EP1195449A2 - Ausscheidungshärten einer Aluminiumlegierung - Google Patents

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EP1195449A2
EP1195449A2 EP01890265A EP01890265A EP1195449A2 EP 1195449 A2 EP1195449 A2 EP 1195449A2 EP 01890265 A EP01890265 A EP 01890265A EP 01890265 A EP01890265 A EP 01890265A EP 1195449 A2 EP1195449 A2 EP 1195449A2
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EP
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temperature
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germ
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EP01890265A
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EP1195449B1 (de
EP1195449B3 (de
EP1195449A3 (de
Inventor
Peter J. Prof.Dr. Uggowitzer
Simon Dipl.Ing. Kleiner
Helmut Dr. Kaufmann
Peter Dipl.Phys. Schulz
Franz Dipl.Ing.Dr.Techn. Kutner
Christoph Dr.Ing. Henkel
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aluminium Ranshofen Walzwerk GmbH
Amag Rolling GmbH
Original Assignee
Aluminium Ranshofen Walzwerk GmbH
Amag Rolling GmbH
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Publication of EP1195449B1 publication Critical patent/EP1195449B1/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

Definitions

  • the invention comprises a starting material for components and molded parts from one Aluminum alloy with the above chemical composition, which according to a solution annealing is thermally pretreated.
  • a hardenability of an Al-Mg-Si alloy is due to the fact that the Solubility of magnesium and silicon in the aluminum matrix with increasing Temperature increases. After a solution heat treatment and an intensified one Cooling of parts from the aforementioned alloy therefore lie in them supersaturated mixed crystals, which tend to excretions to form a thermal equilibrium to reach. This can be done by aging Elimination morphology in the material causes high values for the hardness, the yield strength, the tensile strength and the elongation of the Material.
  • this pretreatment a temperature difference between the sheet layers in the center and in the Given surface area of the coil.
  • a two-stage pretreatment of a sheet is to be carried out provide high mechanical values after hot aging (PBR).
  • PBR hot aging
  • At the rapid cooling from the solution annealing temperature intercepts at a temperature less than 177 ° C, a hold for more than 30 seconds and a cooling to room temperature, at which the sheet with a period of time stored for less than 24 hours.
  • the second step of the Pretreatment sees heating to 66 ° C to 182 ° C with a holding time from 2 minutes to 24 hours before.
  • a method has become known from WO 96/07768, in which according to a solution heat treatment a sheet of at least one other Is subjected to heat treatment. This takes place quickly Heating and the like cooling on or from one Peak temperature between 100 ° C and 300 ° C. Appears necessary the shortest possible holding time at peak temperatures of less than 1 minute.
  • the heat treatment curve with increasing maximum values thus indicates Sawtooth profile.
  • the invention seeks to remedy this and aims to create a method to create of the type mentioned, by means of which by a Pretreatment causes such a germ state in the material on the one hand enables a long availability period of the raw material and on the other hand with a subsequent hot aging with a Technology that can be used for paint baking improved provides mechanical material values.
  • Step 2 or at least one in the pre-treatment step Triple heat treatment of the primary material with the proviso that the last or final hot aging within the Pretreatment step at a reduced temperature for stabilization carried out the seed structure and the primary material, optionally after a longer preparation time, deformed and in the 3rd step the molded part at one Temperature between 165 ° C and 190 ° C for a period of 12 to Stored for 38 minutes and age-hardened.
  • Pretreatment step formed a finely dispersed seed structure and this is stabilized. Due to the short diffusion paths and the Hot aging germs that no longer dissolve quickly The material has cured. It also causes a stabilized Germ structure that in the course of long-term storage at room temperature a provision of the material is only slightly noticeable Cold curing occurs.
  • Particularly favorable mechanical characteristics of the precipitation hardened Material can be reached if in the 2nd step or in the pre-treatment step the input material within 10 minutes, preferably within 6 Minutes after solution heat treatment to form a superstructure to a temperature below 100 ° C, but above room temperature warmed and held at this temperature for 3 to 28 minutes and subsequently for nucleation to a temperature between 120 ° C brought and 220 ° C and held for 3 to 28 minutes and then is cooled, after which a stabilization of the germ structure in the material by warm storage between 75 ° C and 145 ° C for a period of 0.6 to 24 hours.
  • the material values that can ultimately be achieved be when the primary material is at a temperature to form the superstructure heated between 100 ° C and 45 ° C, preferably between 90 ° C and 55 ° C and at this temperature 3 to 10 minutes, preferably 3 to 6 minutes, is held. This creates a multitude of well distributed ones Germination centers with a small distance between them.
  • a seed structure that which has a superstructure Material to a temperature of 160 ° C to 200 ° C, preferably from 175 ° C to 195 ° C, brought and 3 to 10 minutes, preferably 3 up to 6 minutes, held and then cooled, can be small effective germs in a matrix depleted of foreign atoms be formed advantageously.
