EP0902842B1 - Bauteil - Google Patents

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EP0902842B1
EP0902842B1 EP97920475A EP97920475A EP0902842B1 EP 0902842 B1 EP0902842 B1 EP 0902842B1 EP 97920475 A EP97920475 A EP 97920475A EP 97920475 A EP97920475 A EP 97920475A EP 0902842 B1 EP0902842 B1 EP 0902842B1
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EP
European Patent Office
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component according
alloy
max
weight
alloy contains
Prior art date
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EP97920475A
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EP0902842B2 (de
EP0902842A1 (de
Inventor
Pius Schwellinger
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Technology and Management Ltd
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Publication date
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Publication of EP0902842B2 publication Critical patent/EP0902842B2/de
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—Changing 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
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/05—Changing 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 according to the preamble of claim 1.
  • Crash behavior is increasingly important in vehicle construction Aspect. This applies to road traffic as well as to rail transport.
  • the requirements for the finished component must also be observed.
  • the construction can be, for example certain strength level, certain minimum values of Elongation, corrosion resistance or other essential Characteristic values must be specified.
  • the alloy AA6005A currently used in wagon construction brings with it a number of problems in manufacturing, related to the tendency to recrystallize grainy.
  • With a coarse grain structure it is difficult to comply with the prescribed bending radii, which reduces the inclination to form grain boundary openings during welding is reinforced. This leads to a high number of non-conformities at the production. If you want to avoid this, you have to be produced so that the profile cross section predominantly Has fiber structure. This is currently only with one Alloy composition possible, which leads to higher pressing forces and significantly lower press speeds leads. However, this must result in major productivity losses in Purchase.
  • An alloy according to one of the features of claim 1 is in the DE-A-32 43 371 and disclosed in US-A-5 527 404. From aluminum pocket book (1983), pp. 141-143 is the course of the Hot curing at AlMgSi, known.
  • the invention has for its object a material with particularly good ductility with good mechanical To provide properties of the component.
  • the material is a comparable with the alloy AA6005A or have a lower strength level, but a higher one Ensure manufacturing reliability and higher productivity.
  • a component with the features of claim 1 leads to the achievement of the object according to the invention.
  • the alloy used is in terms of strength and stretch much less sensitive to quench than that Alloy AA6005A, and occurs even with wall thicknesses of 6 mm still a fine grain throughout. So that's it Alloy basically for use with large profiles suitable.
  • the content limits for silicon and magnesium in% by weight are preferably set as follows: silicon 0.45 to 0.75, in particular 0.55 to 0.65 magnesium 0.45 to 0.65, in particular 0.50 to 0.60
  • silicon 0.45 to 0.60 In particular 0.45 to 0.55 magnesium 0.40 to 0.60, especially 0.45 to 0.55
  • 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.
  • the to improve the deformation properties The smallest possible grain size is achieved with the one according to the invention Alloy composition reached.
  • the special heat treatment gives the component particularly good properties Energy absorption with good strength values.
  • This first heat treatment consists in the generation of the aged or partially cured state T64, i.e. the alloy is not cured to maximum strength.
  • the Aged condition can be caused by a glow in the area between 120 and 170 ° C are produced, the annealing time in the range is between 4 and 16 h.
  • the desired degree of aging can be determined using a simple series of experiments become.
  • the second heat treatment in particular in the automotive industry also with paint baking can be combined consists in the generation of the outdated condition, T72, which is caused by a glow between and reached 230 ° C during an annealing period of 1 to 5 hours can be.
  • the components according to the invention are in the simplest case Extruded profiles. However, components are also conceivable that starting from an extruded profile as a preform, are finished by hydroforming. After a Another variant of the invention can also be a component Be a forged part.
  • a preferred use of the component according to the invention is seen as a safety part in vehicle construction.
  • the characteristic values of the tensile test can fluctuate depending on the precise analysis, degree of deformation, profile thickness and cooling conditions.
