DE112019000856T5

DE112019000856T5 - Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen

Info

Publication number: DE112019000856T5
Application number: DE112019000856.0T
Authority: DE
Inventors: Yusuke Yamamoto; Shinji Tateyama
Original assignee: UACJ Corp
Current assignee: UACJ Corp
Priority date: 2018-02-19
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2020-10-29
Also published as: WO2019159810A1; JPWO2019159810A1; JP7249321B2

Abstract

Die Erfindung zielt darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen, insbesondere Al-Zn-Mg-Cu-Aluminiumlegierungsbauelementen, zur Verfügung zu stellen, bei dem ein stabiles Lösungsglühen und eine Abschreckbehandlung anwendbar ist, die Formgebung auch mit bestehenden Formgebungsvorrichtungen möglich ist, und keine strikten zeitlichen Beschränkungen bei der Formgebung vorliegen. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen, in dem ein Werkstoff aus einer wärmebehandelbaren Aluminiumlegierung einem Lösungsglühen bei 440 - 580°C unterzogen wird, danach einer Abschreckbehandlung, bei der eine Kühlung mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10°C/s oder mehr in einem Temperaturbereich von der Temperatur des Lösungsglühens bis mindestens 100°C durchgeführt wird, unterzogen und anschließend auf einer Haltetemperatur von -196°C oder höher und 40°C oder niedriger gehalten wird, um eine natürliche Alterung zu hemmen, und danach eine Umformbehandlung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zugversuchen, die bei 20°C für Prüfstücke aus dem Werkstoff vor der Umformbehandlung durchgeführt wurden, die Zugfestigkeit 465 MPa oder weniger und die Drehgrenze 295 MPa oder weniger beträgt.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen z.B. auf Al-Zn-Mg-Cu-Basis, insbesondere ein Verfahren zum Umformen von Aluminiumlegierungsplatten, die als Werkstoffe für an Kraftfahrzeugen anzubringende Verstärkungen (z.B. Festigkeitsträger), Stoßabsorptionsmaterialien (z.B. Crash-Box), Karosseriebleche, für Bauelemente bzw. Teile von Schiffen, Flugzeugen usw., oder für Baustoffe, Konstruktionsmaterialien, weitere verschiedene Maschinen, Haushaltsgeräte sowie deren Teile usw., umgeformt werden und dann Verwendung finden, und Aluminiumlegierung-Extrudaten, wie extrudierte Rohre und extrudierte Profile, die als Werkstoffe für Kraftfahrzeugsteile, wie Stoßstangen, Säulen usw., einem Umformen, wie Biegung, Vergrößerung bzw. Verkleinerung usw. unterzogen werden und dann Verwendung finden.
Technischer Hintergrund
Vor dem Hintergrund der Anforderungen in der letzten Zeit, wie zum Gegensteuern gegen die globale Erwärmung, Einsparen von Energiekosten usw., nehmen Forderungen nach der Erhöhung von Kraftstoffeffizienz durch die Fahrzeuggewichtsreduzierung zu. Aufgrund dieser Forderungen wird das Bestreben immer häufiger, für Konstruktionsbauelemente bzw. Karosseriebleche von Kraftfahrzeugen eine Aluminiumlegierungsplatte anstelle der bisherigen kaltgewalzten Stahlplatte einzusetzen. Die Aluminiumlegierungsplatten weisen eine im Wesentlichen gleiche Festigkeit wie die der bisherigen kaltgewalzten Stahlplatten, aber nur ca. ein Drittel des spezifischen Gewichts auf und können daher zur Fahrzeuggewichtsreduzierung beitragen. Neben der Verwendung für Kraftfahrzeuge werden die Aluminiumlegierungsplatten in der letzten Zeit auch für umgeformte Bauelemente, wie Bretter, Chassis von elektronischen und elektrischen Geräten, häufig eingesetzt. Insbesondere bei den Al-Zn-Mg-Cu-Legierungen wird wegen ihrer hohen Festigkeit erwartet, dass sie breite Verwendung finden.
Es ist jedoch bekannt, dass die Al-Zn-Mg-Cu-Legierung eine geringere Kaltumformbarkeit als andere Aluminiumlegierungen aufweist, da die Festigkeitssteigerung durch die Raumtemperaturalterung nach dem Lösungsglühen erheblich groß ist. Folglich wird die Freiheit bei der Formgebung des Formlings stark beschränkt.
Zudem weist die Al-Zn-Mg-Cu-Legierung eine höhere Abschreckempfindlichkeit auf als eine Al-Mg-Si-Legierung, so dass im Fall einer verzögerten Kühlgeschwindigkeit der Abschreckbehandlung nach dem Lösungsglühen zu befürchten ist, dass die Festigkeit nach der Alterung abnimmt.
In Patentdokument 1 und Nichtpatentdokument 1 ist z. B. ein Pressbearbeitungsverfahren offenbart, in dem ein Aluminiumlegierungswerkstoff mit flüssigem Stickstoff usw. auf einen Tieftemperaturbereich von z. B. -50°C bis -196°C gekühlt und dann umgeformt wird, wodurch die Bearbeitbarkeit des Werkstoffs und damit die Formbarkeit erhöht wird.
In den Patentdokumenten 2 bis 4 ist ein Pressbearbeitungsverfahren offenbart, in dem eine mit Öl beschichtete Platte vor der Formgebung einmal mit flüssigem Stickstoff gekühlt und in einem Zustand mit einer hohen Ölviskosität auf einer Tieftemperatur geformt wird, um die Formbarkeit zu erhöhen.
Des Weiteren ist in den Patentdokumenten 5 und 6 ein Formgebungsverfahren offenbart, in dem ein lösungsgeglühtes Plattenmaterial auf einer Hochtemperatur gehalten geformt und in einer Form abgeschreckt wird, wodurch unter Erhaltung einer hohen Formbarkeit auch eine hohe Festigkeit erreicht wird.
Ferner ist in den Patentdokumenten 7 und 8 ein Formgebungsverfahren offenbart, in dem eine Platte, die nach dem Abschrecken natürlich gealtert ist, auf einer Temperatur von ca. 200°C geformt wird und sowohl eine Formbarkeit als auch eine Festigkeit erzielt werden.
Daneben ist in Patentdokument 9 eine Technik offenbart, bei der durch Einschränkung der chemischen Komponenten die natürliche Alterung gehemmt und damit eine Anzahl von Tagen, an denen die Formgebung möglich ist, sichergestellt wird.
Außerdem ist in Patentdokument 10 eine Technik offenbart, bei der ein Material einem Lösungsglühen, Abschrecken und einer natürlichen Alterung unterzogen, dann vor der Formgebung einer Zurückentwicklung (Retrogression) unterzogen und unmittelbar danach geformt wird, um eine ausreichende Formbarkeit und eine hohe Festigkeit nach der Alterung zu erhalten.
Dokument zum Stand der Technik
Patentdokument

Patentdokument 1: JP 3287148 B
Patentdokument 2: JP 2729705 B
Patentdokument 3: JP 3269859 B
Patentdokument 4: JP 3354024 B
Patentdokument 5: JP 5681631 B
Patentdokument 6: WO 2017/062225 A1
Patentdokument 7: WO 2015/112799 A1
Patentdokument 8: JP 2010-159489 A
Patentdokument 9: US 2011/0017366 A1
Patentdokument 10: JP 5671422 B

Nichtpatentdokument

Nichtpatentdokument 1: Technical Disclosure Nr. 89-15623 vom Japan Institute of Invention and Innovation

