DE102008010157A1

DE102008010157A1 - Aluminiumlegierung und Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE102008010157A1
Application number: DE102008010157A
Authority: DE
Inventors: Erich Hoch
Original assignee: Broekelmann Aluminium F W; Fw Brokelmann Aluminiumwerk & Co KG GmbH
Current assignee: Broekelmann Aluminium F W; Fw Brokelmann Aluminiumwerk & Co KG GmbH
Priority date: 2008-02-20
Filing date: 2008-02-20
Publication date: 2009-09-03
Also published as: EP2103701B1; ATE470731T1; ES2346828T3; PT2103701E; DE502009000030D1; PL2103701T3; DK2103701T3; EP2103701A1

Abstract

Beschrieben ist eine Aluminiumlegierung, insbesondere zur Verarbeitung in Strangpreßverfahren, die gekennzeichnet ist durch folgende Zusammensetzung in Masse-%: Si 0,68-0,77, Fe 0,16-0,24, Cu 0,24-0,32, Mn 0,68-0,77, Mg 0,58-0,67, Cr < 0,04, Zn < 0,1, Ti < 0,1, V < 0,04, Sonstige (gesamt) < 0,3 und Al Rest.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung, insbesondere zur Verarbeitung im Strangpreßverfahren und ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer solchen Aluminiumlegierung, wobei ein aus der Aluminiumlegierung hergestelltes Halbzeug durch Erhitzen homogenisiert wird, das homogenisierte Halbzeug auf Einsatztemperatur und durch Warmverarbeitung auf Produktform gebracht wird.
Aluminiumlegierungen sind seit langem mit unterschiedlichen Eigenschaften und für ganz unterschiedliche Verwendungszwecke im Bereich der Metallverarbeitung bekannt. Aufgrund seiner geringen Dichte ist Aluminium als Metall grundsätzlich interessant im Transportmittelbau, speziell bei solchen Transportmitteln, die ihre eigene Masse mitbeschleunigen müssen, deren Masse also entscheidend den Energieverbrauch des Transportmittels mitbestimmt. Aluminium ist deshalb als Werkstoff im Fahrzeug- und Flugzeugbau zunehmend von Interesse.
Der vorteilhaften geringen Dichte von Aluminium steht eine geringe Festigkeit und eine vergleichsweise hohe Sprödigkeit (geringes Streckgrenzenniveau und geringe Duktilität) gegenüber.
Diese insbesondere für Anwendungen im Karosseriestrukturbereich nachteiligen Eigenschaften des reinen Aluminiums können durch geringe Stoffbeimengungen bei Aluminiumlegierungen vermieden werden, wobei mit Aluminiumlegierungen Festigkeiten erzielt werden können, die denen von Stahl nahekommen. Es ist bekannt, Aluminium im Bereich von insgesamt wenigen Masse-% andere Elemente, insbesondere Metalle, wie z. B. Eisen, Silizium, Kupfer, Titan, Mangan etc., beizumengen.
Die Zusammensetzung der Aluminiumlegierung an sich wie auch die weitere Behandlung der Aluminiumlegierung hat entscheidenden Einfluß darauf, welche Festigkeits- und Korrosionseigenschaften die Aluminiumlegierung aufweist. Geringe Änderungen in der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung können überraschende Veränderungen in den mechanischen Eigenschaften der Aluminiumlegierung zur Folge haben.
Zunehmend interessant ist die Verwendung von Aluminiumlegierungen für Profilelemente im Karosseriestrukturbereich, also in jenem Bereich, in dem teils erhebliche Kräfte von den Strukturteilen aufgenommen werden müssen, sei es im normalen Betriebsfall oder sei es im irreversiblen Deformationsfall. Im letzteren Fall darf das Material nicht spröde sein, der Materialzusammenhang sollte bei der Deformation jedenfalls im kleinen Maßstab erhalten bleiben, so daß große Energien durch die Deformation aufgenommen werden können.
