DE69633002T2

DE69633002T2 - Fahrzeugrahmenbauteile mit verbesserter Energieabsorptionsfähigkeit, Verfahren zu ihrer Herstellung und eine Legierung

Info

Publication number: DE69633002T2
Application number: DE69633002T
Authority: DE
Inventors: Allison S. Warren
Original assignee: Aluminum Company of America
Current assignee: Howmet Aerospace Inc
Priority date: 1996-05-03
Filing date: 1996-05-03
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2016-05-04
Also published as: EP0805219A1; DE69633002D1; EP0805219B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen verbesserter langgestreckter Produkte und Bauteile aus Aluminiumlegierung durch Arbeitsschritte, die das Strangpressen einbeziehen; und betrifft speziell verbesserte langgestreckte Produkte und Bauteile, die besonders in der Herstellung von Fahrzeugprimärstrukturen verwendbar sind.
Es ist bekannt, einen Fahrzeugrahmen herzustellen, indem separate Unterbaugruppen bereitgestellt werden, wobei jede Unterbaugruppe aus mehreren separaten Bauteilen zusammengesetzt ist, in die Rahmenlängsträger einbezogen sein können. Jede Unterbaugruppe wird gefertigt, indem mehrere Teile mit Hilfe einer Knotenstruktur miteinander verbunden werden, die Guss-, Strangpress- oder Blechteile sein können. Die Rahmen und Unterbaugruppen können durch Klebverbindung, Schweißen oder mechanische Befestigungsmittel zusammengebaut werden oder durch Kombinationen dieser und anderer Verbindungsmethoden. Ein Beispiel für eine solche Fahrzeugrahmenstruktur ist in der US-P-4 618 163 unter dem Titel "Automobilfahrwerk" verfügbar, deren gesamter Inhalt hiermit als Fundstelle einbezogen ist. Für derartige Fahrzeugrahmenkonstruktionen sind Aluminiumlegierungen besonders wünschenswert, da sie eine geringe Dichte, gute Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bieten. Darüber hinaus lassen sich Aluminiumlegierungen zur Verbesserung der Steifigkeit des Fahrzeugrahmens und Leistungscharakteristik einsetzen. Die Verwendung von Aluminium gewährt ein Potential für Nutzen und Effizienz zu Gunsten der Umwelt durch einen leichten Aluminiumfahrzeugrahmen, der auch einen verringerten Kraftstoffverbrauch in Folge des leichten Gewichtes demonstriert. Schließlich bietet die Anwendung von Aluminiumlegierungsbauteilen in einem Fahrzeugrahmen die Gelegenheit, die Aluminiumbauteile/Unterbaugruppen zum Schluss in den Kreislauf zurückzuführen, wenn die Nutzungsdauer des Fahrzeuges abgelaufen ist. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass ein Aluminiumfahrzeugrahmen die typischerweise in Verbindung mit sehr viel schwereren, konventionellen Stahlrahmen-Fahrzeugdesigns anerkannte Festigkeit und Crash-Tauglichkeit bewahrt.
Wie vorstehend angedeutet wurde, schließen wichtige Merkmale bei Automobilkarosserie-Primärstrukturen aus Aluminium die Crash-Tauglichkeit in Verbindung mit der Herabsetzung des Fahrzeug-Gesamtgewichts und/oder die Verbesserung des Fahrzeugverhaltens ein. Bei Anwendung im Automobil spiegelt die Crash-Tauglichkeit die Fähigkeit eines Fahrzeugs wieder, zu einem gewissen Umfang einem Kollisionsaufprall ohne Auftreten einer nicht akzeptablen Verformung des Fahrgastraumes oder unzulässige Beschleunigung der Fahrgäste zu widerstehen. Beim Aufprall muss sich die Struktur in vorgeschriebener Weise verformen, die von der Struktur aufgenommenen Verformungsenergie sollte die kinetische Energie des Aufpralls kompensieren, die Unversehrtheit des Fahrgast raumes sollte aufrecht erhalten bleiben, und die Primärstruktur sollte in einer solchen Weise eingedrückt werden, dass die Fahrgastbeschleunigung auf ein Minimum herabgesetzt wird. Zur Bewertung der physikalischen und mechanischen Eigenschaften einer Aluminiumlegierung für die Verwendung in einer Automobilstruktur oder für andere Anwendungen können zahlreiche Standardtests angewendet werden. Beispielsweise lassen sich die Zugtests und die Standardverformungstests anwenden, um eine Information über Festigkeit und verwandte Leistungserwartungen zu liefern, oder es kann ein Zerreißversuch zur Anwendung gelangen, um die Bruchcharakteristik zu untersuchen und ein Maß für den Widerstand gegen Risswachstum oder die Zähigkeit entweder unter elastischen oder plastischen Beanspruchungen zu gewinnen. Diese und andere Prüfmethoden werden zur Untersuchung des allgemeinen Verhaltens von Materialien angewendet, die für solche repräsentativ sind, die für die Herstellung von Fahrzeugbauteilen, Unterbaugruppen und Rahmen verwendet werden. Es sind jedoch wenige