DE69825414T3 - Aluminium-Legierung und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Al-Mg-Si-Legierung, die zur Herstellung von Bauteilen mit hoher Duktilität geeignet ist.
  • Al-Mg-Si-Legierungen wie die Aluminiumlegierungen der Serie AA6xxx sind weitverbreitet und wegen ihrer mäßig hohen Dehngrenze und Zugfestigkeit, der geringen Abschreckempfindlichkeit, der guten Korrosionsbeständigkeit und der günstigen Formcharakteristika bevorzugt. Legierungen der Serie-AA6xxx werden aufgrund dieser wohlbekannten Eigenschaften immer attraktiver für Industrien wie das Transportwesen. Ferner zeigen Legierungen der Serie AA6xxx im Allgemeinen zufriedenstellende Schweißcharakteristika, weshalb dieser Legierungstyp auch in hohem Maße für Anwendungen verwendet wird, die zur Konstruktion von geschweißten Strukturen führen. Zusätzliche Anwendungen für die Legierungen der Serie AA6xxx wären möglich, wenn die Duktilität weiter erhöht wird.
  • Eine solche Aluminiumlegierung ist aus der internationalen Patentanmeldung Nr. WO 97/44501 bekannt. Die bekannte Legierung enthält folgende Legierungselemente in Gew.-%:
    Si 0,4–0,8
    Mg 0,4–0,7
    Fe max. 0,30 und bevorzugt 0,18–0,25
    Cu max. 0,20 und bevorzugt 0,12–0,16
    Mn max. 0,15 und bevorzugt 0,05–0,10
    V 0,05–0,20
    Cr max. 0,10 und bevorzugt 0,01
    Ti max. 0,10
    Zn max. 0,10
    unvermeidliche Verunreinigungen und Rest Aluminium.
  • Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein neues Verfahren zur Herstellung einer Aluminiumlegierung vorzusehen, die zur Herstellung eines Produkts geeignet ist, das aus Bauteilen mit einer höheren Duktilität als bei der bekannten Aluminiumlegierung hergestellt ist, und ferner, dass die Aluminiumlegierung verbesserte Schweißeigenschaften hat
  • Es ist eine Aluminiumlegierung vorgesehen, die folgende Legierungselemente in Gew.-% aufweist:
    Si 0,3–1,2
    Mg 0,3–1,0
    Fe max. 0,35
    Mn > 0,15–0,4
    V 0,05–0,20
    Cu max. 0,3
    Cr max. 0,2
    Zn max. 0,2
    Ti max. 0,1,
    und wobei das Verhältnis Mn/Fe in einem Bereich von 0,67 bis 1,0 liegt, Verunreinigungen jeweils max. 0,05%, gesamt max. 0,15%, Rest Aluminium.
  • Auf diese Weise ist erreicht, dass die Aluminiumlegierung eine gute Festigkeit, eine verbesserte Duktilität, eine gute Korrosionsbeständigkeit und insbesondere im Falle von extrudierten Produkten eine gleichmäßige Oberfläche zeigt, Abwesenheit von Kleben des Stempels, gute Längsschweißnähte und die Möglichkeit, kompliziert geformte Profile zu extrudieren, die dünn- und/oder dickwandig sein können und mit ökonomischen Extrusionsraten verarbeitet werden können. Insbesondere der erhöhte Mn-Gehalt in der Aluminiumlegierung nach der Erfindung trägt zu einer verbesserten Duktilität und einem besseren Schweißverhalten bei. Ferner hat die Aluminiumlegierung verbesserte Eigenschaften nach dem Schweißen, ist weniger empfindlich gegen Wärmerisse während des Schweißens, und sie hat nach der Extrusion und Wärmebehandlungen eine fein gekörnte rekristallisierte Mikrostruktur. Und ferner hat die Aluminiumlegierung eine geringere Abschreckempfindlichkeit als Aluminiumlegierungen des Typs AA6005 A-Serie.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform hat die Aluminiumlegierung bei dem Verfahren nach der Erfindung einen Mn-Gehalt in einem Bereich von > 0,15–0,30 Gew.-%. In diesem Bereich ist ein Optimum bei den mechanischen Eigenschaften und der Extrudierbarkeit erhalten.