  • the following minimum values have been established based on previous experience: Profile thickness range 2 - 4 mm 4 - 8 mm Rp0.2 Rm A5 Rp0 Rm A5 [MPa] [MPa] [%] [MPa] [MPa] [%] Basic material 230 275 10 230 270 8th Butt joint (MIG) 120 180 .. 115 165 ..
  • the typical yield strength values are around 240 MPa the strength in the basic material lengthways around 290 MPa, the strains A5 by 12%. In the transverse direction are the yield strength and strength about the same height. A5 drops to 6%.
  • Cross samples were determined by profile and sample shape Press seams included. In no case was a break in the immediate Proximity of the press seam determined what on the due to the high degree of deformation particularly fine grain in the Press seam area is attributable. The hardness is in the range from 94 to 105 HB.
  • the characteristics of the welded joint apply to MIG machine welds. Differentiate in the specified thickness range the characteristic values when using SG-AlMg4, 5Mn-, SG-AlMg5- and SG-AlSi5 filler materials only a little. Error, such as edge misalignment, which is related to the problems with Welding can be attributed to large profiles the results stronger.
  • the typical values of the processed Weld connections are 130 for Rp0.2 MPa, for Rm at 210 MPa and for A100 at 4%. These are at one test was achieved about 30 days after welding. Cold curing in the heat affected zone is after not yet completed this time. In an exam after around 90 days there will be a further increase in Rp0.2 by around 10 MPa was found, while the strength only slightly increases, and the elongation within the measurement accuracy remains constant.
  • N 10 4 > 10 7 ⁇ ⁇ [MPa] [MPa] Basic material (lengthways) 110 Butt joint (MIG) 90 45 with raised seams 95 55 without night cant
  • the value for the base material was on 3 mm thick sections determined. Under comparable conditions, for AA6005A generally reaches values ⁇ 100 MPa. The values of Welded joints were determined on 4 mm thick samples.
  • the typical values of strength in the basic material lengthways are at 255 MPa, the strains A5 by 22%. In the transverse direction the strength drops slightly to 250 MPa. A5 falls to 12% from. Press seams are included in all tested cross samples. In no case was a break in the immediate vicinity of the Press seam determined. The hardness is in the range from 74 to 85 HB.
  • the typical values of the welded joint processed are 130 MPa for Rp0.2, 210 MPa for Rm and A100 at 10%. Such a high elongation is exceptional. This has a very favorable effect in the event of a crash. Also be here even higher after about 90 days of storage at room temperature Rp0.2 values reached.
  • Position 1 is entirely in the weld metal, position 5 in the unaffected basic material.
  • the behavior in the event of a crash essentially depends on the material properties, shape and dimension of the crash element used.
  • a first requirement for the suitability of a material in a certain shape and dimension is folding without premature breakage.
  • Sections of pipes or hollow sections of rectangular cross-section that are compressed are used to test the crash behavior.
  • Alloys A, B and C were compared in a first series of experiments, and alloys B, D and E in a second series of experiments with the compositions below.
  • Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn V Ti A 0.45 0.21 0.02 0.02 0.43 - 0.03 - 0.02 B 0.54 0.21 - 0.08 0.59 - - - 0.01 C.
  • D 0.52 0.21 - 0.08 0.57 - - 0.09 0.01 E 0.51 0.21 0.11 0.06 0.49 - - 0.10 0.01
  • Alloys D and E have the highest values of the absorbed Energy related to the mass of the crash element.
  • the alloy recrystallizes fine-grained when pressed, with a remnant of a deformation structure in the grains remains. This is the main foundation for the below many aspects better properties compared to the alloy AA6005A.
  • the fine-grained recrystallization requires a sufficient degree of deformation in relation to time.
  • the alloy according to the invention is easy to weld. At Butt joints from profile sections, from large profiles worked out and welded with SG-AlMg4.5Mn filler material are never significant for wall thicknesses up to 6 mm Grain boundary openings have been observed.
  • the alloy according to the invention is well suited for the Use in vehicle construction.
  • the for the basic material and the Welded connection required characteristic values of the tensile test will be reached safely.
  • the alloy is for small and for large profiles can be used in the same way. It is for Crash elements and for components that are formed by hydroforming are produced, equally suitable.
