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WO2023099520A1 - Aluminium-druckgusslegierung - Google Patents

Aluminium-druckgusslegierung Download PDF

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Publication number
WO2023099520A1
WO2023099520A1 PCT/EP2022/083766 EP2022083766W WO2023099520A1 WO 2023099520 A1 WO2023099520 A1 WO 2023099520A1 EP 2022083766 W EP2022083766 W EP 2022083766W WO 2023099520 A1 WO2023099520 A1 WO 2023099520A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
weight
alloy
cast
die
component
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/083766
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Marc Hummel
Steffen Otterbach
Marius KOHLHEPP
Original Assignee
Audi Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi Ag filed Critical Audi Ag
Priority to EP22823423.3A priority Critical patent/EP4441266A1/de
Priority to CN202280079728.0A priority patent/CN118339318A/zh
Publication of WO2023099520A1 publication Critical patent/WO2023099520A1/de

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Classifications

    • 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
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D21/00—Casting non-ferrous metals or metallic compounds so far as their metallurgical properties are of importance for the casting procedure; Selection of compositions therefor
    • B22D21/002—Castings of light metals
    • B22D21/007—Castings of light metals with low melting point, e.g. Al 659 degrees C, Mg 650 degrees C
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to an aluminum die-cast alloy, a method for the heat treatment of a component made from an aluminum die-cast alloy, and a component for a motor vehicle.
  • EP 1 443 122 B1 discloses an aluminum alloy for die-casting components with high elongation in the cast state. Further compositions for die-cast aluminum alloys are described in EP 1 719 820 A2, DE 10 2006 039 684 B4, DE 10 2010 055 011 A1 or DE 10 2019 205 267 B3.
  • DE 102005 037 738 A1 describes an aluminum cast alloy containing silicon, magnesium, iron, copper, zinc, manganese, titanium, zirconium, nickel and cobalt.
  • An aluminum-silicon cast alloy is known from EP 1 978 120 A1, which additionally contains, inter alia, magnesium, titanium, zirconium, manganese, iron, copper and nickel.
  • a hardenable aluminum cast alloy with silicon, magnesium, nickel and cobalt is described in DE 100 62 547 A1.
  • WO 2009/106327 A1 discloses a method for heat treatment and coating of a component and a component produced using the method.
  • EP 2 138 593 A2 discloses a method for producing a cast component from an aluminum die-cast alloy, in which the cast component is subjected to a heat treatment process after casting, using an aluminum die-cast alloy.
  • CH 168202 A discloses an aluminum alloy containing 8 to 15% silicon, 0.1 to 0.6% magnesium and also 1% of at least one alloy component responsible for increasing the fatigue strength.
  • GB 595,531 A discloses an aluminium-based alloy with excellent castability.
  • US 2005/0224145 A1 discloses castings made from an aluminum alloy which are exposed to high thermal and mechanical loads.
  • alloy compositions known from these documents are used for engine components such as crankcases, cylinder heads and possibly pistons.
  • the prior art therefore provides a large number of aluminum die-casting alloys with numerous compositions and heat treatments for the production of structural components.
  • many of these are no longer an option.
  • the best combination of strength and ductility can be achieved with heat treatable aluminum alloys in the T6 temper, making them very attractive both in terms of lightweight potential and for use in joining processes such as semi-tubular punch riveting.
  • the naturally hard alloys are, for example, of the AIMg, AIMn, AIMgMn and AlSi type.
  • the hardenable alloys are, for example, of the AICuMg, AICuSiMn, AISiMg, AIZnMg and AIZnMgCu type.
  • Disadvantages of large-area structural cast components are the distortion during heat treatment, which leads to poor dimensional accuracy, as well as the high costs for heat treatment due to the low packing density and the associated space requirement due to large furnace systems.
  • Another option is heat treatment in the T5 condition, which, among other things, can be carried out very cost-effectively through the painting process and therefore does not require any subsequent heat treatment.
  • the dimensional accuracy is not affected by the elimination of solution annealing.
  • production is streamlined due to the elimination of furnace systems.
  • achieving high strength in the painting process is challenging, since the trend towards lower temperatures and shorter times for the purpose of energy saving and sustainability offers a very low curing potential for structural components.
  • a combination of magnesium and a higher copper content or a subsequent T5 heat treatment is often required to achieve high strength.
  • the use of a high copper content makes the alloy susceptible to corrosion.
  • copper leads to embrittlement of the material and reduces weldability due to an increased tendency to hot cracking.
  • T5 alloys without copper only magnesium is used as an alloy component, which means that only moderately high strengths can be achieved.
  • a subsequent T5 heat treatment puts the cost advantage compared to the T6 alloy into perspective, since a furnace system is also required.
  • joining operations must then be carried out in the already hardened state, which makes them more difficult.
  • Another possibility is to use naturally hard alloys. However, these can only achieve limited strength and therefore have a very limited potential for lightweight construction.