  • Die Aluminiumlegierung bei dem Verfahren nach der Erfindung hat ein Mn/Fe-Verhältnis in einem Bereich von 0,67 bis 1,0.
  • Der Mg-Gehalt liegt bevorzugt in einem Bereich von 0,5–0,7 Gew.-%, in welchem Bereich die Festigkeit optimiert ist, insbesondere bei Verwendung in Kombination mit einem Si-Gehalt in einem Bereich von 0,4–0,7 Gew.-%. Ein Mg-Gehalt unter 0,3 Gew.-% liefert nicht genügend Festigkeit in dem aus der Legierung der Erfindung erhaltenen Bauteil.
  • Bei einer anderen Ausführungsform der Legierung bei dem Verfahren nach der Erfindung liegt der Si-Gehalt in einem Bereich von 0,5–0,6 Gew.-%, und der Mg-Gehalt liegt in einem Bereich von 0,4–0,7 Gew.-%, und bevorzugter liegt der Mg-Gehalt in einem Bereich von 0,45–0,55 Gew.-%. Bei dieser speziellen Ausführungsform der Legierung sind die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Bauteils mit denjenigen eines Bauteils aus einer AA6016-Legierung vergleichbar.
  • Bei diesem Typ von Aluminiumlegierungen wird V zugegeben, um die Rekristallisierung zu verbessern, und es ist in einem Bereich von 0,05–0,2 Gew.-% und bevorzugter in einem Bereich von 0,05–0,15 Gew.-% anwesend. Es wird erwähnt, dass die US-Patentschrift 4,525,326 eine Aluminiumlegierung zur Herstellung von extrudierten Produkten offenbart, wo die Abschreckempfindlichkeit bezüglich der Festigkeit durch die Zugabe von Vanadium verbessert werden kann. Die Aluminiumlegierung enthält 0,05 bis 0,2% V, Mangan in einer Konzentration von 1/4 bis 2/3 der Eisenkonzentration.
  • Cu sollte nicht mehr als 0,3 Gew.-% betragen. Cu-Niveaus über 0,3 Gew.-% führen zu inakzeptabler Korrosionsbeständigkeit der Produkte aus der Legierung der Erfindung.
  • Cr verbessert die Korrosionsbeständigkeit der Legierung. Allerdings begrenzt Cr die Löslichkeit von Mn und reduziert weiter die Extrudierbarkeit der Aluminiumlegierung. Um die Bildung von groben Primärprodukten zu vermeiden und die Extrusionsfähigkeit zu verbessern, darf der Cr-Gehalt deshalb nicht mehr als 0,2 Gew.-% betragen, bevorzugt nicht mehr als 0,1 Gew.-% und bevorzugter nicht mehr als 0,06 Gew.-%.
  • Zn gilt als ein Verunreinigungselement und kann bis zu 0,2 Gew.-% toleriert werden, aber beträgt bevorzugt weniger als 0,1 Gew.-%.
  • Ti ist wichtig als Korn-Refiner während der Verfestigung sowohl von Barren als auch von Schweißverbindungen, die unter Verwendung der Legierung der Erfindung hergestellt wurden. Der bevorzugte Bereich für Ti ist nicht mehr als 0,1 Gew.-%.
  • Der Rest ist Al und unvermeidbare Verunreinigungen. Typischerweise ist jedes Verunreinigungselement maximal mit 0,05 Gew.-% anwesend, und die Gesamtmenge von Verunreinigungen beträgt maximal 0,15 Gew.-%.