  • An aluminum-based alloy with favorable mechanical properties can be created if after the stabilization of the germ structure in the Material deformed the primary material within 420 hours and the Molding is cured. It is preferred if after the stabilization of the Germ structure in the material the primary material within 1000 hours deformed and the molded part is cured.
  • the further object of the invention to provide a starting material which has a stable germ structure with favorable mechanical characteristics for processing for a long period of preparation and which can be fully hardened in a PBR treatment is achieved in that the material consists of heating at least three times Pretreatment, in which the last heat treatment step for stabilizing the germ structure takes place at a reduced temperature, at least for 420 hours, preferably for at least 1000 hours, a stabilized germ structure with the mechanical characteristic values hardness HB ⁇ 65 (2.5 / 62.5 / 16) yield strength R p0.2 ⁇ 140 MPa, preferably ⁇ 130 tensile strenght R m ⁇ 270 MPa, preferably ⁇ 240 uniform elongation Ag ⁇ 18% and, if necessary, after a molding of the part, it is precipitation-hardenable at a temperature between 165 ° C. and 190 ° C. within a period of 12 to 38 minutes.
  • the advantages of the primary material according to the invention are in particular that larger storage quantities for production with naturally longer ones Waiting times can be accepted because cold curing or aging at room temperature is largely suppressed. Even after longer provision times is the one with a stable germ structure Material fully curable under PBR conditions, indicating a lack of GP-I zones indicates.
  • the stabilized pre-structure was fine, homogeneously distributed, narrow neighboring germs in a surrounding zone depleted of Si and Mg and thereby one during the eventual following Elimination treatment the mechanical properties favorable ensures influencing excretion structure.
  • the depleted Zone around the individual germs are due to the fine and uniform Distribution of the same the diffusion paths for those forming the excretions Elements short, so that even short curing times are fully effective.
  • the precipitation-hardened component or molded part produced therefrom has the following mechanical characteristics: hardness HB ⁇ 80 yield strength R po, 2 ⁇ 190 MPa. preferably ⁇ 210 tensile strenght R m ⁇ 240 MPa, preferably ⁇ 260 uniform elongation Ag ⁇ 12%
  • the yield point R p0.2 was reduced by less than 10% and the elongation values were at least constant, preferably increased.
  • Sheet samples from an Al-Si-Mg alloy were solution annealed at 540 ° C for 2 minutes and then cooled in water to room temperature. A portion of the sheet metal samples was stored at 5 ° C. above room temperature for 10 minutes, then kept at 185 ° C. for 5 minutes and quenched in water. The treatment of a second part of the samples was carried out by holding the solution-annealed and cooled samples at 60 ° C. for 5 minutes and then storing them at 185 ° C. for 5 minutes and then cooling them down with water.
  • the method according to the invention can be used for cold curing an aluminum base alloy reduces or prevents one Seed structure are formed and stabilized in such a way that after storage of the primary material of 1000 hours at room temperature a subsequent PBR treatment or short-term aging hardened can be.
  • the extent of laydowns, currently only the first Results up to 1500 hours are obviously not available significant influence on the mechanical material values after the PBR curing, which tends to be the strength and elongation as well Buckling behavior appear to be improved

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ausscheidungshärten von Bau- oder Formteilen aus einer Aluminiumbasislegierung enthaltend im wesentlichen in Gew.-%
0,3
bis 1,8 Silizium
0,25
bis 1,6 Magnesium
0,005
bis 0,6 Eisen
Rest Aluminium und herstellungsbedingte Verunreinigungen, bei welchem in einem 1. Schritt das Vormaterial einer Lösungsglühbehandlung unterzogen und in einem 2. Schritt dieses Vormaterial einer thermischen Vorbehandlung unterworfen wird, wonach das Material umgeformt und der Formteil in einem 3. Schritt zur Ausscheidungshärtung des Werkstoffes bei erhöhter Temperatur gelagert wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß im 2. Schritt bzw. im Vorbehandlungsschritt eine mindestens Dreifach- Wärmebehandlung des Vormaterials mit der Maßgabe erfolgt, daß die letzte bzw. abschließende Warmlagerung innerhalb des Vorbehandlungsschrittes bei einer abgesenkten Temperatur zur Stabilisierung der Keimstruktur durchgeführt und das Vormaterial gegebenenfalls nach einer längeren Bereitstellungszeit verformt und im 3. Schritt der Formteil bei einer Temeperatur zwischen 165°C und 190°C während einer Zeitdauer von 12 bis 38 Minuten gelagert und ausscheidungsgehärtet wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ausscheidungshärten von Aluminiumlegierungen.
