EP0918096B1 - Process of manufacturing a structural element made of a die-cast aluminium alloy - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteiles aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen.The invention relates to a method for producing a structural component made of an aluminum alloy by die casting.

Mit modernen Giessverfahren können heute hochbelastbare Formteile auch aus Aluminiumlegierungen hergestellt werden. Die eingesetzten Aluminiumwerkstoffe müssen allerdings eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Eine wesentliche Voraussetzung für die Eignung eines Werkstoffs ist die Einhaltung bestimmter mechanischer Kennwerte. So bestimmen etwa Mindestwerte von Streckgrenze und Festigkeit die Tragfähigkeit einer Konstruktion. im Fahrzeugbau kommt die Anforderung hinzu, dass die bei einem Zusammenstoss deformierten Bauteile vor dem Bruch möglichst viel Energie durch plastische Verformung absorbieren sollen, was eine hohe Duktilität des eingesetzten Werkstoffs erfordert. Eine weitere Voraussetzung ist eine kostengünstige Herstellungsmöglichkeit des Formteils. Hier bietet sich der Druckguss an, wobei für höchste Qualitätsansprüche Spezialverfahren zu bevorzugen sind, mit denen eine gute Formfüllung auch bei geringen Wandstärken des Gussteils erreicht und die Bildung von die Duktilität des Bauteils herabsetzenden Gaseinschlüssen vermindert werden kann.With modern casting processes, heavy-duty molded parts can also be used today be made from aluminum alloys. The aluminum materials used however, must meet a number of requirements. An essential one Compliance is a prerequisite for the suitability of a material certain mechanical parameters. For example, minimum values of Yield strength and strength are the load-bearing capacity of a construction. in vehicle construction there is also the requirement that those deformed in a collision Components break as much energy as possible through plastic deformation should absorb what a high ductility of the material used requires. Another requirement is an inexpensive manufacturing option of the molded part. Here the die casting lends itself, whereby for highest quality standards Special processes are to be preferred with which achieves good mold filling even with thin wall thicknesses of the casting and the formation of gas inclusions which reduce the ductility of the component can be reduced.

Zur Herstellung von Druckgussteilen aus Aluminiumwerkstoffen werden heute noch zu einem wesentlichen Teil Aluminiumlegierungen mit einem Anteil von 7 bis 10% Silizium eingesetzt. Diese AlSi-Legierungen mit kleinem Magnesium-Zusatz zeichnen sich durch eine ausserordentlich gute Giessbarkeit bei geringer Klebeneigung des Gussteils in der Form auf. Diese Legierungen erfordern jedoch zur Einformung des Eutektikums eine Hochglühung bei Temperaturen von mindestens 480° C. Damit das Bauteil die geforderten Festigkeitswerte aufweist, muss das derart lösungsgeglühte Bauteil abgeschreckt und nachfolgend warm ausgelagert werden; der kleine Magnesium-Zusatz bis zu 0,4% ist dafür verantwortlich.For the production of die-cast parts from aluminum materials today still a substantial part of aluminum alloys with a share of 7 up to 10% silicon used. These AlSi alloys with a small magnesium additive are characterized by an extraordinarily good castability at low The casting part tends to stick in the mold. These alloys require however, in order to mold the eutectic, a high-temperature glow at temperatures of at least 480 ° C. So that the component has the required strength values the solution-annealed component must be quenched and subsequently be stored warm; the small magnesium additive is up to 0.4% responsible for.

Bauteile mit teilweise geringen Wandstärken, wie sie beispielsweise als Strukturbauteile im Automobilbau eingesetzt werden, verziehen sich beim Abschrecken und müssen daher gerichtet werden. Zudem kann die hohe Glühtemperatur infolge einer Restgasporosität zu Blasenbildung an der Oberfläche der Bauteile führen. Zur Herstellung von Strukturbauteilen der genannten Art durch Druckgiessen wurde deshalb nach Möglichkeiten gesucht, die geforderten Festigkeits- und Dehnungswerte auch mit naturharten Legierungen ohne Durchführung einer Lösungsglühung zu erzielen. Um das Kleben des Gussteils in der Form zu vermindern, wurden unter Inkaufnahme einer Duktilitätseinbusse Legierungen mit bis zu 1% Eisen eingesetzt.Components with thin walls, such as those used as structural components used in automotive engineering warp when quenched and therefore must be judged. In addition, the high Annealing temperature due to residual gas porosity to form bubbles on the surface of the components. For the production of structural components of the above Art by die casting was therefore searched for opportunities that required strength and elongation values even with naturally hard alloys to achieve without performing solution annealing. To stick the Reduce casting in the mold were at the expense of a loss of ductility Alloys with up to 1% iron used.