  • Die Erfindung ist in einem Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus der Aluminiumlegierung verkörpert, wobei das Verfahren nacheinander folgende Schritte umfasst:
    • (a) die Legierung wird zu Barren gegossen;
    • (b) der gegossene Barren wird homogenisiert;
    • (c) der homogenisierte Barren wird zu einem Produkt warmbearbeitet;
    • (d) das Produkt wird gealtert.
  • Auf diese Weise ist erreicht, dass das Produkt hervorragende Eigenschaften gegenüber einem vernünftigen Kostenniveau für die Anwendungen erwirbt, welche den Erfindern vorschweben.
  • Zum Gießen der Aluminiumlegierung zu Barren oder Extrusionsknüppeln können sowohl kontinuierliche als auch halbkontinuierliche Gußverfahren verwendet werden. Man hat überraschenderweise herausgefunden, dass während eines halbkontinuierlichen DC-Gießens (Direct Chill; Direktabkühlen) von Knüppeln die Aluminiumlegierung während des Gießens signifikant weniger empfindlich gegenüber Rissbildung ist. Die reduzierte Rissempfindlichkeit wird hauptsächlich dem erhöhten Mn-Gehalt gegenüber der bekannten Aluminiumlegierung zugeschrieben.
  • Nach dem Gießen wird die Aluminiumlegierung homogenisiert. Das Ziel der Homogenisierungsbehandlung besteht unter anderen Dingen darin, die Mikrostruktur zu homogenisieren, das Mg und Si zu lösen, mögliche Restspannungen abzufangen, die sich aus dem Gußverfahren ergeben, und scharfe oder nadelförmige intermetallische Verbindungen kugelig zu glühen, die während der Verfestigung der Aluminiumlegierung gebildet wurden. Eine Homogenisierung für 8–30 Stunden bei einer Temperatur im Bereich von 530°C bis knapp unter der Schmelztemperatur der Aluminiumlegierung ist ausreichend.
  • Eine längere Homogenisierungszeit ist nicht nachteilig, aber ist nicht erforderlich und dient nur dazu, die Produktionskosten zu erhöhen. Bevorzugt wird die Legierung für 8–20 Stunden in einem Temperaturbereich von 580°C bis knapp unter der Schmelztemperatur der Aluminiumlegierung homogenisiert. Bevorzugter wird die Legierung für 8–16 Stunden in einem Temperaturbereich von 590–605°C homogenisiert. Man hat herausgefunden, dass solch eine hohe Homogenisierungstemperatur vorteilhaft zur Warmbearbeitung der Legierung mittels Extrusion zu komplex gestalteten Profilen vorteilhaft ist, die dünnwandig oder dickwandig sein können. Auf diese Weise kann trotz des relativ hohen Mn-Gehalts eine akzeptable Extrusionsrate aufrechterhalten werden. Ferner hat das endgültige Produkt aufgrund der relativ hohen Homogenisierungsbehandlung eine fein gekörnte, völlig rekristallisierte Mikrostruktur.
  • Nach der Homogenisierung wird die Legierung zu Blechen, Stäben, Profilen oder Draht oder andere geformte Materialien warmbearbeitet, die zur Verarbeitung zu Produkten geeignet sind. Die Warmbearbeitung umfasst Walzen, Schmieden und Hydroformung. Die Erfindung ist bevorzugt dadurch gekennzeichnet, dass der Barren oder der Extrusionsknüppel über ein Extrusionsverfahren zu Produkten verarbeitet wird, bei welchem direkte oder indirekte Extrusion verwendet werden kann. Die Barrentemperatur während der Extrusion liegt bevorzugt in dem Temperaturbereich von 450–580°C. Unter Verwendung eines Extrusionsverfahrens kann die Aluminiumlegierung z. B. zu T-förmigen Profilen mit einer Wanddicke von bis zu 20 mm und Mehfachhohlprofilen mit einer Wanddicke in einem Bereich von 1,5 bis 4,0 mm verarbeitet werden.