Zusammenfassung der Erfindung
Zu lösende Aufgabe der Erfindung
Die obengenannten Dokumente zum Stand der Technik offenbaren eine Technik, bei der durch die Verbesserung des Zustands des Werkstoffs vor dem Umformen oder bei dem Umformen das Umformen der hochfesten Legierung, die normalerweise schwer zu formen ist, ermöglicht wird.
Bei den in den Patentdokumenten 1 bis 4 und Nichtpatentdokument 1 beschriebenen Tieftemperaturumformverfahren wirkt zwar ein gewisser Effekt auf nicht-wärmebehandelbare Legierungen, wie reines Al, Al-Mg-Legierung usw. Auf hochfeste Aluminiumlegierungen, wie Al-Zn-Mg-Cu-Legierung, wird jedoch kein ausreichender formbarkeitsverbessernder Effekt erzielt.
Beim Umformverfahren gemäß den Patentdokumenten 5 und 6, dem sogenannten Heißprägen, weichen die Abschreckgeschwindigkeiten in Abhängigkeit der einzelnen Teile voneinander leicht ab, so dass es zu befürchten ist, dass die Festigkeit variiert oder die Maßgenauigkeit durch die Kühlgeschwindigkeitsdifferenz verringert wird. Daneben besteht das Problem, dass dieses Umformverfahren in Hinblick auf die Technik und Kosten schwer anzuwenden ist, da dabei erforderlich ist, zum Umformen durch Heißprägen ein Schmiermittel zur Verwendung bei Hochtemperaturen zu entwickeln oder einen Schritt zur Entfernung der Oxidschicht von der Werkstoffoberfläche zu ergänzen.
Beim Warmumformen, wie gemäß den Patentdokumenten 7 und 8, besteht das Problem, dass dabei die Formgebung durch Erwärmung in kurzer Zeit durchgeführt werden muss, denn sonst ist die Formgebung wegen der erhöhten Festigkeit unmöglich, so dass der Bereich der Herstellungsbedingungen, in dem sowohl eine gute Festigkeit als auch eine gute Formbarkeit erzielbar sind, klein ist. Außerdem, wenn der Werkstoff nach dem Umformen weiter einer künstlichen Alterung (T6-Behandlung) unterzogen wird, wie gemäß Patentdokument 7, wird er dazu Hochtemperaturen ausgesetzt, so dass das Aluminiumlegierungsbauelement nach der T6-Behandlung nur eine niedrige Festigkeit erreichen soll.
Ferner besteht beim Verfahren, in dem durch Regelung der chemischen Komponenten die Raumtemperaturalterung gehemmt und damit die Formbarkeit gesichert wird, wie in Patentdokument 9 beschrieben, das Problem, dass die strikte Formbarkeit schwer sicherzustellen ist oder nach der künstlichen Alterung nur eine mangelhafte Festigkeit erhalten wird. Daneben muss beim Verfahren, in dem die Formgebung innerhalb einer Stunde nach dem Abschluss der schnellen Kühlung der Zurückentwicklung erfolgt, wie in Patentdokument 10 beschrieben, die Formgebung in kurzer Zeit durchgeführt werden, denn sonst ist zu befürchten, dass durch schnelle Veränderung der mechanischen Eigenschaften die optimalen Formgebungsbedingungen abweichen.
Die Erfindung zielt daher darauf ab, ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen, insbesondere Al-Zn-Mg-Cu-Aluminiumlegierungsbauelementen, zur Verfügung
zu stellen, bei dem ein stabiles Lösungsglühen und eine Abschreckbehandlung anwendbar ist, die Formgebung auch mit bestehenden Formgebungsvorrichtungen möglich ist, und keine strikten zeitlichen Beschränkungen bei der Formgebung vorliegen.
Mittel zum Lösen der Aufgabe
Zur Erreichung des obengenannten Ziels ist das Wesen der Erfindung wie folgt wiedergegeben:

[1] Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen, in dem ein Werkstoff aus einer wärmebehandelbaren Aluminiumlegierung einem Lösungsglühen bei 440 - 580°C unterzogen wird, danach einer Abschreckbehandlung, bei der eine Kühlung mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10°C/s oder mehr in einem Temperaturbereich von der Temperatur des Lösungsglühens bis mindestens 100°C durchgeführt wird, unterzogen und anschließend auf einer Haltetemperatur von -196°C oder höher und 40°C oder niedriger gehalten wird, um eine natürliche Alterung zu hemmen, und danach eine Umformbehandlung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zugversuchen, die bei 20°C für Prüfstücke aus dem Werkstoff vor der Umformbehandlung durchgeführt wurden, die Zugfestigkeit 465 MPa oder weniger und die Drehgrenze 295 MPa oder weniger beträgt.
[2] Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach dem obigen Punkt [1], dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff während der Haltezeit der Haltetemperatur zwischen dem Abschluss der Abschreckbehandlung und dem Anfang der Umformbehandlung bei 0°C oder weniger aufbewahrt wird, um die natürliche Alterung zu hemmen.
[3] Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach dem obigen Punkt [1] oder [2], dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit der Haltetemperatur, bezeichnet als eine bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C, die mit einer in folgender Formel (1) zu substituierenden Cu-Einsatzmenge korrigiert wurde, innerhalb von 50 Stunden liegt: $t_{20 ° C} = 1.4 \div exp (0.7 / [Cu]) \times \int D_{0} \times exp {- (Q / 2) / [R (T + 273)]} dt$
worin jeweils [Cu] eine Cu-Einsatzmenge, D₀ einen Frequenzfaktor von Al, Q eine Aktivierungsenergie der Diffusion von Al, T eine Temperatur des Werkstoffs (°C) und R eine Gaskonstante bezeichnet.
[4] Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach einem der obigen Punkte [1] bis [3], dadurch gekennzeichnet, dass die bei 20°C umgerechnete Zeit innerhalb von 8 Stunden liegt, wenn die Kühlgeschwindigkeit bei der Abschreckbehandlung 10°C/s oder mehr und weniger als 150°C/s ist.
[5] Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach einem der obigen Punkte [1] bis [3], dadurch gekennzeichnet, dass die bei 20°C umgerechnete Zeit innerhalb von 30 Stunden liegt, wenn die Kühlgeschwindigkeit bei der Abschreckbehandlung 150°C/s oder mehr ist.
[6] Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach einem der obigen Punkte [1] bis [5], wobei der Werkstoff (in Gew.-%) 6 - 9 % Zn, 1 - 3 % Mg und 0.1 - 2.5 % Cu enthält und ferner mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von 0.05 - 0.2 % Zr, 0.1 - 0.4 % Mn und 0.05 - 0.2 % Cr, umfasst, wobei Si und Fe beide auf 0.2 % oder weniger gehemmt sind und der Rest aus Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
[7] Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach einem der obigen Punkte [1] bis [6], dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff nach der Abschreckbehandlung ferner einer Oberflächenschmierbehandlung zum Aufbringen eines Schmiermittels unterzogen wird, und dass die Umformbehandlung in einem Zustand erfolgt, in dem der Werkstoff auf eine Temperatur von 0°C oder niedriger eingestellt und damit die Viskosität des auf der Werkstoffoberfläche durch die Oberflächenschmierbehandlung aufgebrachten Schmiermittels erhöht ist.