Zur Erzielung der heute an Sicherheitsbauteile im Fahrzeug- und insbesondere im Automobilbau gestellten Anforderungen bezüglich Festigkeit und Duktilität ist ein wesentlicher Fortschritt durch die Einführung von Werkstoffen mit niedrigem Eisengehalt gelungen. Mit dieser Massnahme wird der Volumenanteil spröder intermetallischer Phasen des Eisen mit dem Aluminium verringert. Das bei tiefen Eisengehalten auftretende Kleben des Gussteils an der Formwand wird mit einem höheren Gehalt an Mangan, das eine ähnliche Wirkung wie Eisen zeigt, kompensiert. Mit der Zugabe von Mangan wird allerdings der Anteil intermetallischer Phasen des Typ AlMn(Fe) wiederum vergrössert. Da die Verteilung und Grösse der manganhaltigen intermetallischen Partikel im Vergleich zu den eisenhaltigen Phasen aber weitaus günstiger ist, ergibt sich bei etwa gleichem Festigkeitsniveau eine erhöhte Duktilität. Derartige Werkstoffe mit niedrigem Eisengehalt, d.h. Legierung, bei denen Eisen durch Mangan substituiert ist, sind in letzter Zeit mit Erfolg in der Produktion eingeführt worden. To achieve today's safety components in the vehicle and in particular Requirements regarding strength and ductility in automotive engineering is a major advance through the introduction of low-cost materials Successful iron content. With this measure, the volume fraction brittle intermetallic phases of iron with aluminum are reduced. The if the iron content is low, the casting will stick to the mold wall is having a higher manganese content, which has a similar effect as Iron shows, compensates. With the addition of manganese, however, the proportion Intermetallic phases of the type AlMn (Fe) again increased. Because the distribution and size of the manganese-containing intermetallic particles in comparison to the iron-containing phases, however, is much cheaper results in about same ductility level increased ductility. Such materials with low iron content, i.e. Alloy in which iron is substituted by manganese have been successfully introduced in production recently.

Aus der JP-A-56 087 646 ist eine Druckgusslegierung aus Aluminium mit 1,7 bis 4,0 % Mangan, 0,05 bis 0,6% Vanadium und weniger als 0,5% Verunreinigungen wie Eisen und Silizium bekannt. Durch den Zusatz von Mangan und Vanadium soll die Giessbarkeit verbessert werden. Zudem sollen die Gussteile eine hohe Festigkeit aufweisen und die Bildung einer gleichmässigen anodischen Oxidschicht ermöglichen. JP-A-56 087 646 is a die-cast aluminum alloy with 1.7 up to 4.0% manganese, 0.05 to 0.6% vanadium and less than 0.5% Impurities known as iron and silicon. By adding Manganese and vanadium are said to improve the castability. In addition, should the castings have high strength and the formation of a enable uniform anodic oxide layer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für im Druckguss hergestellte Strukturbauteile der eingangs genannten Art geeignete Werkstoffe mit weiter verbesserten mechanischen Eigenschaften bereitzustellen. Insbesondere sollen die für das Druckgiessen bekannten naturharten Legierungen bezüglich ihrer Eigenschaftskombination von Festigkeit und Bruchdehnung weiter verbessert werden. Für Sicherheitsteile im Automobilbau sollten die folgenden Minimalwerte im Gusszustand bzw. nach einer Wärmebehandlung ohne Lösungsglühung erreicht werden: Dehngrenze (Rp0.2) 120 MPa Zugfestigkeit (Rm) 180 MPa Dehnung (A5) 10%. The invention has for its object to provide suitable materials with further improved mechanical properties for structural components of the type mentioned manufactured in die casting. In particular, the natural hard alloys known for die casting are to be further improved with regard to their combination of properties of strength and elongation at break. For safety parts in automotive engineering, the following minimum values should be achieved in the as-cast state or after heat treatment without solution treatment: Yield strength (Rp0.2) 120 MPa Tensile strength (Rm) 180 MPa Stretch (A5) 10%.

Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 1.A method with the features of claim 1 leads to the achievement of the object according to the invention.

