DE102012010714A1

DE102012010714A1 - Producing an aluminum molded part, comprises partially heating a sheet made of an aluminum alloy at a forming location, reshaping the sheet, and heating the reshaped sheet by infrared or laser radiation or inductive or conductive heating

Info

Publication number: DE102012010714A1
Application number: DE201210010714
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Füller; Wolfgang Kleinekathöfer; Jialin Shen
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2012-12-20

Abstract

The process comprises partially heating a high-strength sheet made of 5000-, 6000- or 7000 series aluminum alloy at a forming location, reshaping the aluminum sheet, and heating the reshaped sheet by infrared or laser radiation or by inductive or conductive heating. A roller coated with titanium nitride, aluminum oxide, zirconium oxide, carbides or borides is used for forming a rolling tool. The aluminum sheet is: hot rolled and annealed between two forming stages when the sheet is made of 5000 series aluminum alloy; and cold rolled and then subjected to a shock-heat-treatment. The process comprises partially heating a high-strength sheet made of 5000-, 6000- or 7000 series aluminum alloy at a forming location, reshaping the aluminum sheet, and heating the reshaped sheet by infrared or laser radiation or by inductive or conductive heating. A roller coated with titanium nitride, aluminum oxide, zirconium oxide, carbides or borides is used for forming a rolling tool. The aluminum sheet is: hot rolled and annealed between two forming stages when the sheet is made of 5000 series aluminum alloy; cold rolled and then subjected to a shock-heat-treatment when the sheet is made of 6000- or 7000 series-aluminum alloy; and hot rolled when the sheet is made of 5000- or 6000-series aluminum alloy. The 6000 series aluminum alloy is heated to a temperature of 250-350[deg] C, and the 7000 series aluminum alloy is heated to a temperature of 175-200[deg] C. The 6000 series aluminum alloy or the 7000 series aluminum alloy is heated for less than 5 seconds. An independent claim is included for a rolling tool.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumformteils, bei welchem ein Aluminiumblech zumindest bereichsweise erwärmt und anschließend umgeformt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Walzwerkzeug zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.The present invention relates to a method for producing an aluminum molding in which an aluminum sheet is at least partially heated and then reshaped, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a rolling tool for carrying out the method according to the invention.

Aus der DE 10 2009 031 449 A1 ist ein gattungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumformteils bekannt, bei welchem ein Aluminiumblech zumindest bereichsweise erwärmt und anschließend in einem Tiefziehwerkzeug tiefgezogen wird. Das zumindest bereichsweise Erwärmen erfolgt dabei induktiv. Hierdurch sollen schnellere Taktzeiten bei der Herstellung derartiger Aluminiumvorteile realisiert werden können.From the DE 10 2009 031 449 A1 a generic method for producing an aluminum molding is known in which an aluminum sheet is at least partially heated and then deep-drawn in a thermoforming tool. The at least partially heating is carried out inductively. This is to faster cycle times in the production of such aluminum benefits can be realized.

