DE102006032699B4

DE102006032699B4 - Aluminiumlegierung und deren Verwendung für ein Gussbauteil insbesondere eines Kraftwagens

Info

Publication number: DE102006032699B4
Application number: DE102006032699A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Wüst; Markus Wimmer; Richard Weizenbeck; Dirk E.O. Westerheide
Original assignee: Magna BDW Technologies GmbH
Current assignee: Magna BDW Technologies GmbH
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2006-07-14
Publication date: 2010-09-09
Anticipated expiration: 2026-07-15
Also published as: JP2009543944A; ATE456682T1; DE502007002755D1; WO2008006908A1; EP2041328A1; US20090297393A1; DE102006032699A1; SI2041328T1; ES2340218T3; EP2041328B1; CA2657731A1

Abstract

Aluminiumdruckgusslegierung für ein Gussbauteil eines Kraftwagens gekennzeichnet durch folgende Legierungselemente: 6,5 bis < 9,5 Gew.-% Silizium 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan 0,15 bis 0,35 Gew.-% Eisen 0,22 bis 0,4 Gew.-% Magnesium max. 0,1 Gew.-% Titan 0,009 bis 0,018 Gew.-% Strontium

und als Rest Aluminium mit einzeln maximal 0,05 Gew.-% und insgesamt maximal 0,2 Gew.-% herstellungsbedingten Verunreinigungen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Druckgusslegierung sowie deren Verwendung bei einem Gussbauteil insbesondere für einen Kraftwagen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Gussbauteil insbesondere für einen Kraftwagen aus einer derartigen Aluminiumlegierung.
Bei der Herstellung von Gussbauteilen aus Aluminium-Silizium-Gusslegierungen insbesondere zum Einsatz in der Automobilindustrie werden heute grundsätzlich zwei Wege begangen.
Der eine Weg beschreibt den Einsatz von relativ kostengünstigen Sekundärlegierungen beispielsweise des Typs AlSi10Mg, welche jedoch einen relativ hohen Eisengehalt von etwa 0,5 bis 1,2 Gew.-% Fe und einen geringen Mangangehalt von etwa 0,1 Gew.-% Mn aufweisen. Der hohe Eisengehalt ist dabei unter anderem vor dem Hintergrund des relativ geringen Manganzusatzes erforderlich, so dass die Klebeneigung der Aluminiumlegierung innerhalb der Druckgussform reduziert wird und das gefertigte Gussbauteil prozesssicher entformt werden kann.
Als problematisch bei derartigen Sekundärlegierungen ist jedoch der Umstand anzusehen, dass sich bedingt durch den hohen Eisengehalt eine intermetallische AlFeSi-Phase im Gefüge ausbildet, welche eine äußerst große nadelförmige Struktur aufweist und dem Gussbauteil demzufolge äußerst spröde Materialeigenschaften verleiht. Des Weiteren ergibt sich bei derartigen Sekundärlegierungen eine relativ grobe und nadelförmige Ausbildung von Silizium innerhalb des AlSi-Eutektikums, durch welches die Duktilität des Gussbauteils in erheblichem Maße reduziert wird. Daher müssen derartige Sekundärlegierungen im Anschluss an das Entformen wärmebehandelt werden, um entsprechend hinreichende mechanische Eigenschaften, beispielsweise hinsichtlich ihrer Härte und Duktilität, erreichen zu können. Dies kann gegebenenfalls jedoch zu einem Verzug der Gussbauteile führen.
Ein aus einer derartigen Sekundärlegierung hergestelltes Gussbauteil in Form einer Ölwanne für ein Kraftfahrzeug ist aus der EP 0 611 832 B1 als bekannt zu entnehmen, bei welchem eine lokale Wärmebehandlung bei einer entsprechenden Temperatur bzw. einem entsprechenden Zeitraum durchgeführt wird, so dass sich Bauteilbereiche unterschiedlicher Härte einstellen lassen. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass die Ölwanne im Bereich eines Flansches weitestgehend unbehandelt bleibt und demgemäß eine Härte von 85 bis 110 HB und eine Duktilität von 0,5 bis 2,5% aufweist, während diese in einem Bodenbereich entsprechend wärmebehandelt wird, so dass sie eine Härte von 55 bis 80 HB und eine Duktilität von oberhalb 4% aufweist. Mit anderen Worten soll hierdurch erreicht werden, dass im Bereich des Flansches die bereits im Gusszustand vorhandene hohe Härte bzw. geringe Duktilität beibehalten wird, wogegen im Bodenbereich die Härte reduziert bzw. die Duktilität erhöht wird, um die Gefahr von durch Steinschlag bedingten Rissen oder dergleichen Beschädigungen der Ölwanne zu reduzieren. Allerdings ist eine derartige Wärmebehandlung zeitintensiv und dementsprechend kostspielig, so dass die durch den Einsatz einer Sekundärlegierung ermöglichte Kosteneinsparung mehr als aufgezehrt wird.
