ (in %) gegenüber der PBZ für Proben einer AI-6,6Si-0,34Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,12Mn-Legierung.
9 zeigt ein Diagramm der technischen Spannung (MPa) gegenüber der technischen Dehnung (%) für eine AI-10,5Si-0,28Mg-0,12Fe-0,49Mn-Basislegierung (gestrichelte Linien) und eine AI-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung (durchgezogene Linien).
10 zeigt ein Diagramm der Umformung (J/m³) gegenüber der technischen Dehnung (%) für eine AI-10,5Si-0,28Mg-0,12Fe-0,49Mn-Basislegierung (gestrichelte Linien mit quadratischen Datenmarkierungen) und eine AI-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung (durchgezogene Linien mit kreisförmigen Datenmarkierungen).
11 zeigt ein Diagramm des Gewichtsverlusts (in Gramm) gegenüber der Eintauchdauer (in Stunden) für eine AI-7Si-0,8Fe-Basislegierung (quadratische Datenmarkierungen) und eine AI-7Si-0,13Cr-0,1Mn-0,25Fe-Legierung (kreisförmige Datenmarkierungen).
12 zeigt das Bild einer intakten Niete zwischen einem Blech aus einer Al-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung und einem DP590-Stahlblech.

Entsprechende Bezugszeichen kennzeichnen entsprechende Teile in den verschiedenen Ansichten der Zeichnungen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Da beispielhafte Ausgestaltungen vorgesehen sind, ist dies eine sorgfältige Offenbarung, die Fachleuten den vollen Umfang vermittelt. Es werden zahlreiche spezifische Details aufgeführt, wie Beispiele spezifischer Zusammensetzungen, Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren, um ein umfassendes Verständnis der Ausgestaltungen der vorliegenden Offenbarung bereitzustellen. Für den Fachmann ist es offensichtlich, dass spezifische Details nicht verwendet werden müssen, dass beispielhafte Ausgestaltungen in vielen unterschiedlichen Formen verkörpert sein können und dass keine davon so ausgelegt werden sollten, dass sie den Umfang der Offenbarung einschränken. Bei einigen beispielhaften Ausgestaltungen sind bekannte Prozesse, bekannte Gerätestrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
Die hierin verwendete Terminologie dient nur der Beschreibung beispielhafter Ausgestaltungen und ist nicht als einschränkend zu verstehen. Wie hierin verwendet, können die Singularformen „ein“, „eine“ sowie „der“, „die“, „das“ auch die Pluralformen einschließen, es sei denn, aus dem Kontext geht eindeutig anderes hervor. Die Begriffe „umfassen“, „umfassend“, „enthalten“ und „aufweisen“ sind inklusiv und spezifizieren daher das Vorhandensein von angegebenen Merkmalen, Elementen, Zusammensetzungen, Schritten, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Komponenten, schließen aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem oder mehreren anderen Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Vorgängen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht aus. Obwohl der offene Begriff „umfassend“ als ein nicht einschränkender Begriff zu verstehen ist, der dazu dient, verschiedene hierin dargelegte Ausgestaltungen zu beschreiben und zu beanspruchen, kann der Begriff bei bestimmten Aspekten alternativ auch als ein stärker einschränkender und restriktiverer Begriff verstanden werden, wie z. B. „bestehend aus“ oder „im Wesentlichen bestehend aus“. Daher umfasst die vorliegende Offenbarung für jede gegebene Ausgestaltung, die Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganze Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte angibt, ausdrücklich auch Ausgestaltungen, die aus solchen angegebenen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elementen, Merkmalen, ganzen Zahlen, Vorgängen und/oder Verfahrensschritten bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen. Im Falle von „bestehend aus“ schließt die alternative Ausgestaltung alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte aus, während im Falle von „im Wesentlichen bestehend aus“ alle zusätzlichen Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, von einer solchen Ausgestaltung ausgeschlossen sind, aber alle Zusammensetzungen, Materialien, Komponenten, Elemente, Merkmale, ganzen Zahlen, Vorgänge und/oder Verfahrensschritte, die sich nicht erheblich auf die grundlegenden und neuartigen Eigenschaften auswirken, in der Ausgestaltung eingeschlossen sein können.
Alle hierin beschriebenen Verfahrensschritte, Prozesse und Vorgänge sind nicht so auszulegen, dass sie zwangsläufig in der erläuterten oder veranschaulichten Reihenfolge durchgeführt werden müssen, es sei denn, sie sind ausdrücklich als Reihenfolge der Durchführung gekennzeichnet. Es versteht sich außerdem, dass zusätzliche oder alternative Schritte angewendet werden können, sofern nicht anders angegeben.
Wird eine Komponente, ein Element oder eine Schicht als „auf“ oder „in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „verbunden“ oder „gekoppelt“ bezeichnet, kann sie bzw. es sich direkt auf oder in Eingriff mit der anderen Komponente, dem anderen Element oder der anderen Schicht befinden oder mit dem- oder derselben verbunden oder gekoppelt sein, oder es können dazwischenliegende Elemente oder Schichten vorhanden sein. Wird dagegen ein Element als „direkt auf“ oder „direkt in Eingriff mit“ einem anderen Element oder einer anderen Schicht befindlich oder als mit dem- oder derselben „direkt verbunden“ oder „direkt gekoppelt“ bezeichnet, dürfen keine dazwischen liegenden Elemente oder Schichten vorhanden sein. Andere Wörter, die zur Beschreibung der Beziehung zwischen Elementen verwendet werden, sollten in ähnlicher Weise ausgelegt werden (z. B. „zwischen“ gegenüber „direkt zwischen“, „benachbart“ oder „angrenzend“ gegenüber „direkt benachbart“ oder „direkt angrenzend“ usw.). Wie hierin verwendet, schließt der Begriff „und/oder“ Kombinationen von einem oder mehreren der zugehörigen aufgelisteten Punkte ein.
Obwohl die Begriffe „erste“, „zweite“, „dritte“ usw. hierin verwendet sein können, um verschiedene Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte zu beschreiben, sollten diese Schritte, Elemente, Komponenten, Bereiche, Schichten und/oder Abschnitte nicht durch diese Begriffe eingeschränkt werden, sofern nicht anders angegeben. Diese Begriffe dürfen nur verwendet werden, um einen Schritt, ein Element, eine Komponente, einen Bereich, eine Schicht oder einen Abschnitt von einem anderen Schritt, einem anderen Element, einer anderen Komponente, einem anderen Bereich, einer anderen Schicht oder einem anderen Abschnitt zu unterscheiden. Begriffe wie „erste“, „zweite“ und andere numerische Begriffe implizieren, wenn sie hierin verwendet werden, keine Abfolge oder Reihenfolge, es sei denn, der Kontext weist eindeutig darauf hin. So könnte man einen ersten Schritt, ein erstes Element, eine erste Komponente, einen ersten Bereich, eine erste Schicht oder einen ersten Abschnitt, die im Folgenden besprochen werden, als zweiten Schritt, zweites Element, zweite Komponente, zweiten Bereich, zweite Schicht oder zweiten Abschnitt bezeichnen, ohne von den Lehren der Ausführungsbeispiele abzuweichen.
Räumlich oder zeitlich relative Begriffe wie „vor“, „nach“, „innere“, „äußere“, „unterhalb“, „unter“, „untere“, „über“, „obere“ und dergleichen können hierin der Einfachheit halber verwendet werden, um die Beziehung eines Elements oder Merkmals zu einem oder mehreren anderen Elementen oder Merkmalen zu beschreiben, wie in den Figuren veranschaulicht. Räumlich oder zeitlich relative Begriffe können dazu bestimmt sein, zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung unterschiedliche Ausrichtungen des in Gebrauch oder Betrieb befindlichen Geräts oder Systems einzuschließen.