Aus der DE 101 20 063 C2 ist ein allgemeines Verfahren zur Herstellung von metallischen Profilbauteilen für Kraftfahrzeuge bekannt, bei welchem in Bandform bereitgestelltes Ausgangsmaterial einer Walzprofiliereinheit zugeführt und zu einem Walzprofil umgeformt wird. Dabei wird das Walzprofil während des Walzprofilierens gebogen und anschließend in einer Ablängeinheit zu den gewünschten Profilbauteilen abgelängt, wobei zumindest partielle Bereiche des Walzprofils nach dem Austritt aus der Walzprofileinheit induktiv auf eine zum Härten erforderliche Temperatur erwärmt und vor dem Ablängen in einer Abkühleinheit abgeschreckt werden. Hierdurch sollen wiederum hohe Arbeitsgeschwindigkeiten und geringe Werkzeug- und Stückkosten erzielt werden.From the DE 101 20 063 C2 For example, there is known a general method for producing metal profile components for motor vehicles, in which the starting material provided in strip form is fed to a roll forming unit and formed into a rolled section. In this case, the rolled section is bent during roll profiling and then cut to length in a cutting unit to the desired profile components, wherein at least partial areas of the rolled section are heated inductively after exiting the rolling profile unit to a temperature required for curing and quenched before cutting in a cooling unit. This in turn high working speeds and low tool and unit costs are to be achieved.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, für ein Verfahren der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine kostengünstige Fertigung von Aluminiumwalzprofilen ermöglicht.The present invention is based on the general idea of providing for a method of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which in particular enables a cost-effective production of aluminum rolling profiles.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, hochfeste und gleichzeitig gewichtsreduzierte Aluminiumformteile, insbesondere für den Kraftfahrzeugbau herzustellen, indem für ein zur Herstellung des Aluminiumformteils verwendetes Aluminiumblech ausschließlich hochfeste 5000er, 6000er oder 7000er Aluminiumlegierungen verwendet werden, die vor dem eigentlichen Umformen ausschließlich lokal und damit räumlich sehr begrenzt an der späteren Umformstelle erwärmt werden. Zugleich wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Umformen des Aluminiumbleches ein Walzwerkzeug mit einer mit TiN, Al2O3, ZrO2, Carbiden oder Boriden beschichtete Stahlwalze verwendet, wobei diese Beschichtung verhindert, dass Stahlpartikel in unerwünschter Weise in das umzuformende Aluminiumblech eingewalzt werden und dort zur Korrosion führen können. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist somit die Herstellung von sehr festen und gleichzeitig vergleichsweise leichten Aluminiumformteilen möglich, wobei durch die Verwendung von beschichteten Stahlwalzen zum Umformen des Aluminiumblechs zugleich die Korrosionsbeständigkeit derart hergestellter Aluminiumformteile gesteigert werden kann. Durch das lokale Erwärmen ausschließlich an der späteren Umformstelle lässt sich das Verfahren auch vergleichsweise kostengünstig realisieren, da keine komplette Erwärmung des umzuformenden Aluminiumbleches mehr durchgeführt wird. Mit derartig hergestellten Aluminiumformteilen können somit bei gleichen geometrischen Abmessungen Aluminiumformteile mit höherer Festigkeit oder bei gleicher gewünschter Festigkeit Aluminiumformteile mit reduzierten geometrischen Abmessungen und damit reduziertem Gewicht hergestellt werden. Gleichzeitig wird durch das erfindungsgemäße Verfahren ein Walzprofilieren von hoch- und höchstfesten Aluminiumblechen ermöglicht, was in dieser Form bisher nicht möglich war. Der Einsatz des Walzprofilierens ermöglicht dadurch auch eine erhöhte geometrische Gestaltungsfreiheit der herzustellenden Aluminiumprofile bzw. Formteile.The present invention is based on the general idea to produce high-strength and at the same time weight-reduced aluminum moldings, in particular for the automotive industry by exclusively high-strength 5000, 6000 or 7000 aluminum alloys are used for an aluminum sheet used to produce the aluminum molding, which exclusively before the actual forming and thus to be heated to a very limited extent at the later transformation point. At the same time, a rolling tool with a steel roll coated with TiN, Al 2 O 3, ZrO 2, carbides or borides is used in the method according to the invention for shaping the aluminum sheet, this coating preventing steel particles from being undesirably rolled into the aluminum sheet to be formed and leading to corrosion there , With the method according to the invention thus the production of very strong and at the same time comparatively lightweight aluminum moldings is possible, whereby at the same time the corrosion resistance of aluminum moldings produced in this way can be increased by the use of coated steel rolls for forming the aluminum sheet. Due to the local heating exclusively at the later transformation point, the method can also be realized relatively inexpensively, since no complete heating of the aluminum sheet to be formed is carried out more. With aluminum moldings produced in this way, it is thus possible, with the same geometric dimensions, to produce aluminum moldings of higher strength or, for the same desired strength, aluminum moldings of reduced geometric dimensions and thus reduced weight. At the same time, the process according to the invention enables roll forming of high-strength and ultra-high-strength aluminum sheets, which has hitherto not been possible in this form. The use of roll forming thereby also allows increased geometric freedom of design of the aluminum profiles or moldings to be produced.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung wird das umzuformende Aluminiumblech induktiv, konduktiv, mittels Infrarot- oder mittels Laserstrahlung lokal erwärmt. Bei einer Induktionsheizung wird der elektrisch leitfähige Körper, hier das Aluminiumblech, durch in diesem erzeugte Wirbelstromverluste beheizt. Durch den Umstand, dass bei der Induktionsheizung die Wärme unmittelbar im aufzuheizenden Körper selbst entsteht, muss diese also nicht erst durch Wärmeleitung übertragen werden. Zugleich ist die Heizleistung äußerst exakt steuerbar. Die hierfür erforderliche elektrische Leistung stammt beispielsweise aus speziellen Frequenzumrichtern oder direkt aus einem Spannungsnetz. Aufgrund der hohen elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium ist der Wirkungsgrad einer Induktionsheizung hier besonders hoch. Alternativ hierzu ist auch vorstellbar, dass das umzuformende Aluminiumblech konduktiv, das heißt durch direkten Kontakt mit einer Wärmequelle, beispielsweise einer geheizten Walze, übertragen wird. Wiederum alternativ hierzu ist auch eine Erwärmung des umzuformenden Aluminiumblechs mittels Infrarot- oder Laserstrahlung möglich, wobei beim Einsatz derartiger Strahlung ebenfalls eine exakt steuerbare und lokal äußerst exakt eingrenzbare Erwärmung des umzuformenden Aluminiumblechs möglich ist. Besonders durch den Umstand, dass das umzuformende Aluminiumblech lediglich lokal erhitzt wird, kann eine energieoptimierte Lösung geschaffen werden, die deutlich kostengünstiger ist, als ein komplettes Erhitzen des umzuformenden Aluminiumblechs.In an advantageous development of the solution according to the invention, the aluminum sheet to be formed is inductively, conductively, locally heated by means of infrared or laser radiation. In the case of induction heating, the electrically conductive body, in this case the aluminum sheet, is heated by eddy-current losses generated in it. Due to the fact that heat is generated directly in the heated body itself during induction heating, it does not have to be transferred by heat conduction. At the same time, the heat output is extremely precisely controlled. The required electrical power comes for example from special frequency converters or directly from a voltage network. Due to the high electrical conductivity of aluminum, the efficiency of induction heating is particularly high here. Alternatively, it is also conceivable that the aluminum sheet to be formed is conductively, that is transmitted by direct contact with a heat source, such as a heated roller. Again, alternatively, a heating of the aluminum sheet to be formed by means of infrared or laser radiation is possible, with the use of such radiation also a precisely controllable and locally extremely precisely limited heating of the aluminum sheet to be formed is possible. Especially due to the fact that the aluminum sheet to be formed is heated only locally, a energy-optimized solution can be created, which is much cheaper than a complete heating of the aluminum sheet to be formed.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Verwendung einer 5000er Aluminiumlegierung das Aluminiumblech kaltgewalzt und zwischen zwei Umformstufen erholungsgeglüht. Hierdurch soll insbesondere eine Verfestigung der vorherigen Walzstufe reduziert werden, wobei die Temperatur beim Durchführen des Erholungsglühens so gewählt wird, dass eine Rekristallisation nicht stattfindet. Denkbar ist jedoch, dass die Zeit, in welcher das Aluminiumblech erhitzt wird, so kurz ist, dass die Temperatur die Rekristallisationsgrenztemperatur sogar geringfügig überschreiten darf. Erholungsglühen wird üblicherweise eingesetzt, um kaltumgeformte bzw. warmumgeformte Teile zu entfestigen und diese für einen weiteren Umformprozess bzw. eine weitere Umformstufe vorzubereiten.In an advantageous development of the method according to the invention, the aluminum sheet is cold-rolled using a 5000 aluminum alloy and annealed between two forming stages. As a result, in particular, a solidification of the previous rolling stage is to be reduced, wherein the temperature during the recovery annealing is selected so that a recrystallization does not take place. It is conceivable, however, that the time in which the aluminum sheet is heated is so short that the temperature may even exceed the recrystallization limit temperature even slightly. Recovery annealing is commonly used to defrost cold-formed or hot-formed parts and to prepare them for a further forming process or another forming step.