Standardtests verfügbar, um eine Bewertung von Aluminiumlegierungsbauteilen zu ermöglichen, die für die Verwendung in Karosserie-Primärstrukturen vorgesehen sind. Dementsprechend wird zusätzlich zu den vorstehend beschriebenen Tests davon ausgegangen, dass ein statischer Axial-Crashtest die Bewertung des Verhaltens eines Fahrzeugrahmenbauteils auf axiale Druckbelastung ermöglicht. Bei Anwendung für die Bewertung von Bauteilgeometrien, die ausgelegt sind, um für die Energieaufnahme unter Druckbelastung zu sorgen, liefert der axiale Crashtest die erschwerten Bedingungen, die zur Untersuchung des Verhaltens eines Bauteils auf Druckbelastung erforderlich sind. Bei dem statischen axialen Crashtest wird eine vorgegebene Länge eines Energie aufnehmenden Bauteils bei einer vorbestimmten Rate stauchend belastet, die eine Endhöhe des verformten Bauteils von näherungsweise der Hälfte der ursprünglichen freien Länge oder weniger erzeugt. Unter diesen Bedingungen können verschiedene Arten des Kollabierens auftreten: Die reguläre Faltung – stabiler Kollaps, irreguläre Faltung und Biegung. Die angestrebte Reaktion bei der Bewertung von Energie aufnehmenden Bauteilen ist der stabile axiale Kollaps, der durch eine reguläre Faltung gekennzeichnet ist. Die Crashprobe wird untersucht, um die Reaktion des Materials auf die schwere Verformung zu ermitteln, die während dieses Tests hervorgerufen wurde. Im Allgemeinen ist es wünschenswert, die Fähigkeit zum Verformen ohne Rissbildung nachzuweisen. In diesem Fall werden Proben nach einem statischen axialen Crashtest visuell untersucht und auf der Grundlage der äußeren Erscheinung der verformten Proben eine Bewertung zugeordnet. Die Ergebnisse der Untersuchung werden auf einer Skala von 1 bis 3 registriert. Eine "3" zeigt, dass der Bereich in der Nähe der Faltung auftreten einer offenen Rissbildung zeigt, die oftmals mit dem bloßen Auge sichtbar ist, sowie eine aufrauhende Schädigung. Ein mit "3" bewertetes Material wird als unzulässig erklärt. Eine "2" zeigt, dass der Bereich in der Nähe der Faltungen oder ein verformtes Seitenwandmaterial der Extrusion aufgerauht ist und geringfügig gerissen sein kann, wobei der grundsätzliche Zusammenhalt der Seitenwand erhalten bleibt. Eine mit "2" bewertete Probe ist besser als eine solche, die mit einer "3" bewertet wird, ist jedoch nicht so gut wie eine mit "1" bewertete Probe. Eine Bewertung von "1" zeigt, dass der einem Crash unterzogene Strangpressling keine Rissbildung oder aufgerauhten Bereiche enthält und die Faltungen weitgehend glatt sind; dieses ist die bevorzugte Materialreaktion nach einem statischen axialen Crashtest.
Die Fähigkeit einer Struktur oder eines Strukturbauteils zur Aufnahme von Energie und zur Verformung in einer gewünschten fortschreitenden Weise unter Druckbelastung sowohl während des statischen als auch des dynamischen Crashtests ist eine Funktion sowohl der Bemessung des Bauteils, z. B. der Geometrie, der Querschnittform, der Größe, der Länge, der Dicke, als auch der in die Baugruppe einbezogenen Verbindungstypen sowie der Eigenschaften des Materials, aus dem das Bauteil gefertigt ist, d. h. der Streckgrenze und der Bruchfestigkeit bei der tatsächlichen Belastung, dem Elastizitätsmodul, dem Bruchverhalten, usw. Zahlreiche Aluminiumlegierungen sind potentielle Kandidaten für die Herstellung einer Karosserie-Primärstruktur, in die derartige energieabsorbierende Bauteile einbezogen sind. Beispielsweise könnten die 6XXX-Legierungen in der Herstellung von stranggepressten Bauteilen für den Einbau in Fahrzeuge mit betonter Aluminiumausführung eingesetzt werden. Die Legierungen 6XXX-Reihe sind eine verbreitete Gruppe von Aluminiumlegierungen mit dieser Kennzeichnung nach dem System der "Aluminum Association", worin "6XXX-Reihe" sich auf wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen bezieht, die als Hauptlegierungsbestandteile Magnesium und Silicium enthalten. Die Verfestigung in den 6XXX-Legierungen wird durch Ausscheidung von Mg₂Si oder seiner Präkursoren erreicht. Die 6XXX-Reihe findet breite Anwendung sowohl in den natürlich gealterten T4- als auch in den künstlich gealterten T6-Härtestufen. In die Legierungen dieser Reihe werden üblicherweise auch andere Elemente einbezogen, wie beispielsweise Chrom, Mangan oder Kupfer oder Kombinationen von diesen sowie andere Elemente zum Zwecke der Erzeugung zusätzlicher Phasen oder zur Modifizierung der verfestigenden Phase, um verbesserte Eigenschaftskombinationen zu vermitteln.