  • the production security is due to the lower quench sensitivity and fine-grained recrystallization the alloy according to the invention much better than for the alloy AA6005A.
  • the pressing speed can be compared to AA6005A in general be increased by more than 50%.
  • the alloy according to the invention has proven to be one Alloy with a good combination of properties of strength, Elongation, weldability and production security proven.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Bauteil nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Das Crash-Verhalten ist im Fahrzeugbau ein zunehmend wichtiger Aspekt. Dies gilt für den Strassenverkehr ebenso wie für den Schienenverkehr.
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 konstruktiven Gestaltung dieser sogenannten Crash-Elemente sind die mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe und Fügezonen von ausschlaggebender Bedeutung. Angestrebt wird eine möglichst grosse Absorption von Energie vor dem Bruch. Dies kann durch ein niedriges Verhältnis von Streckgrenze zu Festigkeit erreicht werden. Ein wichtiges Werkstoffmerkmal ist auch eine hohe Dehnung. Fügezonen, wie die Schweissnaht, sollten sich in ihren mechanischen Eigenschaften möglichst wenig vom Grundmaterial unterscheiden. 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 sein.
Zu den Aluminiumwerkstoffen, die heute zu Crash-Elementen verarbeitet werden, gehören insbesondere Standardlegierungen vom Typ 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.
Die zur Zeit im Waggonbau eingesetzte Legierung AA6005A bringt in der Fertigung eine Reihe von Problemen mit sich, die mit der Neigung, grobkörnig zu rekristallisieren, zusammenhängen. Bei grober Kornstruktur ist es schwierig, die vorgeschriebenen Biegeradien einzuhalten, wodurch die Neigung zur Bildung von Korngrenzenöffnungen beim Schweissen verstärkt wird. Dies führt zu einer hohen Zahl von Nonkonformitäten bei der Produktion. Will man dies vermeiden, so muss so produziert werden, dass der Profilquerschnitt überwiegend Fasergefüge aufweist. Dies ist derzeit nur mit einer Legierungszusammensetzung möglich, die zu höheren Presskräften und deutlich niedrigeren Pressgeschwindigkeiten führt. Damit müssen aber grosse Produktivitätsverluste in Kauf genommen werden.
Im Automobilbau als Sicherheitsteile eingesetzte Bauteile müssen oft nicht die beim Waggonbau vorgeschriebenen hohen Festigkeitswerte erreichen. Andererseits weisen die beim Automobilbau eingesetzten stranggepressten Bauteile oft Profilwandstärken in der Grössenordnung von 1mm oder sogar weniger auf. Diese geringen Wandstärken können aus Legierungen mit zu hoher Festigkeit nicht oder nicht mehr wirtschaftlich verpresst werden.
Eine Legierung nach einem der Merkmale von Anspruch 1 ist in der DE-A- 32 43 371 und in der US-A-5 527 404 offenbart. Aus Aluminium -Taschenbuch (1983), S. 141-143 ist der Verlauf der Warmaushärtung bei AlMgSi, bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Werkstoff mit besonders guter Verformbarkeit bei guten mechanischen Eigenschaften des Bauteils bereitzustellen. Der Werkstoff soll ein mit der Legierung AA6005A vergleichbares oder geringeres Festigkeitsniveau aufweisen, jedoch eine höhere Fertigungssicherheit und eine höhere Produktivität gewährleisten.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt ein Bauteil mit den Merkmalen von Anspruch 1.
Die eingesetzte Legierung ist in Bezug auf Festigkeit und Dehnung wesentlich weniger abschreckempfindlich als die Legierung AA6005A, und schon bei Wanddicken von 6 mm tritt immer noch durchgehend ein feines Korn auf. Damit ist die Legierung grundsätzlich für den Einsatz bei Grossprofilen geeignet.