  • Nach dem Warmextrudieren wird die Legierung mittels Wasser oder Wassersprühen oder Kaltluft abgeschreckt. Dies wird auch mit dem Begriff ”Pressabschrecken” bezeichnet.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Legierung nach dem Warmextrudieren zunächst abkühlen. Die Abkühlungsgeschwindigkeit ist hier nicht so wichtig. Die Abkühlung findet typischerweise in Luft statt. Danach wird die Legierung wärmebehandelt, indem sie für 0,5–3 Stunden in einem Temperaturbereich von 400–565°C gehalten wird. Das Ziel dieser Wärmebehandlung, die auch als Lösungswärmebehandlung bekannt ist, liegt unter anderen Dingen darin, das Si und Mg zu lösen. Diese Lösungswärmebehandlung findet bevorzugt für 0,5–1,5 Stunden in einem Temperaturbereich von 400–560°C statt. Unmittelbar nach der Lösungswärmebehandlung wird die Legierung bevorzugt auf unter 100°C abgekühlt, bevorzugt mittels Abschrecken in Wasser, um eine unkontrollierte Ausfällung zu minimieren.
  • In einem folgenden Schritt wird das Material auf das gewünschte Niveau mechanischer und physikalischer Eigenschaften gealtert. Der Alterungsschritt kann mittels natürlicher Alterung oder künstlicher Alterung durch Glühen bei 6–30 Stunden in einem Temperaturbereich von 130–180°C durchgeführt werden. Dieses Glühen findet bevorzugt für 8–12 Stunden in einem Temperaturbereich von 160–180°C statt, wonach die Abkühlung auf Raumtemperatur über Abkühlung an der Luft statt findet.
  • Nach dem vollständigen Wärmebehandlungszyklus kann das Material zu Produkten vieler Arten verarbeitet werden. Die Aluminiumlegierung ist bevorzugt zur Anwendung bei Bauteilen geeignet, die unter anderen Dingen eine starke Fähigkeit zur Absorption kinetischer Energie durch plastische Verformung erfordern, wie Bauteile, die zur Anwendung bei Eisenbahnfahrzeugen geeignet sind. Die Aluminiumlegierung ist ferner dazu geeignet, bei geschweißten Konstruktionen, insbesondere bei Fahrzeugkonstruktionen verwendet zu werden. Ferner ist die Aluminiumlegierung dazu geeignet, bei hydrogeformten Strukturen verwendet zu werden.
  • Die Erfindung wird nun durch einige Beispiele veranschaulicht, die den Umfang der Erfindung nicht einschränken.
  • Beispiele
  • Tabelle 1 listet die chemischen Zusammensetzungen einiger Vergleichsmaterialien (Legierungen 1–4) und einer Legierung auf, die in den Umfang der Erfindung fällt (Legierung 5).
  • Diese Legierungen wurden durch folgende Schritte verarbeitet:
    • (i) DC-Gießen von Extrusionsknüppeln mit einem Durchmesser von 344 mm;
    • (ii) Homogenisierung, vgl. Tabelle 2;
    • (iii) Extrusion bei 480°C;
    • (iv) Pressabschreckung;
    • (v) Altern für 9 Stunden bei 160°C.
  • Tabelle 2 listet die für jede Legierung angewandte Homogenisierungsbehandlung auf. Die Knüppel wurden zu folgenden Formen extrudiert:
    • (a) T-förmiges Profil mit einer Wanddicke von 20 mm;
    • (b) Mehrfachhohlprofil mit Wanddicken zwischen 2,5 und 4,0 mm.
  • Alle Ergebnisse (Mikrostrukturen, mechanische Eigenschaften) am vorderen Ende, in der Mitte und am hinteren Ende an jedem untersuchten Produkt jedes Legierungstyps zeigten in der Extrusionsrichtung nur sehr geringe Variationen, und deshalb war eine weitere Differenzierung innerhalb einer Variante nicht erforderlich. Die folgenden Ergebnisse sind in jedem Fall durchgehend Mittelwerte aus den verschiedenen Teilen des Materials.
