DE60010418T2

DE60010418T2 - Verfahren zur Herstellung eines stranggepressten Werkstoffs aus einer Aluminiumlegierung für Strukturbauteile eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE60010418T2
Application number: DE60010418T
Authority: DE
Inventors: Yoichiro Bekki; Noboru Wako-shi HAYASHI
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 1999-12-17
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2020-12-16
Also published as: US20010006607A1; EP1108798A2; DE60010418D1; US6716390B2; EP1108798A3; JP2001181768A; EP1108798B1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren eines extrudierten Aluminiumlegierungsmaterials für Kraftfahrzeugstrukturteile, wie z.B. einen Rahmen oder einen Balken, welches ausgezeichnet bezüglich mechanischer Festigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Härte, Schweißbarkeit und Extrudiereigenschaft ist.
Hintergrund der Erfindung
Bisher sind Legierungen der 6000-Serien, wie z.B. JIS 6061-Legierung, 6N01-Legierung oder 6063-Legierung, allgemein als ein extrudiertes Aluminiumlegierungsmaterial für Kraftfahrzeugstrukturteile, wie z.B. eine Form (Produkt) für einen Raumrahmen, verwendet worden. Jedoch benötigen diese Legierungen einen extrem großen elektrischen Strom zur Durchführung von Punktschweißen, was das Problem aufwirft, dass die Lebensdauer der Schweißelektrodenspitze abnimmt. Da diese Legierungen weiterhin eine geringe Entfettungseigenschaft und eine geringe Eigenschaft zur chemischen Umsetzung haben, ist es schwierig gewesen, einen Überzug mit guter Haltbarkeit auf diese Legierungen aufzubringen.
Als Eigenschaften, die bei extrudierten Materialien für Kraftfahrzeugstrukturteile begehrt sind, gibt es z.B. die Leichtigkeit bei der Extrusion eines hohlen Querschnitts, hohe mechanische Festigkeit, hohe Elongation, hohe Biegeverarbeitbarkeit und ausgezeichnete Ermüdungseigenschaft, zusätzlich zu der zuvor erwähnten Punktschweißbarkeit und Oberflächenbehandlungseigenschaften, wie z.B. Entfettungseigenschaft und Eigenschaft zur chemischen Umsetzung.
Weiterhin hat in den letzten Jahren im Hinblick auf Umweltprobleme und die wirksame Nutzung von Bodenschätzen, die Wichtigkeit des Recyclings von gebrauchten Produkten zugenommen und es gibt auch die Bestrebung, die Verpflichtung zur Rücknahme von Fahrzeugteilen gesetzlich zu verankern und verschiedene Studien sind über die Wiedernutzung von Metallschrott durchgeführt worden. Unter diesen ist besonders die Etablierung einer Technik zur Wiederherstellung von Hochqualitätsmaterialien aus Schrott von aufgegebenen Fahrzeugen und anderen eifrig gewünscht. Aus diesem Grund ist eine ausgezeichnete Recyclingeigenschaft eine Eigenschaft, die für Aluminiumlegierungsmaterialien wichtiger werden wird.
Auch wird eine Zähigkeit von einem gewissen Grade benötigt, um eine Belastung als ein Kraftfahrzeugstrukturteil aufzunehmen.
Jedoch haben, wie unten beschrieben, die üblichen Materialien nicht gleichzeitig diese Eigenschaften.
(i) Zum Beispiel offenbart JP-A-58-31055 ("JP-A" meint eine nicht geprüfte veröffentlichte japanische Patentanmeldung) eine Aluminiumlegierung für eine Struktur mit verbesserter mechanischer Festigkeit, Schweißbarkeit und Schneidefähigkeit, welche 2,3 bis 6 Gew.-% Si, 0,4 bis 1,0 Gew.-% Mg, 0,4 bis 1,0 Gew.-% Mn und kleine Mengen Zn und Sn enthält, wobei der Ausgleich durch Aluminium gemacht wird. Jedoch sind die Biegeverarbeitbarkeit und die Punktschweißbarkeit der Legierung unzureichend und die Legierung ist dadurch sehr verschieden von einer für die Verwendung in der vorliegenden Erfindung, dass die Legierung nicht eine ist, die die beiden Elemente Cu und Zn enthält, um den Schmelzpunkt der Aluminiumlegierung zu senken, mit verbesserter Punktschweißbarkeit und Eigenschaft zur chemischen Umwandlung zum Zeitpunkt einer Vorbehandlung, wie z.B. Beschichtung (Adhäsionseigenschaft von Zinkphosphat).
