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EP0918096A1 - Strukturbauteil aus einer Aluminium-Druckgusslegierung - Google Patents

Strukturbauteil aus einer Aluminium-Druckgusslegierung Download PDF

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EP0918096A1
EP0918096A1 EP97810885A EP97810885A EP0918096A1 EP 0918096 A1 EP0918096 A1 EP 0918096A1 EP 97810885 A EP97810885 A EP 97810885A EP 97810885 A EP97810885 A EP 97810885A EP 0918096 A1 EP0918096 A1 EP 0918096A1
Authority
EP
European Patent Office
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weight
max
vanadium
structural component
notgreater
Prior art date
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EP97810885A
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English (en)
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Inventor
Pius Schwellinger
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
Alusuisse Lonza Services Ltd
Alusuisse Technology and Management Ltd
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Priority to DE59709639T priority patent/DE59709639D1/de
Priority to HU9802625A priority patent/HU220129B/hu
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Priority to CZ983762A priority patent/CZ376298A3/cs
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    • 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
    • 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
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a structural component, in particular a safety component in vehicle construction, made from an aluminum alloy by die casting, the aluminum alloy is selected so that it is connected to the component requirements regarding strength and ductility already in the as-cast state, possibly after heat treatment in a temperature range of 200 up to 400 ° C, but without high-temperature annealing.
  • the aluminum alloy leads to the achievement of the object according to the invention Contains 0.05 to 0.3 wt .-% vanadium.
  • the preferred content range for vanadium is 0.1 to 0.2% by weight.
  • Die-casting alloys suitable for producing the structural component according to the invention preferably consist of Max. 1.4 % By weight silicon Max. 0.8 Wt% iron 0.1 to 1.6 Wt% manganese Max. 5.0 % By weight magnesium Max. 0.2 % By weight titanium Max. 0.1 % By weight zinc 0.05 to 0.3 % By weight vanadium and aluminum as the rest with further impurities individually max. 0.02% by weight, total max. 0.2% by weight.
  • the alloy in a first alloy system (AlMnFe), preferably consists of 0.1 to 0.8, preferably 0.15 to 0.25 % By weight silicon 0.2 to 0.8, preferably 0.3 to 0.6 Wt% iron 0.5 to 1.8, preferably 0.7 to 0.9 Wt% manganese Max. 1.5 % By weight magnesium Max. 0.2 % By weight titanium Max. 0.1 % By weight zinc 0.05 to 0.3, preferably 0.1 to 0.2 % By weight vanadium and aluminum as the rest with further impurities individually max. 0.02% by weight, total max. 0.2% by weight.
  • the alloy in a second preferred alloy system (AlMgMn), preferably consists of 0.05 to 1.0, preferably 0.15 to 0.25 % By weight silicon 0.05 to 0.2, preferably max. 0.1 Wt% iron 0.5 to 1.8, preferably 0.7 to 0.9 Wt% manganese 2.0 to 4.5, preferably 2.5 to 3.0 % By weight magnesium Max. 0.2 % By weight titanium Max. 0.1 % By weight zinc 0.05 to 0.3, preferably 0.1 to 0.2 % By weight vanadium and aluminum as the rest with further impurities individually max. 0.02% by weight, total max. 0.2% by weight.
  • the known ones Naturally hard aluminum die casting alloys are decisive with regard to their ductility improve.
  • the alloys are therefore particularly suitable for Manufacture of structural components used as safety components in vehicle construction and especially in automotive engineering, for example as a space frame node or as crash elements.
  • the structural components are suitable especially for applications in which a temperature load up to about 180 ° C occurs.
  • Alloys 4 and 8 are according to the invention, the other alloys are commercially available comparative alloys.
  • Leg. composition Si Fe Cu Mn Mg Zn V Ti Sb Zr Pouring behavior 1 2nd 0.063 ⁇ 0.003 0.67 6.26 0.005 ⁇ 0.01 0.14
  • Cracks 3rd 1.26 0.065 ⁇ 0.003 0.87 4.31 ⁇ 0.005 ⁇ 0.01 0.15
  • Cracks 7 0.101 0.066 ⁇ 0.01 1.20 3.14 ⁇ 0.01 ⁇ 0.01 0.01 0.144 Cracks 8th 0.104 0.063 ⁇ 0.01 1.21 3.

