Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Druckgussbauteil und ein Verfahren zur Herstellung dieses Druckgussbauteils.

Stand der Technik

Um bei einem dünnwandigen Druckgussbauteil, beispielsweise bei Strukturbauteilen für Kraftfahrzeuge, die Festigkeit (R _P o,2, Rm) und die Duktilität (bzw. Bruchdehnung As) in ein gewünschtes Verhältnis zueinander zu bringen - damit beispielsweise crashrelevante FDI-Werte [FDI=Festigkeits-Duktilitäts-lndex, der sich aus Material kennwerten R _m , R _P o,2 und As berechnet, nämlich FDI = (R _m +3 ^* R _P o,2)/4 ^* A5/100] im Au tomobilbereich zu erfüllen sind -, schlägt die EP3176275A1 eine Wärmebehandlung einer Al-Si-Aluminiumlegierung mit einem zweistufigen Glühen, Abschrecken und dreistufigen Warmauslagern vor. Dieses Verfahren führt auch zu einer guten Stanz nieteignung - also einem Fügen durch Umformen -, was im Wesentlichen von der Duktilität des Druckgussbauteils abhängig ist. Insbesondere bedarf es beim Stanz nieten unter Verwendung einer Dommatrize im Vergleich zu anderen Matrizen (Flach matrize, Kugelmatrize etc.) der höchsten Verformungsfähigkeit am Druckgussbauteil. Ist die Verformungsfähigkeit des Materials nicht ausreichend, entstehen matrizensei tig Risse im Druckgussbauteil. Eine weitere Verbesserung der Stanznieteignung durch Erhöhung der Duktilität bedingt wiederum Verluste bei der Festigkeit - was nachteilig crashrelevante FDI-Werte reduziert.

Darstellung der Erfindung Die Erfindung hat sich außerdem ausgehend vom eingangs geschilderten Stand der Technik die Aufgabe gestellt, ein Druckgussbauteil zu schaffen, das sich im Vergleich zu bekannten Druckgussbauteilen in einer verbesserten Stanznieteignung bei glei cher Bruchdehnung und Festigkeit auszeichnet.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 .

Indem das Druckgussbauteil eine aushärtbare Aluminiumlegierung mit 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si) und von 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% aufweist, kann eine ver gleichsweise hohe Streckgrenze (R _P o,2) von größer 190 MPa und auch eine Bruch dehnung As von größer gleich 7 % ermöglicht werden.

Si: 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si), was einen reduzierten Anteil im Vergleich mit dem Stand der Technik darstellt, kann den Anteil an rissauslösenden Primär phasen (nämlich eutektischen Siliziumpartikel) deutlich verringern. Damit re duziert sich deren negative Einfluss beim Fügen durch Umformen.

Mg: 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) kann eine Streckgrenze (R _P o,2) von grö ßer 190 MPa ermöglichen.

Besonders aber verbessert sich durch die Stanznieteignung des Druckgussbauteils, weil Gleichmaßdehnung (A _g ) und Einschnürdehnung (A _z ) die Bedingung A _z > A _g /2 erfüllen. Dadurch kann dieses hochfeste Druckgussbauteil selbst bei dünnwandiger Ausführung rissfrei einem Fügen durch Umformen, beispielsweise Stanznieten oder Durchsetzfügen, unterworfen werden.

Zusätzlich zu Si und Mg kann die Aluminiumlegierung optional ein oder mehrere Le gierungselemente der Gruppe aufweisen: bis 0,8 Gew.-% Mangan (Mn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Zink (Zn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), bis 0,30 Gew.-% Zir konium (Zr), bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe), bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti), bis 0,20 Gew.- % Kupfer (Cu), bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr), bis 0,2 Gew.-% Vanadium (V) und/o der bis 0,2 Gew.-% Molybdän (Mo). Vorgenannte Stanznieteignung ist weiter verbesserbar, wenn das Druckgussbauteil eine Gleichmaßdehnung (A _g ) von mindestens 6 % und eine Einschnürdehnung (A _z ) von mindestens 4 % aufweist.