Die 6XXX-Legierungen werden häufig für die Erzeugung von bautechnischen Profilen, und da diese Erzeugnisse am häufigsten bei Anwendungen eingesetzt werden, die lediglich ein Minimum an Festigkeitswerten erfordern, werden die 6XXX-Legierungen aus Kostengründen typischerweise bei der Herstellung luftgehärtet. Die Legierung 6063 stellt einen der am häufigsten verwendeten Vertreter der 6XXX-Produkte dar. Sie stellt typischerweise Streckfestigkeiten von 90 MPa (13 ksi), 145 MPa (21 ksi) und 215 MPa (31 ksi) in den natürlich gealterten T4- und künstlich gealterten T5- und T6-Härtestufen bereit. Nach technischer Übereinkunft können sich sowohl Strangpresslinge mit den Härtebezeichnungen-T5 als auch -T6 auf ein Produkt beziehen, das druckgehärtet worden ist und künstlich gealtert worden ist anstelle der strengen Definition für -T6, in die eine Lösungsglühbehandlung und ein Härtungsarbeitsgang einbezogen sind.
Das Abschrecken von Arbeitsgängen erhöhter Temperatur ist oftmals für die Entwicklung von Eigenschaften des Verhaltens entscheidend, die für das Endprodukt benötigt werden. Die Zielstellung des Abschreckens besteht darin, das Mg, Si und die anderen Elemente in der festen Lösung zu halten, die als eine Bearbeitung bei erhöhter Temperatur, wie beispielsweise der Extrusion, resultiert. Im Fall der Extrusion wird das Produkt oftmals bei seinem Austritt aus der Strangpresse abgeschreckt, um zusätzliche Kosten in Verbindung mit einer separaten Lösungsglühbehandlung und Härtungsoperation zu vermeiden. Das Härten in Wasser kann zur Anwendung gelangen, um eine hohe Abkühlgeschwindigkeit von der Extrusionstemperatur zu vermitteln. Eine hohe Kühlgeschwindigkeit liefert die beste Möglichkeit, die Elemente in fester Lösung zu halten. Allerdings erzeugt die Wasserhärtung einen Bedarf an zusätzlicher Ausrüstung und kann eine übermäßige Verwertung erzeugen und eine nachfolgende Bearbeitung erforderlich machen, um die Form vor Gebrauch zu korrigieren. Das Luftkühlen wird üblicherweise beim Druckhärten von 6063-Produkten angewendet. Das Lufthärten verringert das Verwerfen, das sonst auftritt, und verbessert das Formhaltevermögen bei Hohlprofilen. Allerdings zeigen 6XXX-Produkte im typischen Fall eine gewisse Härtungsempfindlichkeit oder einen Verlust an Festigkeits- oder anderen Eigenschaften bei verringerten Abschreckraten, die beim Lufthärten auftreten. Die Härtungsempfindlichkeit ist auf Ausscheidung von Elementen aus der festen Lösung während eines langsamen Härtens zurückzuführen. Diese Ausscheidung tritt typischerweise an Korngrenzen und anderen heterogenen Stellen in der Mikrostruktur auf. Die Ausscheidung während der Härtungsoperation macht den gelösten Stoff unverfügbar für die Ausscheidung der verfestigenden Phasen während der nachfolgenden Alterungsoperationen. Ein langsames Härten führt typischerweise zu einem Verlust an Festigkeit, Zähigkeit, Formbarkeit oder Korrosionsbeständigkeit. Ein langsames Härten kann auch das Bruchverhalten des Produktes nachteilig beeinflussen, indem Korngrenzenbruch bei geringer Energie unterstützt wird. Die Härtungsempfindlichkeit im Bezug auf die Streckgrenze ist in der Regel bei verdünnten Legierungen gering, wie beispielsweise 6063. Eine ausgeprägte Härtungsempfindlichkeit lässt sich jedoch in Bezug auf Zähigkeit und Zähigkeitsindikatoren sowie anderen Eigenschaften beobachten, die von dem Bruchverhalten des Materials stark beeinflusst werden. In den erhaltenen Ergebnissen treten oftmals Differenzen bei den Reißversuchen und den Bewertungen der Formbarkeit auf. Dramatische Einflüsse der Abschreckrate sind auch in den Ergebnissen beobachtet worden, die unter Anwendung des statischen axialen Crashtests in handelsüblichen Strangpressmaterialien erhalten wurden, wie beispielsweise in der 6063. Um den Verlust an gewünschten Eigenschaften zu überwinden können eine separate Lösungsglühbehandlung und Härtung oder eine Spritzwasser-Härtungsbehandlung inline zur Anwendung gelangen, um eine Kühlung mit der erforderlichen Geschwindigkeit zu gewähren und die Ausscheidung während der Härtung auf ein Minimum herabzusetzen. Wie vorstehend jedoch schon ausgeführt wurde, kann das Wasserhärten eine Verwerfung erzeugen, die Prozessgeschwindigkeit verzögern, eine zusätzliche Bearbeitung zur Dimensionskorrektur erfordern und die Möglichkeit einschränken, Profile von Bauteilen auf Toleranz zu erzeugen. Die strengsten Toleranzen müssen beim Zusammenbau einer Fahrzeug-Unterbaugruppe oder eines Fahrzeugrahmens eingehalten werden. Eine Abschreckverwerfung im Zusammenhang mit der Anwendung einer Wasserhärtungsoperation beeinflussen die Herstellung von komplexen, dünnwandigen, hohlen Strangpresslingen nachteilig und bringen diesen einen Verzug bei und bringen sie außerhalb des Toleranzbereichs für die gewünschte Anwendung und erfordern weitere arbeitsaufwendige Korrektur.