In dieser gesamten Offenbarung stellen die Zahlenwerte ungefähre Maße oder Grenzen für Bereiche dar und schließen geringfügige Abweichungen von den angegebenen Werten und Ausgestaltungen, die ungefähr den genannten Wert aufweisen, sowie solche Werte, die genau den genannten Wert aufweisen, ein. Anders als bei den Arbeitsbeispielen am Ende der detaillierten Beschreibung sind alle Zahlenwerte von Parametern (z. B. von Mengen oder Bedingungen) in dieser Patentschrift, einschließlich der im Anhang befindlichen Ansprüche, so zu verstehen, dass sie in allen Fällen durch den Begriff „ungefähr“ modifiziert sind, unabhängig davon, ob „ungefähr“ tatsächlich vor dem Zahlenwert erscheint oder nicht. „Ungefähr“ bedeutet, dass der angegebene Zahlenwert eine leichte Ungenauigkeit zulässt (mit einer gewissen Annäherung an die Genauigkeit des Werts, ungefähr oder ziemlich nahe am Wert, fast). Wird die Ungenauigkeit, die durch „ungefähr“ gegeben ist, in der Technik nicht anderweitig mit dieser gewöhnlichen Bedeutung verstanden, dann bezeichnet „ungefähr“, wie es hierin verwendet wird, zumindest Abwandlungen, die sich aus gewöhnlichen Verfahren zur Messung und Verwendung solcher Parameter ergeben können. Zum Beispiel kann „ungefähr“ eine Abweichung von kleiner oder gleich 5 %, optional kleiner oder gleich 4 %, optional kleiner oder gleich 3 %, optional kleiner oder gleich 2 %, optional kleiner oder gleich 1 %, optional kleiner oder gleich 0,5 % und bei bestimmten Aspekten optional kleiner oder gleich 0,1 % umfassen.
Darüber hinaus umfasst die Offenbarung von Bereichen die Offenbarung aller Werte und weiter unterteilten Bereiche innerhalb des gesamten Bereichs, einschließlich der Endpunkte und der für die Bereiche angegebenen Teilbereiche.
Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „Zusammensetzung“ und „Material“ austauschbar verwendet, um sich allgemein auf eine Substanz zu beziehen, die wenigstens die bevorzugten chemischen Bestandteile, Elemente oder Verbindungen enthält, die aber auch zusätzliche Elemente, Verbindungen oder Substanzen, einschließlich Spuren von Verunreinigungen, enthalten kann, sofern nicht anders angegeben. Eine „X-basierte“ Zusammensetzung oder ein „X-basiertes“ Material bezieht sich im weitesten Sinne auf Zusammensetzungen oder Materialien, in denen „X“ der größte Einzelbestandteil auf einer Gewichtsprozentbasis (%) ist. Dies kann sowohl Zusammensetzungen oder Materialien mit einem Gewichtsanteil von größer als 50 % X als auch solche mit einem Gewichtsanteil von kleiner als 50 % X umfassen, solange X der größte Einzelbestandteil der Zusammensetzung oder des Materials, bezogen auf das Gesamtgewicht, ist.
Der hierin verwendete Begriff „Aluminiumlegierung“ bezieht sich auf ein Material, das einen Gewichtsanteil von größer oder gleich ungefähr 80 % oder größer oder gleich ungefähr 90 % Aluminium (Al) und ein oder mehrere andere Elemente (als „Legierungselemente“ bezeichnet) umfasst, die so ausgewählt sind, dass sie dem Material bestimmte erwünschte Eigenschaften verleihen, die reines Aluminium nicht aufweist.
Die hierin beschriebenen Aluminiumlegierungszusammensetzungen können durch eine Abfolge chemischer Symbole für das Basiselement (d. h. Al) und seine wichtigsten Legierungselemente (z. B. Si, Mg, Fe, Mn und/oder Cr) dargestellt werden, wobei die Legierungselemente in der Reihenfolge abnehmender Massenprozente (oder alphabetisch, wenn die Prozentsätze gleich sind) angeordnet sind. Die Zahl, die dem chemischen Symbol für jedes Legierungselement vorangestellt ist, gibt den durchschnittlichen Massenprozentsatz dieses Elements in der Legierungszusammensetzung an. Zum Beispiel kann eine Aluminiumlegierung, die in Massenanteilen 7 % Silicium (Si), 0,25 % Eisen (Fe) und als Rest AI umfasst, als AI-7Si-0,25Fe dargestellt werden.
Es werden nun beispielhafte Ausgestaltungen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen ausführlicher beschrieben.
Die vorliegend offenbarten Aluminiumlegierungen sind so formuliert, dass sie beim Gießen eine hohe Anbackbeständigkeit aufweisen, ohne dass große Mengen an Eisen oder Mangan zugesetzt werden müssen. So können die vorliegend offenbarten Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Aluminiumlegierungsgussteilen verwendet werden, die eine erwünschte Kombination aus hoher Duktilität und hoher Anbackbeständigkeit aufweisen. Bei manchen Aspekten können die vorliegend offenbarten Aluminiumlegierungen als „Mehrzwecklegierungen“ bezeichnet werden, da solche Legierungen für die erfolgreiche Herstellung sowohl von relativ dünnwandigen Teilen mittels Hochdruckgießverfahren, z. B. Druckgießverfahren, als auch von relativ dickwandigen Teilen mittels Niederdruckgießverfahren verwendet werden können. Beispiele für relativ druckarme Gießverfahren sind das Kokillengießverfahren (z. B. Niederdruck-, Gegendruck- und Schwerkraftgießverfahren) sowie der Sandguss. Aluminiumlegierungsteile, die aus der vorliegend offenbarten Mehrzweckaluminiumlegierung gegossen werden (entweder durch Hochdruckgießverfahren oder durch relativ druckarme Gießverfahren), weisen eine ausgezeichnete Gießbarkeit und eine optimale Kombination von Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit auf, unabhängig von der Art des Gießverfahrens, das zur Herstellung des Aluminiumlegierungsteils verwendet wird. Darüber hinaus können die Mehrzweckeigenschaften der vorliegend offenbarten Aluminiumlegierungen ermöglichen, dass aus solchen Legierungen gegossene Teile leichter recycelt werden können, indem die Zahl der möglichen nachgelagerten Verwendungen für die Teile als Schrott erhöht wird.
Eine Mehrzweckaluminiumlegierungszusammensetzung zum Gießen von Aluminiumlegierungsformteilen kann zusätzlich zu Aluminium Legierungselemente aus Silicium (Si), Magnesium (Mg), Eisen (Fe), Mangan (Mn) und Chrom (Cr) umfassen und wird daher hierin als Al-Si-Mg-Fe-Mn-Cr-Legierung bezeichnet. Bei manchen Aspekten kann die Mehrzweckaluminiumlegierung Massenanteile von größer oder gleich ungefähr 6,5 % oder ungefähr 7 % Silicium, kleiner oder gleich ungefähr 8 % oder ungefähr 7,5 % Silicium oder zwischen ungefähr 6,5 % bis ungefähr 8 % oder ungefähr 7 % bis ungefähr 7,5 % Silicium umfassen. Die Mehrzweckaluminiumlegierung kann Massenanteile von größer oder gleich ungefähr 0,1 % oder ungefähr 0,15 % Magnesium, kleiner oder gleich ungefähr 0,4 % oder ungefähr 0,35 % Magnesium oder zwischen ungefähr 0,1 % bis ungefähr 0,4 % oder ungefähr 0,15 % bis ungefähr 0,35 % Magnesium umfassen. Die Mehrzweckaluminiumlegierung kann Massenanteile von größer oder gleich ungefähr 0,2 % oder ungefähr 0,22 % Eisen, kleiner oder gleich ungefähr 0,25 % oder ungefähr 0,24 % Eisen oder zwischen ungefähr 0,2 % bis ungefähr 0,25 % oder ungefähr 0,22 % bis ungefähr 0,24 % Eisen umfassen. Die Mehrzweckaluminiumlegierung kann Massenanteile von größer oder gleich ungefähr 0,05 % oder ungefähr 0,08 % Mangan, kleiner oder gleich ungefähr 0,15 % oder ungefähr 0,12 % Mangan oder zwischen ungefähr 0,05 % bis ungefähr 0,15 % oder ungefähr 0,08 % bis ungefähr 0,12 % Mangan umfassen. Die Mehrzweckaluminiumlegierung kann Massenanteile von größer oder gleich ungefähr 0,10 % oder ungefähr 0,12 % Chrom, kleiner oder gleich ungefähr 0,20 % oder ungefähr 0,18 % Chrom oder zwischen ungefähr 0,10 % bis ungefähr 0,20 % oder ungefähr 0,12 % bis ungefähr 0,18 % Chrom umfassen.
