TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung betrifft eine Druckgusslegierung auf der Basis von Aluminium, Magnesium und Silizium, insbesondere für den Einsatz in leichten Fahrzeug-Strukturteilen.

STAND DER TECHNIK

Stellvertretend für aus dem Stand der Technik bekannte Druckgrusslegierungen auf der Basis von Aluminium, Magnesium und Silizium sind zwei von der Anmelderin entwickelte Legierungen zu nennen, jene offenbart in EP 0853 1 33 B 1 und jene in DE 1 0352932 B4. In der DE 1 0352932 B4 wird eine bis zu 400°C thermisch stabile Aluminiumlegierung beschrieben, welche neben dem Einsatz von bekannten Legierungselementen, die Zugabe von Scandium vorsieht. Eine Reihe von weiteren Elementen wie beispielsweise Titan und Zirkon wurde getestet, um in Verbindung mit Scandium die Warmfestigkeit der Legierung weiter zu steigern. Bei der in der EP 08531 33 B 1 offenbarten Legierung handelt es sich um eine Aluminium, Magnesium, Silizium Legierung, welche mit der in den Ausführungsbeispielen genannten Referenzlegierung vergleichbar ist. Diese Legierung wird seit vielen Jahren von der Anmelderin produziert und in der Automobilindustrie eingesetzt.

Bei binären AlMg-Legierungen liegt das Mg ₂ Al ₃ -Eutektikum bei ca. 35 % Mg. Im Falle der erfindungsgemäßen Legierung wie auch bei der Legierung gemäss EP 08531 33B 1 liegt hingegen ein Mg ₂ Si-Eutektikum vor, welches ca. 50 % des Gussgefüges ausmacht. Damit unterscheidet sie sich grundsätzlich von binären AlMg-Legierungen.

Eine weitere Legierungszusammensetzung, welche dem Stand der Technik der erfin- dungsgemässen Legierung zuzuordnen ist, ist Hydroalium. Dabei handelt es sich um eine Legierung auf der Basis von Aluminium und Magnesium, welche u.a. für Zylinderköpfe zum Einsatz kommt.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Ausgehend von den Erfahrungen der Anmelderin mit der in der EP 08531 33 B 1 offenbarten Legierung, bestand die Aufgabe darin, die Festigkeitseigenschaften dieser Legie- rung zu steigern, möglichst ohne Dehnungswerte einzubüssen.

Es ist eine weitere Aufgabe, eine hochfeste Aluminium-Druckgusslegierung mit den vorgängig genannten Eigenschaften zu entwickeln, wobei die Aluminiumbasis der Legierung einen Anteil von mindestens 50% Sekundärmetall (Recylingmaterial) enthalten darf.

Mit der erfindungsgemässen Legierung wird den immer höheren Anforderungen nach Leichtbau in der Automobilindustrie Rechnung getragen. Die Anwendung eines Werkstoffes mit höherer Festigkeit ermöglicht es dem Konstrukteur, dünnwandigere und somit leichtere Strukturen zu realisieren. Auf diese Weise ist ein weiterer Schritt hin zu geringem Kraftstoffverbrauch im Automobil realisierbar.

Die erfindungsgemäße Legierung ist grundsätzlich vielseitig einsetzbar, zielt aber auf ei- nen Einsatz bei Strukturbauteilen im Automobilbau. Crashrelevante Strukturbauteile können damit gefertigt werden, wobei dafür eher eine Cu- und Zn-freie Variante gänzlich ohne oder mit einer T5-Wärmebehandlung gewählt wird. Ein weiterer Anwendungsbereich umfasst batterietragende Strukturen im E-Mobilbereich. Bei dieser Anwendung wird nach hochfesten Werkstoffen gesucht, um Gewicht zu sparen. Die Nietfähigkeit des Werkstoffs tritt bei diesen Einsatzgebiet in den Hintergrund, da die Bauteile demontierbar und daher verschraubt werden. Ebenfalls untergeordnet rele- vant, im Vergleich zu crashrelevanten Bauteilen, ist die Verformbarkeit des Werkstoffs. In diesem Einsatzgebiet kommt daher eine Legierungsvariante mit Kupfer (Cu) oder Zink (Zn) zum Einsatz, die bereits im Gusszustand oder im wärmebehandelten Zustand verwendet werden kann.

