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Diese PCT-Patentanmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung 61/845,514 vom 12. Juli 2013 mit dem Titel ”Verfahren zur Formung von Aluminiumlegierungsteilen mit angepassten mechanischen Eigenschaften”, deren gesamte Offenbarung als Teil der Offenbarung dieser Anmeldung angesehen wird und durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen und insbesondere ein Verfahren zur Formung von wärmebehandelbaren Aluminiumlegierungs-Rohlingen zu Formteilen mit angepassten mechanischen Eigenschaften.
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Hintergrund der Erfindung
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Die Sorge um die Umwelt sowie die steigenden Kosten für Energie haben in den letzten Jahren zu einem Schub geführt, Fahrzeuge zu entwickeln, die kraftstoffsparender als die bisherigen Modelle sind. Gewichtsreduktion wurde schon vor geraumer Zeit als ein effektiver Weg identifiziert, die automobile Kraftstoffeffizienz zu verbessern, wie beispielsweise durch den Austausch von Stahl gegen leichtere Materialien wie Aluminium- und Magnesiumlegierungen. Tatsächlich werden bereits etliche Teile der Fahrzeugkarosserie und des Antriebsstrangs aus Aluminiumlegierungen hergestellt, unter Einschluss des Motorblocks und der Motorköpfe, der Räder und einiger Karosserieteile. Die Aluminiumlegierungen, die für Karosserieteile verwendet werden, neigen dazu, leichter formbar zu sein, aber auch eine geringere Festigkeit zu haben (5xxx-Serie-Legierung). Leider erfordern Strukturkomponenten, wie beispielsweise die B-Säule, den Einsatz von Materialien mit höherer Festigkeit, um Dacheindrück- und Seitenaufprall-Sicherheitsstandards zu erfüllen.
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Hochfeste Aluminiumlegierungen sind eine sinnvolle Alternative zu der Verwendung von hochfestem Stahl für Automobilstrukturkomponenten. Insbesondere können wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen, wie die 2xxx-, 6xxx-, 7xxx- und 8xxx-Serien-Legierungen unter Verwendung einer geeigneten Wärmebehandlung und eines künstlichen Alterungsprozesses gehärtet werden. Aufgrund der schlechten Formbarkeit solcher Legierungen in ihren Härtegradzuständen, wie zum Beispiel dem T6-Härtegradzustand, ist es üblich, einen Rohling zum Formen eines Teils in einem weicheren Härtegradzustand, wie zum Beispiel T4, bereitzustellen. Der Rohling wird in die gewünschte Form des Teils bzw. Bauteils geformt, das dann einer thermischen Behandlung und der künstlichen Alterung unterzogen wird, um die gewünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Leider führt dieser Ansatz zu Produktionszeiten, die undurchführbar lang sein können, da die Wärmebehandlungs- und Alterungsprozesse über Zeiträume im Bereich von mehreren Minuten bis zu mehreren Stunden erfolgen. Ein weiteres Problem bei diesem Ansatz ist, dass ein Verziehen des Formteils während den Wärmebehandlung- und Alterungsschritten auftreten kann, was zusätzliche Schritte erforderlich macht, um die Form zu korrigieren. Als solches erweist sich dieser Ansatz als nicht geeignet für die Automobilfertigungsindustrie oder andere großvolumige Anwendungen, die die Herstellung einer großen Anzahl von Teilen in einer kurzen Zeitspanne erfordern.
