AT511207B1 - Aluminiumlegierung mit scandium und zirkon - Google Patents

Abstract

Aluminiumlegierung für Druckguss, enthaltendSilizium: 1,5 bis 3,0 Gew.-%,Mangan:0,3 bis 0,8 Gew.-%,Magnesium: 4,5 bis 6,5 Gew.-%,Scandium und Zirkon: zusammen 0,2 - 0,65 Gew.-%,herstellungsbedingte Verunreinigungen, und Rest Aluminium.

Description

österreichisches Patentamt AT511 207B1 2012-10-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung betrifft Aluminiumlegierungen für Druckguss zur Herstellung hochfester Teile für den Automobil- und Flugzeugbau. Für solche Teile ist nicht nur höchste Zugfestigkeit gefordert, sondern auch eine Reihe weiterer Eigenschaften: hohe Streckgrenze und Bruchdehnung, gute Schweißbarkeit und Korrosionsfestigkeit, und auch hohe Duktilität (große Energieaufnahme bei plastischer Verformung). Weil solche Teile oft komplizierte Formen aufweisen und zur Gewichtsersparnis auch möglichst dünnwandig sind, ist gutes Formfüllungsvermögen und robustes Abkühlungsverhalten gefordert. Aus Kostengründen und wegen möglichen Verzugs des Werkstückes ist möglichst einfache bis wenn möglich gar keine thermische Nachbehandlung der Gussstücke anzustreben.

[0002] Aus dem Datenblatt „Gusswerkstoff MAXXALLOY 59" der Salzburger Aluminium Group ist eine für Druckguss geeignete Aluminiumlegierung bekannt, die 5 - 6 % Magnesium, 0,5 -0,8% Mangan, 1,8-2 % Silizium, und jeweils maximal 0,07 % Zink, 0,02 % Kupfer, 0,15 % Eisen und 0,05 - 0,15 % Titan enthält. Diese Legierung erreicht auch ohne Wärmebehandlung ausgezeichnete mechanische Eigenschaften und ist korrosionsbeständig und hervorragend schweißbar. Für bestimmte Anwendungen ist allerdings eine noch höhere Zugfestigkeit und Duktilität zu wünschen.

[0003] Die WO 2006/127812 offenbart eine hochfeste Aluminiumgusslegierung, die folgende Legierungselemente aufweist: 1,0-4 % Magnesium, 4 - 9 % Zink, 1 - 2,5 % Kupfer, maximal 5 % Mangan, maximal 0,1 bzw. 0,12 % Silizium und Eisen, 0,1 - 0,5 % Scandium, 0,02 - 2 % Zirkon, und noch etwas Bor und Titan. Der Erhöhung der Zugfestigkeit dient hier der erhöhte Gehalt an Kupfer und Zink. Magnesium begünstigt eine hohe und thermisch stabile Eigenhärte, Schweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Nachteilig ist der hohe Gehalt an Zink, der der Korrosionsbeständigkeit abträglich ist, die Zähigkeit (Duktilität) erheblich verringert und eine aufwendige Wärmebehandlung erfordert.

[0004] Die EP 918095 A1 offenbart eine für Druckguss geeignete Aluminiumlegierung. Sie enthält nur 0,1 - 0,8 % Silizium, 0,5 -0,8 % Eisen, 1,2-1,4 % Mangan, maximal 1,5 % Magnesium und 0,2 bis 0,4 % Scandium, 0,1 - 0,4 % Zirkon, kein Kupfer und nur wenig Zink. Der relativ hohe Anteil an Mangan und Eisen vergrößert allerdings den Anteil an intermetallischen Phasen (AlMnFe). Diese Legierung zeichnet sich wohl durch hohe Duktilität aus, ihre Festigkeitswerte (Dehngrenze (Rp0,2) und Zugfestigkeit (Rm) lassen aber zu wünschen übrig. Sie lassen sich durch sorgfältige Wärmebehandlung verbessern, allerdings auf Kosten der Duktilität.

[0005] Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die oben an erster Stelle angeführte Legierung bei Beibehaltung ihrer guten Eigenschaften hinsichtlich Zugfestigkeit, Formfüllung und Duktilität weiter zu verbessern, vor allem für geringe Wandstärken und angesichts der bei geringen Wandstärken höheren Verzugsgefahr möglichst ohne thermischer Nachbehandlung.

[0006] Erfindungsgemäß wird das mit einer Aluminiumlegierung für Druckguss erreicht, enthaltend [0007] - Silizium: 1,5 bis 3,0 Gew.-%, [0008] - Mangan: 0,3 bis 0,8 Gew.-%, [0009] - Magnesium: 4,9 bis 6,5 Gew.-%, [0010] - Scandium und Zirkon: zusammen 0,2 - 0,65 Gew.-%, [0011] - herstellungsbedingte Verunreinigungen, und [0012] - Rest Aluminium.