(ii) Weiterhin offenbart JP-A-61-190051 ein Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Materials der Aluminiumserien mit hohler Gestalt, in dem eine Aluminiumlegierung verwendet wird, die 5 bis 15 Gew.-% Si und bis zu 1,0 Gew.-% Mg mit einem Eisengehalt von nicht mehr als 0,5 Gew.-% enthält und nicht mehr als 0,25 Gew.-% Cu, Mn und anderer Elemente enthält. Jedoch hat diese Aluminiumlegierung eine größere Menge an zugesetztem Si als die vorliegende Erfindung mit verbesserter Hitzebeständigkeits- und Abriebbeständigkeits-Eigenschaften und sie ist als ein Hochtemperaturaussetzungsteil oder als ein dickes extrudiertes Material oder Stangenmaterial für Gleitteile eines Kraftfahrzeuges verwendet worden. Weiterhin hat sie geringe Punktschweißbarkeit und eine geringe Oberflächenbehandlungseigenschaft, wie z.B. die Adhäsionseigenschaft von Zinkphosphat, und sie hat eine unzureichende Extrusionseigenschaft. Deshalb kann dieses Material nicht als ein Kraftfahrzeugstrukturteil verwendet werden, wie es die vorliegende Erfindung kann.
(iii) Weiterhin offenbart JP-A-5-271834 eine Aluminiumlegierung, enthaltend 0,2 bis 1,2 Gew.-% Mg und 1,2 bis 2,6 Gew.-% Si mit einem Wert von {Si (Gew.-%) – Mg (Gew.-%)/1,73}, der 0,85 überschreitet und weniger als 2,0 ist, wobei der Ausgleich durch Aluminium gemacht wird, und mit feinen wiederkristallisierten Körnern und einer stabilen Eigenschaft für künstliches Altern. Diese Legierung erlaubt eine leichtere Erzeugung von Mg₂Si, indem erlaubt wird, dass das Zusammensetzungsverhältnis von Mg und Si auf der Si-Überschußseite der stöchiometrischen Zusammensetzung ist, und diese Legierung hat kaum erhöhte Komponentenbereiche von Mg und Si im Hinblick auf die Zusammensetzungen der üblichen JIS 6N01-Legierung oder AA6005-Legierung.
(iv) Weiterhin offenbart JP-A-8-25874 ein extrudiertes Aluminiumlegierungsmaterial für Kraftfahrzeugstrukturteile, welche 0,5 bis 2,5 Gew.-% Si, 0,2 bis 1,0 Gew.-% Fe, 0,45 bis 1,5 Gew.-% Zn, 0,05 bis 1,0 Gew.-% Cu und 0,4 bis 1,5 Gew.-% Mn enthält. Obwohl dieses extrudierte Material ausgezeichnet bezüglich Extrusionseigenschaft, mechanischer Festigkeit und Oberflächenbehandlungseigenschaft ist, hat es einen niedrigen elektrischen Widerstand des Materials und es hat ein Problem bezüglich der Punktschweißbarkeit. In anderen Worten sind die Abnutzung und der Verlust der Elektrodenspitze zum Schweißen beim Punktschweißen von Automobilkörperstrukturteilen eines Kraftfahrzeuges auf einer Massenherstellungsstraße Probleme. Falls die Abnutzung und der Verlust der Elektrodenspitze größer und größer werden, wird die Struktur des geschweißten Teiles instabil und die Nuggetdimensionen ändern sich, um die Festigkeit des geschweißten Teiles zu erniedrigen, so dass ein Austausch von Elektrodenspitzen regelmäßig durchgeführt werden muss. Dies ist der größte Faktor bei der Störung der Produktivität einer Massenherstellungsstraße und die Lebensdauer der Elektrodenspitze zum Schweißen ist das größte mit der Punktschweißbarkeit verbundene Problem.
Die Druckschrift WO-A-9953110 offenbart ein extrudiertes Aluminiumlegierungsmaterial für Kraftfahrzeugstrukturteile, enthaltend 0,5 bis 5 Gew.-% Si, 0,2 bis 5 Gew.-% Mg, 0,01 bis 1 Gew.-% Mn, 0,1 bis 1,2 Gew.-% Zn, 0,2 bis 1,2 Gew.-% Cu, 0,2 bis 2,0 Gew.-% Fe, und einen oder mehrere von 0,01 bis 0,2 Gew.-% Cr, 0,01 bis 0,2 Gew.-% Zr, 0,01 bis 0,2 Gew.-% V und 0,01 bis 0,2 Gew.-% Ti, wobei der Ausgleich durch Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen gemacht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Aluminiumlegierungsmaterials für Kraftfahrzeugstrukturteile bereitzustellen, welches ausgezeichnet bezüglich Punktschweißbarkeit und Oberflächenbehandlungseigenschaften, wie z.B. die Eigenschaft zur chemischen Umwandlung und Entfettungseigenschaft, ist; welches hohe mechanische Festigkeit und hohe Dehnbarkeit hat; welches eine gute Ermüdungsfestigkeit und eine gute Riss-(Bruch)-härte hat, und welches ausgezeichnet bezüglich der Extrusionseigenschaft ist.
Noch eine weitere Aufgabe ist es, ein entsprechendes Herstellungsverfahren bereitzustellen, in welchem Kraftfahrzeugaluminiumteilabfall als ein Rohmaterial verwendet werden kann.