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In dem Artikel ”Warm forming behavior of high strength aluminum alloy AA7075,” (dt.: Warmumformungsverhalten der hochfesten Aluminiumlegierung AA7075), Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22(2012) 1–7, diskutieren Wang u. a. die Wirkung von erhöhten Temperaturen auf die mechanischen Eigenschaften einer bestimmten Aluminiumlegierung der 7xxx-Serie. Nach Wang u. a. ist eine zentrales Element der Warmumformung die Erhaltung der hohen Festigkeitshärtung, obgleich die in dem Artikel vorgestellten Ergebnisse zeigen, dass sowohl die Streckgrenze als auch die Härte nach dem Formen bei einer Temperatur zwischen etwa 180°C und 260°C niedriger sind. Die Autoren dieses Artikels folgerten, dass – um ein Teil ohne jegliche weitere Wärmebehandlung zu erhalten – die Formtemperatur 220°C nicht überschreiten sollte. Selbstverständlich unterwarfen Wang u. a. die Aluminiumlegierung Wärmebehandlungen mit einer Dauer von bis zu 300 s, was umgerechnet lediglich etwa zwölf Erwärmungszyklen pro Stunde entspricht und ist somit unpraktisch für den Einsatz in stückzahlstarken Anwendungen ist.
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Eine weitere Untersuchung hat gezeigt, dass die Warmformung einer Cu-haltigen Legierung des AA7075-Typs bei 175°C für ein bis zwei Minuten nahezu keine Auswirkungen auf die Festigkeit hat und dass ein leichter Anstieg auf 200°C die Festigkeit um etwa 50 MPa reduziert. Diese Studie ergab, dass während eines gängigen 5-Schritt-Lackeinbrennzyklus die mechanischen Eigenschaften der Komponente auf einem hohen Niveau gleichförmig werden. Leider sind selbst mit diesen relativ kurzen Aufheizzeiten von nur ein bis zwei Minuten Dauer die resultierenden Produktionsraten immer noch zu gering, um bei Anwendungen mit hohen Stückzahlen wie in der Automobilindustrie sehr nützlich zu sein.
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Bei einigen Anwendungen, einschließlich der Herstellung von Strukturkomponenten mit vorbestimmten Knautschzonen, ist es wünschenswert, in der Lage zu sein, ein Teil bzw. Bauteil zu produzieren, das durchweg ungleichmäßige mechanische Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel ist es vorteilhaft, eine B-Säule mit einem oberen Ende, das durch hohe mechanische Festigkeit, und einem unteren Ende, das durch relativ geringere mechanische Festigkeit gekennzeichnet ist, zu formen. Bei einer Kollision wird ein Teil der Kraft des Aufpralls absorbiert, wenn sich das untere Ende der B-Säule verformt, was zu einem verbesserten Schutz für die Insassen des Fahrzeugs führt. Leider unterstützen die Prozesse, die derzeit verwendet werden, um Formteile aus Aluminiumlegierungsrohlingen in gehärtetem Zustand zu formen, keine Anpassung der mechanischen Eigenschaften auf diese Weise.
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Es wäre daher wünschenswert, ein Verfahren bereitzustellen, das mindestens einige der voranstehend erwähnten Beschränkungen und Nachteile des Standes der Technik überwindet.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Gemäß einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem wärmebehandelbaren Rohling aus einer Aluminiumlegierung mit den folgenden Schritten offenbart: Bereitstellen eines wärmebehandelbaren Rohlings aus einer Aluminiumlegierung in einem gehärteten Zustand; Erwärmen eines ersten Abschnitts des Rohlings auf eine vorbestimmte erste Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C für eine vorbestimmte erste Zeitdauer von weniger als etwa 40 Sekunden, wie beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 40 Sekunden; Erwärmen eines zweiten Abschnitts des Rohlings auf eine vorbestimmte zweite Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C für eine vorbestimmte zweite Zeitdauer von weniger als etwa 40 Sekunden, wie beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 40 Sekunden; und – bevor entweder der erste Abschnitt oder der zweite Abschnitt auf eine Temperatur unterhalb von etwa 130°C abkühlen – Formen des Rohlings in die Form des Formteils in dem ersten Abschnitt und in dem zweiten Abschnitt.