Weiteres sind in der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung für Silizium (Si) und/o der Zink (Zn) und/oder Magnesium (Mg) und/oder Mangan (Mn) und/oder Kupfer (Cu) und/oder Eisen (Fe) und/oder Titan (Ti) und/oder Strontium (Sr) folgender Gehalt oder folgende Gehalte vorstellbar:

• von mehr als 6,5 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si) insbesondere von mehr als 6,5 bis 8 Gew.-% Silizium (Si)

• von 0,3 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg)

• von 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan (Mn)

• von 0,15 bis 0,3 Gew.-% Zink (Zn) insbesondere von 0,15 bis 0,25 Gew.-% Zink (Zn)

• von 0,10 bis 0,20 Gew.-% Kupfer (Cu)

• von 0,10 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe) insbesondere von 0,15 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe)

• von 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti)

• von 0,015 bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr)

Besonders hohe FDI-Werte sind erreichbar, wenn die aushärtbare Aluminiumlegie rung von mehr als 6,5 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si), insbesondere von mehr als 6,5 bis 8 Gew.-% Silizium (Si), aufweist.

Si: 6,5 < Gew.-% Silizium (Si) < 9,0 können beispielsweise bei ausreichend guter

Gießbarkeit der Legierung auch rissauslösende Primärphasen reduziert wer den, was das Fügen durch Umformen noch weiter verbessern kann - dies um so mehr, wenn die Bedingung 6,5 < Gew.-% Silizium (Si) < 8,0 erfüllt wird.

Festigkeit und Duktilität sind weiter zu verbessern, wenn die Aluminiumlegierung von 0,15 bis 0,3 Gew.-% Zink (Zn) und/oder von 0,3 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) aufweist. Zn: Ein Gehalt von 0,15 bis 0,3 Gew.-% Zink (Zn) kann die Duktilität des Druck gussbauteils weiter verbessern. Bevorzugt weist Zink (Zn) einen Gehalt von 0,15 bis 0,25 Gew.-% auf.

Mg: Ein Gehalt von 0,3 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) kann die Streckgrenze (R _P o,2) weiter erhöhen.

Die Gießbarkeit der Druckgusslegierung kann weiter verbessert werden, wenn die Aluminiumlegierung von 0,3 bis 0,6 Gew.-% Mangan (Mn) aufweist.

Die Festigkeit der Aluminiumlegierung kann mit einem Gehalt an Kupfer (Cu) von 0,10 bis 0,20 Gew.-% weiter erhöht werden.

Zudem kann durch diesen Gehalt an Kupfer die Aluminiumlegierung einen höheren Gehalt an Sekundäraluminium aufweisen, was weiter erhöht werden kann, wenn die Aluminiumlegierung 0,15 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe) aufweist. Dies insbesondere, wenn die Aluminiumlegierung von 0,15 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe) aufweist.

Duktilität und Festigkeit der Aluminiumlegierung kann mit 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti) verbessert, wobei von 0,015 bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr) die Duktilität weiter optimieren kann.

Vorstellbar ist weiter, dass die Aluminiumlegierung bis 0,05 Gew.-% Mangan (Mn) und/oder bis 0,05 Gew.-% Kupfer (Cu) aufweist.

Mn: Ein Gehalt an Mangan (Mn) bis 0,05 Gew.-% kann zu einer signifikanten Duk tilitätssteigerung führen. Solch eine Beschränkung des Mangangehalts kann nämlich den Anteil an rissauslösenden Primärphasen (manganhaltigen inter metallischen Phasen) noch weiter reduzieren, welche das Gussbauteil struk turell schwächen würden, insbesondere beim Fügen durch Umformen.

Cu: Ein Gehalt an Kupfer (Cu) bis 0,05 Gew.-% kann zudem die Rissneigung wei ter reduzieren, was das Fügen durch Umformen weiter erleichtern bzw. das Stanznieten weiter verbessern kann. Das erfindungsgemäße Druckgussbauteil ist insbesondere als Karosseriekompo nente für ein Kraftfahrzeug geeignet. Vorzugsweise ist das Druckgussbauteil mit dem anderen Bauteil über eine Stanzniete fest verbunden. Das Druckgussbauteil ist vor zugsweise als Karosseriekomponente Teil eines Kraftfahrzeugs.

Die Erfindung hat sich ausgehend vom eingangs geschilderten Stand der Technik die Aufgabe gestellt, das Verfahren zu verändern, um bei nahezu gleichbleibenden FDI- Werten am Druckgussbauteil, die Stanznieteignung weiter zu verbessern. Zudem soll das Verfahren einfach handhabbar und reproduzierbar ausgeführt werden können.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens durch die Merk male des Anspruchs 9.