Die Gesamtmenge und die jeweiligen Mengen an Si, Mg, Fe, Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung werden so gewählt, dass das Recycling von Aluminiumschrott gefördert wird, beispielsweise indem ermöglicht wird, dass aluminiumhaltige Schrottmaterialien als Ausgangsmaterial in der Produktionsrezeptur für die Legierung verwendet werden können, und/oder indem die Legierung die Fähigkeit erhält, für die Herstellung einer Vielzahl verschiedener Produkte verwendet werden zu können, was die Entwicklung geschlossener Recyclingprozesse ermöglichen kann, bei denen Schrottmaterialien in neue Produkte umgewandelt werden, ohne dass Abfälle entstehen und ohne dass Rohstoffe hinzugefügt werden müssen. Darüber hinaus werden die Gesamtmenge und die jeweiligen Mengen an Si, Mg, Fe, Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung so gewählt, dass die Legierung beim Gießen bestimmte vorteilhafte Eigenschaften erhält und daraus hergestellte Aluminiumlegierungsteile bestimmte wünschenswerte mechanische und chemische Eigenschaften erhalten, während die Gesamtmenge an Legierungselementen in der Legierung minimiert wird. Beispielsweise wird der Siliciumanteil in der Mehrzweckaluminiumlegierung so gewählt, dass die Legierungsschmelze ein geeignetes Fließvermögen für das Gießen, eine relativ niedrige Schmelztemperatur, eine ausgezeichnete Formstabilität und eine geringe Wärmeausdehnung erhält. Die Menge an Magnesium in der Mehrzweckaluminiumlegierung kann so gewählt werden, dass die Mehrzweckaluminiumlegierung eine mechanische Festigkeit erhält.
Die Gesamtmenge und die jeweiligen Mengen an Fe, Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung werden so gewählt, dass die Legierung während des Gießens Anbackbeständigkeit und eine wünschenswerte Kombination aus hoher Duktilität, hoher Festigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Bruchzähigkeit erhält, während die Menge an Fe, Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung minimiert wird. Die Menge an Fe in der Mehrzweckaluminiumlegierung wird so gewählt, dass die nachteiligen Auswirkungen auf das Mikrogefüge und die mechanischen Eigenschaften der daraus hergestellten Aluminiumlegierungsteile begrenzt werden, wobei das Vorhandensein von Fe als übliche Verunreinigung in aluminiumhaltigen Schrottmaterialien berücksichtigt wird. Die Menge an Mn in der Mehrzweckaluminiumlegierung wird so gewählt, dass sie die relativ geringe Menge an Fe in der Legierung ausgleicht, indem sie der Legierung während des Gießens Anbackbeständigkeit verleiht, die daraus hergestellten Aluminiumlegierungsteile mit einem gewünschten Mikrogefüge für verbesserte mechanische Eigenschaften versieht und das Vorhandensein von Mn als Verunreinigung oder üblichen Zusatz in bestimmten aluminiumhaltigen Schrottmaterialien (z. B. Aluminium-Getränkedosen) berücksichtigt. Die Menge an Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung wird so gewählt, dass sie die relativ geringe Menge an Fe in der Legierung ausgleicht, indem sie der Legierung während des Gießens Anbackbeständigkeit verleiht und die daraus hergestellten Aluminiumlegierungsteile mit einem gewünschten Mikrogefüge für verbesserte mechanische Eigenschaften versieht, während gleichzeitig der unerwünschte Aufbau von Schlamm verhindert wird.
Aluminiumlegierungsteile, die aus der Mehrzweckaluminiumlegierung gegossen werden, können ein mehrphasiges Mikrogefüge aufweisen, das eine kubisch flächenzentrierte Aluminiummatrixphase (fcc) und eine oder mehrere Fe-haltige intermetallische Phasen umfasst, die in der Aluminiummatrixphase verteilt sind. Das mehrphasige Mikrogefüge von Aluminiumlegierungsteilen, die aus der Mehrzweckaluminiumlegierung gegossen werden, kann (zusätzlich zu der einen oder den mehreren Fe-haltigen intermetallischen Phasen) eine oder mehrere siliciumhaltige eutektische Phasen umfassen, die in der Aluminiummatrixphase verteilt sind. In dem mehrphasigen Mikrogefüge der Mehrzweckaluminiumlegierung können die eine oder die mehreren Fe-haltigen intermetallischen Phasen in Bereichen vorhanden sein, die zwischen der Aluminiummatrixphase und der einen oder den mehreren siliciumhaltigen eutektischen Phasen definiert sind. Das mehrphasige Mikrogefüge der Mehrzweckaluminiumlegierung kann vorhanden sein, nachdem das Gussteil ursprünglich geformt und auf Umgebungstemperatur abgekühlt wurde, oder das mehrphasige Mikrogefüge kann in der Mehrzweckaluminiumlegierung entwickelt werden, indem das Gussteil einem oder mehreren Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wird (z. B. einem Lösungsglühen mit anschließendem Abschrecken und einem Glühen zur künstlichen Alterung), wie weiter unten erörtert wird. Die Aluminiummatrixphase kann aus einem aluminiumbasierten Material bestehen und darf nicht 100 % Aluminium umfassen; stattdessen kann die Aluminiummatrixphase eine feste Lösung umfassen, die ein oder mehrere Legierungselemente aufweist, die substituierend und/oder interstitiell in ein Aluminiumkristallgitter eingebaut sind.
Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass der Einschluss von Fe in der Mehrzweckaluminiumlegierung zur Bildung einer Al-, Fe- und Si-haltigen intermetallischen Phase (hierin als „intermetallische AlFeSi“-Phase bezeichnet) innerhalb der Aluminiummatrixphase führen kann, was sich nachteilig auf die Ermüdungsbeständigkeit, die Bruchzähigkeit und insbesondere die Duktilität der daraus hergestellten Aluminiumlegierungsteile auswirken kann. Ohne an eine bestimmte Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass solche nachteiligen Auswirkungen zumindest teilweise auf die Morphologie der mikrometergroßen intermetallischen AlFeSi-Teilchen zurückzuführen sind, die eine monokline, kristallografische Struktur aufweisen können. Darüber hinaus wird angenommen, dass das Kristallwachstum der intermetallischen AlFeSi-Teilchen während der Erstarrung der Schmelze beim Gießen in erster Linie zweidimensional erfolgt, was zur Bildung plattenförmiger Strukturen mit hohen Aspektverhältnissen führt, z. B. Aspektverhältnissen von größer 3, im zweidimensionalen Querschnitt des Aluminiumlegierungsteils betrachtet. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass, wenn eine äußere Kraft auf ein Gussteil aus einer Aluminiumlegierung mit plättchenförmigen intermetallischen AlFeSi-Teilchen einwirkt, aufgrund von Spannungskonzentrationen ein Bruch im Gussteil auftreten kann, der die Dauerhaltbarkeit und/oder das Stoßverhalten des Teils beeinträchtigen kann. Die intermetallische AlFeSi-Phase ist ein AI-, Fe- und Si-basiertes Material, d. h. die intermetallische AlFeSi-Phase umfasst hauptsächlich die Elemente Al, Fe und Si, kann aber auch ein oder mehrere andere Elemente, z. B. Cr und/oder Mn, in relativ geringen Mengen umfassen. Die kombinierten Mengen an Al, Fe und Si in der intermetallischen AlFeSi-Phase können beispielsweise größer 80 Gew.-%, größer 90 Gew.-% oder vorzugsweise größer 95 Gew.% der intermetallischen AlFeSi-Phase ausmachen.
Es wurde herausgefunden, dass die Bildung einer AI-, M-, Fe- und Si-haltigen intermetallischen Phase (hierin als „intermetallische AI(M, Fe)Si-Phase“ bezeichnet, wobei M Mn und/oder Cr ist) innerhalb der Aluminiummatrixphase die Bildung der intermetallischen AlFeSi-Phase verhindern kann. Im Gegensatz zur intermetallischen AlFeSi-Phase kann die intermetallische AI(M, Fe)Si-Phase eine kubische, kristallografische Struktur mit einheitlicherer Oberflächenenergie aufweisen. Darüber hinaus kann das Wachstum von intermetallischen Al(M, Fe)Si-Teilchen innerhalb der Aluminiummatrixphase im Allgemeinen dreidimensional erfolgen, was zur Bildung von intermetallischen Teilchen mit relativ geringen Aspektverhältnissen führen kann, z. B. Aspektverhältnissen von kleiner 3, im zweidimensionalen Querschnitt des Aluminiumlegierungsteils betrachtet. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird angenommen, dass die Bildung der intermetallischen Al(M, Fe)Si-Phase innerhalb der Aluminiummatrixphase wenig bis gar keine nachteiligen Auswirkungen auf die Ermüdungsbeständigkeit, Bruchzähigkeit oder Duktilität der Mehrzweckaluminiumlegierung hat. Die intermetallische AI(M, Fe)Si-Phase ist ein AI-, Mn-, Cr-, Fe- und Si-basiertes Material, d. h. die intermetallische AI(M, Fe)Si-Phase umfasst hauptsächlich die Elemente AI, Mn, Cr, Fe und Si. Die kombinierten Mengen an AI, Mn, Cr, Fe und Si in der intermetallischen Al(M, Fe)Si-Phase können beispielsweise mehr als 90 % des Gewichts der intermetallischen Al(M, Fe)Si-Phase umfassen.
