EP0992601A1 - Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen - Google Patents
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Classifications
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Definitions
- the invention relates to a method for producing a component with high Ductility requirements from an aluminum alloy by die casting. in the An application of the method as well as a Use of a component manufactured using the method.
- the die-casting process enables the cost-effective production of large quantities Manufacture of thin-walled castings, such as those used in crash-relevant components Automotive engineering can be used.
- Thin-walled parts place high demands of the castability.
- Aluminum alloys that adhere to the flow behavior or mold filling requirements, are mainly alloys with a Si eutectic.
- Suitable alloy based on aluminum-silicon is from EP-B-0687742 known.
- the alloy corresponds to the type AlSi9Mg with considerable reduced iron content and strontium refinement of the AlSi eutectic.
- the alloy becomes complete before heat treatment is carried out solution annealed and then quenched.
- the invention is therefore based on the object of an aluminum alloy specify a heat treatment with which a high elongation at break sufficient yield strength even without high-temperature annealing can be achieved with subsequent water quenching.
- the alloy essentially corresponds to the alloy known from EP-B-0687742 with an increased iron and reduced manganese content.
- This variation in the alloy composition has a positive influence on the mechanical properties, since the Al 12 (Mg, Fe) Si 2 phases are significantly finer and more evenly distributed, which ultimately results in improved ductility. Due to the higher iron content, aluminum of lower purity can be used as an alloy base, which reduces the cost of the alloy. In addition, the higher iron content makes it possible to reduce the manganese additive used to reduce the tendency of the alloy to stick in the die.
- the temperature range and duration of the solution annealing are thus chosen so that on the one hand the strong cast oversaturation of Silicon is broken down to improve the ductility and on the other hand the Yield strength through subsequent heat curing to the required Values can be set.
- the temperature range for the partial solution treatment is preferably between about 420 and 460 ° C. Accepting a minor mechanical The component can lose strength for certain applications without subsequent Hot curing can be used.
- the component can also be heat-cured after the partial solution annealing in the temperature range of the precipitation hardening of Mg 2 Si.
- This heat curing is preferably carried out in a temperature range from approximately 190 to 220 ° C.
- the preferred field of application of the method according to the invention is in the production of large-area and thin-walled components with high absorption capacity for kinetic energy through plastic deformation, i.e. crash-relevant components such as safety components in vehicle construction and be used in particular in the automotive industry.
- crash-relevant components such as safety components in vehicle construction and be used in particular in the automotive industry.
- safety components are space frame nodes and crash elements.
- alloy B is a comparative alloy and corresponds to an alloy according to EP-B-0687742.
- alloy Composition (% by weight) Si Mn Fe Mg Ti Sr.
- A 10.45 0.45 0.24 0.28 0.05 0.014
- B 10.88 0.58 0.10 0.17 0.05 0.013
- Alloys A and B became the same, difficult to cast Component manufactured with a vacuum die casting process.
- the component is a so-called "B-pillar" for vehicle construction, i.e. on large-area and thin-walled component with a wall thickness of 2 mm.
- the component made from alloy A according to the invention was subjected to the following heat treatment after casting: Partial solution annealing 440 ° C / 60 min in air Cooling in still air Hot aging 220 ° C / 110 min in air
- the distortion was measured on a component made from alloy A according to the invention after various heat treatments.
- the distortion was determined as follows: A reference point (zero point) was defined on the cast part in the cast state (ie before the heat treatment) at a certain point. After the heat treatment, the distance to the reference point was then measured. This distance defines the distortion as a measure of the deformation that arises due to the heat treatment carried out.
- Table 2 Heat treatment / cooling Solution annealing 493 ° C / 60 min water quenching part. Solution annealing 440 ° C / 60 min cooling in still air part. Solution annealing 440 ° C / 60 min cooling with fan Delay (mm) 6.5 ⁇ 0.5 ⁇ 0.5
- alloy A according to the invention The components made from alloy A according to the invention and comparative alloy B were heat-treated as follows after casting: Partial solution annealing 420 ° C / 20 min Cooling in still air
- Table 3 clearly shows the improved elongation at break values of alloy A according to the invention compared to comparative alloy B.