Es wird vermutet, dass die beobachtete positive Wirkung von Vanadium hinsichtlich der Duktilität des Gussteils auf eine Komfeinung im Gussgefüge zurückzuführen ist. Zudem konnte festgestellt werden, dass durch den Vanadiumzusatz auch die Klebeneigung des Gussteils in der Form verringert wird, was erlaubt, den Mangangehalt etwas abzusenken. Darüber hinaus verbessert Vanadium durch Verminderung der Rissneigung die Giessbarkeit und das Gefüge, so dass ingesamt die Duktilität weiter verbessert wird.It is believed that the observed positive effect of vanadium in terms of the ductility of the casting due to a refinement in the cast structure is. It was also found that the addition of vanadium also the tendency of the casting to stick in the mold is reduced, which allows the manganese content to be reduced somewhat. It also improved Vanadium by reducing the tendency to crack, the castability and the structure, so that overall the ductility is further improved.

Aufgrund der vermuteten Wirkungsweise von Vanadium darf angenommen werden, dass sich der positive Effekt auf die Duktilität bei allen naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen auswirkt. Due to the presumed mode of action of vanadium may be accepted be that the positive effect on the ductility with all natural hard Aluminum die-casting alloys.

Zur Herstellung des Strukturbauteiles geeignete Druckgusslegierungen bestehen aus max. 1,4 Gew.-% Silizium max. 0,8 Gew.-% Eisen 0,1 bis 1,6 Gew.-% Mangan max. 5,0 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.Die-cast alloys suitable for the production of the structural component consist of Max. 1.4 % By weight silicon Max. 0.8 Wt% iron 0.1 to 1.6 Wt% manganese Max. 5.0 % By weight magnesium Max. 0.2 % By weight titanium Max. 0.1 % By weight zinc 0.05 to 0.3 % By weight vanadium as well as aluminum as the rest with further impurities individually max. 0.02% by weight, max. 0.2% by weight.

Innerhalb der vorstehend angegebenen Bereichsgrenzen für die Legierungselemente haben sich zwei Legierungssysteme als besonders vorteilhaft herausgestellt.Within the above range limits for the alloying elements two alloy systems have proven to be particularly advantageous.

Bei einem ersten Legierungssystem (AlMnFe) besteht die Legierung bevorzugt aus 0,1 bis 0,8, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium 0,2 bis 0,8, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-% Eisen 0,5 bis 1,6, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.-% Mangan max. 1,5 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%. In a first alloy system (AlMnFe), the alloy preferably consists of 0.1 to 0.8, preferably 0.15 to 0.25 % By weight silicon 0.2 to 0.8, preferably 0.3 to 0.6 Wt% iron 0.5 to 1.6, preferably 0.7 to 0.9 Wt% manganese Max. 1.5 % By weight magnesium Max. 0.2 % By weight titanium Max. 0.1 % By weight zinc 0.05 to 0.3, preferably 0.1 to 0.2 % By weight vanadium as well as aluminum as the rest with further impurities individually max. 0.02% by weight, max. 0.2% by weight.

Bei einem zweiten bevorzugten Legierungssystem (AlMgMn) besteht die Legierung bevorzugt aus 0,05 bis 1,0, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium 0,05 bis 0,2, vorzugsweise 0,05 bis 0,1 Gew.-% Eisen 0,5 bis 1,6, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.-% Mangan 2,0 bis 4,5, vorzugsweise 2,5 bis 3,0 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.In a second preferred alloy system (AlMgMn), the alloy preferably consists of 0.05 to 1.0, preferably 0.15 to 0.25 % By weight silicon 0.05 to 0.2, preferably 0.05 to 0.1 Wt% iron 0.5 to 1.6, preferably 0.7 to 0.9 Wt% manganese 2.0 to 4.5, preferably 2.5 to 3.0 % By weight magnesium Max. 0.2 % By weight titanium Max. 0.1 % By weight zinc 0.05 to 0.3, preferably 0.1 to 0.2 % By weight vanadium as well as aluminum as the rest with further impurities individually max. 0.02% by weight, max. 0.2% by weight.