Andere und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden vollständiger aus der folgenden Beschreibung erscheinen.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Im Hinblick auf die zuvor genannten Probleme haben die gegenwärtigen Erfinder eifrige Studien durchgeführt, indem sie ein Auge auf ein Phänomen hatten, das durch die zusammengesetzte Wirkung von vielen Elementen, zusätzlich zu der Wirkung, die jedes Element eines Aluminiumlegierungsmaterials individuell und einzeln zeigt, auftritt. Eines derartiger Phänomene ist die Kristallisation einer intermetallischen Verbindung, zusammengesetzt aus vielen Arten von Bestandteilselementen, welche die Biegeeigenschaft und Härte herabsetzt. Üblicherweise werden Studien über eine Beziehung des Anteils von jedem Element, das eine riesige intermetallische Verbindung bildet, in einer Legierungszusammensetzung, in welcher die Bildung einer riesigen intermetallischen Verbindung klein ist, gemacht. Als ein Ergebnis der Studien haben die gegenwärtigen Erfinder, anders als die üblichen Berichte, gefunden, dass der Anteil an Si, welches nicht ein Bestandteilselement der intermetallischen Verbindung ist, einen Einfluss auf dieses Phänomen bei der Erzeugung einer Mn, Fe, Cr und Ti enthaltenden intermetallischen Verbindung hat, und dass ein extrudiertes Aluminiumlegierungsmaterial vorzugsweise als ein Kraftfahrzeugstrukturteil erhalten werden kann, wobei das Material jede der zuvor genannten physikalischen Eigenschaften hat, falls diese Elemente eine spezifische, entsprechend der unten beschriebenen, Beziehung erfüllen. Die vorliegende Erfindung ist auf der Basis dieser Erkenntnisse gemacht worden.
Das heißt gemäß der vorliegenden Erfindung wird bereitgestellt:

(1) Ein Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Aluminiumlegierungsmaterials für Kraftfahrzeugstrukturteile, enthaltend 2,6 bis 5 Gew.-% Si, 0,15 bis 0,3 Gew.-% Mg, 0,3 bis 2 Gew.-% Cu, 0,05 bis 1 Gew.-% Mn, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Fe, 0,2 bis 2,5 Gew.-% Zn, 0,005 bis 0,1 Gew.-% Cr, und 0,005 bis 0,05 Gew.-% Ti, das die Beziehung des folgenden Ausdruckes (I) erfüllt, wobei der Ausgleich durch Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen gemacht wird: Ausdruck (I) (Anteil von Mn (Gew.-%)) + 0,32 × (Anteil von Fe (Gew.-%)) + 0,097 × (Anteil von Si (Gew.-%)) + 3,5 × (Anteil von Cr (Gew.-%)) + 2,9 × (Anteil von Ti (Gew.-%)) ≤ 1,36; umfassend das Kühlen mit einem Kühlmittel von außerhalb einer Formaustrittseite, zum Zeitpunkt der Extrusion; und wobei die Aluminiumlegierung Na in einer Menge von 50 bis 500 ppm enthält, und wobei die Aluminiumlegierung mit einem Extrusionsquotienten von 15 oder weniger extrudiert wird.
(2) Ein Verfahren zur Herstellung des extrudierten Aluminiumlegierungsmaterials für Kraftfahrzeugstrukturteile gemäß dem obigen (1), umfassend die Verwendung eines Kraftfahrzeugaluminiumteilabfalls, welcher 1,5 bis 14 Gew.-% Si enthält, in wenigstens einem Teil eines Aluminiumlegierungsgussstücks.

Im folgenden werden die Erfindungen der obigen (1) bis (2) als die erste Ausführungsform bzw. die zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezeichnet werden.
Hierbei soll die vorliegende Erfindung sowohl die erste Ausführungsform und die zweite Ausführungsform umfassen, so lange nicht anders bestimmt.
Hierbei meint die "Außenseite einer Formaustrittsseite" in der ersten Ausführungsform einen Teil einer Oberfläche der Form auf der Stützwerkzeugseite (z.B. die Seite, wo der Matrizenuntersatz, die Druckplatte oder dergleichen, angeordnet sind), welche nicht in direktem Kontakt mit dem extrudierten Material (Aluminiumlegierung) ist. Hierbei ist das "extrudierte Aluminiumlegierungsmaterial" ein Produkt der Extrusion und wird zur Verarbeitung in ein Endprodukt verwendet.
Da die mechanische Festigkeit der in der vorliegenden Erfindung herzustellenden Aluminiumlegierung hauptsächlich durch Alterungsfällung von Mg₂Si erhalten wird, sind Mg und Si essentielle Elemente.
Indem es im Überschuss bezüglich der stöchiometrischen Menge bezüglich der benötigten Menge an Mg₂Si enthalten ist, erhöht Si die Verarbeitungshärteeigenschaft, es erhöht die Dehnbarkeit und bildet dichte Cluster zu einem frühen Zeitpunkt der Alterungsfällung, so dass die Wirkung der Erhöhung der mechanischen Festigkeit groß ist. Da weiterhin der Anstieg der Verformungsbeständigkeit zum Zeitpunkt der Extrusion klein ist, dient Si einer wichtigen Rolle beim Erfüllen aller von der Extrusionseigenschaft, der mechanischen Festigkeit und der Dehnbarkeit. Falls Si geringer als 2,6 Gew.-% ist, sind diese Wirkungen unzureichend und es ist schwierig, aus große Mengen Si enthaltenden Güssen hergestellten Automobilschrott, zu recyceln und zu verwenden. Falls andererseits Si 5 Gew.-% übersteigt, wird die Menge des eutektischen Si, das zum Zeitpunkt des Gießens kristallisiert, groß, wodurch die Härte verschlechtert wird (ein Verfahren durch einen Charpy-wert ist repräsentativ als ein Verfahren zur Bewertung der Härte).