In präziser Darlegung betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Ausscheidungshärten von Bau- oder Formteilen aus einer Aluminiumlegierung enthaltend in Gew.-%
0,3
bis 1,8 Silizium (Si)
0,25
bis 1,6 Magnesium ( Mg)
0,005
bis 0,6 Eisen (Fe)
bis 0,15 Titan (Ti)
bis 1,5 Kupfer (Cu)
bis 1,5 Mangan ( Mg
bis o,25 Chrom (Cr)
bis 0,.16 Zirkonium (Zr)
Rest Alumiunium (Al) und
herstellungsbedingte Verunreinigungen, bei welchem in einem 1. Schritt das Vormaterial einer Lösungsglühbehandlung bei einer Temperatur von 480 bis 589 °C bis zu einer Zeitdauer von 30 Minuten unterzogen und anschließend verstärkt abgekühlt wird, worauf in einem 2. Schritt dieses Vormaterial einer Vorbehandlung unterworfen wird, wobei ein mindestens einmaliges Erwärmen auf eine Temperatur über der Raumtemperatur und gegebenenfalls ein Halten bei dieser während einer Zeitspanne von bis zu 48 Stunden erfolgen, wonach das Material umgeformt und der Formteil in einem 3. Schritt zur Ausscheidungshärtung des Werkstoffes bei erhöhter Temperatur gelagert wird.
Weiters umfaßt die Erfindung ein Vormaterial für Bau- und Formteile aus einer Aluminiumlegierung mit obiger chemischer Zusammensetzung, welches nach einer Lösungsglühung thermisch vorbehandelt ist.
Eine Aushärtbarkeit einer Al-Mg-Si-Legierung begründet sich dadurch, daß die Löslichkeit von Magnesium und Silizium in der Aluminiummatrix mit steigender Temperatur zunimmt. Nach einem Lösungsglühen und einem verstärkten Abkühlen von Teilen aus der vorgenannten Legierung liegen also in diesen übersättigte Mischkristalle vor, welche das Bestreben haben, Ausscheidungen zu bilden, um so wieder einen thermischen Gleichgewichtszustand zu erreichen. Durch ein Warmauslagern kann eine derartige Ausscheidungsmorphologie im Material bewirkt werden, daß hohe Werte für die Härte, die Dehngrenze, die Zugfestigkeit sowie die Dehnung des Werkstoffes vorliegen.
Das Bestreben der nach einem Abschrecken von der Lösungsglühtemperatur übersättigten Mischkristalle, Ausscheidungen zu bilden, der sogenannte Ausscheidungsdruck, führt jedoch schon bei Raumtemperatur nach kürzeren Liegezeiten zu einer sogenannten Kaltaushärtung des Werkstoffes. Durch diese Kaltaushärtung werden allerdings nach längeren Zeiten die bei einem nachfolgenden Warmauslagern erreichbaren Materialeigenschaften nachteilig beeinflußt. Weil nun das Vormaterial zumeist nicht ummittelbar nach einem verstärkten Abkühlen von der Lösungsglühtemperatur zu Bau- oder Formteilen verarbeitet und ausgehärtet werden kann, hohe mechanische Kennwerte des Materials nach einem Warmauslagern jedoch erforderlich sind, soll durch eine Vorbehandlung eine Kaltaushärtung zumindest während längerer Bereitstellungszeiten verhindert oder rückgängig gemacht und die Warmauslagerungstechnologie verbessert werden. Von besonderer Bedeutung ist dies für die Herstellung von Komponenten für Automobile und Flugzeuge.
Um einen Beginn einer Kaltaushärtung zu längeren Zeiten zu verschieben, ist es möglich, unmittelbar nach dem Lösungsglühen und Abschrecken des Vormaterials dieses einer thermischen Stabilisierungsbehandlung zu unterwerfen und damit die durch eine Lagerung bei Raumtemperatur eintretenden nachteiligen Effekte zu vermindern. Danach kann besonders vorteilhaft eine Wärmebehandlung, die für eine Einbrennlackierung ( paint bake response - PBR), beispielsweise an Fahrzeugteilen, erforderlich ist, gleichzeitig ein Warmauslagern des Teiles bewirken und hohe mechanische Materialwerte darstellen.
Eine Stabilisierungsbehandlung, bei welcher nach dem Abschrecken von der Lösungsglühtemperatur ein Blech schnell auf ca. 100°C wieder erwärmt und zu einem Coil gehaspelt wird, wonach der Coil mit 1 bis 3°C/h abkühlt, ist aus der US 5 718 780 bekannt geworden. Bei dieser Vorbehandlung ist allerdings ein Temperaturunterschied zwischen den Blechlagen im Zentrum und im Oberflächenbereich des Coils gegeben.
In der WO 96/14113 wird eine Vorbehandlung von Blech vorgeschlagen, bei welcher dieses 0,5 bis 5 Stunden, vorzugsweise 2 Stunden, bei einer Temperatur zwischen 70°C und 150°C, vorzugsweise bei 100°C, gehalten wird. Insbesondere die Dehngrenze erfährt bei einer anschließenden PBR-Behandlung (180°C/30 min) eine vergleichsweise große Steigerung.