- This improved ductility of alloy A according to the invention becomes the positive influence of the higher iron content and consequently the finer formation and more uniform distribution of Al 12 (Mn, Fe) Si 2 Phases in the alloy A according to the invention compared to the comparative alloy B.
- the different formation and distribution of the brittle Al 12 (Mn, Fe) Si 2 phases could be confirmed metallographically using micrographs.
- Orientative tests have further shown that even when the iron content is increased to 0.35% by weight and the manganese content is simultaneously reduced to 0.4% by weight, no ⁇ -AlFeSi phases harmful to the ductility occur.
- Corrosion tests have also shown that pitting corrosion observed with small iron contents due to the rough precipitation of the Al 12 (Mn, Fe) Si phases, which act as cathodic local elements, is prevented by the increased iron content.
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Abstract
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles mit hohen Duktilitätsanforderungen aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen wird eine Legierung mit 9.5 bis 11.5: Gew.-% Silizium; 0.3 bis 0.6: Gew.-% Mangan; 0.15 bis 0.35: Gew.-% Eisen; 0.1 bis 0.4: Gew.-% Magnesium; max. 0.1: Gew.-% Titan; 90 bis 180: ppm Strontium wahlweise noch 0.1 bis 0.3: Gew.-% Chrom; 0.1 bis 0.3: Gew.-% Nickel; 0.1 bis 0.3: Gew.-% Kobolt und als Rest Aluminium mit herstellungsbedingten Verunreinigungen, einzeln max. 0.05 Gew.-%, insgesamt max. 0.2 Gew.-%, zum Bauteil gegossen, das gegossene Bauteil nachfolgend in einem Temperaturbereich von 400 bis 460°C während einer Zeitdauer von 20 bis 120 min partiell lösungsgeglüht und anschliessend an Luft abgekühlt. Durch die partielle Lösungsglühung ohne schroffes Abschrecken können Bauteile verzugsfrei hergestellt werden.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles mit hohen
Duktilitätsanforderungen aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen. Im
Rahmen der Erfindung liegt auch eine Anwendung des Verfahrens sowie eine
Verwendung eines mit dem Verfahren hergestellten Bauteiles.
Mit modernen Giessverfahren können heute hoch belastbare Formteile auch
aus Aluminiumlegierungen hergestellt werden. Die eingesetzten Aluminiumwerkstoffe
müssen allerdings eine Reihe von Anforderungen erfüllen. Eine wesentliche
Voraussetzung für die Eignung eines Werkstoffs ist die Einhaltung
bestimmter mechanischer Kennwerte. So bestimmen etwa Mindestwerte von
Streckgrenze und Festigkeit die Tragfähigkeit einer Konstruktion. Im Fahrzeugbau
kommt die Anforderung hinzu, dass die bei einem Zusammenstoss deformierten
Bauteile vor dem Bruch möglichst viel Energie durch plastische Verformung
absorbieren sollen, was eine hohe Duktilität des eingesetzten Werkstoffs
erfordert.
Das Druckgiessverfahren ermöglicht bei hohen Stückzahlen die kostengünstige
Herstellung dünnwandiger Gussstücke, wie sie als crashrelevante Bauteile im
Automobilbau eingesetzt werden. Dünnwandige Teile stellen hohe Anforderungen
an die Giessbarkeit. Aluminiumlegierungen, welche die an das Fliessverhalten
bzw. Formfüllungsvermögen gestellten Anforderungen erfüllen können,
sind vor allem Legierungen mit einem Si-Eutektikum.
Eine zum Druckgiessen von im Fahrzeugbau eingesetzten Sicherheitsbauteilen
geeignete Legierung auf der Basis Aluminium-Silizium ist aus der EP-B-0687742
bekannt. Die Legierung entspricht dem Typ AlSi9Mg mit erheblich
reduziertem Eisengehalt und einer Strontium-Veredelung des AlSi-Eutektikums.