Deshalb wird bei der vorliegenden Erfindung erlaubt, dass Si mit 2,6 bis 5 Gew.-% enthalten ist.
Mg ist essentiell für die Alterungsfällung von Mg₂Si. Falls Mg weniger als 0,15 Gew.-% ist, wird eine ausreichende mechanische Festigkeit nicht erhalten. Falls andererseits Mg 0,3 Gew.-% übersteigt, wird die Verformungsbeständigkeit zu groß sein, wodurch die Extrusionseigenschaft verschlechtert wird, sowie der Unterschied der mechanischen Festigkeit zwischen der Matrix und der nicht gefällten Zone der Nachbarschaft der Korngrenze wird nach dem Altern zu groß sein, und der Trend zum intergranularen Brechen nimmt zu, um die Biegeeigenschaft und die Härte zu erniedrigen. Deshalb wird erlaubt, dass Mg mit 0,15 bis 0,3 Gew.-% enthalten ist.
Cu wirkt hauptsächlich, um die feste Lösung zu stärken, und hat eine Wirkung zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit und der Duktilität und verbessert weiterhin die Oberflächenbehandlungseigenschaft, wie z.B. die Entfettungseigenschaft und die Eigenschaft zur chemischen Umsetzung. Falls Cu weniger als 0,3 Gew.-% ist, werden diese Wirkungen nicht vollständig gezeigt und es ist schwierig, den Automobilschrott zu recyceln und zu verwenden (z.B. enthält der Fahrzeugteilschrott von JIS ADC-12 gewöhnlich 1,5 bis 3 Gew.-% Cu). Falls Cu 2 Gew.-% übersteigt, wird die Korrosionsbeständigkeit verschlechtert und die Verformungsbeständigkeit wird zu groß werden, und ebenfalls nimmt die Extrusionseigenschaft ab. Deshalb ist Cu mit 0,3 bis 2 Gew.-% enthalten.
Mn und Fe haben eine Wirkung des Erhöhens der mechanischen Festigkeit und des Beschränkens des Kornwachstums. Falls Mn weniger als 0,05 Gew.-% ist, sind diese Wirkungen nicht ausreichend, und falls es 1 Gew.-% überschreitet, wird die Verformungsbeständigkeit zu groß und die Extrusionseigenschaft nimmt ab. Falls Fe weniger als 0,2 Gew.-% ist, sind diese Wirkungen ebenfalls unzureichend, wohingegen, falls es 1,5 Gew.-% überschreitet, die Verformungsbeständigkeit zunimmt, die Extrusionseigenschaft abnimmt und die Korrosionsbeständigkeit verschlechtert wird. Deshalb wird erlaubt, dass Mn mit 0,05 bis 1 Gew.-% enthalten ist und dass Fe mit 0,2 bis 1,5 Gew.-% enthalten ist.
Zn hat eine Funktion der Verbesserung der Oberflächenbehandlungseigenschaft, wie z.B. der Entfettungseigenschaft und der Eigenschaft zur chemischen Umsetzung, ohne die Verformungsbeständigkeit zu erhöhen. Falls Zn weniger als 0,2 Gew.-% ist, ist diese Wirkung unzureichend, wohingegen, falls es 2,5 Gew.-% überschreitet, die Korrosionsbeständigkeit verschlechtert wird. Deshalb wird erlaubt, dass Zn mit 0,2 bis 2,5 Gew.-% enthalten ist.
Cr hat eine Funktion der Erhöhung der mechanischen Festigkeit und des Bildens feinerer wiederkristallisierter Körner. Falls Cr weniger als 0,005 Gew.-% ist, sind diese Wirkungen klein, wohingegen, falls es 0,1 Gew.-% übersteigt, diese Wirkungen gesättigt sein werden und die Biegeverarbeitungsfähigkeit verschlechtert sein wird. Deshalb wird erlaubt, dass Cr mit 0,005 bis 0,1 Gew.-% enthalten ist.
Ti hat eine Funktion des Formens feinerer wiederkristallisierter Körner zum Zeitpunkt des Gießens. Falls Ti weniger als 0,005 Gew.-% ist, ist diese Wirkung klein, wohingegen, falls es 0,05 Gew.-% übersteigt, diese Wirkung gesättigt sein wird und die Biegeverarbeitungsfähigkeit verschlechtert sein wird. Deshalb ist erlaubt, dass Ti mit 0,005 bis 0,05 Gew.-% enthalten ist.
Weiter erfüllen in der vorliegenden Erfindung die Anteile von Mn, Fe, Cr, Ti und Si, zusätzlich zu der Bedingung, dass der Anteil jedes der zuvor genannten Elemente individuell innerhalb des zuvor genannten Bereiches ist, die Beziehung des folgenden Ausdrucks (I).