Vorteile der Erfindung
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen handelt es sich um ein Verfahren, in dem ein Werkstoff aus einer wärmebehandelbaren Aluminiumlegierung einem Lösungsglühen bei 440 - 580°C unterzogen wird, danach einer Abschreckbehandlung, bei der eine Kühlung mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10°C/s oder mehr in einem Temperaturbereich von der Temperatur des Lösungsglühens bis mindestens 100°C durchgeführt wird, unterzogen und anschließend auf einer Haltetemperatur von -196°C oder höher und 40°C oder niedriger gehalten wird, um einer natürliche Alterung zu hemmen, und danach eine Umformbehandlung durchgeführt wird, wobei bei Zugversuchen, die bei 20°C für Prüfstücke aus dem Werkstoff vor der Umformbehandlung durchgeführt wurden, die Zugfestigkeit 465 MPa oder weniger und die Drehgrenze 295 MPa oder weniger beträgt, wodurch der Zustand mit der nach dem Abschrecken erzielten hohen Formbarkeit über einen langen Zeitraum stabil erhalten werden kann. Dadurch kann eine hochfeste Aluminiumlegierung mittels einer bestehenden Formgebungsvorrichtung ohne Erzeugung von Defekten, wie Rissen usw., gut geformt werden, ohne dass spezifische Formgebungsverfahren, wie Heißprägen, angewendet werden müssen.
Erfindungsgemäß ist ferner möglich, zwischen der Wärmebehandlung, wie Lösungsglühen und einer Abschreckbehandlung, und der Umformbehandlung den Werkstoff separat von diesen Behandlungen unabhängig in einem gekühlten Zustand langzeitig zu halten (aufzubewahren) und damit die natürliche Alterung zu hemmen, so dass eine Vorrichtung zur Hemmung der natürlichen Alterung an einer Stelle vorgesehen werden kann, die von der Vorrichtung zur Wärmebehandlung und der Vorrichtung zur Umformbehandlung getrennt ist.
Erfindungsgemäß können ferner die Wärmebehandlung und die Umformbehandlung zeitlich unabhängig voneinander durchgeführt werden, so dass sich das Problem auch beim Auftreten eines Problems bei der Umformbehandlung, und zwar, auch wenn ein Problem, wie eine Verzögerung und dgl. bei einer dieser Behandlungen (Schritte) aufträte, auf eine andere Behandlung kaum auswirken würde.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[1] 1 zeigt beispielhaft die Beziehung zwischen der Haltezeit und der Zugfestigkeit beim Halten einer Aluminiumlegierungsplatte(7050-Legierung) auf 5 unterschiedlichen Temperaturen (-80°C, -10°C, 5°C, 20°C, 40°C) nach der Abschreckbehandlung (vor dem Umformen).
[2] 2 zeigt beispielhaft die Beziehung zwischen der mit der Cu-Einsatzmenge korrigierten, bei 20°C umgerechneten Zeit t_20°C und der Zugfestigkeit beim Halten einer Aluminiumlegierungsplatte(7050-Legierung) auf 5 unterschiedlichen Temperaturen (-80°C, -24°C, 5°C, 20°C, 40°C) nach der Abschreckbehandlung (vor dem Umformen).
[3] 3 zeigt ein Beispiel einer Kurvenzeichnung, bei der die Ordinate die bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C bis zum Erreichen der Zugfestigkeit von 429 MPa und die Abszisse den Wert der reziproken Zahl der Cu-Einsatzmenge (1/[Cu]) darstellt.
[4] 4 zeigt eine Kurvenzeichnung der Streckziehversuche von aus der Legierung B hergestellten Aluminiumlegierungsplatten mittels einer Kugelkopfstanze an einem Erichsen-Tiefzieh-Prüfgerät, wobei die Abszisse verschiedene Oberflächenschmierbedingungen und die Ordinate die Streckziehhöhe darstellt.
[5] 5 zeigt eine Kurvenzeichnung der Streckziehversuche von aus der Legierung B hergestellten Aluminiumlegierungsplatten, deren Oberfläche mit einem allgemeinen Schmiermittel (R303P) beschichtet ist, mittels einer Kugelkopfstanze an einem Erichsen-Tiefzieh-Prüfgerät, wobei die Abszisse die Temperaturen des Werkstoffs und der Stanze bei der Umformbehandlung und die Ordinate die Streckziehhöhe darstellt.

