EP1785499B1

EP1785499B1 - Energieabsorptionsbauteil

Info

Publication number: EP1785499B1
Application number: EP06123946.3A
Authority: EP
Inventors: Joachim Dr. Becker; Mathias Dr.-Ing. Hilpert; Gregor Dr.-Ing. Terlinde
Original assignee: Otto Fuchs KG
Current assignee: Otto Fuchs KG
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2019-01-02
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: EP1785499A3; ES2709894T3; EP1785499A2; DE102005060297A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Energieabsorptionsbauteil zum Absorbieren kinetischer Energie durch Verformung unter Ausbildung einer zumindest abschnittsweise faltenbalgähnlichen Struktur, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung des Typs Al-Mg-Si.
Energieabsorptionsbauteile werden in Fahrzeugen, beispielsweise in Kraftfahrzeugen zum Absorbieren kinetischer Energie im Falle eines Aufpralls, etwa durch einen Unfall, beispielsweise als Stoßfängerträger, als Rahmenteil (z. B. Schweller) oder dergleichen eingesetzt. Bei diesen Bauteilen handelt es sich typischerweise um Profilbauteile. Zur optimalen Energieabsorption im Falle eines Aufpralles ist gefordert, dass derartige Energieabsorptionsbauteile plastisch möglichst rissfrei verformt werden. Bevorzugt wird eine Ausgestaltung, bei der im Falle eines Aufpralles ein solches Profil insgesamt oder zumindest abschnittsweise faltenbalgartig gestaucht wird. Aus diesem Grunde soll das Material, aus dem derartige Bauteile hergestellt sind, eine relativ hohe Verformungsfähigkeit aufweisen. Bei einer Verwendung eines solchen energieabsorbierenden Bauteils in einer Rahmenkonstruktion oder als sonstiger Träger, etwa in einem Chassis werden an ein solches Bauteil zudem hohe Anforderungen an die statische Festigkeit (Streckgrenze/Zugfestigkeit) gestellt.
Typischerweise werden derartige Bauteile aus Aluminiumlegierungen des Typs Al-Mg-Si der 6000'er Serie entsprechend der Klassifizierung der Aluminum Association eingesetzt. Derartige Legierungen sind beispielsweise in EP 0 902 842 B1 , EP 0 936 278 B1 , US 2001/0037844 A1 , EP 0 805 219 B1 oder JP2003183757 beschrieben. Al-Legierungen für andere Zwecke sind in JP 2001234271 A , WO 99/07906 und WO 97/39156 offenbart. Energieabsorptionsbauteile werden in aller Regel durch Strangpressen hergestellt. Daher sollen die eingesetzten Legierungen neben den vorgenannten Duktilitäts- und Festigkeitseigenschaften der damit hergestellten Halbzeuge eine gute Strangpressfähigkeit aufweisen. Um diesen Anforderungen zu genügen, sind die vorbekannten Legierungen und die Verfahren zum Herstellen eines solchen crashtauglichen Bauteils darauf ausgerichtet, ein feinkörniges Rekristallisationsgefüge im Bauteil einzustellen.
Mit den vorbekannten Legierungen können durch Strangpressen Crashprofile zum Erstellen von energieabsorbierenden Bauteilen (Crashelementen) hergestellt werden, die den herkömmlichen Anforderungen an eine plastische Deformation einerseits und an die statische Festigkeit andererseits genügen. Die Anforderungen an die statische Festigkeit derartiger Bauteile werden jedoch zunehmend höher. Eine Änderung der Legierungszusammensetzung durch Erhöhen der typischerweise die Festigkeit beeinflussenden Elemente und eine entsprechende Anpassung des Verfahrens zum Herstellen eines solchen Bauteils führen im Ergebnis zwar zu Bauteilen mit höheren statischen Festigkeiten. Diese Bauteile genügen dann jedoch nicht mehr den an die plastische Deformation gestellten Anforderungen. Erschwerend kommt hinzu, dass es sich gezeigt hat, dass das Crashverhalten derartiger Bauteile, die aus einer in den vorgenannten Dokumenten beschriebenen Legierung in den darin jeweils angegebenen Spannen der Anteile der an der Legierung beteiligten Elemente bestehen, unterschiedlich ist, wovon zunächst nicht auszugehen war. Ob ein Energieabsorptionsbauteil, das aus einer der vorbekannten Legierungen hergestellt worden ist, das gewünschte Crashverhalten zeigt oder nicht, kann daher erst nach Durchführen eines Stauchversuches festgestellt werden.
Die Duktilität des Materials, aus dem ein Energieabsorptionsbauteil hergestellt ist, wird herkömmlich oftmals als Maß für das Crashverhalten eines solchen Bauteils gewertet. Aluminiumlegierungen enthalten typischerweise einen gewissen Fe-Gehalt, anhand dessen sich der Reinheitsgrad des zum Schmelzen der Legierung eingesetzten Aluminiums bemisst. Je reiner das zum Erstellen der Legierung eingesetzte Aluminium ist, desto teurer ist das Aluminium. Daher wird aus Kostengründen zum Herstellen von Energieabsorptionsbauteilen Aluminium eingesetzt, das einen gewissen Eisengehalt aufweist. Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass bei Eisengehalten der in Rede stehenden Aluminiumlegierungen von bis zu 0,40 Gew.-% ein daraus hergestelltes Energieabsorptionsbauteil eine den Anforderungen genügende Duktilität aufweist. Demzufolge müsste auch das Crashverhalten eines aus einer Legierung mit relativ hohen Fe-Gehalten hergestelltes Crashelement ein den Anforderungen genügendes Crashverhalten aufweisen. Es hat sich jedoch gezeigt, dass dieses nicht der Fall ist und somit der im Stand der Technik beschriebene Zusammenhang zwischen der Duktilität eines Materials und dem Crashverhalten eines Energieabsorptionsbauteils nicht, zumindest nicht immer zutreffend ist. Vor diesem Hintergrund kann eine Aussage bezüglich der Crashtauglichkeit eines Materials zum Ausbilden eines Energieabsorptionsbauteils regelmäßig erst nach Durchführen von Stauchversuchen ermittelt werden.
