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Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Aluminiumlegierungsblech für das Hochtemperaturblasformen bei
hoher Geschwindigkeit, das bei Kraftfahrzeugkomponententeilen und
dergleichen verwendet wird.
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Als
formende Blechmaterialien sind in der Vergangenheit für Kraftfahrzeugkomponententeile
oft kaltgewalzte Stahlbleche verwendet worden. In den vergangenen
Jahren haben sich Aluminiumlegierungsbleche als die formenden Blechmaterialien
für Kraftfahrzeugkomponententeile,
um beispielsweise das Gewicht von Kraftfahrzeugkomponententeilen
zu reduzieren, damit die Laufleistung von Kraftfahrzeugen verbessert
und auch die ausgetragene Kohlendioxidmenge verringert wird, um
die globale Erwärmung
zu verhindern, weit verbreitet.
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Aluminiumlegierungen
weisen jedoch üblicherweise
eine Stanzverformbarkeit auf, die der von kaltgewalzten Stahlblechen
unterlegen ist. Wenn ein Aluminiumlegierungsblech stanzgeformt wird,
um ein Kraftfahrzeugkomponententeil herzustellen, müssen Verfahren
eingesetzt werden, zum Beispiel ein Verfahren, bei dem nicht das
ganze Komponententeil integral geformt wird, sondern unterteilt
geformt wird, gefolgt von einem Verbinden, und ein Verfahren, bei
dem ein mehrstufiges Stanzverformen verwendet wird. Unter realen
Bedingungen haben diese Verfahren somit zu einem Kostenanstieg geführt.
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Als
einer der Prozesse zum Formen von Aluminiumlegierungsblechen ist
jetzt herkömmlicher
weise in der Technik ein Hochtemperaturblasformprozeß bekannt.
Dieser Hochtemperaturblasformprozeß ist ein Prozeß, bei dem
ein Aluminiumlegierungsbasisblech in dem Zustand, in dem es auf
einen Temperaturbereich erhitzt worden ist, wo die Aluminiumlegierung
ihre Formbarkeit erhält,
in einer oder einem Werkzeug plaziert wird, und dann wird in das
Werkzeug ein Gasdruck eingeleitet, um das Aluminiumlegierungsbasisblech
gegen die Innenfläche
des Werkzeugs zu pressen, um selbiges zu formen. Im allgemeinen
wird bei einem derartigen Hochtemperaturblasformprozeß üblicherweise
eine Aluminiumlegierung eingesetzt, die in einem Hochtemperaturbereich
eine sogenannte Superplastizität
aufweisen kann (eine superplastische Legierung auf Aluminiumbasis),
wie durch die Legierung 7475 oder die Legierung 5083 exemplifiziert,
und in einem Temperaturbereich ausgeführt wird, wobei eine derartige
Legierung eine große
superplastische Dehnung von Hunderten von Prozenten (%) oder mehr
aufweist. Ein derartiges Hochtemperaturblasformen, bei der die superplastische
Legierung eingesetzt wird, ermöglicht
das Formen mit hoher Formänderung
oder zu einer komplexen Gestalt. Es weist außerdem einen Vorteil dahingehend
auf, daß die
für Werkzeuge
erforderlichen Kosten reduziert werden können, weil das Formen, da es
sich von dem üblichen
Stanzformen unterscheidet, unter Verwendung nur eines einseitigen
Werkzeugs ausgeführt
werden kann.
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Als
superplastische Legierungsbleche auf Aluminiumbasis, die sich für das Hochtemperaturblasformen
eignen, wie oben angegeben, sind bereits jene vorgeschlagen worden,
die aus den offengelegten Japanischen Patentanmeldungen Nr. H7-197177,
Nr. S59-159961, Nr. H10-259441 und Nr. 2002-11527 bekannt sind.
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Beispielsweise
wird ein Aluminiumwalzblech zum superplastischen Formen, das aus
der Veröffentlichung
der offengelegten Japanischen Patentanmeldung H7-197177 bekannt
ist, so beschrieben, daß es
in der Lage ist, eine Zugdehnung von 300% oder mehr durch eine Zusammensetzungssteuerung
von Komponenten zu erzielen, was eine Dehnung darstellt, die der
Dehnung stark überlegen
ist, die kaltgewalztes Stahlblech aufweist. Als geeignete Formbindung
wird jedoch eine niedrige Formänderungsrate
von 10–3/s
oder weniger vorgegeben, und somit erfordert dies für das Formen
eine lange Zeit von soviel wie 10 Minuten bis 100 Minuten. Dieses
Aluminiumlegierungswalzblech weist dementsprechend ein Problem dahingehend
auf, daß es
sich nicht leicht für
die Massenproduktion wie bei Kraftfahrzeugkomponententeilen anpassen
läßt.
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Die
Veröffentlichungen
der offengelegten Japanischen Patentanmeldungen Nr. S59-159961 und
Nr. H10-259441 offenbaren außerdem,
daß der
Zusatz von Cu oder dergleichen als Legierungskomponente zu einer
hervorragenden superplastischen Leistung führt. Das Cu ist jedoch ein
Element, das die Korrosionsfestigkeit von Materialien stark reduziert
und sich somit nicht leicht auf Verwendungen anwenden läßt, bei
denen eine große
Korrosionsfestigkeit erforderlich ist, wie bei den Kraftfahrzeugkomponententeilen.
Zudem wird in der Veröffentlichung
der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 2002-11527 eine
Legierung 5083 vorgeschlagen, die für das Hochgeschwindigkeitsformen
bestimmt ist. Materialien vom Typ mit viel Mn oder Cr jedoch, wie
die Legierung 5083, weisen einen großen Widerstand zur Verformung
von Materialien auf, und dies erfordert somit eine lange Formzeit,
was zu niedriger Produktivität
führt.
Eine derartige Legierung ist somit für die Massenproduktion wie
in Kraftfahrzeugkomponententeilen ungeeignet.