Die positive Wirkung des Vanadiumzusatzes stellt sich bereits während des eigentlichen Druckgiessvorganges ein. Eine weitere Erhöhung der Bruchdehnung bei schwachem Festigkeitsrückgang kann durch eine nachfolgende Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C erreicht werden. Durch entsprechende Wahl von Temperatur und Zeitdauer der Wärmebehandlung kann ein gewünschtes Optimum zwischen hoher Duktilität und Festigkeit eingestellt werden. Dadurch wird die Einstellung massgeschneiderter mechanischer Eigenschaften an einem Strukturbauteil möglich.The positive effect of the vanadium addition is already evident during the actual die casting process. Another increase in elongation at break in the case of a weak decrease in strength, a subsequent Heat treatment in a temperature range of 200 to 400 ° C reached become. By choosing the appropriate temperature and duration of the heat treatment can be a desired optimum between high ductility and Strength can be adjusted. This makes the setting more tailored mechanical properties possible on a structural component.

Mit dem erfindungsgemässen Zusatz von Vanadium lassen sich die bekannten naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen bezüglich ihrer Duktilität entscheidend verbessern. Die Legierungen sind daher besonders geeignet zur Herstellung von Strukturbauteilen, die als Sicherheitsbauteile im Fahrzeugbau und insbesondere im Automobilbau, beispielsweise als Space Frame Knoten oder als Crashelemente, eingesetzt werden. Die Strukturbauteile eignen sich insbesondere für Anwendungen, bei welchen eine Temperaturbelastung bis etwa 180°C auftritt. With the addition of vanadium according to the invention, the known ones Naturally hard aluminum die casting alloys are decisive with regard to their ductility improve. The alloys are therefore particularly suitable for Manufacture of structural components used as safety components in vehicle construction and especially in automotive engineering, for example as a space frame node or as crash elements. The structural components are suitable especially for applications in which a temperature load up to about 180 ° C occurs.

Die vorteilhafte Wirkung eines Zusatzes von Vanadium zu naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen ergibt sich aus den nachfolgend zusammengestellten Versuchsergebnissen beispielhafter Legierungen.The beneficial effect of adding vanadium to naturally hard die-cast aluminum alloys results from the following Test results of exemplary alloys.

BeispieleExamples

Die untersuchten Legierungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Legierungen 4 und 8 sind erfindungsgemäss, die übrigen Legierungen stellen handelsübliche Vergleichslegierungen dar. Leg. Zusammensetzung Si Fe Cu Mn Mg Zn V Tl Sb Zr Giessverhalten 1 2 0.063 <0.003 0.67 6.26 0.005 <0.01 0.14 Einfallstellen 2 0.81 0.088 0.30 0.65 0.92 0.83 <0.01 0.15 Risse 3 1.26 0.065 <0.003 0.87 4.31 <0.005 0.01 0.15 Risse 4 1.25 0.074 <0.003 0.86 4.43 <0.005 0.078 0.15 ohne Risse 5 1.25 0.068 <0.003 0.86 4.48 <0.005 <0.01 0.14 0.015 wenig Risse 6 1.26 0.072 0.17 0.86 4.51 <0.005 <0.01 0.15 Risse 7 0.101 0.066 <0.01 1.20 3.14 <0.01 <0.01 0.01 0.144 Risse 8 0.104 0.063 <0.01 1.21 3.20 <0.01 0.14 0.008 ohne Risse The alloys examined are listed in Table 1. Alloys 4 and 8 are according to the invention, the other alloys are commercially available comparative alloys. Leg. composition Si Fe Cu Mn mg Zn V tl sb Zr casting behavior 1 2 0063 <0003 0.67 6.26 0005 <12:01 00:14 sink marks 2 0.81 0088 00:30 0.65 0.92 0.83 <12:01 00:15 cracks 3 1.26 0065 <0003 0.87 4.31 <0005 00:01 00:15 cracks 4 1.25 0074 <0003 0.86 4:43 <0005 0078 00:15 without cracks 5 1.25 0068 <0003 0.86 4:48 <0005 <12:01 00:14 0015 little cracks 6 1.26 0072 00:17 0.86 4:51 <0005 <12:01 00:15 cracks 7 0101 0066 <12:01 1.20 3.14 <12:01 <12:01 00:01 0144 cracks 8th 0104 0063 <12:01 1.21 3.20 <12:01 00:14 0008 without cracks