Der alternativ zur oben beschriebenen Sekundärlegierung begehbare Weg beschreibt den Einsatz von Primärlegierungen beispielsweise ebenfalls des Typs AlSi10, deren neben den Legierungselementen vorhandenes Restaluminium einzeln maximal 0,05 Gew.-% und insgesamt maximal 0,2 Gew.-% herstellungsbedingte Verunreinigungen aufweist.
Eine solche Primärlegierung ist beispielsweise bereits aus der EP 0 997 550 B1 als bekannt zu entnehmen, welche – im Unterschied zu den vorbeschriebenen Sekundärlegierungen – einen geringeren Eisengehalt von 0,15 bis 0,35 Gew.-% Fe und einen demgegenüber hohen Mangangehalt von 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mn aufweist. Neben der Tatsache, dass eine derartige Primärlegierung eine verminderte Klebeneigung in der Druckgussform aufweist und dementsprechend gut entformbar ist, existieren die bei Sekundärlegierungen üblichen intermetallischen AlFeSi-Phasen bei einer derartigen Primärlegierung nicht. Dafür entsteht beispielsweise eine im Querschnitt eher rundliche, intermetallische Al₁₂(Mn, Fe)Si₂-Phase, die dementsprechend keine bzw. keine ausgeprägte nadelförmige Ausbildung hat. Hierdurch ergibt sich eine deutlich verbesserte Morphologie, so dass sich ein Werkstoff mit einer Härte von etwa 80–100 HB im Gusszustand realisieren lässt. Um die grobe bzw. nadelförmige Ausbildung von Silizium im AlSi-Eutektikum zu reduzieren, wird bei der vorbeschriebenen Primärlegierung bevorzugt Strontium beigefügt, welches das nadelförmige Wachstum des Siliziums innerhalb des AlSi-Eutektikums aufhält.
Da jedoch zumindest ein Teil der durch eine derartige Primärlegierung hergestellten Gussbauteile nach dem Entformen in ihrem Gusszustand lediglich eine Bruchdehnung von A₅ von 4 bis < 5% aufweisen, werden diese zum Einsatz als Sicherheitsbauteile in der Automobilindustrie in einem nachfolgenden Wärmebehandlungsverfahren zunächst auf eine Temperatur von 400 bis 490°C während einer Zeitdauer von 20 bis 120 min partiell lösungsgeglüht und anschließend an der Luft abgekühlt. Hierdurch wird eine deutliche Erhöhung der Duktilität des Gussbauteils erreicht, so dass sich eine Bruchdehnung von A₅ > 12% einstellt. Mit der Wärmebehandlung sinkt die Härte des Gussbauteils auf einen Wert von etwa 60 bis 65 HB.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Aluminiumlegierung sowie deren Verwendung für ein Gussbauteil insbesondere eines Kraftwagens der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchen sich die Herstellung eines derartigen Gussbauteils deutlich einfacher und dementsprechend kostengünstiger realisieren lässt. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, ein aus einer derartigen Aluminiumlegierung hergestelltes Gussbauteil insbesondere für die Kraftwagenindustrie mit entsprechend hohen mechanischen Anforderungen einfacher und kostengünstiger herzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Aluminiumlegierung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, mit deren Verwendung bei einem Gussbauteil insbesondere eines Kraftwagens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 sowie durch ein Gussbauteil aus einer derartigen Aluminiumlegierung insbesondere für einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.

Zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe umfasst die Aluminiumlegierung, welche insbesondere als Druckgusslegierung einzusetzen ist, folgende Legierungselemente:

6,5	bis	< 9,5	Gew.-% Silizium
0,3	bis	0,6	Gew.-% Mangan
0,15	bis	0,35	Gew.-% Eisen
0,22	bis	0,4	Gew.-% Magnesium
max. 0,1			Gew.-% Titan
90	bis	180	ppm Strontium
0,009	–	0,018	Gew.-% Strontium

Durch den gegenüber der bisher bekannten Primärlegierung gemäß EP 0 997 550 B1 erheblich reduzierten Gehalt an Silizium wird der Anteil an AlSi-Eutektikum deutlich reduziert und demgegenüber der Anteil an Aluminium-Mischkristallen deutlich erhöht. Somit ist es mit der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Legierung möglich, zwei an sich gegenläufige Eigenschaften miteinander zu kombinieren. Zum einen können mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung Gussbauteile geschaffen werden, welche bereits im Gusszustand – also ohne zusätzliche Wärmebehandlung nach der Entformung – eine Härte von > 80 HB, und vorzugsweise zwischen 84 HB und 88 HB aufweisen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass diese Werte im Inneren des Gussbauteils – also unterhalb der Gießhaut des Bauteils – gemessen sind. Zum anderen ist es mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung möglich, trotz der relativ hohen Härte eine sehr hohe Duktilität des Gussbauteils zu erreichen, deren Bruchdehnung nach dem Entformen – also im Gusszustand und ohne weitere Wärmebehandlung – einen Wert von A₅ > 5%, und vorzugsweise 8% bis 12% aufweist.
Während also bei einem aus einer Aluminiumlegierung gemäß der EP 0 997 550 B1 geschaffenen Gussbauteil, welches im Gusszustand eine relativ geringe Bruchdehnung von A₅ bei etwa 4% aufweisen kann, eine Wärmebehandlung erforderlich ist, um die insbesondere im Kraftwagenbau erforderlichen mechanischen Kennwerte zu erreichen, kann bei aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung geschaffenen Gussbauteilen auf eine derartige Nachbehandlung verzichtet werden. Vielmehr ist mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung eine hinreichende Duktilität gewährleistet, bei welcher die Bruchdehnung A₅ des Gussbauteils größer von 5% liegt. Gleichermaßen ist gewährleistet, dass die Härte des Gussbauteils mit > 80 HB hinreichend hoch ist. Im Ergebnis ist somit eine Legierung geschaffen, mit welcher Gussbauteile insbesondere für den Kraftwagenbau hergestellt werden können, welche bereits ohne eine Wärmenachbehandlung sehr gute mechanische Eigenschaften aufweisen und demgemäß äußerst einfach und kostengünstig herzustellen sind.
Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung weist dabei gegenüber derjenigen gemäß EP 0 997 550 B1 einen ausgewählten Bereich zwischen 0,22 bis 0,4 Gew.-% Magnesium auf, da die Härte des aus der Aluminiumlegierung hergestellten Gussbauteils nicht nur vom Eutektikum, sondern auch von den entstehenden Auslagerungen abhängt. Durch den speziell gewählten Gehalt an Magnesium entstehen Mg₂Si-Feinstausscheidungen, durch welche die Festigkeit bzw. die Härte des Gussbauteils eingestellt werden kann. Mit anderen Worten ist die Härte des aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung hergestellten Gussbauteils auch vom Magnesiumgehalt abhängig. Hierbei kann – unter Gewährleistung einer Bruchdehnung A₅ von > 5% – eine besonders hohe Härte des Gussbauteils aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung geschaffen werden, wenn der Magnesiumgehalt in einem ausgewählten Bereich von 0,3 bis 0,4 Gew.-%, und vorzugsweise 0,32 bis 0,36 Gew.-% liegt.
Durch den Einsatz von Strontium mit einem Gehalt von 90 bis 180 ppm wird bei der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung darüber hinaus erreicht, dass bei deren Erstarrung das nadelförmige Siliziumwachstum innerhalb des AlSi-Eutektikums aufgehalten wird, so dass die Siliziumkristalle keine extreme Nadelform annehmen.
Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung als weiteres Legierungselement 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kupfer beizugeben. Hierdurch wird die Kaltauslagerung verstärkt, über welche die Härte des aus der Aluminiumlegierung hergestellten Gussbauteils zusätzlich beeinflusst werden kann.
Da die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung bzw. das aus dieser hergestellte Gussbauteil bereits im Gusszustand die oben beschriebene hohe Härte bzw. die hohe Bruchdehnung aufweist, ist diese in besonders hohem Maße zur Verwendung im Kraftwagenbau geeignet. Als insbesondere vorteilhaft hat sich dabei die Verwendung der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Legierung bei Ölwannen für Kraftwagen gezeigt, da diese dort eine relativ hohe Duktilität mit einer Bruchdehnung A₅ von > 5% aufweisen muss, um eine hinreichende Sicherheit gegen Rissbildungen innerhalb der Ölwanne bieten zu können, welche insbesondere aufgrund von Steinschlag unterhalb des Kraftwagens entstehen können. Da die Ölwannen im Anschluss- bzw. Flanschbereich mit einem jeweils korrespondierenden Motorgehäuse abgedichtet befestigt werden müssen, ist es erforderlich, dass sie eine entsprechend hohe Härte von > 80 HB aufweisen. Da ein aus der vorliegenden Aluminium-Silizium-Legierung hergestelltes Gussbauteil diese Anforderungen bereits im Gusszustand ohne weitere Wärmebehandlung erfüllt, kann somit eine einfach zu fertigende und demgemäß kostengünstige Ölwanne bzw. ein anderes Bauteil für einen Kraftwagen geschaffen werden.
Da bei einer Vielzahl von im Kraftwagenbau eingesetzten Gussbauteilen die bei der Verwendung der vorliegenden Aluminiumlegierung erzielbaren mechanischen Eigenschaften hinsichtlich der Härte und der Duktilität ausreichen, können diese nunmehr ohne weitere Wärmebehandlung eingesetzt werden. Dies hat nicht nur den Vorteil einer einfacheren und kostengünstigeren Herstellung, sondern darüber hinaus kann der bei der Wärmebehandlung gegebenenfalls einhergehende Verzug der Gussbauteile auf einfache Weise dadurch vermieden werden, dass gerade keine Nachbehandlung notwendig ist.
Besonders vorteilhaft kann die Aluminiumlegierung in einem Druckgussverfahren zur Herstellung der Gussbauteile insbesondere für einen Kraftwagen eingesetzt werden, da hierdurch eine besonders schnelle und kostengünstige Herstellung der Gussbauteile möglich ist.
Sollten Gussbauteile mit gegenüber deren Gusszustand anderen mechanischen Eigenschaften insbesondere hinsichtlich deren Duktilität bzw. Härte erforderlich sein, um beispielsweise als Sicherheitsbauteile oder als Bauteile im Antriebsstrang des Kraftwagens eingesetzt werden zu können, kann die erfindungsgemäße hierzu verwendete Aluminium-Silizium-Legierung im Anschluss an den Gießprozess einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen werden.
Dabei hat es sich insbesondere als vorteilhaft gezeigt, wenn das Gussbauteil in einem Temperaturbereich von 400 bis 490°C, und insbesondere zwischen 420 bis 460°C während einer Zeitdauer von 20 bis 120 min lösungsgeglüht und anschließend an der Luft abgekühlt wird. Durch diese äußerst schonende Wärmebehandlung mit der Abkühlung des Gussbauteils an der Luft wird dabei insbesondere erreicht, dass sich die Gussteile nicht bzw. nicht übermäßig verziehen.
Das durch die neue Aluminium-Silizium-Legierung entstehende Gussbauteil zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass dieses im Gusszustand in allen Bauteilbereichen eine zumindest annähernd einheitliche Härte von > 80 HB und vorzugsweise zwischen 84 und 88 HB aufweist. Darüber hinaus hat das Gussbauteil vorteilhafter Weise in allen Bauteilbereichen eine zumindest annähernd einheitliche Bruchdehnung A₅ von > 5% und vorzugsweise 8% bis 12%.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.