Für Bauteile mit hohen Festigkeitsanforderungen, wie sie beispielsweise im Waggonbau eingesetzt werden, werden die Gehaltsgrenzen für Silizium und Magnesium in Gew.-% bevorzugt wie folgt festgelegt:
Silizium 0.45 bis 0.75, insbesondere 0.55 bis 0.65
Magnesium 0.45 bis 0.65, insbesondere 0.50 bis 0.60
Für Bauteile mit geringeren Anforderungen an die Festigkeit, wie sie beispielsweise im Automobilbau als stranggepresste Profile mit teilweise geringen Wandstärken von 1mm oder weniger eingesetzt werden, gelten bevorzugt die folgenden Gehaltsbereicht in Gew. -% für Silizium und Magnesium:
Silizium 0.45 bis 0.60, insbesondere 0.45 bis 0.55
Magnesium 0.40 bis 0.60, insbesondere 0.45 bis 0.55
Für die neben Silizium und Magnesium in der erfindungsgemässen Legierung weiter enthaltenen Elemente gelten die folgenden Vorzugsbereiche in Gew.-%:
Eisen 0.18 bis 0.25
Kupfer 0.08 bis 0.16
Mangan 0.05 bis 0.10
Vanadium 0.06 bis 0.15
Chrom max. 0.08, vorzugsweise max. 0.01
Titan max. 0.05
Die Verwendung der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung zur Herstellung von Bauteilen mit hohem Energieabsorptionsvermögen führt zu einer günstigen Mikrostruktur des Bauteilgefüges. Die zur Verbesserung der Verformungseigenschaften möglichst geringe Korngrösse wird mit der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung erreicht.
Die spezielle Wärmebehandlung verheiht dem Bauteil besonders gute Eigenschaften bezüglich Energieabsorption bei gleichzeitig guten Festigkeitswerten. Diese erste Wärmebehandlung besteht in der Erzeugung des unteralterten oder teilausgehärteten Zustandes T64, d.h. die Legierung wird nicht auf maximale Festigkeit ausgehärtet. Der unteralterte Zustand kann durch eine Glühung im Bereich zwischen 120 und 170°C hergestellt werden, wobei die Glühdauer im Bereich zwischen 4 und 16 h liegt. Der gewünschte Grad der Unteralterung kann anhand einer einfachen Versuchsreihe festgelegt werden.
Die zweite Wärmebehandlung, die insbesondere in der Automobilindustrie auch mit einer Lackeinbrennung kombiniert werden kann, besteht in der Erzeugung des überalterten Zustande, T72, der durch eine Glühung zwischen 190 und 230°C während einer Glühdauer von 1 bis 5 Stunden erreicht werden kann.
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 Vorteile der erfindungsgemäss zur Herstellung von Crash-Elementen eingesetzten Legierungen sowie der speziellen Wärmebehandlungen der Unteralterung oder Ueberalterung werden durch die nachfolgende Darlegung von Versuchsergebnissen weiter untermauert.
Pressversuche mit der erfindungsgemässen Legierung mit hohem Festigkeitsniveau (Legierung C, siehe unten) haben gezeigt, dass die Pressgeschwindigkeit im Vergleich zu AA6005A deutlich erhöht werden kann. Bei einem Betriebsversuch mit einer presstechnisch schwierigen Bodenplatte für einen Eisenbahnwaggon konnte die Pressgeschwindigkeit beispielsweise um 70% gesteigert werden, ohne dass die Legierung Kantenrisse zeigte, wobei die Begrenzung durch die maximal zulässige Presskraft der Presse gegeben war. Eine durchschnittliche Steigerung der Pressgeschwindigkeit von 50% mit der erfindungsgemässen Legierung im Vergleich zur Legierung AA6005A darf als realistisch angenommen werden.
Die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäss eingesetzten Legierungen wurden im Zugversuch sowie anhand von Ermüdungsprüfungen für die Wärmebehandlungszustände T6 (Vollaushärtung)und T64(Teilaushärtung)ermittelt.
Wärmebehandlungszustand T6
Dieser Zustand wird durch eine Auslagerung von 10 h bei 160°C eingestellt. Die Wärmebehandlungsdauer liegt noch unterhalb des Härtemaximums, das bei etwa 20 h bei 160°C erreicht wird.