  • the die-cast aluminum alloy according to the invention which contains 5 to 9% by weight, in particular 6.5 to 8% by weight, silicon as alloy components; 0.05 to 0.3% by weight, in particular 0.1 to 0.2% by weight, nickel; Manganese and/or chromium and/or molybdenum and/or vanadium, the sum of these elements being 0.05 to 1.0% by weight, in particular 0.2 to 0.6% by weight, with the remainder being aluminum and unavoidable impurities, has a particularly good ratio of strength and ductility in the as-cast state after casting, which ensures excellent joinability.
  • the alloy combination according to the invention which combines good castability, an advantageous relationship between strength and ductility, as well as good joinability in the cast state and high hardening in the T5 state, forms an ideal basis for use in large-area and/or large-volume, particularly thin-walled, Structural cast components created.
  • Strontium, titanium, zirconium, magnesium, copper and/or zinc with the proportions described below are optionally provided in the die-cast aluminum alloy according to the invention.
  • the silicon content which is reduced compared to the usual aluminium-silicon die-casting alloys for structural cast parts, ensures a good balance between strength and ductility in the cast state.
  • the diminished Castability due to the reduction of the silicon is counteracted according to the invention by the addition of nickel. Surprisingly, this effect is only evident in the range between 0.05 to 0.3%, in particular 0.1 to 0.2% nickel.
  • the strength in the as-cast state is increased by the use of nickel, as long as the proportion does not exceed 0.3%, in particular 0.2%, without impairing the ductility.
  • the ductility drops very sharply at higher levels.
  • nickel also acts against mold sticking, which means that the proportion of manganese can be reduced, which in turn improves ductility.
  • the elements manganese and/or chromium and/or molybdenum and/or vanadium are added to reduce mold sticking, and their proportion can be significantly reduced through the use of nickel as described above, so that the sum of these elements is 0.05 to 1.0 wt %, in particular 0.2 to 0.6% by weight.
  • the die-cast aluminum alloy can contain 0.008 to 0.025% by weight, in particular 0.01 to 0.02% by weight, of strontium.
  • strontium results in a refinement or refining of the silicon structure.
  • the die-cast aluminum alloy can contain 0.05 to 0.2% by weight, in particular 0.11 to 0.18% by weight, of titanium.
  • the aluminum die-cast alloy according to the invention can have 0.05 to 0.15% by weight, in particular 0.05 to 0.10% by weight, of zirconium.
  • Zirconium and titanium have a grain-refining effect and form intermetallic phases and precipitations in the structure. This increases strength as cast without affecting ductility and joinability. This is particularly the case when zirconium and titanium are used together. Surprisingly, there is an excess of titanium in the Ratio of titanium to zirconium proven to be particularly effective. In contrast to known solutions, in which titanium contents of 0.05 to 0.10% and higher zirconium contents of 0.15 to 0.30% are used, a proportion of 0.18% titanium and 0. 06% zirconium is particularly effective, as both strength and ductility increase and grain refinement is visible. On the other hand, if the zirconium content is too high, coarse intermetallic phases are formed, which severely limit the ductility. On the other hand, if the titanium content is too low, no grain refinement is possible in die casting. The above-described excess of titanium in the ratio of titanium to zirconium accordingly results in improved strength in the cast state with sufficient ductility and joinability.
  • the die-cast aluminum alloy can contain 0.2 to 0.5% by weight, in particular 0.32 to 0.4% by weight, of magnesium.
  • the aluminum die-cast alloy according to the invention can have 0.001 to 0.2% by weight, in particular 0.001 to 0.12% by weight, of copper.
  • the use of magnesium and/or copper results in an optional hardenability of the die-cast aluminum alloy according to the invention.
  • the ratio of copper to magnesium is preferably kept below 0.66, resulting in improved protection against corrosion.
  • the hardening of the aluminum die-cast alloy according to the invention if it contains, as stated above, 0.2 to 0.5% by weight, in particular 0.32 to 0.4% by weight, of magnesium, can be outsourcing in a drying step of a painting process can be greatly accelerated.
  • the limit of max. 0.2%, in particular max. 0.12%, of copper should not be exceeded, since otherwise increased corrosion of the component can occur.
  • the die-cast aluminum alloy can have 0.05 to 0.4% by weight, in particular 0.12 to 0.25% by weight, of zinc.
  • Zinc leads to a finer formation of the magnesium precipitates and thus improves the achievable strength in the T5 condition through the drying step of the painting process, while at the same time increasing the resistance to hot cracking.
  • Claim 2 specifies a method for the heat treatment of a component for a motor vehicle made from a hardenable die-cast aluminum alloy.
  • the component is pre-stored for a period of 0.5 to 2 h, in particular 0.5 to 1 h, at a temperature of 120 to 190 °C, in particular 150 °C to 170 °C, and then for a period of 0 5 to 2 h at a temperature of 150 to 210 ° C subjected to a drying step of a painting process.