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Bei
den herkömmlichen
superplastischen Legierungen wie oben angegeben sind nun Untersuchungen üblicherweise
ausgerichtet in Richtung auf eine Verbesserung der Produktivität, um die
Formgeschwindigkeit zu erhöhen.
Als Ergebnis von Versuchen und Studien, die wiederholt von den Erfindern
der vorliegenden Erfindung angestellt werden, hat es sich herausgestellt,
daß über die
ganzen Bereiche hinweg oder in lokalen Bereichen eines Formstücks Kristallkörner abnormal
grob werden, wenn die Formänderungsrate
zum Zeitpunkt des Formens (d.h. die Formgeschwindigkeit) einfach
erhöht
wird. Es hat sich herausgestellt, daß in diesem Fall die Kristallkörner abnormal
wachsen können
und eine Größe von Hunderten
von Mikrometern (μm) oder
in einigen Fällen
eine Größe aufweisen
können,
die sich in Einheiten von Millimetern (mm) bewegt, und dies führt somit
zu einem sehr ernsthaften Problem hinsichtlich der Festigkeit und
dem äußeren Erscheinungsbild
von Formstücken.
Dennoch wurde in der Vergangenheit das Phänomen überhaupt nicht verstanden,
daß die
Kristallkörner
wie oben angegeben abnormal grob werden. Somit ist es selbstverständlich der
eigentliche Zustand, daß es
im verwandten Stand der Technik keine Schutzmaßnahme gegenüber einem
derartigen Phänomen
gibt. Deshalb muß gesagt
werden, daß der
verwandte Stand der Technik, bei dem keine Schutzmaßnahme zu
dem Phänomen
ergriffen worden ist, daß die
Kristallkörner
abnormal grob werden, Techniken beinhaltet, die noch nicht ausreichend
genug oder vollständig
genug sind, um sich auf Verwendungen anwenden zu lassen, bei denen
die Festigkeit und das äußere Erscheinungsbild
ernsthaft erforderlich sind, wie bei den Kraftfahrzeugkomponententeilen.
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Wie
oben erörtert
weist die superplastische Legierung mit einer Hochtemperaturzugdehnung
von Hunderten von Prozenten (%) die Möglichkeit auf, daß, wenn
zur Verbesserung der Produktivität
die Formgeschwindigkeit erhöht
wird, Kristallkörner
während
des Formens abnormal grob werden, um die Festigkeit und das äußere Erscheinungsbild
von Formstücken
zu beeinträchtigen.
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Bei
Verwendung bei dem Hochtemperaturblasformen für Kraftfahrzeugkomponententeile
und dergleichen müssen
nun Aluminiumlegierungsbleche eine ausreichend höhere Formbarkeit aufweisen
als jene für das übliche Formen, brauchen
in vielen Fällen
aber nicht die Formbarkeit (Superplastizität) aufzuweisen, die bei Hochtemperaturzugdehnung
extrem hoch ist bis zu Hunderten von Prozenten (%). Genauer gesagt
können sie
in vielen Fällen
ausreichend sein, solange sie eine Formbarkeit von bis zu etwa 65%
als Reduzierung der Blechdicke aufweisen.
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Dabei
tritt beim superplastischen Formen Kavitation (Hohlräume) im
allgemeinen an Kristallkorngrenzen auf, was von einem Verformungsmechanismus
aufgrund einer Korngrenzenverschiebung herrührt. Das Auftreten einer derartigen
Kavitation behindert nicht nur die Formbarkeit, sondern beeinträchtigt auch
mechanische Eigenschaften und die Dauerfestigkeit von Materialien.
Bei der superplastischen Legierung ist es dementsprechend wesentlich,
das Auftreten der Kavitation zu behindern. Selbst im Fall des Aluminiumlegierungsblechs,
das eine höhere
Formbarkeit als die superplastische Legierung aufweist und etwa
65% oder weniger als Reduzierung der Blechdicke ist, wird jedoch überlegt,
daß es
eine Möglichkeit
gibt, daß zum
Zeitpunkt des mit einer hohen Formgeschwindigkeit ausgeführten Hochtemperaturblasformens
Kavitation auftritt.
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KURZE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der obigen Umstände als
dem Hintergrund durchgeführt.
Dementsprechend besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung
in der Bereitstellung eines Aluminiumlegierungsblechs für Hochtemperaturblasformen
bei hoher Geschwindigkeit, bei dem das abnormale wachsen von Kristallkörnern während des
Formens verhindert werden kann und auch weniger Kavitation verursacht
werden kann, und zwar beim Hochtemperaturblasformen für Kraftfahrzeugkomponententeile,
die keine so hohe Formbarkeit aufweisen müssen wie die superplastischen
Aluminiumlegierungsbleche, die jeweils wie oben angegeben vorgeschlagen
werden, insbesondere Hochtemperaturblasformen, das mit einer hohen
Formänderungsrate
durchgeführt
wird.
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Die
Erfinder der vorliegenden Erfindung haben verschiedene Versuche
und Studien wiederholt, um die oben erörterten Probleme zu lösen. Als
Ergebnis haben sie entdeckt, daß die
Zusammensetzung von Legierungskomponenten innerhalb eines geeigneten
Bereichs gesteuert werden kann, selbst dann, wenn das Hochtemperaturblasformen
bei einer Formänderungsrate
durchgeführt
wird, die in der Vergangenheit nicht eingestellt worden ist, möglicherweise
kein abnormales Wachsen von Kristallkörnern stattfindet und auch
das Auftreten von Kavitation auf einem Minimum gehalten werden kann.
So haben sie die vorliegende Erfindung erzielt.