Ausführungsform der Erfindung
Anschließend wird die Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen im Folgenden näher erläutert.
Bei der Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen, in dem ein Werkstoff aus einer wärmebehandelbaren Aluminiumlegierung einem Lösungsglühen bei 440 - 580°C unterzogen wird, danach einer Abschreckbehandlung, bei der eine Kühlung mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10°C/s oder mehr in einem Temperaturbereich von der Temperatur des Lösungsglühens bis mindestens 100°C durchgeführt wird, unterzogen und anschließend auf einer Haltetemperatur von -196°C oder höher und 40°C oder niedriger gehalten wird, um eine natürliche Alterung zu hemmen, und danach eine Umformbehandlung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zugversuchen, die bei 20°C für Prüfstücke aus dem Werkstoff vor der Umformbehandlung durchgeführt wurden, die Zugfestigkeit 465 MPa oder weniger und die Drehgrenze 295 MPa oder weniger beträgt.
Legierungszusammensetzung des Werkstoffs
Die Legierungszusammensetzung des Werkstoffs für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen unterliegt keiner besonderen Beschränkung, und wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen z. B. auf Al-Cu(-Mg)-, Al-Mg-Si-, Al-Zn-Mg(-Cu)-Basis können als Beispiele angeführt werden. Wenn insbesondere eine Al-Zn-Mg-Cu-Legierung als Werkstoff zur Verwendung, die hohe Festigkeit erfordert, eingesetzt wird, ist ein konkretes vorteilhaftes Beispiel der Legierungszusammensetzung wie folgt: sie enthält (in Gew.-%) 6 - 9 % Zn, 1 - 3 % Mg und 0.1 - 2.5 % Cu und umfasst ferner mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von 0.05 - 0.2 % Zr, 0.1 - 0.4 % Mn und 0.05 - 0.2 % Cr, wobei Si und Fe beide auf 0.2 % oder weniger gehemmt sind und der Rest aus Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht. Im Folgenden werden die Wirkungen der einzelnen Komponentenelemente der Legierungszusammensetzung und die Gründe für die Begrenzung ihrer Komponentenmengen erläutert. Im nachstehenden bedeutet die Einheit „%“, die die Komponentenmengen der einzelnen Komponentenelementen darstellt, ein „Gew.-%“, sofern dies nicht anders angegeben ist.
[Zn: 6.0 - 9.0 %]
Beim Zn (Zink) handelt es sich um ein im Werkstoff für die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungsbauelemente fundamentales, essentielles Komponentenelement, das mit Mg und Cu zusammenwirkt und zur Festigkeitssteigerung beiträgt. Bei einem Zn-Gehalt von weniger als 6.0% wird jedoch keine ausreichende Festigkeit für hochfeste Aluminiumbauelemente erzielt. Bei einem Zn-Gehalt von mehr als 9.0 % wird zudem eine zu hohe Festigkeit erhalten oder eine grobe Verbindung leicht gebildet, so dass keine ausreichende Formbarkeit erzielbar ist. Deswegen ist es vorteilhaft, dass der Zn-Gehalt 6.0-9.0 % beträgt.
[Mg: 1.0 - 3.0 %]
Beim Mg (Magnesium) handelt es sich um ein im Werkstoff für die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungsbauelemente fundamentales, essentielles Komponentenelement, das mit Zn und Cu zusammenwirkt und zur Festigkeitssteigerung beiträgt. Bei einem Mg-Gehalt von weniger als 1.0 % wird jedoch keine ausreichende Festigkeit für hochfeste Aluminiumbauelemente erzielt. Bei einem Mg-Gehalt von mehr als 3.0 % wird zudem eine zu hohe Festigkeit erhalten oder eine grobe Verbindung leicht gebildet, so dass keine ausreichende Formbarkeit erzielbar ist. Deswegen ist es vorteilhaft, dass der Mg-Gehalt 1.0 - 3.0 % beträgt.
[Cu: 0.1 - 2.5 %]
Beim Cu (Kupfer) handelt es sich um ein im Werkstoff für die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungsbauelemente fundamentales, essentielles Komponentenelement, das mit Zn und Mg zusammenwirkt und zur Festigkeitssteigerung beiträgt. Bei einem Cu-Gehalt von weniger als 0.1 % wird jedoch der durch den Gehalt an Cu erzielbare, festigkeitssteigernde Effekt der Al-Zn-Mg-Cu-Legierung nicht ausreichend erhalten. Bei einem Cu-Gehalt von mehr als 2.5 % wird zudem eine zu hohe Festigkeit erhalten oder eine grobe Verbindung leicht gebildet, so dass keine ausreichende Formbarkeit erzielbar ist. Deswegen ist es vorteilhaft, dass der Cu-Gehalt 0.1 - 2.5 % beträgt.
Der Werkstoff für die Erfindung weist eine fundamentale Zusammensetzung auf, die die obengenannten essentiellen Komponenten Zn, Mg und Cu umfasst. Ferner ist es jedoch vorteilhaft, dass mindestens ein Element, ausgewählt aus der nachstehenden Gruppe von 0.05 - 0.2 % Zr, 0.1 - 0.4 % Mn und 0.05 - 0.2 % Cr enthalten ist, und Si und Fe beide auf 0.2 % oder weniger gehemmt sind.
[Enthalten mindestens eines Elements, ausgewählt aus der Gruppe von 0.05 - 0.2 % Zr, 0.1 - 0.4 % Mn und 0.05 - 0.2 % Cr]
Beim Zr (Zirkonium), Mn (Mangan) und Cr (Chrom) handelt es sich um Komponentenelemente, die eine feine intermetallische Verbindung bilden und zur Hemmung der Kristallkornvergröberung wirken. Erfindungsgemäß ist mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von 0.05 - 0.2 % Zr, 0.1 - 0.4 % Mn und 0.05 - 0.2 % Cr enthalten. Wenn der Zr-, Mn- und Cr-Gehalt jeweils bei weniger als der unteren Grenze des genannten angemessenen Bereichs liegt, wird jedoch kein ausreichender Effekt zur Hemmung der Kristallkornvergröberung erzielt. Wenn zudem jeweils die obere Grenze des genannten angemessenen Bereichs überschritten wird, wird eine grobe intermetallische Verbindung leicht gebildet, wobei zu befürchten ist, dass die Formbarkeit beeinträchtigt wird. Deshalb ist es vorteilhaft, dass der Zr-Gehalt im Bereich von 0.05 - 0.2 %, der Mn-Gehalt im Bereich von 0.1 - 0.4 % und der Cr-Gehalt im Bereich von 0.05 - 0.2 % liegt, wenn mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von Zr, Mn und Cr, enthalten ist. Als alternatives Komponentenelement für Zr, das dieselbe Wirkung wie Zr aufweist, kann 0.05 - 0.2 % Sc (Scandium) eingesetzt werden.
[Hemmung von Si und Fe, bei beiden auf 0.2 % oder weniger]
Bei Si (Silizium) und Fe (Eisen) handelt es sich um Komponentenelemente, deren Hineinmischung in den Werkstoff als Verunreinigungen angenommen (zugelassen) wird, indem neben reinem Aluminiumgrundmetall ein Aluminiumlegierungsschrott als Schmelzausgangsmaterial für den Werkstoff eingesetzt wird. Wenn der Si- und Fe-Gehalt jeweils 0.2 % überschreitet, wird eine grobe Verbindung leicht gebildet, wobei zu befürchten ist, dass die Formbarkeit beeinträchtigt wird. Deshalb werden Si und Fe beide erfindungsgemäß auf einen Gehaltsbereich von 0.2 % oder weniger gehemmt, der auf die Eigenschaften der gewalzten Aluminiumlegierungsplatte keine schlechten Auswirkungen besitzt.
