EP0792380B1 - Aluminium-gusslegierung - Google Patents

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EP0792380B1
EP0792380B1 EP95937067A EP95937067A EP0792380B1 EP 0792380 B1 EP0792380 B1 EP 0792380B1 EP 95937067 A EP95937067 A EP 95937067A EP 95937067 A EP95937067 A EP 95937067A EP 0792380 B1 EP0792380 B1 EP 0792380B1
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aluminium
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Aluminium Rheinfelden GmbH
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Aluminium Rheinfelden GmbH
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C1/00—Making non-ferrous alloys
    • C22C1/12—Making non-ferrous alloys by processing in a semi-solid state, e.g. holding the alloy in the solid-liquid phase

Definitions

  • the invention relates to the use of an aluminum alloy for thixocasting or thixo forging.
  • Die casting technology has developed so far today that it is possible to make castings with high quality standards to manufacture.
  • the quality of a die-cast piece depends but not only on the machine setting and the selected one Process, but also to a large extent from the chemical Composition and structure of the used Cast alloy. These two latter parameters are known to influence the pourability, the feeding behavior (G. Schindelbauer, J. Czikel “Mold filling capacity and volume deficit of common aluminum die casting alloys " Foundry Research 42, 1990, pp. 88/89), the mechanical properties and - especially in die casting important - the service life of the casting tools (L.A. Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson "General Aspects on Wash-out Mechanism in Aluminum Diecasting Dies ", 17th International NADCA Diecasting Congress 1993, Cleveland OH).
  • This Heat treatment is for molding the casting phases and necessary to achieve tough fracture behavior.
  • Heat treatment usually means solution annealing at temperatures just below the solidus temperature with subsequent quenching in water or another Medium at temperatures ⁇ 100 ° C.
  • the material treated in this way now has a low yield strength and tensile strength.
  • heat aging is carried out. This can also take place due to the process, e.g. through a thermal Exposure when painting or by relaxation annealing an entire component group.
  • JP-A-1149938 is a die casting alloy with 3 to 6% Mg, 0.3 to 2.5% Si, 0 to 2% Mn, 0.03 to 0.40% Ti and optionally 0.001 to 0.01% Be and Al are known as the remainder.
  • An example Alloy mentioned has the following composition with respect to their main alloying elements: 5% Mg-2.2% Si-0.4% Mn.
  • DE-B-1758441 describes an Al cast alloy with 0.6 to 1.2% Mn, 4.5 to 7.5% Mg, 0.8 to 2.5% Si, 0.1 to 0.3% Ti and 0.2 to 1.0% Cu disclosed.
  • GB-A-1384264 describes an aluminum casting alloy with 3.5 to 7% Mg, 0.8 to 2.5% Si and 0.6 to 1.8% Mn.
  • This alloy has a well molded ⁇ phase in the as-cast state.
  • the eutectic mainly consisting of Mg 2 Si and Al 6 Mn phases, is very fine and therefore leads to a highly ductile fracture behavior.
  • the eutectic content of around 30% ensures excellent castability.
  • the manganese content prevents sticking in the mold and ensures good mold release.
  • the magnesium content in combination with manganese gives the casting a high level of design stability, so that very little or no distortion can be expected even when demoulded.
  • ⁇ phase Due to the already formed ⁇ phase, this can be done Alloy excellent for thixocasting or thixo forging deploy.
  • the ⁇ phase forms when it melts again immediately one, so excellent thixotropic properties available. At the usual heating rates a grain size of ⁇ 100 ⁇ m is generated.
  • the alloy is heat treatable, weldable and shows excellent casting behavior.
  • a preferred application the aluminum alloy according to the invention is in the case of components with high demands on the mechanical properties, without the need for heat treatment.