Ausdruck (I)

(Anteil von Mn (Gew.-%)) + 0,32 × (Anteil von Fe (Gew.-%)) + 0,097 × (Anteil von Si (Gew.-%)) + 3,5 × (Anteil von Cr (Gew.-%)) + 2,9 × (Anteil von Ti (Gew.-%)) ≤ 1,36

Gemäß der Studien der gegenwärtigen Erfinder gibt es eine Möglichkeit der Bildung einer intermetallischen Verbindung, enthaltend Mn, Fe, Cr und Ti, in einer Legierung mit einer derartigen Zusammensetzung, dass der Anteil jedes Elements innerhalb des zuvor genannten Bereiches ist. Im Gegensatz zu den üblichen Berichten, zeigt der Anteil von Si, welches nicht ein Bestandteilselement der intermetallischen Verbindung ist, einen Einfluss auf die Bildung der intermetallischen Verbindung. Es wird angenommen, dass dieses darin begründet liegt, dass, wenn der Anteil von Si zunimmt, die Verflüssigungstemperatur und die Verfestigungstemperatur abnehmen, was die Möglichkeit der Bildung einer riesigen intermetallischen Verbindung erhöht. Der zuvor genannte Ausdruck (I) zeigt eine Beziehung in der Zusammensetzung, die die Bildung von intermetallischen Verbindungen behindern kann, welche die Biegeeigenschaft oder die Härte erniedrigen, indem dieser Einfluss von Si auch berücksichtigt wird.
Es ist bekannt, dass Na runde Si-Teilchen in den Gussprodukten bildet. In der vorliegenden Erfindung hat es auch eine Wirkung zur Verbesserung der Gestalt der Si-Teilchen, die die Härte verschlechtern. Ein derartiger Effekt ist besonders groß, falls der Extrusionsquotient klein ist und das Mahlen der Si-Teilchen durch die Verarbeitung nicht ausreichend durchgeführt wird. Da Na enthalten ist, muss der Extrusionsquotient kleiner als oder gleich 15 sein.
Falls der Anteil von Na weniger als 50 ppm ist, ist die beabsichtigte Wirkung klein, wohingegen, falls es 500 ppm übersteigt, es wahrscheinlich ist, dass ein Brechen zwischen Kristalliten zum Zeitpunkt der Extrusion auftritt. Deshalb wird Na in einer Menge von 50 bis 500 ppm verwendet.
Die erste Ausführungsform trägt hauptsächlich zu einer Verbesserung der Produktivität bei. Da die Aluminiumlegierung in dem extrudierten Material, die in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden soll, einen relativ großen Anteil an Si hat, tritt ein Problem des Brechens und der Verschlechterung der Oberflächenrauheit auf, das das Schmelzen des eutektischen Si begleitet, falls die Extrusionsgeschwindigkeit einfach erhöht wird. Dazu haben die gegenwärtigen Erfinder gefunden, dass ein Kühlen nahe des Formhalters wirksam ist, und weiter, dass Kühlen von der Außenseite, auf der Formaustrittsseite, mit dem Ziel der Regelung der Formtemperatur am wirksamsten ist. In anderen Worten, falls erlaubt wird, dass flüssiger Stickstoff oder dergleichen innerhalb der Form oder zwischen der Form und dem Matrizenuntersatz fließt, um auf die Halteraustrittsseite der Form gesprüht zu werden und gekühlt zu werden, wie in den üblichen Fällen, wird das Material (Aluminiumlegierung) nahe der Form in dem Container auch gekühlt und der Extrusionsdruck wird zu groß. Im Gegensatz dazu kann durch Bereitstellen einer Zuleitung von der Außenseite und direktes Kühlen der Außenseitenoberfläche der Form die Verbesserung bezüglich Brechen und Rauheit erreicht werden, ohne dass der Extrusionsdruck zu groß gemacht wird. Zum Kühlen kann, zusätzlich zu Flüssigstickstoff und anderen, die üblicherweise verwendet werden, ein Kühlmittel, wie z.B. Wassernebel oder Wasser, geeignet ausgewählt werden und entsprechend der benötigten Kühlfähigkeit verwendet werden. Die Verwendung von Wassernebel oder einer Wasserdusche wird im Hinblick auf die Kühlfähigkeit und die Kosten bevorzugt. Weiterhin ist es aufgrund der ausgezeichneten thermischen Leitfähigkeit von Aluminium wirksam, zusätzlich zu der Außenseite der Form, die extrudierte Aluminiumlegierung selbst unmittelbar nach dem Extrusionsaustritt zu kühlen. Eine wirksamere Kühlung kann ausgeführt werden, indem beide der obigen in Kombination verwendet werden. Der Kühlgrad kann geeignet bestimmt werden, um einen guten extrudierten Zustand zu erhalten (Verbesserung bezüglich Brechen und Rauheit), ohne dass der Extrusionsdruck bei einer gewünschten Extrusionsgeschwindigkeit zu sehr erhöht wird.