  • a component can be produced from a hardenable die-cast aluminum alloy with high strength and high ductility, with the components exhibiting very little distortion.
  • a particularly high ratio of strength and ductility can be achieved by combining pre-ageing with an optimized alloy composition.
  • the aluminum die-cast alloy has 0.2 to 0.5 wt. %, in particular 0.32 to 0.4% by weight, magnesium and/or 0.001 to 0.2% by weight, in particular 0.001 to 0.12% by weight, copper and the component is for a period of 0.5 to 2 h at a temperature of 150 to 210 ° C subjected to a drying step of a painting process.
  • a component for a motor vehicle in particular a large-volume and/or large-area structural component for a body of the motor vehicle, produced from an aluminum die-cast alloy according to claim 1 or produced according to a method according to claim 2 or 3, is specified in claim 4.
  • the following table shows different die-cast aluminum alloys as well as certain features and physical sizes determined by tests and, if applicable, their characteristics.
  • the alloys marked “SdT” are known from the general state of the art, the alloys marked “Erf” correspond to the requirements of patent claim 1 and possibly one or more dependent claims.
  • the information in the "Corrosion” column describes poor, average, good or very good corrosion properties of the respective alloy: * 1 Tactile measurement of real cast components when installed in the vehicle
  • the alloy AISi7MnO.4MgO.3NiO.2ZnO.2CuO.1 (T5 by means of pre-aging and subsequent painting process) meets the requirements to a particularly high degree and, despite good joinability after pre-aging, achieves the strength level of the T6 alloy through the drying step within the painting process.
  • FIG 3 shows a diagram in which the yield point R P o.2 and the elongation at break A are shown as a function of the titanium and zirconium content in the aluminum die-casting alloy.
  • FIG. 4 shows a diagram in which the yield strength R P o.2 is shown as a function of the duration of the drying step of a painting process and prior storage.
  • a change in the yield point R P o.2 and the elongation at break A is shown as a function of the nickel content in the aluminum die-cast alloy
  • the use of nickel in an aluminum die-cast alloy as long as a Share of 0.3 wt .-%, in particular 0.2 wt .-%, is not exceeded, the strength in Cast condition is increased without affecting ductility.
  • the ductility drops very sharply at higher levels.
  • nickel also acts against mold sticking, which means that the proportion of manganese can be reduced, which in turn improves ductility.
  • the yield strength R P o.2 and the elongation at break A of an AISi7 base alloy are shown with "Reference”.
  • the area marked “1” shows the area in which the alloy has an optimal balance of strength and ductility.
  • FIG. 3 shows a diagram in which the yield point R P o.2 and the elongation at break A are shown as a function of the titanium and zirconium content for four different aluminum die-cast alloys.
  • “2” designates an alloy in which the titanium content is too low and therefore no effect can be achieved.
  • the alloy designated “3” has the best combination of strength and ductility and only fine phases could be observed in the structure.
  • the zirconium content of the alloy marked “4” was too high, causing the ductility to drop.
  • the structure showed very coarse phases.
  • the diagram shows that, in contrast to known solutions, in which titanium contents of 0.05 to 0.10% by weight and higher zirconium contents of 0.15 to 0.30% by weight are used a proportion of 0.18% by weight titanium and 0.06% by weight zirconium is particularly effective, since here both strength and ductility increase and grain refinement is visible.
  • zirconium content is too high, coarse intermetallic phases are formed, which severely limit the ductility.
  • titanium content is too low, no grain refinement is possible in die casting. The ratio and the amount of the alloy components titanium and zirconium therefore have an impact on the physical properties of the aluminum die-cast alloy. From the diagram of Fig.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Druckgusslegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen: 5 bis 9 Gew.-%, insbesondere 6,5 bis 8 Gew.-%, Silizium, 0,05 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-%, Nickel, Mangan und/oder Chrom und/oder Molybdän und/oder Vanadium, wobei die Summe dieser Elemente 0,05 bis 1,0 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 0,6 Gew.- %, beträgt, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.

Description

Aluminium-Druckgusslegierung
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Aluminium-Druckgusslegierung, ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer Aluminium-Druckgusslegierung hergestellten Bauteils sowie ein Bauteil 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 oder der DE 10 2019 205 267 B3 beschrieben.
Die DE 102005 037 738 A1 beschreibt eine Aluminium-Gusslegierung, die Silizium, Magnesium, Eisen, Kupfer, Zink, Mangan, Titan, Zirkonium, Nickel und Kobalt enthält.
Aus der EP 1 978 120 A1 ist eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung bekannt, die zusätzlich unter anderem Magnesium, Titan, Zirkonium, Mangan, Eisen, Kupfer und Nickel enthält.
Eine aushärtbare Aluminium-Gusslegierung mit Silizium, Magnesium, Nickel und Kobalt ist in der DE 100 62 547 A1 beschrieben.