Die Kennwerte des Zugversuchs können je nach genauer Analyse, Umformgrad, Profildicke und Abkühlbedingungen schwanken. Den bisherigen Erfahrungen entsprechend wurden folgende Mindestwerte festgelegt:
Profildickenbereich 2 - 4 mm 4 - 8 mm
Rp0.2 Rm A5 Rp0 Rm A5
[MPa] [MPa] [%] [MPa] [MPa] [%]
Grundmaterial 230 275 10 230 270 8
Stumpfstoss (MIG) 120 180 .. 115 165 ..
Die typischen Werte der Streckgrenze liegen um 240 MPa, die der Festigkeit im Grundmaterial längs um 290 MPa, die Dehnungen A5 um 12%. In Querrichtung sind Streckgrenze und Festigkeit etwa gleich hoch. A5 fällt auf 6% ab. Bei allen geprüften Querproben waren durch Profil- und Probenform bedingte Pressnähte enthalten. In keinem Fall wurde ein Bruch in unmittelbarer Nähe der Pressnaht festgestellt, was auf das infolge des hohen Umformgrades besonders feine Korn im Pressnahtbereich zurückzuführen ist. Die Härte liegt im Bereich von 94 bis 105 HB.
Die Kennwerte der Schweissverbindung gelten für MIG-Maschinenschweissungen. Im angegebenen Dickenbereich unterscheiden sich die Kennwerte bei Verwendung von SG-AlMg4, 5Mn-, SG-AlMg5- und SG-AlSi5-Zusatzwerkstoffen nur wenig. Fehler, wie beispielsweise Kantenversatz, die auf die Probleme beim Schweissen von Grossprofilen zurückzuführen sind, beeinflussen die Ergebnisse stärker. Die typischen Werte der abgearbeiteten Schweissverbindung liegen für Rp0.2 bei 130 MPa, für Rm bei 210 MPa und für A100 bei 4%. Diese werden bei einer Prüfung nach etwa 30 Tagen nach dem Schweissen erreicht. Die Kaltaushärtung in der Wärmeeinflusszone ist nach dieser Zeit noch nicht abgeschlossen. Bei einer Prüfung nach etwa 90 Tagen wird eine weitere Erhöhung von Rp0.2 um etwa 10 MPa festgestellt, während die Festigkeit sich nur geringfügig erhöht, und die Dehnung im Rahmen der Messgenauigkeit konstant bleibt.
Bei der Ermüdungsprüfung wurden die folgenden Werte ermittelt:
N = 104 > 107
Δδ Δδ
[MPa] [MPa]
Grundmaterial (längs) 110
Stumpfstoss (MIG) 90 45 mit Nahtüberhöhung
95 55 ohne Nachtüberhöhung
Der Wert für das Grundmaterial wurde an 3 mm dicken Abschnitten ermittelt. Bei vergleichbaren Bedingungen werden für AA6005A in der Regel Werte < 100 MPa erreicht. Die Werte der Schweissverbindung wurden an 4 mm dicken Proben ermittelt.
Wärmebehandlungszustand T64
Dieser Zustand wird durch eine Auslagerung von 8 h bei 140°C erreicht.
Als Kennwerte des Zugversuchs im teilausgehärteten Zustand T64 wurde zur Definition der Crash-Toleranz festgelegt:
Profildickenbereich 2 - 4 mm
Rp0.2 Rm A5
[MPa] [MPa] [%]
Grundmaterial 140 - 180 >220 >18
Stumpfstoss (MIG) >120 >180 >5(A100)
Die typischen Werte der Festigkeit im Grundmaterial längs liegen bei 255 MPa, die Dehnungen A5 um 22%. In Querrichtung fällt die Festigkeit leicht ab auf 250 MPa. A5 fällt auf 12% ab. Bei allen geprüften Querproben sind Pressnähte enthalten. In keinem Fall wurde ein Bruch in unmittelbarer Nähe der Pressnaht festgestellt. Die Härte liegt im Bereich von 74 bis 85 HB.