Wird eine aushärtbare Aluminiumlegierung mit 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si) und von 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) und als Rest Aluminium sowie her stellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% verwendet, kann eine besondere Wärmebehandlung durchgeführt werden.

Si: Mit 5,0 bis 9,0 Gew.-% Silizium (Si) kann zunächst aufgrund der Untergrenze von 5,0 Gew.-% die Gießbarkeit der Aluminiumlegierung auch bei komplexen Konturen sichergestellt werden. Zudem kann aufgrund der Obergrenze von 9,0 Gew.-% Silizium (Si) die Aluminiumlegierung auf eine Glühbehandlung bei hö heren Temperaturen vorbereitet werden.

Mg: Mit 0,25 bis 0,5 Gew.-% Magnesium (Mg) kann die Aluminiumlegierung zur Erreichung einer erhöhten Festigkeit, insbesondere Streckgrenze (R _P o,2), vor bereitet werden.

Auf Basis dieser Si- und Mg-Gehalte wird sohin die Al-Si-Legierung für eine erhöhte Festigkeit bei reduzierter Duktilität vorbereitet - nämlich, indem ein erstes Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 320 °C (Grad Celsius) bis 450 °C über eine Zeit dauer von 20 bis 75 Minuten und ein zweites Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 510 °C bis 540 °C über eine Zeitdauer von 5 bis 35 Minuten erfolgt, also bei erhöhten Temperaturen gegenüber dem Stand der Technik. Durch das, dem Glühen anschließende Abschrecken mit einem Temperaturgradienten im Bereich von größer 4 K/s werden die Eigenschaften (erhöhte Festigkeit bei reduzierter Duktilität) am Druckgussbauteil eingestellt.

Eine Verschiebung der mechanischen Eigenschaften von Duktilität in Richtung Fes tigkeit kann in weiterer Folge durch eine Überalterung des Druckgussbauteils mithilfe einer zumindest dreistufigen Warmauslagerung kompensiert werden.

Flierzu hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn eine erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 100 °C bis 180 °C über eine Zeitdauer von 40 Mi nuten bis 150 Minuten, eine zweite Warmauslagerung bei einer Temperatur im Be reich von 180 °C bis 300 °C über eine Zeitdauer von 30 Minuten bis 100 Minuten und eine dritte Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 230 °C bis 300 °C über eine Zeitdauer von 5 Minuten bis 120 Minuten erfolgen. Damit kann ein T7-Zu- stand am Druckgussbauteil erreicht werden, welcher nicht nur vorgegebenen FDI- Werte aus Festigkeit (Rp02, Rm) und Duktilität bzw. Bruchdehnung As erfüllt, sondern überraschend auch eine deutliche Erhöhung der Stanznieteignung aufweist. Untersuchungen ergaben, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders Ein fluss auf das Verhältnis zwischen Einschnürdehnung (A _z ) und Gleichmaßdehnung (A _g ) nimmt, welche Einschnürdehnung A _z sich durch die Gleichung A _z =A(bzw. As)-A _g bestimmt. Erfindungsgemäß ergibt sich sohin bei einer vergleichsweise hochfesten Al-Si-Aluminiumlegierung im Zustand T7 eine Einschnürdehnung A _z , welche größer gleich A _g /2 ist - was ein rissfreies Stanznieten sicherstellt, insbesondere auch ein Stanznieten unter Verwendung einer Dommatrize, was matrizenseitig besonders hohe Verformungsfähigkeit vom Druckgussbauteil fordert.

Dies ist auch bei einem dünnwandigen Druckgussbauteil erreichbar, beispielsweise für den Karosseriebau, welche derzeit einem Fügen durch Umformen, vor allem ei nem Stanznieten, nicht zuverlässig zugänglich waren.

Zudem bedarf das erfindungsgemäße Verfahren im Vergleich zu bekannten anderen Verfahren lediglich einer Adaptierung in Temperatur und Haltedauer - was vergleichs weise einfach handhabbar ist und so die Reproduzierbarkeit des Verfahrens verbes sert. Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann sohin die Herstellung eines Druckguss bauteils sicherstellen, das eine Streckgrenze (R _P o,2) von größer 190 MPa und eine Bruchdehnung (As) von größer gleich 7 % aufweist und dessen Gleichmaßdehnung (A _g ) und Einschnürdehnung (A _z ) die Bedingung A _z > A _g /2 erfüllt.