Aus der WO 2009/106327 A1 ist ein Verfahren zum Wärmebehandeln und Beschichten eines Bauteils sowie ein nach dem Verfahren hergestelltes Bauteil bekannt. Aus der EP 2 138 593 A2 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Gussbauteils aus einer Aluminium-Druckgusslegierung, bei welchem das Gussbauteil nach dem Gießen einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wird, wobei eine Aluminium-Druckgusslegierung eingesetzt wird, bekannt.
Aus der DE 10 2016 118 729 A1 sind kupferfreie Aluminiumlegierungen, geeignet für Hochdruckgießen, die einer Aushärtung bei erhöhten Temperaturen unterzogen werden können, bekannt.
Die CH 168202 A offenbart eine Aluminiumlegierung mit einem Gehalt von 8 bis 15 % Silizium, 0,1 bis 0,6 % Magnesium und außerdem 1 % an mindestens einer, die Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit bedingenden Legierungskomponente.
Aus der GB 595,531 A ist eine aluminiumbasierte Legierung mit einer exzellenten Gießeignung bekannt.
Die US 2005/0224145 A1 offenbart Gussteile aus einer Aluminiumlegierung, welche hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind.
Die aus diesen Dokumenten bekannten Legierungszusammensetzungen werden für Motorkomponenten, wie Kurbelgehäuse, Zylinderköpfe und gegebenenfalls Kolben eingesetzt.
Grundsätzlich steht aus dem Stand der Technik damit eine Vielzahl an Aluminium-Druckgusslegierungen mit zahlreichen Zusammensetzungen und Wärmebehandlungen zur Herstellung von Strukturbauteilen zur Verfügung. Durch den Trend zu großflächigen Strukturgussbauteilen kommen viele davon aber nicht mehr in Frage.
Die beste Kombination aus Festigkeit und Duktilität kann mit aushärtbaren Aluminiumlegierungen im T6-Zustand erreicht werden, wodurch diese sowohl hinsichtlich des Leichtbaupotenzials als auch für den Einsatz bei Fügeverfahren wie dem Halbhohlstanznieten sehr attraktiv sind. Abhängig davon, ob die gewünschte Festigkeitssteigerung nur durch Mischkristallverfestigung und Kaltverfestigung oder zusätzlich durch eine Ausscheidungshärtung erreicht wird, wird zwischen aushärtbaren und naturharten, d.h. nicht aushärtbaren Legierungen unterschieden. Die naturharten Legierungen sind beispielsweise vom Typ AIMg, AIMn, AIMgMn und AlSi. Die aushärtbaren Legierungen sind beispielsweise vom Typ AICuMg, AICuSiMn, AISiMg, AIZnMg und AIZnMgCu. Nachteilig bei großflächigen Strukturgussbauteilen sind jedoch der zu einer geringen Maßhaltigkeit führende Verzug bei der Wärmebehandlung sowie die hohen Kosten für die Wärmebehandlung durch die geringe Packungsdichte und der damit verbundene Flächenbedarf durch große Ofenanlagen.
Eine weitere Option stellt die Wärmebehandlung im T5-Zustand dar, die unter anderem sehr kosteneffizient durch den Lackierprozess erfolgen kann und dadurch keine nachgelagerte Wärmebehandlung benötigt. Durch den Wegfall des Lösungsglühens wird die Maßhaltigkeit nicht beeinträchtigt. Zudem wird durch den Wegfall von Ofenanlagen die Fertigung verschlankt. Das Erreichen hoher Festigkeiten im Lackierprozess gestaltet sich jedoch herausfordernd, da dort der Trend zu niedrigeren Temperaturen und kürzeren Zeiten zum Zweck der Energieersparnis und Nachhaltigkeit ein sehr geringes Aushärtepotenzial für Strukturbauteile bietet. Zum Erreichen hoher Festigkeiten wird jedoch oftmals eine Kombination aus Magnesium und einem höheren Kupfergehalt oder eine nachgelagerte T5-Wärmebehandlung benötigt. Allerdings wird die Legierung durch die Verwendung eines hohen Kupferanteils anfällig für Korrosion. Des Weiteren führt Kupfer zu einer Versprödung des Materials und verringert aufgrund einer erhöhten Heißrissneigung die Schweißbarkeit. Bei T5-Legierungen ohne Kupfer wird lediglich Magnesium als Legierungsbestandteil verwendet, wodurch jedoch nur mittelhohe Festigkeiten erreicht werden können. Durch eine nachgelagerte T5-Wärmebehand- lung hingegen relativiert sich der Kostenvorteil gegenüber der T6-Legierung, da ebenfalls eine Ofenanlage benötigt wird. Zudem müssen Fügeoperationen dann im bereits ausgehärteten Zustand erfolgen, wodurch diese erschwert werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, naturharte Legierungen zu verwenden. Diese können jedoch nur begrenzte Festigkeiten erreichen und besitzen daher ein sehr begrenztes Leichtbaupotenzial.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminium-Druckgusslegierung sowie ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer aushärtbaren Aluminium-Druckgusslegierung hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, aus denen Bauteile mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Duktilität sowie einem möglichst geringen Verzug hergestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung, die als Legierungsbestandteile 5 bis 9 Gew.