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Genauer
gesagt ist als eine erste Ausführungsform
das Aluminiumlegierungsblech für
das Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit der vorliegenden
Erfindung ein Aluminiumlegierungsblech, das eine Aluminiumlegierung
umfaßt,
die zwischen 4% und 5% (Massen-%; gleiches gilt im folgenden) Mg,
zwischen 0,35% und 0,5% Mn und zwischen 0,001% und 0,05% Cr umfaßt und Si
und Fe aufweist, die so geregelt worden sind, daß sie vom Gesamtgewicht her
0,6% oder weniger haben, und einen Cu-Gehalt, der so regelt ist,
daß er
0,15% oder weniger beträgt,
und der Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht; und
für Hochtemperaturblasformen
bei hoher Geschwindigkeit verwendet wird, das bei einer Temperatur
innerhalb des Bereichs zwischen 400°C oder mehr und 550°C oder weniger
bei einem Arbeitsgrad von 65% oder weniger als Reduzierung der Bleckdicke
durchgeführt
wird; wobei das Aluminiumlegierungsblech eine Dehnung von 150% oder
mehr aufweist, wenn eine Hochtemperaturzugverformung bei einer Temperatur
innerhalb des Bereichs zwischen 400°C oder mehr und 550°C oder weniger
und bei einer Formänderungsrate
von 10–2/s oder
mehr angewandet wird, einen Kavitationsbereichsprozentsatz von 2%
oder weniger zum Zeitpunkt der 100%-Zugverformung in der Hochtemperaturzugverformung
aufweist und weiterhin frei von jeglichem abnormalen Kornwachstum
bis auf 100 Mikrometer oder mehr beim Korndurchmesser zum Zeitpunkt
der Hochtemperaturzugverformung ist.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
ist das Aluminiumlegierungsblech für das Hochtemperaturblasformen
bei hoher Geschwindigkeit der vorliegenden Erfindung ein Aluminiumlegierungsblech,
das eine Aluminiumlegierung umfaßt, die zwischen 4% und 5%
Mg, zwischen 0,35% und 0,5% Mn und zwischen 0,001% und 0,05% Cr
umfaßt
und Si und Fe aufweist, die so geregelt worden sind, daß sie vom
Gesamtgewicht her 0,6% oder weniger haben, und einen Cu-Gehalt,
der so geregelt ist, daß er
0,15% oder weniger beträgt,
und der Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht;
und für
Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit verwendet wird,
das bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs zwischen 400°C oder mehr und
550°C oder
weniger und bei einem Arbeitsgrad von 65% oder weniger als Reduzierung
der Bleckdicke durchgeführt
wird;
wobei das Aluminiumlegierungsblech einen Kavitationsbereichsprozentsatz
von 2% oder weniger als ein Produkt aufweist, das dem Hochtemperaturblasformen
bei hoher Geschwindigkeit unterzogen worden ist und frei von jeglichem
abnormalem Kornwachstum auf 100 Mikrometer oder mehr beim Korndurchmesser
während des
Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit ist.
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Gemäß dem Aluminiumlegierungsblech
für das
Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit der vorliegenden
Erfindung findet selbst dann, wenn das Hochtemperaturblasformen
mit einer hohen Formänderungsrate
durchgeführt
wird, möglicherweise
kein abnormales Wachsen von Kristallkörnern während des Formens statt, und
auch die Kavitation tritt möglicherweise
weniger auf, und deshalb können
Komponententeile mit hervorragenden Charakteristiken hinsichtlich äußerem Erscheinungsbild,
statischer Festigkeit und Ermündungscharakteristiken
bei Verwendung in dem Hochtemperaturblasformen für Kraftfahrzeugkomponententeile
und dergleichen erhalten werden.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Legierungstexturfotografie (Vergrößerungen: 100-fach) zum Beschreiben
des abnormalen Wachsens von Kristallkörnern zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens.
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2 eine
schematische Ansicht, die ein Werkzeug für das Blasformen zeigt, in
Beispiel 3 verwendet.
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3 ist
eine schematische Ansicht, die ein in Beispiel 4 gegriffenes Ermüdungsteststück zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Als
Ergebnis wiederholter verschiedener Versuche und Studien an dem
Hochtemperaturblasformen mit einer hohen Formänderungsrate zum Zeitpunkt
des Formens haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung entdeckt,
daß das
Phänomen,
bei dem Kristallkörner
während
des Hochtemperaturblasformens abnormal grob werden, ein Phänomen ist,
das sich von dem Kornwachstum unterscheidet, das unter Formbedingungen
stattfindet, wo das Formen über
eine lange Zeit hinweg durchgeführt
wird, bezüglich
herkömmlicher üblicherweise
erhältlicher
superplastischer Legierungen. Es wird hier in 1 eine
Texturschnittfotografie von Kristallkörnern mit einem abnormalen
Wachstum zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasens gezeigt.
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Die
in 1 gezeigte Textur ist eine, bei der das abnormale
Kornwachstum lokal stattgefunden hat. Die so abnormal gewachsenen
Kristallkörner
weisen einen Durchmesser von 350 μm
oder mehr auf und stehen grobe Kristallkörner mit einer Größe von nicht
weniger als soviel wie dem 10-fachen der von normalen Kristallkörnern. Es
wurde dann bestätigt,
daß ein
derartiges abnormales Kornwachstum nicht stattfindet, wenn das Blasformen
nicht ausgeführt
wird und nur Wärme
einwirkt. Anhand eines derartigen Ergebnisses haben die Erfinder
der vorliegenden Erfindung erkannt, daß die Verhinderung des abnormalen
Wachstums von Kristallkörnern
ein wichtiger Punkt ist beim Ausführen des Hochtemperaturblasformens
in einer kurzen Zeit, die immer unerreichbar gewesen ist. Auf der
Basis dieser Erkenntnis haben sie Studien an dem optimalen Bereich von
Legierungselementen vorgenommen, der keinerlei abnormales Wachstum
von Kristallkörnern
während
eines derartigen kurzzeitigen Hochtemperaturblasformens verursacht,
und an dem Mechanismus dafür,
wo sie die vorliegende Erfindung bewerkstelligt haben. Übrigens
werden hier die Festigkeit und das äußere Erscheinungsbild von Formstücken nicht
so stark beeinträchtigt,
solange gewachsene Kristallkörner
einen Durchmesser von weniger als 100 μm aufweisen. Bei der vorliegenden
Erfindung wird somit ein Fall, bei dem Kristallkörner mit Durchmessern von 100 μm oder mehr
gewachsen sind, mit der Bezeichnung „abnormales Wachstum" definiert.
