DE19948820B4

DE19948820B4 - Wärmeabschirmblech bestehend aus einer Aluminiumlegierung

Info

Publication number: DE19948820B4
Application number: DE19948820A
Authority: DE
Inventors: Peter von Dr. Czarnowski; Christian Dr. Dumont; Dirk Dr. Uffelmann
Original assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG; Vaw Aluminium AG
Current assignee: Vereinigte Aluminium Werke AG; Vaw Aluminium AG
Priority date: 1999-08-05
Filing date: 1999-10-09
Publication date: 2004-03-04
Anticipated expiration: 2019-10-10
Also published as: DE50009840D1; DE19948820A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung zur Herstellung von Wärmeabschirmblechen mit einem Legierungsanteil von Aluminium größer als 97%. Die Aufgabe, eine Aluminiumlegierung zur Verfügung zu stellen, die gegenüber Al 99,5 eine weiter verbesserte Umformbarkeit, eine verbesserte Festigkeit, eine höhere thermische Stabilität und eine geringere Neigung zur Grobkornbildung aufweist, wird dadurch gelöst, daß die Summe der Legierungsanteile von höchstens 2 Hauptlegierungskomponenten die Summe der Legierungsanteile der Restlegierungskomponenten um mindestens den Faktor 5 übersteigt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmeabschirmblech bestehend aus einer Aluminiumlegierung mit einem Legierungsanteil von Aluminium größer als 97%.
Aufgrund der für eine Wärmeabschirmung besonders vorteilhaften physikalischen Eigenschaften von Aluminium – hoher Reflektionsgrad im Infrarot-Bereich und sehr gute Wärmeleitfähigkeit – haben sich Aluminiumlegierungen als Werkstoff zur Herstellung von Wärmeabschirmblechen als Standardlösung durchgesetzt. Um die genannten physikalischen Eigenschaften des Aluminium umfangreich zu nutzen und den hohen Anforderungen an die Umformbarkeit des Werkstoffes bei der Herstellung von Wärmeabschirmblechen gerecht zu werden, werden zur Zeit etwa 80% der Wärmeabschirmbleche in Al 99,5 (AA1050) gefertigt. Eine hinreichend gute Umformbarkeit dieses Werkstoffs durch Tiefziehen ist gewährleistet, da die Dehnung (A5) von Al 99,5 bei etwa 45% liegt.

Nach DIN weist A1 99,5 neben Aluminium folgende Legierungsanteile in den angegebenen Grenzen auf:

Die Verwendung von Al 99,5 ist zwar unter den Gesichtspunkten hohe Wärmeabschirmung und hohe Umformbarkeit vorteilhaft, gleichzeitig jedoch unter verschiedenen anderen Aspekten problematisch. Zum einen weist Al 99,5 eine geringe Festigkeit auf. Beim Einsatz von Wärmeabschirmblechen im Kraftfahrzeugbau werden jedoch erhebliche Anforderungen an die Festigkeit gestellt, die sich beispielsweise aus den Einwirkungen des Fahrtwindes oder von Spritzwasser bei hohen Geschwindigkeiten sowie der Einwirkung von Steinschlag ergeben. Die geringe Festigkeit von Al 99,5 führt dazu, daß zur Gewährleistung der erforderlichen Festigkeit Blechformteile mit größerer Dicke eingesetzt werden müssen, was einerseits die Kosten erhöht und andererseits das Gewicht des Wärmeabschirmbleches vergrößert. Die geringe thermische Stabilität von Al 99,5 – Kriechen setzt bereits bei Temperaturen von über 150 °C ein – führt zu einer im Einsatz geringen Formstabilität, die jedoch zur Einhaltung der Abstände des Wärmeabschirmbleches gegenüber beispielsweise einem Katalysator und einem Fahrzeugunterboden zur Gewährleistung der erwünschten Wärmeabschirmung notwendig ist. Al 99,5 weist aufgrund der hohen Dehnungswerte, wie bereits erwähnt eine gute Tiefziehbarkeit auf. Die Dehngrenze ist mit etwa 30 N/mm² jedoch gering. Die geringe Dehngrenze von Al 99,5 begrenzt die Möglichkeiten während des Umformprozesses bei der Herstellung von Wärmeabschirmblechen.