In der US 5 266 130 ist eine gebrochene Abkühlung von der Lösungsglühtemperatur als Vorbehandlungstechnologie bekannt geworden. Dabei erfolgt eine rasche Abschreckung des Bleches auf eine Temperatur zwischen 60°C und 250°C (150°C) und eine langsame Kühlung desselben(4°C/min) auf 50°C.
Gemäß US 5 662 750 soll eine zweistufige Vorbehandlung eines Bleches hohe mechanische Werte nach dem Warmauslagern (PBR) erbringen. Beim raschen Abkühlen von der Lösungsglühtemperatur erfolgt ein Abfangen bei einer Temperatur kleiner als 177°C, ein Halten von mehr als 30 Sekunden und ein Abkühlen auf Raumtemperatur, bei welcher das Blech mit einer Zeitdauer von weniger als 24 Stunden gelagert wird. Der zweite Schritt der Vorbehandlung sieht eine Erwärmung auf 66°C bis 182°C mit einer Haltedauer von 2 Minuten bis 24 Stunden vor.
Eine Voraushärtung ( 45°C - 100°C/2-48 Stunden) und eine Reversionsglühung (180°C -300°C/3 - 60 Sekunden) werden nach der US 5 441 582 als Vorbehandlung für Blech zur Verbesserung der Materialeigenschaften nach einer PBR-Behandlung vorgeschlagen.
Aus der WO 96/07768 ist ein Verfahren bekannt geworden, bei welchem nach einer Lösungsglühbehandlung ein Blech mindestens einer weiteren Wärmebehandlung unterworfen wird. Bei dieser erfolgen ein rasches Aufheizen und ein dergleichen Abkühlen auf bzw. von einem Temperaturspitzenwert zwischen 100°C und 300°C. Erforderlich erscheint eine kürzestmögliche Haltezeit bei Spitzentemperaturen von unter 1 Minute. Die Wärmebehandlungskurve mit steigenden Höchstwerten weist somit ein Sägezahnprofil auf.
Alle Verfahren gemäß dem Stand der Technik haben den Nachteil, daß entweder bei langer Bereitstellungszeit vor einem Warmauslagern eine gewisse Kaltaushärtung des Materials erfolgt, welche eine verminderte Festigkeitssteigerung bei einer PBR-Behandlung bewirkt und/oder daß bei der Vorbehandlung des Bleches grobe Ausscheidungskeime gebildet werden, die eine nachteilig grobe Ausscheidungsstruktur in der Al-Basislegierung zur Folge haben.
Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen und setzt sich zum Ziel, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu erstellen, mittels welchen durch eine Vorbehandlung ein derartiger Keimzustand im Werkstoff bewirkt wird, der einerseits einen langen Bereitstellungszeitraum des Vormaterials ermöglicht und andererseits bei einem anschließenden Warmauslagern mit einer Technologie, die für ein Lackeinbrennen genutzt werden kann, verbesserte mechanische Materialwerte erbringt.
Auch ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Vormaterial anzugeben, welches für eine lange Bereitstellungsdauer eine stabile Keimstruktur mit günstigen mechanischen Kennwerten aufweist und anschließend bei einer PBR-Behandlung aushärtbar ist.
Das Ziel wird mit einem gattungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, daß im 2. Schritt bzw. im Vorbehandlungsschritt eine mindestens Dreifach-Wärmebehandlung des Vormaterials mit der Maßgabe erfolgt, daß die letzte bzw. abschließende Warmauslagerung innerhalb des Vorbehandlungsschrittes bei einer abgesenkten Temperatur zur Stabilisierung der Keimstruktur durchgeführt und das Vormaterial, gegebenenfalls nach einer längeren Bereitstellungszeit, verformt und im 3. Schritt der Formteil bei einer Temperatur zwischen 165°C und 190°C während einer Zeitdauer von 12 bis 38 Minuten gelagert und ausscheidungsgehärtet wird.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß im Vorbehandlungsschritt eine feindisperse Keimstruktur gebildet und diese stabilisiert wird. Auf Grund der kurzen Diffusionswege und der sich bei einer Warmauslagerung nicht mehr auflösenden Keime wird eine schnelle Aushärtung des Werkstoffes erreicht. Weiters bewirkt eine stabilisierte Keimstruktur, daß bei einer Langzeitlagerung bei Raumtemperatur im Zuge einer Bereitstellung des Vormaterials nur eine geringfügig merkbare Kaltaushärtung eintritt.