Die zweite Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung des extrudierten Materials der vorliegenden Erfindung, das es leicht macht, von einem Fahrzeug zu einem Fahrzeug zu recyceln, indem ein Kraftfahrzeugaluminiumteilabfall in einem Teil oder einem Ganzen des Rohmaterials verwendet wird. Als der Fahrzeugaluminiumteilabfall sind Gussprodukte Beispiele, wie z.B. Druckgussteile (JIS ADC-12 und andere) und GDC-(Formguss)-teile (JIS AC-4CH und andere) eines Motorblocks oder dergleichen. Da das extrudierte Aluminiumlegierungsmaterial, das in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden soll, einen relativ großen Anteil an Si hat, können diese Gussabfälle einfach verwendet werden.
Weiter werden Aluminiumteile von Klimaanlagen, Heizungen und anderen allgemein durch Brennen (blazing) hergestellt und ein Si-reiches Material, das als ein Haut-(Auskleidungs)-material verwendet wird, bleibt zurück, so dass ein Recycling üblicherweise schwierig gewesen ist. Jedoch können diese gemäß der vorliegenden Erfindung leicht in derselben Weise wie die Gussproduktabfälle verwendet werden.
Wenn ein Fahrzeugaluminiumteilabfall als ein Teil (vorzugsweise nicht weniger als 30 Gew.-%) oder als ein Ganzes des Rohmaterials des extrudierten Materials der vorliegenden Erfindung verwendet werden soll, werden diese mit einem Si-Anteil von vorzugsweise 1,5 bis 14 Gew.-%, weiter bevorzugt 3 bis 9 Gew.-% verwendet. Die Fahrzeugaluminiumteilabfälle können wie sie sind verwendet werden, oder nachdem sie einer Komponenteneinstellung unter Verwendung einer α-Phasen-(feste Lösung)-trennbehandlung oder dergleichen unterworfen worden sind.
Das extrudierte Aluminiumlegierungsmaterial für Kraftfahrzeugstrukturteile, das in der vorliegenden Erfindung hergestellt werden soll, zeigt derartig ausgezeichnete Wirkungen, dass es ausgezeichnet bezüglich Ermüdungsfestigkeit und Oberflächenbehandlungseigenschaft ist, eine hohe Härte, Zugfestigkeit und Biegeverarbeitbarkeit hat, kein Brechen durch ein Biegeverfahren von hohem Grade erzeugt und einen kleinen Abrieb und Verlust einer Schweißelektrodenspitze beim Punktschweißen ergibt. Dieses extrudierte Aluminiumlegierungsmaterial kann bevorzugt verwendet werden als ein Kraftfahrzeugstrukturteil mit Verwendungen, die Punktschweißbarkeit und Oberflächenbehandlungseigenschaft sowie Biegeverarbeitbarkeit benötigen, wie z.B. ein Seitenrahmen, ein Heckrahmen, eine zentrale Strebe, eine Seitenschwelle und ein Bodenrahmen.
Gemäß des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung kann das extrudierte Material mit weniger Brechen mit einer hohen Produktivität hergestellt werden. Weiter kann das durch die vorliegende Erfindung herzustellende extrudierte Aluminiumlegierungsmaterial für Kraftfahrzeugstrukturteile mit einer hohen Qualität und unter niedrigen Kosten unter Verwendung von Kraftfahrzeugaluminiumteilabfällen oder dergleichen hergestellt werden.
Die vorliegende Erfindung wird nun detaillierter auf der Grundlage der folgenden Beispiele beschrieben werden, aber die vorliegende Erfindung ist nicht auf diese Beispiele beschränkt.
Beispiel
Referenzbeispiel 1
Wie in Tabelle 3 gezeigt, wurden Aluminiumlegierungen mit einer jeweiligen Zusammensetzung A bis H, wie in Tabelle 1 gezeigt, einem Durchheizen und einer Extrusionsverarbeitung unter den Bedingungen I oder III, wie in Tabelle 2 gezeigt, unterworfen, um einen Herstellungstest der extrudierten Aluminiumlegierungsmaterialproben 1 bis 9 durchzuführen. Die Extrusion wurde mit einer einzelnen Hohlform mit einem Querschnitt in quadratischer Gestalt, wie ein japanisches Schriftzeichen "☐", mit jeder Seite von 100 mm und einer Stärke von 5 mm, unter Verwendung eines Blockes mit einem Durchmesser von 255 mm und einer Länge von 500 mm durchgeführt. Nach der Extrusion wurde das resultierende extrudierte Produkt auf der Austrittsseite durch einen Ventilator gekühlt und wurde dann einer Alterungsbehandlung bei 180°C für 3 Stunden unterworfen. Jede der erhaltenen Proben wurde einem Test und einer Auswertung bezüglich der folgenden Eigenschaften unterworfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt.
Das Verfahren zum Testen jeder Eigenschaft ist wie folgt.
(1) Zugtest (Zugfestigkeit, Prüfspannung und Elongation)
Ein Zugtest wurde unter Verwendung eines aus der Probe hergestellten Teststückes JIS Nr. 5 bei einer Zuggeschwindigkeit von 10 mm/Minute mit einem Zugtester vom Instron-Typ durchgeführt, um die Zugfestigkeit, die Prüfspannung und die Elongation zu bestimmen. Die Elongation wurde gemessen, indem Markierungslinien in einem Abstand von 50 mm gezogen wurden und nach dem Brechen zusammengefügt wurden.