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Gemäß einem Aspekt mindestens einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines Formteils aus einem wärmebehandelbaren Rohling aus einer Aluminiumlegierung mit den folgenden Schritten offenbart: Bereitstellen eines wärmebehandelbaren Rohlings aus einer Aluminiumlegierung in einem gehärteten Zustand; Aussetzen unterschiedlicher Abschnitte des Rohlings unterschiedlichen Erwärmungsbedingungen, umfassend selektives Erwärmen jedes der unterschiedlichen Abschnitte des Rohlings auf eine jeweilige vorbestimmte Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C, wobei das Erwärmen eines jeden der unterschiedlichen Abschnitte des Rohlings weniger als etwa 40 Sekunden dauert, wie beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 40 Sekunden; und – bevor irgendeiner der unterschiedlichen Abschnitte des Rohlings auf eine Temperatur unterhalb von etwa 130°C abkühlt – Formen des Rohlings in die Form des Formteils, derart dass die unterschiedlichen Abschnitte des Rohlings entsprechende unterschiedliche Abschnitte des Formteils bilden, wobei die unterschiedlichen Abschnitte des Formteils mit unterschiedliche vorbestimmte mechanische Eigenschaften aufweisen, wobei die unterschiedlichen Erwärmungsbedingungen zur Herstellung der unterschiedlichen vorbestimmten mechanischen Eigenschaften der unterschiedlichen Abschnitte des Formteils ausgewählt werden.
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Gemäß einem Aspekt von zumindest einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils aus einem wärmebehandelbaren Rohling aus einer Aluminiumlegierung mit den folgenden Schritten offenbart: Bereitstellen eines Aluminiumlegierungsrohlings aus einer 2xxx-, 6xxx-, 7xxx- oder 8xxx-Serien-Aluminiumlegierung hergestellt, wobei der Rohling in einem T6- oder einem T7x-Härtegradzustand bereitgestellt wird, Erwärmen eines ersten Abschnitts des Rohlings auf eine vorbestimmte erste Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C für eine vorbestimmte erste Zeitdauer von weniger als etwa 40 Sekunden, wie beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 40 Sekunden; Erwärmen eines zweiten Abschnitts des Rohlings auf eine vorbestimmte zweite Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C für eine vorbestimmte zweite Zeitdauer von weniger als etwa 40 Sekunden, wie beispielsweise zwischen 5 Sekunden und 40 Sekunden; und Formen des Rohlings in die Form des Formteils, derart dass der erste Abschnitt des Rohlings einen entsprechenden ersten Abschnitt des Formteils mit vorbestimmten ersten mechanischen Eigenschaften bildet und der zweite Abschnitt des Rohlings einen entsprechenden zweiten Abschnitt des Formteils mit vorbestimmten zweiten mechanischen Eigenschaften bildet, die von den vorbestimmten ersten mechanischen Eigenschaften verschieden sind, wobei die ersten vorbestimmten mechanischen Eigenschaften und die zweiten vorbestimmten mechanischen Eigenschaften so gewählt werden, dass sowohl der erste Abschnitt des Formteils als auch der zweite Abschnitt des Formteils weicher und/oder duktiler als die entsprechenden ersten und zweiten Abschnitte sind des bereitgestellten Rohlings sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die folgende Beschreibung wird vorgelegt, um einem Fachmann die Ausübung und Anwendung der Erfindung zu ermöglichen, und wird im Kontext einer bestimmten Anwendung und ihrer Anforderungen bereitgestellt. Verschiedene Modifikationen der offenbarten Ausführungsformen erschließen sich dem Fachmann ohne weiteres, und die hier definierten allgemeinen Prinzipien können auf andere Ausführungsformen und Anwendungen übertragen werden, ohne von dem Umfang der Erfindung abzuweichen. Die vorliegende Erfindung ist somit nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern ihr soll der breiteste Umfang gewährt werden, der mit den hierin offenbarten Prinzipien und Merkmalen in Einklang steht.
