DE202006006518U1 - Aluminum casting alloy, useful in production of safety components, contains silicon - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Aluminium-Silizium-Gusslegierung, die zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen geeignet ist. Eine besondere Verwendung liegt im Druckguss für Bauteile mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften, da diese bereits im Gusszustand vorliegen und somit eine weitere Wärmebehandlung nicht erforderlich ist.The The present invention relates to an aluminum-silicon casting alloy. which is suitable for the production of safety components. A special use is in die casting for components with high requirements to the mechanical properties, since these already in the casting condition present and thus a further heat treatment is not required is.
Für sicherheitsrelevante Anwendungen, z.B. im Fahrzeugbau werden derzeit meistens die Legierungen AlSi7Mg (EN AC-42000 bis EN AC-42200), die Legierungen der Gruppe AlSi10Mg (EN AC 43000 bis EN AC-43300) sowie die Legierungen der Gruppe AlMg (EN AC-51000 bis EN AC-51400) eingesetzt. Damit die geforderten mechanischen Eigenschaften, insbesondere hohe Bruchdehnung bei noch akzeptabler Dehngrenze, erreicht werden können, müssen die Gussteile aus den Legierungen AlSi7Mg und AlSi10Mg einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Diese Wärmebehandlung beinhaltet eine Lösungsglühung bei einer Temperatur knapp unterhalb der Solidustemperatur, Abschrecken in Wasser und anschließende Kalt- bzw. Warmauslagerung zur Ausscheidung der aushärtenden Phasen. Dieser Wärmebehandlungsprozess ist nicht wünschenswert, weil sowohl durch den hohen Energieaufwand als auch durch erhöhten Ausschuss bzw. Richtarbeit wegen des Verzugs der Gussteile beim Abschrecken erhebliche Kosten anfallen. Die Legierungen von Typ AlMg weisen bereits im Gusszustand eine sehr hohe Duktilität auf, haben aber den Nachteil eines hohen Formverschleißes, neigen bei kompliziert gestalteten Teilen zu Warm- oder Kaltrissbildung und bringen Probleme beim Ausformen mit sich, was die Produktivität erheblich verringert.For safety-relevant Applications, e.g. In the automotive industry are currently mostly the alloys AlSi7Mg (EN AC-42000 to EN AC-42200), the alloys of the group AlSi10Mg (EN AC 43000 to EN AC-43300) as well as the alloys of the Group AlMg (EN AC-51000 to EN AC-51400). So the required mechanical properties, especially high elongation at break yet acceptable yield strength, can be achieved, the castings from the Alloys AlSi7Mg and AlSi10Mg undergo a heat treatment. This heat treatment includes a solution anneal at a temperature just below the solidus temperature, quenching in water and subsequent Cold or hot aging for the precipitation of the hardening Phases. This heat treatment process is not desirable because of both the high energy consumption and increased waste or straightening work because of the distortion of the castings during quenching considerable costs. The alloys of type AlMg have already in the cast state a very high ductility, but have the disadvantage a high form wear, In complex designed parts tend to hot or cold cracking and bring molding problems, which greatly increases productivity reduced.
Zur Verbesserung der Ausformbarkeit enthalten die Aluminium-Silizium-Druckgusslegierungen bekanntlich einen Eisengehalt von ca. 0,4 %. Nachteilig ist jedoch, dass dabei die Bruchdehnungswerte deutlich abgesenkt werden. Erst der Einsatz der Druckgusslegierung Silafont-36 (AlSi9Mg) mit weiter reduziertem Eisengehalt von 0,15 % und einem Mangan-Gehalt von 0,5 bis 0,8 % ermöglicht die Herstellung von Serienbauteilen mit bis zu 11 % Bruchdehnung im Gusszustand, wie es aus der Broschüre „Aluminium-Druckgusslegierungen", 1.Ausgabe 05/03 der Aluminium Rheinfelden GmbH hervorgeht.to Formability improvements include the aluminum-silicon die cast alloys as is known, an iron content of about 0.4%. The disadvantage, however, is that the breaking elongation values are lowered significantly. First the use of the die-casting alloy Silafont-36 (AlSi9Mg) with weiter reduced iron content of 0.15% and a manganese content of 0.5 up to 0.8% the production of series components with up to 11% elongation at break in the cast state, as it appears from the brochure "Die-cast Aluminum Alloys", Issue 05/03 aluminum Rheinfelden GmbH emerges.