[0013] Der Gehalt an Silizium von 1,5 - 3,0 % bewirkt vorzügliche Gieß- und Schweißeigenschaften und kommt der Korrosionsbeständigkeit zugute, wird aber in diesem Bereich gehalten, um negative Auswirkungen (Härtesteigerung, Warmrissgefahr) hintan zu halten und um ohne Wärmebehandlung auszukommen. Der Gehalt an Mangan ist mit 0,8 % begrenzt, in welcher 1 /8 österreichisches Patentamt AT511 207 B1 2012-10-15

Konzentration er bereits eine Steigerung der Festigkeit und der Rekristallisationstemperatur bewirkt, aber der geringen Löslichkeit von Mangan in Aluminium Rechnung trägt. Der mit 5,0 -6,5 % relativ hohe Gehalt an Magnesium kommt der Härte zugute, ohne dass dazu eine besondere Wärmebehandlung nötig wäre, und die dafür auch durch Schweißen nicht abnimmt.

[0014] Scandium oder Scandium und Zirkon, die zusammen zu 0,2 bis 0,65 % vorhanden sind, wirken beide kornfeinend (dadurch keine Warmrissneigung), bewirken beim Aushärten gemischte Phasen (AI3Sc und/oder AI3Zr), welche wesentlich zur Festigkeitssteigerung beitragen, und bewirken weiters eine Verschiebung der Rekristallisationstemperatur zu wesentlich höheren Temperaturen. Dadurch erübrigt sich in den meisten Fällen eine nachfolgende Wärmebehandlung. Es genügt eine kalte Auslagerung. Scandium führt zu einer Veränderung der Gefügemorphologie von dendritisch zu globulitisch, was die genannten Vorteile illustriert. Die herstellungsbedingten Verunreinigungen sind beispielsweise Eisen, Kupfer und Zink.

[0015] Vorzugsweise enthält die Legierung insgesamt 0,28 bis 0,33 % Scandium und Zirkon. Sie ergeben das Optimum für Zugfestigkeit, Duktilität und weitere Eigenschaften. Die höheren Werte in Anspruch 1 gelten, wenn in extremen Belastungsfällen die zugfestigkeitssenkende Wirkung von Magnesium kompensiert werden soll.

[0016] Wenn auch Scandium und Zirkon auf die Legierung teilweise denselben Einfluss ausüben, so ist das Verhältnis von Scandium zu Zirkon wie 1,5 bis 2,5 zu 1 besonders günstig. Bei dünneren bis dünnen Wandstärken ist das Optimum bei einem Gehalt von 0,12 bis 0,25 % an Scandium und 0,08 bis 0,13 % an Zirkon.

[0017] Die herstellungsbedingten Verunreinigungen sind jeweils mit 0,2 % beschränkt. Insbesondere soll der Gehalt an Eisen und Zink jeweils unter 0,1 % bleiben. Eisen ist in geringen Mengen meist sowieso in Aluminium enthalten, soll 0,3 % nicht wesentlich überschreiten, denn über ca. 0,5 % bilden sich im Gefüge spröde Nadeln, die die Duktilität beeinträchtigen. Titan wirkt in sehr kleinen Mengen (Optimum um 0,3%) kornfeinend und reduziert Kristallgittermissfit drastisch. Der Gehalt an Zink wird klein gehalten, weil mehr Zink der Korrosionsbeständigkeit abträglich ist.

[0018] Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar: [0019] Fig. 1: [0020] Fig. 2: [0021] Fig. 3: [0022] Fig. 4:

Tabelle der gemessenen Werte von Zugfestigkeit, Dehngrenze und Bruchdehnung der untersuchten Legierungen;

Schliffbild einer Referenzlegierung;

Schliffbild einer ersten erfindungsgemäßen Legierung; und

Schliffbild einer zweiten erfindungsgemäßen Legierung.

[0023] In der vorliegenden Offenbarung beziehen sich alle Prozentangaben (%) auf Gewichtsprozent (Gew.-%), soferne nicht ausdrücklich anders angegeben.

[0024] Zur Beurteilung der Auswirkung der Mengenverhältnisse gewisser Legierungselemente und zu deren Optimierung wurde eine Reihe von Legierungszusammensetzungen auf einer Druckgussmaschine (Bühler SC D/53) abgegossen. Gespült wurde mit Argon. Als Proben wurden Stufenplatten mit stufenweise zunehmender Wandstärke von 1,8; 3,0; 4,7 und 6,9 mm gegossen. An den Stufenplatten wurden Zugversuche und eine Gefügeuntersuchung vorgenommen, weiters wurde eine Spektralanalyse zur Kontrolle der chemischen Zusammensetzung und Schliffbilder angefertigt.