Zweckmäßig wird bei der Verwendung einer 6000-er bzw. 7000-er Aluminiumlegierung das Aluminiumblech kaltgewalzt und vor dem Umformen einem Schockerhitzen (Shock-heat-treatment) unterzogen, wobei die 6000-er Aluminiumlegierung auf ca. 250 bis 350°C und die 7000-er Aluminiumlegierung auf ca. 175 bis 200°C erhitzt werden. Hierdurch sollen insbesondere Fließspannungen lokal reduziert werden. Die für die Wärmebehandlung erforderlich Zeit beträgt dabei längstens 8 sek., vorzugsweise sogar maximal 5 sek., wobei auf ein Abschrecken hier verzichtet werden kann, sofern die behandelten Umformstellen sofort kaltgewalzt werden.Conveniently, when using a 6000 or 7000 aluminum alloy, the aluminum sheet is cold rolled and subjected to shock-heat treatment prior to forming, the 6000 aluminum alloy being at about 250 to 350 ° C and the 7000 -er aluminum alloy to about 175 to 200 ° C are heated. As a result, in particular, yield stresses are to be locally reduced. The time required for the heat treatment is at the most 8 seconds, preferably even a maximum of 5 seconds, wherein quenching can be dispensed with here, provided that the treated forming stations are cold-rolled immediately.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird bei der Verwendung einer 5000-er oder 6000-er Aluminiumlegierung das Aluminiumblech warmgewalzt. Hierbei wird die Temperatur an der Umformstelle bzw. in der Umformzone durch direkten, wärmeübertragenden Kontakt mit dem Umformwerkzeug, beispielsweise mit der Umformwalze, erhöht. Die Umformbarkeit des Aluminiumblechs wird hierdurch verbessert. Alternativ hierzu ist auch vorstellbar, dass bei der Verwendung einer 6000-er oder einer 7000-er Aluminiumlegierung das Aluminiumblech kaltgewalzt und vor dem eigentlichen Umformen getempert wird. Beim Tempern wird das Aluminiumblech über einen vergleichsweise längeren Zeitraum erhitzt und dadurch die Verteilung mechanischer Spannungen erreicht. Durch die erhöhte Beweglichkeit der Atome ist es so möglich, Strukturdefekte auszugleichen und die Kristallstruktur in der Nah- und Fernordnung zu verbessern.In a further advantageous embodiment of the method according to the invention, when using a 5000 or 6000 aluminum alloy, the aluminum sheet is hot rolled. In this case, the temperature at the forming point or in the forming zone is increased by direct, heat-transferring contact with the forming tool, for example with the forming roll. The formability of the aluminum sheet is thereby improved. Alternatively, it is also conceivable that when using a 6000 or a 7000 aluminum alloy, the aluminum sheet is cold rolled and tempered before the actual forming. During annealing, the aluminum sheet is heated for a comparatively longer period of time, thereby achieving the distribution of mechanical stresses. Due to the increased mobility of the atoms, it is possible to compensate for structural defects and to improve the crystal structure in the near and distant order.