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Bei
der vorliegenden Erfindung enthält
das Aluminiumlegierungsblech für
Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit als Aluminiumlegierungskomponentenzusammensetzung
insbesondere zwischen 4% und 5% Mg, zwischen 0,35% und 0,5% Mn und
zwischen 0,001% und 0,05% Cr, und weist Si und Fe auf, die so geregelt
worden sind, daß sie
beim Gesamtgewicht (Si + Fe) 0,6% oder weniger betragen, und einen Cu-Gehalt,
der so geregelt ist, daß er
0,15% oder weniger beträgt,
und der Rest aus Al und unvermeidbaren Verunreinigungen besteht.
Eine derartige Zusammensetzungsauswahl ermöglicht die Verhinderung des
abnormalen Wachstums von Kristallkörnern während des bei einer hohen Formänderungsrate
ausgeführten Hochtemperaturblasformens
bei hoher Geschwindigkeit und ermöglicht auch, daß die Kavitation
weniger auftritt, wie entdeckt wurde.
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Der
Grund, weshalb die Aluminiumlegierungskomponentenzusammensetzung
auf den obigen Wert begrenzt ist, wird unten erläutert.
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Mg:
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Das
Mg ist ein Element, das die Formbarkeit bei hoher Temperatur in
dem Aluminiumlegierungsblech bestimmt, und gleichzeitig ein Element,
das dem Produktblech effektiv Festigkeit bei Normaltemperatur verleiht.
Falls das Mg in einem Gehalt von weniger als 4% vorliegt, dann wird
möglicherweise
keine ausreichende Formbarkeit zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens
bei hoher Geschwindigkeit erreicht, und es kann sich auch eine unzureichende
Festigkeit bei Normaltemperatur ergeben. Wenn andererseits das Mg
in einem Gehalt von mehr als 5% vorliegt, dann weist die Legierung
möglicherweise
schwache Walzeigenschaften (Walzbarkeit), insbesondere beim Heißwalzen
auf und kann bemerkenswerterweise einen Bruch während des Heißwalzens
verursachen, was deshalb zu einer niedrigen Materialausbeute führt und
das Material für
Verwendungen ungeeignet macht, bei denen Kosten wichtig sind, wie
bei Materialien für
Kraftfahrzeuge. Wenn außerdem
das Mg in einem Gehalt von mehr als 5% vorliegt, kann das Legierungsblech
möglicherweise
eine hohe Festigkeit gegenüber
Verformung zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens bei hoher
Geschwindigkeit aufweisen, um die Formzeit länger zu machen, was zu einer
niedrigen Produktivität
führt.
Dementsprechend ist der Mg-Gehalt so ausgelegt, daß er innerhalb
des Bereichs zwischen 4% und 5% geregelt wird.
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Mn:
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Das
Mn ist ein Element, das Kristallkörner zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung
mit hoher Temperatur und zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens
bei hoher Geschwindigkeit stabilisiert. Falls das Mn in einem Gehalt
von weniger als 0,35% vorliegt, ist der Effekt des Stabilisierens
von Kristallkörnern,
wie oben angeführt,
möglicherweise
so ungenügend,
daß Kristallkörner zum
Zeitpunkt der Wärmebehandlung
oder zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit
grob werden, so daß das
Material an seiner gleichförmigen
Verformung gehindert wird und auch das erhaltene Produkt kann möglicherweise
ein schlechtes äußeres Erscheinungsbild
aufweisen, was weiterhin zu einer geringen statischen Festigkeit
und Ermüdungsfestigkeit
bei Normaltemperatur führt.
Wenn andererseits das Mn in einem Gehalt von mehr als 0,5% vorliegt,
dann weist möglicherweise
nicht nur das Legierungsblech eine hohe Festigkeit gegenüber Verformung
zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit
auf, um die Formzeit zu verlängern,
was zu einer niedrigen Produktivität führt, sondern auch die Aktion
zum teilweisen Einschränken
der Rekristallisierung aufgrund einer während der Verformung mit einer
hohen Formänderungsrate
induzierten Formänderung
kann zunehmen, und dies beschleunigt möglicherweise unvermeidlich
das abnormale Kornwachstum. Dementsprechend ist der Mn-Gehalt so
ausgelegt, daß er
innerhalb des Bereichs zwischen 0,35% und 0,5% reguliert wird.
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Cr:
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Das
Cr ist wie das Mn ein Element, das Kristallkörner zum Zeitpunkt der Wärmebehandlung
bei hoher Temperatur und zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens
bei hoher Geschwindigkeit stabilisiert. Wenn das Cr in einem Gehalt
von weniger als 0,001% vorliegt, ist ein derartiger Effekt des Stabilisierens
von Kristallkörnern
möglicherweise
so unzureichend, daß Kristall körner zum
Zeitpunkt der Wärmebehandlung
oder zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit
grob werden, so daß das
Material möglicherweise
an seiner gleichförmigen
Verformung gehindert wird und auch das erhaltene Produkt kann ein schlechtes äußeres Erscheinungsbild
aufweisen, was weiter zu niedriger statischer Festigkeit und Dauerfestigkeit
bei Normaltemperatur führt.
Wenn andererseits das Cr in einem Gehalt von mehr als 0,05% vorliegt, weist
möglicherweise
nicht nur das Aluminiumblech eine hohe Festigkeit gegenüber Verformung
zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit
auf, um die Formzeit zu verlängern,
was zu einer niedrigen Produktivität führt, sondern auch die Aktion
zum teilweisen Einschränken
der Rekristallisierung aufgrund von während der Verformung mit einer
hohen Formänderungsrate
eingeleiteten Formänderung
kann zunehmen, und dies kann möglicherweise
das abnormale Kornwachstum unvermeidlich beschleunigen. Dementsprechend
ist der Cr-Gehalt so ausgelegt, daß er innerhalb des Bereichs
zwischen 0,001% und 0,05% reguliert wird.