Genügt ein Energieabsorptionsbauteil nicht den Anforderungen an das Crashverhalten, wird entweder die Legierungszusammensetzung und/oder es werden die Prozessparameter zum Herstellen des Bauteils geändert. Ob sich im Zuge einer solchen Änderung tatsächlich auch das Crashverhalten geändert hat, kann allerdings erst durch einen erneuten Stauchversuch ermittelt werden. Somit wird deutlich, dass die Überwachung einer laufenden Produktion in dieser Art und Weise, hinsichtlich des Vorhandenseins der gewünschten Anforderungen an das Crashverhalten, zu aufwendig ist, als dass diese Untersuchungen engmaschig durchgeführt werden könnten.
Ausgehend von dem diskutierten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Energieabsorptionsbauteil der eingangs genannten Art dergestalt auszubilden, dass dieses nicht nur höheren und/oder höchsten Festigkeitsanforderungen genügt, sondern dass auch Aussagen zu seiner Crashtauglichkeit getroffen werden können, ohne dass zwingend Stauchversuche unternommen werden müssen und somit auch eine Qualitätsüberwachung in einem laufenden Herstellungsprozess zum Herstellen derartiger Bauteile vereinfacht ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einEnergieabsorptionsbauteil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bei diesem Energieabsorptionsbauteil ist durch Einstellen der Legierung und durch ein entsprechendes Verfahren zum Herstellen des Bauteils, insbesondere des Halbzeuges Sorge dafür getragen, dass die sich rechtwinklig zur Oberfläche des Bauteils erstreckende Korngröße, die im Zusammenhang dieser Ausführungen als effektive Korngröße bezeichnet wird, eine bestimmte Größe, nämlich 100 µm nicht überschreitet. In einem Koordinatensystem, in dem L die Längsrichtung des Bauteils (bei einem Strangpressprodukt die Pressrichtung), LT die Breite und ST die Dicke bzw. die rechtwinklig zur Oberfläche des Bauteils verlaufende Richtung darstellen, wird die effektive Korngröße in ST-Richtung gemessen, beispielsweise in einem der L-ST-Ebene entnommenen Schliff. Bei der vorgenannten und den folgenden, die effektive Korngröße betreffenden Angaben wird davon ausgegangen, dass das jeweilige Erfordernis für den gesamten Querschnitt außer den möglicherweise rekristallisierten Oberflächenzonen und rekristallisierten Restanteilen ≤ 20 Vol.% im übrigen Bereich gilt. Bestimmt wird diese Angabe nach ASTM 112. Bevorzugt bezieht sich diese Angabe auf mehr als 90% der Körner. Im Gegensatz zu dem herkömmlichen Verständnis hinsichtlich der notwendigen Korngröße und des Gefüges, das ein Crashbauteil aufweisen muss, um den Anforderungen zu genügen, berücksichtigt diese Lösung in erster Linie nur eine bestimmte Korngröße - die effektive Korngröße. Es hat sich gezeigt, dass durch diese Maßnahme trotz Einstellens der Legierung und des Verfahrens zum Herstellen des Bauteils, damit dieses höheren oder höchsten statischen Festigkeiten genügt, ein den Anforderungen entsprechendes Stauchverhalten gegeben ist. Es ist bevorzugt, dass die effektive Korngröße kleiner als 30 µm und insbesondere kleiner als 20 µm oder gar kleiner als 10 µm ist.
Von besonderem Vorteil bei der vorgenannten Lösung ist, dass ohne größeren Aufwand derartige Bauteile mit herkömmlichen Verfahren hergestellt werden können. Dieses ist beispielsweise beim Strangpressen durch Ausnutzen des sich beim Vorgang des Pressens einstellenden Press-Effektes möglich. Beim Strangpressen werden die ursprünglich vorhandenen Körner in Pressrichtung gestreckt, was mit einer Reduzierung der Korngröße rechtwinklig zur Profiloberfläche (in ST-Richtung) einhergeht. Die effektive Korngröße wird durch Ausnutzen des Press-Effektes beim Strangpressen eingestellt und zwar im Wesentlichen durch den Verformungsgrad. Man hat herausgefunden, dass zum Erzielen eines den Anforderungen genügenden Crashverhaltens nicht die absolute Korngröße von Entscheidung ist, sondern maßgeblich die sich rechtwinklig zur Profiloberfläche des Crashbauteils erstreckende.
Im Hinblick auf die Gefügestruktur des beanspruchten Energieabsorptionsbauteils mit seiner maximalen Kornerstreckung in Längserstreckung des Energieabsorptionsbauteils ist es überraschend, dass ein solches Bauteil die beobachtete gute Crashtauglichkeit und die damit verbundene balgähnliche Faltenausbildung beim Stauchen aufweist, ohne dass an den Scheiteln der Stauchfalten Rissbildungen zu beobachten sind. Dieses Ergebnis ist unerwartet, da die Ausbildung der Falten quer zur Längserstreckung des Energieabsorptionsbauteils und somit quer zur Langachse der Körner verläuft. Gerade bei langgestreckten Körnern, wie diese dem erfindungsgemäßen Energieabsorptionsbauteil zu eigen sind, wäre zu vermuten gewesen, dass eine Ausbildung der Falten wie vorbeschrieben quer zur Langachse der Körner zu einer Zerstörung des Kornverbundes oder der Körner selbst führen würde.