Um sicherzustellen, dass Aluminiumlegierungsteile, die aus der Mehrzweckaluminiumlegierung gegossen werden, eine ausreichende Duktilität, Ermüdungsfestigkeit und Bruchzähigkeit aufweisen, werden die Gesamtmenge und die jeweiligen Mengen an Fe, Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung so gewählt, dass die Bildung einer intermetallischen AI(M, Fe)Si-Phase innerhalb der Aluminiummatrixphase gefördert wird, um die Bildung der intermetallischen AlFeSi-Phase in der Tat zu verhindern, während die Gesamtmenge an Fe-haltigen intermetallischen Phasen innerhalb der Aluminiummatrixphase minimiert wird. Gleichzeitig werden die Mengen an Fe, Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung so gewählt, dass die Verwendung von aluminiumhaltigem Schrott bei der Formulierung der Mehrzweckaluminiumlegierungszusammensetzung möglich ist, während gleichzeitig die Mengen an Fe, Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung begrenzt werden, um die Anzahl der nachgeschalteten Optionen für das Recycling von Aluminiumlegierungsteilen, die aus der Mehrzweckaluminiumlegierung gegossen werden, zu erhöhen.
Vor der Entwicklung der vorliegend offenbarten Mehrzweckaluminiumlegierung wurde angenommen, dass Aluminiumlegierungszusammensetzungen so formuliert wurden, dass sie entweder (i) insbesondere bei Druckgussverfahren eine gute Anbackbeständigkeit aufweisen, indem relativ große Mengen an Fe und/oder Mn zugesetzt werden, oder (ii) insbesondere bei relativ druckarmen Gießverfahren daraus hergestellte Aluminiumlegierungsteile eine hohe Duktilität und eine hohe Ermüdungsfestigkeit erhalten, indem die Menge an Übergangsmetallelementen (z. B. Fe, Mn und Cr) in den Legierungszusammensetzungen auf weniger als 0,15 Massenprozent begrenzt wird. Die vorliegend offenbarte Mehrzweckaluminiumlegierung kann zur Bildung von Aluminiumlegierungsgussteilen mit hoher Duktilität verwendet werden und ermöglicht gleichzeitig die Aufnahme von insgesamt bis zu 0,6 Massenprozent Fe, Mn und Cr in die Mehrzweckaluminiumlegierungszusammensetzung. Um dies zu erreichen, wurde erkannt, dass die kombinierten Massenanteile von Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung so gewählt oder gesteuert werden sollten, dass der relativ hohe Massenanteil von Fe in der Mehrzweckaluminiumlegierung ausgeglichen wird, ohne dass eine übermäßige Menge an Mn und/oder Cr hinzugefügt wird. Wird Mn einer Si- und Fe-haltigen Aluminiumlegierung zugesetzt, wurde erkannt, dass ein Massenverhältnis von Mn zu Fe von größer oder gleich ungefähr 1 zu 1,5 ausreicht, um die Bildung von intermetallischen AlFeSi-Teilchen in Gussteilen, die aus der Si- und Fe-haltigen Aluminiumlegierung hergestellt werden, zu verhindern. Darüber hinaus wurde erkannt, dass bei Zugabe gleicher Mengen von Cr und Mn zu Si- und Fe-haltigen Aluminiumlegierungen Cr die Bildung einer intermetallischen AlFeSi-Phase wirksamer unterdrückt als Mn. Wird Cr einer Si- und Fe-haltigen Aluminiumlegierung zugesetzt, wurde erkannt, dass daher ein Massenverhältnis von Cr zu Fe von größer oder gleich ungefähr 0,5 zu 0,8 ausreicht, um die Bildung von intermetallischen AlFeSi-Teilchen in Gussteilen, die aus der Si- und Fe-haltigen Aluminiumlegierung hergestellt werden, zu verhindern.
Um sicherzustellen, dass die Mehrzweckaluminiumlegierung zur Bildung von Aluminiumlegierungsgussteilen mit ausreichender Duktilität verwendet werden kann, wurde erkannt, dass der Massenanteil von Eisen (Fe%), der Massenanteil von Mangan (Mn%) und der Massenanteil von Chrom (Cr%) in der Mehrzweckaluminiumlegierung so gewählt oder gesteuert werden sollten, dass die folgende mathematische Beziehung erfüllt wird: $\frac{M n % + (a \times C r %)}{F e %} > 1$
wobei a größer oder gleich ungefähr 1,3 oder ungefähr 1,4, kleiner oder gleich ungefähr 1,7 oder ungefähr 1,6 oder zwischen ungefähr 1,3 bis ungefähr 1,7 oder ungefähr 1,4 bis ungefähr 1,6 ist. Bei manchen Aspekten beträgt a ungefähr 1,5.
Um die Bildung von unerwünschtem Grobschlamm zu vermeiden und den Gesamtvolumenanteil von Fe-haltigen intermetallischen Phasen in der Mehrzweckaluminiumlegierung zu minimieren, sollte der Massenanteil von Mangan größer oder gleich ungefähr 0,05 % oder größer oder gleich ungefähr 0,08 % sein und der Massenanteil von Chrom sollte kleiner oder gleich ungefähr 0,20 % oder kleiner oder gleich ungefähr 0,18 % sein, bezogen auf die Gesamtmasse der Mehrzweckaluminiumlegierung.
Werden die Massenanteile (in Prozent) von Fe, Mn und Cr in der Mehrzweckaluminiumlegierung so gewählt oder gesteuert, dass sie die in Formel (1) dargelegte mathematische Beziehung erfüllen, können Aluminiumlegierungsteile, die aus der Mehrzweckaluminiumlegierung gegossen werden, eine Fe-haltige intermetallische Phase umfassen, die in einer Aluminiummatrixphase verteilt ist, und die Fe-haltige intermetallische Phase kann eine Vielzahl von intermetallischen AlFeSi-Teilchen und eine Vielzahl von intermetallischen Al(M, Fe)Si-Teilchen umfassen. Darüber hinaus kann die intermetallische AI(M, Fe)Si-Phase die dominierende Fe-haltige intermetallische Phase innerhalb der Aluminiummatrixphase sein. Anders gesagt können die intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen, bezogen auf das Volumen, mehr als 50 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen und die intermetallischen AlFeSi-Teilchen können, bezogen auf das Volumen, weniger als 50 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen. Bei manchen Aspekten können die intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen, bezogen auf das Volumen, mehr als 75 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen und die intermetallischen AlFeSi-Teilchen können, bezogen auf das Volumen, weniger als 25 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen.