Vor Durchführung einer Wärmebehandlung wird die Legierung vollständig
lösungsgeglüht und nachfolgend abgeschreckt.
Bauteile mit teilweise geringen Wandstärken, wie sie beispielsweise als Strukturbauteile
im Automobilbau eingesetzt werden, verziehen sich beim schroffen
Abschrecken mit Wasser und müssen daher nachträglich aufwendigen
Richtoperationen unterzogen werden. Zudem kann die hohe Lösungsglühtemperatur
infolge einer Restgasporosität zu Blasenbildung an der Oberfläche der
Bauteile führen. Zur Herstellung von Bauteilen der genannten Art durch Druckgiessen
wurde deshalb nach Möglichkeiten gesucht, die geforderten Festigkeits- und Dehungswerte auch ohne Durchführung einer Hochtemperaturglühung
mit nachfolgender Wasserabschreckung zu erzielen.
Für crashrelevante Bauteile im Automobilbau wird der Schwerpunkt auf die
Duktilität, also auf das Verformungsvermögen und auf den duktilen Bruch, ausgedrückt
durch die Bruchdehnung, gelegt. Die Festigkeit, ausgedrückt durch
die Streckgrenze, kann dabei relativ tiefe Werte annehmen. Für Sicherheitsbauteile
im Automobilbau sollten die folgenden Minimalwerte erreicht werden:
- Dehngrenze (Rp0.2):
- 120 MPa
- Zugfestigkeit (Rm):
- 180 MPa
- Dehnung (A5)
- 15%
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung und
eine Wärmebehandlung anzugeben, mit welcher eine hohe Bruchdehnung bei
ausreichender Streckgrenze auch ohne Durchführung einer Hochtemperaturglühung
mit nachfolgender Wasserabschreckung erreicht werden kann.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass eine Legierung mit
- 9.5 bis 11.5
- Gew.-% Silizium
- 0.3 bis 0.6
- Gew.-% Mangan
- 0.15 bis 0.35
- Gew.-% Eisen
- 0.1 bis 0.4
- Gew.-% Magnesium
- max. 0.1
- Gew.-% Titan
- 90 bis 180
- ppm Strontium
- 0.1 bis 0.3
- Gew.-% Chrom
- 0.1 bis 0.3
- Gew.-% Nickel
- 0.1 bis 0.3
- Gew.-% Kobolt
Die Legierung entspricht im wesentlichen der aus EP-B-0687742 bekannten
Legierung mit gegenüber dieser erhöhtem Eisen- und erniedrigtem Mangangehalt.
Diese Variation in der Legierungszusammensetzung hat einen positiven
Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften, da die Al12(Mg,Fe)Si2-Phasen
deutlich feiner ausgebildet und gleichmässiger verteilt sind, was sich letztlich in
einer verbesserten Duktilität niederschlägt. Durch den höheren Eisengehalt
kann als Legierungsbasis Aluminium von geringerer Reinheit verwendet werden,
wodurch sich die Gestehungskosten für die Legierung reduzieren. Zudem
erlaubt der höhere Eisengehalt, den zur Verminderung der Klebeneigung der
Legierung in der Druckgiessform verwendeten Manganzusatz herabzusetzen.
Anstelle der bei AlSi-Druckgusslegierungen üblichen Lösungsglühung bzw.
Einformungsglühung des Eutektikums bei Temperaturen um 500°C mit nachfolgender
Wasserabschreckung wird erfindungsgemäss die partielle Lösungsglühung
bei tieferen Temperaturen eingeführt. Die gewählten Glühbedingungen
gewährleisten eine ausreichende Einformung des eutektischen Siliziums.
Die Abkühlung kann an ruhender Luft, allenfalls unterstützt durch Ventilatoren,
erfolgen. Durch die gegenüber üblichen Lösungsglühtemperaturen erniedrigte
Gussglühung kann die Blasenbildung infolge Gasporosität verhindert werden.
Erfindungsgemäss werden somit Temperaturbereich und Zeitdauer der Lösungsglühung
so gewählt, dass einerseits die starke Gussübersättigung von
Silizium zur Verbesserung der Duktilität abgebaut wird und andrerseits die
Streckgrenze durch eine anschliessende Warmaushärtung auf die geforderten
Werte eingestellt werden kann.