Das Energieabsorptionsbauteil weist ein Gefüge auf, das sich durch das Vorhandensein von lediglich einer Art an Ausscheidungsphasen auszeichnet. Zumindest 40% der die Ausscheidungsphasen bildenden Teilchen sind teilkohärent oder inkohärent, wobei in aller Regel die Teilchen teilkohärent sein dürften. Bevorzugt beträgt der Anteil der teil- oder inkohärenten Teilchen der Ausscheidungsphase mehr als 50%. Bei der Ausbildung von Energieabsorptionsbauteilen mit einem solchen ausscheidungsgehärteten Gefüge bilden sich bei der Absorption kinetischer Energie eng gestaffelte Gleitflächenscharen als Ergebnis einer Vielzahl quasi parallel zueinander verlaufender Gleitungen aus. Darüber hinaus ist bei dem beanspruchten Energieabsorptionsbauteil Sorge dafür getragen, dass eine Schwächung des Kornverbundes an den Korngrenzen auf ein tolerierbares Maß reduziert ist. Dieses wird dadurch erreicht, dass die Ausbildung vor allem von Fe-haltigen Phasen an den Korngrenzen möglichst unterdrückt wird und zwar durch entsprechendes Einstellen der Legierung verbunden mit einem Verfahren zum Herstellen des Bauteils, gemäß dem die Ausbildung dieser Phasen insbesondere bezüglich ihrer Größe und Menge kontrolliert wird. Es hat sich gezeigt, dass unter diesen Voraussetzungen eine Schwächung des Gefüges im Bereich der Korngrenzen trotz einem Einsatz von Aluminium mit einem gewissen Fe-Gehalt auf ein tolerables Maß reduziert worden ist und somit das Energieabsorptionsbauteil ein gutes Crashverhalten zeigt. Die Fe-haltigen Phasen sind an den Korngrenzen offenbar Ursache für ein nicht zufriedenstellendes Crashverhalten, obwohl die Duktilität des Materials auf ein zufriedenstellendes Crashverhalten schließen lassen würde. Daher ist die Legierungszusammensetzung so gewählt, dass der Anteil der sich ausbildenden Fe-haltigen Phasen an den Korngrenzen möglichst gering ist und diese Phasen infolge des Herstellungsverfahrens eine möglichst geringe Größe aufweisen. Andere an den Korngrenzen gebildete Phasen beeinträchtigen die Crashtauglichkeit eines Energieabsorptionsbauteils offenbar weniger als die Fe-haltigen Phasen. Gleichwohl ist es erstrebenswert, auch diese Phasen bezüglich ihrer Größe und ihrer Zahl möglichst gering zu halten. Bei der Legierung zum Herstellen eines solchen Bauteils wird nicht angestrebt, den Fe-Gehalt auf ein absolutes Minmum zu reduzieren. Vielmehr wird ein gewisser, wenn auch geringer Fe-Gehalt gewünscht, da die eingesetzte Legierung typischerweise einen Si-Überschuss aufweist und angenommen wird, dass das in der Legierung enthaltene Fe überschüssiges Si bindet, das zu schädlichen Ausscheidungsfilmen an den Korngrenzen führt.
Die zum Herstellen eines solchen Energieabsorptionsbauteils eingesetzte Legierung enthält einen gewissen Cu-Gehalt. Der Einsatz von Kupfer (Cu) als Legierungsbestandteil unterstützt die Ausbildung lediglich einer (einzigen) Ausscheidungsphase, wobei es sich bei dieser intrakristallinen Phase um eine (Al-)Mg-Si-Cu-Phase handelt. Kupfer als Legierungsbestandteil trägt ebenfalls zur Erhöhung der statischen Festigkeitseigenschaften bei. Gleichwohl ist bei einem Einsatz von Kupfer als Legierungsbestandteil darauf zu achten, dass der Kupfer-Gehalt nicht so groß ist, dass sich übermaßen Cu-Phasen an den Korngrenzen, vor allem Fe-Cu-Phasen ausbilden. Ein übermäßiges Ausbilden dieser Phasen, vor allem wenn die Phasen neben Cu auch Fe enthalten, führt zur Schwächung des Kornverbundes und somit zu einer Verschlechterung des Crashverhaltens. Daher ist der Cu-Gehalt zu kontrollieren.
Die erfindungsgemäßen Energieabsorptionsbauteile weisen mittlere, höhere und höchste statische Festigkeiten auf. Bauteile mit mittlerer statischer Festigkeit weisen einen R _p0,2 -Wert von etwa 200 MPa bis 240 MPa auf. Bauteile mit höheren statischen Festigkeiten weisen einen R _p0,2 -Wert von etwa 240 bis 280 MPa auf. Crashelemente, die höchsten statischen Festigkeiten genügen, erreichen einen R _p0,2 -Wert, der größer als 280 MPa ist.
Ein Energieabsorptionsbauteil, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung des Typs Al-Mg-Si, das zumindest eine der vorbeschriebenen Eigenschaften aufweist, verfügt über ein gutes Crashverhalten, ohne dass dieses zwingend durch Stauchversuche belegt werden müsste. Ist das gewünschte Crashverhalten einmal bei einem solchen Energieabsorptionsbauteil durch Stauchversuche belegt, kann die Produktion weiterer Energieabsorptionsbauteile anhand der vorbeschriebenen Parameter ohne weiteres überwacht werden.
Zum Herstellen eines Energieabsorptionsbauteils der vorgenannten Art wird eine Aluminiumlegierung des Typs Al-Mg-Si eingesetzt, die folgende Zusammensetzung aufweist:

Si: 0,30 - 1,3 Gew.-%,

Fe: 0,08 - 0,35 Gew.-%,

Cu: max. 0,5 Gew.-%,

Mg: 0,35 - 1,0 Gew.-%,

Mn: 0,02 - 0,8 Gew.-%,

Zn: max. 0,2 Gew.-%,

Cr: max. 0,15 Gew.-%

Ti: max. 0,1 Gew.-%,

nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, von denen jedes einzelne Element max. 0,05 Gew.-% aufweist und diese Elemente zusammen max. 0,15 Gew.-% aufweisen, und einem Rest Aluminium.
Die Summe der möglichen rekristallisationshemmenden Begleitelemente Scandium, Hafnium, Strontium, Vanadium, Zirkon und Titan beträgt in der Summe maximal 1,0 Gew.-%, neben dem ohnehin in der Legierung enthaltenen Mangan.

Zum Erstellen mittelfester und höherfester Energieabsorptionsbauteile eignet sich vor allem eine Aluminiumlegierung mit nachfolgender Zusammensetzung:

Si:	0,60 - 0,80 Gew.-%,
Fe:	0,08 - 0,35 Gew.-%,
Cu:	max. 0,50 Gew.-%,
Mg:	0,40 - 0,50 Gew.-%,
Mn:	0,02 - 0,70 Gew.-%,
Zn:	max. 0,20 Gew.-%,
Cr:	max. 0,12 Gew.-%,
Ti:	max. 0,08 Gew.-%,

nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, von denen jedes einzelne Element max. 0,05 Gew.-% aufweist und diese Elemente zusammen max. 0,15 Gew.-% aufweisen, und einem Rest Aluminium.

Zum Herstellen eines solchen Bauteils mit mittlerer oder höherer statischer Festigkeit wird in einem ersten Schritt eine Legierung mit einer der vorgenannten Zusammensetzungen erschmolzen und über Stranggießen zu Rundblöcken hergestellt. Anschließend werden die Rundblöcke bei einer Homogenisierungstemperatur von 500°C - 590°C für bis zu 10 Stunden homogenisiert und anschließend bei Temperaturen zwischen 440°C und 520°C, insbesondere bei 460°C - 490°C umgeformt. Das Warmumformen kann durch ein Strangpressverfahren erfolgen. Gleichfalls ist auch ein Schmieden möglich. In der Verformung oder anschließend werden die warmumgeformten Halbzeuge lösungsgeglüht und abgeschreckt. Das Abschrecken erfolgt in Wasser oder Luft, wobei ein Sprühabschrecken mit Wasser bevorzugt ist. Bei einem Abschrecken in Luft erhält das Halbzeug mittlere statische Festigkeiten mit R _p0,2 -Werten von 200 MPa bis 240 MPa. Durch ein Abschrecken in Wasser sind höhere statische Festigkeiten mit R _p0,2 -Werten von 240 MPa bis 280 MPa erzielbar. Nach dem Abschrecken wird das Halbzeug durch eine Warmauslagerung ausgehärtet, und zwar bei Temperaturen zwischen 170°C - 220°C für 3 - 16 Stunden.
Die vorgenannte Legierung zeichnet sich gegenüber den vorbekannten Legierungen mit Ausnahme von Mangan durch eng begrenzte Intervalle der beteiligten Legierungselemente aus. Auch dieses ist eine Voraussetzung für die Reproduzierbarkeit der Bauteile zum Erzielen der gewünschten Bauteileigenschaften.
Zum Erzeugen der geforderten einen Ausscheidungsphase dient das Element Kupfer in den angegebenen Anteilen. Die in vorgenannter Legierung obligatorisch enthaltene Kupferkomponente dient neben dem Zweck einer Erzeugung einer einzigen Ausscheidungsphase ((Al)-Mg-Si-Cu-Ausscheidungsphase) zur Erhöhung der Überalterungsbeständigkeit des Halbzeuges bei der Warmauslagerung. Während in vorbekannten Legierungen Kupfer ausschließlich zur Festigkeitssteigerung eingesetzt worden ist, dient dieses Element im Zusammenhang mit der Herstellung eines Energieabsorptionsbauteils unter Verwendung einer der beiden vorgenannten Legierungen vor allem den beiden vorgenannten Zwecken. Der eingesetzte Kupfer-Gehalt ist jedoch so gering, dass der Kornverbund durch Cu-haltige, insbesondere Fe-Cu-haltige Phasen nicht übermaßen geschwächt ist. In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass der Kupfer-gehalt der eingesetzten Legierung zumindest 0,1 Gew.-% beträgt.
Der Mn-Gehalt der für höherfeste Energieabsorptionsbauteile eingesetzten Legierung ist mit 0,02 - 0,70 Gew.-% angegeben. Die gewünschten Eigenschaften des Energieabsorptionsbauteils, hergestellt aus dieser Legierung, lassen sich insbesondere erreichen, wenn höhere Mangangehalte eingesetzt werden, insbesondere solche zwischen 0,50 und 0,70 Gew.-% sowie zusätzlich ein Cr-Gehalt von 0,05% - 0,12%. Im letzteren Falle ist der Gehalt an rekristalistationshemmenden Elementen ausreichend hoch, um eine Rekristallisation zu verhindern und das Pressgefüge bei einem im Wege eines Strangpressverfahrens hergestellten Energieabsorptionsbauteils beizubehalten.
Die vorbeschriebenen Legierungen eignen sich zum Herstellen stranggepresster Energieabsorptionsbauteile, insbesondere auch solcher Bauteile mit einer nur geringen Wandstärke von weniger als 10 mm, insbesondere von weniger als 5 mm oder auch von weniger als 3 mm. Derartige Energieabsorptionsbauteile sind insbesondere bei geringen Wandstärken bevorzugt als Mehrkammerhohlprofil ausgebildet.