In einigen Aluminiumlegierungen sind Fe, Mn und/oder Cr in relativ großen Mengen in den Legierungszusammensetzungen enthalten, um sicherzustellen, dass die Legierungen eine ausreichende Anbackbeständigkeit während des Gießens aufweisen. Zum Beispiel wurde Si-haltigen Aluminiumlegierungszusammensetzungen Fe in einem Massenanteil von größer oder gleich ungefähr 0,8 % der Gesamtlegierung zugesetzt, um eine ausreichende Anbackbeständigkeit zu gewährleisten. Bei einem anderen Beispiel wurde Si-haltigen Aluminiumlegierungszusammensetzungen Mn in einem Massenanteil von größer oder gleich ungefähr 0,5 % der Gesamtlegierung zugesetzt, um eine ausreichende Anbackbeständigkeit zu gewährleisten. Alternativ kann den Si-haltigen Aluminiumlegierungszusammensetzungen eine Massenanteilkombination aus ungefähr 0,13 % Fe und ungefähr 0,45 % Mn zugesetzt werden, um eine ausreichende Anbackbeständigkeit zu gewährleisten. Bei einer weiteren Alternative kann den Si-haltigen Aluminiumlegierungszusammensetzungen eine Massenanteilkombination aus ungefähr 0,13 % Fe und ungefähr 0,25 % Cr zugesetzt werden, um eine ausreichende Anbackbeständigkeit zu gewährleisten. Da eine Massenanteilkombination von ungefähr 0,13 % Fe und ungefähr 0,45 % Mn einer Si-haltigen Aluminiumlegierungszusammensetzung zugesetzt werden kann (anstelle eines Massenanteils von 0,8 % Fe), um eine ausreichende Anbackbeständigkeit zu gewährleisten, wurde erkannt, dass Mn, bezogen auf die Masse, beim Verhindern eines Anhaftens an der Form ungefähr 1,49 mal so wirksam ist wie Fe. Da eine Massenanteilkombination von ungefähr 0,13 % Fe und ungefähr 0,25 % Cr einer Si-haltigen Aluminiumlegierungszusammensetzung zugesetzt werden kann (anstelle eines Massenanteils von 0,8 % Fe), um eine ausreichende Anbackbeständigkeit zu gewährleisten, wurde außerdem erkannt, dass Cr, bezogen auf die Masse, beim Verhindern eines Anhaftens an der Form ungefähr 2,68 mal so wirksam ist wie Fe. Unter der Annahme, dass eine Si-haltige Aluminiumlegierungszusammensetzung, die im Wesentlichen frei von Mn und Cr ist, Massenteile von mindestens 0,8 % Fe enthalten muss, um eine ausreichende Anbackbeständigkeit zu gewährleisten, kann auf Grundlage der obigen Beziehungen eine mathematische Beziehung zwischen den jeweiligen Mengen und den Gesamtmengen an Fe, Mn und Cr in einer Si-, Fe-, Mn- und Cr-haltigen Aluminiumlegierungszusammensetzung ermittelt werden.
Um sicherzustellen, dass die Mehrzweckaluminiumlegierung eine ausreichende Anbackbeständigkeit aufweist, wurde erkannt, dass der Massenanteil von Eisen (Fe%), der Massenanteil von Mangan (Mn%) und der Massenanteil von Chrom (Cr%) in der Mehrzweckaluminiumlegierung so gewählt oder gesteuert werden sollten, dass die folgende mathematische Beziehung erfüllt wird: $F e % + (b \times M n %) + (c \times C r %) > 0,60 %$
wobei b größer oder gleich ungefähr 1,2 oder ungefähr 1,4, kleiner oder gleich ungefähr 1,7 oder ungefähr 1,6 oder zwischen ungefähr 1,2 bis ungefähr 1,7 oder ungefähr 1,4 bis ungefähr 1,6 ist und wobei c größer oder gleich ungefähr 2,5 oder ungefähr 2,6, kleiner oder gleich ungefähr 2,9 oder ungefähr 2,8 oder zwischen ungefähr 2,8 bis ungefähr 2,9 oder ungefähr 2,6 bis ungefähr 2,8 ist. Bei manchen Aspekten beträgt b ungefähr 1,5 und c ungefähr 2,7.
Bei manchen Aspekten kann die Mehrzweckaluminiumlegierung größer oder gleich ungefähr 0 % oder ungefähr 0,05 % Kupfer (Cu), kleiner oder gleich ungefähr 0,2 % oder ungefähr 0,1 % Kupfer oder zwischen ungefähr 0 % bis ungefähr 0,2 % oder ungefähr 0,05 % bis ungefähr 0,1 % Kupfer umfassen. Die Menge an Kupfer in der Mehrzweckaluminiumlegierung kann von der Menge an Kupfer in den Rohstoffen oder Schrottmaterialien, die zur Herstellung der Mehrzweckaluminiumlegierungszusammensetzung verwendet werden, und/oder vom Verwendungszweck der Mehrzweckaluminiumlegierung abhängen.
Bei manchen Aspekten kann die Mehrzweckaluminiumlegierung Massenanteile von größer oder gleich ungefähr 0 % oder ungefähr 0,05 % Zink (Zn), kleiner oder gleich ungefähr 0,2 % oder ungefähr 0,1 % Zink oder zwischen ungefähr 0 % bis ungefähr 0,2 % oder ungefähr 0,05 % bis ungefähr 0,1 % Zink umfassen. Die Menge an Zink in der Mehrzweckaluminiumlegierung kann von der Menge an Zink in den Rohstoffen oder Schrottmaterialien, die zur Herstellung der Mehrzweckaluminiumlegierungszusammensetzung verwendet werden, und/oder vom Verwendungszweck der Mehrzweckaluminiumlegierung abhängen.
Zusätzliche Elemente, die nicht mit Absicht in die Zusammensetzung der Mehrzweckaluminiumlegierung eingebracht werden, können dennoch von vornherein in der Legierung in relativ geringen Mengen vorhanden sein, z. B. kleiner 0,2 Gew.%, vorzugsweise kleiner 0,05 Gew.-% und noch bevorzugter kleiner 0,01 Gew.-% der Mehrzweckaluminiumlegierung. Solche Elemente können beispielsweise als Verunreinigungen in den zur Herstellung der Mehrzweckaluminiumlegierungszusammensetzung verwendeten Rohstoffen oder Schrottmaterialien vorhanden sein. Bei Ausgestaltungen, bei denen darauf verwiesen wird, dass die Mehrzweckaluminiumlegierung ein oder mehrere Legierungselemente (z. B. eines oder mehrere der Elemente Si, Mg, Fe, Mn, Cr, Cu und Zn) und als Rest Aluminium umfasst, schließt der Begriff „als Rest“ das Vorhandensein zusätzlicher Elemente nicht aus, die nicht mit Absicht in die Zusammensetzung der Mehrzweckaluminiumlegierung eingebracht wurden, aber dennoch von vornherein in der Legierung in relativ geringen Mengen vorhanden sind, z. B. als Verunreinigungen.
Die Mehrzweckaluminiumlegierung kann in einer Vielzahl von Gießverfahren zur Herstellung von Formteilen für eine Vielzahl von Industrien, einschließlich der Automobilindustrie, verwendet werden. Beispielsweise können die vorliegend offenbarten Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Formteilen durch Hochdruckgießverfahren (z. B. Druckgießverfahren) und durch relativ druckarme Gießverfahren (z. B. Kokillengießverfahren, einschließlich Niederdruck-, Gegendruck- und Schwerkraftgießverfahren, sowie Sandguss) verwendet werden. Beispiele für Automobilteile, die aus den vorliegend offenbarten Aluminiumlegierungen gegossen werden können, umfassen Karosserieteile, Motorblöcke, Zylinderköpfe, Kolben, Pleuelstangen, Getriebegehäuse, Radnaben, Pumpengehäuse, Vergasergehäuse, Ventildeckel, Lenkgetriebegehäuse, Kupplungsgehäuse, Luftansaug- und Abgaskrümmer und Ölwannen, um nur einige zu nennen. Gussteile mit einer Wandstärke von weniger als 5 Millimetern (z. B. größer oder gleich ungefähr 0,5 Millimeter und kleiner oder gleich ungefähr 4 Millimeter) können als „dünnwandig“ bezeichnet werden und Gussteile mit einer Wandstärke von mehr als 5 Millimetern können als „dickwandig“ bezeichnet werden.
Die Mehrzweckaluminiumlegierung kann auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 650 °C bis ungefähr 730 °C (z. B. ungefähr 705 °C) erhitzt werden, um eine Schmelze aus geschmolzener Aluminiumlegierung zu bilden. Die Temperatur, bei der die Mehrzweckaluminiumlegierung gegossen wird, kann von der spezifischen Zusammensetzung der Legierung und/oder von der Wandstärke des zu gießenden Teils abhängen. Ein Volumen der geschmolzenen Aluminiumlegierung kann in einen Formhohlraum gegossen werden, wo es ihr ermöglicht wird, abzukühlen und zu erstarren. Nach dem Erstarren kann das Gussteil aus dem Formhohlraum entnommen und auf Umgebungstemperatur abgekühlt werden. Bei manchen Aspekten können dünnwandige Aluminiumlegierungsteile im Druckgussverfahren hergestellt werden und eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 100 Grad Celsius pro Sekunde bis ungefähr 1.000 Grad Celsius pro Sekunde aufweisen. Bei anderen Aspekten können relativ dickwandige Aluminiumlegierungsteile durch Gießverfahren hergestellt werden, die keinen hohen Überdruck zum Schmelzen im Formhohlraum erfordern (z. B. Kokillengießverfahren, einschließlich Niederdruck-, Gegendruck- und Schwerkraftgießverfahren, sowie Sandguss). Relativ dickwandige Aluminiumlegierungsteile, die mit einem solchen relativ druckarmen oder drucklosen Gießverfahren gegossen werden, können während des Gießvorgangs eine durchschnittliche Abkühlungsgeschwindigkeit von kleiner oder gleich ungefähr 10 Grad Celsius pro Sekunde aufweisen. Bei manchen Aspekten können relativ dickwandige Aluminiumlegierungsteile, die mit einem solchen relativ druckarmen oder drucklosen Gießverfahren gegossen werden, während des Gießvorgangs eine Abkühlungsgeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 1 Grad Celsius pro Sekunde bis ungefähr 10 Grad Celsius pro Sekunde aufweisen. Sowohl dünnwandige Aluminiumlegierungsteile als auch relativ dickwandige Aluminiumlegierungsteile können aus der vorliegend offenbarten Mehrzweckaluminiumlegierung im Druckgussverfahren bzw. im relativ druckarmen oder drucklosen Gussverfahren hergestellt werden.