Der Temperaturbereich für die partielle Lösungsglühung liegt bevorzugt zwischen
etwa 420 und 460°C. Unter Inkaufnahme eines geringen mechanischen
Festigkeitsverlustes kann das Bauteil für gewissen Anwendungen ohne nachfolgende
Warmaushärtung eingesetzt werden.
Zur Einstellung des gewünschten Festigkeitsniveaus kann das Bauteil nach der
partiellen Lösungsglühung im Temperaturbereich der Ausscheidungshärtung
von Mg2Si zusätzlich warmausgehärtet werden. Diese Warmaushärtung wird
bevorzugt in einem Temperaturbereich von etwa 190 bis 220°C durchgeführt.
Das bevorzugte Anwendungsgebiet des erfindungsgemässen Verfahrens liegt
in der Herstellung grossflächiger und dünnwandiger Bauteile mit hohem Aufnahmevermögen
für kinetische Energie durch plastische Verformung, d.h.
crashrelevanter Bauteile, wie sie als Sicherheitsbauteile im Fahrzeugbau und
insbesondere im Automobilbau eingesetzt werden. Beispiele für Sicherheitsbauteile
sind Space Frame Knoten und Crashelemente.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Die chemischen Analysen der untersuchten Legierungen sind aus der Tabelle
1 ersichtlich. Die Legierung A ist erfindungsgemäss, die Legierung B ist eine
Vergleichsiegierung und entspricht einer Legierung gemäss EP-B-0687742.
| Legierung | Zusammensetzung (Gew.-%) | |||||
| Si | Mn | Fe | Mg | Ti | Sr | |
| A | 10.45 | 0.45 | 0.24 | 0.28 | 0.05 | 0.014 |
| B | 10.88 | 0.58 | 0.10 | 0.17 | 0.05 | 0.013 |
Aus den Legierungen A und B wurde je ein gleiches, schwer zu giessendes
Bauteil mit einem Vakuumdruckgiessverfahren hergestellt. Bei dem Bauteil
handelt es sich um eine sogenannte "B-Säule" für den Fahrzeugbau, d.h. ein
grossflächiges und dünnwandiges Bauteil mit einer Wandstärke von 2 mm.
Das Bauteil aus der erfindungsgemässen Legierung A wurde nach dem Giessen
der folgenden Wärmebehandlung unterworfen:
| Partielle Lösungsglühung | 440°C/60 min | an Luft |
| Abkühlung an ruhender Luft | ||
| Warmauslagerung | 220°C/110 min | an Luft |
Nach dieser Wärmebehandlung wurden Zugproben aus den Gussteilen herausgearbeitet
und an diesen die folgenden mechanischen Eigenschaften ermittelt:
- Rm
- 200 MPa
- Rp0.2
- 120 MPa
- A5
- 17%
An einem Bauteil aus der erfindungsgemässen Legierung A wurde der Verzug
nach verschiedenen Wärmebehandlungen gemessen. Der Verzug wurde wie
folgt ermittelt: Am Gussteil wurde im Gusszustand (d.h. vor der Wärmebehandlung)
an einer bestimmten Stelle ein Referenzpunkt (Null Punkt) definiert.
Nach erfolgter Wärmebehandlung wurde sodann der Abstand zum Referenzpunkt
ausgemessen. Dieser Abstand definiert den Verzug als Mass für die aufgrund
der durchgeführten Wärmebehandlung sich einstellende Deformation.
Die Ergebnisse dieser Verzugsmessungen sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
| Wärmebehandlung / Abkühlung | |||
| Lösungsglühung 493°C/60 min Wasserabschreckung | part. Lösungsglühung 440°C/60 min Abkühlung an ruhender Luft | part. Lösungsglühung 440°C/60 min Abkühlung mit Ventilator | |
| Verzug (mm) | 6.5 | <0.5 | <0.5 |
Der Vorteil der partiellen Lösungsglühung mit Luftabkühlung ist im Vergleich zu
der üblichen vollständigen Lösungsglühung bei höherer Temperatur und Wasserabschreckung
deutlich erkennbar.