Neben den Festigkeitseigenschaften einer Aluminiumlegierung, die insbesondere durch eine geeignete Nachbehandlung erzielbar sind, ist auch die Verarbeitbarkeit der Aluminiumlegierung von Interesse. So sind einerseits beispielsweise Aluminiumknetlegierungen bekannt, die gut zur Warm- und Kaltumformung verwendbar sind und andererseits Aluminiumgußlegierungen, die zur Verwendung mit Gießverfahren geeignet sind, einer Umformung jedoch nur sehr eingeschränkt unterworfen werden können. Weitere Legierungen eignen sich wiederum zum Aushärten durch Alterungsglühen, andere – je nach Zusammensetzung – wiederum nicht.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Aluminiumlegierung anzugeben, die zur Warmverarbeitung geeignet ist und mit der kritische Fließspannungen erzielbar sind, die den Anforderungen im Fahrzeugbau entsprechen, insbesondere kritische Fließspannungen von im wesentlichen mehr als 280 MPa. Es ist ferner Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer solchen Aluminiumlegierung anzugeben, das diesen Anforderungen entspricht.
Die aufgezeigte Aufgabe ist erfindungsgemäß zunächst und im wesentlichen bei der in Rede stehenden Aluminiumlegierung dadurch gelöst, daß die Aluminiumlegierung die folgenden Legierungselemente in der folgenden Zusammensetzung in Masse-% aufweist:
Si 0,68–0,77,
Fe 0,16–0,24,
Cu 0,24–0,32,
Mn 0,68–0,77,
Mg 0,58–0,67,
Cr < 0,04,
Zn < 0,1,
Ti < 0,1,
V < 0,04,
sonstige Bestandteile (gesamt) < 0,3 und
Al Rest.
Eine solche Aluminiumlegierung ist hervorragend für die Warmverarbeitung geeignet und ist so nachbehandelbar, daß sich ohne weiteres kritische Fließspannungen R_p0,2 von mehr als 280 MPa erzielen lassen. Von besonderem Vorteil ist auch, daß eine solche Aluminiumlegierung außergewöhnlich gute Eigenschaften hinsichtlich seiner Verarbeitbarkeit durch ein Strangpreßverfahren aufweist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung dürfen die Legierungselemente nur in einem geringeren Toleranzbereich variieren, wodurch die Festigkeitseigenschaften mit einer größeren Prozeßsicherheit erzielt werden können; umgekehrt wachsen die Anforderungen bei der Herstellung der Aluminiumlegierung selbst. Eine solche Aluminiumlegierung enthält die bereits genannten Legierungselemente, die in den folgenden Toleranzbereichen in Masse-% liegen:
Si 0,70–0,75,
Fe 0,18–0,22,
Cu 0,26–0,30,
Mn 0,70–0,75,
Mg 0,60–0,65,
Cr < 0,02,
Zn < 0,05,
Ti < 0,05,
V < 0,02,
sonstige Bestandteile (gesamt) < 0,15 und
Al Rest.
Es hat sich bei weiteren Ausgestaltungen der Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Einzelanteile der "sonstigen Bestandteile" weniger als 0,1 Masse-% ausmachen. Durch diese Randbedingungen wird sichergestellt, daß die – unvermeidlichen – Verunreinigungen eines bestimmten Stoffes in einen Bereich kommt, der in der Lage ist, die Materialeigenschaften der Aluminiumlegierung insgesamt zu beeinflussen. Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Einzelanteile der sonstigen Bestandteile sogar weniger als 0,05 Masse-%, ganz bevorzugt sogar weniger als 0,02 Masse-% an der Aluminiumlegierung insgesamt ausmachen.
Es ist eingangs ausgeführt worden, daß die Materialeigenschaften einer Aluminiumlegierung nicht nur von der Zusammensetzung der Aluminiumlegierung als solcher abhängen, sondern auch von der Be- und Verarbeitung des aus der Aluminiumlegierung bestehenden Halbzeugs.
Die Erfindung betrifft daher ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Aluminiumlegierung, wobei die Aluminiumlegierung in der zuvor genannten Zusammensetzung ausgestaltet ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird das aus der Aluminiumlegierung bestehende Halbzeug, das beispielsweise in Form von Bolzen vorliegen kann, homogenisiert, indem es über einen Zeitraum von im wesentlichen 3 bis 5 Stunden im Temperaturbereich von 550°C und 590°C gehalten wird, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 560°C und 580°C, wobei es besonders bevorzugt ist, wenn die Temperatur innerhalb der Homogenisierungsphase fest in den angegebenen Temperaturbereichen eingestellt wird.
Die Homogenisierung wird vorzugsweise so durchgeführt, daß das homogenisierte Halbzeug eine Korngröße von weniger als 150 μm aufweist oder eine Korngröße von G = 5 gemäß ASTM E112 aufweist (ASTM = American Society for Testing and Materials: internationale Standardisierungsorganisation; der Standard E112 befaßt sich mit einer standardisierten Methode zur Bestimmung der mittleren Korngröße bei Metallen).
