EP0808911A1 - Bauteil - Google Patents

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EP0808911A1
EP0808911A1 EP96810325A EP96810325A EP0808911A1 EP 0808911 A1 EP0808911 A1 EP 0808911A1 EP 96810325 A EP96810325 A EP 96810325A EP 96810325 A EP96810325 A EP 96810325A EP 0808911 A1 EP0808911 A1 EP 0808911A1
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EP
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max
alloy
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component
vanadium
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Pius Schwellinger
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Lonza Services Ltd
Alusuisse Technology and Management Ltd
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    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22F1/04Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with silicon as the next major constituent
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C22METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22FCHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
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    • C22F1/04Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/05Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions

Definitions

  • the invention relates to a component made of an alloy of the AlMgSi type, with a high absorption capacity for kinetic energy through plastic deformation.
  • the aluminum materials that are processed into crash elements today include standard alloys from AlMgSi. Although alloys of this type have good preconditions for energy-absorbing parts compared to other alloy systems such as AlZnMg in terms of their elongation and formability, a further optimization of the properties is desirable.
  • the invention is therefore based on the object, suitable To provide materials with particularly good deformability and good mechanical properties of the component.
  • the alloy in% by weight silicon 0.3 to 1.6 magnesium 0.3 to 1.3 iron Max. 0.5 copper Max. 0.9 manganese Max. 0.5 Vanadium 0.05 to 0.3 cobalt Max. 0.3 chrome Max. 0.3 nickel Max. 0.8 Zircon Max. 0.3 as well as further alloy elements individually max. 0.05, total max. 0.15 and aluminum as the rest.
  • vanadium according to the invention leads to a fine-grained structure with excellent deformation properties and good elongation even in the transverse direction.
  • the alloy has 0.08 to 0.13% by weight of vanadium and also contains 0.05 to 0.15% by weight of manganese.
  • alloy composition according to the invention for the production of components with high energy absorption capacity leads to a favorable microstructure of the component structure.
  • An important feature of the microstructure that improves the deformation properties is the smallest possible grain size. This is achieved with the alloy composition according to the invention.
  • a component with particularly good properties with regard to energy absorption with good strength values can be achieved by a special heat treatment. This consists in the generation of an aged or partially hardened state of the alloy, i.e. the alloy is not hardened to maximum strength.
  • the aged condition is produced by annealing in the range between 120 and 170 ° C, the annealing time being in the range between 4 and 16 h.
  • the desired degree of underaging can be determined using a simple series of experiments.
  • the components according to the invention are extruded profiles.
  • components are also conceivable which, starting from an extruded profile as a preform, are finished by hydroforming.
  • the component can also be a forged part.
  • a preferred use of the component according to the invention is seen as a safety part in vehicle construction.
  • the alloy A according to the invention has a significantly lower grain coarsening compared to the comparative alloy B in annealing operations such as, for example, intermediate annealing shows.

