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Dokumentenidentifikation EP1757709 29.11.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001757709
Titel Warmfeste Aluminiumlegierung
Anmelder Aluminium Rheinfelden GmbH, 79618 Rheinfelden, DE
Erfinder Franke, Rüdiger, 79539 Lörrach, DE
DE-Aktenzeichen 502006000145
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IS, IT, LI, LT, LU, LV, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument DE
EP-Anmeldetag 28.02.2006
EP-Aktenzeichen 064050859
EP-Offenlegungsdatum 28.02.2007
EP date of grant 17.10.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.11.2007
IPC-Hauptklasse C22C 21/08(2006.01)A, F, I, 20070131, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi mit guter Dauerwarmfestigkeit zur Herstellung thermisch und mechanisch beanspruchter Gussbauteile.

Die Weiterentwicklung von Dieselmotoren mit dem Ziel einer verbesserten Verbrennung des Dieselkraftstoffes und einer höheren spezifischen Leistung führt u. a. zu erhöhtem Explosionsdruck und in der Folge zu einer auf das Zylinderkurbelgehäuse pulsierend einwirkenden mechanischen Last, die an den Werkstoff höchste Anforderungen stellt. Neben einer hohen Dauerfestigkeit ist eine Hochtemperatur-Wechselfestigkeit des Werkstoffes eine weitere Voraussetzung für dessen Verwendung zur Herstellung von Zylinderkurbelgehäusen.

Für thermisch beanspruchte Bauteile werden heute üblicherweise AlSi-Legierungen eingesetzt, wobei die Warmfestigkeit durch Zulegieren von Cu erreicht wird. Kupfer erhöht allerdings auch die Warmrissneigung und wirkt sich negativ auf die Giessbarkeit aus. Anwendungen, bei denen insbesondere Warmfestigkeit gefordert wird, findet man hauptsächlich im Bereich der Zylinderköpfe im Automobilbau, siehe z.B. F. J. Feikus, "Optimierung von Aluminium-Silicium-Gusslegierungen für Zylinderköpfe", Giesserei-Praxis, 1999, Heft 2, S. 50-57 .

Aus der US-A-3 868 250 ist eine warmfeste AlMgSi-Legierung zur Herstellung von Zylinderköpfen bekannt. Die Legierung enthält, nebst üblichen Zusätzen, 0,6 bis 4,5 Gew.-% Si, 2,5 bis 11 Gew.-% Mg, davon 1 bis 4,5 Gew.-% freies Mg, und 0,6 bis 1,8 Gew.-% Mn.

Die WO-A-9615281 offenbart eine Aluminiumlegierung mit 3,0 bis 6,0 Gew.-% Mg, 1,4 bis 3,5 Gew.-% Si, 0,5 bis 2,0 Gew.-% Mn, max. 0,15 Gew.-% Fe, max. 0,2 Gew.-% Ti und Aluminium als Rest mit weiteren Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%. Die Legierung eignet sich zur Herstellung von Bauteilen mit hohen Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften. Die Verarbeitung der Legierung erfolgt bevorzugt durch Druckgiessen, Thixocasting oder Thixoschmieden.

Aus der WO-A-0043560 ist eine ähnliche Aluminiumlegierung zur Herstellung von Sicherheitsbauteilen im Druckguss-, Squeezecasting-, Thixoforming- oder Thixoforging-Verfahren bekannt. Die Legierung enthält 2,5 - 7,0 Gew.-% Mg, 1,0 - 3,0 Gew.-% Si, 0,3 - 0,49 Gew.-% Mn, 0,1 - 0,3 Gew.-% Cr, max. 0,15 Gew.-% Ti, max. 0,15 Gew.-% Ti, max. 0,15 Gew.-% Fe, max. 0,00005 Gew.-% Ca, max. 0,00005 Gew.-% Na, max. 0,0002 Gew.-% P, sonstige Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-% und Aluminium als Rest.