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Bei einem Verfahren zum Formen eines Formteils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein aus einer wärmebehandelbaren Aluminiumlegierung hergestellter Rohling in einem Härtegradzustand bereitgestellt. Beispielsweise wird die wärmebehandelbare Aluminiumlegierung aus der Gruppe bestehend aus 2xxx-, 6xxx-, 7xxx- und 8xxx-Serien-Aluminiumlegierungen ausgewählt. Gemäß einem konkreten und nicht beschränkenden Beispiel ist der Härtegradzustand der T6-Zustand. Optional ist der Härtegradzustand der T4-, T5- oder T7-Härtegradzustand, zum Beispiel T7x (bspw. T76 oder T79), oder ein anderer geeigneter Härtegradzustand. Wie in solchen Formungsverfahren üblich, weist die Form des Rohlings eine äußere Kontur auf, die im wesentlichen in Übereinstimmung mit der gewünschten Form des Formteils ist. Zum Beispiel ist das Formteil eine B-Säule für ein Kraftfahrzeug und der Rohling weist eine Außenkontur auf, die im wesentlichen in Übereinstimmung mit der endgültigen Form der B-Säule ist.
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Der Rohling wird wie bereitgestellt einem selektiven Erwärmungsschritt unterzogen, bei dem ein erster Abschnitt des Rohlings für eine vorbestimmten erste Zeitdauer auf eine vorbestimmte erste Temperatur und ein zweiter Abschnitt des Rohlings für eine vorbestimmte zweite Zeitdauer auf eine vorbestimmte zweite Temperatur erwärmt werden. Insbesondere betragen die vorbestimmte erste Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C und die vorbestimmte erste Zeitdauer weniger als etwa 40 Sekunden, wie beispielsweise zwischen etwa 5 Sekunden und etwa 40 Sekunden ist. Ebenso betragen die vorbestimmte zweite Temperatur zwischen etwa 150°C und etwa 300°C und die vorbestimmte zweite Zeitdauer weniger als etwa 40 Sekunden, wie beispielsweise zwischen etwa 5 Sekunden und etwa 40 Sekunden. Der Rohling wird dann in die gewünschte Form des Formteils geformt, bevor entweder der erste Abschnitt oder der zweite Abschnitt auf eine Temperatur unterhalb von etwa 130°C abkühlen. Während des Formens bildet der erste Abschnitt des Rohlings einen entsprechenden ersten Abschnitt des Formteils und der zweite Abschnitt des Rohlings bildet einen entsprechenden zweiten Abschnitt des Formteils.
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Die vorbestimmte erste Temperatur und die vorbestimmte erste Zeitdauer werden so ausgewählt, dass der erste Abschnitt des Formteils vorbestimmte erste mechanische Eigenschaften aufweist. Ebenso werden die vorbestimmte zweite Temperatur und die vorbestimmte zweite Zeitdauer so gewählt, dass der zweite Abschnitt des Formteils vorbestimmte zweite mechanische Eigenschaften aufweist. Wahlweise kann die vorbestimmte erste Zeitdauer die gleiche sein wie die vorbestimmte zweite Zeitdauer, wobei die vorbestimmte erste Temperatur von der vorbestimmten zweiten Temperatur verschieden ist. Alternativ kann die vorbestimmte erste Zeitdauer von der vorbestimmten zweiten Zeitdauer verschieden sein, in welchem Falle die vorbestimmte erste Temperatur entweder gleiche vorbestimmten zweiten Temperatur oder von dieser verschieden sein kann. Im allgemeinen ist das Produkt aus der vorbestimmten ersten Temperatur und der vorbestimmten ersten Zeitdauer von dem Produkt aus der vorbestimmten zweiten Temperatur und der vorbestimmten zweiten Zeitdauer verschieden, aber dies ist keine unbedingt notwendige Bedingung. Gemäß einer Ausführungsform übersteigen die Temperatur des Aluminiumlegierungsrohlings innerhalb des ersten Abschnitts während des Erwärmens des ersten Abschnitts nicht etwa 230°C und die Temperatur des Aluminiumlegierungsrohlings innerhalb des zweiten Abschnittes beim Erhitzen des zweiten Abschnitts nicht etwa 230°C.