Die
Patentschrift
Aus
Außer den zuvor genannten Legierungen umfasst der Stand der Technik einige weitere Aluminium-Silizium-Legierungen, z.B. EN AC-44100 bis EN AC-44300 sowie eine unter den Namen Silumin bekannte Legierung. Diese Gusswerkstoffe enthalten von 10,5 bis zu 13,5 Gew.-% Silizium und zeichnen sich durch besonders enge Toleranzbereiche für die Elemente Kupfer (weniger als 0,15 Gew.-%) und Magnesium (weniger als 0,1 Gew.-%) aus. Der Unterschied besteht darin, dass Silumin im Vergleich zu den Legierungen der Gruppe EN AC-44100 bis EN AC-44300 nur kleine Massenanteile an Begleitelementen wie Eisen (weniger als 0,15 Gew.-%), Mangan (weniger als 0,05 Gew.-%) und Zink (weniger als 0,07 Gew.-%) enthält. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass mit Silumin im Kokillenguss bereits im Gusszustand Dehnungswerte von bis zu 8 % erreicht werden können. Die Legierungen EN AC-44100 bis EN AC-44300 mit hohen Gehalten an Eisen von bis zu 1 Gew.-% und Mangan von bis zu 0,55 Gew.-% sind mit einer Bruchdehnung von 3 % für anspruchsvolle Anwendungen weniger interessant. Darüber hinaus ist dem Silumin und den Legierungen EN AC-44100 bis EN AC-44300 gemeinsam, dass ihre Dehngrenze im Gusszustand 80 MPa nicht übersteigt und sich damit deutlich unter dem für Sicherheitsbauteile geforderten Niveau von 120 MPa befindet.Except the The above-mentioned alloys include some of the prior art other aluminum-silicon alloys, e.g. EN AC-44100 to EN AC-44300 as well as an alloy known under the name Silumin. These cast materials contain from 10.5 to 13.5 wt .-% silicon and are characterized by particularly narrow tolerance ranges for the elements Copper (less than 0.15% by weight) and magnesium (less than 0.1 % By weight). The difference is that silumin in comparison to the alloys of group EN AC-44100 to EN AC-44300 only small Mass fractions of accompanying elements such as iron (less than 0.15% by weight), Manganese (less than 0.05% by weight) and zinc (less than 0.07% by weight) contains. This has the advantage that with silumin in chill casting elongation values of up to 8% can already be achieved in the cast condition can. The alloys EN AC-44100 to EN AC-44300 with high contents Iron of up to 1 wt .-% and manganese of up to 0.55 wt .-% are with an elongation at break of 3% for demanding applications less interesting. Furthermore is the silumin and the alloys EN AC-44100 to EN AC-44300 common that their yield strength in the cast state does not exceed 80 MPa and thus significantly below that required for safety components Level of 120 MPa is located.
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung
bereitzustellen, die sehr gut giessbar ist, im Gusszustand eine
hohe Dehnung bei akzeptabler Dehngrenze aufweist und in der Form
nicht klebt. Darüber
hinaus soll die Legierung gut schweissbar und bördelbar sein, genietet werden
können
und hohe Korrosionsbeständigkeit
haben. Die Gusslegierung soll sich vor allem für Druckguss und Kokillenguss
eignen. Die angestrebten mechanischen Eigenschaften im Gusszustand
sind wie folgt definiert:
Dehngrenze (Rp0,2): > 120 MPa
Zugfestigkeit
(Rm): > 230 MPa
Dehnung
(A5): > 10 %.The present invention has for its object to provide an aluminum alloy, which is very easy to cast, has a high elongation at an acceptable yield strength in the cast state and does not stick in the mold. In addition, the alloy should be well weldable and crimpable, can be riveted and have high corrosion resistance. The cast alloy should be suitable above all for die casting and chill casting. The desired mechanical properties in the cast state are defined as follows:
Yield strength (R p0.2 ):> 120 MPa
Tensile strength (Rm):> 230 MPa
Elongation (A5):> 10%.