Die US-P-4 525 326 lehrt, dass die Härtungsempfindlichkeit im Bezug auf die Festigkeit einer 6XXX-Legierung (Si, Fe, Cu, Mg) durch Zusatz von Vanadium verbessert werden kann. Insbesondere offenbart die Patentschrift den Zusatz von 0,05 bis 0,2% Vanadium und Mangan in einer Konzentration gleich ¼ bis 2/3 der Eisenkonzentration zu einer Aluminiumlegierung für die Herstellung von stranggepressten Produkten. Ungeachtet solcher Bemühungen zur Entwicklung von Legierungen, die eine verringerte Abschreckempfindlichkeit im Bezug auf die Festigkeit bieten, bleibt eine Nachfrage nach Legierungen, die eine verringerte Härteempfindlichkeit im Bezug auf ein statisches axiales Crashverhalten liefern.
Eine Legierung, die sich lufthärten ließ, würde die Möglichkeit bieten, dünnwandige, stranggepresste Hohlprofile zu erzeugen, die den gewünschten Dimensionsanforderungen an den Zusammenbau von Automobilstrukturen genügen und die Merkmale gewähren, die zur Verwendung in der eigentlichen Struktur gewünscht werden, einschließlich eine gute Festigkeit und die Fähigkeit zur Verformung in regulärer Form bei Bauteilen, die auf Energieaufnahme bei Druckbelastung im Fall einer Kollision konzipiert sind, und aber auch die Herstellung dieser Bauteile in kostengünstiger Weise ermöglichen.
Daher sind von Interesse:
ein Bauteil aus einer Aluminiumlegierung zu schaffen, das sich durch hervorragendes statisches axiales Crashverhalten auszeichnet;
eine Aluminiumlegierung zu schaffen, die sich durch eine verringerte Härteempfindlichkeit in Bezug auf das statische axiale Crashverhalten auszeichnet sowie in Bezug auf andere Merkmale, die für die Anwendung in Automobilstrukturen benötigt werden;
eine Aluminiumlegierung zu schaffen, die für einen erhöhten Bereich von Profilen verwendet werden kann, einschließlich dünnwandige Hohlprofile von Strangpresslingen, und ein verbessertes Formhaltevermögen für die Herstellung von Fahrzeugen mit betonter Aluminiumausführung oder ähnlichen Strukturen hat;
eine verbesserte Aluminiumlegierung bereitzustellen; und
um ein Verfahren zum Herstellen eines verbesserten langgestreckten Aluminiumlegierungsproduktes bereitzustellen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen eines verbesserten, langgestreckten Aluminiumlegierungsproduktes gewährt, umfassend:
Bereitstellen einer Legierung, aufweisend im Wesentlichen 0,45 bis 0,7% Magnesium, 0,35 bis 0,6% Silicium, 0,1 bis 0,35% Vanadium und 0,1 bis 0,4% Eisen, Rest im Wesentlichen Aluminium und zufällig auftretende Elemente und Verunreinigungen;
Extrudieren eines Körpers der Legierung; und
Härten des Körpers der Legierung.
Sofern nicht anders angegeben, sind alle Prozentangaben der Zusammensetzungen nachfolgend auf Gewicht bezogen. Zusätzlich zeigt diese Aluminiumlegierung eine relativ geringere Härteempfindlichkeit in Bezug auf das statische axiale Crashverhalten und gewährt eine gute Festigkeit, Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Die Legierungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist daher ideal geeignet zum Lufthärten und ist dennoch zu einem erweiterten Bereich von Profilen verarbeitbar und hat ein verbessertes Formhaltevermögen. In dem Härtungsprozess kann die Anwendung einer Zwangslufthärtung für das extrudierte Produkt zusätzlich zu den Schritten der Homogenisierung, Nacherhitzung, Extrusion, natürlichen und/oder künstlichen Alterung einbezogen sein.