  • Die Mikrostruktur in dem T-förmigen, dickwandigen Extrusionsprodukt (a) zeigte im Falle von Legierung 1 ein nicht rekristallisiertes Zentrum und eine Schicht von groben Körnern mit einem Durchmesser von etwa 1 mm an der Oberfläche. Die Legierung 4 zeigte ein nicht rekristallisiertes Zentrum und eine Schicht mit einer Dicke von 3–4 mm von groben Körnern nahe an der Oberfläche. Die Legierung 5 zeigte über den gesamten Querschnitt des Produkts eine voll rekristallisierte Mikrostruktur mit gleichmäßigen feinen Körnern. Die Mikrostruktur von Legierung 2 war sehr ähnlich der Mikrostruktur von Legierung 4. Das gleiche galt für die Legierung 3 und Legierung 5.
  • Die Mikrostruktur in dem Mehrfachhohlprofil (b) zeigte im Falle der Legierung 1 eine Kombination von kleinen und groben Körnern und auch einige nicht rekristallisierte Abschnitte. Die Legierung 4 zeigte eine voll rekristallisierte Mikrostruktur und große Unterschiede in der Korngröße. Die Legierung 5 zeigte eine voll rekristallisierte Mikrostruktur und eine gleichmäßigere Korngröße als bei Legierung 4. Die Mikrostruktur von Legierung 2 war sehr ähnlich der Mikrostruktur von Legierung 4. Das gleiche galt far die Legierung 3 und Legierung 5.
  • Tabelle 3 listet die Ergebnisse des Testens auf mechanische Eigenschaften auf, wo Rm die Zerreißbeanspruchung ist, Rp 0,2 die 0,2% Dehngrenze ist und A die Bruchdehnung ist (A5 nach deutschen Standards).
  • Aus Tabelle 3 ist zu ersehen, dass eine Erhöhung des Mn-Gehalts auf über 0,15% einen signifikanten Effekt auf die Duktilität des extrudierten Produkts hat. Für die T-förmigen, dickwandigen Strangpressprofile ist zu erwähnen, dass die Proben für das Zugtesten aus dem Zentrum der Profile (Proben mit einem Durchmesser von 10 mm) genommen wurden und deshalb im Falle von Legierungen 1, 2 und 4 eine Verbesserung der Zugeigenschaften aufgrund der nicht rekristallisierten Teile zeigen, die im Zentrum anwesend sind. Allerdings muss bedacht werden, dass die mechanischen Werte signifikante Unterschiede in Dickenrichtung über die Form zeigen. Die Werte im zentralen Teil – wie in der Tabelle dargestellt – sind ziemlich hoch für die Legierungen 1, 2 und 4. Dies liegt an dem positiven Effekt, dass die nicht rekristallisierten Zonen getestet wurden. Die Eigenschaften nahe an der Oberfläche in den rekristallisierten Teilen sind in diesen Fällen deutlich schlechter. Die Legierungen 3 und 5 als voll rekristallisierte Strangpressprofile zeigen das beständigste Verhalten.
  • Die Tabelle 4 listet die mechanischen Eigenschaften der extrudierten Profile nach dem Schweißen unter Verwendung einer vollautomatischen MIG-Vorrichtung und eines Schweißdrahts aus AlMg4, 5MnZr mit einer Dicke von 1,6 mm auf. Die T-förmigen Profile (a) haben 6 Schichten, und die Schweißraupenüberfüllung wurde vor dem Testen entfernt. Die Mehrfachhohlprofile (b) haben 1 Schicht (bei einer Wanddicke von 4 mm), und die Schweißraupe wurde vor dem Testen nicht entfernt. In allen Fällen wurden die Risse während des Zugtestens in der von Wärme affizierten Zone beobachtet.