Besonders günstige mechanische Kennwerte des ausscheidungsgehärteten Werkstoffes sind erreichbar, wenn im 2. Schritt bzw. im Vorbehandlungsschritt das Vormaterial innerhalb von 10 Minuten, vorzugsweises innerhalb von 6 Minuten, nach der Lösungsglühbehandlung zur Bildung einer Überstruktur auf eine Temperatur von unter 100°C, jedoch über der Raumtemperatur gewärmt und bei dieser Temperatur 3 bis 28 Minuten gehalten und nachfolgend zur Keimstrukturbildung auf eine Temperatur zwischen 120°C und 220° C gebracht und 3 bis 28 Minuten gehalten und anschließend abgekühlt wird, wonach eine Stabilisierung der Keimstruktur im Werkstoff durch eine Warmlagerung zwischen 75°C und 145°C mit einer Zeitdauer von 0,6 bis 24 Stunden erfolgt.
Es ist bekannt, daß nach dem Lösungsglühen und Abschrecken in der Aluminiumbasislegierung übersättigte und leerstellenreiche Mischkristalle vorliegen, wobei ein großer Ausscheidungsdruck gegeben ist. Während einer Lagerung bei Raumtemperatur bilden sich GP-I-Zonen, welche eine Kaltaushärtung bedeuten., Diese GP-I-Zonen müssen bei einer nachfolgenden Warmauslagerung aufgelöst werden, bevor sich die festigkeitssteigernden β " (Beta-Zweistrich)- Ausscheidungen bilden können, was den Aushärtungsvorgang wesentlich verzögert und bei einer PBR-Behandlung keine entsprechenden Verbesserungen der Materialwerte erbringt.
Erfolgt nun erfindungsgemäß vor einer Ausbildung von GP-I-Zonen ein Wärmen des Werkstoffes, bei welchem sich eine feindisperse Überstruktur ausformt, so wird eine Keiminitiation erreicht und es entstehen bei einer folgenden Wärmung die β "-Keime, also eine feine Keimstruktur, welche der Al-Matrix gelöste Fremdatome entzieht. Durch eine nachfolgende Stabilisierung bei niedrigerer Temperatur wird dieser letztgenannte Vorgang intensiviert, eine Stabilisierung des Keimzustandes verstärkt und weitestgehend eine nachfolgende Kaltaushärtung während langer Liegezeiten bei Raumtemperatur verhindert.
Besonders günstig für die letztlich erreichbaren Werkstoff-Kennwerte kann es sein, wenn zur Bildung der Überstruktur das Vormaterial auf eine Temperatur zwischen 100°C und 45°C, vorzugsweise zwischen 90°C und 55°C, gewärmt und bei dieser Temperatur 3 bis 10 Minuten, vorzugsweise 3 bis 6 Minuten, gehalten wird. Dadurch entsteht eine Vielzahl von gut verteilten Ankeimungsherden mit geringem Abstand zueinander.
Wenn nun zur Keimstrukturbildung das eine Überstruktur aufweisende Vormaterial auf eine Temperatur von 160°C bis 200°C, vorzugsweise von 175°C bis 195°C, gebracht und auf dieser 3 bis 10 Minuten, vorzugsweise 3 bis 6 Minuten, gehalten und anschließend abgekühlt wird, können kleine wirkungsvolle Keime in einer an Fremdatomen abgereicherten Matrix vorteilhaft gebildet werden.
Um diese vorteilhafte Keimstruktur weiterzubilden, kann es von Vorteil sein, wenn zur Stabilisierung der Keimstruktur im Werkstoff dieser einer Warmlagerung zwischen 85°C und 125°C, vorzugsweise zwischen 90°C und 110°C mit einer Zeitdauer von 2 bis 16 Stunden, vorzugsweise von 4 bis 12 Stunden, unterworfen wird.
Eine Aluminiumbasislegierung mit günstigen mechanischen Eigenschaften kann erstellt werden, wenn nach der Stabilisierung der Keimstruktur im Werkstoff das Vormaterial innerhalb von 420 Stunden verformt und der Formteil ausgehärtet wird. Bevorzugt ist, wenn nach der Stabilisierung der Keimstruktur im Werkstoff das Vormaterial innerhalb von 1000 Stunden verformt und der Formteil ausgehärtet wird.
Aus wirtschaftlichen Gründen ist es bei einer Blechherstellung vorteilhaft, wenn die Ausbildung einer Überstruktur bzw. einer Keiminitiation und die Keimstrukturbildung im Vormaterial im kontinuierlichen Durchlauf erfolgen.
