DE102019205267B3

DE102019205267B3 - Aluminium-Druckgusslegierung

Info

Publication number: DE102019205267B3
Application number: DE102019205267.3A
Authority: DE
Inventors: Steffen Otterbach; Marc Hummel; Hubert Koch
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-04-11
Filing date: 2019-04-11
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-04-12
Also published as: EP3775309B1; ES2904262T3; WO2020207708A1; EP3775309A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aluminum-Druckgusslegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen:7,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium,0,25 bis 0,6 Gew.-% Mangan,0,03 bis 0,06 Gew.-% Chrom,< 0,05 Gew.-% Molybdänsowie Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Druckgusslegierung sowie ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug.
Aus der EP 1 443 122 B1 ist eine Aluminiumlegierung zum Druckgießen von Bauteilen mit hoher Dehnung im Gusszustand bekannt. Weitere Zusammensetzungen für Aluminium-Druckgusslegierungen sind in der EP 1 719 820 A2 , der DE 10 2006 039 684 B4 , der DE 10 2010 055 011 A1 , der EP 2 735 621 A1 , der WO 2017/174185 A1 , der AT 404 844 B , der EP 2 653 579 A1 , der DD 281 718 A7 , der EP 2 471 967 A1 , der DE 10 2009 012 073 A1 und der WO 2006/102550 A2 beschrieben.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen wird der Legierung teilweise Mangan zugesetzt, um die Klebeneigung an der Druckgießform zu reduzieren und damit die Entformbarkeit der fertigen Gussteile zu verbessern. Dabei beträgt der Mangangehalt typischerweise zwischen 0,3 und 0,8 Gew.-%. Bei einem Mangangehalt von weniger als 0,3 Gew.-% kommt es zu einer erhöhten Klebeneigung und ein komplexes Gussteil kann nicht mehr aus der Gießform entformt werden. Eine solche Klebeneigung ist nicht nur störend für den Prozess und die Maßhaltigkeit, sondern führt auch zu einem erhöhten Verschleiß des Gießwerkzeugs. Dagegen bewirkt ein zu hoher Mangananteil von mehr als 0,8 Gew.-% aufgrund der Bildung von groben, intermetallischen Ausscheidungen, eine Versprödung des Werkstoffs und damit eine Verringerung der Duktilität bzw. der Verformbarkeit.
Um den Mangangehalt verringern zu können, wird gemäß der EP 1 443 122 B1 Molybdän zu der Legierung hinzugegeben. Durch die Zugabe von Molybdän kann der erhöhten Klebeneigung, durch die Reduzierung des Mangangehaltes, entgegengewirkt werden. Jedoch ist Molybdän als Element relativ teuer, was die Kosten für ein solches Rohmaterial erhöht.
Bei der Lösung gemäß der DE 10 2006 039 684 B4 hat sich herausgestellt, dass der niedrige Siliziumgehalt von 1 bis 5 Gew.-% zu einer zu geringen Festigkeit führt.
Aus der EP 2 735 621 A1 ist eine Aluminiumlegierung für Bauteile mit erhöhter Festigkeit bekannt, die 0,2 bis 1,0 % Magnesium aufweist.
Aus der WO 2017/174185 A1 ist eine Aluminiumlegierung bekannt, die 0,25 bis 4,0 Gew.-% Kupfer aufweist.
Aus der AT 404 844 B ist eine Druckgusslegierung vom Aluminium-Silizium-Typ zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen bekannt.
Aus der EP 2 653 579 A1 ist eine Aluminiumlegierung für Bauteile mit erhöhter Festigkeit nach einer Wärmebehandlung für Struktur- und Fahrwerksteile eines Kraftwagens bekannt.
Aus der DD 281 718 A7 ist eine warmfeste Aluminiumlegierung bekannt, die zum Gießen von Kolben von Verbrennungsmotoren, die bei erhöhten Temperaturen und starker Wechselbelastung arbeiten, verwendet wird.
Aus der EP 2 471 967 A1 ist eine eisenhaltige Aluminiumlegierung bekannt, die keine plättchenförmigen beta-AI5FeSi-Phasen (Eisennadeln) enthält.
Aus der DE 10 2009 012 073 A1 ist eine Al-Sekundärgusslegierung bekannt, der zur verbesserten Kornfeinung Zirkonium zugesetzt wird.
Aus der WO 2006/102550 A2 ist eine Aluminiumlegierung bekannt, die unter anderem 6,5 bis 8,5 Gew.-% Silizium, 0,6 bis 1,0 Gew.-% Eisen und 0,35 bis 0,65 Gew.-% Magnesium enthält.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminium-Druckgusslegierung zu schaffen, die eine geringe Klebeneigung und eine hohe Duktilität aufweist und die die Legierungskosten senkt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass eine Reduzierung des Molybdängehalts und ein gleichzeitiger Einsatz von Chrom die Verringerung der Klebeneigung und die Erhöhung der Duktilität fördern. Im Prinzip wird gegenüber bekannten Legierungszusammensetzungen also ein Anteil an Molybdän, gegebenenfalls auch der gesamte Anteil an Molybdän, durch Chrom ersetzt. Hier reichen bereits sehr geringe Mengen an Chrom aus, um einen deutlichen Effekt zu erzielen. Durch diese zumindest teilweise Substitution von Molybdän durch Chrom ergeben sich außerdem Kostenvorteile, da der Rohstoffpreis von Chrom wesentlich geringer ist als derjenige von Molybdän. Durch das Hinzulegieren von Magnesium kann die Festigkeit erhöht werden, was insbesondere bei größeren Wandstärken des aus der Legierung hergestellten Bauteils, insbesondere bei Wandstärken von 3,5 - 8 mm, vorgenommen wird, da aufgrund der langsameren Abschreckung des Materials in der Druckgießform die Festigkeit tendenziell geringer ist. Des Weiteren sind in der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung 0,01 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium enthalten.