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Si + Fe:
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Wenn
das Si und das Fe in einem Gehalt von mehr als 0,6% beim Gesamtgewicht
vorliegen, kann eine intermetallische Verbindung vom Al-Fe-Si-Typ
in einer großen
Menge produziert werden, damit die Kavitation als Ergebnis des Formens
stark auftritt. Dementsprechend ist der Si + Fe-Gehalt so ausgelegt,
daß er
bei 0,6% oder weniger reguliert wird.
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Cu:
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Das
Cu ist ein Element, das die Festigkeit bei Normaltemperatur verbessert,
aber gleichzeitig die Korrosionsfestigkeit extrem reduziert. Wenn
insbesondere die Formstücke
nach dem Formen abkühlen
können wie
im Fall des Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit,
kann das Cu während
des Kühlens an
Kristallkorn grenzen grob ausfällen
und unvermeidbar die Korngrenzenkorrosionsfestigkeit oder Anti-Fadenform-Korrosion
reduzieren. Ein derartiges Phänomen
tritt im allgemeinen insbesondere dann auf, wenn der Cu-Gehalt mehr
als 0,15% beträgt.
Dementsprechend ist der Cu-Gehalt
so ausgelegt, daß er
bei 0,15% oder weniger reguliert wird.
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Bei
dem Rest bezüglich
der vorausgegangenen jeweiligen Legierungselemente kann es sich
im Grunde um Al und unvermeidbare Verunreinigungen handeln. Man
beachte jedoch, daß bei üblichen
Aluminiumlegierungen Ti oftmals zugesetzt wird, wenn die Aluminiumlegierungen
gegossen werden, um Gußlegierungen mit
feinen Kristallkörnern
herzustellen. In diesem Fall wird das Ti üblicherweise in Form von Al-Ti,
Al-Ti-B oder Al-Ti-C als übliche
Fälle zugesetzt.
Im Fall auch der vorliegenden Erfindung kann das Ti in einer Menge
zwischen 0,001% und 0,1% zugesetzt werden, was ein üblicherweise
verfügbarer
Bereich ist. Außerdem
kann gleichzeitig zu dem Zustand von Ti B und/oder C in einer Menge
zwischen 0,0001% und 0,05% zugesetzt werden. Bei Al-Mg-Legierungen
wird Be ebenfalls in einigen Fällen
zugesetzt, um Oberflächenoxidation
zu verhindern. Auch im Fall der vorliegenden Erfindung kann Be in
einer Menge zwischen 0,0001% und 0,01% zugesetzt werden, wenn keine
besonderen Schwierigkeiten vorliegen können.
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Das
Aluminiumlegierungsblech für
das Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit der vorliegenden
Erfindung wie oben beschrieben, wird, wie später wieder beschrieben wird,
einem Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit bei einer
Temperatur innerhalb des Bereichs zwischen 400 und 550°C und bei
einer Reduzierung der Blechdicke von 65% oder weniger unterzogen.
Zum Durchführen
des Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit in einer
kurzen Zeit ist es außerdem
wünschenswert,
daß das Blasformen
mit der Geschwindigkeit einer Formänderungsrate von 10–2/s
oder mehr durchgeführt
wird. Beim Aluminiumlegierungsblech für das Hochtemperaturblasformen
bei hoher Geschwindigkeit der vorliegenden Erfindung findet möglicherweise
kein abnormales Kornwachstum während
des Formens selbst bei dem in einer kurzen Zeit bei einer derartigen
hohen Formänderungsrate
ausgeführten
Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit statt, und auch
das Auftreten von Kavitation kann auf einem Minimum gehalten werden.
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Hier
können
die Hochtemperaturformbarkeit des Aluminiumlegierungsblechs, das
abnormale Kornwachstum zum Zeitpunkt des Hochtemperaturblasformens
bei hoher Geschwindigkeit und das Auftreten von Kavitation durch
einen Hochtemperaturzugtest ausgewertet werden. Dementsprechend
wird bei der Erfindung gemäß der ersten
Ausführungsform
die Leistung des Aluminiumlegierungsblechs für Hochtemperaturblasformen
bei hoher Geschwindigkeit durch Testergebnisse ausgewertet, die
in einem Hochtemperaturzugtest erhalten werden, der bei Temperaturen
innerhalb des Bereichs zwischen 400 und 550°C durchgeführt wird. Spezifisch ausgedrückt wurde
definiert, daß das
Aluminiumlegierungsblech eine Dehnung von 150% oder mehr aufweist,
wenn die Hochtemperaturzugverformung bei einer Temperatur innerhalb
des Bereichs zwischen 400°C
oder mehr und 550°C
oder weniger und bei einer Formänderungsrate
von 10–2/s
oder mehr angewendet wird, einen Kavitationsbereichsprozentsatz
von 2% oder weniger zum Zeitpunkt der 100%-Zugverformung in der
Hochtemperaturzugverformung aufweist und weiterhin von jeglichem
abnormalen Kornwachstum oder 100 Mikrometern oder mehr beim Korndurchmesser
zum Zeitpunkt der Hochtemperaturzugverformung frei ist.
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Auswertungspunkte
zum Zeitpunkt eines spezifischen Hochtemperaturblasformens bei hoher
Geschwindigkeit sind ebenfalls in der Erfindung gemäß der zweiten
Ausführungsform
definiert worden. Spezifisch ausge drückt wurde definiert, daß das Aluminiumlegierungsblech
einen Kavitationsbereichsprozentsatz von 2% oder weniger als ein
Produkt aufweist, das bei einer Temperatur innerhalb des Bereichs
zwischen 400°C oder
mehr und 550°C
oder weniger und bei 65% oder weniger als Reduktion der Blechdicke
einem Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit unterzogen
worden ist und frei von jeglichem abnormalen Kornwachstum auf 100
Mikrometer oder mehr beim Korndurchmesser während des Hochtemperaturblasformens bei
hoher Geschwindigkeit ist.