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Abstract

Eine zur Herstellung von Bauteilen mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung geeignete Legierung enthält in Gew.-% Silizium, 0,3 bis 1,6; Magnesium, 0,3 bis 1,3; Eisen, max. 0,5; Kupfer, max. 0,9; Mangan, max. 0,5; Vanadium, 0,05 bis 0,3; Kobalt, max. 0,3; Chrom, max. 0,3; Nickel, max. 0,8; Zirkon, max. 0,3 sowie weitere Legierungselemente einzeln max. 0,05, insgesamt max. 0,15 und Aluminium als Rest. Aus der Legierung hergestellte Bauteile sind als Sicherheitsteile im Fahrzeugbau geeignet.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einer Legierung vom Typ AlMgSi, mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung.
  • Hersteller von Strassen- und Schienenfahrzeugen gehen immer mehr dazu über, spezielle Bauelemente oder sogar ganze Baugruppen des Fahrzeugs so zu dimensionieren, dass diese bei einem Zusammenstoss möglichst viel Energie absorbieren, um damit das Verletzungsrisiko der Passagiere zu verringern. Neben der speziellen Auslegung und Bauweise dieser sogenannten Crashelemente ist der hierzu eingesetzte Werkstoff von grosser Bedeutung. Er soll vor einem Bruch möglichst viel Energie durch plastische Verformung aufnehmen können. Wichtige Werkstoffmerkmale sind daher eine hohe Dehnung sowie ein niedriges Verhältnis von Rp0.2/Rm (Streckgrenze/Zugfestigkeit). Bei Strangpressprofilen ist zudem eine gute Dehnung auch in Querrichtung von grosser Bedeutung.
  • Zu beachten sind auch die Anforderungen an das fertige Bauteil. Von der Konstruktion her können beispielsweise ein bestimmtes Festigkeitsniveau, bestimmte Mindestwerte der Dehnung, Korrosionsbeständigkeit oder andere wesentliche Kennwerte vorgegeben werden.
  • Zu den Aluminiumwerkstoffen, die heute zu Crashelementen verarbeitet werden, gehören insbesondere Standardlegierungen vom AlMgSi. Obschon Legierungen dieses Typs gegenüber andern Legierungssystemen wie beispielsweise AlZnMg hinsichtlich ihrer Dehnung und Umformbarkeit gute Voraussetzungen für Energie absorbierende Teile mitbringen, ist eine weitere Optimierung der Eigenschaften wünschenswert.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, geeignete Werkstoffe mit besonders guter Verformbarkeit bei guten mechanischen Eigenschaften des Bauteils bereitzustellen.
  • Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Legierung in Gew.-%
    Silizium 0,3 bis 1,6
    Magnesium 0,3 bis 1,3
    Eisen max. 0,5
    Kupfer max. 0,9
    Mangan max. 0,5
    Vanadium 0,05 bis 0,3
    Kobalt max. 0,3
    Chrom max. 0,3
    Nickel max. 0,8
    Zirkon max. 0,3
    sowie weitere Legierungselemente einzeln max. 0,05, insgesamt max. 0,15 und Aluminium als Rest enthält.
  • Die erfindungsgemässe Zugabe von Vanadium zu Legierungen des Typs AlMgSi führt zu einem feinkörnigen Gefüge mit ausgezeichneten Verformungseigenschaften und guter Dehnung auch in Querrichtung.
  • Bei einer bevorzugten Zusammensetzung weist die Legierung 0,08 bis 0,13 Gew.-% Vanadium auf und enthält zudem 0,05 bis 0,15 Gew.-% Mangan.
  • Die Verwendung der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung zur Herstellung von Bauteilen mit hohem Energieabsorptionsvermögen führt zu einer günstigen Mikrostruktur des Bauteilgefüges. Ein wichtiges Merkmal der Mikrostruktur, das die Verformungseigenschaften verbessert, ist eine möglichst niedrige Korngrösse. Dies wird mit der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung erreicht.
  • Ein Bauteil mit besonders guten Eigenschaften bezüglich Energieabsorption bei gleichzeitig guten Festigkeitswerten kann durch eine spezielle Wärmebehandlung erreicht werden. Diese besteht in der Erzeugung eines unteralterten oder teilausgehärteten Zustandes der Legierung, d.h. die Legierung wird nicht auf maximale Festigkeit ausgehärtet. Der unteralterte Zustand wird durch eine Glühung im Bereich zwischen 120 und 170°C hergestellt, wobei die Glühdauer im Bereich zwischen 4 und 16 h liegt. Der gewünschte Grad der Unteralterung kann anhand einer einfachen Versuchsreihe festgelegt werden.
  • Die erfindungsgemässen Bauteile sind im einfachsten Fall Strangpressprofile. Denkbar sind jedoch auch Bauteile, die, ausgegehend von einem stranggepressten Profil als Vorform, durch Innenhochdruckumformen endgefertigt sind. Nach einer weiteren Variante der Erfindung kann das Bauteil auch ein Schmiedeteil sein.
  • Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemässen Bauteils wird als Sicherheitsteil im Fahrzeugbau gesehen.
  • Die Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäss eingesetzten Legierungen sowie der speziellen Wärmebehandlung der Unteralterung ergibt sich aus der nachfolgenden Gegenüberstellung einer Legierung mit erfindungsgemässer Zusammensetzung und einer Vergleichslegierung (Beispiel 1) sowie aus den mechanischen Festigkeitswerten einer erfindungsgemässen Legierung im unteralterten Zustand (Beispiel 2).
  • Beispiel 1
  • Eine Legierung A mit erfindungsgemässer Zusammensetzung und eine Vergleichslegierung B wurden unter gleichen Bedingungen zu Flachprofilen verpresst.
    Leg. Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn V Zr
    A .74 .20 .21 .08 .78 .005 .005 .10 .001
    B .71 .22 .19 .08 .77 .005 .007 .004 .16
  • Die Flachprofile wurden zu Zugproben für eine Prüfung quer zur Pressrichtung weiterverarbeitet. An den einer identischen Wärmebehandlung unterzogenen Zugproben wurden die nachstehend zusammengestellten mechanischen Eigenschaften in Querrichtung gemessen.
    Leg. Rp0.2 [MPa] Rm [MPa] Ag [%] A5 [%]
    A 294 360 13.7 20.2
    B 291 359 12.7 18.0
  • Hierbei bedeuten:
  • Rp0.2
    Streckgrenze
    Rm
    Zugfestigkeit
    A5, Ag
    Bruchdehnung
  • Weitere Untersuchungen zur Korngrösse haben gezeigt, dass die erfindungsgemässe Legierung A gegenüber der Vergleichslegierung B bei Glühoperationen wie beispielsweise einer Zwischenglühung eine wesentlich geringere Kornvergröberung zeigt.
  • Beispiel 2
  • Zugproben der Legierung A von Beispiel 1 wurden durch eine Wärmebehandlung während 8 h bei 140°C in einen unteralterten Zustand überführt. An diesem teilausgehärteten Material wurden die folgenden mechanischen Eigenschaften gemessen.
    Leg./Zustand Rm [MPa] Rp0.2 [MPa] A5 [%]
    A / 140°C 8h 255 165 23

Claims (8)

  1. Bauteil mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Legierung in Gew.-% Silizium 0,3 bis 1,6 Magnesium 0,3 bis 1,3 Eisen max. 0,5 Kupfer max. 0,9 Mangan max. 0,5 Vanadium 0,05 bis 0,3 Kobalt max. 0,3 Chrom max. 0,3 Nickel max. 0,8 Zirkon max. 0,3
    sowie weitere Legierungselemente einzeln max. 0,05, insgesamt max. 0,15 und Aluminium als Rest enthält.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,05 bis 0,15 Gew.-% Mangan enthält.
  3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,08 bis 0,13 Gew.-% Vanadium enthält.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach einer Wärmebehandlung während 4 bis 16 h bei 120 bis 170°C im unteralterten Zustand vorliegt.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es als Profil durch Strangpressen hergestellt ist.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Innenhochdruckumformen aus einem stranggepressten Profil hergestellt ist.
  7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Schmieden hergestellt ist.
  8. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Sicherheitsteil im Fahrzeugbau.
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