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Abstract

Zur Herstellung eines Strukturbauteils, insbesondere eines Sicherheitsbauteils im Fahrzeugbau, aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen wird die Aluminiumlegierung so gewählt, dass die an das Bauteil bezüglich Festigkeit und Duktilität gestellten Anforderungen bereits im Gusszustand, gegebenenfalls nach einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C, jedoch ohne Hochtemperaturglühung, erfüllt sind. Mit einem Zusatz von 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium wird die Giessbarkeit verbessert und die Duktilität erhöht und durch entsprechende Wahl von Temperatur und Zeitdauer einer nachfolgenden Wärmebehandlung kann ein gewünschtes Optimum zwischen hoher Duktilität und Festigkeit eingestellt werden. Die Aluminiumlegierung besteht weiter aus max. 1,4 Gew.-% Silizium, max. 0,8 Gew.-% Eisen, 0,1 bis 1,6 Gew.-% Mangan, max. 5,0 Gew.-% Magnesium, max. 0,2 Gew.-% Titan, max. 0,1 Gew.-% Zink und Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.

Description

Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, insbesondere ein Sicherheitsbauteil im Fahrzeugbau, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen, wobei die Aluminiumlegierung so gewählt ist, dass die an das Bauteil bezüglich Festigkeit und Duktilität gestellten Anforderungen bereits im Gusszustand, ggf. nach einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C, jedoch ohne Hochtemperaturglühung, erfüllt sind.
Mit modernen Giessverfahren können heute hochbelastbare 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. Eine weitere Voraussetzung ist eine kostengünstige Herstellungsmöglichkeit des Formteils. Hier bietet sich der Druckguss an, wobei für höchste Qualitätsansprüche Spezialverfahren zu bevorzugen sind, mit denen eine gute Formfüllung auch bei geringen Wandstärken des Gussteils erreicht und die Bildung von die Duktilität des Bauteils herabsetzenden Gaseinschlüssen vermindert werden kann.
Zur Herstellung von Druckgussteilen aus Aluminiumwerkstoffen werden heute noch zu einem wesentlichen Teil Aluminiumlegierungen mit einem Anteil von 7 bis 10% Silizium eingesetzt. Diese AlSi-Legierungen mit kleinem Magnesium-Zusatz zeichnen sich durch eine ausserordentlich gute Giessbarkeit bei geringer Klebeneigung des Gussteils in der Form auf. Diese Legierungen erfordern jedoch zur Einformung des Eutektikums eine Hochglühung bei Temperaturen von mindestens 480° C. Damit das Bauteil die geforderten Festigkeitswerte aufweist, muss das derart lösungsgeglühte Bauteil abgeschreckt und nachfolgend warm ausgelagert werden; der kleine Magnesium-Zusatz bis zu 0,4% ist dafür verantwortlich.
Bauteile mit teilweise geringen Wandstärken, wie sie beispielsweise als Strukturbauteile im Automobilbau eingesetzt werden, verziehen sich beim Abschrecken und müssen daher gerichtet werden. Zudem kann die hohe Glühtemperatur infolge einer Restgasporosität zu Blasenbildung an der Oberfläche der Bauteile führen. Zur Herstellung von Strukturbauteilen der genannten Art durch Druckgiessen wurde deshalb nach Möglichkeiten gesucht, die geforderten Festigkeits- und Dehnungswerte auch mit naturharten Legierungen ohne Durchführung einer Lösungsglühung zu erzielen. Um das Kleben des Gussteils in der Form zu vermindern, wurden unter Inkaufnahme einer Duktilitätseinbusse Legierungen mit bis zu 1% Eisen eingesetzt.
Zur Erzielung der heute an Sicherheitsbauteile im Fahrzeug- und insbesondere im Automobilbau gestellten Anforderungen bezüglich Festigkeit und Duktilität ist ein wesentlicher Fortschritt durch die Einführung von Werkstoffen mit niedrigem Eisengehalt gelungen. Mit dieser Massnahme wird der Volumenanteil spröder intermetallischer Phasen des Eisen mit dem Aluminium verringert. Das bei tiefen Eisengehalten auftretende Kleben des Gussteils an der Formwand wird mit einem höheren Gehalt an Mangan, das eine ähnliche Wirkung wie Eisen zeigt, kompensiert. Mit der Zugabe von Mangan wird allerdings der Anteil intermetallischer Phasen des Typ AlMn(Fe) wiederum vergrössert. Da die Verteilung und Grösse der manganhaltigen intermetallischen Partikel im Vergleich zu den eisenhaltigen Phasen aber weitaus günstiger ist, ergibt sich bei etwa gleichem Festigkeitsniveau eine erhöhte Duktilität. Derartige Werkstoffe mit niedrigem Eisengehalt, d.h. Legierung, bei denen Eisen durch Mangan substituiert ist, sind in letzter Zeit mit Erfolg in der Produktion eingeführt worden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für im Druckguss hergestellte Strukturbauteile der eingangs genannten Art geeignete Werkstoffe mit weiter verbesserten mechanischen Eigenschaften bereitzustellen. Insbesondere sollen die für das Druckgiessen bekannten naturharten Legierungen bezüglich ihrer Eigenschaftskombination von Festigkeit und Bruchdehnung weiter verbessert werden. Für Sicherheitsteile im Automobilbau sollten die folgenden Minimalwerte im Gusszustand bzw. nach einer Wärmebehandlung ohne Lösungsglühung erreicht werden:
Dehngrenze (Rp0.2):
120 MPa
Zugfestigkeit (Rm):
180 MPa
Dehnung (A5):
10%.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Aluminiumlegierung 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium enthält.
