EP0911420A1 - Aluminium-Gusslegierung - Google Patents

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EP0911420A1 EP98810210A EP98810210A EP0911420A1 EP 0911420 A1 EP0911420 A1 EP 0911420A1 EP 98810210 A EP98810210 A EP 98810210A EP 98810210 A EP98810210 A EP 98810210A EP 0911420 A1 EP0911420 A1 EP 0911420A1
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cast
manganese
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Aluminium Rheinfelden GmbH
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    • 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

Definitions

  • the invention relates to an aluminum casting alloy, in particular an aluminum die casting alloy.
  • Die casting technology has developed so far today that it is possible to cast pieces to manufacture with high quality requirements.
  • the quality of a die casting depends not only on the machine setting and the chosen method, but also to a large extent on the chemical composition and structure the cast alloy used. 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 - particularly important in die casting - the service life 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).
  • AIMg alloys are also known which are distinguished by a high ductility. Such an alloy is disclosed, for example, in US-A-5 573 606. However, these alloys have the disadvantage of high mold wear and cause molding problems, which significantly reduces productivity.
  • the present invention is therefore based on the object of creating a die-casting alloy with a high elongation at break with an acceptable yield strength, which has good castability and sticks as little as possible in the mold.
  • the following minimum values must be achieved in the as-cast state: Elongation (A5): 14% proof stress (Rp 0.2): 100 MPa
  • the alloy should also be easy to weld, a high corrosion resistance and in particular show no susceptibility to stress corrosion cracking.
  • the degree of purity of the aluminum corresponds to the quality of a casing aluminum Al 99.8 H.
  • 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 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.
  • this alloy can also be used for Use thixocasting or thixo forging.
  • the ⁇ phase forms when it melts again immediately, so that excellent thixotropic properties are available.
  • the following content ranges are preferred for the individual alloy elements: magnesium 2.5 to 3.3% by weight, in particular 2.6 to 3.3% by weight Silicon 0.20 to 0.30% by weight manganese 0.40 to 1.2% by weight, in particular 0.50 to 1.0% by weight iron Max. 0.30% by weight, in particular max. 0.15% by weight
  • the tendency of the casting to stick in the mold can be drastically reduced and the forming behavior can be significantly improved if manganese partially through Cobalt and / or cerium is replaced.
  • the alloy therefore preferably contains 0.10 to 0.60 % By weight, in particular 0.30 to 0.60% by weight of cobalt and / or 0.05 to 0.80% by weight, in particular up to 0.50% by weight of cerium.
  • An optimal effect is achieved if the sum of the cobalt, cerium and manganese contents in the alloy at least Is 0.80% by weight and the alloy contains at least 0.50% by weight of manganese.
  • the aluminum casting alloy according to the invention is particularly suitable for this Thixocasting or thixo forging.
  • alloy is easy to weld, shows excellent casting behavior, a practically negligible tendency to stick and can be shaped well.