  • Die Schweißkonstruktionen zeigten das normale Verhalten, was die Bildung von Korngrenzöffnungen angeht. Die Menge und Größe von Korngrenzöffnungen hängen stark von der Korngröße des Muttermaterials ab. Die Legierung 5 als die Variante mit der kleineren und gleichmäßigsten Korngröße zeigte die besten Eigenschaften, gefolgt von Legierung 4. Die Legierung 1 – nämlich im Falle des Mehrfachhohlprofils – zeigte eine signifikante Tendenz zur Bildung von Korngrenzöffnungen. Tabelle 1
    Leg. Erf. Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn V Ti Mn/Fe
    1 nein 0,63 0,24 0,09 0,10 0,64 0,05 0,06 - < 0,1 0,41
    2 nein 0,58 0,23 0,13 0,02 0,58 0,05 0,04 0,09 < 0,1 0,08
    3 nein 0,58 0,23 0,13 0,02 0,58 0,05 0,04 0,09 < 0,1 0,08
    4 nein 0,58 0,23 0,13 0,18 0,57 0,05 0,04 0,09 < 0,1 0,78
    5 ja 0,58 0,23 0,13 0,18 0,57 0,05 0,04 0,09 < 0,1 0,78
    Tabelle 2
    Legierung Homogenisierung
    1 10 Stunden bei 565°C
    2 10 Stunden bei 565°C
    3 10 Stunden bei 600°C
    4 10 Stunden bei 565°C
    5 10 Stunden bei 600°C
    Tabelle 3
    T-förmiges Profil Mehrfachhohlprofil
    Legierung Rm [Mpa] Rp 0,2 [Mpa] A [%] Rm [Mpa] Rp 0,2 [Mpa] A [%]
    1 335 302 17 277 251 7
    2 329 296 17 284 247 10
    3 289 256 18 287 250 10
    4 322 287 17 280 243 11
    5 278 244 19 279 241 11
    Tabelle 4
    T-förmiges Profil Mehrfachhohlprofil
    Legierung Rm [Mpa] Rp 0,2 [Mpa] A [%] Rm [Mpa] Rp 0,2 [Mpa] A [%]
    1 228 162 4,5 164 130 3,5
    4 215 153 4,0 168 129 3,9
    5 211 150 5,1 201 142 4,5

Claims (6)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Produkts aus einer Al-Mg-Si-Legierung, die zur Herstellung von Bauteilen mit hoher Duktilität geeignet ist, wobei die Legierung in Gew.-% folgendes enthält: Mg 0,3–1,0 Si 0,3–1,2 Fe max. 0,35 Mn > 0,15–0,4 V 0,05–0,20 Cu max. 0,3 Cr max. 0,2 Zn max. 0,2 Ti max. 0,1,
    und wobei das Verhältnis Mn/Fe in einem Bereich von 0,67 bis 1,0 liegt, Verunreinigungen jeweils max. 0,05%, gesamt max. 0,15%, Rest Aluminium, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: (a) die Legierung wird zu Barren gegossen; (b) der gegossene Barren wird homogenisiert; (c) der homogenisierte Barren wird zu einem Produkt warmbearbeitet; (d) das Produkt wird gealtert, und wobei das Homogenisieren umfasst, dass der gegossene Barren für 8–20 Stunden in einem Temperaturbereich von 580°C bis knapp unter der Schmelztemperatur der Legierung gehalten wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Warmbearbeitung Strangpressen umfasst.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Homogenisieren umfasst, dass der gegossene Barren für 8–16 Stunden in einem Temperaturbereich von 590–605°C gehalten wird.
  4. Verwendung eines Bauteils, das aus einer Al-Mg-Si-Legierung hergestellt wurde, das nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 erhalten wurde, in einem Eisenbahnfahrzeug.
  5. Geschweißte Struktur, die wenigstens eine geschweißte Platte oder ein Strangpressprofil aus einer Al-Mg-Si-Legierung aufweist, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellt wurde.
  6. Hydrogeformte Struktur, die ein Bauteil aufweist, das aus einer Al-Mg-Si-Legierung hergestellt wurde, die durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3 erhalten wurde.
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