EP0902842B2 - Verfahren zur herstellung eines bauteils - Google Patents

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EP0902842B2
EP0902842B2 EP97920475A EP97920475A EP0902842B2 EP 0902842 B2 EP0902842 B2 EP 0902842B2 EP 97920475 A EP97920475 A EP 97920475A EP 97920475 A EP97920475 A EP 97920475A EP 0902842 B2 EP0902842 B2 EP 0902842B2
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EP
European Patent Office
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process according
alloy
max
component
alloy contains
Prior art date
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EP97920475A
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French (fr)
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EP0902842A1 (de
EP0902842B1 (de
Inventor
Pius Schwellinger
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alcan Technology and Management Ltd
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Publication date
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Publication of EP0902842A1 publication Critical patent/EP0902842A1/de
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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 method for producing a component according to the preamble of claim 1.
  • crash behavior is an increasingly important aspect in vehicle construction. This applies to road traffic as well as to rail traffic.
  • Road and rail vehicle manufacturers are increasingly considering dimensioning special components or even entire assemblies of the vehicle in such a way that they absorb as much energy as possible in the event of a collision in order to reduce the risk of injury to passengers.
  • the mechanical properties of the materials used and joining zones are of crucial importance.
  • the aim is to maximize absorption of energy before breakage. This can be achieved by a low ratio of yield strength to strength.
  • An important material feature is also a high elongation.
  • Joining zones, such as the weld seam, should differ as little as possible in their mechanical properties from the base material. With extruded profiles, a good elongation also in the transverse direction is of great importance.
  • the requirements for the finished component By design, for example, a certain level of strength, certain minimum values of elongation, corrosion resistance or other essential characteristics can be specified.
  • the aluminum materials that are today being processed into crash elements include, in particular, standard alloys of the AlMgSi type. Although alloys of this type bring good conditions for energy-absorbing parts in terms of their elongation and formability compared to other alloy systems such as AlZnMg, a further optimization of the properties is desirable.
  • the AA6005A alloy currently used in wagon construction has a number of problems in manufacturing, which are related to the tendency to recrystallize coarsely. With a coarse grain structure, it is difficult to keep the prescribed bending radii, which enhances the tendency to form grain boundary holes during welding. This leads to a high number of nonconformities in production. If this is to be avoided, it must be produced in such a way that the profile cross section has predominantly fiber structure. This is currently only possible with an alloy composition that leads to higher press forces and significantly lower press speeds. But this means that big productivity losses have to be accepted.
  • the invention has for its object to provide a material with particularly good deformability with good mechanical properties of the component.
  • the material is said to have a comparable or lower strength level with the AA6005A alloy but to provide greater manufacturing safety and higher productivity.
  • the alloy used is much less sensitive to quenching in terms of strength and elongation than the alloy AA6005A, and even with wall thicknesses of 6 mm, a fine grain still occurs throughout.
  • the alloy is basically suitable for use with large profiles.
  • the content limits for silicon and magnesium in% by weight are preferably set as follows: silicon 0.45 to 0.75, especially 0.55 to 0.65 magnesium 0.45 to 0.65, especially 0.50 to 0.60
  • silicon and magnesium preferably apply: silicon 0.45 to 0.60, especially 0.45 to 0.55 magnesium 0.40 to 0.60, especially 0.45 to 0.55
  • novel alloy composition for the production of components with high energy absorption capacity leads to a favorable microstructure of the component structure.
  • the smallest possible grain size for improving the deformation properties is achieved with the alloy composition according to the invention.
  • the special heat treatment gives the component particularly good properties with regard to energy absorption combined with good strength values.
  • the heat treatment which can also be combined with paint firing, especially in the automotive industry, is the generation of the overaged state, T72, which is achieved by annealing between 190 and 230 ° C. for an annealing time of 1 to 5 hours.
  • the components according to the invention are in the simplest case extruded profiles. However, it is also conceivable components that are finished, starting from an extruded profile as a preform, by hydroforming. According to a further variant of the invention, the component may also be a forged part.
  • a preferred use of the inventively manufactured component is seen as a safety part in vehicle construction.
  • the mechanical properties of the alloys used according to the invention were determined in a tensile test and on the basis of fatigue tests for the heat treatment conditions T6 (full cure) and T64 (partial cure).
  • This condition is set by a storage of 10 h at 160 ° C.
  • the heat treatment time is still below the maximum hardness, which is achieved at 160 ° C for about 20 h.
  • the characteristics of the tensile test can vary depending on the exact analysis, degree of deformation, profile thickness and cooling conditions. Based on previous experience, the following minimum values have been established: Profile thickness range 2 - 4 mm 4 - 8 mm Rp0.2 rm A5 Rp0 Rm A5 [MPa] [MPa] [%] [MPa] [MPa] [%] base material 230 275 10 230 270 8th Butt joint (MIG) 120 180 .. 115 165 ..
  • the typical values of the yield strength are around 240 MPa, the strength in the base material along 290 MPa, and the strains A5 by 12%. In the transverse direction, yield strength and strength are about the same. A5 drops to 6% from. All tested transverse samples contained profile seams and sample molds. In no case, a break was found in the immediate vicinity of the squeeze, which is due to the particularly fine grain in the press seam area due to the high degree of deformation. The hardness is in the range of 94 to 105 HB.