Für höchstfeste Energieabsorptionsbauteile wird bevorzugt eine Aluminiumlegierung mit folgender Zusammensetzung eingesetzt:

Si:	0,90 - 1,10 Gew.-%,
Fe:	0,08 - 0,35 Gew.-%,
Cu:	max. 0,50 Gew.-%,
Mg:	0,55 - 0,75 Gew.-%,
Mn:	0,40 - 0,70 Gew.-%,
Zn:	max. 0,20 Gew.-%,
Cr:	max. 0,12 Gew.-%
Ti:	max. 0,08 Gew.-%,

Diese Legierung zeichnet sich in jeweils engen Grenzen durch vergleichsweise hohe Si- und Mg-Gehalte aus. Diese Legierung eignet sich zum Strangpressen und wird bei 480°C - 540°C für bis zu 15 Stunden homogenisiert und unter Ausnutzung des sogenannten Press-Effektes stranggepresst, wodurch eine festigkeitssteigernde Wirkung erzielt wird. Wie bei der höherfesten Legierungsvariante mit Presseffekt enthält auch diese Variante höhere Mn- und Cr-Gehalte, um eine Rekristallisation zu verhindern.
Nachfolgend ist die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1:: eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Ausschnittes eines Gefüges eines Crashbauteils mittlerer statischer Festigkeit gemäß der Erfindung mit einem guten Stauchverhalten,
Fig. 2:: eine transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme einer Korngrenze eines Crashbauteils gemäß der Erfindung mit einem guten Stauchverhalten
Fig.3:: eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Bauteils mit unzureichender Crashtauglichkeit,
Fig. 4a - 4c:: ein aus drei Anschliffen unterschiedlicher Ebenen eines Crashbauteils virtuell zusammengesetzter Gefügewürfel (Figur 4a), eine schematisierte Darstellung von Körnern in der L-ST-Ebene, darstellend die Hauptbelastungsrichtung des Crashbauteils (Figur 4b) und eine vergrößerte Darstellung des die L-ST-Ebene des Gefügewürfels der Figur 4a bildenden Anschliffes (Figur 4c),
Fig. 5:: eine Fotografie eines Ausschnittes einer Profilkante eines gestauchten Energieabsorptionsbauteils,
Fig. 6:: eine Gegenüberstellung der Zusammensetzungen der im Rahmen dieser Ausführungen beschriebenen Legierungen gegenüber vorbekannten Legierungen.

In der nachfolgend wiedergegebenen Tabelle sind die Legierungszusammensetzungen von drei Aluminiumlegierungen des Typs Al-Mg-Si wiedergegeben, mit denen Bauteile hergestellt worden sind, wobei die mit Typ 1 bezeichnete Legierung eine Vergleichslegierung ist und die Legierungen des Typ 2 sowie Typ 3 Legierungen zum Herstellen der erfindungsgemäßen crashtauglichen Energieabsorptionsbauteile sind:

Element (Gew. %)	TYP 1		TYP 2		TYP 3
Element (Gew. %)	min.	max.	min.	max.	min.	max.
Si	0,40	0,50	0,60	0,80	0,90	1,10
Fe	0,15	0,35	0,08	0,35	0,08	0,35
Cu	0,00	0,25	0,00	0,50	0,00	0,50
Mn	0,02	0,08	0,02	0,70	0,40	0,70
Mg	0,40	0,50	0,40	0,50	0,55	0,75
Cr	0,00	0,05	0,00	0,12	0,00	0,12
Ti	0,00	0,08	0,00	0,08	0,00	0,08

nebst unvermeidbarer Verunreinigungen, von denen jedes einzelne Element max. 0,05 Gew.-% aufweist und diese Elemente zusammen max. 0,15 Gew.-% aufweisen, und einem Rest Aluminium.