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das – homogenisierte – Halbzeug zur Warmbearbeitung auf eine Einsatztemperatur im Bereich von im wesentlichen 450°C bis 500°C gebracht, wobei bevorzugt eine Einsatztemperatur im Bereich von im wesentlichen 470°C bis etwa 500°C gewählt wird. Bei dieser Temperatur kann die hier in Rede stehende Aluminiumlegierung werkzeugschonend verarbeitet werden, ohne die zuvor durch die Homogenisierung erreichten vorteilhaften Materialeigenschaften zu gefährden.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Warmbearbeitung des Halbzeugs durch Strangpressen, wobei sich hier Preßgeschwindigkeiten im Bereich von im wesentlichen 4 m/min bis 10 m/min als vorteilhaft herausgestellt haben. Der Wert der Preßgeschwindigkeit hängt von der zu erzielende Profilgeometrie ab, also unter anderem von der in der Matrize zu leistenden Umformarbeit. Eine Preßgeschwindigkeit im Bereich von 6 m/Min bis 8 m/Min hat sich dabei als besonders vorteilhaft erwiesen, wobei sich eine Preßgeschwindigkeit von 6 m/Min für die meisten Anwendungsfälle als geeignet erwiesen hat.
Es hat sich herausgestellt, daß die auf die Warmverformung folgende Abkühlung des Produkts von erheblicher Bedeutung für die erzielten Materialeigenschaften des Produkts ist. Es hat sich vor allem herausgestellt, daß eine besonders rasche Abkühlung des Produkts nach der Warmbearbeitung förderlich ist, insbesondere eine Abkühlung mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –20°C/s, bevorzugt wird eine noch größere Abkühlungsgeschwindigkeit mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –40°C/s, wobei besonders vorteilhaft ein Temperaturgradient von wenigstens –50°C/s ist. Die durch die Abkühlung erzielte Beeinflussung der Materialeigenschaften des zuvor warmbearbeiteten Produkts ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens dann besonders effektiv, wenn die Abkühlung des Produkts auf eine Temperatur von im wesentlichen unter 100°C erfolgt.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Festigkeit des Produkts durch abschließendes Härten erhöht, insbesondere durch Auslagerung des Produkts über einen Zeitraum von im wesentlichen 1 bis 3 Stunden, vorzugsweise von weniger als 2 Stunden, in einem Temperaturbereich von im wesentlichen 100°C bis 210°C, wobei ein Temperaturbereich von 200°C bis 210°C bevorzugt wird. Die Härtung erfolgt insbesondere dadurch, daß in den angegebenen Temperaturbereichen eine Temperatur über die Dauer der Auslagerung hinweg fest gewählt wird.
Aufgrund der hervorragenden Eigenschaften der hier beschriebenen Aluminiumlegierung hinsichtlich Festigkeit, Duktilität und Korrosion, die die gängigen technischen Lieferrichtlinien von Karosseriestrukturbauteilen im Fahrzeugbau sämtlich erfüllen, wird das zuvor geschilderte Verfahren insbesondere verwendet, um als Produkt Strangpreßprofile im Karosseriestrukturbau herzustellen.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung und die bevorzugte Ausgestaltung eines Verfahrens zur weiteren Verarbeitung dieser Aluminiumlegierung zu einem Produkt dargestellt. Verwendet wird eine Aluminiumlegierung mit der folgenden Zusammensetzung in Masse-%:
Si 0,71,
Fe 0,22,
Cu 0,28,
Mn 0,71,
Mg 0,63,
Cr 0,0014,
Zn 0,0071,
Ti 0,0346,
V 0,0059,
sonstige Bestandteile (gesamt) 0,15 und
Al Rest.
Aus der angegebenen Aluminiumlegierung wird ein Halbzeug in Form eines Aluminiumbolzens mit einem Durchmesser von 200 mm angefertigt. Dieser Aluminiumbolzen wird 5 Stunden bei 570°C homogenisiert, woraus ein gleichmäßig feinkörniges Gußgefüge resultiert, das globulitisch und feinzellig über den gesamten Querschnitt ist; die erzielte Korngröße ist deutlich geringer als 150 μm.
Aufgrund des hier durch Strangpressen herzustellenden Produkts mit einer tief eingeschnittenen Profilstruktur und aufgrund des großen Durchmessers des warm zu verarbeitenden Aluminiumbolzens wird der Aluminiumbolzen auf eine Einsatztemperatur von im wesentlichen 500°C gebracht, wobei die Verarbeitung des Bolzens durch Strangpressen bei einer Profilpreßgeschwindigkeit von im wesentlichen 6 m/min erfolgt.
