Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung für das Druckgießen, ein druckgegossenes Bauteil aus einer Aluminiumlegierung und ein Druckgießverfahren zum Herstellen eines Bauteils aus einer Aluminiumlegierung.

Druckgießen ist ein wirtschaftliches Verfahren für die Serienproduktion von Bauteilen bei- spielsweise für Kraftfahrzeuge. Bei Strukturbauteilen für Kraftfahrzeuge werden einerseits ein niedriges Gewicht und geringe Stückkosten gewünscht, andererseits bestehen hohe Anforderungen an die Duktilität des Werkstoffes und das Energieabsorptionsvermögen des fertigen Bauteils. Das Energieabsorptionsvermögen des fertigen Bauteils ist insbesondere für solche Bauteile von Bedeutung, die sich im Crashfall verformen sollen. Die hierfür ge- eigneten Aluminiumlegierungen werden auch als Crash-Legierungen bezeichnet. Außer- dem soll sich der Werkstoff zuverlässig verarbeiten lassen und eine hohe Serienqualität mit möglich geringem Formverschließ und möglichst geringer Nachbearbeitung der gegos- senen Strukturbauteile erlauben.

Strukturbauteile für die Automobilindustrie werden durch Bauteil- und Funktionsintegration stetig größer und komplexer. Ein Verzicht auf die Wärmebehandlung und möglichen Richt- prozesse dieser dünnwandigen, aber großflächigen Bauteile bringt einen erheblichen Kos- tenvorteil für die Automobilproduktion. Dieser Vorteil gilt insbesondere für Batteriegehäu- sen von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Batteriekästen werden in die Tragstruktur des Fahrzeugs integriert und müssen im Crash-Fall die Lasten mit aufnehmen.

Daher wird eine Aluminium-Gusslegierung gesucht, die sich zur Herstellung von Struktur- bauteilen für die Automobilindustrie, die gute Crash-Eigenschaften haben soll, im Druck- gussverfahren eignet.

Erfindungsgemäß wird dieses Ziel mit einer Aluminium-Silizium-Gusslegierung gemäß An- spruch 1 erreicht, die neben mindestens 88 Gew. % Aluminium folgende Legierungsbe- standteile aufweist:

Silizium zwischen 6,0 und 8,5 Gew. %

Zink zwischen 0,2 und 0,8 Gew. %

Mangan zwischen 0,2 und 0,6 Gew. %

Chrom zwischen 0,1 und 0,3 Gew. % und

Magnesium mit bis zu 0,05 Gew. %.

Vorzugsweise beträgt der Siliziumgehalt der Aluminium-Silizium-Gusslegierung zwischen 7,0 und 8,5 Gew. % und besonders bevorzugt zwischen 7,5 und 8,5 Gew. %.

Vorzugsweise weist die Legierung einen oder mehrere der folgenden Legierungsbestand- teile auf:

Strontium zwischen 0,01 und 0,02 Gew. % und

Titan zwischen 0,04 und 0,15 Gew. %

Weitere Legierungsbestandteile können

Eisen mit bis zu 0,2 Gew. %, Kupfer mit bis zu 0,5 Gew. %, vorzugsweise bis zu 0,2

Gew. % und/oder

Molybdän und/oder Zirkonium mit zusammen bis zu 0,25 Gew. % sein.

Vorzugsweise beträgt der Magnesiumgehalt maximal 0,01 Gew. %.

Außerdem kann die Aluminium-Silizium-Gusslegierung bis zu 0,15 Gew. % Hafnium, Cer, Lanthan und/oder ein anders Seltenerdelement enthalten.

Der Rest sind jeweils Aluminium und übliche Begleitelemente.

Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung AISi8ZnMn eignet sich dazu, um beispielsweise für die Automobilindustrie im Druckgussverfahren Strukturbauteile mit guten Crash-Eigenschaften herzustellen. Die mit der erfindungsgemäßen Aluminium-Sili- zium-Gusslegierung hergestellten Bauteile benötigen nach dem Druckgussprozess keine Wärmebehandlung, um eine hohe Duktilität und ein hohes Energieabsorptionsvermögen zu erreichen. Druckgussbauteile aus der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gussle- gierung zeigen ein gutes Faltverhalten und können somit als crash-relevante Bauteile ein- gesetzt werden.

Vorbekannte Gusslegierungen für Bauteile mit guten Crash-Eigenschaften benötigen ent- weder eine Wärmebehandlung, z.B. ein Lösungsglühen (siehe DIN EN 1706 EN-AC- 43500,) oder lassen sich im Druckguss schlecht gießen (siehe DIN EN 1706 EN-AC-51500, AIMg5Si2Mn). Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung AISi8ZnMn ist durch seinen Siliziumgehalt im Druckguss gut gießbar. Die Fließfähigkeit, Formfüllung und Entformbarkeit ist vergleichbar zu serienmäßig eingesetzten Werkstoffen EN-AC-43500 und AISiOMn.