Die weitere Aufgabe der Erfindung, ein Vormaterial anzugeben, welches für eine lange Bereitstellungsdauer eine stabile Keimstruktur mit günstigen mechanischen Kennwerten für die Verarbeitung aufweist und bei einer PBR-Behandlung voll aushärtbar ist, wird dadurch erreicht, daß der Werkstoff nach einer aus mindestens dreimaligem Erwärmen bestehenden Vorbehandlung, bei welcher der letzte Warmbehandlungsschritt zur Stabilisierung der Keimstruktur mit abgesenkter Temperatur erfolgt, zumindest für 420 Stunden, vorzugsweise für zumindest 1000 Stunden, eine stabilisierte Keimstruktur mit den mechanischen Kennwerten
Härte HB ≤ 65 (2,5/62,5/16)
Dehngrenze Rp0,2 ≤ 140 MPa, vorzugsweise ≤ 130
Zugfestigkeit Rm ≤ 270 MPa.vorzugsweise ≤ 240
Gleichmaßdehnung Ag ≥ 18 %
aufweist und gegebenenfalls nach einer Ausformung des Teiles dieser bei einer Temperatur zwischen 165°C und 190°C innerhalb einer Zeitdauer von 12 bis 38 Minuten ausscheidungshärtbar ist.
Die Vorteile des erfindungsgemäßen Vormaterials liegen insbesondere darin, daß größere Lagermengen für eine Produktion mit naturgemäß längeren Liegezeiten in Kauf genommen werden können, weil eine Kaltaushärtung bzw. ein Auslagern bei Raumtemperatur weitestgehend unterdrückt ist. Auch nach längeren Bereitstellungszeiten ist der eine stabile Keimstruktur aufweisende Werkstoff bei PBR-Bedingungen voll aushärtbar, was auf ein Fehlen von GP-I-Zonen hindeutet.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Vormaterials ist dadurch gegeben, daß die stabilisierte Vorstruktur feine homogen verteilte, eng benachbarte Keime in einer an Si und Mg abgereicherten Umgebungszone aufweist und dadurch eine während der letztlich folgenden Ausscheidungsbehandlung die mechanischen Eigenschaften günstig beeinflussende Ausscheidungsstruktur sicherstellt. Trotz der abgereicherten Zone um die einzelnen Keime sind auf Grund der feinen und gleichmäßigen Verteilung derselben die Diffusionswege für die die Ausscheidungen bildenden Elemente kurz, so daß auch kurze Aushärtungszeiten voll wirksam sind.
Erfindungsgemäß besitzt der daraus hergestellte ausscheidungsgehärtete Bau- oder Formteil folgende mechanische Kennwerte:
Härte HB ≥ 80
Dehngrenze Rpo,2 ≥ 190 MPa. vorzugsweise ≥ 210
Zugfestigkeit Rm ≥ 240 MPa, vorzugsweise ≥ 260
Gleichmaßdehnung Ag ≥ 12%
Durch den Einsatz von erfindungsgemäß vorbehandeltem Vormaterial ist es möglich, daß innerhalb einer Zeitspanne von mindestens 1000 Stunden, vorzugsweise von zumindest 2000 Stunden, nach einer Stabilisierung der Keimstruktur die durch eine Aushärtung bei einer Temperatur zwischen 165°C und 190°C innerhalb einer Zeitdauer von 12 bis 28 Minuten erreichten Werte für die Streckgrenze Rp0,2 um weniger als 10% erniedrigt und die Dehnwerte mindestens gleichbleibend, vorzugsweise erhöht, sind. Somit können, wie oft erforderlich ist, längere Bereitstellungszeiten des Vormaterials ohne wesentliche Beeinträchtigung der letztlich geforderten Werkstoffkenndaten erreicht werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines lediglich einen Ausführungsweg darstellenden Beispiels näher erläutert.
Blechproben aus einer Al-Si-Mg-Legierung wurden bei 540°C 2 Minuten lang lösungsgeglüht und anschließend im Wasser auf Raumtemperatur abgekühlt. Von den Blechproben wurde ein Teil 10 Minuten bei 5°C über der Raumtemperatur gelagert, anschließend 5 Minuten bei 185 °C gehalten und in Wasser abgeschreckt.
Die Behandlung eines zweiten Teiles der Proben erfolgte durch ein Halten der lösungsgeglühten und abgekühlten Proben bei 60°C während einer Zeit von 5 Minuten und einem darauffolgenden Lagern bei 185°C mit einer Zeitdauer von 5 Minuten und anschließender Wasserabkühlung.
Nach 16 Stunden erfolgte an den Proben eine Stabilisierung des Keimzustandes durch eine Warmlagerung derselben bei 100°C während einer Zeitdauer von 8 Stunden. Eine PBR-Behandlung (185°C/20 Minuten) wurde nach unterschiedlich langen Liegezeiten durchgeführt.
Die Legierungszusammensetzung des Versuchsmaterials ist Tabelle 1 zu entnehmen, die gemessenen mechanischen Werte gehen aus Tabelle 2 hervor.