Die Legierungszusammensetzung des Werkstoffs für das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen umfasst neben den oben erläuterten Komponentenelementen im Prinzip Al (Aluminium) und unvermeidliche Verunreinigungen. Als unvermeidliche Verunreinigungen werden V, Ti, B usw. angeführt, deren Komponentenmengen jeweils 0.1 % oder weniger sind und insgesamt 0.2 % oder weniger ausmachen. Wenn die Komponentenmengen der Verunreinigungen innerhalb dieser Bereiche liegen, wird der erfindungsgemäße Vorteil nicht beeinträchtigt.
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen
<Gießen>
Eine Aluminiumlegierung mit der obengenannten Komponentenzusammensetzung wird zuerst in gewöhnlicher Weise geschmolzen und nach der Auswahl eines geeigneten üblichen Gießverfahrens, wie eines Stranggussverfahrens, eines halbkontinuierlichen Gießverfahrens (Druckgussverfahrens) usw. gegossen.
<Homogenisierung>
Anschließend wird der erhaltene Gussblock (Werkstoff) einer Homogenisierung unterzogen. Die Erwärmungs- und Haltebedingungen bei der Homogenisierung unterliegen keiner besonderen Beschränkung. Normalerweise kann die Erwärmungstemperatur im Bereich von 400 - 580°C liegen.
<Warmwalzen>
Danach wird der homogenisierte Werkstoff gekühlt und warmgewalzt. Das Warmwalzen kann in gewöhnlicher Weise erfolgen. Die Temperatur beim Warmwalzen kann auf Temperaturen im Bereich von 300 - 550°C festgesetzt und die Wicklungstemperatur nach dem Warmwalzen auf 250 - 450°C eingestellt werden.
<Kaltwalzen>
Nach dem Warmwalzen wird der Werkstoff durch Kaltwalzen bis zur Plattendicke des Endproduktes oder einer ihr nahen Plattendicke gewalzt. Der gesamte Kaltwalzgrad unterliegt keiner besonderen Beschränkung, aber wird beim Kaltwalzen normalerweise auf ca. 40 - 80% eingestellt.
<Schneiden>
Die in der genannten Weise hergestellte Aluminiumlegierungsplatte mit der bestimmten Plattendicke wird in einem Schneidschritt zu einem Blechmaterial mit einer für das Umformen geeigneten Form und Größe zugeschnitten. Der Schneidschritt kann auch nach dem Lösungsglühen durchgeführt werden. D. h. die kaltgewalzte Spule kann durch einen Durchlaufglühofen lösungsgeglüht, abgeschreckt und danach vor dem Umformen einem Schneidschritt unterzogen werden.
<Lösungsglühen>
Das Blechmaterial (Werkstoff) wird einem Lösungsglühen unterzogen. Die Behandlungstemperatur beim Lösungsglühen wird derart festgesetzt, dass die Temperatur des Werkstoffs (Lösungsglühtemperatur) 440°C oder höher und 580°C oder niedriger ist. Es ist nicht unbedingt notwendig, den Werkstoff auf der Lösungsglühtemperatur zu halten. Jedoch ist es vorteilhaft, dass er auf einer Lösungsglühtemperatur von bis zu 10 Minuten gehalten wird.
<Abschreckbehandlung>
Das Blechmaterial (Werkstoff) wird nach dem Lösungsglühen einer Abschreckbehandlung unterzogen. Die Abschreck(Kühl)-behandlung kann eine Wasserkühlung, Nebelkühlung und Luftkühlung sein. Es ist jedoch erforderlich, bei der Abschreckbehandlung die Kühlung mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10°C/s oder mehr im Temperaturbereich von der Temperatur des Lösungsglühens (Lösungsglühtemperatur) bis mindestens 100°C durchzuführen, um gute Biegebearbeitbarkeit für die Festigkeit bei der Formgebung zu erhalten. Bei der üblichen Umformbehandlung nach der Abschreckbehandlung ist es vorteilhaft, dass die Kühlgeschwindigkeit im obigen Temperaturbereich 10°C/s oder mehr und weniger als 150°C/s beträgt. Wenn die Biegebearbeitbarkeit noch mehr verbessert werden muss, ist es besonders vorteilhaft, dass die Kühlgeschwindigkeit im genannten Temperaturbereich auf 150°C/s oder mehr eingestellt wird, um die Ausscheidung der Einsatzelemente an der Kristallkorngrenze bei der Kühlung zu verhindern und damit die Festigkeit in der Nähe der Korngrenze nicht zu verringern. Die Kühlgeschwindigkeit bei der Abschreckbehandlung soll unter Berücksichtigung der chemischen Komponenten der für den Werkstoff eingesetzten Aluminiumlegierung und der Kombination der zu erzielenden Festigkeit und Formbarkeit geeignet ausgewählt werden.
<Behandlung zur Hemmung der natürlichen Alterung>
Anschließend wird nach der Abschreckbehandlung und vor der Umformbehandlung eine Behandlung zur Hemmung der natürlichen Alterung durchgeführt, bei der der Werkstoff auf einer Haltetemperatur von -196°C oder höher und 40°C oder niedriger, vorzugsweise auf 0°C oder niedriger gehalten (aufbewahrt) wird. Diese Behandlung erfolgt, um zu verhindern, dass während des Zeitraums zwischen dem Abschluss der Abschreckbehandlung und dem Anfang der Umformbehandlung die Materialeigenschaften des Werkstoffs, wie Festigkeit usw., durch die natürliche Alterung und dgl. geändert werden. Deshalb handelt es sich dabei um eine wichtige Behandlung für das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung. Der untere Grenzwert der Haltezeit der Haltetemperatur unterliegt keiner besonderen Beschränkung, aber beträgt vorzugsweise nicht weniger als 4 Stunden, da bei einer Haltezeit von weniger als 4 Stunden die Pufferzeit zwischen der Abschreckbehandlung und der Umformbehandlung verkürzt wird und sich somit Schwierigkeiten beim Umformschritt bei der Massenproduktion auch auf die Abschreckbehandlung auswirken, was die Gefahr bedingt, dass die Materialeigenschaften beeinflusst werden können, und z. B. eine zu lange Haltung auf der Lösungsglühtemperatur und eine Abnahme der Abschreckgeschwindigkeit, auftreten können.
Es ist vorteilhaft, dass die Haltezeit, bezeichnet als eine bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C, die mit einer in folgender Formel (1) zu substituierenden Cu-Einsatzmenge korrigiert wurde, innerhalb von 50 Stunden liegt: $t_{20 ° C} = 1.4 \div exp (0.7 / [Cu]) \times \int D_{0} \times exp {- (Q / 2) / [R (T + 273)]} dt$
worin jeweils [Cu] eine Cu-Einsatzmenge, D₀ einen Frequenzfaktor von Al, Q eine Aktivierungsenergie der Diffusion von Al, T eine Temperatur des Werkstoffs (°C) und R eine Gaskonstante bezeichnet.
Durch die obige Formel (1) wird die bei 20°C umgerechnete Zeit ermittelt, indem zuerst mittels des Frequenzfaktors D₀ und der Aktivierungsenergie Q bei der Selbstdiffusion von Al-Atomen in der Aluminiumlegierung der Diffusionskoeffizient bei der Haltetemperatur durch den Diffusionskoeffizienten bei 20°C dividiert, wie in Formel (2) dargestellt, und dieses Verhältnis mit der Haltezeit multipliziert wird. Nach der Umwandlung dieser Formel erhält man die Formel (3). $t_{20 ° C} = \int (D_{0} \times exp {- (Q / [R (T + 273)])}) / (D_{0} \times exp {- Q / [R (20 + 273)]}) dt$