Eine aus der EP-A-1 234 893 bekannte Gusslegierung vom Typ AlMgSi enthält 3,0 bis 7,0 Gew.-% Mg, 1,7 bis 3,0 Gew.-% Si, 0,2 bis 0,48 Gew.-% Mn, 0,15 bis 0,35 Gew.-% Fe, max. 0,2 Gew.-% Ti, wahlweise noch 0,1 bis 0,4 Gew.-% Ni sowie Aluminium als Rest und herstellungsbedingte Verunreinigungen einzeln max. 0,02 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-%, mit der weiteren Massgabe, dass Magnesium und Silizium in der Legierung im wesentlichen in einem Gewichtsverhältnis Mg : Si von 1,7 : 1 entsprechend der Zusammensetzung des quasi-binären Eutektikums mit den festen Phasen Al und Mg2Si vorliegen. Die Legierung eignet sich zur Herstellung von Sicherheitsteilen im Fahrzeugbau durch Druckgiessen, Rheo- und Thixocasting.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung mit guter Dauerwarmfestigkeit zur Herstellung thermisch und mechanisch beanspruchter Bauteile zu schaffen. Die Legierung soll sich vor allem für den Druckguss, aber auch für den Schwerkraft-Kokillenguss, den Niederdruck-Kokillenguss und den Sandguss eignen.

Ein spezielles Ziel der Erfindung ist die Bereitstellung einer Aluminiumlegierung für im Druckgiessverfahren hergestellte Zylinderkurbelgehäuse von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren.

Die aus der Legierung gegossenen Bauteile sollen eine hohe Festigkeit in Verbindung mit hoher Duktilität aufweisen. Die im Bauteil angestrebten mechanischen Eigenschaften sind wie folgt definiert: Dehngrenze Rp0.2 > 170 MPa Zugfestigkeit Rm > 230 MPa Bruchdehnung A5 > 6%

Die Giessbarkeit der Legierung sollte mit der Giessbarkeit der derzeit angewendeten AlSiCu-Gusslegierungen vergleichbar sein, und die Legierung sollte keine Tendenz zu Warmrissen zeigen.

Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Gehalte der Legierungselemente Magnesium und Silizium in Gew.-% in einem kartesischen Koordinatensystem durch ein Polygon A mit den Koordinaten [Mg; Si] [8,5; 2,7] [8,5; 4,7] [6,3; 2,7] [6,3; 3,4] begrenzt sind und die Legierung weiter

0,1 bis 1 Gew.-% Mangan

max. 1 Gew.-% Eisen

max. 3 Gew.-% Kupfer

max. 2 Gew.-% Nickel

max. 0,5 Gew.-% Chrom

max. 0,6 Gew.-% Kobalt

max. 0,2 Gew.-% Zink

max. 0,2 Gew.-% Titan

max. 0,5 Gew.-% Zirkonium

max. 0,008 Gew.-% Beryllium

max. 0,5 Gew.-% Vanadium

sowie Aluminium als Rest mit weiteren Elementen und herstellungsbedingten Verunreinigungen einzeln max. 0,05 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-% enthält.

Für die Hauptlegierungselemente Mg und Si werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt:

Mg
6,9 bis 7,9 Gew.-%, insbesondere 7,1 bis 7,7 Gew.-%
Si
3,0 bis 3,7 Gew.-%, insbesondere 3,1 bis 3,6 Gew.-%

Besonders bevorzugt werden Legierungen, deren Gehalte der Legierungselemente Magnesium und Silizium in Gew.-% in einem kartesischen Koordinatensystem durch ein Polygon B mit den Koordinaten [Mg; Si] [7,9; 3,0] [7,9; 3,7] [6,9; 3,0] [6,9; 3,7], insbesondere durch ein Polygon C mit den Koordinaten [Mg; Si] [7,7; 3,1] [7,7; 3,6] [7,1; 3,1] [7,1; 3,6] begrenzt sind.

Mit den Legierungselementen Mn und Fe kann das Kleben der Gussteile in der Form verhindert werden. Ein hoher Eisengehalt führt zu einer erhöhten Warmfestigkeit auf Kosten einer verminderten Dehnung. Mn trägt auch wesentlich zur Warmhärtung bei. Je nach Anwendungsbereich werden deshalb die Legierungselemente Fe und Mn bevorzugt wie folgt aufeinander abgestimmt:

Bei einem Gehalt von 0,4 bis 1 Gew.-% Fe, insbesondere 0,5 bis 0,7 Gew.-% Fe, wird ein Gehalt von 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mn, insbesondere 0,3 bis 0,5 Gew.-% Mn eingestellt.