In Tabelle 3 werden die Zugfestigkeit, die Prüfspannung und die Elongation durch UTS, YTS bzw. E wiedergegeben.
(2) Biegeverarbeitbarkeit
Ein V-förmiges Biegen mit 90° (Spitzenende R 2 mm) wurde durchgeführt und, falls keine Risse erzeugt wurden, wurde es als gut bewertet, und diese, bei denen Risse auftraten, wurden als schlecht bewertet.
(3) Härte (Charpy-Wert)
Es wurde ein aus der Probe hergestellter Untergrößentestkörper mit einer Breite von 5 mm und einer U-Kerbe von 2 mm Tiefe verwendet, so dass die Extrusionsrichtung parallel zu der Aufprallrichtung sein würde, und der Charpy-Wert wurde gemäß JIS Z 2242 gemessen.
(4) Menge der Adhäsion von Zinkphosphat (Eigenschaft der chemischen Umwandlungsbehandlung)
Ein aus der Probe hergestellter Testkörper mit Dimensionen von 5 mm × 70 mm × 150 mm wurde bei 43°C × 2 Minuten mit einem Entfettungsmittel (Handelsname: FC-L4460, hergestellt von Nippon Parkerizing Co., Ltd.) entfettet und dann wurde es bei Raumtemperatur × 30 Sekunden mit einem Oberflächeneinstellungsmittel (Handelsname: PL-4040, hergestellt von Nippon Parkerizing Co, Ltd.) behandelt, gefolgt von einer Zinkphosphatbehandlung bei 43°C × 2 Minuten mit einem Zinkphosphatbehandlungsmittel (Handelsname: PB-L3020, hergestellt von Nippon Parkerizing Co,. Ltd.). Nachdem die Behandlungen beendet waren, wurde der resultierende Testprobekörper mit Wasser gewaschen und getrocknet, um das anhaftende Gewicht des Zinkphosphatniederschlages pro Flächeneinheit zu messen.
(5) Punktschweißbarkeit
Eine Punktschweißung wurde bei einem angewandten Druck von 6000 N und einem Schweißstrom von 34 kA unter Verwendung einer 1%Cr-Cu-Elektrodenspitze vom R-Typ (R = 150 mm) mit einem Einphasen-Rektifikationsschweißer durchgeführt.
Das Punktschweißen wurde in folgender Weise durchgeführt:
Aufrechterhalten des angewandten Druckes für eine vorbestimmte Zeitspanne, während der der Schweißstrom angewandt wurde, ein vorbestimmter Strom wurde für eine vorbestimmte Zeitspanne aufrechterhalten, und dann wurde der angewandte Druck aufrechterhalten, bis der Nugget-Teil des Materials vollständig nach Vervollständigung der Anwendung des Schweißstromes verfestigt war.
Hierbei wurde die Zeit (Quetschzeit), bis der Schweißstrom nach Anwendung des angewendeten Druckes anstieg, auf 35 Zyklen (0,70 Sekunden) eingestellt, die Zeit (Schweißzeit) zum Aufrechterhalten des vorbestimmten Stromwertes, um das Material zu schmelzen, wurde auf 12 Zyklen (0,24 Sekunden) eingestellt, und die Haltezeit (Haltezeit) nach der Vervollständigung der Anwendung des Stromes wurde auf 15 Zyklen (0,30 Sekunden) eingestellt.
Das Schweißen wurde mit einem Punkt pro 3 Sekunden durchgeführt und als ein Ergebnis wurde der Punkt (Schlaganzahl), bei welchem die Zug-Scher-Spannung weniger als oder gleich 5000 kN wurde, als eine Elektrodenspitzenlebensspanne bewertet.
(6) Ermüdungsfestigkeit
Ein aus der Probe hergestellter JIS-Z2275 Nr. 1 Testkörper wurde verwendet und ein wiederholter Biegetest (R = –1) wurde in beide Richtungen mit 25 mal pro Sekunde durchgeführt, um die Ermüdungsgrenze (Ermüdungsfestigkeit bei 10⁷ mal) zu messen.
Wie aus den in Tabelle 3 gezeigten Ergebnissen offensichtlich ist, hatte die Vergleichsprobe 7 mit zu viel Mg eine schlechte Biegeverarbeitbarkeit und hatte eine ziemlich niedrige Härte und Ermüdungsfestigkeit. Bei der Vergleichsprobe 9 mit zu wenig Cu, Si und Zn und mit zuviel Mg war die Menge des anhaftenden Zinkphosphats, die die Oberflächenbehandlungseigenschaft anzeigt, sehr klein und die Elektrodenspitzenlebensdauer zum Zeitpunkt des Punktschweißens war auch ziemlich kurz. Die Vergleichsprobe 8 mit einem Anteil von jedem Element innerhalb des durch die vorliegende Erfindung definierten Bereichs, der aber nicht die Beziehung des Ausdrucks (1) erfüllt, hatte auch eine schlechte Biegeverarbeitbarkeit und hatte eine ziemlich niedrige Härte, angezeigt durch den Charpy-Wert.