-%, insbesondere 6,5 bis 8 Gew.-%, Silizium; 0,05 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-%, Nickel; Mangan und/oder Chrom und/oder Molybdän und/oder Vanadium, wobei die Summe dieser Elemente 0,05 bis 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 0,6 Gew.-%, beträgt, mit dem Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen, besitzt nach dem Abguss im Gusszustand ein besonders gutes Verhältnis aus Festigkeit und Duktilität, wodurch eine hervorragende Fügbarkeit gewährleistet ist. Durch die erfindungsgemäße Legierungskombination, die gute Gießbarkeit, ein vorteilhaftes Verhältnis aus Festigkeit und Duktilität, sowie gute Fügbarkeit im Gusszustand und eine hohe Aushärtung im T5-Zustand miteinander vereint, wird eine ideale Grundlage für den Einsatz in großflächigen und/oder großvolumigen, insbesondere dünnwandigen, Strukturgussbauteilen geschaffen. Optional sind in der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung Strontium, Titan, Zirkonium, Magnesium, Kupfer und/oder Zink mit den nachfolgend beschriebenen Anteilen vorgesehen.
Dabei gewährleistet der gegenüber üblichen Aluminium-Silizium-Druckguss- legierungen für Strukturgussteile reduzierte Silizium-Gehalt ein gutes Verhältnis aus Festigkeit und Duktilität im Gusszustand. Der verminderten Gießbarkeit durch die Reduktion des Siliziums wird erfindungsgemäß mittels der Zugabe von Nickel gegengewirkt. Überraschenderweise zeigt sich dieser Effekt nur im Bereich zwischen 0,05 bis 0,3%, insbesondere 0,1 bis 0,2% Nickel. Zusätzlich wird durch die Verwendung von Nickel, solange ein Anteil von 0,3 %, insbesondere 0,2 %, nicht überschritten wird, die Festigkeit im Gusszustand erhöht, ohne die Duktilität zu beeinträchtigen. Bei Gehalten darüber hinaus fällt die Duktilität jedoch sehr stark ab. Darüber hinaus wirkt Nickel ebenfalls gegen Formkleben, wodurch der Anteil an Mangan reduziert werden kann, was wiederum die Duktilität verbessert.
Die Elemente Mangan und/oder Chrom und/oder Molybdän und/oder Vanadium werden zur Reduktion des Formklebens zugegeben, wobei deren Anteil durch den oben beschriebenen Einsatz von Nickel deutlich reduziert werden kann, sodass die Summe dieser Elemente 0,05 bis 1 ,0 Gew.-%, insbesondere 0,2 bis 0,6 Gew.-%, beträgt.
In einer sehr vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Druckgusslegierung kann diese 0,008 bis 0,025 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,02 Gew.-%, Strontium aufweisen. Durch die Zugabe von Strontium ergibt sich eine Veredelung bzw. Verfeinerung des Siliziumgefüges.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Druckgusslegierung kann diese 0,05 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,11 bis 0,18 Gew.-%, Titan aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung 0,05 bis 0,15 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,10 Gew.-%, Zirkonium aufweisen.
Zirkonium und Titan wirken kornfeinend und bilden intermetallische Phasen und Ausscheidungen im Gefüge. Dadurch erhöht sich die Festigkeit im Gusszustand, ohne die Duktilität und Fügbarkeit zu beeinträchtigen. Dies stellt sich insbesondere ein, wenn Zirkonium und Titan gemeinsam eingesetzt werden. Überaschenderweise hat sich hier ein Überschuss von Titan im Verhältnis von Titan zu Zirkonium als besonders effektiv erwiesen. Im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei denen Titan-Gehalte von 0,05 bis 0,10 % und höhere Zirkonium-Gehalte von 0,15 bis 0,30 % eingesetzt werden, zeigte sich ein Anteil von 0,18 % Titan und 0,06 % Zirkonium als besonders effektiv, da hier sowohl Festigkeit und Duktilität ansteigen als auch eine Kornfeinung sichtbar ist. Wird der Zirkonium-Gehalt hingegen zu hoch gewählt, entstehen grobe intermetallische Phase, welche die Duktilität stark einschränken. Ein zu niedriger Titan-Gehalt hingegen lässt keine Kornfeinung im Druckguss zu. Durch den oben beschriebenen Überschuss von Titan im Verhältnis von Titan zu Zirkonium ergibt sich demnach eine verbesserte Festigkeit im Gusszustand bei ausreichender Duktilität und Fügbarkeit.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Aluminium-Druckgusslegierung kann diese 0,2 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,32 bis 0,4 Gew.-%, Magnesium aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann die erfindungsgemäße Aluminium-Druckgusslegierung 0,001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,12 Gew.-%, Kupfer aufweisen.