Bei manchen Aspekten kann das Gussteil, nachdem es auf Umgebungstemperatur abgekühlt ist, einem oder mehreren Wärmebehandlungsverfahren unterzogen werden, um beispielsweise seine Vickershärte zu erhöhen. Beispiele für Wärmebehandlungsverfahren sind das Lösungsglühen, das Glühen zur künstlichen Alterung oder eine Kombination davon. Das Lösungsglühen kann durch Erhitzen des gegossenen Aluminiumlegierungsteils auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 440 °C bis ungefähr 550 °C für eine Dauer im Bereich von ungefähr 1 Stunde bis 12 Stunden durchgeführt werden, um die Legierungselemente (z. B. Si, Mg, Fe, Mn, Cr, Cu und/oder Zn) in feste Lösung mit der Aluminiummatrixphase zu bringen. Nach dem Lösungsglühen kann das Gussteil auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 50 °C bis ungefähr 100 °C abgeschreckt werden. Das Glühen zur künstlichen Alterung kann durch Erhitzen des Aluminiumlegierungsgussteils auf eine Temperatur im Bereich von ungefähr 160 °C bis ungefähr 240 °C für eine Dauer von ungefähr 3 Stunden bis 12 Stunden durchgeführt werden, um eine oder mehrere Ausscheidungsphasen innerhalb der Aluminiummatrixphase zu bilden. Die spezifischen Wärmebehandlungstemperaturen und -dauern können von der Wandstärke des Gussteils und dem Verwendungszweck des Gussteils abhängen.
Aus der Mehrzweckaluminiumlegierung gegossene Aluminiumlegierungsteile können unterschiedliche mechanische Eigenschaften aufweisen, je nachdem, welches Gießverfahren zur Bildung des Aluminiumlegierungsteils verwendet wurde und/oder ob das Aluminiumlegierungsteil nach dem Gießen einer Wärmebehandlung unterzogen wurde. Nachdem beispielsweise ein dickwandiges Aluminiumlegierungsteil aus der Mehrzweckaluminiumlegierung unter Verwendung eines relativ druckarmen Gießverfahrens gegossen wurde, gefolgt von einem Lösungsglühen und einem Glühen zur künstlichen Alterung, kann das dickwandige Aluminiumlegierungsteil eine Streckgrenze im Bereich von größer oder gleich ungefähr 180 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 270 MPa, eine Bruchfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 260 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 330 MPa, eine Ermüdungsfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 70 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 100 MPa und eine Bruchdehnung im Bereich von größer oder gleich ungefähr 8 % bis kleiner oder gleich ungefähr 13 % aufweisen. Andererseits kann ein dünnwandiges Aluminiumlegierungsteil, das aus der Mehrzweckaluminiumlegierung unter Verwendung eines Druckgussverfahrens ohne nachfolgende Wärmebehandlungen (d. h. ohne Lösungsglühen oder Glühen zur künstlichen Alterung unterzogen zu werden) gegossen wird, eine Streckgrenze im Bereich von größer oder gleich ungefähr 100 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 130 MPa, eine Bruchfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 220 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 280 MPa und eine Bruchdehnung im Bereich von größer oder gleich ungefähr 8 % bis kleiner oder gleich ungefähr 17 % aufweisen.
BEISPIELE
Beispiel 1: Einfluss von Cr und Mn auf die Morphologie von Fe-haltigen intermetallischen Teilchen
AI-7Si-0,25Fe-Legierungen mit unterschiedlichen Mengen an Mangan und Chrom wurden in einer Laborumgebung hergestellt, durch Schwerkraftgießen zu Proben geformt und das Mikrogefüge der gegossenen Proben mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops bei 200-facher Vergrößerung untersucht. Für jede rasterelektronenmikroskopische Aufnahme wurde das Aspektverhältnis von mehr als 600 Fe-haltigen intermetallischen Teilchen gemessen und der Prozentsatz der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen mit einem Aspektverhältnis von größer 3 ermittelt.
1 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (REM-Aufnahme) einer AI-7Si-0,25Fe-Legierung ohne Zusatz von Mangan oder Chrom. Das durchschnittliche Aspektverhältnis der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen in der Al-7Si-0,25Fe-Legierung betrug 3,0±0,3. Auf der REM-Aufnahme erscheinen die Fe-haltigen intermetallischen Teilchen hell oder weiß, im Gegensatz zu der im Allgemeinen schwarzen Aluminiummatrixphase.
2A, 2B und 2C zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Al-7Si-0,25Fe-Legierungen mit einem Massenanteil von 0,10 %, 0,15 % bzw. 0,20 % Mangan. Das durchschnittliche Aspektverhältnis der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen in der AI-7Si-0,25Fe-0,10Mn-Legierung (2A) betrug 3,0 ± 0,2, wobei 44 % der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen ein Aspektverhältnis von größer 3 aufwiesen. Das durchschnittliche Aspektverhältnis der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen in der AI-7Si-0,25Fe-0,15Mn-Legierung (2B) betrug 2,7 ± 0,2, wobei 38 % der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen ein Aspektverhältnis von größer 3 aufwiesen. Das durchschnittliche Aspektverhältnis der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen in der AI-7Si-0,25Fe-0,20Mn-Legierung (2C) betrug 2,7 ± 0,2, wobei 39 % der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen ein Aspektverhältnis von größer 3 aufwiesen.
3A, 3B und 3C zeigen rasterelektronenmikroskopische Aufnahmen von Al-7Si-0,25Fe-Legierungen, die einen Massenanteil von 0,10 %, 0,15 % bzw. 0,20 % Chrom umfassen. Das durchschnittliche Aspektverhältnis der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen in der AI-7Si-0,25Fe-0,10Cr-Legierung (3A) betrug 2,3 ± 0,2, wobei 26 % der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen ein Aspektverhältnis von größer 3 aufwiesen. Das durchschnittliche Aspektverhältnis der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen in der AI-7Si-0,25Fe-0,15Cr-Legierung ( 3B) betrug 2,2 ± 0,1, wobei 22 % der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen ein Aspektverhältnis von größer 3 aufwiesen. Das durchschnittliche Aspektverhältnis der Fe-haltigen intermetallischen Teilchen in der AI-7Si-0,25Fe-0,20Cr-Legierung (3C) konnte wegen der Schlammbildung nicht ermittelt werden. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass Cr die Morphologie der Fe-haltigen intermetallischen Phasen in Aluminiumlegierungszusammensetzungen sehr viel effektiver verändert als Mn, insbesondere weil die Bildung von intermetallischen AlFeSi-Phasen unterdrückt wird.
Beispiel 2: Optimierung des Mn-Gehalts für die AI-7Si-0,25Fe-0,14Cr-Legierung
Aluminiumlegierungsproben mit unterschiedlichen Mengen an Fe, Cr und Mn wurden in einer Produktionsumgebung hergestellt und im Gegendruckgießverfahren zu Proben geformt. Die Streckgrenze und die Bruchdehnung wurden im einachsigen Zugversuch gemessen und das Mikrogefüge der Gussproben wurde mit Hilfe eines Rasterelektronenmikroskops bei 200-facher Vergrößerung untersucht. Vor der Auswertung und Prüfung wurden die Proben einer T6-Wärmebehandlung unterzogen, die ein 5-stündiges Lösungsglühen bei 540 °C, ein anschließendes Abschrecken mit Wasser bei 65 °C und ein darauf folgendes 4-stündiges Alterungsglühen bei 166 °C umfasste.