Die Bauteile aus der erfindungsgemässen Legierung A und der Vergleichslegierung
B wurden nach dem Giessen wie folgt wärmebehandelt:
| Partielle Lösungsglühung | 420°C/20 min |
| Abkühlung an ruhender Luft |
Nach dieser Wärmebehandlung wurden an vier verschiedenen Stellen Zugproben
aus den Bauteilen herausgearbeitet und die mechanischen Eigenschaften
ermittelt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengestellt.
| Probenahmestelle | Legierung A | Legierung B | ||||
| Rm (MPa) | Rp0.2 (MPa) | A5 (%) | Rm (MPa) | Rp0.2 (MPa) | A5 (%) | |
| 1 | 202.2 | 101.4 | 16.5 | 202.8 | 100.7 | 13.0 |
| 2 | 200.5 | 101.7 | 19.1 | 202.3 | 97.4 | 11.9 |
| 3 | 199.4 | 100.2 | 15.6 | 198.2 | 98.6 | 12.9 |
| 4 | 201.6 | 102.0 | 15.4 | 196.9 | 99.7 | 14.2 |
Aus Tabelle 3 deutlich erkennbar sind die gegenüber der Vergleichslegierung
B verbesserten Bruchdehnungswerte der erfindungsgemässen Legierung A.
Diese verbesserte Duktilität der erfindungsgemässen Legierung A wird dem
positiven Einfluss des höheren Eisengehaltes und demzufolge der feineren
Ausbildung und gleichmässigeren Verteilung der Al12(Mn,Fe)Si2-Phasen in der
erfindungsgemässen Legierung A gegenüber der Vergleichslegierung B zugeschrieben.
Die unterschiedliche Ausbildung und Verteilung der spröden
Al12(Mn,Fe)Si2-Phasen konnte metallographisch anhand von Schliffbildern bestätigt
werden. Orientierende Versuche haben weiter gezeigt, dass selbst bei
Erhöhung des Eisengehaltes auf 0.35 Gew.-% und gleichzeitiger Erniedrigung
des Mangangehaltes auf 0.4 Gew.-% noch keine für die Duktilität schädlichen
β-AlFeSi-Phasen auftreten. Korrosionsuntersuchungen haben zudem gezeigt,
dass die bei kleinen Eisengehalten wegen der groben Ausscheidung der als
kathodische Lokalelemente wirksamen Al12(Mn,Fe)Si-Phasen beobachtete
Lochfrasskorrosion durch den erhöhten Eisengehalt verhindert wird.
Claims (6)
- Verfahren zur Herstellung eines Bauteiles mit hohen Duktilitätsanforderungen aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen,
dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung mit- 9.5 bis 11.5
- Gew.-% Silizium
- 0.3 bis 0.6
- Gew.-% Mangan
- 0.15 bis 0.35
- Gew.-% Eisen
- 0.1 bis 0.4
- Gew.-% Magnesium
- max. 0.1
- Gew.-% Titan
- 90 bis 180
- ppm Strontium
- 0.1 bis 0.3
- Gew.-% Chrom
- 0.1 bis 0.3
- Gew.-% Nickel
- 0.1 bis 0.3
- Gew.-% Kobolt
- Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die partielle Lösungsglühung in einem Temperaturbereich von etwa 420 bis 460°C durchgeführt wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil nach der partiellen Lösungsglühung zur Einstellung des gewünschten Festigkeitsniveaus im Temperaturbereich der Ausscheidungshärtung von Mg2Si warmausgehärtet wird.
- Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmaushärtung in einem Temperaturbereich von etwa 190 bis 220°C durchgeführt wird.
- Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 zur Herstellung grossflächiger und dünnwandiger Bauteile mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung.
- Verwendung eines mit dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Bauteiles als Sicherheitsbauteil im Fahrzeugbau.
Priority Applications (8)
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|---|---|---|---|
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