Durch den Einsatz von Magnesium und/oder Kupfer ergibt sich eine optionale Aushärtbarkeit der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung. Vorzugsweise wird dabei das Verhältnis von Kupfer zu Magnesium unter 0,66 gehalten, wodurch sich ein verbesserter Korrosionsschutz ergibt. Durch die Zugabe von Kupfer kann die Aushärtung der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung, wenn diese, wie oben angegeben, 0,2 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,32 bis 0,4 Gew.-%, Magnesium enthält, für eine Auslagerung in einem Trocknungsschritt eines Lackierprozesses stark beschleunigt werden. Dabei sollte, neben dem oben angegebenen Verhältnis von Kupfer zu Magnesium, die Grenze von max. 0,2 %, insbesondere max. 0,12 %, an Kupfer nicht überschritten werden, da es ansonsten zu einer erhöhten Korrosion des Bauteils kommen kann. Des Weiteren kann die Aluminium-Druckgusslegierung 0,05 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,12 bis 0,25 Gew.-%, Zink aufweisen. Zink führt zu einer feineren Ausbildung der Magnesium-Ausscheidungen und verbessert damit die erreichbare Festigkeit im T5-Zustand durch den Trocknungsschritt des Lackierprozesses, wobei sich zugleich eine Erhöhung der Heißrissbeständigkeit ergibt.
Ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer aushärtbaren Aluminium-Druckgusslegierung hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug ist in Anspruch 2 angegeben. Dabei wird das Bauteil für eine Dauer von 0,5 bis 2 h, insbesondere 0,5 bis 1 h, bei einer Temperatur von 120 bis 190 °C, insbesondere 150 °C bis 170 °C, vorausgelagert und anschließend für eine Dauer von 0,5 bis 2 h bei einer Temperatur von 150 bis 210 °C einem Trocknungsschritt eines Lackierprozesses unterzogen. Mit einem solchen Verfahren lässt sich ein Bauteil aus einer aushärtbaren Aluminium-Druckgusslegierung mit einer hohen Festigkeit und einer hohen Duktilität herstellen, wobei die Bauteile einen sehr geringen Verzug aufweisen.
Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass eine kurze Vorauslagerung unmittelbar nach dem Abguss die Aushärtung im späteren Lackierprozess, d.h. in dem Trocknungsschritt des Lackierprozesses, enorm beschleunigen kann. Die dafür notwendige Wärmebehandlungsstation fällt darüber hinaus sehr klein aus und kann optional in die Gießzelle integriert werden. Hierdurch ergeben sich folgende Vorteile: Es muss keine nachgelagerte Wärmebehandlung des Bauteils erfolgen, die Ofenanlagen dafür entfallen. Stattdessen kann dank einer kurzen Vorauslagerung das volle Aushärtepotenzial im Lackierprozess erreicht werden. Durch die beschleunigte Aushärtung können selbst im Lackierprozess mit niedrigen Temperaturen und kurzen Zeiten sehr hohe Festigkeiten erzeugt werden, wodurch sehr dünnwandige Bauteile mit niedrigem Gewicht möglich sind. Die Festigkeit steigt während der Vorauslagerung nur geringfügig an, wodurch bei Fügeoperationen weiterhin von der niedrigen Festigkeit profitiert werden kann. Die eigentliche Aushärtung erfolgt dann beschleunigt im Trocknungsschritt des Lackierprozesses. Die Korrosionseigenschaften bleiben sehr gut, da dank der beschleunigten Aushärtung durch die Vorauslagerung auf die Verwendung von hohen Anteilen an Kupfer verzichtet werden kann.
Ein besonders hohes Verhältnis aus Festigkeit und Duktilität lässt sich dabei durch die Kombination der Vorauslagerung mit einer optimierten Legierungszusammensetzung nach Anspruch 1 erzielen.
Ein weiteres Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer Aluminium- Druckgusslegierung nach Anspruch 1 , wobei 0,2 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,32 bis 0,4 Gew.-%, Magnesium und 0,001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,12 Gew.-%, Kupfer in der Aluminium-Druckgusslegierung vorgesehen sind, hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug ergibt sich aus Anspruch 3. Dabei weist die Aluminium-Druckgusslegierung 0,2 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,32 bis 0,4 Gew.-%, Magnesium und/oder 0,001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,12 Gew.-%, Kupfer auf und das Bauteil wird für eine Dauer von 0,5 bis 2 h bei einer Temperatur von 150 bis 210 °C einem Trocknungsschritt eines Lackierprozesses unterzogen. Durch eine solche T5-Wärmebehandlung, die Bestandteil des Trocknungsschritts eines Lackierprozesses ist, ergibt sich eine maximale Aushärtung, wodurch hohe Festigkeiten erreicht werden und sich ein hohes Leichtbaupotenzial für das Bauteil ergibt.