Vorzugsweise kann das hergestellte Druckgussbauteil eine Gleichmaßdehnung (A _g ) von mindestens 6 % und eine Einschnürdehnung (A _z ) von mindestens 4 % aufweisen. Zusätzlich zu Si und Mg kann die Aluminiumlegierung folgende weitere Legierungs elemente optional aufweisen, nämlich bis 0,8 Gew.-% Mangan (Mn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Zink (Zn), von 0,08 bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), bis 0,30 Gew.-% Zir konium (Zr), bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe), bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti), bis 0,20 Gew.- % Kupfer (Cu), bis 0,025 Gew.-% Strontium (Sr), bis 0,2 Gew.-% Vanadium (V) und/o der bis 0,2 Gew.-% Molybdän (Mo).

Die Einschnürdehnung A _z ist weiter verbesserbar, wenn das erste Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 390 °C bis 410 °C und/oder über eine Zeitdauer von 50 Minuten bis 70 Minuten erfolgt. Zudem kann durch diesen vergleichsweise engen Temperatur- und Zeitbereich reproduzierbarer auf die mechanischen Eigenschaften am fertigen Druckgussbauteil Einfluss genommen werden.

Erfolgt das zweite Glühen bei einer Temperatur im Bereich von 520 °C bis 535 °C, insbesondere von 525 °C bis 535 °C, und/oder über eine Zeitdauer von 25 bis 30 Minuten, ist beispielsweise aufgrund der vergleichsweise kurzen Haltedauer ein Ver zug am Druckgussbauteil vermeidbar. Dies verbessert zudem auch die Reproduzier barkeit des Verfahrens.

Die Festigkeitswerte können in vergleichsweise engen Grenzen eingestellt werden, wenn das Abschrecken mit einem Temperaturgradienten im Bereich von 7 K/s bis 20 K/s erfolgt. Dieses beschleunigte Abkühlen kann beispielsweise durch Abkühlung an bewegter Luft, etc. erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die erste Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 140 °C bis 160 °C und/oder über eine Zeitdauer von 110 Minuten bis 130 Minuten, um das Druckgussbauteil zunächst in einen T64-Zustand zu versetzen.

Ein T6-Zustand am Druckgussbauteil wird erreicht, indem die zweite Warmauslage rung bei einer Temperatur im Bereich von 190 °C bis 210 °C und/oder über eine Zeit dauer von 50 Minuten bis 70 Minuten erfolgt.

Erfolgt die dritte Warmauslagerung bei einer Temperatur im Bereich von 230 °C bis 270 °C und/oder über eine Zeitdauer von 10 Minuten bis 30 Minuten, sind am Druck gussbauteil Festigkeit und Duktilität noch genauer einstellbar. Insbesondere aber ist damit eine vergleichsweise hohe Einschnürdehnung (A _z ) erreichbar, was die Rissge fahr beim Stanznieten des Druckgussbauteils noch weiter reduzieren kann.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zum Nachweis der erzielten Effekte wurden aus verschiedenen Gusslegierungen dünnwandige Gussbauteile im Druckgussverfahren hergestellt. In den Figuren ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. So zeigen Fig. 1 eine Ansicht zum Ablauf der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung,

Fig. 2a abgerissener Querschliff von zwei stanzgenieteten Bauteilen, wobei das un tere Bauteil ein Druckgussbauteil nach dem Stand der Technik ist,

Fig. 2b eine dreidimensionale, matrizenseitige Ansicht der Fig. 2a,

Fig. 3a abgerissener Querschliff von zwei stanzgenieteten Bauteilen, wobei es sich beim unteren Bauteil um das erfindungsgemäße Druckgussbauteil handelt, und

Fig. 3b eine dreidimensionale, matrizenseitige Ansicht der Fig. 3a.

Wege zur Ausführung der Erfindung Die Zusammensetzungen der untersuchten Legierungen sind in der Tabelle 1 ange führt, wobei zu den in dieser Tabelle angeführten Legierungselementen als Rest Alu minium und herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maxi mal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% hinzukommen.