Erfindungsgemäss werden die erwähnten Aufgaben gelöst durch eine Druckgusslegie- rung auf Basis von Aluminium-Magnesium-Silizium, bestehend aus:

Magnesium (Mg) 5,0-7,0 Gew.-%

Silizium (Si) 1 ,5-4,0 Gew.-%

Eisen (Fe) 0,03-0, 5 Gew.-%

Mangan (Mn) 0,3-0,8 Gew.-%

Zirkon (Zr) 0,01 -0,4 Gew.-%

Molybdän (Mo) 0,01 -0,4 Gew.-%

Vanadium (V) 0,01 -0,03 Gew.-%

Beryllium ( Be) 0,001 -0,005 Gew.-%

Titan (Ti) 0 - 0, 1 5 Gew.-%

Strontium (Sr) 0 - 0, 1 Gew.-%

Phosphor (P) 0-250 ppm

Kupfer (Cu) bis 0 - 4 Gew.- %

Zink (Zn) bis 0- 1 0 Gew.-% Bevorzugte Ausführungsarten der erfindungsgemässen Legierung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

In einer Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0,05 bis 0,20 Gew.- % Molybdän. In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0,05 bis 0,20 Gew.-% Zirkon.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 2,0 bis 3,0 Gew.-% Silizium.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 5,5 bis 6,5 Gew. -% Magnesium.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0-0,08 Gew.% Titan.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0,05 bis 0,2 Gew.-% Eisen. In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0 - 0,2 Gew. % Kupfer.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0- 0,5 Gew.-% Zink. In einer weiteren Ausführungsform enthält die erfindungsgemässe Legierung 0- 0,01 Gew.-% Strontium.

Bevorzugt werden aus der erfindungsgemässen Legierung Strukturbauteile druckgegossen. Zunächst wurden die Gehalte an Mg und Si variiert, um ein für die erhöhten Anforderungen geeignetes MgSi-Verhältnis zu finden. Eine Erhöhung von Mg bewirkt eine Festigkeitssteigerung, wobei ab 6,5 % mit einer merklichen Reduktion der Bruchdehnung gerechnet werden muss. Die zusätzliche Erhöhung von Si führt zu einer Erhöhung des eu- tektischen Anteils der Legierung, welcher keine technischen Vorteile erkennen lässt. Ab einem Verhältnis Mg : Si von 2: 1 erfolgt ein signifikanter Verlust in der Bruchdehnung.

Es ist bekannt, dass sich die Löslichkeit von Mg ₂ Si mit steigendem Mg-Gehalt verringert. Zudem treten bei langsamer Erstarrung grobkörnige Mg ₂ Si-Teilchen auf, welche sich negativ auf mechanischen Eigenschaften auswirken. Diese Zusammenhänge konnten in den vorliegenden Untersuchungen bestätigt werden. Ferner ist bekannt, dass sich bis zu einem Siliziumgehalt von 2.5 % zwar der eutektische Phasenanteil verändert, nicht aber die Erstarrungstemperatur. Dieser Zusammenhang wird in der erfindungsgemäßen Legierung genutzt.

Es ist bekannt, dass Mg ₂ Si welches sich an den Korngrenzen ablagert eine Verschlechterung des Korrosionsverhaltens zur Folge hat. Da die erfindungsgemässe Legierung beim Druckgiessen eingesetzt wird, erfolgt ein schnelles Erstarren, was die Korngrenzenseige- rung entsprechend stark herab setzt und daher diese nachteilige Wirkung kompensiert wird. Ausgehend von einem optimierten MgSi-Verhältnis wurde eine Reihe von zusätzlichen Elementen zugegeben, darunter Cu, Zn, Mo, Zr, V und Ti.

Titan und Zirkonium sind bekannt als Kornfeiner. Insgesamt stellt das Zusammenspiel der genannten Elemente eine wichtige Basis für die erfindungsgemäße Legierung dar. Bei einer Zugabe der Elemente Zn und Cu können, insbesondere nach einer Wärmebehandlung, hohe Dehngrenzen von über 400 MPa erreicht werden, allerdings bei recht geringen Dehnwerten von 4-5 %.

Es konnte festgestellt werden, dass die festigkeitssteigernde Wirkung gegenüber der Vergleichslegierung aus EP 0 853 1 33 B 1 , insbesondere durch hochschmelzende Phasen erreicht wird, welche durch die Elemente Mo und Zr in Zusammenhang mit V und Ti gebildet werden. Es soll auf der einen Seite vermieden werden, dass sich diese Phasen aus der Schmelze ausscheiden, weder bei der Herstellung der Legierung noch beim Gießpro- zess. Auf der anderen Seite sollen sie beim Glessen als erste erstarren, um auf diese Weise ein feines Gefüge und daraus folgend gute Werkstoffeigenschaften zu erzielen. Bevor- zugt ist den Titangehalt zwischen 0-0,08 Gew.% zu halten.