Ein weiteres Problem insbesondere im Dauereinsatz von Wärmeabschirmblechen besteht darin, daß Al 99,5 eine hohe Neigung zur Grobkornbildung insbesondere nach geringen Kaltumformungen aufweist. Diese Grobkornbildung, insbesondere bei der zwangsläufigen thermischen Belastung von Wärmeabschirmblechen, führt dazu, daß speziell in Radien die Gefahr einer Rißentstehung beispielsweise in Befestigungspunkten des Wärmeabschirmbleches besteht. Auch sind die dynamischen Lastaufnahmen von aus Al 99,5 gefertigten Wärmeabschirmblechen aufgrund der starken Grobkornbildung unzureichend. Die aus strukturellen Gründen an sich erwünschte Verwendung von Noppenblechen ist in Verbindung mit dem Einsatz von Al 99,5 problematisch, da eine Formstabilität nicht gewährleistet werden kann. Diese Formstabilität wird dadurch beeinträchtigt, daß bei Noppenblechen an den umgeformten Noppenbereichen mit einer verstärkten Grobkornbildung nach einer Wärmebelastung gerechnet werden muß.

Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 33 30 814 ist ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumwalzprodukten bekannt, bei dem die Aluminiumlegierung als Legierungsanteile Eisen von 0,8% bis 1,5%, bis zu 0,5% Silizium und Mangan, andere Bestandteile einzeln bis zu je 0,3% und in Summe bis zu 0,8% sowie als Rest Al zur Erzielung möglichst Korngrößen im Gefüge aufweist. Die Herstellung von Wärmeabschirmblechen ist aus der oben genannten deutschen Offenlegungsschrift nicht bekannt.

Ausgehend von dem zuvor beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung für ein Wärmeabschirmblech zur Verfügung zu stellen, welches gegenüber einem Wärmeabschirmblech bestehend aus Al 99,5 eine weiter verbesserte Umformbarkeit, eine verbesserte Festigkeit, eine höhere thermische Stabilität und eine geringere Neigung zur Grobkornbildung aufweist.

Erfindungsgemäß ist die zuvor hergeleitete und aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, daß der Legierungsanteil von Eisen zwischen 1,25 % und 1,35 liegt, Eisen die einzige Hauptlegierungskomponente bildet, der Legierungsanteil von Eisen die Summe der Legierungsanteile der Restlegierungskomponenten um mindestens den Faktor 10 übersteigt, der Legierungsanteil von Silizium 0,125 % nicht übersteigt und der Legierungsanteil von Mangan 0,125 % nicht übersteigt. Durch die erfindungsgemäße Übergewichtung von höchstens zwei für Al 99,5 nach DIN zulässigen Hauptlegierungskomponenten gegenüber den nach DIN für Al 99,5 zulässigen Restlegierungskomponenten ist gewährleistet, daß die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung ein deutlich homogeneres Gefüge aufweist, wodurch die Festigkeit und die Streckziehbarkeit verbessert ist und gleichzeitig die Neigung zur Grobkornbildung reduziert ist. Gleichzeitig bleibt die Dehnbarkeit zumindest auf gleichem Niveau.

Durch die erfindungsgemäße Aluminium-Legierung des Wärmeabschirmblechs wird eine Verdoppelung der Streckgrenze bei gleichzeitiger Erhöhung der Festigkeit um bis zu 50% gewährleistet.

Ferner weist die Aluminiumlegierung eines erfindungsgemäßen Wärmeabschirmblechs bei der Eisen die einzige Hauptlegierungskomponente bildet, eine gegenüber Al 99,5 verbesserte Streckgrenze und Festigkeit bei gleichzeitig verbesserter Dehnbarkeit auf.

Eine Aluminiumlegierung mit besonders hoher Streckgrenze und guter Festigkeit bei gegenüber Al 99,5 gleichbleibender Dehnung ist dadurch gewährleistet, daß Eisen und Mangan die Hautplegierungskomponenten bilden.

Eine Optimierung der Streckgrenze und der Festigkeit ist bei einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung dadurch gewährleistet, daß der Legierungsanteil von Mangan zwischen 0,35% und 0,45% liegt.