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Die selektive Erwärmung des Rohlings kann auf viele unterschiedliche Arten erfolgen. Jedes geeignete Erwärmungssystem oder sogar eine Kombination von verschiedenen Heizsystemen kann verwendet werden, um das selektive Erwärmen durchzuführen. Beispielsweise kann der Rohling unter Verwendung einer Anordnung von Infrarotlampen, einer Anordnung von Induktionserwärmungsspulen, einem beheizten Wirbelbett, einem Ofen usw. erwärmt werden. Wahlweise werden einige Abschnitte des Rohlings während der Zeit, in der andere Abschnitte des Rohlings erhitzt werden, vor einem Erwärmen geschützt, wie zum Beispiel durch Verwendung eines Hitzeschildes oder eines aktiven Kühlelements. Wahlweise wird nur ein Abschnitt des Rohlings in eine Heizzone eingeführt, so dass andere Abschnitte des Rohlings vor einem Erwärmen geschützt sind. Weiter wahlweise wird mindestens ein Abschnitt des Rohlings nicht erhitzt, so dass ein diesem mindestens einen Abschnitt des Rohlings entsprechender Abschnitt des Formteils mechanische Eigenschaften aufweist, die im wesentlichen die gleichen sind wie diejenigen des wie bereitgestellten Rohlings. Beispielsweise ist der mindestens eine Abschnitt des Rohlings, der nicht erhitzt wird, ein Abschnitt, der nicht während des Schritt des Formens geformt wird und eine hohe mechanische Festigkeit und/oder Härte im fertiggestellten Teil bzw. Bauteil haben soll.
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Die relativen Lagen bzw. Positionen des ersten Abschnitts des Rohlings und des zweiten Abschnitts des Rohlings hängen von der gewünschten Verteilung der mechanischen Eigenschaften in dem Formteil ab. Der erste Abschnitt des Rohlings kann unmittelbar angrenzend an den zweiten Abschnitt des Rohlings angeordnet sein. Alternativ wird ein dritter Abschnitt des Zuschnitts definiert, der den ersten Abschnitt des Rohlings von dem zweiten Abschnitt des Rohlings trennt. In einigen Anwendungen entspricht der dritte Abschnitt des Rohlings einem dritten Abschnitt des Formteils, der mit den mechanischen Eigenschaften des wie bereitgestellten Rohlings im wesentlichen identische mechanischen Eigenschaften aufweist. In anderen Anwendungen entspricht der dritte Abschnitt des Rohlings einem dritten Abschnitt des Formteils, der mechanische Eigenschaften zwischen den vorbestimmten ersten mechanischen Eigenschaften und die vorbestimmte zweite mechanische Eigenschaften aufweist. Beispielsweise ist der dritte Abschnitt des Rohlings ein Übergangsbereich zur Bildung eines Übergangs zwischen den vorbestimmten ersten mechanischen Eigenschaften und den vorbestimmten zweiten mechanischen Eigenschaften. In diesem Fall umfasst eine selektive Erwärmung ein Erwärmen des dritten Abschnitts des Rohlings auf eine vorbestimmte dritte Temperatur für eine vorbestimmte dritte Zeitdauer. Alternativ entspricht der dritte Abschnitt des Rohlings einem dritten Abschnitt des Formteils, der mechanische Eigenschaften zwischen denjenigen des wie bereitgestellten Rohlings und der ersten und der zweiten mechanischen Eigenschaften aufweist.