Die Legierungen wurden zur Simulation der Abkühlung beim Druckgiessen im Kokillengiessverfahren zu Platten von 4 mm Dicke vergossen. Aus den Gussteilen wurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet und an diesen die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Hierbei bedeuten Rp 0.2 die Dehngrenze, Rm die Zugfestigkeit und A5 die Bruchdehnung. Legierung mechanische Eigenschaften Rm(MPa) Rp0.2(MPa) A5(%) 1 254 153 3.7 2 197 110 10.0 3 244 136 6.5 4 262 139 9.9 5 243 135 6.5 6 237 136 5.6 7 246 137 12.5 8 252 140 15.4 The alloys were cast into plates with a thickness of 4 mm to simulate the cooling during die casting using the die casting process. Test rods for tensile tests were worked out from the cast parts and the mechanical properties in the cast state were measured on them. The results are summarized in Table 2. Rp 0.2 means the yield strength, Rm the tensile strength and A5 the elongation at break. alloy mechanical properties Rm (MPa) Rp0.2 (MPa) A5 (%) 1 254 153 3.7 2 197 110 10.0 3 244 136 6.5 4 262 139 9.9 5 243 135 6.5 6 237 136 5.6 7 246 137 12.5 8th 252 140 15.4

Die Versuche zeigen deutlich die positive Wirkung von Vanadium auf das Giessverhalten und die Duktilität der erfindungsgemässen Legierungen 4 und 8 im Gusszustand. Unter Inkaufnahme eines kleinen Festigkeitsverlustes lässt sich die Duktilität der erfindungsgemässen Legierungen durch eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C weiter erhöhen.The experiments clearly show the positive effect of vanadium on the Casting behavior and the ductility of alloys 4 and 8 according to the invention in the as-cast state. At the expense of a small loss of strength the ductility of the alloys according to the invention by heat treatment increase further within a temperature range of 200 to 400 ° C.

Claims (7)

1. Process for producing a structural component from an aluminium alloy by die casting, characterised in that the alloy consists of maximum 1.4 wt.% silicon maximum 0.8 wt.% iron 0.1 to 1.6 wt.% manganese maximum 5.0 wt.% magnesium maximum 0.2 wt.% titanium maximum 0.1 wt.% zinc 0.05 to 0.3 wt.% vanadium as well as aluminium as remainder with further impurities individually maximum 0.02 wt.%, in total maximum 0.2 wt.%, and the die-cast structural component is used in the cast state or is subjected to a heat treatment in a temperature range from 200 to 400°C to increase the expansion without high-temperature annealing.
2. Process according to claim 1, characterised in that the alloy consists of 0.1 to 0.8 wt.% silicon 0.2 to 0.8 wt.% iron 0.5 to 1.6 wt.% manganese maximum 1.5 wt.% magnesium maximum 0.2 wt.% titanium maximum 0.1 wt.% zinc 0.05 to 0.3 wt.% vanadium as well as aluminium as remainder with further impurities individually maximum 0.02 wt.%, in total maximum 0.2 wt.%.
3. Process according to claim 2, characterised in that the alloy consists of 0.15 to 0.25 wt.% silicon 0.3 to 0.6 wt.% iron 0.7 to 0.9 wt.% manganese maximum 1.5 wt.% magnesium maximum 0.2 wt.% titanium maximum 0.1 wt.% zinc 0.1 to 0.2 wt.% vanadium as well as aluminium as remainder with further impurities individually maximum 0.02 wt.%, in total maximum 0.2 wt.%.
4. Process according to claim 1, characterised in that the alloy consists of 0.05 to 1.0 wt.% silicon 0.05 to 0.2 wt.% iron 0.5 to 1.6 wt.% manganese 2.0 to 4.5 wt.% magnesium maximum 0.2 wt.% titanium maximum 0.1 wt.% zinc 0.05 to 0.3 wt.% vanadium as well as aluminium as remainder with further impurities individually maximum 0.02 wt.%, in total maximum 0.2 wt.%.
5. Process according to claim 4, characterised in that the alloy consists of 0.15 to 0.25 wt.% silicon 0.05 to 0.1 wt.% iron 0.7 to 0.9 wt.% manganese 2.5 to 3.0 wt.% magnesium maximum 0.2 wt.% titanium maximum 0.1 wt.% zinc 0.1 to 0.2 wt.% vanadium as well as aluminium as remainder with further impurities individually maximum 0.02 wt.%, in total maximum 0.2 wt.%.
6. Process according to one of claims 1 to 5, wherein the structural component is used as a safety component in vehicle construction.
7. Process according to one of claims 1 to 6, wherein the structural component is used for applications with heat stress up to about 180°C.