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Es
gibt keine bestimmten Beschränkungen
darüber,
wie das Aluminiumlegierungsblech für das Hochtemperaturblasformen
bei hoher Geschwindigkeit der vorliegenden Erfindung produziert
wird. Bevorzugt wird das folgende Verfahren verwendet.
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Das
heißt,
nach dem DC-Casting (Direct-Chill-Casting) wird die erhaltene Gießlegierung
einer homogenisierenden Behandlung bei einer Temperatur innerhalb
des Bereichs zwischen 450°C
und 550°C
unterworfen, dann einem Walzen von 98% oder mehr durch Heißwalzen
und danach einem Walzen von 50% oder mehr durch Kaltwalzen unterzogen.
Hier kann ein Zwischenglühen
zum Verbessern der Walzbarkeit nach dem Kaltwalzen oder in der Mitte
des Kaltwalzens durchgeführt
werden. Nachdem das Kaltwalzen beendet worden ist, kann das erhaltene
gewalzte Blech dem Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit
unterzogen werden, wie es kaltgewalzt gestanden hat, oder einem
Glühen,
da eine Rekristallisierungswärmebehandlung vor
dem Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit ausgeführt werden
kann. Verfahren zum Glühen
können
in diesem Fall beinhalten (sind aber nicht darauf beschränkt): elektromagnetisches
Erhitzen, Elektrifizierungserhitzen, Infraroterhitzen, Heißlufterhitzen
und Erhitzen in Kontakt mit einem Hochtemperaturobjekt. Um anfängliche
rekristallisierte Körner
fein gleichförmig
zu machen, wird bevorzugt eine schnelle Erhitzung von 5°C/Sekunde
oder mehr angewendet.
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Beim
eigentlichen Ausführen
des Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit an dem Aluminiumlegierungsblech
für Hochtemperaturblasformen
bei hoher Geschwindigkeit der vorliegenden Erfindung wird wie oben
festgestellt die Blasformtemperatur innerhalb des Bereichs zwischen
400 und 550°C
eingestellt und auch der Arbeitsgrad wird als Ergebnis des Blasformens
auf 65% oder weniger eingestellt. Außerdem kann die Formänderungsrate
bei dem Blasformen bei hoher Geschwindigkeit bevorzugt auf 10–2/s
oder mehr eingestellt sein.
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Diese
Bedingungen für
das Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit werden als
nächstes
beschrieben.
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Wenn
zuerst die Formtemperatur bei dem Hochtemperaturblasformen bei hoher
Geschwindigkeit unter 400°C
liegt, kann das Material einen hohen Widerstand gegenüber Verformung
und außerdem
eine niedrige Formbarkeit aufweisen, und somit erschwert dies das
Ausführen
des Hochgeschwindigkeitsblasformens. Wenn andererseits die Formtemperatur über 550°C liegt,
verflüssigt
sich das Material möglicherweise
lokal, und die Kavitation kann stark auftreten. In einem Extremfall
besteht eine Möglichkeit,
daß das
Aluminiumlegierungsblech während
des Blasformens aufreißt
und zudem kann das lokale abnormale Kornwachstum beschleunigt werden.
Dementsprechend wird die Blasformtemperatur innerhalb des Bereichs
zwischen 400 und 550°C
eingestellt.
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Auch
der Arbeitsgrad des Hochtemperaturblasformens bei hoher Geschwindigkeit
wird auf 65% oder weniger als Reduzierung der Blechdicke eingestellt.
Wenn die Reduzierung der Blechdicke über 65% liegt, besteht eine
Möglichkeit,
daß das
Aluminiumlegierungsblech lokal aufreißt und unformbar wird. Bei
der vorliegenden Erfindung ist das Formen bei einer Reduzierung
der Blechdicke von Hunderten von Prozenten (%) bei dem sogenannten
superplastischen Formen nicht beabsichtigt, und das Formen bei der
Reduzierung der Blechdicke von bis zu 65% reicht aus für das Formen
für übliche Kraftfahrzeugkomponententeile
oder ähnliches.
Andererseits ist beim Blasformen für übliche Kraftfahrzeugkomponententeile üblicherweise
ein Arbeitsgrad von 40% oder mehr als Reduktion bei der Blechdicke
erwünscht,
wobei je größer das
Verformungsniveau ist, um so stärker
die Kavitation auch auftreten kann. Dementsprechend ist als ein
Index der Kavitation der Kavitationsbereichsprozentsatz zum Zeitpunkt
des bei der Reduzierung der Blechdicke von 65% oder weniger ausgeführten Hochtemperaturblasformens
bei hoher Geschwindigkeit so ausgelegt, daß er bei 2% oder weniger gesteuert
werden kann, wie oben festgestellt. Wenn der Kavitationsbereichsprozentsatz
mehr als 2% beträgt, kann
ein derartiges Aluminiumlegierungsblech die Nachformcharakteristiken
stark verschlechtern, z.B. statische Festigkeits- und Ermüdungscharakteristiken.
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Zusätzlich hinsichtlich
der Formänderungsrate
bei dem Hochtemperaturblasformen bei hoher Geschwindigkeit, wenn
sie unter 10–2/s
liegt, läßt sich
der Effekt des Verkürzens
der Formzeit zur Verbesserung der Produktivität nicht erzielen im Vergleich
zu dem Formen, das herkömmliche
superplastische Legierungen verwendet. Um die beabsichtigten Aufgaben
zu erreichen, wird dementsprechend bevorzugt, daß Hochtemperaturblasformen
bei hohen Geschwindigkeit mit einer hoher Geschwindigkeit einer
Formänderungsrate
von 10–2/s
oder mehr auszuführen.
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BEISPIELE
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Beispiele
der vorliegenden Erfindung sind unten zusammen mit Vergleichsbeispielen
angegeben. Die folgenden Beispiele sind übrigens nicht mehr als jene,
die den Effekt der vorliegenden Erfindung demonstrieren, und natürlich sind
die in jedem Beispiel dargelegten Bedingungen keineswegs solche,
die den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung beschränken.