Ein Bauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere ein großvolumiges und/oder großflächiges Strukturbauteil für eine Karosserie des Kraftfahrzeugs, hergestellt aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1 oder hergestellt gemäß einem Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, ist in Anspruch 4 angegeben.
In der nachfolgenden Tabelle sind unterschiedliche Aluminium-Druckgusslegierungen sowie bestimmte, durch Versuche ermittelte Merkmale und physikalische Größe und ggf. deren Ausprägungen angegeben. Die mit „SdT“ bezeichneten Legierungen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannt, die mit „Erf“ bezeichneten Legierungen entsprechen den Vorgaben des Patentanspruchs 1 und ggf. eines oder mehrerer Unteransprüche. Die Angabe in der Spalte „Korrosion“ beschreibt schlechte, durchschnittliche, gute oder sehr gute Korrosionseigenschaften der jeweiligen Legierung:
Figure imgf000011_0001
*1 Taktile Vermessung realer Gussbauteile im Einbauzustand ins Fahrzeug
(Mittelwert aller betragsmäßigen Abweichungen)
*2 DIN EN ISO 9227NSS *3 Heißrisslänge durch eine MIG-Metall Inertgas Schweißnaht am Schweiß- nahtendkrater
Aus der Tabelle ist ersichtlich, dass die mit „Erf“ bezeichneten, den Vorgaben des Patentanspruchs 1 und ggf. eines oder mehrerer Unteransprüche entspre- chenden Legierungen zwar nicht in allen Merkmalen bzw. Eigenschaften besser sind als die mit „SdT“ bezeichneten, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekannten Legierungen, dass jedoch keines ihrer Merkmale bzw. Eigenschaften einer Verwendung als Bauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere als großvolumiges und/oder großflächiges Strukturbauteil für eine Karosserie eines Kraftfahrzeugs, entgegensteht.
Die Legierung AISi7MnO,4MgO,3NiO,2ZnO,2CuO,1 (T5 mittels Vorauslagerung und nachfolgendem Lackierprozess) erfüllt die Anforderungen in besonders hohem Maße und erreicht trotz guter Fügbarkeit nach der Vorauslagerung durch den Trocknungsschritt innerhalb des Lackierprozesses das Festigkeitsniveau der T6-Legierung.
Nachfolgend werden weitere Eigenschaften der erfindungsgemäßen Aluminium-Druckgusslegierung anhand mehrerer Schaubilder erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein Schaubild, in dem eine Änderung der Dehngrenze RPo.2 und der Bruchdehnung A in Abhängigkeit des Nickelgehalts in der Aluminium- Druckgusslegierung dargestellt ist;
Fig. 2 ein Schaubild, in dem die Fließfähigkeit in Abhängigkeit des Nickelgehalts dargestellt ist; und
Fig. 3 ein Schaubild, in dem die Dehngrenze RPo.2 und die Bruchdehnung A in Abhängigkeit des Titan- und Zirkoniumgehalts in der Aluminium- Druckgusslegierung dargestellt ist.
Fig. 4 ein Schaubild, in dem die Dehngrenze RPo.2 in Abhängigkeit der Dauer des Trocknungsschritts eines Lackierprozesses und einer Vorauslagerung dargestellt ist.
Aus den Fig. 1 , in der eine Änderung der Dehngrenze RPo.2 und der Bruchdehnung A in Abhängigkeit des Nickelgehalts in der Aluminium-Druckgusslegierung dargestellt ist, ist ersichtlich, dass durch die Verwendung von Nickel in einer Aluminium-Druckgusslegierung, solange ein Anteil von 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,2 Gew.-%, nicht überschritten wird, die Festigkeit im Gusszustand erhöht wird, ohne die Duktilität zu beeinträchtigen. Bei Gehalten darüber hinaus fällt die Duktilität jedoch sehr stark ab. Darüber hinaus wirkt Nickel ebenfalls gegen Formkleben, wodurch der Anteil an Mangan reduziert werden kann, was wiederum die Duktilität verbessert. Mit „Referenz“ ist die Dehngrenze RPo.2 und die Bruchdehnung A einer AISi7-Basislegierung dargestellt. Der mit „1“ bezeichnete Bereich zeigt der Bereich, in dem die Legierung ein optimales Verhältnis aus Festigkeit und Duktilität aufweist.
In Fig. 2, in der die Fließfähigkeit in Abhängigkeit des Nickelgehalts dargestellt ist, ist erkennbar, dass in dem mit „1“ bezeichneten Bereich auch die Fließfähigkeit der Legierung ein Optimum erreicht.