Diese Aufgabe wird durch eine Silizium enthaltende Aluminiumlegierung gelöst, die als Legierungsbestandteile 12,5 bis 16 Gew.-% Silizium und gegebenenfalls einzeln oder in Summe 0 bis 4 Gew.-% eines oder mehrerer der Elemente Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Kalzium, Antimon, Schwefel, Barium, Stickstoff, Kohlenstoff und als Rest Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen enthält.These Task is by a silicon-containing aluminum alloy solved, as the alloying ingredients 12.5 to 16 wt .-% silicon and optionally individually or in total 0 to 4 wt .-% of one or more of the elements Magnesium, manganese, iron, cobalt, copper, zinc, nickel, vanadium, Niobium, molybdenum, chromium, Tungsten, beryllium, lead, lithium, yttrium, cerium, scandium, hafnium, Silver, zirconium, titanium, boron, strontium, sodium, potassium, calcium, Antimony, sulfur, barium, nitrogen, carbon and the rest Contains aluminum and unavoidable impurities.
Mit der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung lässt sich für Gussteile bereits im Gusszustand bei guten Festigkeitseigenschaften eine hohe Dehnung erzielen, so dass die Legierung insbesondere zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen sowohl im Kokillenguss als auch im Druckguss geeignet ist. Die erreichte optimale Kombination der mechanischen Eigenschaften ist auf ein fein ausgebildetes Al-Si-Eutektikum und die Unterdrückung der Ausscheidung von primären Siliziumkristallen und groben intermetallischen Phasen in der erfindungsgemäßen Legierung zurückzuführen, die wiederum durch verschiedene Veredelungsverfahren, wie schnelle Abkühlung, Zusätze, Druckerhöhung und Vibration, stark beeinflusst werden.With the alloy composition according to the invention let yourself for castings already in the cast state with good strength properties a high Elongation, so that the alloy in particular for the production of safety components in chill casting as well as in die casting suitable is. The achieved optimum combination of mechanical Properties is on a finely formed Al-Si eutectic and the oppression the excretion of primary Silicon crystals and coarse intermetallic phases in the alloy of the invention attributed to again by various finishing processes, such as rapid cooling, additives, pressure increase and Vibration, to be heavily influenced.
Eine besondere Bedeutung kommt dabei der Behandlung der Schmelze mit Veredelungszusätzen zu. Die Dauerveredelung wird durch Strontiumzusätze erzielt. Der Strontiumgehalt liegt bevorzugt zwischen 0,005 und 0,04 Gew.-% und sollte im Allgemeinen nicht unter 0,005 Gew.-% fallen, da sonst die mechanischen Eigenschaften verschlechtert werden können. Anstelle von Strontium kann Natrium in den Mengen von 0,0005 bis 0,005 und/oder 0,0001 bis 0,006 Gew.-% Kalzium zugegeben werden. Es ist auch eine kombinierte Behandlung der Schmelze mit Strontium, Natrium und Kalzium möglich. Auch Zusätze von Antimon, Schwefel, Barium, Stickstoff, Kohlenstoff einzeln oder in Kombination mit anderen Veredelungselementen und/oder Übergangselementen können erfindungsgemäß zur Veredelung eingesetzt werden. Die mit Druckguss und Kokillenguss erzielbare schnelle Erstarrung der Gussteile unterstützt die Wirkung der Veredelungszusätze.A special importance comes with the treatment of the melt finishing additives to. The permanent refinement is achieved by adding strontium. The strontium content is preferably between 0.005 and 0.04 wt.% and should generally not below 0.005 wt .-%, otherwise the mechanical properties can be worsened. Instead of strontium, sodium can be used in amounts ranging from 0.0005 to 0.005 and / or 0.0001 to 0.006 wt .-% calcium are added. It is also a combined treatment of the melt with strontium, Sodium and calcium possible. Also additives of antimony, sulfur, barium, nitrogen, carbon singly or in combination with other finishing elements and / or transition elements can According to the invention for finishing be used. The achievable with die casting and chill casting Rapid solidification of the castings supports the effect of the finishing additives.