Die vorgenannten wie auch andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich leichter einschätzen durch Bezugnahme auf die detaillierte Beschreibung der Erfindung in Verbindung mit der einzigen Figur, bei der es sich um eine graphische Darstellung der Eigenschaften eines erfindungsgemäßen, durch Zwangsluftkühlung gehärteten Produktes handelt.
Nach der vorliegenden Erfindung ist die Legierungszusammensetzung so eingestellt, dass sie 0,45 bis 0,7% Magnesium enthält und bevorzugt 0,48 bis 0,64% Magnesium, und etwa 0,35 bis 0,6% und bevorzugt 0,4 bis 0,5% Silicium und 0,1 bis 0,35% und bevorzugt 0,2% Vanadium und 0,1 bis 0,4% Eisen und bevorzugt 0,15 bis 0,3% und mehr bevorzugt 0,2%, Rest Aluminium und zufällig auftretende Elemente und Verunreinigungen. Die Legierungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung ist frei von einer vorsätzlichen Kupferzugabe und entspricht den Zusammensetzungsstandards der "Aluminum Association" für die zulässigen Werte von Verunreinigungen. Die Legierung wird im typischen Fall zu einem Strangpressbarren durch kontinuierliches Gießen oder halbkontinuierliches Gießen zu einer Form verfestigt, die für die Extrusion geeignet ist und bei der es sich im typischen Fall um einen zylindrischen Block handelt. Der Block kann zur Entfernung der Oberflächenfehler nach Erfordernis bearbeitet oder geschält werden oder kann ohne Bearbeitung extrudiert werden, wenn die Oberfläche geeignet ist. Der Extrusionsprozess erzeugt im Vergleich zum Strangpressbarren einen wesentlich verringerten Durchmesser und jedoch eine stark vergrößerte Länge. Vor der Extrusion wird das Metall typischerweise Wärmebehandlungen zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit und der Eigenschaften unterworfen. Der Gussbarren kann oberhalb der Mg₂Si-Solidustemperatur homogenisiert werden, um eine Auflösung vorhandener Mg₂Si-Partikel zu ermöglichen und die chemische Absonderung zu verringern, die aus dem Gießprozess resultiert. Nach der Homogenisierung kann man den Block an der Luft abkühlen lassen. Vor der Extrusion werden die Barren bis zur Warmverformungstemperatur nacherhitzt und mit Hilfe direkter oder indirekter Extrusionspraktiken extrudiert. Bei der Ausführung der Erfindung ist es wichtig darauf zu achten, dass die Extrusion bei Zylindertemperaturen unmittelbar vor der Extrusion ausgeführt wird, die im typischen Fall 28 bis 56°C (50° bis 100°F) geringer sind als die der Extrusion und im typischen Fall im Bereich von etwa 371°C (700°F) bis zu etwa 538°C (1.000°F) und bevorzugt bei einer Temperatur von 482°C (900°F).
Die Kreisgröße des Strangpresslings variiert, wobei der Strangpressling im typischen Fall jedoch eine Wandstärke von 1,5 mm und größer hat: Im typischen Fall sind die Enden des Strangpresslings abgeschert und können für die nachfolgenden Operationen auf Länge geschnitten werden. Das extrudierte Profil tritt in eine Abschreckzone ein, wo es dann abgeschreckt wird, vorzugsweise durch Anwendung von Methoden der Zwangsluftkühlung, mit denen die Temperatur des Strangpresslings herabgesetzt wird zwischen näherungsweise 121° bis 232°C (250° bis 450°F). Vorzugsweise befindet sich das extrudierte Produkt bei einer Temperatur von etwa 177°C (350°F) bei seinem Verlassen der Abschreckzone. Die Kühlgeschwindigkeit, die die Temperaturänderung des extrudierten Produktes ist, wenn es die Abschreckzone traversiert, ist schließlich eine Funktion der Geometrie des extrudierten Bauteils, der Geschwindigkeit, bei der das extrudierte Produkte die Abschreckzone traversiert, und der Lufttemperatur. In experimentellen Durchläufen wurde das Produkt mit einer Zwangslufthärtung versehen, um eine Kühlgeschwindigkeit von 2 bis 3°C (3 bis 6°F)/s zu erzeugen. Das extrudierte Bauteil kann sodann nach Erfordernis um etwa ¼ bis 1½% gestreckt werden, um es auszurichten. Das extrudierte Produkt wird einer natürlichen Alterung unterzogen. Geeignete Eigenschaften werden innerhalb einer Zeitdauer der natürlichen Alterung zwischen 4 und 30 Tagen erzielt.