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Beispiel 1
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Hinsichtlich
Legierungen, die zusammengesetzt waren, wie durch Legierungssymbole
a bis h in Tabelle 1 gezeigt, wurden sie über ein herkömmliches
Verfahren zu Barren geformt, die dann einem DC-Casting unterzogen
wurden. Die so erhaltenen DC-Gußstücke mit
einer Dicke von 550 mm wurden einer homogenisierenden Behandlung
bei 480°C
unterworfen. Danach wurden diese jeweils einem Heißwalzen
von 99% in Walzprozent unterzogen und dann einem Kaltwalzen unterzogen
(Kaltwalzprozentsatz: 70%), damit sie eine Blechdicke von 1,5 mm
aufweisen. Nach dem Kaltwalzen wurden einige der Materialien (Materialien
entsprechend Test-Nrn. 13 bis 15 in Tabelle 2 und Form-Nrn. 13 bis
15 in Tabelle 3), keiner Rekristallisierungswärmebehandlung unterzogen, da
sie kaltgewalzt gestanden hatten. Hinsichtlich der übrigen Materialien
(Materialien entsprechend Test-Nrn. 1 bis 12 in Tabelle 2 und Form-Nrn.
1 bis 12 in Tabelle 3) wurden sie einer Rekristallisierungswärmebehandlung
durch eine kontinuierliche 500°C-Glühstraße unterzogen
(Erhitzungsrate: 15°C/Sekunde).
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Aus
den so erhaltenen Aluminiumlegierungsblechen (Produktblechen) wurden
Zugteststücke
(Meßlänge: 15
mm) ausgeschnitten, und Hochtemperaturzugtests wurden gemäß JIS H
7501 bei verschiedenen Temperaturen und verschiedenen Formänderungsraten
durchgeführt,
um die Dehnung zu untersuchen und auch den Kavitationsbereichsprozentsatz
bei 100% Dehnung zu untersuchen. Die erhaltenen Ergebnisse sind in
Tabelle 2 gezeigt.
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Wie
in Tabelle 2 gezeigt, wurde bei einer Legierung a, die innerhalb
des Komponentenzusammensetzungsbereichs der vorliegenden Erfindung
liegt, eine große
Dehnung bei einem Hochratenzug von 1 × 10–2/Sekunde,
5 × 10–2/Sekunde
und sogar bei 1 × 10–1/Sekunde
erzielt, wenn die Zugtests bei Temperaturen innerhalb des Bereichs
zwischen 400 und 550°C
durchgeführt
wurden (Test-Nrn. 1 bis 3 und 13 bis 15). Im Gegensatz dazu zeigte
sogar Legierung a, die in den Schutzbereich der vorliegenden Erfindung
fällt,
eine geringe Dehnung, wenn die Zugtemperatur unter 400°C lag (Test-Nr.
4), und, zeigte, wenn andererseits die Zugtemperatur über 550°C lag (Test-Nr.
5), eine hohe Dehnung, führte
aber zu einem größeren Kavitationsbereichsprozentsatz.
Dabei zeigten Materialien eine geringe Dehnung auch dann, wenn der
Mn-Gehalt oder der Mg-Gehalt klein war (Legierungen b und g) und
wenn der Fe + Si-Gehalt groß war
(Legierung e). Wenn der Mn-Gehalt oder der Cr-Gehalt, Cu-Gehalt
oder Mg-Gehalt groß ist
(Legierungen c, d, f und h), zeigte es sich übrigens, daß keine von ihnen bei der Dehnung
und dem Kavitationsbereichsprozentsatz zum Zeitpunkt des Zugtests besonders
unterlegen waren.
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Beispiel 2
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Aus
den in Beispiel 1 erhaltenen Materialien wurden jeweils Blasformteststücke (Quadrate
von 200 mm in jeder Seite) ausgeschnitten, und das Hochtemperatur blasformen
bei hoher Geschwindigkeit wurde unter Verwendung eines auf 480°C erhitzten
Werkzeugs mit einem Durchmesser von 100 mm durchgeführt. Um die
Blasformbarkeit zu bewerten, wurde die Mindestblechdicke beim Bruch
gemessen, um die Reduktion bei der Blechdicke zu berechnen. Außerdem wurden
Kristallkörner
aus geformten Stücken über Königswasserätzen ermittelt,
um Makrostrukturen der Oberflächen
zu beobachten und teilweise mikroskopische Beobachtung der Schnitte
anzufertigen. Weiterhin wurde der Kavitationsbereichsprozentsatz
bei Bruch durch ein herkömmliches
Verfahren untersucht (die Flächenmethode).
Erhaltene Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
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Wie
in Tabelle 3 gezeigt, wo die Teststücke von Legierung a, die innerhalb
des Komponentenzusammensetzungsbereichs der vorliegenden Erfindung
liegt, einem Blasformen bei Temperaturen innerhalb des Bereichs
zwischen 400 und 550°C
ausgesetzt wurden (Test-Nrn. 1 bis 3 und 13 bis 15), wurde die Reduktion
bei der Blechdicke beim Bruch mit der Zeit des Formens größer, doch
war eine ausreichende Reduktion bei der Blechdicke selbst durch
das nur für
4 Minuten ausgeführte
Blasformen erreichbar. Wenn andererseits die Blasformtemperatur
niedrig war (Test-Nr. 4), hatte der Bruch zu einem Zeitpunkt stattgefunden,
wo die Reduktion bei der Blechdicke gering war. Wenn die Blasformtemperatur
zu hoch war (Test-Nr. 5), obwohl die Reduktion bei der Blechdicke
groß war,
ergab sich außerdem
ein sehr großer
Kavitationsbereichsprozentsatz. Zudem betrug auch dort, wo der Mn-Gehalt
oder der Mg-Gehalt gering war (Legierungen b und g) und wo der Fe
+ Si-Gehalt groß war
(Legierung e), die Reduktion bei der Blechdicke beim Bruch zum Zeitpunkt
des Blasformens nicht über
40%. Somit stellten sich diese für
das Formen von Komponententeilen mit komplizierter Gestalt als nicht dauerhaft
heraus. Dabei war, wenn der Mn-Gehalt oder der Cr-Gehalt zu groß ist (Legierungen
c und d), die Blasformbarkeit so gut wie die Legierung der vorliegenden
Erfindung, doch hatte ein abnormales Kornwachstum lokal stattgefunden.