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Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer Aluminiumlegierung für das Thixocasting oder das Thixoschmieden.
Die Druckgusstechnik hat sich heute soweit entwickelt, dass es möglich ist, Gussstücke mit hohen Qualitätsansprüchen herzustellen. Die Qualität eines Druckgussstückes hängt aber nicht nur von der Maschineneinstellung und dem gewählten Verfahren ab, sondern in hohem Masse auch von der chemischen Zusammensetzung und der Gefügestruktur der verwendeten Gusslegierung. Diese beiden letztgenannten Parameter beeinflussen bekanntermassen die Giessbarkeit, das Speisungsverhalten (G. Schindelbauer, J. Czikel "Formfüllungsvermögen und Volumendefizit gebräuchlicher Aluminiumdruckgusslegierungen" Giessereiforschung 42, 1990, S. 88/89), die mechanischen Eigenschaften und -- im Druckguss ganz besonders wichtig -- die Lebensdauer der Giesswerkzeuge (L.A. Norström, B. Klarenfjord, M. Svenson "General Aspects on Wash-out Mechanism in Aluminium Diecasting Dies", 17. International NADCA Diecastingcongress 1993, Cleveland OH).
In der Vergangenheit wurde der Entwicklung von speziell für den Druckguss anspruchsvoller Gussstücke geeigneten Legierungen wenig Aufmerksamkeit geschenkt. Die meisten Anstrengungen wurden auf die Weiterentwicklung der Verfahrenstechnik des Druckgussprozesses verwendet. Gerade von Konstrukteuren der Automobilindustrie wird aber immer mehr gefordert, schweissbare Bauteile mit hoher Duktilität im Druckguss zu realisieren, da bei hohen Stückzahlen der Druckguss die kostengünstigste Produktionsmethode darstellt.
Damit die geforderten mechanischen Eigenschaften, insbesondere eine hohe Bruchdehnung, erreicht werden können, müssen die Gussteile einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese Wärmebehandlung ist zur Einformung der Gussphasen und damit zur Erzielung eines zähen Bruchverhaltens notwendig. Eine Wärmebehandlung bedeutet in der Regel eine Lösungsglühung bei Temperaturen knapp unterhalb der Solidustemperatur mit nachfolgendem Abschrecken in Wasser oder einem anderen Medium auf Temperaturen <100°C. Der so behandelte Werkstoff weist nun eine geringe Dehngrenze und Zugfestigkeit auf. Um diese Eigenschaften auf den gewünschten Wert zu heben, wird anschliessend eine Warmauslagerung durchgeführt. Diese kann auch prozessbedingt erfolgen, z.B. durch eine thermische Beaufschlagung beim Lackieren oder durch das Entspannungsglühen einer ganzen Bauteilgruppe.
Da Druckgussstücke endabmessungsnah gegossen werden, haben sie meist eine komplizierte Geometrie mit dünnen Wandstärken. Während des Lösungsglühens und besonders beim Abschreckprozess muss mit Verzug gerechnet werden, der eine Nacharbeit z.B. durch Richten der Gussstücke oder im schlimmsten Fall Ausschuss nach sich ziehen kann. Die Lösungsglühung verursacht zudem zusätzliche Kosten und die Wirtschaftlichkeit dieser Produktionsmethode könnte wesentlich erhöht werden, wenn Legierungen zur Verfügung stehen würden, die die geforderten Eigenschaften ohne eine Wärmebehandlung erfüllen.
Aus JP-A-1149938 ist eine Druckgusslegierung mit 3 bis 6% Mg, 0,3 bis 2,5% Si, 0 bis 2% Mn, 0,03 bis 0,40% Ti sowie wahlweise noch 0,001 bis 0,01% Be sowie Al als Rest bekannt. Eine beispielhaft angeführte Legierung weist folgende Zusammensetzung bezüglich ihrer Hauptlegierungselemente auf: 5% Mg-2,2% Si- 0,4% Mn.
In DE-B-1758441 ist eine Al-Gusslegierung mit 0,6 bis 1,2% Mn, 4,5 bis 7,5% Mg, 0,8 bis 2,5% Si, 0,1 bis 0,3% Ti sowie 0,2 bis 1,0% Cu offenbart.
GB-A-1384264 beschreibt eine Al-Gusslegierung mit 3,5 bis 7% Mg, 0,8 bis 2,5% Si sowie 0,6 bis 1,8% Mn. Eine beispielhaft angegebene Legierung weist bezüglich ihrer Hauptlegierungselemente die folgende Zusammensetzung auf: 0,85% Mn, 4, 7% Mg sowie 1,7% Si.
Angesichts dieser Gegebenheiten hat sich der Erfinder die Aufgabe gestellt, eine für das Thixocasting und das Thixoschmieden geeignete Aluminiumlegierung zu entwickeln, die folgende Eigenschaften aufweist:
  • gute mechanische Eigenschaften im Gusszustand, insbesondere eine hohe Bruchdehnung
  • gute Vergiessbarkeit
  • keine Klebeneigung, gute Entformbarkeit
  • hohe Gestaltsfestigkeit
  • gute Schweissbarkeit
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt die Verwendung einer Aluminiumlegierung bestehend aus
  • 3,0 bis 6,0 Gew.% Magnesium
  • 1,4 bis 3,5 Gew.% Silizium
  • 0,5 bis 2,0 Gew.% Mangan
  • max. 0,2 Gew.% Titan
  • max. 0,15 Gew.% Eisen
    • sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.%, wobei die Legierung bereits im Rheogefügezustand vorliegt. Der zur Herstellung der Legierung verwendete Reinheitsgrad des Aluminiums entspricht einem Hütten-Aluminium der Qualität Al99.8H.
    Diese Legierung weist im Gusszustand eine gut eingeformte α-Phase auf. Das Eutektikum, überwiegend bestehend aus Mg2Si- und Al6Mn-Phasen, ist sehr fein ausgebildet und führt daher zu einem hochduktilen Bruchverhalten. Der eutektische Anteil von etwa 30% gewährleistet eine ausgezeichnete Giessbarkeit. Durch den Anteil an Mangan wird das Kleben in der Form vermieden und eine gute Entformbarkeit gewährleistet. Der Magnesiumgehalt in Verbindung mit Mangan gibt dem Gussstück eine hohe Gestaltsfestigkeit, so dass auch beim Entformen mit sehr geringem bis gar keinem Verzug zu rechnen ist.
    Aufgrund der bereits eingeformten α-Phase lässt sich diese Legierung hervorragend für das Thixocasting bzw. Thixoschmieden einsetzen. Die α-Phase formt sich beim Wiederaufschmelzen sofort ein, so dass hervorragende thixotrope Eigenschaften vorliegen. Bei den üblichen Aufheizgeschwindigkeiten wird eine Korngrösse von <100µm erzeugt.
    Eine bevorzugt verwendete Legierungszusammensetzung weist
  • 4,6 bis 5,8 Gew.% Magnesium
  • 2,0 bis 2,8 Gew.% Silizium
  • 0,6 bis 1,5 Gew.% Mangan
  • 0,1 bis 0,2 Gew.% Titan
  • max. 0,1 Gew.% Eisen
    • sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.% auf.
    Eine weitere bevorzugt verwendete Legierungszusammensetzung weist
  • 4,6 bis 5,4 Gew.% Magnesium
  • 1,8 bis 2,5 Gew.% Silizium
  • 0,5 bis 0,9 Gew.% Mangan
  • 0,1 bis 0,2 Gew.% Titan
  • max. 0,15 Gew.% Eisen
    • sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.% auf.
    Beispiel
    Eine Legierung mit der Zusammensetzung
  • Si: 2,2 Gew.%
  • Mn: 0,86 Gew.%
  • Mg: 5,4 Gew.%
  • Ti: 0,14 Gew.%
  • Fe: 0,1 Gew.%
    • Rest auf der Basis Hütten-Aluminium der Qualität Al99.8H, wurde im Druckguss vergossen. Als Form diente eine Platte mit einer Dicke von 4mm. Aus diesen Platten wurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet.
    Die nachfolgenden mechanischen Eigenschaften, Mittelwerte aus 21 Einzelmessungen, wurden im Gusszustand ermittelt:
  • Rp0,2 : 180 N/mm2
  • Rm : 314 N/mm2
  • A5 : 17,2%
    • Vergleichsweise werden für eine Legierung des Typs AlMg5Si für die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand die folgenden Werte angegeben:
  • Rp0,2 : 110-150 N/mm2
  • Rm : 150-240 N/mm2
  • A5 : 3-8%
    • Der Vergleich zeigt, dass die erfindungsgemässe Aluminiumlegierung im Gusszustand sowohl bezüglich der Dehngrenze (Rp0,2) als auch bezüglich der Bruchdehnung (A5) den heute bekannten Legierungen weit überlegen ist.
    Die Legierung ist wärmebehandelbar, schweissbar und zeigt ein ausgezeichnetes Giessverhalten. Ein bevorzugter Einsatz der erfindungsgemässen Aluminiumlegierung liegt bei Bauteilen mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, ohne dass hierzu eine Wärmebehandlung erforderlich ist.