Energieabsorptionsbauteile unter Verwendung der Legierungen des Typs 1, wobei zur Herstellung diese 0,02 - 0,08 Gew.-% Mn sowie max. 0,03 Gew.-% Chrom aufgewiesen hat, wurden wie folgt hergestellt: Nach Erschmelzen der Legierung und Herstellung von Rundblöcken über Stranggießen sind die Rundblöcke für drei Stunden bei 580°C ± 10°C homogenisiert und anschließend durch Strangpressen warmumgeformt worden. Stranggepresst worden ist ein mehrkammeriges Profil mit dünner Wandstärke (etwa 2 mm). Nach dem Lösungsglühen entweder in dem Pressvorgang integriert oder separat wurde das stranggepresste Profil in Wasser sprühabgeschreckt und anschließend warm ausgelagert. Über das Warmauslagern wurde das Bauteil in einen überalterten Zustand gebracht. Dieses erfolgte bei 205°C ± 10°C für sechs Stunden.
Das Gefüge eines Bauteils, hergestellt unter Verwendung einer Legierung des Typs 1 nach vorgenanntem Verfahren ist in Figur 1 in einem rasterelektronenmikroskopischen Ausschnitt gezeigt. Infolge der vorgenannten Legierungszusammensetzung ist in diesem Bauteil lediglich eine einzige Ausscheidungsphase vorhanden, nämlich eine (Al)-Mg-Si-Cu-Phase. Die Teilchen der Ausscheidungsphase sind bezüglich ihrer Größe legierungsbedingt und verfahrensbedingt so klein, dass sie in Figur 1 in der gewählten Vergrößerung nicht zu erkennen sind. Diese feinen Ausscheidungsphasen sind in relativ hoher Dichte homogen und feindispers in dem Gefüge verteilt angeordnet wie man in einer transmissionselektronenmikroskopischen Aufnahme erkennt (Figur 2). Aus Figur 1 ist auch erkennbar, dass auf den Korngrenzen keine erkennbaren Fe-Cu-haltige Phasen vorhanden sind. Aufgrund dieser Eigenschaft und der vorbeschriebenen Eigenschaft des Vorhandenseins einer einzigen Ausscheidungsphase, wobei die Teilchen der Ausscheidungsphase zu mehr als 50% teilkohärent sind, weist dieses Energieabsorptionsbauteil ein gutes Stauchverhalten auf und ist daher als crashtauglich zu bezeichnen.
Figur 3 zeigt in einer Gegenüberstellung zu Figur 1 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Energieabsorptionsbauteils mit einem schlechten Stauchverhalten. Deutlich erkennbar sind in dieser Aufnahme, die denselben Maßstab aufweist wie die Aufnahme der Figur 1, dass an den Korngrenzen in erkennbarer Größe Ausscheidungsphasen angeordnet sind. Mithin bilden die Ausscheidungsphasen Beläge an den Korngrenzen, durch die bereits aufgrund der Größe der Ausscheidungsphasen der Kristallverbund geschwächt ist. Es ist zu beobachten, dass bei einem Stauchen eines solchen Energieabsorptionsbauteils eine Rissbildung unter Einbindung des oder der Ausscheidungsphasen entsteht.
Die Bauteile, von denen die rasterelektronischen mikroskopischen Aufnahmen der Figur 1 und Figur 3 angefertigt worden sind, sind unter Verwendung derselben Legierung (Typ 1) hergestellt worden. Die Bauteile sind jedoch mit unterschiedlichen Herstellungsverfahren hergestellt. Während das Bauteil der Figur 1 nach dem Lösungsglühen mit Wasser sprühabgeschreckt worden ist, ist das in Figur 3 gezeigte Bauteil nach dem Lösungsglühen in Luft abgekühlt. Hieraus wird deutlich, dass nicht nur die Legierungszusammensetzung, sondern auch die Prozessparameter zum Herstellen des Bauteils entscheidend für eine Crashtauglichkeit des Bauteils sind.
Energieabsorptionsbauteile unter Verwendung der erfindungsgemäßen Legierungen des Typs 2 oder des Typs 3 werden zum Erzielen der gewünschten Gefügeeigenschaften gemäß einem sich von den vorangegangenen Verfahren in einzelnen Schritten unterscheidenden Verfahren hergestellt. Zum Herstellen der Legierung des Typs 2 wurde eine Legierung eingesetzt, die 0,50 - 0,70 Gew.-% Mn sowie 0,05 - 0,10 Gew.-% Chrom aufweist. Beim Herstellungsprozess zum Herstellen eines Energieabsorptionsbauteils mit der Legierung gemäß dieser Typen erfolgt das Homogenisieren bei etwa 500°C ± 10°C für 12 Stunden, woran sich ein Strangpressschritt als Warmumformschritt anschließt und das Strangpressen unter Ausnutzung des Press-Effektes durchgeführt wird. Hierdurch entsteht für das Bauteil eine Festigkeitssteigerung. Das Lösungsglühen, entweder in dem Pressvorgang integriert oder separat, das Abschrecken und die Warmauslagerung einschließlich einer damit verbundenen Aushärtung werden ebenso durchgeführt wie dieses zu der Legierung Typ 1 beschrieben ist, wobei bei einer Temperatur von 170°C ± 10°C für 12 Stunden warmausgelagert worden ist. Bei einem Abschrecken in Luft erhält das Halbzeug mittlere statische Festigkeiten mit R _p0,2 -Werten von 200 MPa bis 240 MPa. Durch ein Abschrecken in Wasser sind höhere statische Festigkeiten mit R _p0,2 -Werten von 240 MPa bis 280 MPa erzielbar.
In der nachfolgenden Tabelle sind die statischen Festigkeitseigenschaften von Energieabsorptionsbauteilen wiedergegeben, die unter Verwendung der Legierungen der Typen 1, 2 und 3 mit den beschriebenen Herstellungsverfahren hergestellt worden sind:

Legierung R_p02 [MPa] R_m [MPa] A₅ [%]