  • the characteristic values of the welded connection apply to MIG machine welding. In the specified thickness range, the characteristic values differ only slightly when using SG-AlMg4, 5Mn, SG-AlMg5 and SG-AlSi5 filler metals. Errors such as edge misalignment due to the problems of welding large profiles affect the results more.
  • the typical values of the processed weld joint are 130 MPa for Rp0.2, 210 MPa for Rm and 4% for A100. These are achieved in a test after about 30 days after welding. The cold curing in the heat affected zone is not completed after this time. In a test after about 90 days, a further increase of Rp0.2 is found by about 10 MPa, while the strength increases only slightly, and the strain remains constant within the measurement accuracy.
  • the value for the base material was determined on 3 mm thick sections. Under comparable conditions, AA6005A typically achieves values ⁇ 100 MPa. The values of the welded connection were determined on 4 mm thick samples.
  • This condition is achieved by aging for 8 h at 140 ° C.
  • the typical values of the strength in the basic material along are 255 MPa, the strains A5 by 22%. In the transverse direction, the strength drops slightly to 250 MPa. A5 drops to 12%. All tested transverse samples contain pressed seams. In no case was a break found in the immediate vicinity of the squeeze seam. The hardness is in the range of 74 to 85 HB.
  • the typical values of the processed weld joint are 130 MPa for Rp0.2, 210 MPa for Rm and 10% for A100. Such a high elongation is extraordinary. This has a very favorable effect in the event of a crash. Here, too, higher values for Rp0.2 are reached after about 90 days of storage at room temperature.
  • Position 1 is completely in the welding material, position 5 in the uninfluenced base material.
  • the behavior in the event of a crash depends essentially on the material properties, the shape and dimension of the crash element used.
  • a first prerequisite for the suitability of a material in a specific shape and dimension is a folding without premature breakage.
  • To test the crash behavior are sections of pipes or hollow profiles of rectangular cross-section, which are compressed.
  • the alloys A, B and C were compared in a second series of experiments, the alloys B, D and E with the following compositions.
  • the alloy C used In the upsetting tests of the first series of tests, the alloy C used always reached the highest values of absorbed energy in relation to the mass of the crash element. In this alloy, even in the T64 and T6 states, convolution without breakage and higher energy absorption was achieved with a thin tube than with T4.
  • the alloy recrystallizes in fine-grained pressing, leaving in the grains still a remnant of a deformation structure. This is the most important basis for the superior properties in many aspects compared to the AA6005A alloy.
  • the fine-grained recrystallization requires a sufficient degree of deformation with respect to time.
  • the alloy is easily weldable. In the case of butt joints from profile sections, which were worked out from large profiles and welded with SG-AlMg4.5Mn filler material, no significant grain boundary openings have been observed for wall thicknesses up to 6 mm.
  • the alloy is well suited for use in vehicle construction.
  • the characteristic values of the tensile test required for the base material and the welded joint are reliably achieved.
  • the alloy can be used equally well for small and large profiles. It is equally suitable for crash elements and components produced by hydroforming.
  • the press speed can generally be increased by more than 50% compared to AA6005A.
  • the variant partially cured T64 is characterized by a small decrease in the characteristic values of the welded connection compared to the base material.
  • the alloy has proven to be an alloy with a good property combination of strength, elongation, weldability and production safety.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteils 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 Verfahren 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 verleiht dem Bauteil besonders gute Eigenschaften bezüglich Energieabsorption bei gleichzeitig guten Festigkeitswerten.
  • Die Wärmebehandlung, die insbesondere in der Automobilindustrie auch mit einer Lackeinbrennung kombiniert werden kann, besteht in der Erzeugung des überalterten Zustandes, T72, der durch eine Glühung zwischen 190 und 230°C während einer Glühdauer von 1 bis 5 Stunden erreicht wird.
  • Die erfindungsgemäss hergestellen 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 erfindungsgemäss hergestellen Bauteils wird als Sicherheitsteil im Fahrzeugbau gesehen.
  • Die Vorteile der zur erfindungsgemässen Herstellung von Crash-Elementen eingesetzten Legierungen sowie der speziellen Wärmebehandlung der 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
    *) N = Anzahl Lastwechsel
  • 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
    *) N = Anzahl Lastwechsel
  • 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 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 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
    *) as = asymmetrisch mit Knotenpunkten
    rs = ringsymmetrisch
    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 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 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 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 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 Legierung als eine Legierung mit einer guten Eigenschaftskombination von Festigkeit, Dehnung, Schweissbarkeit und Produktionssicherheit erwiesen.

Claims (12)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils in der Form eines Crash-Elements für den Fahrzeugbau aus einer Legierung vom Typ AlMgSi enthaltend 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 dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch eine Wärmebehandlung während 1 bis 5 h bei 190 bis 230 °C in einen überalterten Zustand (T72) überführt wird.
  2. Verfahren 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. Verfahren 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. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.18 bis 0.25 Gew.-% Eisen enthält.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.12 bis 0.16 Gew.-% Kupfer enthält.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.05 bis 0.10 Gew.-% Mangan enthält.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.06 bis 0.15 Gew.-% Vanadium enthält.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0.08, vorzugsweise max. 0.01 Gew.-% Chrom enthält.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0.05 Gew.-% Titan enthält.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Profil durch Strangpressen hergestellt ist.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch Innenhochdruckumformen aus einem stranggepressten Profil hergestellt ist.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil durch Schmieden hergestellt ist.
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