Das extrudierte Teil kann mit oder ohne nachfolgendem Strecken künstlich gealtert werden, um seine Festigkeitseigenschaften zu entwickeln. Dieses schließt typischerweise ein Erhitzen oberhalb von 121 bis 132°C (250° oder 270°F) ein und im typischen Fall oberhalb von 149°C (300°F) z. B. von etwa 165° bis 232°C (330° bis etwa 450°F) und zwar für eine Zeitdauer von etwa 1 Stunde oder bis zu etwas weniger als etwa 10 oder 15 Stunden und im typischen Fall etwa 2 oder 3 Stunden bei Temperaturen von etwa 177° bis 204°C (350° bis 400°F). Die zur Anwendung gelangende Zeit ist umgekehrt proportional zur Temperatur (eine höhere Temperatur bei weniger Zeit oder eine niedrigere Temperatur bei längerer Zeit), und diese entwickelt eine sogenannte Peak- oder -T6-Festigkeit.
Beispiele
Zur Bewertung wurden Strangpresslinge hergestellt, die 3 Kombinationen der Aluminiumlegierungszusammensetzung repräsentieren und eine Wärmebehandlung ausgeführt. Die Proben jeder Zusammensetzung wurden unter Anwendung des Wasserhärtens und Lufthärtens extrudiert. Die mit "A" und "B" bezeichneten Legierungen sind Zusammensetzungen vom Typ 6063, die kein Kupfer enthielten. Die Proben "A" wurden homogenisiert und künstlich gealtert, indem die von der Aluminum Association empfohlenen Methoden für die Herstellung von 6063-T6 angewendet wurden; die Homogenisierung erfolgte für 4 Stunden bei 579°C (1.075°F) und die Alterung für 8 Stunden bei 177°C (350°F). Alle anderen Prozessstufen waren mit denen identisch, die zur Erzeugung der anderen Materialien des Beispiels angewendet wurden. Die Proben "B" wurden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren homogenisiert und künstlich gealtert. Schließlich wurde die Legierung der vorliegenden Erfindung mit "C" bezeichnet, die näherungsweise 0,2 Vanadium enthielt. Tabelle I gibt außerdem den eingetragenen Zusammensetzungsbereich für eine Aluminiumlegierung 6063 an.
Tabelle I Zusammensetzung
In der Tabelle II sind die Daten angegeben, die aus der Analyse des unter Anwendung des Wasserhärtens erzeugten extrudierten Produkts erhalten wurden. Um das extrudierte Produkt unter Anwendung eines konventionellen Prozesses des Wasserhärtens zu erzeugen wurden 3 Legierungen verwendet: die kommerziell verfügbare 6063 (Probe "A"), die Legierung vom Typ 6063 (Probe "B") und Legierung der vorliegenden Erfindung (Probe "C"). Das extrudierte Produkt wurde sodann zum T6-Härtegrad gealtert und unter Anwendung des statischen axialen Crashtests und der Standardzugversuche bewertet. Zur Bewertung des Produktes, das diese Materialien repräsentiert, wurden Strangpressabschnitte von 7,6 cm (3 inch) mit einer Säge mit parallelen Stirnseiten abgeschnitten und einer Axialverformung unterworfen. Dieser Versuch lieferte eine Crashprobe mit einer Höhe von näherungsweise 3,2 cm (1,25 inch) und einer (1) starken Faltung. Die verformten Bereiche des Produktes nach dem Crashversuch wurden sodann einer visuellen Untersuchung unterzogen und eine Crashbewertung nach dem früher beschriebenen Bewertungssystem zugeordnet, worin eine Bewertung von "1" das angestrebte Ergebnis darstellt und eine Bewertung von "3" das Vorhandensein einer Rissbildung anzeigt. Die zweite Spalte von Tabelle II liefert die Ergebnisse eines statischen axialen Crashtests. Wie zu entnehmen ist zeigten alle 3 Legierungen, die einer Wasserhärtung unterzogen wurden, das bevorzugte Verhalten im statischen axialen Crashtest. Tabelle II

UTS: Reißfestigkeit unter Zug