Typ 1 210 233 13,5

Typ 2 253 273 11,3

Typ 3 320 346 14,1
Figur 4a zeigt einen aus drei Anschliffen virtuell aufgebauten Gefügewürfel eines erfindungsgemäßen Crashbauteils. Zum Ausbilden des Gefügewürfels der Figur 4a sind einem Crashbauteil in den Ebenen L-ST, L-LT sowie LT-ST Proben entnommen und entsprechend orientierte Anschliffe hergestellt worden. Fotografien von Ausschnitten dieser Anschliffe sind zu dem in Figur 4 abgebildeten Gefügewürfel zusammengesetzt worden. Auf diese Weise ist das Korngefüge dreidimensional visualisierbar. Das Crashbauteil ist im Wege eines Strangpressprozesses - wie vorbeschrieben - unter Ausnutzung des Presseffektes aus einer Legierung des Typs 2, wie vorbeschrieben, hergestellt worden. Damit entspricht die L-Richtung in dem Gefügewürfel der Pressrichtung, die LT-Richtung der Breite des Crashbauteils und die ST-Richtung die rechtwinklig zur Profiloberfläche verlaufende Richtung. Deutlich erkennbar ist die Streckung der Körner infolge des Pressvorganges in L-Richtung. Die Erstreckung der Körner ist in dieser Richtung mitunter größer als die Breite des gezeigten Schliffausschnittes. Die Körner weisen mithin eine Korngröße in dieser Richtung von mehr als 500 µm auf. Die Korngröße in LT-Richtung ist dagegen deutlich geringer. Die im Rahmen dieser Ausführungen verwendete effektive Korngröße ist die Größe der Körner in ST-Richtung, und zwar insbesondere die in L-Richtung weisenden Korngrenzen, mit denen die einzelnen Körner an die in Pressrichtung (L-Richtung) benachbarten Körner grenzen.
Figur 4b zeigt zur Erläuterung des Begriffes "effektive Korngröße" einzelne Körner eines Crashbauteils in der L-ST-Ebene. Die isoliert in Figur 4b dargestellten einzelnen Körner sind im Wege eines Strangpressvorganges gestreckt worden. Die in ST-Richtung verlaufende Ausdehnung der dargestellten Körner im Bereich ihrer jeweiligen Enden stellen - wie durch die an den Enden zum Teil angeordneten gegeneinander gerichteten Pfeile kenntlich gemacht - die jeweilige effektive Korngröße dar. Bei dem in Figur 4b gezeigten Körnern beträgt diese etwa 10 - 25 µm.
Die L-Richtung bildet gleichfalls diejenige Richtung für das Crashbauteil, die die Hauptbelastungsrichtung beim Stauchen darstellt. Beim Stauchen wirken auf das in Figur 4b anhand einzelner Körner schematisiert wiedergegebene Crashbauteil, die durch die Blockpfeile kenntlich gemachten Kräfte. Diese greifen die Körner an ihrer nur eine kleine Größe einnehmenden Erstreckung in ST-Richtung an. Dieses ist verantwortlich für den guten Zusammenhalt des Gefüges bei einer Stauchbelastung, ohne dass Risse entstehen.
Die vergrößerte Darstellung der Schliffebene L-ST des Gefügewürfels der Figur 4a in Figur 4c verdeutlicht die enorme Streckung der Körner, so dass die Körner dieses Crashbauteils ein Streckungsverhältnis L:ST von mehr als 20:1 aufweisen. Auch wenn maßgeblich das Stauchverhalten eines Crashbauteil durch eine möglichst feine effektive Korngröße positiv beeinflusst ist, hat sich gezeigt, dass zusätzlich eine Ausbildung stark gestreckter Körner mit Streckungsverhältnissen L:ST von mehr als 6:1, insbesondere mehr als 10:1, insbesondere mehr als 20:1 das Stauchverhalten positiv beeinflusst.
Aufgrund der Legierungszusammensetzung und des Herstellungsverfahrens weist das vorbeschriebene Crashbauteil die gewünschten statischen Festigkeiten auf. Das beschriebene Korngefüge und zwar die effektive Korngröße sind neben der Legierungszusammensetzung dafür verantwortlich, dass dieses Crashbauteil auch den an das Stauchverhalten gestellten Anforderungen genügt.
Bevorzugt werden Crashbauteile hergestellt, die sowohl den Anforderungen hinsichtlich der zum Typ 1 als Vergleichslegierung beschriebenen intrakristallinen Ausscheidungsphase, der Fe-Kontrolle sowie den zu den aus den Legierungen des Typs 2 und des Typs 3 hergestellten Energieabsorptionsbauteile beschriebenen vorgenannten Gefügeparametern bezüglich der effektiven Korngröße genügen. Die bezüglich der intrakristallinen Ausscheidungsphasen und der Fe-Kontrolle zum Legierungstyp 1 vorstehend gemachten Ausführungen gelten somit gleichermaßen für die aus den Legierungstypen 2 und 3 hergestellten Energieabsorptionsbauteilen. Letztere unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Gefügeparameter, wie in den Figuren 1 und 2 zum Legierungstyp 1 gezeigt, nicht jedoch hinsichtlich der hierzu beschriebenen Ausscheidungsphasen. Daher gelten die diesbezüglichen Ausführungen auch für Energieabsorptionsbauteile hergestellt aus Legierungen des Typs 2 und 3.
Figur 5 zeigt einen Bildausschnitt einer Stauchprobe eines kastenförmigen Energieabsorptionsbauteils. Dargestellt ist das Energieabsorptionsbauteil im Bereich einer Kante, an der die angrenzenden Seitenflächen im ungestauchten Zustand des Energieabsorptionsbauteils einen Winkel von 90° Grad einschließen. Das Energieabsorptionsbauteil ist mit der Legierung des Typs 2 entsprechend der vorbeschriebenen Verfahrensschritte hergestellt und anschließend einem Stauchversuch unterworfen worden. Das Energieabsorptionsbauteil ist in dem Stauchversuch in seiner Längserstreckung (in L-Richtung) gestaucht worden. Die in das Energieabsorptionsbauteil eingebrachte Energie ist von diesem durch die in Figur 5 gezeigte Faltenbildung absorbiert worden. Das Energieabsorptionsbauteil ist in eine faltenbalgähnliche Struktur verformt worden. Zum bestimmungsgemäßen Absorbieren der durch einen Aufprall induzierten kinetischen Energie ist es wesentlich, dass das Energieabsorptionsbauteil zumindest in einem Abschnitt in die in Figur 5 gezeigte faltenbalgähnliche Struktur verformt wird. Unter dem im Rahmen dieser Ausführungen benutzten Begriff des Absorbierens von kinetischer Energie ist regelmäßig die durch einen Aufprall in das Energieabsorptionsbauteil induzierte Energie zu verstehen, wobei die Aufprallenergie zum Umformen des Energieabsorptionsbauteils in der beschriebenen Art und Weise dient. Kritisch bei einer derartigen Deformation sind regelmäßig die Kanten eines solchen Profils, da diese besonders hohen Deformationsbeanspruchungen unterworfen sind. Wie Figur 5 zeigt, sind gerade im Bereich der ursprünglichen Kanten des Energieabsorptionsbauteils Aufplatzungen oder Rissbildungen nicht erkennbar. Vielmehr hat sich das Energieabsorptionsbauteil gerade auch im Bereich seiner Kanten in regelmäßige Falten gelegt. Eine regelmäßige Faltenbildung, wie in Figur 5 gezeigt, ist gewünscht, das Auftreten von Rissen zu vermeiden. Unter Bezug auf die Abbildung des gestauchten Energieabsorptionsbauteils gemäß Figur 5 ist anzumerken, dass die Faltenbildung quer zur L-Erstreckung des Gefüges des Energieabsorptionsbauteils erfolgt, also in Querrichtung zur Längserstreckung der Körner (vgl. auch Figuren 4a, 4b). Eine solche regelmäßige oder fast regelmäßige Faltenbildung nach Art eines Faltenbalges zeichnet die erfindungsgemäßen Energieabsorptionsbauteile aus, wobei diese zugleich mittleren, höheren bzw. höchsten Festigkeiten genügen.
Figur 6 zeigt in einer vergleichenden Darstellung die im Rahmen dieser Ausführungen beschriebenen Legierungen (Typ 1, Typ 2 und Typ 3) im Vergleich zu vorbekannten Legierungen. Die vorbekannten Legierungen zeichnen sich sämtlich durch relativ weit bemessene Bereichsangaben der zur Ausbildung der Legierung eingesetzten Elemente aus. Innerhalb der angegebenen Grenzen sollen die vorbekannten Legierungen bzw. die daraus hergestellten Bauteile gleiche Eigenschaften aufweisen. Dieses ist, wie Untersuchungen gezeigt haben, zumindest bezüglich der Crashtauglichkeit von daraus hergestellten Energieabsorptionsbauteilen nicht der Fall. Vielmehr hat sich gezeigt, dass Energieabsorptionsbauteile mit einem für Crashbauteile notwendigen guten Stauchverhalten reproduzierbar mit den in dem Diagramm angegebenen Legierungen Typ 2 und Typ 3 unter Verwendung der vorgenannten Herstellungsverfahren erzielt werden können. Mithin handelt es sich bei den Legierungszusammensetzungen der Legierungen Typ 2 und Typ 3 um Legierungen mit einer sehr engen Anteilsspanne der am Aufbau dieser Legierungen jeweils beteiligten Elemente, was wiederum Voraussetzung dafür sind, dass ein daraus hergestelltes Energieabsorptionsbauteil ein crashtaugliches Gefüge aufweist.