Dabei sind eine Mehrzahl von Gussbauteilen in Form von Ölwannen für einen Kraftwagen in einem Druckgussverfahren aus einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung hergestellt worden, welche folgende Zusammensetzung aufweist:

und als Rest Aluminium mit einzeln maximal 0,05 Gew.-% und insgesamt maximal 0,2 Gew.-% herstellungsbedingten Verunreinigungen, wobei wahlweise noch 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kupfer vorgesehen sein können. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel liegt der Siliziumgehalt dabei zwischen 7 und 9 Gew.-% und der Magnesiumgehalt zwischen 0,32 und 0,36 Gew.-%.

Nach dem Druckgießen wurden Zugproben aus den Gussteilen bzw. Ölwannen herausgearbeitet und an diesen die in der nachfolgenden Tabelle abgetragenen mechanischen Eigenschaften ermittelt:

Nr.	R_p0,2	R_m	A₅	Öl-Wanne
	N/mm²	N/mm²	%	Nr.
1	138,91	283,81	8,98	35
2	136,06	282,10	10,43	35
3	138,22	281,96	9,63	35
4	137,98	285,06	9,85	35
5	136,79	283,33	10,40	37
6	135,41	282,34	10,86	37
7	132,61	272,33	9,58	37
8	135,34	280,79	8,64	37
9	133,01	280,27	10,48	52
10	135,23	281,67	11,96	52
11	137,56	278,42	9,00	52
12	133,48	278,28	8,62	52
13	133,80	274,62	8,13	54
14	134,47	280,03	11,60	54
15	136,96	280,18	10,50	54
16	132,54	276,22	8,69	54

Aus der Tabelle ist demzufolge erkennbar, dass sämtliche Proben eine Bruchdehnung A₅ zwischen 8 und 12% aufweisen. Demzufolge ist die vorliegende Aluminiumlegierung in hervorragendem Maße zur Verwendung bei der Druckgussherstellung von Ölwannen geeignet, bei welchen eine Bruchdehnung A₅ von > 5% erreicht werden muss, insbesondere um bei im Fahrbetrieb des Kraftwagens entstehendem Steinschlag eine Rissbildung vermeiden zu können.
In weiteren Versuchen hat sich darüber hinaus gezeigt, dass die mittels der vorstehenden Aluminium-Silizium-Legierung gegossenen Ölwannen eine Härte von > 80 HB, und insbesondere zwischen 84 und 88 HB aufweisen, so dass die Ölwannen im Anbindungs- bzw. Flanschbereich zu einem korrespondieren Motorgehäuse des Kraftwagens dicht festgelegt werden können. Die Gießhaut der im Gusszustand vorliegenden Ölwannen wurde dabei durch ein Bearbeitungsverfahren – beispielsweise durch Fräsen – entsprechend abgetragen, so dass realistische Härtewerte der im Gusszustand vorliegenden Ölwannen ermittelt werden konnten.

Claims

Aluminiumdruckgusslegierung für ein Gussbauteil eines Kraftwagens gekennzeichnet durch folgende Legierungselemente: 6,5 bis < 9,5 Gew.-% Silizium 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan 0,15 bis 0,35 Gew.-% Eisen 0,22 bis 0,4 Gew.-% Magnesium max. 0,1 Gew.-% Titan 0,009 bis 0,018 Gew.-% Strontium

und als Rest Aluminium mit einzeln maximal 0,05 Gew.-% und insgesamt maximal 0,2 Gew.-% herstellungsbedingten Verunreinigungen.
Aluminiumdruckgusslegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese als weiteres Legierungselement 0,1 bis 0,4 Gew.-% Kupfer aufweist.
Aluminiumdruckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass diese 0,3 bis 0,4 Gew.-% Magnesium aufweist.
Aluminiumdruckgusslegierung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass diese 0,32 bis 0,36 Gew.-% Magnesium aufweist.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussbauteils aus einer Aluminiumdruckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest partiell in einem Temperaturbereich von 400 bis 490°C, während einer Zeitdauer von 20 bis 120 min lösungsgeglüht wird und anschließend an Luft abgekühlt wird.
Verfahren zur Wärmebehandlung eines Gussbauteils aus einer Aluminiumdruckgusslegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil zumindest partiell in einem Temperaturbereich von 420 bis 460°C, während einer Zeitdauer von 20 bis 120 min lösungsgeglüht wird und anschließend an Luft abgekühlt wird.