$t_{20 ° C} = \int exp \times {Q / R [1 / (20 + 273)) - (1 / (T + 273))]} dt$
Zur Zusammenstellung der Versuchsergebnisse wurde für die Aktivierungsenergie Q zur Ermittlung des normalen Diffusionskoeffizienten der Koeffizient im Bereich zwischen 0.1 und 1.0 je um 0.1 geändert, wodurch festgestellt wurde, dass beim Koeffizienten von 0.5 das Verhalten der natürlichen Alterung bei unterschiedlichen Haltetemperaturen mit folgender Formel (4) als die bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C zusammengestellt werden kann. $t_{20 ° C} = \int exp \times {Q / 2R [1 / (20 + 273)) - (1 / (T + 273))]} dt$
1 zeigt beispielhaft die Beziehung zwischen der Haltezeit und der Zugfestigkeit beim Halten einer Aluminiumlegierungsplatte(7050-Legierung) auf 5 unterschiedlichen Temperaturen (-80°C, -10°C, 5°C, 20°C, 40°C) nach der Abschreckbehandlung (vor dem Umformen). 2 zeigt zudem die Beziehung zwischen der Zugfestigkeit und der an der Abszisse gemäß 1 gezeigten Haltezeit, die durch die mit der Formel (4) ermittelte, bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C ersetzt ist. Die 1 und 2 stellen jeweils ein konkretes Beispiel des Falls einer 7050-Legierungsplatte dar, aber auch weitere Aluminiumlegierungen können nach demselben Denkansatz zusammengestellt werden.
Nach Untersuchung der Beziehung zwischen dem Zusammensetzungsbereich der Aluminiumlegierungen und der Geschwindigkeit der natürlichen Alterung haben die Erfinder herausgefunden, dass die Geschwindigkeit der natürlichen Alterung durch die Cu-Menge am meisten beeinflusst wird und es somit eine Tendenz gibt, dass, je geringer die Cu-Menge ist, desto mehr die Alterungsgeschwindigkeit abnimmt. Der Grund dafür besteht darin, dass wegen der starken Bindungskraft zwischen den Cu-Atomen und den das Alterungsverhalten beherrschenden Gitterleerstellen die Alterungsausscheidung beschleunigt wird, bei der die Gitterleerstellen als Keime wirken. Zur Normierung der Auswirkung der Cu-Menge wird die nötige Zeit bis zum Erreichen derselben Festigkeit (hier Zugfestigkeit von 429 MPa) für einzelne Aluminiumlegierungen berechnet. Es hat sich herausgestellt, dass sich die nötige Zeit durch eine Exponentialfunktion, bei der die reziproke Zahl der Cu-Menge als Variable dient, gut annähern lässt.
3 zeigt ein Beispiel einer Kurvenzeichnung für verschiedene Aluminiumlegierungsplatten, bei der die Ordinate die bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C bis zum Erreichen der Zugfestigkeit von 429 MPa und die Abszisse den Wert der reziproken Zahl der Cu-Einsatzmenge (1/[Cu]) darstellt. In dieser Näherungsfunktion stellt der Koeffizient 8.6 das Ergebnis des Falls dar, in dem die Bezugsfestigkeit auf 429 MPa festgesetzt wurde. Um eine relative Beurteilung der Differenz der Alterungsgeschwindigkeiten aufgrund des Unterschieds der Cu-Einsatzmenge durchzuführen, kann 0.7 als Koeffizient des Exponenten verwendet werden, da es zu befürchten ist, dass bei einem Wert des Koeffizienten höher als 0.7 der Effekt der Cu-Menge zur Beschleunigung der Alterungsgeschwindigkeit unterschätzt und hingegen bei einem Wert kleiner als 0.7 überschätzt werden kann.
Dann wird ein Korrekturterm zum Dividieren durch exp(0.7/[Cu]) formuliert und zudem der Koeffizient exp(0.7/2.1) ≈ 1.4 in die Formel (4) eingefügt, da die Cu-Einsatzmenge (2.1 Gew.-%) der 7050-Legierung als Bezugsmenge betrachtet wird. Daraus resultiert die Formel (1). Dadurch ist der Wert des Korrekturterms bei der 7050-Legierung 1.4 ÷ (EXP(0.7 ÷ 2.1)) ≈ 1, während er bei der 7046-Legierung, deren Cu-Einsatzmenge 0.15 Gew.-% beträgt, 1.4 ÷ (EXP(0.7 ÷ 0.15)) ≈ 0.013 ist. Bei der 7050-Legierung wird eine Haltezeit, in der die ausreichende Biegebearbeitbarkeit aufrechterhalten kann, wie im obigen Punkt [3] beschrieben, im Bereich von bis zu 50 Stunden, bezeichnet als die bei 20°C umgerechnete Zeit, zugelassen, während bei der 7046-Legierung wirklich eine Haltezeit von bis 50 ÷ 0.013 ≈ 4000 Stunden zugelassen wird. Zur Normierung dieses Unterschieds der Legierungskomponenten wird die mit der Cu-Einsatzmenge korrigierte, bei 20°C umgerechnete Haltezeit als Kennziffer bestimmt, wodurch eine stabile Produktion ermöglicht wird.
Der Grund für die Berechnung der Haltezeit mittels der Formel (1) besteht darin, dass die durch die natürliche Alterung bewirkte Festigkeitssteigerung nach dem Abschrecken bis zum Umformen im Fall der isothermisch gehaltenen Legierung zwar mit einer einfachen Formel berechnet werden kann, aber bei der Regelung der Temperatur einer großen Materialmenge bei der Massenproduktion auch die Einflüsse der nichtkonstanten Haltetemperatur, wie Materialtemperaturänderung usw. durch die nötige Zeit für die Kühlung, die Umgebungstemperaturänderung usw., in Betracht gezogen werden müssen. Dabei wird durch die Integration pro Zeiteinheit die Haltezeit mit einem Faktor (bei 20°C umgerechnete Haltezeit) kontrolliert, damit die Rissbildungsmöglichkeit beurteilt werden kann. Die Haltezeit, bezeichnet als die bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C nach der Formel (1), liegt innerhalb von 50 Stunden aus dem Grund, dass die bei 20°C umgerechnete Zeit von mehr als 50 Stunden die Materialfestigkeit weitgehend steigert und somit auch eine milde Biegung mit einem kleinen Bearbeitungsgrad die Möglichkeit der Rissbildung erhöhen kann.
Beispielsweise ist es vorteilhaft, dass die Haltezeit der Behandlung zur Hemmung der natürlichen Alterung, bezeichnet als die bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C, innerhalb von 8 Stunden liegt, wenn die Kühlgeschwindigkeit bei der Abschreckbehandlung 10°C/s oder mehr und weniger als 150°C/s ist. Ferner ist es besonders vorteilhaft, dass die obere Grenze der Haltezeit der Behandlung zur Hemmung der natürlichen Alterung, bezeichnet als die bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C, maximal bis auf 30 Stunden verlängert werden kann, wenn die Kühlgeschwindigkeit bei der Abschreckbehandlung 150°C/s oder mehr ist. Wenn der Zeitraum nach der Abschreckbehandlung bis zur Umformbehandlung kurz ist, kann die Behandlung zur Hemmung der natürlichen Alterung weggelassen werden.
Wenn der auf der Haltetemperatur gehaltene Werkstoff erst nach einem Monat einer Umformbehandlung unterzogen wird, ist es vorteilhafter, dass er in einem auf eine Temperatur von - 20°C oder niedriger gekühlten Zustand aufbewahrt wird, um eine noch weitere Hemmung der Alterung durchzuführen.