Die typischen Werte der abgearbeiteten Schweissverbindung liegen für Rp0.2 bei 130 MPa, für Rm bei 210 MPa und für A100 bei 10%. Eine so hohe Dehnung ist aussergewöhnlich. Dies wirkt sich im Crashfall sehr günstig aus. Auch hier werden nach etwa 90 Tagen Lagerung bei Raumtemperatur noch höhere Werte für Rp0.2 erreicht.
Zur Dokumentation der mechanischen Eigenschaften im Schweissnahtbereich wurden aus 6 mm dicken geschweissten Profilabschnitten parallel zur Schweissrichtung 2 mm dicke Zugproben in definierten Abständen (Positionen) von der Schweissnahtmitte herausgearbeitet und geprüft (je Position 4 Zugproben). Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Tabellen zusammengestellt.
Zugversuch parallel zur Schweissnaht in der Wärmeeinflusszone
SG-AlMg5-Zusatzwerkstoff
Position Rp0.2 Rm Ag A5
mm MPa MPa % %
1 0 108 214 17.2 20.9
2 9 117 221 21.3 27.7
3 15 118 181 15.5 22.7
4 27 136 210 16.4 21.3
5 84 159 245 17.4 19.5
Zugversuch parallel zur Schweissnaht in der Wärmeeinflusszone
SG-AlSi5-Zusatzwerkstoff
Position Rp0.2 Rm Ag A5
mm MPa MPa % %
1 0 106 205 14.7 16.2
2 9 111 195 20.7 25.7
3 15 140 207 17.0 22.1
4 27 154 238 19.6 21.9
5 84 159 240 17.3 18.6
Die Positionen sind in Abstand zur Mitte der Schweissnaht angegeben. Position 1 liegt ganz im Schweissgut, Position 5 im unbeeinflussten Grundmaterial.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Festigkeit innerhalb der Schweissnaht (Schweissgut und Wärmeeinflusszone) im Vergleich zum Grundmaterial relativ wenig abfällt, und dass im ganzen Bereich eine hohe Duktilität vorhanden ist.
Die Ermittlungsprüfungen haben zu folgendem Ergebnis geführt:
Ermüdung N = 104 > 107
Δδ Δδ
[MPa] [MPa]
Grundmaterial (längs) 95
Stumpfstoss (MIG) 85 45 mit Nahtüberhöhung
95 50 ohne Nachtüberhöhung
Die Ermüdungsprüfungen wurden an Profilen aus der gleichen Produktion wie beim Zustand T6 durchgeführt.
Die Streuung der mechanischen Kennwerte zwischen Stranganfang und -ende des stranggepressten Profils sind bei der erfindungsgemässen Legierung geringer als bei der Legierung AA6005A. Dies ist auf das gleichmässigere Gefüge und die geringere Abschreckempfindlichkeit zurückzuführen. Als Beispiel seien die Werte eines Betriebsversuchs über die Auspresslänge aufgeführt:
Zugversuch Grundmaterial 160°C 10 h längs
n = 6 Rp0.2 Rm Ag A5
Mittelwert 241 291 10.8 12.9
Standardabweichung 1.4 2.1 0.3 0.5
Minimum 239 288 10.4 12.3
Zugversuch Grundmaterial 140°C 8 h längs
n = 6 Rp0.2 Rm Ag A5
Mittelwert 165 255 18.6 23.3
Standardabweichung 0.5 0.3 0.4 0.4
Minimum 164 255 17.9 22.9
Crashverhalten
Das Verhalten im Crashfall hängt wesentlich von den Materialeigenschaften, von Gestalt und Dimension des verwendeten Crash-Elements ab. Eine erste Voraussetzung für die Eignung eines Werkstoffs in einer bestimmten Gestalt und Dimension ist eine Faltung ohne frühzeitigen Bruch. Zur Prüfung des Crashverhaltens dienen Abschnitte von Rohren oder von Hohlprofilen rechteckigen Querschnittes, die gestaucht werden. In einer ersten Versuchsreihe wurden die Legierungen A, B und C, in einer zweiten Versuchsreihe die Legierungen B, D und E mit den nachstehenden Zusammensetzungen verglichen.