Generell ist selbstverständlich auch eine Kombination der zuvor beschriebenen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens denkbar, sofern dies wiederum positive Eigenschaften auf die Festigkeit und das Umformverhalten des herzustellenden Aluminiumformteils mit sich bringt. Generell werden unter 6000-er Aluminiumlegierungen Legierungen mit einem Hauptbestandteil Aluminium und einem Zusatzbestandteil Silizium bzw. Magnesium verstanden, wogegen unter einer 7000-er Aluminiumlegierung dem Hauptbestandteil Aluminium zusätzlich Zink beigefügt wird.In general, of course, a combination of the previously described embodiments of the method according to the invention is conceivable, as long as this in turn brings positive properties on the strength and the forming behavior of the aluminum molded part to be produced. In general, under 6000 aluminum alloys are understood as meaning alloys having a main constituent aluminum and an additional constituent silicon or magnesium, whereas under a 7000 aluminum alloy the main constituent aluminum is additionally added with zinc.

Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Walzwerkzeug mit zumindest einer mit TiN, Al2O3, ZrO2, Carbiden oder Boriden beschichteten Walze zu verwenden. Eine derartige beschichtete Walze, beispielsweise eine Stahlwalze, reduziert die Gefahr des Einbringens von Stahlpartikeln in das herzustellende Aluminiumformteil erheblich, wodurch auch eine spätere Korrosionsgefahr des Aluminiumformteils erheblich reduziert werden kann. Mit derartigen erfindungsgemäßen Walzen bzw. einem derartigen Walzwerkzeug lässt sich nicht nur die Herstellung von gewichtsreduzierten hochfesten Aluminiumformteilen verbessern, sondern zugleich auch deren Lebensdauer durch einen erhöhten Korrosionswiderstand verlängern.The present invention is further based on the general idea of using a rolling tool with at least one roller coated with TiN, Al 2 O 3, ZrO 2, carbides or borides for carrying out the method according to the invention. Such a coated roller, such as a steel roller, reduces the risk of introducing steel particles into the aluminum mold part to be produced considerably, whereby a subsequent risk of corrosion of the aluminum molding can be significantly reduced. With such inventive rollers or such a rolling tool not only the production of weight-reduced high-strength aluminum moldings can be improved, but at the same time extend their life by increased corrosion resistance.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102009031449 A1 [0002]
DE 10120063 C2 [0003]

Claims

A method for producing an aluminum molding, in which an aluminum sheet is at least partially heated and then formed, characterized in that - for the aluminum sheet exclusively high-strength 5000, 6000 or 7000-aluminum alloys are used, - the aluminum sheet before the actual forming is heated only locally at the later forming point, - is used for forming a rolling tool with a coated with TiN, Al2O3, ZrO2, carbides or borides roller.

A method according to claim 1, characterized in that the aluminum sheet to be formed is inductively, conductively heated by means of infrared or laser radiation locally.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that when using a 5000 aluminum alloy, the aluminum sheet is cold rolled and recovery annealed between two forming stages.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that when using a 6000 or 7000 aluminum alloy, the aluminum sheet is cold rolled and prior to forming a shock-heat-treatment is subjected, wherein the 6000 aluminum alloy to ca 250 to 350 ° C and the 7000 aluminum alloy to about 175 to 200 ° C are heated.

A method according to claim 4, characterized in that the 6000 or 7000 aluminum alloy is not more than 8 seconds, preferably not more than 5 seconds. to be heated.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that when using a 6000 or 7000 aluminum alloy, the aluminum sheet is cold rolled and annealed prior to forming.

A method according to claim 1 or 2, characterized in that when using a 5000 or 6000 aluminum alloy, the aluminum sheet is hot rolled.

Rolling tool for carrying out the method according to one of the preceding claims, comprising at least one roller coated with TiN, Al 2 O 3, ZrO 2, carbides or borides.