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Der Schritt des Formens wird bspw. durch Anordnen des Rohlings zwischen den in einer Presse angebrachten gegenüberliegenden Werkzeughälften und anschließendes relatives Bewegen der gegenüberliegenden Werkzeughälften zueinander durchgeführt, um so den Aluminiumlegierungsrohling an Formflächen der gegenüberliegenden Werkzeugteile anzupassen. Gemäß einem ersten Ansatz wird die selektive Erwärmung des Rohlings vor Anordnen des Rohlings zwischen den gegenüberliegenden Werkzeughälften durchgeführt. Gemäß einem zweiten Ansatz wird die selektive Erwärmung des Rohlings zumindest teilweise nach dem Anordnen des Rohlings zwischen den gegenüberliegenden Werkzeughälften durchgeführt. Zum Beispiel können die Werkzeughälften wahlweise Heizeinsätze zum Erwärmen des ersten Abschnitts und/oder des zweiten Abschnitts des Rohlings während der Formgebung umfassen. Die benötigen Werkzeughälften keine besonderen Einsätze zum Kühlen des ersten Abschnitts des Rohlings oder des zweiten Abschnitts des Rohlings, und das Formteil wird nach dem Formgebungsschritt nicht abgeschreckt. Als solches wird das Formteil einfach aus den Werkzeughälften entnommen und auf einem Gestell oder einer Transportvorrichtung platziert und auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Natürlich wurde in diesem Beispiel aus Gründen der Einfachheit unterstellt, dass das Werkzeug, das zur Formgebung des Formteils verwendet wird, nur zwei Hälften hat. In der Praxis kann das Werkzeug ein mehrteiliges Werkzeug mit mehr als zwei Teilen sein, und wahlweise können einige der Teile entlang deren Formflächen angeordnete Heizeinsätze aufweisen. Wahlweise wird anstelle von Heizeinsätzen ein Isoliermaterial vorgesehen, um die Abkühlungsgeschwindigkeit in ausgewählten Abschnitten des Rohlings während der Formgebung zu reduzieren.
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Wie voranstehend erwähnt wird der Rohling in einem verfestigten Zustand bzw. Härtegradzustand bereitgestellt, wie beispielsweise in dem ausscheidungsgehärteten und warmausgelagerten T6-Vergütungszustand bzw. -Härtegradzustand. Der wie bereitgestellte Rohling ist schlecht formbar und daher nicht gut für ein Formen in Formteile geeignet. Jedoch erhöht die selektive Erwärmung des Rohlings wesentlich die Duktilität der Abschnitte, die erwärmt werden, und erleichtert die Formgebung. Nachdem das Formteil geformt und auf Raumtemperatur abgekühlt ist, sind die mechanischen Eigenschaften der Abschnitte des Rohlings, die selektiv erwärmt wurden, anders als die mechanischen Eigenschaften des wie bereitgestellten Rohlings. Insbesondere ist das Material in dem ersten und dem zweiten Abschnitt des Formteils weicher und/oder duktiler als das Material innerhalb der entsprechenden ersten und zweiten Abschnitte des wie bereitgestellten Rohlings. Verstanden werden, Obgleich der T6-Vergütungszustand als spezifisches und nicht einschränkendes Beispiel verwendet wurde, kann der Rohling selbstverständlich auch alternativ in einem anderen verfestigten Zustand bereitgestellt werden, wie beispielsweise T4, T5, T7, T7x (z. B. T76 oder T79) usw.
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden voranstehend in Form eines konkreten und nicht einschränkenden Beispiels eines Verfahrens zur Bildung einer B-Säule für Kraftfahrzeuge beschrieben. Selbstverständlich können andere Strukturkomponenten für Kraftfahrzeuge mit Hilfe der hierin beschriebenen Verfahren geformt werden kann. Des weiteren können die hierin beschriebenen Verfahren verwendet werden, um nicht-strukturelle Komponenten für Kraftfahrzeuge sowie Komponenten für die Verwendung in Flugzeugen, Wasserfahrzeugen und sogar Nicht-Fahrzeuganwendungen zu formen.
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Während die voranstehende Beschreibung eine Mehrzahl von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung darstellt, versteht es sich ohne weiteres, dass an der vorliegenden Erfindung weitere Modifikationen und Veränderungen vorgenommen werden können, ohne von einer gerechten Auslegung der beigefügten Ansprüche abzuweichen.