Insbesondere kann durch eine Zugabe von Chrom mit einem Anteil von 0,03 bis 0,06 Gew.-% der Mangangehalt in der Legierung auf einen Anteil von 0,25 bis 0,6 Gew.-% reduziert werden, wodurch sich eine verbesserte Entformbarkeit und eine höhere Duktilität ergeben.
Das überraschende an der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung ist demnach, dass geringe Anteile von Chrom die Verringerung des Anteils von Molybdän ermöglichen, was sowohl die Bruchdehnung als auch die Entformbarkeit wesentlich verbessert.
Der erfindungsgemäß in der Legierung vorhandene Siliziumanteil von 7,5 bis 11,5 Gew.-% gewährleistet dabei eine ausreichende Festigkeit sowie ein hohes Formfüllungsvermögen der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung. Des Weiteren wirkt Silizium bei der Abkühlung Erstarrungslunkern entgegen.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass Molybdän mit einem Anteil von 0,001 bis 0,048 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,043 Gew.-%, insbesondere 0,024 bis 0,043 Gew.-%, vorhanden ist. Ein solcher Anteil an Molybdän hat sich hinsichtlich einer guten Entformbarkeit und einer hohen Duktilität als sehr gut geeignet erwiesen.
Wenn Chrom mit einem Anteil von 0,04 bis 0,05 Gew.-%, insbesondere 0,04 bis 0,048 Gew.-%, vorgesehen ist, so kann die Klebeneigung des Werkstoffs noch weiter verringert und die Duktilität desselben optimiert werden.
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass Mangan mit einem Anteil von 0,35 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,45 bis 0,55 Gew.-% vorhanden ist. Ein derartiger Anteil an Mangan hat sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich einer geringen Klebeneigung herausgestellt.
In weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung können folgende weitere Legierungsbestandteile vorgesehen sein: 0,001 bis 0,15 Gew.-% Eisen und/oder 0,004 bis 0,15 Gew.-% Titan und/oder 0,008 bis 0,02 Gew.-% Strontium und/oder 0,001 bis 0,1 Gew.-% Vanadium. Dabei gilt, dass Eisen als Verunreinigungselement zwangsläufig immer in kleinen Mengen in der Legierung vorkommt, d.h., je geringer der Eisengehalt, desto teurer ist das Reinaluminium.
Ein Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einer erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung, ist in Anspruch 8 angegeben.
Ein solches Strukturbauteil lässt sich für die unterschiedlichsten Einsatzzwecke bei Kraftfahrzeugen nutzen, da es sowohl die erforderliche Festigkeit als auch eine ausreichende Duktilität und eine gute Entformbarkeit aufweist.
Eine sehr vorteilhafte Weiterbildung des Strukturbauteils kann darin bestehen, dass das Strukturbauteil als dünnwandige Federbeinaufnahme, Batteriewanne oder Verbindungsteil ausgebildet und ohne Wärmebehandlung hergestellt ist. Für die genannten Bauteile ist die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung besonders gut geeignet; sie lässt sich jedoch auch für andere Bauteile einsetzen. Durch den Verzicht auf eine Wärmebehandlung des Strukturbauteils wird ein Verziehen desselben vermieden, so dass eine hohe Genauigkeit der Bauteile erreicht werden kann und Kosten der Wärmebehandlung vermieden werden.
Nachfolgend wird eine Versuchsdurchführung und sich dadurch ergebende Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung beschrieben.
Anhand eines komplexen Versuchsbauteils mit einem hohen Schussgewicht zwischen 15 und 20 kg, im vorliegenden Fall einem Verbindungsteil zwischen einem Schweller und einem Längsträger eines Kraftfahrzeugs, konnte, wie nachfolgend beschrieben, die durch die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung erreichbare verbesserte Entformbarkeit eindeutig nachgewiesen werden, wie sich auch der nachfolgenden Tabelle entnehmen lässt. Die mechanischen Kennwerte, d.h. die Streckgrenze und die Duktilität, wurden an Flachzugproben mit einer durchschnittlichen Wanddicke von 3,5 mm ermittelt.
Hierzu wurden drei unterschiedliche Zusammensetzungen einer Basislegierung miteinander verglichen und ein Versuchsabguss mit maximal 250 Abgüssen durchgeführt. Um die Entformbarkeit des gegossenen Bauteils aus der Gießform bzw. die Klebeneigung bewerten zu können, wurde der Versuch so lange durchgeführt, bis es aufgrund eines Anklebens des Bauteils an der Gießform bzw. einer nicht möglichen Entfernung des Bauteils zu einer Prozessunterbrechung kam. In den Fällen, in denen es nicht zu einer Prozessunterbrechung kam, wurde der Versuch nach 250 Abgüssen als in Ordnung beendet. In der Spalte „Entformbarkeit“ ist demnach die Anzahl der ohne Unterbrechung gegossenen Bauteile bis zu einer Prozessunterbrechung aufgrund nicht gegebener Entformbarkeit oder bis maximal 250 Abgüssen angegeben.