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Abstract

Eine Aluminium-Gusslegierung enthält 2.0 bis 3.5: Gew.-% Magnesium; 0.15 bis 0.35: Gew.-% Silizium; 0.20 bis 1.2: Gew.-% Mangan; max. 0.40: Gew.-% Eisen; max. 0.10: Gew.-% Kupfer; max. 0.05: Gew.-% Chrom; max. 0.10: Gew.-% Zink; max. 0.003: Gew.-% Beryllium; max. 0.20: Gew.-% Titan; max. 0.60: Gew.-% Cobalt; max. 0,80: Gew.-% Cer sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0.02 Gew.-%, insgesamt max. 0.2 Gew.-%. Die Aluminium-Gusslegierung eignet sich insbesondere für Druckguss sowie Thixocasting bzw. Thixoschmieden. Eine besondere Verwendung liegt im Druckguss für Bauteile mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, da diese bereits im Gusszustand vorliegen und somit eine weitere Wärmebehandlung nicht erforderlich ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Gusslegierung, insbesondere eine Aluminium-Druckgusslegierung.
Die Druckgusstechnik hat sich heute soweit entwickelt, dass es möglich ist, Gussstükke 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.
Durch die Weiterentwicklung der Druckgusstechnik ist es heute möglich, schweissbare und wärmebehandelbare Gussstücke von hoher Qualität herzustellen. Dies hat den Anwendungsbereich für Druckgussteile auf sicherheitsrelevante Komponenten erweitert. Für derartige Komponenten werden heute üblicherweise AlSiMg-Legierungen eingesetzt, da diese eine gute Giessbarkeit bei geringem Formenverschleiss aufweisen. 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.
Es sind auch AIMg-Legierungen bekannt, die sich durch eine hohe Duktilität auszeichnen. Eine derartige Legierung ist beispielsweise in der US-A-5 573 606 offenbart. Diese Legierungen haben aber den Nachteil eines hohen Formenverschleisses und bringen Probleme beim Ausformen, was die Produktivität erheblich verringert.
Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Druckgusslegierung mit hoher Bruchdehnung bei noch akzeptabler Dehngrenze zu schaffen, die eine gute Giessbarkeit aufweist und in der Form möglichst wenig klebt. Die folgenden Minimalwerte müssen im Gusszustand erreicht werden:
Dehnung (A5): 14%    Dehngrenze (Rp 0.2): 100 MPa
Die Legierung soll zudem gut schweissbar sein, einen hohen Korrosionswiderstand aufweisen und insbesondere keine Anfälligkeit für Spannungsrisskorrosion zeigen.
Zur erfindungsgemässen Lösung führt, dass die Legierung aus
  • 2.0 bis 3.5 Gew.-% Magnesium
  • 0.15 bis 0.35 Gew.-% Silizium
  • 0.20 bis 1.2 Gew.-% Mangan
  • max. 0.40 Gew.-% Eisen
  • max. 0.10 Gew.-% Kupfer
  • max. 0.05 Gew.-% Chrom
  • max. 0.10 Gew.-% Zink
  • max. 0.003 Gew.-% Beryllium
  • max. 0.20 Gew.-% Titan
  • max. 0.60 Gew.-% Cobalt
  • max. 0.80 Gew.-% Cer
    • sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0.02 Gew.-%, insgesamt max. 0.2 Gew.-%, besteht. Der zur Herstellung der Legierung verwendete Reinheitsgrad des Aluminiums entspricht einem Hüllen-Aluminium der Qualität Al 99.8 H.
    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. 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 auch 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 Komgrösse von <100µm erzeugt.
    Zur Erzielung einer hohen Duktilität ist von wesentlicher Bedeutung, dass der Eisengehalt in der Legierung möglichst tief gehalten wird. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass die erfindungsgemässe Legierungszusammensetzung trotz geringem Eisengehalt nicht zum Kleben in der Form neigt. Entgegen der allgemeinen Ansicht, dass mit hohen Eisengehalten ein Kleben in der Form in jedem Fall verhindert werden kann, hat sich beim erfindungsgemäss vorgeschlagenen Legierungstyp herausgestellt, dass bei Erhöhung des Eisengehalts auf mehr als 0.4 Gew.-% bereits wieder eine Zunahme der Klebeneigung beobachtet wird.
    Für die einzelnen Legierungselemente werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt:
    Magnesium 2.5 bis 3.3 Gew.-%, insbesondere 2.6 bis 3.3 Gew.-%
    Silizum 0.20 bis 0.30 Gew.-%
    Mangan 0.40 bis 1.2 Gew.-%, insbesondere 0.50 bis 1.0 Gew.-%
    Eisen max. 0.30 Gew.-%, insbesondere max. 0.15 Gew.-%
    Die Klebeneigung des Gussstücks in der Form kann weiter drastisch vermindert und das Ausformverhalten wesentlich verbessert werden, wenn Mangan teilweise durch Cobalt und/oder Cer ersetzt wird. Bevorzugt enthält die Legierung daher 0.10 bis 0.60 Gew.-%, insbesondere 0.30 bis 0.60 Gew.% Cobalt und/oder 0.05 bis 0.80 Gew.-%, insbesondere bis 0.50 Gew.-% Cer. Eine optimale Wirkung wird dann erreicht, wenn die Summe der Gehalte an Cobalt, Cer und Mangan in der Legierung mindestens 0.80 Gew.-% beträgt und die Legierung mindestens 0.50 Gew.-% Mangan enthält.
    Die erfindungsgemässe Aluminium-Gusslegierung eignet sich besonders gut für das Thixocasting bzw. Thixoschmieden.
    Obwohl die erfindungsgemässe Aluminium-Gusslegierung insbesondere zur Verarbeitung im Druckguss vorgesehen ist, kann sie selbstverständlich auch mit anderen Verfahren vergossen werden, z.B.
  • Sandguss
  • Schwerkraftkokillenguss
  • Niederdruckguss
  • Thixocasting/Thixoschmieden
  • Squeeze casting
    • Die grössten Vorteile ergeben sich jedoch bei Giessverfahren, die mit hohen Abkühlungsgeschwindigkeiten ablaufen, wie beispielsweise beim Druckgiessverfahren.
    Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung sowie deren hervorragende Eigenschaften ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
    Beispiele
    Aus vier verschiedenen Legierungen wurde auf einer Druckguss-Maschine mit 400 t Schliesskraft jeweils ein Topf mit einer Wanddicke von 3 mm und den Abmessungen 120 x 120 x 60 mm gegossen. Aus den Seitenteilen wurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet und an diesen die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand gemessen. Die Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle zusammengefasst. Hierbei bedeuten Rp0.2 die Dehngrenze, Rm die Zugfestigkeit und A5 die Bruchdehnung. Bei den angegebenen Messwerten handelt es sich um Mittelwerte aus 10 Einzelmessungen. Die Legierungen wurden auf der Basis Hütten-Aluminium der Qualität Al 99.8H erschmolzen.
    Die Versuche zeigen, dass mit der erfindungsgemässen Aluminium-Gusslegierung die bezüglich der Dehngrenze und der Bruchdehnung geforderten Minimalwerte im Gusszustand erreicht werden.
    Die Legierung ist gut schweissbar, zeigt ein ausgezeichnetes Giessverhalten, eine praktisch vemachlässigbare Klebeneigung und lässt sich gut ausformen.
    Legierung 1 Legierung 2 Legierung 3 Legierung 4
    Si [Gew.-%] 0.25 0.25 0.25 0.23
    Fe [Gew.-%] 0.25 0.10 0.07 0.10
    Mn [Gew.-%] 0.80 0.80 0.77 0.78
    Mg [Gew.-%] 2.90 2.40 2.34 2.35
    Ce [Gew.-%] - 0.40 0.20 -
    Co [Gew.-%] 0.30 - - -
    Rp0.2[N/mm2] 130 107 120 129
    Rm [N/mm2] 250 219 205 218
    A5 [%] 19.0 20.9 16.3 20.0