Der bevorzugte Gehaltsbereich für Vanadium liegt bei 0,1 bis 0,2 Gew.-%.
Es wird vermutet, dass die beobachtete positive Wirkung von Vanadium hinsichtlich der Duktilität des Gussteils auf eine Kornfeinung im Gussgefüge zurückzuführen ist. Zudem konnte festgestellt werden, dass durch den Vanadiumzusatz auch die Klebeneigung des Gussteils in der Form verringert wird, was erlaubt, den Mangangehalt etwas abzusenken. Darüber hinaus verbessert Vanadium durch Verminderung der Rissneigung die Giessbarkeit und das Gefüge, so dass ingesamt die Duktilität weiter verbessert wird.
Aufgrund der vermuteten Wirkungsweise von Vanadium darf angenommen werden, dass sich der positive Effekt auf die Duktilität bei allen naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen auswirkt.
Zur Herstellung des erfindungsgemässen Strukturbauteiles geeignete Druckgusslegierungen bestehen bevorzugt aus
max. 1,4 Gew.-% Silizium
max. 0,8 Gew.-% Eisen
0,1 bis 1,6 Gew.-% Mangan
max. 5,0 Gew.-% Magnesium
max. 0,2 Gew.-% Titan
max. 0,1 Gew.-% Zink
0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
Innerhalb der vorstehend angegebenen Bereichsgrenzen für die Legierungselemente haben sich zwei Legierungssysteme als besonders vorteilhaft herausgestellt.
Bei einem ersten Legierungssystem (AlMnFe) besteht die Legierung bevorzugt aus
0,1 bis 0,8, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium
0,2 bis 0,8, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-% Eisen
0,5 bis 1,8, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.-% Mangan
max. 1,5 Gew.-% Magnesium
max. 0,2 Gew.-% Titan
max. 0,1 Gew.-% Zink
0,05 bis 0,3, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
Bei einem zweiten bevorzugten Legierungssystem (AlMgMn) besteht die Legierung bevorzugt aus
0,05 bis 1,0, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium
0,05 bis 0,2, vorzugsweise max. 0,1 Gew.-% Eisen
0,5 bis 1,8, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.-% Mangan
2,0 bis 4,5, vorzugsweise 2,5 bis 3,0 Gew.-% Magnesium
max. 0,2 Gew.-% Titan
max. 0,1 Gew.-% Zink
0,05 bis 0,3, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium
sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
Die positive Wirkung des Vanadiumzusatzes stellt sich bereits während des eigentlichen Druckgiessvorganges ein. Eine weitere Erhöhung der Bruchdehnung bei schwachem Festigkeitsrückgang kann durch eine nachfolgende Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C erreicht werden. Durch entsprechende Wahl von Temperatur und Zeitdauer der Wärmebehandlung kann ein gewünschtes Optimum zwischen hoher Duktilität und Festigkeit eingestellt werden. Dadurch wird die Einstellung massgeschneiderter mechanischer Eigenschaften an einem Strukturbauteil möglich.
Mit dem erfindungsgemässen Zusatz von Vanadium lassen sich die bekannten naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen bezüglich ihrer Duktilität entscheidend verbessern. Die Legierungen sind daher besonders geeignet zur Herstellung von Strukturbauteilen, die als Sicherheitsbauteile im Fahrzeugbau und insbesondere im Automobilbau, beispielsweise als Space Frame Knoten oder als Crashelemente, eingesetzt werden. Die Strukturbauteile eignen sich insbesondere für Anwendungen, bei welchen eine Temperaturbelastung bis etwa 180°C auftritt.
Die vorteilhafte Wirkung eines Zusatzes von Vanadium zu naturharten Aluminium-Druckgusslegierungen ergibt sich aus den nachfolgend zusammengestellten Versuchsergebnissen beispielhafter Legierungen.
Beispiele
Die untersuchten Legierungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Legierungen 4 und 8 sind erfindungsgemäss, die übrigen Legierungen stellen handelsübliche Vergleichslegierungen dar.
Leg. Zusammensetzung
Si Fe Cu Mn Mg Zn V Ti Sb Zr Giessverhalten
1 2 0.063 <0.003 0.67 6.26 0.005 <0.01 0.14 Einfallstellen
2 0.81 0.088 0.30 0.65 0.92 0.83 <0.01 0.15 Risse
3 1.26 0.065 <0.003 0.87 4.31 <0.005 <0.01 0.15 Risse
4 1.25 0.074 <0.003 0.86 4.43 <0.005 0.078 0.15 ohne Risse
5 1.25 0.068 <0.003 0.86 4.48 <0.005 <0.01 0.14 0.015 wenig Risse
6 1.26 0.072 0.17 0.86 4.51 <0.005 <0.01 0.15 Risse
7 0.101 0.066 <0.01 1.20 3.14 <0.01 <0.01 0.01 0.144 Risse
8 0.104 0.063 <0.01 1.21 3.20 <0.01 0.14 0.008 ohne Risse
Die Legierungen wurden zur Simulation der Abkühlung beim Druckgiessen im Kokillengiessverfahren zu Platten von 4 mm Dicke vergossen. Aus den Gussteilen wurden Probestäbe für Zugversuche herausgearbeitet und an diesen die mechanischen Eigenschaften im Gusszustand gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengefasst. Hierbei bedeuten Rp 0.2 die Dehngrenze, Rm die Zugfestigkeit und A5 die Bruchdehnung.
Legierung mechanische Eigenschaften
Rm(MPa) Rp0.2 (MPa) A5(%)
1 254 153 3.7
2 197 110 10.0
3 244 136 6.5
4 262 139 9.9
5 243 135 6.5
6 237 136 5.6
7 246 137 12.5
8 252 140 15.4
Die Versuche zeigen deutlich die positive Wirkung von Vanadium auf das Giessverhalten und die Duktilität der erfindungsgemässen Legierungen 4 und 8 im Gusszustand. Unter Inkaufnahme eines kleinen Festigkeitsverlustes lässt sich die Duktilität der erfindungsgemässen Legierungen durch eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C weiter erhöhen.