4 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer AI-7,2Si-0,38Mg-0,11Fe-Legierung ohne Zusatz von Mangan oder Chrom. Die AI-7,2Si-0,38Mg-0,11Fe-Legierung wies eine Streckgrenze von 248 MPa und eine Bruchdehnung von 8,6 % auf.
5 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Al-7,1 Si-0,35Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,05Mn-Legierung. Die AI-7,1Si-0,35Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,05Mn-Legierung wies eine Streckgrenze von 248 MPa und eine Bruchdehnung von 6,5 % auf.
6 zeigt eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer AI-6,6Si-0,34Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,12Mn-Legierung. Die AI-6,6Si-0,34Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,12Mn-Legierung wies eine Streckgrenze von 247 MPa und eine Bruchdehnung von 8,0 % auf.
Beispiel 3: Ermüdungsbeständigkeit
Eine Al-7,2Si-0,38Mg-0,11Fe-Basislegierung und eine AI-6,6Si-0,34Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,12Mn-Legierung wurden in einer Produktionsumgebung hergestellt, durch Gegendruckgießen zu Proben geformt und auf ihre Ermüdungsbeständigkeit untersucht. Vor der Auswertung und Prüfung wurden die Proben einer T6-Wärmebehandlung unterzogen, die ein 5-stündiges Lösungsglühen bei 540 °C, ein anschließendes Abschrecken mit Wasser bei 65 °C und ein darauf folgendes 4-stündiges Alterungsglühen bei 166 °C umfasste.
Die Proben wurden auf ihre Ermüdungsbeständigkeit geprüft, wobei jede Probe mit einer Spannungsamplitude begann, die einer vorgegebenen Ermüdungsfestigkeit (100 MPa) entsprach, und für eine vorgegebene Anzahl von Zyklen (1 Million Zyklen) belastet wurde. Anschließend wurden die Proben mit sukzessive höheren Spannungsamplituden erneut geprüft, die in gleichmäßigen 10 %-Schritten für eine Zyklenzahl erhöht wurden, die 10 % der ursprünglich vorgegebenen Zahl entsprach. Der Test für jede Probe endet, wenn sie bricht. Die Tests wurden mit voller Umkehrung (R = -1), mit sinusförmiger Wellenform bei Laststeuerung und in Laborluft durchgeführt. Die prozentuale Belastungszeitstatistik (PBZ) wurde für jede Probe nach der folgenden Gleichung berechnet: PBZ = [(Zyklenlebensdauer)/(vorgegebene Zyklenlebensdauer)]×100 %, wobei die Zyklenlebensdauer gleich der Anzahl der kumulativen Zyklen bis zum Versagen und die vorgegebene Zyklenlebensdauer gleich der vorgegebenen Zyklenzahl (d. h. 1 Million Zyklen) ist.
7 zeigt ein Weibull-Diagramm der Wahrscheinlichkeit der PBZ (in %) gegenüber der PBZ für Proben der Al-7,2Si-0,38Mg-0,11 Fe-Basislegierung. Die Proben der Al-7,2Si-0,38Mg-0,11Fe-Basislegierung wiesen eine durchschnittliche PBZ von 1,21 ± 0,28 und eine mittlere PBZ von 1,22 auf.
8 zeigt ein Weibull-Diagramm der Wahrscheinlichkeit der PBZ (in %) gegenüber der PBZ für Proben der AI-6,6Si-0,34Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,12Mn-Legierung. Die Proben der AI-6,6Si-0,34Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,12Mn-Legierung wiesen eine durchschnittliche PBZ von 1,41 ± 0,40 und eine mittlere PBZ von 1,41 auf.
Die Al-6,6Si-0,34Mg-0,25Fe-0,14Cr-0,12Mn-Legierung wies eine bessere Ermüdungsleistung auf als die Al-7,2Si-0,38Mg-0,11 Fe-Basislegierung.
Beispiel 4: Einachsiger Zugversuch
Eine AI-10,5Si-0,28Mg-0,12Fe-0,49Mn-Basislegierung und eine AI-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung wurden in einer Laborumgebung hergestellt, im Druckgussverfahren zu Proben geformt und im einachsigen Zugversuch ausgewertet. Vor der Auswertung und Prüfung wurde die AI-10,5Si-0,28Mg-0,12Fe-0,49Mn-Basislegierung einer T7-Wärmebehandlung unterzogen, die ein Lösungsglühen bei 460 °C für 60 Minuten, gefolgt von einem Abschrecken mit einem Gebläse und anschließendem Glühen zur künstlichen Alterung bei 215 °C für 120 Minuten, umfasste. In der Praxis gelten T7-Wärmebehandlungen im Allgemeinen als kostspielig und werden daher oft vermieden, wenn die Duktilität dadurch nicht beeinträchtigt wird. Die AI-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung wurde im gegossenen Zustand geprüft, nachdem sie auf Umgebungstemperatur abgekühlt worden war, ohne dass sie einer weiteren Wärmebehandlung unterzogen wurde.
9 zeigt ein Diagramm der technischen Spannung (MPa) gegenüber der technischen Dehnung (%) für die AI-10,5Si-0,28Mg-0,12Fe-0,49Mn-Basislegierung (gestrichelte Linien) und die AI-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung (durchgezogene Linien). Die AI-10,5Si-0,28Mg-0,12Fe-0,49Mn-Basislegierung wies eine Streckgrenze von 126 MPa, eine Bruchfestigkeit von 203 MPa und eine Bruchdehnung von 15,0 % auf. Die AI-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung wies eine Streckgrenze von 107 MPa, eine Bruchfestigkeit von 254 MPa und eine Bruchdehnung von 13,3 % auf.
10 zeigt ein Diagramm der Umformung (J/m³) gegenüber der technischen Dehnung (%) für die Al-10,5Si-0,28Mg-0,12Fe-0,49Mn-Basislegierung (gestrichelte Linien mit quadratischen Datenmarkierungen) und die AI-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11 Cr-0,08Mn-Legierung (durchgezogene Linien mit kreisförmigen Datenmarkierungen). Die Ergebnisse zeigen, dass die vorliegend offenbarte AI-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung selbst im gegossenen Zustand ohne weitere Wärmebehandlung eine bessere Energieabsorptionsfähigkeit aufweist als die der T7-Wärmebehandlung unterzogene AI-10,5Si-0,28Mg-0,12Fe-0,49Mn-Basislegierung.
Beispiel 5: Auswertung der Anhaftbeständigkeit
Eine Schmelze einer AI-7Si-0,8Fe-Basislegierung und eine Schmelze einer AI-7Si-0,13Cr-0,1Mn-0,25Fe-Legierung wurden in einer Laborumgebung hergestellt und einem Tauchversuch bei 705 °C unterzogen, um ihre jeweilige Reaktivität mit Matrizenstahl zu ermitteln. Stifte aus Matrizenstahl wurden vor und nach dem Eintauchen in die im hergestellten Zustand befindlichen Schmelzen für bestimmte Zeiträume belastet. Der Unterschied zwischen dem Gewicht der Stifte vor und nach dem Eintauchen (der Gewichtsverlust der Stifte) ist auf das Auftreten einer chemischen Reaktion zwischen den Stiften und den Aluminiumlegierungsschmelzen zurückzuführen. Zur Berechnung der Durchschnittsdaten für jede Legierungsschmelze wurden vier Stifte verwendet. 11 zeigt ein Diagramm des Gewichtsverlusts (in Gramm) gegenüber der Eintauchdauer (in Stunden); die Ergebnisse der AI-7Si-0,8Fe-Basislegierung sind als Quadrate und die Ergebnisse der AI-7Si-0,13Cr-0,1Mn-0,25Fe-Legierung als Kreise dargestellt.
Die Mehrzweckaluminiumlegierung kann bei relativ niedrigen Eisengehalten (z.B. ≤ ungefähr 0,25 Massenprozent Eisen) eine hohe Anbackbeständigkeit aufweisen. Die Anbackbeständigkeit der Mehrzweckaluminiumlegierung kann beispielsweise einer Aluminiumlegierung ähnlich sein, die Massenanteile von ungefähr 7 % Silicium, ungefähr 0,8 % Eisen und als Rest Aluminium umfasst. Bei manchen Aspekten darf die Mehrzweckaluminiumlegierung beim Gießen in einem Stahlformhohlraum bei einer Temperatur von ungefähr 705 °C kein Anbacken (Anhaften) an der Form aufweisen.