    Claims (10)

    1. Aluminium-Gusslegierung, insbesondere Aluminium-Druckgusslegierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus
      2.0 bis 3.5 Gew.-% Magnesium
      0.15 bis 0.35 Gew.-% Silizium
      0.20 bis 1.2 Gew.-% Mangan
      max. 0.40 Gew.-% Eisen
      max. 0.10 Gew.-% Kupfer
      max. 0.05 Gew.-% Chrom
      max. 0.10 Gew.-% Zink
      max. 0.003 Gew.-% Beryllium
      max. 0.20 Gew.-% Titan
      max. 0.60 Gew.-% Cobalt
      max. 0.80 Gew.-% Cer
      sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0.02 Gew.-%, insgesamt max. 0.2 Gew.-%, besteht.
    2. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 2.5 bis 3.3 Gew.-%, insbesondere 2.6 bis 3.3 Gew.-% Magnesium enthält.
    3. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.20 bis 0.30 Gew.-% Silizium enthält.
    4. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.40 bis 1.2 Gew.-%, insbesondere 0.50 bis 1.0 Gew.-% Mangan enthält.
    5. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0.30 Gew.-%, insbesondere max. 0.15 Gew.-% Eisen enthält.
    6. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.10 bis 0.60 Gew.-%, insbesondere 0.30 bis 0.60 Gew.-% Cobalt enthält.
    7. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.05 bis 0.80 Gew.-%, insbesondere 0.10 bis 0.50 Gew.-% Cer enthält.
    8. Aluminium-Gusslegierung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Summe der Gehalte an Cobalt, Cer und Mangan in der Legierung min. 0.80 Gew.-% beträgt und die Legierung min. 0.50 Gew.-% Mangan enthält.
    9. Aluminium-Gusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung als Druckgusslegierung im Gusszustand eine Dehngrenze (Rp0.2) von min. 100 MPa und eine Bruchdehnung (A5) von min. 14% aufweist.
    10. Verwendung einer Aluminium-Legierung bestehend aus
      2.0 bis 3.5 Gew.-% Magnesium
      0.15 bis 0.35 Gew.-% Silizium
      0.20 bis 1.2 Gew.-% Mangan
      max. 0.40 Gew.-% Eisen
      max. 0.10 Gew.-% Kupfer
      max. 0.05 Gew.-% Chrom
      max. 0.10 Gew.-% Zink
      max. 0.003 Gew.-% Beryllium
      max. 0.20 Gew.-% Titan
      max. 0.60 Gew.-% Cobalt
      max. 0,80 Gew.-% Cer
      sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0.02 Gew.-%, insgesamt max. 0.2 Gew.-%, für das Thixocasting oder das Thixoschmieden.
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