Wenn der Mg-Gehalt zu groß ist
(Legierung h), wurde die Verformung wegen einer hohen Verformungsfestigkeit
nicht fortgesetzt, was zu einer geringen Reduktion bei der Blechdicke
führte
(übrigens
sind in der Tabelle sowohl die Reduktion bei der Blechdicke als
auch der Kavitationsbereichsprozentsatz als Meßwerte in dem Zustand gezeigt,
wo es bei der Probe zu keinem Bruch kam, weil nur die Probe von
Legierung h von Form-Nr. 12 unter dieser Bedingungen nicht brach).
Wo der Cu-Gehalt groß war
(Legierung f), war die Blasformbarkeit gut, und auch fand keinerlei
abnormales Kornwachstum statt.
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Beispiel 3
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Hinsichtlich
der eine Reduzierung bei der Blechdicke zeigenden Materialien, die
so gut wie 45% oder mehr in Beispiel 2 war (Legierungen a, c, d
und f, die alle jene waren, die nach dem Kaltwalzen einer Rekristallisierungswärmebehandlung
unterzogen wurden), wurde ein Negativwerkzeug-Blasformen unter Verwendung
eines Werkzeugs mit der in 2 gezeigten
Gestalt durchgeführt. Übrigens
betrugt die Reduktion bei der Blechdicke am unteren flachen Abschnitt
nach dem Blasformen zwischen 41% und 43%.
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JIS-Nr.
13B-Zugteststücke
wurden von den Formstücken
an ihren Positionen von Bodendiagonalen nach dem Blasformen herausgegriffen,
und Zugtests wurden gemäß JIS Z
2241 durchgeführt,
um mechanische Normaltemperatureigenschaften nach dem Blasformen
zu messen [TS: Zugfestigkeit (Mpa); YS: Fließgrenze (Mpa); EL: Dehnung
(%)]. Außerdem
wurden Korrosionsfestigkeitsauswertungsproben aus den Formstücken an
ihren Böden
herausgegriffen, um einen Korrosionsfestigkeitstest gemäß JIS Z
2371 durchzuführen. Bei
dem Korrosionsfestigkeitstest wurde als ein Zyklus „für einen
Tag bei 35°C
im Salznebel (5% NaCl) – für 5 Tage
in einer Umgebung von 40°C/85%
RH – im
Raum für
einen Tag in einem Raum lassend" eingestellt.
Nach 8 Zyklen wurde die maximale fadenförmige Korrosionslänge (mm)
untersucht, wobei eine maximale fadenförmige Korrosionslänge von
1,5 mm oder weniger als gut beurteilt wurde. Zur weiteren Untersuchung
von Ermüdungscharakteristiken
wurden Proben mit jeweils der in 3 gezeigten
Gestalt aus den Formstücken
an ihren Positionen von Bodendiagonalen ausgeschnitten. Ein axialer
Ermüdungstest
wurde gemäß JIS Z
2273 bei einer Frequenz von 30 Hz durchgeführt, und die in einer Reihe
von Zyklen von 107-fachem oder mehr bis
zum Bruch ausgeübte
Beanspruchung, d.h. Ermüdungsfestigkeit
(MPa) wurde gemessen. An diesen erhaltene Ergebnisse sind in Tabelle
4 gezeigt.
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Wie
in Tabelle 4 gezeigt, wo die Teststücke von Legierung a der vorliegenden
Erfindung dem Blasformen bei Temperaturen innerhalb des Bereichs
zwischen 400 und 550°C
unterzogen wurden (Form-Nrn. 21 bis 23), waren ihre mechanischen
Normaltemperatureigenschaften nach dem Blasformen im wesentlichen
die gleichen wie jene von Materialblechen, die nicht dem Blasformen
unterzogen worden waren. Wenn andererseits das Blasformen bei einer
hohen Temperatur von 560°C
ausgeführt
wurde und viel Kavitation auftrat (Form-Nr. 24), verschlechterten
sich die mechanischen Normaltemperatureigenschaften nach dem Blasformen.
Dabei fand, wenn die Materialien mit großem Mn-Gehalt und Cr-Gehalt
(Legierungen c und d) verwendet wurden, das abnormale Kornwachstum
statt, und somit verschlechterten sich die mechanischen Normaltemperatureigenschaften
nach dem Blasformen. Auch änderte
sich hinsichtlich des Materials mit einem großen Cu-Gehalt (Legierung f) wenig
bei den mechanischen Normaltemperatureigenschaften nach dem Blasformen, war
aber hinsichtlich der Korrosionsfestigkeit unterlegen.
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Weiterhin
war hinsichtlich der Ermüdungscharakteristiken
die 107-fache Ermüdungsfestigkeit gleich der
der ungeformten Materialbleche, wo das Blasformen bei Temperaturen
innerhalb des Bereichs zwischen 400 und 550°C durchgeführt wurde (Form-Nrn. 21 bis
23). Wenn jedoch das Blasformen bei 560°C durchgeführt wurde und viel Kavitation
auftrat (Form-Nr. 24), zeigte die Probe eine niedrige 107-fache Ermüdungsfestigkeit nach dem Blasformen.
Wenn die Materialien mit einem großen Mn-Gehalt und Cr-Gehalt (Legierungen c
und d) verwendet wurden, fand das abnormale Kornwachstum statt,
was zu einer niedrigeren 107-fachen Ermüdungsfestigkeit
nach dem Blasformen führte.