[0025] Die folgenden Legierungszusammensetzungen wurden auf obige Weise untersucht: [0026] Silizium: [0027] Mangan: [0028] Magnesium: 1,5 bis 1,9 Gew.-%, 0,6 bis 0,7 Gew.-%, 4,9 bis 6,5 Gew.-%, 2/8 österreichisches Patentamt AT 511 207 B1 2012-10-15 [0029] wobei die Prozentbereiche der Streuung der einzelnen Legierungen (im Folgenden Nr. 1a, 8, 9 und 10) Rechnung tragen, ferner herstellungsbedingte Verunreinigungen, Rest Aluminium. Die Einschränkung auf die Legierungen 8, 9, 10 ist bereits das Resultat einer Auswahl nach vorbereitenden Versuchen. Die Anteile an Scandium und Zirkon wurden dabei wie folgt variiert, wobei la eine Referenzlegierung ohne Scandium und Zirkon ist:

Nr. interne Nr. Sc [Gew.-%] Zr [Gew.-%] Sc+Zr [Gew.-%] 1a Sc_D_107x 0,00 0,00 0,00 8 Sc_D_108x 0,24 0,09 0,33 9 Sc_D_109x 0,18 0,11 0,29 10 Sc_D_110x 0,14 0,13 0,27 [0030] Das Resultat der Zugversuche an obigen 4 Legierungen, jeweils für die 4 Zonen verschiedener Dicke der Stufenplatten ist in Fig. 1 graphisch dargestellt. Das in Fig. 1 linke Schaubild ist für eine Dicke von 1,8 mm, das rechts benachbarte für eine Dicke von 3,0 mm, das nächste für eine Dicke von 4,7 mm und das rechts äußere für eine Dicke von 6,9 mm. Für jede Legierung und in jedem Schaubild sind neben einander drei vertikale Balken, von links nach rechts der erste für die Zugfestigkeit Rm in MPa (Megapascal), der zweite für die Bruchdehnung A in Prozent der Länge vor dem Zugversuch, und der dritte für die 0,2 % - Dehngrenze Rp0,2 im MPa. Die entsprechenden Skalen sind am linken und rechten Rand eingetragen.

[0031] Bei Vergleich der Werte springt zunächst ins Auge, dass die Werte für die dünnste Probe die besten sind und alle Werte mit zunehmender Probendicke abfallen. Die erfindungsgemäßen Legierungen sollen ja besonders für dünnwandige Teile geeignet sein.

[0032] Die besten mechanischen Werte werden bei Zugaben von Sc und Zr von zusammen 0,29 bis 0,33 % erreicht, siehe Werte der Legierungen 8 und 9. Im Einzelnen lag das Optimum bei 0,24 % Sc und 0,09 % Zr (Legierung 8) beziehungsweise 0,18 % Sc und 0,11 % Zr (Legierung 9).

[0033] Bei Legierung 8 wurde eine Zugfestigkeit bis über 280 MPa und eine Bruchdehnung von bis über 5,5 % gemessen. Bei Legierungen mit optimalen Anteilen an Sc und Zr (Legierungen 8 und 9) war Festigkeit und Dehnung besser als bei der Referenzlegierung 1a. Man sieht auch, dass die Bruchdehnung durch Variieren der Zugabe von Sc und Zr am meisten beeinflusst wurde. Die Beeinflussung der Dehngrenze Rp0,2 war moderat bis gering.

[0034] Diese Resultate werden bei Vergleich von mit dem Lichtmikroskop hergestellten Gefügebildern bestätigt, welche für die Referenzlegierung 1a und die Legierungen 8 und 9 in Fig. 2 bis 4 abgebildet sind. In diesen entspricht 1 cm ungefähr 200 Mikrometer.

[0035] Die Referenzlegierung 1a zeigt noch weitgehend dendritisches Gefüge mit einer durchschnittlichen Korngröße von 90 Mikrometer. Die Legierung 9 zeigt ein dendritisch - globuliti-sches Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 50 Mikrometer. Legierung 8 schließlich ein besonders feines rein globulitisches Gefüge mit einer mittleren Korngröße von 23 Mikrometer. Das besonders feine globulitische Gefüge bietet über die obigen Messwerte hinaus weitere Vorteile: Hohe Energieaufnahme bei Verformung (im Fahrzeugbau im Fall einer Kollision), hervorragende Schweißbarkeit weil von thermischen Einflüssen weitgehend unabhängig, keine Anfälligkeit auf Warmrissbildung, Korrosionsbeständigkeit. 3/8

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT511 207 B1 2012-10-15 Patentansprüche 1. Aluminiumlegierung für Druckguss, enthaltend Silizium: 1,5 bis 3,0 Gew.-%, - Mangan: 0,3 bis 0,8 Gew.-%, - Magnesium: 4,5 bis 6,5 Gew.-%, - Scandium und Zirkon: zusammen 0,2 - 0,65 Gew.-%, - herstellungsbedingte Verunreinigungen, und - Rest Aluminium.
2. 2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusammen 0,28 bis 0,33 % Scandium und Zirkon enthält.
3. 3. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Anteile von Scandium zu Zirkon wie 1,5 bis 2,5 zu 1 verhalten.
4. 4. Aluminiumlegierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,12 bis 0,25 % Scandium und 0,08 bis 0,13 % Zr enthält.
5. 5. Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie nicht mehr als 0,1 % Eisen enthält.
6. 6. Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie 0,1 bis 0,2 % Titan enthält.
7. 7. Aluminiumlegierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie maximal 0,1 % Zink enthält. Hierzu 4 Blatt Zeichnungen 4/8