Bei einem Gehalt von max. 0,2 Gew.-% Fe, insbesondere max. 0,15 Gew.-% Fe, wird ein Gehalt von 0,5 bis 1 Gew.-% Mn, insbesondere 0,5 bis 0,8 Gew.-% Mn eingestellt.

Für die weiteren Legierungselemente werden die folgenden Gehaltsbereiche bevorzugt:

Cu
0,2 bis 1,2 Gew.-%, vorzugsweise 0,3 bis 0,8 Gew.-%, insbesondere 0,4 bis 0,6 Gew.-%
Ni
0,8 bis 1,2 Gew.-%
Cr
max 0,2 Gew.-%, vorzugsweise max. 0,05 Gew.-%
Co
0,3 bis 0,6 Gew.-%
Ti
0,05 bis 0,15 Gew.-%
Fe
max. 0,15 Gew.-%
Zr
0,1 bis 0,4 Gew.-%

Kupfer führt zu einer zusätzlichen Festigkeitssteigerung, verschlechtert aber mit zunehmendem Gehalt des Korrosionsverhalten der Legierung.

Durch Zugabe von Kobalt kann das Ausformverhalten der Legierung weiter verbessert werden.

Titan und Zirkonium dienen der Kornfeinung. Eine gute Kornfeinung trägt wesentlich zur Verbesserung der Giesseigenschaften und der mechanischen Eigenschaften bei.

Beryllium in Verbindung mit Vanadium vermindert die Krätzebildung. Bei einer Zugabe von 0.02 bis 0.15 Gew.-% V, vorzugsweise 0.02 bis 0.08 Gew.-% V, insbesondere 0.02 bis 0.05 Gew.-% V sind weniger als 60 ppm Be ausreichend.

Ein bevorzugter Anwendungsbereich der erfindungsgemässen Aluminiumlegierung ist die Herstellung thermisch und mechanisch beanspruchter Bauteile als Druck-, Kokillen- oder Sandguss, insbesondere für im Druckgiessverfahren hergestellte Zylinderkurbelgehäuse im Automobilbau.

Die erfindungsgemässe Legierung erfüllt zudem die für Strukturbauteile im Fahrzeugbau geforderten mechanischen Eigenschaften nach einer einstufigen Wärmebehandlung ohne separate Lösungsglühung.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1
ein Diagramm mit den Gehaltsgrenzen für die Legierungselemente Mg und Si.

Das in Fig. 1 dargestellte Polygon A definiert den Gehaltsbereich für die Legierungselemente Mg und Si, die Polygone B und C betreffen Vorzugsbereiche. Die Gerade E entspricht der Zusammensetzung des quasi-binären Eutektikums Al-Mg2Si. Die erfindungsgemässen Legierungszusammensetzungen liegen somit auf der Seite mit einem Magnesiumüberschuss.

Die erfindungsgemässe Legierung wurde zu Druckgussplatten mit unterschiedlichen Wanddicken vergossen. Aus den Druckgussplatten wurden Zugproben gefertigt. An den Zugproben wurden die mechanischen Eigenschaften Dehngrenze (Rp0.2), Zugfestigkeit (Rm) und Bruchdehnung (A) im Zustand

F
Gusszustand
Wasser/F
Gusszustand, nach dem Ausformen in Wasser abgeschreckt
F> 24 h
Gusszustand, > 24 h Lagerung bei Raumtemperatur
Wasser/F > 24
Gusszustand, nach dem Ausformen in Wasser abgeschreckt, > 24 h Lagerung bei Raumtemperatur
sowie nach verschiedenen einstufigen Wärmebehandlungen bei Temperaturen im Bereich von 250 °C bis 380 °C und nach Langzeitlagerungen bei Temperaturen im Bereich von 150 °C bis 250 °C bestimmt.

Die untersuchten Legierungen sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Die Kennziffer A verweist auf Legierungen mit Kupferzusatz, die Kennziffer B auf Legierungen ohne Kupferzusatz.