Die Zusammensetzung der jeweils eingesetzten Basislegierung war wie folgt: AlSi1 0Fe0,13MgO,04Ti0,09Zr0,15Sr0,012.

Legierung	Zusammensetzung	Streckgrenze Rp0,2 in MPa	Bruchdehnung A5 in %	Entformbarkeit
1	Basis+Mn0,66	123	6,7	250
2	Basis+Mn0,5	119	8,8	55
3	Basis+Mn0,42	115	9,2	7
4	Basis+Mn0,41 Mo0,15	124	10,0	40
5	Basis+Mn0,55Mo0,10	122	8,5	107
6	Basis+Mn0,51 Mo0,03Cr0,048	122	10,7	250
7	Basis+Mn0,35Mo0,03Cr0,047	121	13,2	250

Die Legierung 1 gemäß dem Stand der Technik ließ sich zwar sehr gut entformen, wies aufgrund des hohen Mangangehalts jedoch eine sehr geringe Bruchdehnung auf.
Bei den Legierungen 2 und 3 wurde der Mangangehalt reduziert, was jedoch zu einer erhöhten Klebeneigung und dadurch einer schlechtere Entformbarkeit führte. Grundsätzlich macht sich die Reduzierung des Mangangehalts auch in einer höheren Bruchdehnung bei geringfügig niedrigerer Streckgrenze bemerkbar.
Durch die Zugabe von Molybdän bei den Legierungen 4 und 5 konnte zwar sowohl die Bruchdehnung als auch die Entformbarkeit verbessert werden, eine ausreichende Prozessstabilität war aufgrund der immer noch schlechten Entformbarkeit jedoch auch hier nicht gegeben.
Bei den Legierungen 6 und 7 handelt es sich um zwei unterschiedliche Ausführungen der Aluminium-Druckgusslegierung gemäß der vorliegenden Erfindung. Hierbei wurde gegenüber den Legierungen 4 und 5 der Molybdängehalt reduziert und es wurde zusätzlich Chrom hinzugegeben. Dadurch erhöhte sich die Bruchdehnung auf für den Einsatz in Kraftfahrzeugen akzeptable Werte und es ergab sich eine sehr geringe Klebeneigung und dadurch eine sehr gute Entformbarkeit. Auch die Festigkeit der beiden Legierungen 6 und 7 ist für den Zweck, für den sie vorgesehen sind, ausreichend. Aus der Tabelle geht demnach die oben beschriebene Wirkung der verwendeten Anteile an Molybdän und Chrom für die Eigenschaften der Aluminium-Druckgusslegierung hervor.

Claims

Aluminium-Druckgusslegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen: 7,5 bis 11,5 Gew.-% Silizium, 0,25 bis 0,6 Gew.-% Mangan, 0,03 bis 0,06 Gew.-% Chrom, < 0,05 Gew.-% Molybdän, 0,01 bis 0,2 Gew.-% Zirkonium, 0,001 bis 0,08 Gew.-% Magnesium, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 0,001 bis 0,048 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,043 Gew.-%, insbesondere 0,024 bis 0,043 Gew.-%, Molybdän.
Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch 0,04 bis 0,05 Gew.-%, insbesondere 0,04 bis 0,048 Gew.-%, Chrom.
Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, gekennzeichnet durch 0,35 bis 0,6 Gew.-%, insbesondere 0,45 bis 0,55 Gew.-%, Mangan.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch 0,001 bis 0,15 Gew.-% Eisen.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch 0,004 bis 0,15 Gew.-% Titan.
Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch 0,008 bis 0,02 Gew.-% Strontium und/oder 0,001 bis 0,1 Gew.-% Vanadium.
Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, hergestellt aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Strukturbauteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil als dünnwandige Federbeinaufnahme, Batteriewanne oder Verbindungsteil ausgebildet und ohne Wärmebehandlung hergestellt ist.