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn V Ti
A 0.45 0.21 0.02 0.02 0.43 -- 0.03 -- 0.02
B 0.54 0.21 -- 0.08 0.59 -- -- -- 0.01
C 0.62 0.26 0.16 0.07 0.56 -- -- 0.10 0.01
D 0.52 0.21 -- 0.08 0.57 -- -- 0.09 0.01
E 0.51 0.21 0.11 0.06 0.49 -- -- 0.10 0.01
Bei den durchgeführten Stauchversuchen der ersten Versuchsreihe erreichte immer die erfindungsgemäss eingesetzte Legierung C die höchsten Werte der absorbierten Energie bezogen auf die Masse des Crash-Elementes. Bei dieser Legierung wurde auch im Zustand T64 und T6 bei einem dünnen Rohr noch eine Faltung ohne Bruch und eine höhere Energieabsorption als im Zustand T4 erreicht.
Bei den an rechteckförmigen Hohlprofilen mit einem Querschnitt von 56 x 65mm, einer Länge von 300mm sowie einer Dicke von 1mm durchgeführten Stauchversuchen der zweiten Versuchsreihe erreichten immer die erfindungsgemäss eingesetzten Legierungen D und E die höchsten Werte der absorbierten Energie bezogen auf die Masse des Crash-Elementes. In den angegebenen Beispielen wurde der Zustand T72 mit einer Wärmebehandlung von 5 Stunden bei 205°C, der Zustand T6 durch eine Glühung von 10 Stunden bei 160°C erreicht.
Die Ergebnisse der Stauchversuche der beiden Versuchsreihen sind in den nachstehenden Tabellen zusammengestellt.
Crash - Test an Rohrelementen
Leg. Zustand Durchm. Dicke Art der Absorbierte
Faltung Energie/Masse
[mm] [mm] [kJ/kg]
A T4 92 1.5 as 14.4
B T4 92 1.5 as 17.8
C T4 92 1.5 as 22.1
C T64 92 1.5 as 25
C T6 92 1.5 as 25.7
A T4 70 5 rs 52
B T4 70 5 rs 47
C T4 70 5 rs 58
Crash - Test an rechteckförmigen Hohlprofilelementen
Leg. Kühlung an der Presse Absorbierte Energie/Masse [kJ/kg]
T72 T6
B Gebläse 14.6 17.6
D Gebläse 19.0 18.8
E Gebläse 20.9 20.0
B Wassersprühung 19.1 16.8
D Wassersprühung 19.8 18.2
E Wassersprühung 21.6 18.2
Gefüge
Die Legierung rekristallisiert beim Pressen feinkörnig, wobei in den Körnern noch ein Rest einer Verformungsstruktur verbleibt. Dies ist die wichtigste Grundlage für die unter vielen Aspekten besseren Eigenschaften im Vergleich zur Legierung AA6005A. Die feinkörnige Rekristallisation erfordert einen ausreichenden Umformgrad bezogen auf die Zeit.
Schweissverhalten
Die erfindungsgemässe Legierung ist gut schweissbar. Bei Stumpfstössen aus Profilabschnitten, die aus Grossprofilen herausgearbeitet und mit SG-AlMg4,5Mn-Zusatzwerkstoff geschweisst wurden, sind bei Wanddicken bis 6 mm nie signifikante Korngrenzenöffnungen beobachtet worden.
Korrosion
Es wurden vergleichende Korrosionsuntersuchungen an Legierung B T6, AA6005A T6 und an der erfindungsgemässen Legierung C T6 und T64 durchgeführt. Ein RID-Test wurde am Grundmaterial, der Salzsprühtest an geschweissten Probenabschnitten durchgeführt. Beim RID-Test (24 h in einer Lösung von 3% NaCl + 0.5% HCl bei Raumtemperatur) zeigte sich eine klare Differenzierung: Angegriffen wurde die Legierung AA6005A bis etwa 250 µm Tiefe. Die übrigen Legierungen und Zustände zeigten nur vereinzelt Ansätze von interkristalliner Korrosion. Im Salzsprühtest nach DIN 50021 SS (5% NaCl-Lösung bei 35+/-2°C) zeigte sich nach 1000 h noch keine Differenzierung zwischen den Legierungen und Zuständen. Eine besondere Korrosionsanfälligkeit einer der Werkstoffe kann aus den durchgeführten Versuchen nicht abgeleitet werden.