Mit Hilfe der Elemente Silizium, Magnesium, Mangan, Eisen, Kobalt, Kupfer, Zink, Nickel, Vanadium, Niob, Molybdän, Chrom, Wolfram, Beryllium, Blei, Lithium, Yttrium, Cer, Scandium, Hafnium, Silber, Zirkonium, Titan, Bor, Strontium, Natrium, Kalium, Kalzium, Antimon, Schwefel, Barium, Stickstoff, Kohlenstoff ist es möglich, die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung auf das jeweilige Herstellungsverfahren und das Verwendungszweck speziell anzupassen. So geben beispielsweise die Zugaben von Übergangselementen dem Gussteil eine hohe Gestaltfestigkeit bei erhöhter Temperatur, so dass beim Entformen mit keinem Verzug zu rechnen ist.With Help of the elements silicon, magnesium, manganese, iron, cobalt, copper, Zinc, nickel, vanadium, niobium, molybdenum, chromium, tungsten, beryllium, Lead, lithium, yttrium, cerium, scandium, hafnium, silver, zirconium, titanium, Boron, strontium, sodium, potassium, calcium, antimony, sulfur, barium, Nitrogen, carbon it is possible the properties of the alloy of the invention to the respective Manufacturing process and purpose of use specially adapted. For example, the additions of transition elements give the casting a high structural strength at elevated temperature, so that when Removal with no delay is expected.
Zur Verbesserung der Ausformbarkeit kann die erfindungsgemäße Legierung die Elemente Mangan, Eisen, Kobalt, Chrom einzeln oder in Kombination mit einander erhalten. Die Gehalte an diese Elemente werden auf die Anforderungen an das Gussstück abgestimmt, sollen aber bevorzugt einzeln nicht 0,4 Gew.-% und in Summe nicht 0,8 Gew.-% übersteigen. Überraschenderweise hat sich aber gezeigt, dass in vielen Fällen auf die Zusätze von Mangan, Eisen, Kobalt, Chrom einzeln oder in Kombination zum Zweck der Reduzierung der Klebeneigung verzichtet werden kann. Die gute Ausformbarkeit wird in diesen Fällen durch einen hohen Anteil des metastabilen Al-Si-Eutektikums im Gussgefüge gewährleistet.to Improvement of the formability, the alloy of the invention the elements manganese, iron, cobalt, chromium singly or in combination with each other. The contents of these elements will be on the requirements for the casting tuned, but preferably not individually 0.4 wt .-% and in Sum not exceed 0.8 wt .-%. Surprisingly But it has been shown that in many cases the additions of Manganese, iron, cobalt, chromium singly or in combination for the purpose The reduction of sticking can be dispensed with. The good Formability is in these cases ensured by a high proportion of the metastable Al-Si eutectic in the cast structure.
Es hat sich gezeigt, dass durch eine Zugabe der Elemente Molybdän, Niob, Scandium, Hafnium, Vanadium, Lithium, Yttrium, Cer, Wolfram, Zirkonium, Titan, Silber, Zink, Kupfer die Festigkeitseigenschaften der erfindungsgemäßen Legierung deutlich verbessert werden können, ohne ihre Dehnungswerte erheblich zu beeinträchtigen. Der bevorzugte Gehalt bei Einzelzugabe von diesen Elementen liegt bei 0,15 bis 0,5 Gew.-%, soll aber in Summe nicht 3 Gew.-% übersteigen.It it has been shown that by adding the elements molybdenum, niobium, Scandium, hafnium, vanadium, lithium, yttrium, cerium, tungsten, zirconium, Titanium, silver, zinc, copper the strength properties of the alloy according to the invention can be significantly improved, without significantly affecting their elongation values. The preferred content with individual addition of these elements is 0.15 to 0.5 wt .-%, should but in total not exceed 3 wt .-%.
Die Beschränkung des Magnesiumgehaltes auf maximal 0,3 Gew.-% bewirkt, dass die Dehnungswerte der erfindungsgemäßen Legierung im Gusszustand nicht unter 10 % absinken. Um eine deutlich höhere Dehnung zu erzielen, ist jedoch der Magnesiumgehalt auf maximal 0,1 Gew.-% zu begrenzen.The restriction of the magnesium content to a maximum of 0.3% by weight causes the elongation values the alloy according to the invention not drop below 10% in the cast condition. To a much higher elongation however, the magnesium content is to be at most 0.1% by weight to limit.
Der erfindungsgemäßen Legierung kann zusätzlich noch 0,005 bis 0,2 Gew.-% Blei und Beryllium zugegeben werden. Diese Elemente wirken unterstützend auf die Umwandlung der intermetallischen Phasen in kleine, kugelige Partikel, die homogen im Gefüge verteilt sind und auf diese Weise die mechanischen Eigenschaften weniger beeinträchtigen. Der bevorzugte Gehalt von diesen Elementen ist jeweils 0,1 Gew.-%.Of the alloy according to the invention can additionally 0.005 to 0.2% by weight of lead and beryllium are added. These Elements have a supporting effect on the transformation of the intermetallic phases into small, spherical ones Particles that are homogeneous in the structure are distributed and in this way the mechanical properties less affect. The preferred content of these elements is 0.1% by weight in each case.