Die Eigenschaften einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung werden sowohl für den Fall, daß Eisen und Mangan die Hauptlegierungskomponenten gewährleistet.

Um die für Wärmeabschirmbleche vorteilhaften physikalischen Eigenschaften des Aluminiums möglichst umfangreich zu nutzen, ist es vorteilhaft, daß der Legierungsanteil von Aluminium mindestens 98% beträgt.

Dadurch, daß der Legierungsanteil von Silizium 0,2% nicht übersteigt, ist gewährleistet, daß die erwünschte Erhöhung der Streckgrenze und der Festigkeit bei zumindest gleichbleibender Dehnbarkeit und reduzierter Grobkornbildung erreicht wird. Aus denselben Gründen ist es vorteilhaft, wenn der Legierungsanteil von Magnesium 0,003% und/oder der Legierungsanteil von Zink 0,03 nicht übersteigt.

Die nach DIN für Al 99,5 ebenfalls zulässigen Legierungsanteile Chrom und Titan beeinträchtigen die erwünschten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung auch oberhalb der nach DIN vorgegebenen Legierungsanteile zunächst nicht. Zur Gewährleistung der erwünschten Eigenschaften der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung ist es jedoch vorteilhaft, wenn der Legierungsanteil von Titan 0,03% und/oder der Legierungsanteil von Chrom 0,02% nicht übersteigt.

Die Legierungsanteile der weiteren nach DIN zulässigen Legierungskomponenten Kupfer, Natrium und Kalzium beeinträchtigen in den nach DIN zulässigen Legierungsanteilen die erfindungsgemäß gewährleisteten Eigenschaften nur geringfügig.

Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, das erfindungsgemäße Wärmeabschirmblech auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird beispielsweise einerseits verwiesen auf die dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Patentansprüche andererseits auf die folgende Beschreibung von vorteilhaften Legierungszusammensetzungen:
Eine etwa auf 100 N/mm² verbesserte Dehngrenze ist mit einer Aluminiumlegierung mit Anteilen von den auch nach DIN für Al 99,5 zugelassenen Legierungskomponenten innerhalb der folgenden Grenzen gewährleistet:

Tabelle 1

Innerhalb der vorgegebenen Grenzen können die Legierungsanteile zur Einstellung verschiedener Eigenschaften der Aluminiumlegierung gezielt variiert werden.

Im folgenden werden nun die Legierungsanteile der Aluminiumlegierung für ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeabschirmblechs angegeben, das eine Dehngrenze von etwa 110 N/mm², eine Bruchfestigkeit von 124 N/mm² und eine Dehnung von etwa 45% aufweist. Die Legierungsanteile für eine derartige Aluminiumlegierung lauten wie folgt:
Tabelle 2
Im folgenden werden nun die Legierungsanteile der Aluminiumlegierung für ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeabschirmbleches angegeben, das eine Streckgrenze von etwa 66 N/mm², eine Festigkeit von etwa 108 N/mm² und eine Dehnbarkeit von etwa 52% aufweist. Die Legierunssanteile für eine derartige Aluminiumlegierung lauten wie folgt:
Tabelle 3

Claims

Wärmeabschirmblech bestehend aus einer Aluminiumlegierung mit einem Legierungsanteil von Aluminium größer als 97%, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsanteil von Eisen zwischen 1,25 % und 1,35 liegt, Eisen die einzige Hauptlegierungskomponente bildet, der Legierungsanteil von Eisen die Summe der Legierungsanteile der Restlegierungskomponenten um mindestens den Faktor 10 übersteigt, der Legierungsanteil von Silizium 0,125 % nicht übersteigt und der Legierungsanteil von Mangan 0,125 % nicht übersteigt.
Wärmeabschirmblech nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsanteil von Aluminium mindestens 98% beträgt.
Wärmeabschirmblech nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsanteil von Magnesium 0,003% nicht übersteigt.
Wärmeabschirmblech nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsanteil von Zink 0,03% nicht übersteigt.
Wärmeabschirmblech nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsanteil von Titan 0,03% nicht übersteigt.
Wärmeabschirmblech nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Legierungsanteil von Chrom 0,02% nicht übersteigt.