Die übrigen Tabellen III und IV geben die aus der Analyse der extrudierten Produktproben erhaltenen Daten an, die unter Anwendung einer Zwangsluftkühlung erzeugt wurden. Alle 3 Legierungen, die 6063, die vom Typ 6063 und die Legierung der vorliegenden Erfindung, wurden unter Anwendung einer Zwangsluftkühlung entsprechend der vorstehenden Beschreibung extrudiert. Die extrudierten Produktproben wurden sodann bis zum -T6-Härtegrad gealtert und unter Anwendung des statischen axialen Crashtests, von Längs-Zugtestversuchen und Testmethoden bewertet, wie sie üblicherweise zur Angabe relativer Werte der Bruchzähigkeit, der Korrosionsbeständigkeit und der Formbarkeit verwendet werden. Die relative Bruchzähigkeit dieser Materialien wird durch Vergleich der Werte der Einheit der Ausbreitungsenergie (UPE, unit propagation energy) unter Anwendung des Reißversuches nach Kahn bestimmt. Die relative Korrosionsbeständigkeit dieser Materialien wird unter Verwendung der Massen-Lösungspotentialmessungen verglichen. Die relative Formbarkeit dieser Materialien wurde unter Anwendung des Tiefungsversuches nach Olsen unter trockenen und geschmierten Bedingungen und nach dem geführten Biegeversuch bewertet. Der Tiefungsversuch nach Olsen wird typischerweise angewendet, um eine Angabe über die relative Formbarkeit von flächigen Erzeugnissen zu erhalten. In diesem Fall wurden Proben des -T6-Strangpressproduktes unter trockenen und geschmierten Bedingungen bewertet, mit denen ein ebener Verformungszustand und gleiche biaxiale Formbedingungen simuliert wurden. In diesem Versuch wurde ein trockener oder geschmierter Stempel verwendet, um die Tiefungshöhe zu bestimmen, bei der eine Einschnürung oder ein Versagen in dem zu bewertenden Material auftreten, wobei ein höherer Wert eine bessere relative Formbarkeit anzeigt. Der geführte Biegeversuch wurde ursprünglich entwickelt, um eine Bewertung der Formbarkeit unter Bedingungen zu ermöglichen, die zur Simulation von Arbeitsgängen der Blecherzeugung konzipiert wurden. Typischerweise wurden Proben bewertet, die ein -T4-Blecherzeugnis repräsentieren, das eine Vorverformung von 10% erhalten hatte, um die Verformung zu simulieren, die bei Operationen des Ziehens zu erwarten ist, und wurden nachfolgend über Dornen unterschiedlicher Radien gebogen. Angesichts des zu erwartenden Typs der Materialverformung, die für dieses Strangpressprodukt unter Einsatzbedingungen zu erwarten ist, wurden Streifenproben im -T6-Zustand bewertet, ohne dass eine Vorverformung angewendet wurde. Das gewünschte Ergebnis dieser Prüfung ist die Fähigkeit, ohne Rissbildung über einen kleineren Dorn gebogen werden zu können; die Daten dieser Bewertung werden typischerweise als das Verhältnis des Grenzradius, R zu der Dicke der Probe, t angegeben. In diesem Fall bedeutet ein kleineres R/t-Verhältnis eine bessere relative Formbarkeit.
Die resultierenden Daten, die in Tabelle III und Tabelle IV gezeigt sind, demonstrieren, dass die mit Zwangsluft gekühlten Aluminiumlegierungs-Strangpresslinge aus 6063 und Materialien vom 6063-Typ verringerte Werte des Verhaltens im statischen axialen Crashtest zeigten (im Vergleich zu Strangpresslingen, die einer Wasserhärtung unterzogen wurden), während die neue Legierung der vorliegenden Erfindung die gewünschten Leistungswerte bewahrte und Leistungsergebnisse zeigte, die ähnliche denjenigen waren, die am Spritzwasser gehärteten Produkt erhalten wurden. Die Aluminiumlegierung der vorliegenden Erfindung zeigt eine verbesserte Zähigkeit, was mit Hilfe der Werte der Einheit der Ausbeutungsenergie, UPE, angegeben wird, die im Reißversuch nach Kahn gemessen wurden, und zwar ohne nachteiligen Einfluss auf die Festigkeit. Was an Aluminiumlegierungen typisch ist, nimmt die Zähigkeit auf Kosten der Festigkeit zu. Die Messungen des Massen-Lösungspotentials an diesen Legierungen zeigen in ähnlicher Weise, dass das Massenkorrosionsverhalten in vergleichbarer Größe erwartet werden kann. Ein Vergleich der Ergebnisse der Tests des Formbarkeitsindikators veranschaulicht, dass der getestete Strangpressling der Legierung der vorliegenden Erfindung die gewünschten Zunahmen in den gemessenen Ergebnissen sowohl in den trockenen als auch den geschmierten Olsen-Höhen zeigte sowie eine gewünschte Abnahme in dem geführten Biegeradius erreicht wurde.