Chemische Zusammensetzung der Al-Basislegierung:
Si Fe Cu Mn Mg Zn Ti Al
1,12 0,21 0,08 0,03 0,35 0,02 0,02 Rest
Die in der Tab. 2 mit der Bezeichnung A und B angegebenen Proben wurden nach einer Vorbehandlung bis zur Erprobung 170 Stunden bei Raumtemperatur gelagert. Die Lagerungszeit der Proben C und D betrug 500 Stunden und jene der Proben E und F 1000 Stunden, jeweils bei Raumtemperatur. Die Vorbehandlung der Proben A,C und E bestand aus:
  • 10 Minuten Lagerung bei 5°C über der Raumtemperatur zur Ausformung einer Überstruktur und Keiminitiation
  • 5 Minuten Lagerung bei 185°C und Abkühlen in Wasser zur Bildung der Keimstruktur
  • 480 Minuten Lagerung bei 100°C zur Stabilisierung der Keimstruktur
Die Vorbehandlung der Proben B,D und F bestand aus:
  • 5 Minuten Lagerung bei 60°C zur Ausformung einer Überstruktur und Keiminitiation
  • 5 Minuten Lagerung bei 185°C und Abkühlen in Wasser zur Ausbildung einer Keimstruktur
  • 480 Minuten Lagerung bei 100°C zur Stabilisierung der Keimstruktur
Die Untersuchung der mechanischen Eigenschaften der Proben mit der Bezeichnung 1 erfolgte vor, jene mit der Bezeichnung 2 nach einer PBR-Behandlung bzw. nach einem Aushärten bei einer Temperatur von 185°C während einer Zeitdauer von 20 Minuten.
Mechanische Kennwerte der untersuchten Proben
Bezeichnung Dehngrenze Rpo,2 Zugfestigkeit Rm Gleichmaßdehnung Ag Bruchdehnung A80
A A1 117 218 20,8 23,5
A2 220 284 14,0 17,8
B B1 112 220 21,5 23,6
B2 208 278 14,5 16,7
C C1 122 224 21,4 24,9
C2 213 280 14,9 19,9
D D1 116 223 21,9 25,0
D2 209 278 14,9 18,0
E E1 128 220 19,9 21
E2 209 278 15,5 21,2
F F1 124 228 20,4 23,1
F2 204 276 15,6 21,6
Bei vergleichender Betrachtung aus ist aus den Erprobungsergebnissen ersichtlich: Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann eine Kaltaushärtung einer Aluminiumbasislegierung verringert oder verhindert und eine Keimstruktur derart gebildet und stabilisiert werden, daß nach einer Lagerung des Vormaterials von 1000 Stunden bei Raumtemperatur der Werkstoff durch eine folgende PBR-Behandlung bzw. ein Kurzzeitauslagern ausgehärtet werden kann. Das Ausmaß der Liegezeiten, wobei derzeit nur erste Ergebnisse bis 1500 Stunden vorliegen, besitzt offensichtlich keinen wesentlichen Einfluß auf die mechanischen Materialwerte nach der PBR-Härtung, wobei tendenziell die Festigkeit und Dehnung sowie das Beulverhalten verbessert erscheinen

Claims (11)

  1. Verfahren zum Ausscheidungshärten von Bau- oder Formteilen aus einer Aluminiumbasislegierung enthaltend in Gew.-%
    0,3
    bis 1,8 Silizium (Si)
    0,25
    bis 1,6 Magnesium (Mg)
    0,005
    bis 0,6 Eisen (Fe)
    bis 0,15 Titan (Ti)
    bis 1,5 Kupfer (Cu)
    bis 1,5 Mangan (Mn)
    bis 0,25 Chrom (Cr)
    bis 0,16 Zirkonium (Zr)
    Rest Aluminium (Al) und
    herstellungsbedingte Verunreinigungen, bei welchem in einem 1. Schritt das Vormaterial einer Lösungsglühbehandlung bei einer Temperatur von 480 bis 589°C bis zu einer Zeitdauer von 30 Minuten unterzogen und anschließend verstärkt abgekühlt wird, worauf in einem 2. Schritt dieses Vormaterial einer Vorbehandlung unterworfen wird, wobei ein mindestens einmaliges Erwärmen auf eine Temperatur über der Raumtemperatur und gegebenenfalls ein Halten bei dieser während einer Zeitspanne von bis zu 48 Stunden erfolgen, wonach das Material umgeformt und der Formteil in einem 3. Schritt zur Ausscheidungshärtung des Werkstoffes bei erhöhter Temperatur gelagert wird, dadurch gekennzeichnet, daß im 2. Schritt bzw. im Vorbehandlungsschritt eine mindestens Dreifach-Wärmebehandlung des Vormaterials mit der Maßgabe erfolgt, daß die letzte bzw. abschließende Warmlagerung innerhalb des Vorbehandlungsschrittes bei einer abgesenkten Temperatur zur Stabilisierung der Keimstruktur durchgeführt und das Vormaterial gegebenenfalls nach einer längeren Bereitstellungszeit verformt und im 3. Schritt der Formteil bei einer Temperatur zwischen 165°C und 190°C während einer Zeitdauer von 12 bis 38 Minuten