Druckgusslegierungen, die nach dem Gießen eine Lösungsglühung benötigen, werden üb- licher Weise mittels Vacural-Guss - d.h. mittels eines Vakuum-Druckgießverfahrens - ge- gossen, denn bei klassischen Druckgussmaschinen besteht die Gefahr von Blasenbildun- gen (Blistergefahr), so dass sie für ein Lösungsglühen nicht tauglich sind. Die Standard-Crash-Legierungen sind Legierungen, die eine Lösungsglühung benötigen und somit nicht auf „klassischen“ Druckgussmaschinen vergossen werden.

Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung erreicht die gewünschten Ei- genschaften hinsichtlich Duktilität des Werkstoffes und Energieabsorptionsvermögen des fertigen Bauteils auch ohne eine Lösungsglühung, so dass mittels der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung hergestellte Strukturbauteile ihrer endgültigen Verwen- dung z.B. als Bestandteil eines Fahrzeugs zugeführt werden können, ohne dass das Bau- teil zwischen dem Druckgießen und dem Einbau im Fahrzeug lösungsgeglüht werden muss.

Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist durch ihren sehr niedrigen Eisen- und Mangangehalt sehr duktil und zeigt einen Biegewinkel von größer 60°.

Enthält die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung gemäß einer bevorzug- ten Variante mindestens 0,05 Gew. % Molybdän wird die Dehngrenze R _p0,2 und die Bruch- dehnung A durch die Mischkristallverfestigung von Zink, Titan und Molybdän im Aluminium- Silizium-System gesteigert.

Um die Entformbarkeit der Bauteile aus der Druckgussform trotz des niedrigen Silizium- und Eisengehalts zu gewährleisten, werden Mangan und Chrom eingesetzt.

Eine Begrenzung des Magnesiumgehalts auf maximal 0,05 Gew. %, vorzugsweise maxi- mal 0,01 Gew. % hat sich ebenfalls als vorteilhaft erwiesen.

Erfindungsgemäß wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Strukturbauteils insbeson- dere für ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen, dass sich dadurch auszeichnet, dass das Struk- turbauteil unter Verwendung der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung gegossen wird, und zwar vorzugsweise in einem Druckgussverfahren.

Vorzugsweise wird die Druckgussform auf eine Temperatur zwischen 105°C und 290°C vor dem Gießen temperiert und die Schmelze aus der erfindungsgemäßen Aluminium-Si- lizium-Gusslegierung hat unmittelbar vor dem Gießen vorzugsweise eine Temperatur zwi- schen 690°C bis 725°C. Damit ist die Schmelze etwa 10°C bis 20°C heißer als bei üblichen Druckgussverfahren zum Beispiel mit der Aluminium-Silizium-Gusslegierung AISi10MnMg. Die Gussform ist hingegen etwas kälter als bis dahin üblich. Vorzugsweise erfolgt zwischen dem Druckgießen und einer endgültigen Verwendung des Bauteils kein Lösungsglühen. Während das Lösungsglühen bei herkömmlichen für sich im Crash-Fall verformende Bauteile nötig ist, um das Energieabsorptionsvermögen zu verbes- sern, benötigt ein Bauteil aus der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung gerade kein Lösungsglühen - im Gegenteil, ein Lösungsglühen könnte die Eigenschaften eher verschlechtern. Das Herstellen von Bauteilen aus der erfindungsgemäßen Aluminium- Silizium-Gusslegierung ist somit wirtschaftlicher und die erzielten Eigenschaften sind bes- ser.

Erfindungsgemäß wird auch ein Bauteil, insbesondere ein Strukturbauteil vorzugsweise für ein Kraftfahrzeug aus der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung vorge- schlagen. Das Strukturbauteil ist vorzugsweise ein Batteriegehäuse für ein Hybrid- oder ein reines Elektrofahrzeug. Das Bauteil ist vorzugsweise nicht lösungsgeglüht.

Mit der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung und daraus hergestellten Strukturbauteile- können folgende Vorteile erzielt werden: - Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist Druckgusslegierung mit guter Gießbarkeit, Formfüllung und Fließfähigkeit. - Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung hat eine hohe Duktilität ohne Wärmebehandlung der Gussteile. - Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist zur Druckgussproduk- tion von Strukturbauteilen geeignet. - Die sehr hohe Duktilität der erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung und ein hohes Energieabsorptionsvermögen ermöglichen den Einsatz für crashrele- vante Bauteile. - Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist zum Druckguss von Strukturbauteilen, insbesondere von Batteriegehäusen für Elektro- und Hybridfahr- zeuge, geeignet. - Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist durch ihre hohe Fließ- fähigkeit und geringe Klebeneigung im Druckguss zum Druckguss von Großbautei- len mit Schussgewichten > 25 kg geeignet. - Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung ist als AISi-Legierungs- system auf bestehende Druckgussprozesse direkt übertragbar. - Die erfindungsgemäße Aluminium-Silizium-Gusslegierung hat durch Kombination von Mn, Cr und Mo im Al-Si-System eine geringe Klebeneigung in Druckgussformen. - Die aus der Die erfindungsgemäßen Aluminium-Silizium-Gusslegierung hergestell- ten Druckgussbauteile eignen sich für industrielle Fügeverfahren, insbesondere auch zum Stanznieten, auch mit Blechen, Profilen und anderen Werkstoffen.