Ein Vergleich der Ergebnisse, die bei der Bewertung der verschiedenen Materialien erhalten wurden, die in Tabelle I beschrieben wurden, wird in der einzigen Figur veranschaulicht. Die Ergebnisse der Streckgrenze, der Bruchzähigkeit und des Formbarkeitsindikators stellen Mittelwerte der an den mit Zwangsluft gekühlten Proben des Strangpressproduktes aufgenommenen Messungen dar. Die Daten sind in Bezug auf das 6063-Produkt normiert worden, um einen Vergleich zu ermöglichen. Es ist zu erkennen, dass die Eliminierung der konventionellen Bearbeitung mit der Wasserhärtung mehrere deutliche Vorteile liefert. Die Notwendigkeit für eine komplizierte Verteilung des Abschreckwassers, Zuführung und Aufbereitungssystem ist eliminiert worden. Die Anwendung des Systems der Lufthärtung erhöht die Fähigkeit Maßtoleranzen einzuhalten, die oftmals durch die Wasserhärtung beeinträchtigt sind. Der positive Einfluss auf die Kostenbewältigung und Herabsetzung der Kosten tritt sowohl in den Verarbeitungsstufen der Extrusion als auch bei der Verarbeitung nach der Extrusion des extrudierten Teils in Erscheinung. Eine Nachkalibrierung von Hand an dem extrudierten Teil nach der Extrusion wird weitgehend reduziert oder sogar eliminiert.
Sofern nicht anders angegeben, gelten hierin die folgenden Festlegungen:

a. Der Begriff "ksi" ist gleichwertig mit "Kilopound" (1.000 Pound) pro inch²;
b. Die prozentualen Angaben einer Zusammensetzung beziehen sich auf Gewichtsprozent.
c. Der Begriff "vom Gussblock" bedeutet verfestigt aus flüssigem Metall nach bekannten oder später entwickelten Gießprozessen anstelle von Methoden aus der Pulvermetallurgie. Dieser Begriff schließt ausdrücklich ein: Stranggießen mit direkter Kühlung, elektromagnetisches Stranggießen, Spritzgießen und beliebige Variationen davon, ohne auf diese beschränkt zu sein.
d. Bei der Angabe eines Zahlenbereichs oder eines Minimums oder Maximums für ein Element einer Zusammensetzung oder eine Temperatur oder andere Prozessparameter oder beliebige andere Angaben hierin sind abgesehen von und zusätzlich zu den üblichen Regeln des Abrundens von Zahlen diese so auszulegen, dass sie speziell jede einzelne Zahl angeben und offenbaren, einschließlich jeden Bruch und/oder Dezimalstelle (i) innerhalb und zwischen dem angegebenen Mindestwert und Höchstwert eines Bereiches oder (ii) bei und oberhalb eines angegebenen Minimums oder (iii) bei und unterhalb eines angegebenen Maximums. (Beispielsweise offenbart ein Bereich von 1 bis 10: 1,1, 1,2 ... 1,9, 2, 2,1, 2,2 ... usw. bis zu 10, und ein Bereich von 500 bis 1.000 offenbart 501, 502 ... usw. bis zu 1.000, einschließlich jede Zahl und Bruch oder Dezimalstelle innerhalb und "bis zu 5" offenbaren 0,01 ... 0,1 ... 1 usw. bis zu 5).

Claims

Verfahren zum Herstellen eines verbesserten, gestreckten Aluminiumlegierungsproduktes, umfassend: Bereitstellen einer Legierung, aufweisend: 0,45 bis 0,7% Magnesium, 0,35 bis 0,6% Silicium, 0,1 bis 0,35% Vanadium und 0,1 bis 0,4% Eisen, Rest Aluminium und zufällig auftretende Elemente und Verunreinigungen; Extrudieren eines Körpers der Legierung; und Härten des Körpers der Legierung.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Körper der Legierung luftgehärtet oder wassergehärtet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Legierung 0,48 bis 0,64% Magnesium enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Legierung 0,4 bis 0,5% Silicium enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Legierung 0,2% Vanadium enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Legierung enthält: 0,48 bis 0,64% Magnesium, 0,.4 bis 0,5% Silicium, 0,2% Vanadium und 0,2% Eisen enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Strangpressen mit Zylindertemperaturen von 371 ° bis 538°C (700° bis 1.000°F) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Strangpressen mit Zylindertemperaturen von 454° bis 510°C (850° bis 950°F) ausgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Härten die Temperatur des stranggepressten Produktes von 121 ° bis 232°C (250° bis 450°F) herabsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Härten die Temperatur des stranggepressten Produktes bis 177°C (350°F) oder weniger herabsetzt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das stranggepresste Produkt nach dem Härten gestreckt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei welchem das stranggepresste Produkt um einen äquivalenten Betrag von 0,25% bis 1,50% gestreckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, welches Verfahren umfasst: Erhitzen der Legierung; Strangpressen der Legierung; Lufthärten der stranggepressten Legierung; künstliches Altern der stranggepressten Legierung.
Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche 1 bis 10, bei welchem das stranggepresste Produkt ein Rahmenlängsträger in einem Fahrzeug ist.
Fahrzeugrahmen, aufweisend stranggepresste Aluminiumlegierungsteile, die zur Erzeugung eines Rahmens oder einer Unterbaugruppe verbunden sind, wobei mindestens eine Mehrzahl der stranggepressten Aluminiumteile eine nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13 hergestellte Aluminiumlegierung aufweist.