Im Gegensatz zu dem obigen waren die Referenzproben 1 bis 6 der Beispiele ausgezeichnet bezüglich Zugfestigkeit, Prüfspannung, und Elongation und hatten eine ausgezeichnet hohe Biegeverarbeitbarkeit, Härte und Ermüdungsfestigkeit. Weiterhin zeigte im Hinblick auf die Referenzproben 1 bis 6 die anhaftende Menge an Zinkphosphat, die die Oberflächenbehandlungseigenschaft anzeigt, einen Wert von nicht weniger als 1,87 g/m², was bedeutet, dass die Proben 1 bis 6 besonders ausgezeichnet bezüglich der Oberflächenbehandlungseigenschaft waren. Zusätzlich kann verstanden werden, dass bezüglich der Referenzproben 1 bis 6 die Elektrodenspitzenlebensdauer zum Punktschweißzeitpunkt ausreichend sehr lang war und die Abnutzung und der Verlust der Elektrodenspitze ziemlich klein war.
Referenzbeispiel 2
Jede Probe mit dergleichen Gestalt, wie die in Referenzbeispiel 1 hergestellte, wurde durch Extrusionsverarbeitung unter denselben Bedingungen wie in Referenzbeispiel 1 jeweils mittels der Herstellungsverfahren I bis IV, wie in Tabelle 2 gezeigt, und unter Verwendung der Legierung mit der Zusammensetzung B, wie in Tabelle 1 gezeigt, hergestellt. Bei der Begutachtung des extrudierten Zustandes zeigte die Probe, die gemäß dem Verfahren III hergestellt wurde, bei welchem die Oberfläche auf der Formaustrittsseite mit Luftnebel gekühlt wurde, keine Bildung von Rissen, obwohl die Extrusionsgeschwindigkeit höher war als im Verfahren II, wie in Tabelle 2 gezeigt, und das gute extrudierte Material konnte mit einer ziemlich hohen Produktivität gemäß Verfahren 3 hergestellt werden.
Nachdem wir unsere Erfindung bezüglich der gegenwärtigen Ausführungsformen beschrieben haben, ist es unsere Absicht, dass die Erfindung, sofern nicht anders bestimmt, nicht durch irgendeines der Details der Beschreibung beschränkt wird, sondern dass sie eher weit innerhalb ihres durch die begleitenden Ansprüche bestimmten Schutzbereiches verstanden wird.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines extrudierten Aluminiumlegierungsmaterials für Kraftfahrzeugstrukturteile, enthaltend 2,6 bis 5,0 Gew.-% Si, 0,15 bis 0,3 Gew.-% Mg, 0,3 bis 2,0 Gew.-% Cu, 0,05 bis 1,0 Gew.-% Mn, 0,2 bis 1,5 Gew.-% Fe, 0,2 bis 2,5 Gew.-% Zn, 0,005 bis 0,1 Gew.-% Cr, und 0,005 bis 0,05 Gew.-% Ti, wobei der Ausgleich durch Aluminium und unvermeidbare Verunreinigungen gemacht wird, und das die Beziehung des folgenden Ausdrucks (I) erfüllt: (Anteil von Mn (Gew.-%)) + 0,32 × (Anteil von Fe (Gew.-%)) + 0,097 × (Anteil von Si (Gew.-%)) + 3,5 × (Anteil von Cr (Gew.-%)) + 2,9 × (Anteil von Ti (Gew.-%)) < 1,36; umfassend das Kühlen mit einem Kühlmittel von außerhalb einer Formaustrittsseite, zum Zeitpunkt der Extrusion, wobei die Aluminiumlegierung Na in einem Anteil von 50 bis 500 ppm enthält, und wobei die Aluminiumlegierung mit einem Extrusionsquotienten von 15 oder weniger extrudiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Kühlmittel flüssiger Stickstoff, Wassernebel oder Wasser ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, welches als weiteren Schritt umfasst: Kühlen der extrudierten Aluminiumlegierung selbst unmittelbar nach einem Extrudieraustritt, zusätzlich zu der Kühlung von außerhalb der Formaustrittsseite.
Verfahren zur Herstellung des extrudierten Aluminiumlegierungsmaterials für Kraftfahrzeugstrukturteile nach Anspruch 1 bis 3, umfassend die Verwendung eines Kraftfahrzeugaluminiumteilabfalls, welcher 1,5 bis 14 Gew.-% Si enthält, in wenigstens einem Teil eines zu verwendenden Aluminiumlegierungsgussstücks.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Kraftfahrzeugaluminiumteilabfall ein Abfall eines Gussproduktes eines Spritzgussteils oder eines GDC (Formguss)-Teils ist.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei der Kraftfahrzeugaluminiumteilabfall als ein Rohmaterial des extrudierten Materials verwendet wird, mit einer Menge von 30 Gew.-% oder mehr, aber 100 Gew.-% oder weniger im Rohmaterial.