Fig. 3 zeigt ein Schaubild, in dem die Dehngrenze RPo.2 und die Bruchdehnung A in Abhängigkeit des Titan- und Zirkoniumgehalts für vier unterschiedliche Aluminium-Druckgusslegierungen dargestellt ist. Dabei ist mit „2“ eine Legierung bezeichnet, in der der Titangehalt zu niedrig ist und somit keine Wirkung erzielt werden kann. Die mit „3“ bezeichnete Legierung weist die beste Kombination aus Festigkeit und Duktilität auf und es konnten ausschließlich feine Phasen in dem Gefüge beobachtet werden. Bei der mit „4“ bezeichneten Legierung war der Zirkoniumgehalt zu hoch, weshalb die Duktilität absank. Das Gefüge zeigte sehr grobe Phasen.
Aus dem Schaubild ergibt sich demnach, dass, im Gegensatz zu bekannten Lösungen, bei denen Titan-Gehalte von 0,05 bis 0,10 Gew.-% und höhere Zirkonium-Gehalte von 0,15 bis 0,30 Gew.-% eingesetzt werden, ein Anteil von 0,18 Gew.-% Titan und 0,06 Gew.-% Zirkonium besonders effektiv ist, da hier sowohl Festigkeit und Duktilität ansteigen als auch eine Kornfeinung sichtbar ist. Wird der Zirkonium-Gehalt hingegen zu hoch gewählt, entstehen grobe intermetallische Phase, welche die Duktilität stark einschränken. Ein zu niedriger Titan-Gehalt hingegen lässt keine Kornfeinung im Druckguss zu. Das Verhältnis und die Menge der Legierungsbestandteile Titan und Zirkonium hat demnach Auswirkungen auf die physikalischen Eigenschaften der Aluminium-Druckgusslegierung. Aus dem Schaubild von Fig. 4, in dem der Verlauf der Dehngrenze über die Dauer des Trocknungsschritts eines Lackierprozesses, insbesondere einer Kathodentauchlackierung (KTL), für die Legierung AISi7MnO,4MgO,3NiO,2ZnO,2CuO,1 mit und ohne Vorauslagerung dargestellt ist, ist erkennbar, dass die Aushärtung des Bauteils mit einer Vorauslagerung deutlich beschleunigt stattfindet. Neben einer Kathodentauchlackierung ist innerhalb des Lackierprozesses auch eine Anodentauchlackierung oder ein anderes geeignetes Verfahren denkbar.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Aluminium-Druckgusslegierung mit folgenden Legierungsbestandteilen:
5 bis 9 Gew.-%, insbesondere 6,5 bis 8 Gew.-%, Silizium, 0,05 bis 0,3 Gew.-%, insbesondere 0,1 bis 0,2 Gew.-%, Nickel, Mangan, wobei der Anteil dieses Elements 0,2 bis 0,6 Gew.-%, beträgt, optional 0,008 bis 0,025 Gew.-%, insbesondere 0,01 bis 0,02 Gew.-%, Strontium, optional 0,05 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,11 bis 0,18 Gew.-%, Titan, optional 0,05 bis 0,15 Gew.-%, insbesondere 0,05 bis 0,10 Gew.-%, Zirkonium, optional 0,2 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,32 bis 0,4 Gew.-%, Magnesium, optional 0,001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,12 Gew.-%, Kupfer, optional 0,05 bis 0,4 Gew.-%, insbesondere 0,12 bis 0,25 Gew.-%, Zink, Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen.
2. Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer aushärtbaren Aluminium-Druckgusslegierung hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bauteil für eine Dauer von 0,5 bis 2 h, insbesondere 0,5 bis 1 h, bei einer Temperatur von 120 bis 190 °C, insbesondere 150 °C bis 170 °C, vorausgelagert und anschließend für eine Dauer von 0,5 bis 2 h bei einer Temperatur von 150 bis 210 °C einem Trocknungsschritt eines Lackierprozesses unterzogen wird.
3. Verfahren zur Wärmebehandlung eines aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1 hergestellten Bauteils für ein Kraftfahrzeug, wobei das Bauteil für eine Dauer von 0,5 bis 2 h bei einer Temperatur von 150 bis 210 °C einem Trocknungsschritt eines Lackierprozesses unterzogen wird, wobei 0,2 bis 0,5 Gew.-%, insbesondere 0,32 bis 0,4 Gew.-%, Magnesium und 0,001 bis 0,2 Gew.-%, insbesondere 0,001 bis 0,12 Gew.-%, Kupfer in der Aluminium-Druckgusslegierung vorgesehen sind. Bauteil für ein Kraftfahrzeug, insbesondere großvolumiges und/oder großflächiges Strukturbauteil für eine Karosserie des Kraftfahrzeugs, hergestellt aus einer Aluminium-Druckgusslegierung nach Anspruch 1 oder hergestellt gemäß einem Verfahren nach Anspruch 2 oder 3.
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