Erweiterung der Einsatzgrenzen von AlzNMgCu-Gusslegierungen und Kokillenguss
Final Report Abstract
In der vorliegenden Arbeit wurden höchstfeste AlZnMgCu-Legierungen mit Hilfe des statistischen Versuchsplans für das Kokillengießverfahren optimiert und zu besseren mechanischen und technologischen Eigenschaften weiterentwickelt. Dabei ergab sich, dass steigende Magnesium- und Zinkgehalte positive und zunehmende Kupfergehalte negative Auswirkungen auf die Festigkeitseigenschaften haben. Die besten mechanischen Eigenschaften wurden mit der Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu1,6 (Rm-550 MPa, Rpo.2-536 MPa, A5-2,8 %) im T7-Zustand erzielt. Im Warmzugversuch bei 250 °C nach der Vorauslagerung 250 °C/100h zeigte diese Legierung ebenfalls sehr gute mechanische Kennwerte: Rm-124 MPa, Rp0,2-104 MPa, A5-26 %. Somit weist die Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu1,6 ein wesentlich höheres Niveau der mechanischen Eigenschaften als die Referenzlegierung AICu4MgTi im T6-Zustand sowohl bei Raumtemperatur (Rm-365 MPa, Rpo,2-274 MPa, A5-8 %) als auch bei 250 °C (Rm-115 MPa, Rpo.2-99 MPa, A5-13 %) auf. Darüber hinaus ist die Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu1.6 mit einer Warmrisszahl von 2,25 (Sternkokille bei 300 °C) deutlich im Vorteil gegenüber dem Referenzwerkstoff, dessen Verarbeitung im Kokillenguss stark eingeschränkt ist (Warmrisszahl 3,75). Die Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu1,6 verfügt über den Effekt der Selbstaushärtung, wodurch eine Wärmebehandlung nicht zwingend notwendig ist, um gleiche Festigkeitseigenschaflen wie z.B. bei herkömmlichen Zylinderkopflegierungen AlSi7Mg bzw. AlSilOMg nach T6 zu erreichen. Nach einer Auslagerung bei Raumtemperatur von 10 Tagen zeigt die Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu1,6 Festigkeitswerte von Rm-297 MPa, Rpo,2-258 MPa. Dies ermöglicht es, die energieund kostenintensive Lösungsglühung einzusparen. Weitere Untersuchungen am Legierungssystem AlZnMgCu zeigten, dass durch steigende Kupfergehalte die Gesamtmenge des Eutektikums im Gefüge zunimmt und bis zu einem Gehalt von 2,8 Gew.-% Kupfer zur Verbesserung" des Warmrissverhaltens führt. Die Analyse der in der Sternkokille aufgenommenen Abkühlungskurven lieferte die Erkenntnis, dass es einen Zusammenhang zwischen der Kristallisationswämie der η-Mg(Zn,AI,Cu)2-Phase und der Warmrissneigung der AlZnMgCu-Legierungen gibt. Je größer die frei werdende Wärme bei der Ausscheidung der Mg(Zn,Al,Cu)2-Phase ist, desto kleiner ist die Warmrisszahl. Dieser positive Effekt macht sich besonders bei der Erstarrung der Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu2,8 bemerkbar und trägt erheblich zu ihrem sehr guten Warmrissverhalten bei. In diesem Fall wurde beim Abguss in die Sternkokille bei 300 °C eine Warmrisszahl von 1,25 gemessen. Durch Einstellung der Kokillentemperatur auf 360 °C und Gießtemperatur auf 730 °C lässt sich die Warmrissbildung bei der Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu2,8 vollkommen vermeiden. Die Ergebnisse der Differenz-Thermoanalyse zeigten, dass sich die Temperatur des Dendritenkohärenzpunktes mit steigenden Kupfergehalten zu geringeren Werten verschiebt. Die nach Scheil-Modell berechneten Anteile der festen Phase am Kohärenzpunkt in den untersuchten Legierungen mit 1,6 und 2,8 Gew.-% Kupfer liegen entsprechend bei 13,5 und 19,9 %. Das bedeutet, dass die Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu2,8 deutlich stärkere Kontraktionsspannungen aufnehmen kann, wodurch sich ihr besseres Warmrissverhalten ergibt. Von Vorteil sind auch die guten mechanischen Eigenschaften der Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu2,8, die zwar etwas schlechter ausfallen als bei der Legierung AlZn7,5Mg2,8Cu1,6, aber immer noch mit Rm-500 MPa und Rpo,2-460 MPa deutlich über dem Niveau der Referenzlegierung AlCu4MgTi liegen. Die aus der Literatur bekannte Hypothese von Bäckerud u.a., dass eine besonders effektive Feinung des α-Mischkristalls durch gezielte Einstellung des Growth Restriction Factors (GRF) auf Werte zwischen 10 und 30 erreicht werden kann, wurde in Bezug auf AlZnMgCu-Legierungen in den eigenen Versuchen nicht bestätigt. Eine Erhöhung der GRF-Werte auf 59, bedingt durch zunehmende Titangehalte, führt sowohl bei der AlZn7,5Mg2,8Cu1,6 als auch bei der AlZn7,5Mg2,8Cu2,8 zu sehr feinkörnigem Gefüge mit mittlerer Korngröße zwischen 40 und 63 μm. Mit einem laut Bäckerud günstigen GRF von 24 liegt die mittlere Korngröße bei 120 μm. Die Untersuchungen des Fließvermögens und des Lunkerverhaltens der optimierten AlZnMgCu-Legierungen zeigten, dass bei der Auslegung der Gießwerkzeuge ähnliche Parameter wie bei der hochfesten Legierung AlCu4MgTi verwendet werden können. Mit dem bisher erreichten Eigenschaftsprofil können die Legierungen des Systems AlZnMgCu als zukunftsweisende höchstfeste Gusswerkstoffe für die Anwendung in der Automobilindustrie und Luftfahrttechnik empfohlen werden.
Publications
- Optimierung von höchstfesten AlZnMgCu-Legierungen für den Kokillenguss, Gießereipraxis, Heft 11, 2009, S. 349-353
Zak, H.; Tonn, B.
- Einfluss des Kupfers auf das Warmrissverhalten von höchstfesten AlZnMgCu-Legierungen, Gießereipraxis, Heft 9, 2010, S. 263-266
Zak, H.; Tonn, B.; Hampl, M.