Schlussfolgerungen
Die erfindungsgemässe Legierung ist gut geeignet für den Einsatz im Fahrzeugbau. Die für das Grundmaterial und die Schweissverbindung geforderten Kennwerte des Zugversuchs werden sicher erreicht. Die Legierung ist für kleine und für grosse Profile in gleicher Weise einsetzbar. Sie ist für Crash-Elemente und für Bauteile, die durch Innenhochdruckumformen hergestellt werden, gleichermassen geeignet.
Die Produktionssicherheit ist aufgrund der geringeren Abschreckempfindlichkeit und der feinkörnigen Rekristallisation der erfindungsgemässen Legierung wesentlich besser als bei der Legierung AA6005A.
Die Pressgeschwindigkeit kann im Vergleich zu AA6005A generell um mehr als 50% erhöht werden.
Pressnähte wirken sich nicht negativ auf die mechanischen Eigenschaften aus.
Beim Schweissen mit SG-AlMg-Zusatzwerkstoffen werden im Dickenbereich, in dem die Legierung feinkörnig rekristallisiert, keine Korngrenzenöffnungen einer Grösse gebildet, die einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften der Schweissverbindung ausüben, wenn die Erstarrungsschrumpfung nicht extrem behindert wird. Dies wirkt sich in einer guten Dehnbarkeit aus. Insbesondere die Variante teilausgehärtet T64 zeichnet sich durch einen geringen Abfall der Kennwerte der Schweissverbindung gegenüber dem Grundmaterial aus.
Insgesamt hat sich die erfindungsgemässe Legierung als eine Legierung mit einer guten Eigenschaftskombination von Festigkeit, Dehnung, Schweissbarkeit und Produktionssicherheit erwiesen.

Claims (15)

  1. Bauteil aus einer Legierung vom Typ AlMgSi, mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Legierung in Gew.-% Silizium 0.40 bis 0.80 Magnesium 0.40 bis 0.70 Eisen max. 0.30 Kupfer max. 0.20 Mangan max. 0.15 Vanadium 0.05 bis 0.20 Chrom max. 0.10 Titan max. 0.10 Zink max. 0.10
    sowie weitere Legierungselemente einzeln max. 0.05, insgesamt max. 0.15 und Aluminium als Rest enthält, und dass die legierung im teilausgehärteten Zustand T64 oder im Überalterten Zustand T72 vorliegt.
  2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in Gew.-%
    Silizium 0.45 bis 0.75, vorzugsweise 0.55 bis 0.65, und
    Magnesium 0.45 bis 0.65, vorzugsweise 0.50 bis 0.60
    enthält.
  3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in Gew.-%
    Silizium 0.40 bis 0.60, vorzugsweise 0.45 bis 0.55, und
    Magnesium 0.40 bis 0.60, vorzugsweise 0.45 bis 0.55
    enthält.
  4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.18 bis 0.25 Gew.-% Eisen enthält.
  5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.12 bis 0.16 Gew.-% Kupfer enthält.
  6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.05 bis 0.10 Gew.-% Mangan enthält.
  7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.06 bis 0.15 Gew.-% Vanadium enthält.
  8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0.08, vorzugsweise max. 0.01 Gew.-% Chrom enthält.
  9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0.05 Gew.-% Titan enthält.
  10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach einer Wärmebehandlung während 4 bis 16 h bei 120 bis 170°C im teilausgehärteten Zustand T64 vorliegt.
  11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung nach einer Wärmebehandlung während 1 bis 5h bei 190 bis 230°C im überalterten Zustand T72 vorliegt.
  12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es als Profil durch Strangpressen hergestellt ist.
  13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Innenhochdruckumformen aus einem stranggepressten Profil hergestellt ist.
  14. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Schmieden hergestellt ist.
  15. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Sicherheitsteil im Fahrzeugbau.
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