Das nunmehr als Profil vorliegende Produkt wird schnellstmöglich von etwa 530°C abgekühlt auf unter 100°C, im vorliegenden Fall innerhalb von weniger als 10 Sekunden. Die schroffe Profilabkühlung ist wesentlich für die im Karosseriestrukturbau notwendigerweise zu erzielenden Materialeigenschaften.
Das so erhaltene Strangpreßprofil wird abschließend über eine Stunde hinweg bei 205°C ausgehärtet. Das resultierende Material weist eine Streckgrenze R_p0,2 von deutlich mehr als 280 MPa auf und ist in der Lage, auch bei Crashtest-Belastungen Deformationsarbeit aufzunehmen, ohne den inneren Zusammenhalt zu verlieren – also ohne zu zerreißen –, was sowohl im kleinen als auch im großen Maßstab zutrifft.

Claims

Aluminiumlegierung, insbesondere zur Verarbeitung im Strangpreßverfahren, gekennzeichnet durch eine Zusammensetzung in Masse-% von: Si 0,68–0,77, Fe 0,16–0,24, Cu 0,24–0,32, Mn 0,68–0,77, Mg 0,58–0,67, Cr < 0,04, Zn < 0,1, Ti < 0,1, V < 0,04, sonstige Bestandteile (gesamt) < 0,3 und Al Rest.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Toleranzbereiche für die Anteile in Masse-% kleiner sind, nämlich betragen: Si 0,70–0,75, Fe 0,18–0,22, Cu 0,26–0,30, Mn 0,70–0,75, Mg 0,60–0,65, Cr < 0,02, Zn < 0,05, Ti < 0,05, V < 0,02, sonstige Bestandteile (gesamt) < 0,15 und Al Rest.
Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelanteile der sonstigen Bestandteile weniger als 0,1 Masse-%, insbesondere weniger als 0,05 Masse-%, ganz bevorzugt weniger als 0,02 Masse-% ausmachen.
Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Aluminiumlegierung, wobei ein aus der Aluminiumlegierung hergestelltes Halbzeug durch Erhitzung homogenisiert wird – Homogenisierungsglühen –, das homogenisierte Halbzeug auf Einsatztemperatur und durch Warmbearbeitung auf Produktform gebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumlegierung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgestaltet ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug – insbesondere in Form von Bolzen – homogenisiert wird, indem es über einen Zeitraum von im wesentlichen drei bis fünf Stunden im Temperaturbereich zwischen 550°C und 590°C gehalten wird, insbesondere im Temperaturbereich zwischen 560°C und 580°C, vorzugsweise auf einer festen Temperatur in den angegebenen Temperaturbereichen.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Homogenisierung des Halbzeugs zu einer Korngröße von weniger als 150 μm führt oder nach ASTM E 112 zu einer Korngröße von G = 5 oder höher.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Halbzeug zur Warmbearbeitung auf eine Einsatztemperatur im Bereich von im wesentlichen 450°C bis 500°C gebracht wird, vorzugsweise auf eine Einsatztemperatur von im wesentlichen 470°C bis etwa 500°C.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Warmbearbeitung des Halbzeugs durch Strangpressen erfolgt, insbesondere bei einer Preßgeschwindigkeit im Bereich von im wesentlichen 4 m/min bis 10 m/min, insbesondere bei einer Preßgeschwindigkeit im Bereich von im wesentlichen 6 m/min bis 8 m/min.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt nach der Warmbearbeitung schnell abgekühlt wird, insbesondere mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –20°C/s, vorzugsweise mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –40°C/s, ganz bevorzugt mit einem Temperaturgradienten von wenigstens –50°C/s abgekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abkühlung des Produkts auf eine Temperatur von im wesentlichen unter 100°C erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt abschließen gehärtet wird, insbesondere durch Auslagerung über einen Zeitraum von im wesentlichen 1 bis 3 Stunden, vorzugsweise von weniger als zwei Stunden, in einem Temperaturbereich von im wesentlichen 190°C bis 210°C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von im wesentlichen 200°C bis 210°C, vorzugsweise bei einer im wesentlichen festen Temperatur im angegebenen Temperaturbereich.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 8 bis 10, zur Herstellung eines Strangpreßprofils im Karosseriestrukturbau.