In Tabelle 2 sind die Ergebnisse der an Zugproben der Legierungen von Tabelle 1 ermittelten mechanischen Eigenschaften zusammengestellt.

Eine in den Tabellen 1 und 2 nicht berücksichtigte Legierung mit guter Dauerwarmfestigkeit wies die folgende Zusammensetzung (in Gew.-%) auf:

3,4 Si, 0,6 Fe, 0,42 Cu, 0,32 Mn, 7,4 Mg, o,07 Ti, 0,9 Ni, 0,024 V und 0,004 Be

Die Ergebnisse der Langzeitversuche belegen die gute Dauerwarmfestigkeit der erfindungsgemässen Legierung. Die mechanischen Eigenschaften nach einer einstufigen Wärmebehandlung bei 350 °C und 380 °C während 90 min lassen darüber hinaus erkennen, dass die erfindungsgemässe Legierung auch die an Strukturbauteile im Fahrzeugbau gestellten Anforderungen erfüllt. Tabelle 1: chemische Zusammensetzung der Legierungen in Gew.-.% Legierungsvariante Wanddicke Flachprobe Si Fe Cu Mn Mg Ti V Be 1 3mm 3,469 0,1138 0,787 7,396 0,106 0,0221 0,0025 1A 3 mm 3,4 0,117 0,527 0,781 7,151 0,119 0,0223 0,0019 2 2 mm 3,366 0,0936 0,774 7,246 0,117 0,0263 0,0024 2A 2mm 3,251 0,0841 0,507 0,76 7,499 0,1 0,0246 0,0023 3 4 mm 3,352 0,0917 0,774 7,221 0,118 0,026 0,0024 3A 4mm 3,198 0,0848 0,522 0,747 7,351 0,101 0,0255 0,0023 4 6 mm 3,28 0,0921 0,766 7,024 0,119 0,0268 0,0024 4A 6mm 3,181 0,0862 0,535 0,745 7,273 0,1 0,0257 0,0023
Tabelle 2: mechanische Eigenschaften der Legierungen Legierungsvariante Ausgangszustand Wärmebehandlung Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] A5 [%] 1 F 210 359 8,6 Wasser / F 181 347 9,6 F>24h 204 353 8,9 Wasser / F>24h 176 347 13,4 F>24h 250°C/10min 216 352 7,4 250°C/20min 218 352 6,8 250°C/90min 207 349 10,8 350°C/10min 154 315 12,5 350°C/20min 158 315 10,6 350°C/90min 147 306 11,4 380°C/10min 145 304 14,1 380°C/20min 139 299 13,9 380°C/90min 137 299 16,7 150°C/100h 221 365 9,4 180°C/100h 214 346 6 200°C/100h 211 354 9,4 250°C/100h 184 336 11,7 150°C/500h 223 353 6 180°C/500h 216 357 9,7 200°C/500h 202 349 9,2 250°C/500h 170 327 12,3 1A F 234 345 4,2 Wasser / F 170 319 4,9 F>24h 205 355 7,1 Wasser / F>24h 188 340 5,6 F>24h 250°C/10min 227 355 6,6 250°C/20min 217 354 7,5 250°C/90min 213 350 7,9 350°C/10min 157 328 10,4 350°C/20min 151 317 9,3 350°C/90min 142 312 12,1 380°C/10min 141 315 12,6 380°C/20min 137 312 12,4 380°C/90min 133 309 12,2 150°C/100h 248 370 5 180°C/100h 249 373 6,3 200°C/100h 215 346 6,2 250°C/100h 185 329 7,6 150°C/500h 239 368 6,5 180°C/500h 227 352 6,9 200°C/500h 215 350 7,8 250°C/500h 162 317 8,9 2 F>24h 212 364 10,7 250°C/90min 223 358 9,9 350°C/90min 152 312 13,9 380°C/90min 139 297 17,9 2A F>24h 241 394 7,8 250°C/90min 234 375 8,5 350°C/90min 163 332 9 380°C/90min 144 328 13,7 3 F>24h 158 321 9,9 250°C/90min 164 324 10,4 350°C/90min 143 307 12 380°C/90min 129 292 16,4 3A F>24h 173 326 6 250°C/90min 181 325 5,9 350°C/90min 151 315 6,9 380°C/90min 137 312 9,5 4 F>24h 138 304 8,2 250°C/90min 145 309 9 350°C/90min 133 297 8,4 380°C/90min 123 286 12,7 4A F>24h 152 284 4,3 250°C/90min 163 278 3,7 350°C/90min 139 286 5,2 380°C/90min 131 285 5,7