Beispiel 6: Nieten auf Stahl
12 zeigt das Bild einer erfolgreichen Nietung zwischen einem Blech aus einer Al-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11 Cr-0,08Mn-Legierung mit einer Dicke von ungefähr 3 Millimetern und einem DP590-Stahlblech mit einer Dicke von ungefähr 0,7 Millimetern. Das Blech aus der Al-7,3Si-0,15Mg-0,25Fe-0,11Cr-0,08Mn-Legierung wurde mit dem DP590-Stahlblech im gegossenen Zustand vernietet, nachdem es auf Umgebungstemperatur abgekühlt war, ohne dass es weiteren Wärmebehandlungen unterzogen wurde. Während des Nietvorgangs bildeten sich in keinem der beiden Bleche Risse, was darauf hindeutet, dass die vorliegend offenbarte Mehrzweckaluminiumlegierung erfolgreich durch Nieten mit einem Stahlblech verbunden werden kann.
Die vorstehende Beschreibung der Ausgestaltungen dient der Veranschaulichung und Beschreibung. Sie erhebt keinen Anspruch darauf, vollständig zu sein oder die Offenbarung einzuschränken. Einzelne Elemente oder Merkmale einer bestimmten Ausgestaltung sind im Allgemeinen nicht auf diese Ausgestaltung beschränkt, sondern sind optional austauschbar und können in einer ausgewählten Ausgestaltung verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Dieselben können auch auf vielerlei Weise abgewandelt werden. Solche Abwandlungen sind nicht als Abweichung von der Offenbarung zu betrachten und alle diese Änderungen sind dazu bestimmt, in dem Umfang der Offenbarung enthalten zu sein.

Claims

Aluminiumlegierung zum Gießen von Aluminiumlegierungsformteilen, wobei die Aluminiumlegierung in Massenanteilen Folgendes umfasst: größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 8 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,4 % Magnesium, größer oder gleich ungefähr 0,2 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,25 % Eisen, größer oder gleich ungefähr 0,05 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,15 % Mangan, größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,2 % Chrom, größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,2 % Kupfer, größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,2 % Zink und als Rest Aluminium, wobei ein Massenanteil von Eisen (Fe%), ein Massenanteil von Mangan (Mn%) und ein Massenanteil von Chrom (Cr%) in der Aluminiumlegierung die folgenden mathematischen Beziehungen erfüllen: (i) [Mn% + (a × Cr%)]/Fe% > 1 und (ii) Fe% +(b × Mn%) + (c × Cr%) > 0,6 %, wobei a ungefähr 1,5 ist, b ungefähr 1,5 ist und c ungefähr 2,7 ist.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung in Massenanteilen Folgendes umfasst: größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 7,5 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,05 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,1 % Mangan, größer oder gleich ungefähr 0,12 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,18 % Chrom, größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,1 % Kupfer, größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,1 % Zink und als Rest Aluminium.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung in Massenanteilen Folgendes umfasst: größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 7,5 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,08 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,12 % Mangan, größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,15 % Chrom, größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,1 % Kupfer, größer oder gleich 0 % bis kleiner oder gleich 0,1 % Zink und als Rest Aluminium.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung in Massenanteilen Folgendes umfasst: größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 7,5 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,3 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,4 % Magnesium, ungefähr 0,25 % Eisen; größer oder gleich ungefähr 0,08 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,12 % Mangan und größer oder gleich ungefähr 0,11 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,14 % Chrom.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei nach dem Gießen der Aluminiumlegierung zu einem Aluminiumlegierungsformteil die Aluminiumlegierung ein mehrphasiges Mikrogefüge aufweist, das eine Aluminiummatrixphase und eine Fe-haltige intermetallische Phase umfasst, die in der Aluminiummatrixphase verteilt ist, wobei die Fe-haltige intermetallische Phase eine Vielzahl von intermetallischen AlFeSi-Teilchen und eine Vielzahl von intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen umfasst, wobei M Mn und/oder Cr ist, wobei die intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen, bezogen auf das Volumen, mehr als 75 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen und die intermetallischen AlFeSi-Teilchen, bezogen auf das Volumen, weniger als 25 % der Fe-haltigen intermetallischen Phase ausmachen, wobei die intermetallischen AI(M, Fe)Si-Teilchen im zweidimensionalen Querschnitt betrachtet ein mittleres Aspektverhältnis von kleiner 3 aufweisen und wobei die intermetallischen AlFeSi-Teilchen im zweidimensionalen Querschnitt betrachtet ein mittleres Aspektverhältnis von größer 3 aufweisen.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, wobei die Aluminiumlegierung beim Gießen in einem Stahlformhohlraum bei einer Temperatur von ungefähr 705 °C kein Anbacken an der Form aufweist.
Aluminiumlegierungsteil, in Massenanteilen umfassend: größer oder gleich ungefähr 6,5 % bis kleiner oder gleich ungefähr 8 % Silicium, größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,4 % Magnesium, größer oder gleich ungefähr 0,2 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,25 % Eisen, größer oder gleich ungefähr 0,05 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,15 % Mangan und größer oder gleich ungefähr 0,1 % bis kleiner oder gleich ungefähr 0,2 % Chrom, wobei ein Massenanteil von Eisen (Fe%), ein Massenanteil von Mangan (Mn%) und ein Massenanteil von Chrom (Cr%) in der Aluminiumlegierung die folgenden mathematischen Beziehungen erfüllen: (i) [Mn% + (a × Cr%)]/Fe% > 1 und (ii) Fe% + (b × Mn%) + (c × Cr%) > 0,6 %, wobei a ungefähr 1,5 ist, b ungefähr 1,5 ist und c ungefähr 2,7 ist.
Aluminiumlegierungsteil nach Anspruch 7, wobei das Aluminiumlegierungsteil durch ein Kokillengussverfahren oder ein Sandgussverfahren hergestellt wird, bei dem ein Volumen einer Aluminiumlegierung in eine Form gegossen wird, die die Form des Aluminiumlegierungsteils bei einem Druck von kleiner oder gleich ungefähr 50 psi definiert, und dann mit einer durchschnittlichen Abkühlgeschwindigkeit von kleiner oder gleich ungefähr 10 Grad Celsius pro Sekunde auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, wobei das Aluminiumlegierungsteil eine Wandstärke von größer 5 Millimeter bis kleiner oder gleich ungefähr 10 Millimeter aufweist.
Aluminiumlegierungsteil nach Anspruch 8, wobei das Aluminiumlegierungsteil, nachdem es lösungsgeglüht und künstlich gealtert wurde, eine Streckgrenze im Bereich von größer oder gleich ungefähr 180 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 270 MPa, eine Bruchfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 260 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 330 MPa, eine Ermüdungsfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 70 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 100 MPa und eine Bruchdehnung im Bereich von größer oder gleich ungefähr 8 % bis kleiner oder gleich ungefähr 13 % aufweist.
Aluminiumlegierungsteil nach Anspruch 7, wobei das Aluminiumlegierungsteil durch ein Hochdruckgießverfahren hergestellt wird, bei dem ein Volumen einer Aluminiumlegierung in eine Form gegossen wird, die die Form des Aluminiumlegierungsteils bei einem Druck im Bereich von ungefähr 1500 psi bis ungefähr 25.400 psi definiert, und dann mit einer durchschnittlichen Abkühlungsgeschwindigkeit im Bereich von ungefähr 100 Grad Celsius pro Sekunde bis ungefähr 1.000 Grad Celsius pro Sekunde auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird, wobei das Aluminiumlegierungsteil eine Wandstärke von größer oder gleich ungefähr 0,5 Millimeter bis kleiner ungefähr 5 Millimeter aufweist und wobei das Aluminiumlegierungsteil nach dem Abkühlen auf Umgebungstemperatur eine Streckgrenze im Bereich von größer oder gleich ungefähr 100 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 130 MPa, eine Bruchfestigkeit im Bereich von größer oder gleich ungefähr 220 MPa bis kleiner oder gleich ungefähr 280 MPa und eine Bruchdehnung im Bereich von größer oder gleich ungefähr 8 % bis kleiner oder gleich ungefähr 17 % aufweist.