    Claims (4)

    1. Verwendung einer Aluminiumlegierung bestehend aus
      3,0 bis 6,0 Gew.% Magnesium
      1,4 bis 3,5 Gew.% Silizium
      0,5 bis 2,0 Gew.% Mangan
      max. 0,2 Gew.% Titan
      max. 0,15 Gew.% Eisen
      sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.%, wobei die Legierung bereits im Rheogefügezustand vorliegt, für das Thixocasting oder Thixoschmieden.
    2. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
      4,6 bis 5,8 Gew.% Magnesium
      2,0 bis 2,8 Gew.% Silizium
      0,6 bis 1,5 Gew.% Mangan
      0,1 bis 0,2 Gew.% Titan
      max. 0,1 Gew.% Eisen
      sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.% besteht.
    3. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
      4,6 bis 5,4 Gew.% Magnesium
      1,8 bis 2,5 Gew.% Silizium
      0,5 bis 0,9 Gew.% Mangan
      0,1 bis 0,2 Gew.% Titan
      max. 0,15 Gew.% Eisen
      sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.%, insgesamt max. 0,2 Gew.% besteht.
    4. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 für ohne nachfolgende Wärmebehandlung hergestellte Bauteile mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften.
    EP95937067A 1994-11-15 1995-11-13 Aluminium-gusslegierung Expired - Lifetime EP0792380B2 (de)

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    CH3418/94 1994-11-15
    CH341894 1994-11-15
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