Die erfindungsgemässe Legierung ist vordergründig für den Druckguss und für die dort herrschenden typischen Erstarrungsbedingungen entwickelt worden. Größe und Ausprägung hochschmelzender Phasen ist stets abhängig von den Erstarrungsbedingungen. Im Druckguss beginnt die Erstarrung in der Regel bereits in der Giesskammer, setzt sich während der Formfüllung fort und endet in dickwandigen Bereichen oftmals erst nach der Bauteilentnahme.

Zur weiteren Steigerung der Festigkeit der erfindungsgemässen Legierung, ohne grosse Einbussen der Dehnungswerte ist eine T5-Wärmebehandlung vorgesehen. Wird zusätzlich zur erfindungsgemässen Legierung noch Cu und Zn zugegeben ist eine T6 oder eine T7-Wärmebehandlung vorgesehen. Hierbei konnte, im Vergleich zur Referenzlegierung aus EP 0 853 1 33B 1 eine klare Steigerung der Festigkeit und der Dehngrenze festgestellt werden, jedoch bei einer deutlichen Herabsetzung der Bruchdehnung. Eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Legierung sieht die Zugabe von Sekundäraluminium in Form von Recylingmaterial vor. Bevorzugt, soll der Anteil an Sekundäraluminium 50% der für die Herstellung der Legierung benötigten Aluminiumbasislegierung betragen. Unter Recylingmaterial sind beispielsweise zu verstehen: Räder, Stranggussprofile, Bleche und Späne aus Aluminiumlegierungen. Mit der erfindungsge- mässen Legierungszusammensetzung ist es möglich, bis zu einem Eisengehalt von 0.20 Gew.-% die Anforderungen für crashrelevante Strukturbauteile zu erfüllen, über 0.20 Gew. % Eisen ermöglicht den Einsatz im Bereich festigkeitsrelevanter Strukturbauteile.

Dem leicht erhöhten Eisengehalt wird durch eine Senkung des Mangananteils Rechnung getragen. Der Gefahr der Schlammbildung im Warmhalteofen der Giessmaschine kann auf diese Weise entgegengewirkt werden.

Die Klebeneigung der Legierung in der Gussform sinkt dennoch, da hierbei Eisen ebenso wie Mangan positiv wirkt und die Reduktion von Mn durch den Fe-Gehalt überkompensiert wird. Zudem wird durch das MnFe-Verhältnis die Entstehung von sogenannten Betaphasen vermieden, also plattenförmigen AlMnFeSi-Ausscheidungen, welche die Dukti- lität des Werkstoffs entscheidend reduzieren. Solche Ausscheidungen sind unter dem Mikroskop als sogenannten Eisennadeln bekannt.

Ein Salzsprühnebel-Wechseltest ( ISO 9227) und ein interkristalliner Korrosionstest (ASTM G 1 1 0-92) dienten zur Überprüfung der Korrosionsneigung. Die Zusammenset- zung der erfindungsgemäßen Legierung ist so gewählt, dass im Falle der Cu- armen Variante eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit festgestellt werden kann.

In Stanznietversuchen war die erfindungsgemäße Legierung trotz ihrer hohen Festigkeit rissfrei nietbar. VERGLEICHSBEISIPIEL

Im Folgenden sind die Zusammensetzungen einer vergleichbaren Legierung wie in EP 0 853 1 33B 1 offenbart ( Legierung 1 ) und drei Ausführungsbeispiele (Legierungen A, B und C) der erfindungsgemässen Legierung gegenübergestellt. Die Angaben verstehen sich in Gew.-%. Anhand dieser drei Legierungen wurden die mechanischen Kennwerte (R _m , Rpo.2 und A ₅ ) an druckgegossenen 3 mm-Platten gemessen. Dargestellt ist jeweils der Mittelwert aus 8 Zugprüfungen. Die Resultate wurden im Gusszustand (Zustand F), im Zustand T5 (kontrolliertes Abkühlen mit anschliessender Warmauslagerung) und im Zustand T6 (Lösungsglühen mit vollständiger Warmauslagerung) ermittelt.

Ti V Be Zr Mo P

Legierung 1 0,083 0,028 0,0027 0,000 0,000 0,0002

Legierung A 0,006 0,01 3 0,0028 0,081 0,050 0,0002

Legierung B 0,004 0,01 5 0,0023 0, 1 00 0,068 0,0002

Legierung C 0, 1 50 0,022 0,0004 0,001 0,001 0,0004 Erzielte Resultate

Zustand F

Zustand T5

Zustand T6