Eine gewisse Menge an Bor und/oder Kohlenstoff in Verbindung mit Titan wird zur Kornfeinung benötigt, wobei die Zugabe von diesen Elementen mit Aluminium-Bor, Aluminium-Titan-Bor- und Aluminium-Titan-Kohlenstoff-Vorlegierungen erfolgt. Eine gute Kornfeinung trägt wesentlich zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften und Gießbarkeit der erfindungsgemäßen Legierung bei. Besonders wirksam zeigten sich die Vorlegierungen AlB4, AlTi3C0,15 und AlTi1,8B1,8. Die bevorzugten Mengen für Vorlegierungen AlB4 und AlTi1,8B1,8 sind 0,1 bis 0,5 kg/t. Die Vorlegierung AlTi3C0,15 kann zur Schmelze in der Menge bis zu 20 kg/t, insbesondere 2 bis 10 kg/t zugegeben werden.A certain amount of boron and / or carbon in conjunction with titanium is needed for grain refining, the addition of these elements with aluminum-boron, aluminum-titanium-boron and aluminum-titanium-carbon master alloys. A good Grain refinement contributes essential for improving the mechanical properties and castability the alloy according to the invention at. The master alloys AlB4, AlTi3C0,15 were particularly effective and AlTi1.8B1.8. The preferred amounts for master alloys AlB4 and AlTi1.8B1.8 are 0.1 to 0.5 kg / t. The master alloy AlTi3C0,15 can melt in the amount up to 20 kg / t, in particular 2 to 10 kg / t added become.
Um ausreichende Schmelzequalität zu gewährleisten, kann die Schmelze durch Spülgas, Spülgastabletten oder auch durch Vakuum entgast werden.Around sufficient melt quality to ensure, can the melt through purge gas, Spülgastabletten or be degassed by vacuum.
Zur Verarbeitung der erfindungsgemäßen Legierung sind grundsätzlich alle Gießverfahren geeignet. Hierzu gehören u.a. Sandguss, Schwerkraft-Kokillenguss, Niederdruck-Kokillenguss, Differenzdruck-Kokillenguss, Druckguss und Vakuum-Druckguss.to Processing of the alloy according to the invention are basically all casting processes suitable. These include et al Sand casting, Gravity die casting, Low pressure chill casting, Differential pressure chill casting, die casting and vacuum die casting.
Obwohl im Gusszustand schon gute mechanische Werte vorhanden sind, können aus der erfindungsgemäßen Legierung hergestellte Gussteile allen Wärmebehandlungen unterzogen werden.Even though in the casting state already good mechanical values are present, can the alloy according to the invention castings produced all heat treatments be subjected.
Die Erfindung soll anhand von Beispielen noch näher erläutert werden, ohne dass die Erfindung auf die Beispiele beschränkt ist.The Invention will be explained in more detail by way of examples, without the Invention is limited to the examples.
Ausführungsbeispiel: KokillengussExemplary embodiment: chill casting
Legierungen mit einer Zusammensetzung gemäß der Erfindung wurden in einer Probestabkokille zu Rundstäben von 10 mm Durchmesser vergossen. Die Gießtemperatur betrug 740 °C. Zu Vergleichszwecken wurden ferner zwei Referenzlegierungen (Legierung 4, Silafont-36 und Legierung 5, Castasil-37) verwendet. An Probestäben wurden die mechanischen Eigenschaften Dehngrenze (Rp0,2), Zugfestigkeit (Rm) und Bruchdehnung (A5) im Gusszustand bestimmt. Die jeweiligen Legierungszusammensetzungen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.Alloys having a composition according to the invention were cast in a sample mold into round rods of 10 mm diameter. The casting temperature was 740 ° C. For comparison purposes, two reference alloys (Alloy 4, Silafont-36 and Alloy 5, Castasil-37) were also used. The mechanical properties yield strength (R p0.2 ), tensile strength (R m ) and elongation at break (A5) in the as-cast state were determined on test specimens. The respective alloy compositions are summarized in Table 1.
Tabelle
1: Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften erfindungsgemäßer Legierung
und Referenzlegierungen im Gusszustand
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