gelagert und ausscheidungsgehärtet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im 2. Schritt bzw. im Vorbehandlungsschritt das Vormaterial zur Bildung einer Überstruktur auf eine Temperatur von unter 100°C, jedoch über der Raumtemperatur gewärmt und bei dieser Temperatur 3 bis 28 Minuten gehalten und nachfolgend zur Keimstrukturbildung auf eine Temperatur zwischen 120°C und 220°C gebracht und 3 bis 28 Minuten gehalten und anschließend abgekühlt wird, wonach eine Stabilisierung der Keimstruktur im Werkstoff durch eine Warmlagerung zwischen 75°C und 145°C mit einer Zeitdauer von 0,6 bis 24 Stunden erfolgt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung der Überstruktur das Vormaterial auf eine Temperatur zwischen 100°C und 45°C, vorzugsweise zwischen 90°C und 55°C, gewärmt und bei dieser Temperatur 3 bis 10 Minuten, vorzugsweise 3 bis 6 Minuten, gehalten wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Keimstrukturbildung das eine Überstruktur aufweisende Vormaterial auf eine Temperatur von 160°C bis 200°C, vorzugsweise von 175°C bis 195°C, gebracht und auf dieser 3 bis 10 Minuten, vorzugsweise 3 bis 6 Minuten, gehalten und anschließend abgekühlt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der Keimstruktur im Werkstoff dieser einer Warmlagerung zwischen 85°C und 125°C, vorzugsweise zwischen 90°C und 110°C, mit einer Zeitdauer von 2 bis 16 Stunden, vorzugsweise von 4 bis 12 Stunden, unterworfen wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Stabilisierung der Keimstruktur im Werkstoff das Vormaterial innerhalb von 420 Stunden verformt und der Formteil ausgehärtet wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Stabilisierung der Keimstruktur im Werkstoff das Vormaterial innerhalb von 1000 Stunden verformt und der Formteil ausgehärtet wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausbildung einer Überstruktur und die Keimstrukturbildung im Vormaterial im kontinuierlichen Durchlauf erfolgen.
  9. Vormaterial für Bau- oder Formteile aus einer Aluminiumbasislegierung enthaltend in Gew.-%
    0,3
    bis 1,8 Silizium (Si)
    0,25
    bis 1,6 Magnesium (Mg)
    0,005
    bis 0,6 Eisen (Fe)
    bis 0,15 Titan (Ti)
    bis 1,5 Kupfer (Cu)
    bis 1,5 Mangan (Mn)
    bis 0,25 Chrom (Cr)
    bis 0,16 Zirkonium (Zr)
    Rest Aluminium (AI) und
    herstellungsbedingte Verunreinigungen, welches nach einer Lösungsglühung thermisch vorbehandelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff nach einer aus zumindest dreimaligem Erwärmen und Abkühlen bestehenden Vorbehandlung, bei welcher der letzte Warmbehandlungsschritt zur Stabilisierung der Keimstruktur mit abgesenkter Temperatur erfolgt, zumindest für 420 Stunden, vorzugsweise für zumindest 1000 Stunden, eine stabilisierte Keimstruktur mit den mechanischen Kennwerten Härte HB ≤ 65 (2,5/62,5/16) Dehngrenze Rp0,2 ≤ 140 MPa, vorzugsweise ≤ 130 Zugfestigkeit Rm ≤ 270 MPa, vorzugsweise ≤ 240 Gleichmaßdehnung Ag ≥ 18%
    aufweist und gegebenenfalls nach einer Ausformung des Teiles dieser bei einer Temperatur zwischen 165°C und 190°C innerhalb einer Zeitdauer von 12 bis 38 Minuten ausscheidungshärtbar ist.
  10. Vormaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der daraus hergestellte ausscheidungsgehärtete Bau- oder Formteil folgende mechanische Kennwerte besitzt Härte HB ≥ 80 Dehngrenze Rpo,2 ≥ 190 MPa, vorzugsweise ≥ 210 Zugfestigkeit Rm ≥ 240 MPa, vorzugsweise ≥ 260 Gleichmaßdehnung Ag ≥ 12 %
  11. Vormaterial nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb einer Zeitspanne von zumindest 1000 Stunden, vorzugsweise von zumindest 2000 Stunden, nach einer Stabilisierung der Keimstruktur die durch eine Aushärtung bei einer Temperatur zwischen 165°C und 190°C innerhalb einer Zeitdauer von 12 bis 38 Minuten erreichten Werte für die Streckgrenze Rp0,2 um weniger als 10 % erniedrigt und die Dehnwerte mindestens gleichbleibend, vorzugsweise erhöht, sind.
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