Tabelle 1 : Übersicht zu den Aluminiumlegierungen

Die Legierungen AISi7MgO,4 bewegt sich in den erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen nach den unabhängigen Ansprüchen. Legierung AISi10Mg0,4Mn weist im Vergleich zu Legierung AISi7MgO,4 einen wesentlich höheren Si-Gehalt auf - und liegt diesbe züglich sohin außerhalb der erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen.

Die Druckgussbauteile P1 (Stand der Technik) und 11 (erfindungsgemäß) mit den diesbezüglichen Al-Si-Aluminiumlegierungen wurden nach Tabelle 2 folgender Wär mebehandlung unterzogen:

Tabelle 2: Übersicht zur Wärmebehandlung

In der Fig. 1 ist der Ablauf der erfindungsgemäßen Wärmebehandlung näher darge stellt: Zuerst erfolgt ein zweistufiges Glühen, nämlich ein erstes Glühen 1.1 und ein daran anschließendes zweites Glühen 1.2, darauffolgend ein Abschrecken 2 und nach einer gewissen Lagerzeit eine dreistufige Warmauslagerung mit einem ersten Erwärmen 3.1 , einem anschließenden zweiten Erwärmen 3.2 und einem anschlie ßenden dritten Erwärmen 3.3. Das Gussbauteil 11 durchschreitet bei dieser Wärme behandlung verschiedenste Zustände von T4, T6x, T6 bis zu T7, wie in Fig. 1 zu erkennen.

In Fig. 1 ist auch der Unterschied beim zweiten Glühen 1.2 zwischen der Erfindung 11 und dem Stand der Technik P1 zu erkennen. So erfolgt das zweite Glühen im Stand der Technik P1 mit einer deutlich niedrigeren Temperatur als bei der Erfindung 11 .

Im Gegensatz zur Erfindung fehlt dem Gussbauteil P1 ein drittes Warmauslagern. Wesentliche Unterschiede finden sich auch in den Parametern des zweiten Glühens - diese Unterschiede führt insgesamt dazu, dass sich nach der Wärmebehandlung das Gussbauteil P1 im Zustand T6 befindet.

Die beiden Druckgussteile P1 und 11 wurden schließlich auf ihre mechanischen Ei genschaften hin untersucht. Hierzu wurden Streckgrenze R _P o,2, Zugfestigkeit R _m , Bruchdehnung As sowie die Gleichmaßdehnung A _g bestimmt. Die erhaltenen Mess werte sind in der Tabelle 3 zusammengefasst. Die Einschnürdehnung A _z wurde aus Bruchdehnung As und Gleichmaßdehnung A _g errechnet.

Tabelle 3: mechanische Kennwerte

Gemäß Tabelle 3 weist das erfindungsgemäße Druckgussbauteil 11 eine deutlich hö here Einschnürdehnung (A _z ) auf - womit das Druckgussbauteil 11 eine besonders gute Stanznieteignung aufweist bzw. generell für ein Fügen durch Umformen besonders geeignet ist. Diese Eignung wurde durch ein Stanznieten unter Verwendung einer Dommatrize geprüft - und zwar wurde ein Aluminiumblech A der 6xxx Reihe matrizenseitig mit dem Druckgussbauteil P1 bzw. mit dem Druckgussbauteil 11 matrizenseitig unter Ver wendung eines Nietelements N stanzgenietet. Die Ergebnisse dieses Stanznietens sind in den Figuren 2a, 2b bzw. 3a, 3b ersichtlich.

So sind im Querschliff nach Fig. 2a zur AISi10Mg0,4Mn im T6-Zustand mehrere Risse R zu erkennen, wohingegen im Querschliff nach Fig. 3a zur erfindungsgemäßen Al- Si7MgO,4-Legierung im hochfesten T7 -Zustand keine Risse zu erkennen sind. Zudem zeigt die AISi10Mg0,4Mn T6 nach Fig. 2b zahlreiche tiefe Risse matrizensei tig, wohingegen die Risse bei AI-Si7MgO,4 T7 deutlich feiner ausgeprägt sind. Deren Anzahl ist zwar höher, jedoch sind diese aufgrund ihrer geringen Breite und Tiefe unkritisch. Erfindungsgemäß verbessert sich sohin ein Niet-Ergebnis signifikant ge genüber dem Stand der Technik.

Aus diesem Grund weist auch das erfindungsgemäße Druckgussbauteil 11 beispiels weise eine besonders gute Eignung für dünnwandige Formteile an einer Karosserie eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Kraftfahrzeugs, auf.