Anspruch[de]
Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi mit guter Dauerwarmfestigkeit zur Herstellung thermisch und mechanisch beanspruchter Gussbauteile,

dadurch gekennzeichnet, dass

die Gehalte der Legierungselemente Magnesium und Silizium in Gew.-% in einem kartesischen Koordinatensystem durch ein Polygon A mit den Koordinaten [Mg; Si] [8,5; 2,7] [8,5; 4,7] [6,3; 2,7] [6,3; 3,4] begrenzt sind und die Legierung weiter

0,1 bis 1 Gew.-% Mangan

max. 1 Gew.-% Eisen

max. 3 Gew.-% Kupfer

max. 2 Gew.-% Nickel

max. 0,5 Gew.-% Chrom

max. 0,6 Gew.-% Kobalt

max. 0,2 Gew.-% Zink

max. 0,2 Gew.-% Titan

max. 0,5 Gew.-% Zirkonium

max. 0,008 Gew.-% Beryllium

max. 0,5 Gew.-% Vanadium

sowie Aluminium als Rest mit weiteren Elementen und herstellungsbedingten Verunreinigungen einzeln max. 0,05 Gew.-%, insgesamt max. 0,2 Gew.-% enthält.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch 6.9 bis 7,9 Gew.-% Mg, vorzugsweise 7,1 bis 7,7 Gew.-% Mg. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch 3,0 bis 3,7 Gew.-% Si, vorzugsweise 3,1 bis 3,6 Gew.-% Si. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehalte der Legierungselemente Magnesium und Silizium in Gew.-% in einem kartesischen Koordinatensystem durch ein Polygon B mit den Koordinaten [Mg; Si] [7,9; 3,0] [7,9; 3,7] [6,9; 3,0] [6,9; 3,7] begrenzt sind. Aluminiumlegierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Gehalte der Legierungselemente Magnesium und Silizium in Gew.-% in einem kartesischen Koordinatensystem durch ein Polygon C mit den Koordinaten [Mg; Si] [7,7; 3,1] [7,7; 3,6] [7,1; 3,1] [7,1; 3,6] begrenzt sind. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch 0,4 bis 1 Gew.-% Fe, vorzugsweise 0,5 bis 0,7 Gew.-% Fe, und 0,1 bis 0,5 Gew.-% Mn, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 Gew.-% Mn. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch max. 0,20 Gew.-% Fe, vorzugsweise max. 0,15 Gew.-% Fe, und 0,5 bis 1 Gew.-% Mn, vorzugsweise 0,5 bis 0,8 Gew.-% Mn. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch 0,2 bis1,2 Gew.-% Cu, vorzugsweise 0,3 bis 0,8 Gew.-% Cu, insbesondere 0,4 bis 0,6 Gew.-% Cu. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch 0,8 bis1,2 Gew.-% Ni. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch max. 0,2 Gew.-% Cr, vorzugsweise max. 0,05 Gew.-% Cr. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch 0,3 bis 0,6 Gew.-% Co. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch 0,05 bis 0,15 Gew.-% Ti. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch 0,1 bis 0,4 Gew.-% Zr. Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch 0.02 bis 0.15 Gew.-% V, vorzugsweise 0.02 bis 0.08 Gew.-% V, insbesondere 0.02 bis 0.05 Gew.-% V, und weniger als 60 ppm Be. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für im Druck- Kokillen- oder Sandgiessverfahren hergestellte, thermisch und mechanisch beanspruchte Bauteile. Verwendung nach Anspruch 15 für im Druckgiessverfahren hergestellte Zylinderkurbelgehäuse im Automobilbau. Verwendung einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 für im Druckgiessverfahren hergestellte Sicherheitsteile im Automobilbau.






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