Wenn der Aluminiumlegierungswerkstoff während der Haltezeit (Aufbewahrungszeit) nach der Abschreckbehandlung und vor der Umformbehandlung transportiert werden muss, kann die Temperatur auch -20°C oder höher sein, insofern sie 0°C oder niedriger ist. D. h. der Transport mittels eines Kühlwagens mit einer spezifischen Kühlanlage ist nicht notwendig, sondern der Transport mittels eines normalen Kühlwagens ist möglich, der als Kühlquelle ein Kühlmittel trägt. Dabei ist es jedoch wichtig, dass die Festigkeit des umzuformenden Werkstoffs (z. B. Zugfestigkeit und Drehgrenze) durch die natürliche Alterung usw. nicht in hohem Maße geändert wird, so dass unter Berücksichtigung der chemischen Komponenten sowie zu erzielenden Festigkeit und Formbarkeit die Transportzeit und die Temperatur während des Transports festgesetzt werden müssen.
<Umformbehandlung>
Nach der Abschreckbehandlung oder ferner nach der Behandlung zur Hemmung der natürlichen Alterung wird der Werkstoff einer Umformbehandlung unterzogen. Es ist vorteilhaft, dass die Formgebungstemperatur des Werkstoffs beim Anfang der Umformbehandlung auf eine Temperatur von 40°C oder niedriger eingestellt wird, da eine Formgebungstemperatur des Werkstoffs von über 40°C die Alterung leicht beschleunigt und somit eine kurzzeitige Festigkeitssteigerung wegen der Alterung leicht verursacht. Der untere Grenzwert der Werkstofftemperatur bei der Umformbehandlung unterliegt keiner besonderen Beschränkung, aber ist -196°C, wenn als Kühlmittel flüssiger Stickstoff dient.
Die Umformbehandlung wird beim Werkstoff in einem auf eine Tieftemperatur von 0°C oder niedriger gehaltenen Zustand oder beim Werkstoff in einem auf Raumtemperatur (z. B. 1-40°C) zurückgestellten Zustand durchgeführt. Das Umformen des Werkstoffs in einem auf Raumtemperatur zurückgestellten Zustand ist günstig, da man sich dabei an Formmaschinen und deren Peripheriegeräten um schlechte Einflüsse, wie Rostbildung durch Frost und dgl., nicht mehr zu sorgen braucht.
Beim Umformen des Werkstoffs in einem auf einer Tieftemperatur von 0°C oder niedriger gehaltenen Zustand ist es vorteilhaft, dass ferner die Oberflächenschmierbehandlung zum Aufbringen eines Schmiermittels auf dem Werkstoff nach der Abschreckbehandlung durchgeführt wird. Dadurch kann das Umformen in einem derartigen Zustand durchgeführt werden, dass der Werkstoff auf eine Temperatur von 0°C oder niedriger eingestellt und damit die Viskosität des durch die Oberflächenschmierbehandlung auf der Werkstoffoberfläche aufgebrachten Schmiermittels erhöht ist. Folglich kann eine ausgezeichnete Schmierfähigkeit gegenüber derjenigen beim Umformen im Raumtemperaturzustand erhalten und damit die Formbarkeit verbessert werden. Das Schmiermittel unterliegt keiner besonderen Beschränkung. Als Beispiel kann PRETON (Rostschutzmittel, Modell-Nr.: R303P) von Sugimura Chemical Industrial Co., Ltd. angeführt werden.
<Weitere Behandlungen>
Erfindungsgemäß kann nach der Abschreckbehandlung gegebenenfalls eine Beizbehandlung durchgeführt werden, um die Oxidschicht von der Oberfläche zu entfernen. Zudem kann auch eine chemische Konversionsbehandlung durchgeführt werden, um die Korrosionsbeständigkeit und die Haftfähigkeit des Klebers zu verbessern.
Nach der Umformbehandlung kann die Festigkeit auch dadurch erhöht werden, dass eine künstliche Alterungsbehandlung zusätzlich durchgeführt wird. Zudem kann die Festigkeit dadurch erhöht werden, dass eine Lackeinbrennbehandlung zusätzlich durchgeführt wird. Bei der künstlichen Alterung kann eine RRA(= Retrogression and Re-Aging; Zurückentwicklung und Wiederalterungs)-Behandlung durchgeführt werden, um die Beständigkeit gegen SCC(= Stress Corrosion Cracking; Spannungsrisskorrosion) zu erhöhen.
<Mechanische Eigenschaften des Werkstoffs, der einer Umformbehandlung unterzogen wird>
Hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs, der einer Umformbehandlung unterzogen wird, ist es erforderlich, dass, gemessen bei 20°C, die Zugfestigkeit 465 MPa oder weniger und die Drehgrenze 295 MPa oder weniger ist, um eine ausreichende Umformbarkeit und Biegebearbeitbarkeit zu erzielen.
Die obengenannte Ausführungsform stellt lediglich ein Beispiel einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar und kann im Umfang der Ansprüche verschiedenartig modifiziert werden.
Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden verschiedene Aluminiumlegierungsbauelemente (Ausführungsbeispiele) erläutert, die nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren probeweise gefertigt und deren mechanische Eigenschaften ausgewertet wurden.
(erstes Ausführungsbeispiel)
Drei Aluminiumlegierungen, d. h. Legierung A (7050), Legierung B (7046) und Legierung C jeweils mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung, wurden durch Druckguss in Blockform hergestellt. Die erhaltenen Gussblöcke wurden in gewöhnlicher Weise einer Homogenisierung unterzogen und danach warm- und kaltgewalzt, wodurch aus den Gussblöcken der Legierungen A und C jeweils eine kaltgewalzte Platte mit einer Plattendicke von 1 mm sowie aus dem Gussblock der Legierung B eine kaltgewalzte Platte mit einer Plattendicke von 2 mm erhalten wurde. Aus den einzelnen erhaltenen kaltgewalzten Platten (Werkstoff) wurden entlang der in einem Winkel von 90° zur Walzrichtung verlaufenden Richtung Prüfstücke ausgeschnitten, deren Länge 200 mm und deren Breite am auszuwertenden Teil 25 mm betrug. Die Prüfstücke wurden 5 Minuten in einen Salzbadofen mit einer Temperatur von 470°C eingetaucht und lösungsgeglüht, und danach einer Abschreckbehandlung unter Zwangskühlung mit Luft oder Wasser unterzogen. Danach wurde die Behandlung zur Hemmung der natürlichen Alterung durchgeführt, bei der die in Tabelle 2 angegebenen Kombinationen von Temperatur und Zeit verwendet wurden. Danach wurde die Umformbehandlung (Biegebearbeitung) durchgeführt, wodurch Aluminiumlegierungsbauelemente hergestellt wurden. In Tabelle 2 sind Lösungsglühbedingungen, Kühlgeschwindigkeiten bei der Abschreckbehandlung, Behandlungsbedingungen zur Hemmung der natürlichen Alterung sowie die Werkstofftemperaturen, (Werkstoff-)Zugfestigkeiten und (Werkstoff-)Drehgrenzen bei der Umformbehandlung (Biegebearbeitung) angegeben.
Bei der Umformbehandlung wurde der Werkstoff durch einen Biegeversuch biegebearbeitet. Der Biegeversuch wurde unter Verwendung des vorderen Endes einer Patrize mit einem Krümmungsradius R von 0.5 mm an einem V-förmigen Blockwerkzeug mit einem Biegewinkel von 90° durchgeführt, um die Biegebearbeitbarkeit auszuwerten. Die Biegebearbeitbarkeit wurde durch Sichtprüfung des Aussehens des gebogenen Teils in vier Stufen ausgewertet:

Note 1: rissfrei;
Note 2: Mikrorisse (,die sich nicht über die gesamte Breite des Prüfstücks von 25 mm erstrecken);
Note 3: Mikrorisse (,die sich über die gesamte Breite des Prüfstücks von 25 mm erstrecken, aber deren Öffnungsgröße weniger tief als die Hälfte der Plattendicke ist); und Note 4: große Risse (,deren Öffnungsgröße nicht tiefer als die Hälfte der Plattendicke ist).

In den vorliegenden Ausführungsbeispielen wurden bei den Ergebnissen der Auswertung mittels des vorderen Endes der Patrize mit R = 0,5 mm die Note 1, 2 oder 3 als bestanden vergeben.

[Tabelle 1]

Legierungssorte	Zn	Mg	Cu	Zr	Mn	Cr	Si	Fe	Ti	Al
A	6.4	2.1	2.11	0.09	<0.01	0.01	0.03	0.09	0.01	Rest
B	6.9	1.3	0.15	0.14	<0.01	<0.01	0.07	0.10	0.02	Rest
C	8.0	1.8	0.30	0.14	<0.01	<0.01	0.07	0.11	0.02	Rest

Aus den Ergebnissen für die Probe-Nrn. 1-1 bis 1-21 gemäß Tabelle 2 ergibt sich, dass bei den Probe-Nrn. 1-1 bis 1-6, 1-10 bis 1-14 und 1-16 bis 1-20, die die Ausführungsbeispiele darstellen, die Lösungsglühbedingungen, Abschreckbehandlungsbedingungen und Umformbehandlungsbedingungen sowie die Atmosphärenbedingungen, unter denen der Werkstoff nach der Abschreckbehandlung und vor der Umformbehandlung lag, innerhalb der erfindungsgemäßen angemessenen Bereiche liegen, so dass die Zugfestigkeit 465 MPa oder weniger und die Drehgrenze 295 MPa oder weniger war, und die Biegebearbeitbarkeit mit der Note 1, 2 oder 3 als bestanden bewertet wurde. Andererseits liegen bei den Probe-Nrn. 1-14 bis 1-16, 1-20 und 1-21, die die Vergleichsbeispiele darstellen, die Atmosphärenbedingungen, unter denen der Werkstoff nach der Abschreckbehandlung und vor der Umformbehandlung lag, außerhalb der erfindungsgemäßen angemessenen Bereiche, so dass die natürliche Alterung nicht gehemmt werden konnte, wobei die Zugfestigkeit höher als 465 MPa und die Drehgrenze höher als 295 MPa war oder die Biegebearbeitbarkeit mit der Note 4 als nichtbestanden bewertet wurde.
(Zweites Ausführungsbeispiel)
Die Aluminiumlegierung B (7046-Legierung) mit der in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzung wurde durch Druckguss in Blockform hergestellt. Der erhaltene Gussblock wurde in gewöhnlicher Weise einer Homogenisierung unterzogen und danach warm- und kaltgewalzt, wodurch eine kaltgewalzte Platte mit einer Plattendicke von 2 mm erhalten wurde. Aus der erhaltenen kaltgewalzten Platte (Werkstoff) wurden quadratische Prüfstücke, deren Seitenlänge 120 mm betrug, ausgeschnitten. Die Prüfstücke wurden 5 Minuten in einem Salzbadofen mit einer Temperatur von 470°C eingetaucht und lösungsgeglüht, und danach einer Abschreckbehandlung unter Zwangskühlung mit Luft unterzogen. Anschließend wurden die Prüfstücke 2 Stunden auf einer Raumtemperatur von 25°C gehalten und einer Oberflächenschmierbehandlung unter den in Tabelle 3 angegebenen Oberflächenschmierbedingungen unterzogen, und danach wurde ein Streckziehversuch mittels einer Kugelkopfstanze mit einem Durchmesser von 60 mm an einem Erichsen-Tiefzieh-Prüfgerät durchgeführt. In Tabelle 3 sind die Lösungsglühbedingungen, Kühlgeschwindigkeiten bei der Abschreckbehandlung, Behandlungsbedingungen zur Hemmung der natürlichen Alterung, die Atmosphärenbedingungen, unter denen der Werkstoff vor der Umformbehandlung lag, Werkstoff- und Stanzentemperaturen bei der Umformbehandlung (Biegebearbeitung) sowie Oberflächenschmierbedingungen angegeben.
Bei der Umformbehandlung wurde der Werkstoff unter Druck der Kugelkopfstanze mit einem Durchmesser von 60 mm am Erichsen-Tiefzieh-Prüfgerät streckgeformt. Die Formbarkeit wurde durch die Zahlenwerte der Streckziehhöhe, gemessen durch die Streckziehformung, ausgewertet. Die Ergebnisse der Auswertung sind in Tabelle 3 angegeben. Je größer der Zahlenwert der Streckziehhöhe ist, desto hervorragender ist die Formbarkeit. Mittels der Daten gemäß Tabelle 3 wird eine Kurvenzeichnung für die Streckziehhöhe in 4 gezeigt, bei der die Abszisse die Oberflächenschmierbedingungen darstellt. Ferner wird eine Kurvenzeichnung für die Streckziehhöhe in 5 gezeigt, bei der die Abszisse die Temperatur des Werkstoffs und der Stanze bei der Umformbehandlung darstellt.
Nach den Ergebnissen der Probe-Nrn. 2-1 bis 2-9 gemäß Tabelle 3, die die Ausführungsbeispiele darstellen, ist die Formbarkeit der Probe-Nr. 2-7, auf deren Oberfläche ein Schmiermittel (R303P) aufgebracht war, besser als die Formbarkeit der Probe-Nr. 2-6, die als Standardprobe dient, wobei bei der Probe-Nr. 2-6 die Werkstoff- und Stanzentemperatur bei der Umformbehandlung beide Raumtemperatur (25°C) waren. Die Probe-Nrn. 2-5, 2-4 und 2-3, bei denen die Werkstofftemperatur jeweils auf -20°C, -75°C und -190°C herabgesetzt wurde, weisen eine verbesserte Formbarkeit im Vergleich zur Probe-Nr. 2-7 auf. Daneben ist die Formbarkeit der Probe-Nr. 2-2, bei der auch die Stanzentemperatur herabgesetzt wurde, gegenüber der Probe-Nr. 2-3 weiter verbessert. Daneben zeigte die Probe-Nr. 2-1, bei der kein Schmiermittel auf die Werkstoffoberfläche aufgebracht wurde und lediglich die Werkstoff- und Stanzentemperatur herabgesetzt wurden, eine hervorragendere Formbarkeit gegenüber der Probe-Nr. 2-6, die als Standardprobe diente, und gegenüber der Probe-Nr. 2-7, auf deren Oberfläche ein Schmiermittel (R303P) aufgebracht wurde. Die Probe-Nr. 2-8, bei der auf die Werkstoffoberfläche ein Wachs aufgebracht wurde, und die Probe-Nr. 2-9, bei der die Werkstoffoberfläche mit einem Vinylharz mit Wachs beschichtet wurde, weisen beide zwar eine hohe Streckziehhöhe und eine überlegene Formbarkeit auf, aber sind unpraktisch, da einerseits beim Aufbringen des Wachses zu befürchten ist, dass eine Entfettung nach der Formgebung nicht ausreichend stattfindet, andererseits im Fall der Vinylharzbeschichtung ein Schritt zum Belegen mit dem Vinylfilm und ein Schritt zum Ablösen des Films nach dem Umformen erforderlich sind.
In dieser Hinsicht wurde an der Probe-Nr. 2-2, bei der mindestens die Werkstofftemperatur unter den Temperaturen des Werkstoffs und der Stanze auf 0°C oder niedriger herabgesetzt und gleichzeitig ein allgemeines Schmiermittel auf die Oberfläche aufgebracht wurde, eine Formbarkeit auf dem gleichen Niveau oder höher erzielt wie an den Probe-Nrn. 2-8 und 2-9, bei denen auf die Oberfläche ein Wachs aufgebracht oder die Oberfläche mit Vinylharz beschichtet wurde. Deshalb kann das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren als sehr effektiver Prozess zur Verbesserung der Formbarkeit betrachtet werden, bei dem es nachgewiesen wurde, dass durch Kühlung nicht nur des Werkstoffs, sondern auch der Formgebungsvorrichtung die Formbarkeit außerordentlich verbessert wird.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Wie oben erläutert, handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen um ein Verfahren, in dem eine Al-Zn-Mg-Cu-Legierung als Grundlage eingesetzt und nach dem Abschrecken auf einer Tieftemperatur gehalten wird, um die Raumtemperaturalterung zu hemmen, wodurch sowohl eine Festigkeit als auch eine Formbarkeit der hochfesten Legierung in relativ einfacher Weise erzielt werden können. Die vorliegende Erfindung kann nicht nur für Kraftfahrzeuge, wie Kraftfahrzeugverstärkungen usw., sondern auch für Schiffe, Flugzeuge bzw. als Gehäuse von elektronischen und elektrischen Geräten usw. Anwendung finden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 3287148 B [0010]
JP 2729705 B [0010]
JP 3269859 B [0010]
JP 3354024 B [0010]
JP 5681631 B [0010]
WO 2017/062225 A1 [0010]
WO 2015/112799 A1 [0010]
JP 2010159489 A [0010]
US 2011/0017366 A1 [0010]
JP 5671422 B [0010]

Claims

Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen, in dem ein Werkstoff aus einer wärmebehandelbaren Aluminiumlegierung einem Lösungsglühen bei 440 - 580°C unterzogen wird, danach einer Abschreckbehandlung, bei der eine Kühlung mit einer Kühlgeschwindigkeit von 10°C/s oder mehr in einem Temperaturbereich von der Temperatur des Lösungsglühens bis mindestens 100°C durchgeführt wird, unterzogen und anschließend auf einer Haltetemperatur von -196°C oder höher und 40°C oder niedriger gehalten wird, um eine natürliche Alterung zu hemmen, und danach eine Umformbehandlung durchgeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei Zugversuchen, die bei 20°C für Prüfstücke aus dem Werkstoff vor der Umformbehandlung durchgeführt wurden, die Zugfestigkeit 465 MPa oder weniger und die Drehgrenze 295 MPa oder weniger beträgt.
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff während der Haltezeit der Haltetemperatur zwischen dem Abschluss der Abschreckbehandlung und dem Anfang der Umformbehandlung bei 0°C oder niedriger aufbewahrt wird, um die natürliche Alterung zu hemmen.
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltezeit der Haltetemperatur, bezeichnet als eine bei 20°C umgerechnete Zeit t_20°C, die mit einer in folgender Formel (1) zu substituierenden Cu-Einsatzmenge korrigiert wurde, innerhalb von 50 Stunden liegt: $t_{20 ° C} = 1.4 \div exp (0.7 / [Cu]) \times \int D_{0} \times exp {- (Q / 2) / [R (T + 273)]} dt$
worin jeweils [Cu] eine Cu-Einsatzmenge, D₀ einen Frequenzfaktor von Al, Q eine Aktivierungsenergie der Diffusion von Al, T eine Temperatur des Werkstoffs (°C) und R eine Gaskonstante bezeichnet.
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei 20°C umgerechnete Zeit innerhalb von 8 Stunden liegt, wenn die Kühlgeschwindigkeit bei der Abschreckbehandlung 10°C/s oder mehr und weniger als 150°C/s ist.
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die bei 20°C umgerechnete Zeit innerhalb von 30 Stunden liegt, wenn die Kühlgeschwindigkeit bei der Abschreckbehandlung 150°C/s oder mehr ist.
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Werkstoff (in Gew.-%) 6 - 9 % Zn, 1 - 3 % Mg und 0.1 - 2.5 % Cu enthält und ferner mindestens ein Element, ausgewählt aus der Gruppe von 0.05 - 0.2 % Zr, 0.1 - 0.4 % Mn und 0.05 - 0.2 % Cr, umfasst, gleichzeitig Si und Fe beide auf 0.2 % oder weniger gehemmt sind und der Rest aus Aluminium und unvermeidlichen Verunreinigungen besteht.
Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsbauelementen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff nach der Abschreckbehandlung ferner einer Oberflächenschmierbehandlung zum Aufbringen eines Schmiermittels unterzogen wird, und dass die Umformbehandlung in einem Zustand erfolgt, in dem der Werkstoff auf eine Temperatur von 0°C oder niedriger eingestellt und damit die Viskosität des auf die Werkstoffoberfläche durch die Oberflächenschmierbehandlung aufgebrachten Schmiermittels erhöht ist.