Beispiele und Versuchsergebnisse

Eine beispielhafte Aluminium-Silizium-Gusslegierung gemäß der Erfindung ist in der fol- genden Tabelle widergegeben:

Tabelle 1 : Hauptlegierungsbereich einer erfindungsgemäßen Legierung AISi8ZnMn

In Tabelle 2 (im Anhang) sind verschiedene Werkstoffe und deren Eigenschaften aufgelis- tet.

Die Werkstoffe wurden hergestellt und zu Kokillengussproben für Rundzugstäbe vergos- sen. Die Zugstäbe wurden verwendet, um die mechanischen (mecha.) Eigenschaften so- wie den Biegewinkel zu ermitteln. Alle Ergebnisse gelten für getrennt gegossene Kokillen- gussproben im Zustand F (Gusszustand, ohne Wärmebehandlung). Die Elemente der Le- gierungen in runden Klammern wurden bei den Versuchen variiert, um deren Einfluss zu quantifizieren. Tabelle 2 zeigt, dass der Biegewinkel der neu entwickelten Werkstoffe im Verglich zu den existierenden Werkstoffen, nahezu verdoppelt werden konnte. Die beiden grau hinterlegten Werkstoffe wurden für weitergehende Druckgussversuche und Crash- Tests eingesetzt. Für Druckgussversuche wurden jeweils 240 kg der beiden in Tabelle 2 (siehe Anhang) kursiv dargestellten Werkstoffe hergestellt und zu Strukturbauteilen in Form eines Profils vergossen. Die Druckgussversuche zeigen eine sehr gute Gießbarkeit bei niedrigem Ei- sen- und Mangangehalt der Legierungen und gute mechanische Eigenschaften. In einen bestandenen Crash-Test auf dem Fallturm-Versuchsstandwurde ermittelt, dass die erste Falte des Profils 5 ms rissfrei blieben. Gefordert ist, dass das Strukturbauteil für mindestens 3,5 ms rissfrei bleibt.

Die Druckgussversuche wurden begleitet durch Kokillengussversuche zur Ermittlung der Kerbschlagzähigkeit als Maß für das Energieabsorptionsverhalten des Bauteils. Es fällt auf, dass die Kerbschlagzähigkeit der Versuchslegierungen um mehr als das Vierfache im Ver- gleich zu herkömmlichen Aluminium Druckgusslegierungen in Zustand F gesteigert werden konnte. Die Bauteile aus diesen Werkstoffen brauchen keine Wärmebehandlung.

Tabelle 3: Vergleich der Kerbschlagzähigkeit mit mechanischen Eigenschaften der beiden Versuchslegierungen (siehe Tabelle 2) oben und eine herkömmliche Aluminium Druck- gusslegierung unten:

AISi8ZnMnMo(Cr,Fe)

AISi8ZnMnMo(Zr) herkömmliche Aluminium Druckgusslegierung Die Druckgussversuche der Muster-Strukturbauteile haben gezeigt, dass beide in Tabelle 2 kursiv dargestellten Werkstoffe eine Dehngrenze von ca. 105 MPa erzielt haben. Durch eine Zugabe von Zink (Zn) und Titan (Ti) konnte die Dehngrenze weiter erhöht werden. Es hat sich gezeigt, dass Ti einen deutlichen und Zn einen geringen Einfluss auf die Misch- kristallverfestigung im Kokillenguss haben.

In Figur 1 sind die Dehngrenze R _p0,2 und die Bruchdehnung A von acht untersuchten Le- gierungen mit unterschiedlichem Zink- und Titangehalt mit zwei neu entwickelten Varianten mit der Bezeichnung Meilenstein 4 dargestellt. Meilenstein 4 hatte das Ziel, die Dehngrenze anzuheben, die Bruchdehnung auf > 14 % zu halten und gleichzeitig den Einsatz von peri- tektischen Elementen zu limitieren um die Bildung von ungewünschten intermetallischen Phasen zu vermeiden. Die Ergebnisse „Meilenstein 4“ in Abbildung 2 haben überraschend gezeigt, dass diese Ziele mit zwei Werkstoffen erreicht werden konnten.

Die Analysen der Werkstoffe „Meilenstein 4“ in Figur 1 sind in Tabelle 4 (im Anhang) auf- geführt und entsprechend der Reihenfolge als AISi8Zn0,6Mn0,35Zr und AISi8Zn0,4Mn0,35Cr bezeichnet. Die Legierungen sind bereits im Kokillenguss sehr duktil ohne eine Wärmebehandlung. Erfahrungsgemäß steigen die Festigkeiten im Druckguss deutlich an, bei etwa gleichbleibender Bruchdehnung, wodurch die Eignung als naturduktile Gusslegierung für Strukturbauteile, insbesondere Batterie kästen für Elektrofahrzeuge mit Crash-Eigenschaften, gegeben ist.