Claims (8)

  1. Strukturbauteil, insbesondere Sicherheitsbauteil im Fahrzeugbau, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung durch Druckgiessen, wobei die Aluminiumlegierung so gewählt ist, dass die an das Bauteil bezüglich Festigkeit und Duktilität gestellten Anforderungen bereits im Gusszustand, gegebenenfalls nach einer Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C, jedoch ohne Hochtemperaturglühung, erfüllt sind,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Aluminiumlegierung 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium enthält.
  2. Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium enthält.
  3. Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus max. 1,4 Gew.-% Silizium max. 0,8 Gew.-% Eisen 0,1 bis 1,6 Gew.-% Mangan max. 5,0 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3 Gew.-% Vanadium sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
  4. Strukturbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 0,1 bis 0,8, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium 0,2 bis 0,8, vorzugsweise 0,3 bis 0,6 Gew.-% Eisen 0,5 bis 1,8, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.-% Mangan max. 1,5 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-% besteht.
  5. Strukturbauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung aus 0,05 bis 1,0, vorzugsweise 0,15 bis 0,25 Gew.-% Silizium 0,05 bis 0,2, vorzugsweise max. 0,1 Gew.-% Eisen 0,5 bis 1,8, vorzugsweise 0,7 bis 0,9 Gew.-% Mangan 2,0 bis 4,5, vorzugsweise 2,5 bis 3,0 Gew.-% Magnesium max. 0,2 Gew.-% Titan max. 0,1 Gew.-% Zink 0,05 bis 0,3, vorzugsweise 0,1 bis 0,2 Gew.-% Vanadium sowie Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%.
  6. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, das am Bauteil zur Erhöhung der Dehnung eine Wärmebehandlung in einem Temperaturbereich von 200 bis 400°C durchgeführt worden ist.
  7. Verwendung eines Strukturbauteiles nach einem der Ansprüche 1 bis 6 als Sicherheitsbauteil im Fahrzeugbau.
  8. Verwendung eines Strukturbauteiles nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für Anwendungen mit einer Temperaturbelastung bis etwa 180°C.
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