Claims

Energieabsorptionsbauteil zum Absorbieren kinetischer Energie durch Verformung unter Ausbildung einer zumindest abschnittsweise faltenbalgähnlichen Struktur, hergestellt aus einer Aluminiumlegierung des Typs Al-Mg-Si, wobei das Gefüge des Bauteils zumindest zu 80 Vol.-% nicht rekristallisiert ist und im nicht rekristallisierten Bereich die sich rechtwinklig zur Oberfläche des Bauteils erstreckende effektive Korngröße, gemessen in ST-Richtung im Bereich ihrer jeweiligen Enden, der Körner kleiner als 100 µm ist und dass die Körner in den L-ST-Richtungen ein Streckungsverhältnis (L:ST) von mehr als 10:1 aufweisen, wobei die Aluminiumlegierung folgende Zusammensetzung aufweist: Si: 0,30 - 1,3 Gew.-%, Fe: 0,08 - 0,35 Gew.-%, Cu: max. 0,5 Gew.-%, Mg: 0,35 - 1,0 Gew.-%, Mn: 0,02 - 0,8 Gew.-%, Zn: max. 0,2 Gew.-%, Cr: max. 0,15 Gew.-% Ti: max. 0,1 Gew.-%,

wobei die Summe der rekristallationshemmenden Begleitelemente Titan, Scandium, Hafnium, Strontium, Zirkon und/oder Vanadium maximal 1,0 Gew.-% beträgt, nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, von denen jedes einzelne Element max. 0,05 Gew.-% aufweist und diese Elemente zusammen max. 0,15 Gew.-% aufweisen, und einem Rest Aluminium und dass das Verfahren zum Herstellen des Bauteils dergestalt durchgeführt worden ist, dass das Gefüge des Bauteils grundsätzlich nur eine einzige, fein dispers verteilt angeordnete, intrakristalline Ausscheidungsphase mit einem Anteil von mehr als 40 % an teil- und/oder inkohärenten Teilchen aufweist und dass der Anteil der an den Korngrenzen vorhandenen Fe-haltigen Phasen so gering ist, dass der Kornverbund bei der Absorption kinetischer Energie durch diese Teilchen nicht übermaßen geschwächt ist.
Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Streckungsverhältnis (L:ST) größer als 20:1 ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die effektive Korngröße kleiner als 50 µm, insbesondere kleiner 30 µm oder 15 µm ist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kristallografische Textur der Körner des Bauteils Vorzugsrichtungen aufweist.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung folgende Zusammensetzung aufweist: Si: 0,60 - 0,80 Gew.-%, Fe: 0,08 - 0,35 Gew.-%, Cu: max. 0,50 Gew.-%, Mg: 0,40 - 0,50 Gew.-%, Mn: 0,02 - 0,70 Gew.-%, Zn: max. 0,20 Gew.-%, Cr: max. 0,12 Gew.-% Ti: max. 0,08 Gew.-%,

nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, von denen jedes einzelne Element max. 0,05 Gew.-% aufweist und diese Elemente zusammen max. 0,08 Gew.-% aufweisen, und einem Rest Aluminium.
Bauteil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung 0,50 - 0,70 Gew.-% Mn und 0,05 - 0,10 Gew.-% Cr enthält.
Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung folgende Zusammensetzung aufweist: Si: 0,90 - 1,10 Gew.-%, Fe: 0,08 - 0,35 Gew.-%, Cu: max. 0,50 Gew.-%, Mg: 0,55 - 0,75 Gew.-%, Mn: 0,40 - 0,70 Gew.-%, Zn: max. 0,20 Gew.-%, Cr: max. 0,12 Gew.-%, Ti: max. 0,08 Gew.-%,

nebst unvermeidbaren Verunreinigungen, von denen jedes einzelne Element max. 0,05 Gew.-% aufweist und diese Elemente zusammen max. 0,15 Gew.-% aufweisen, und einem Rest Aluminium.
Bauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung mindestens 0,1 Gew.-% Cu und maximal 0,25 Gew.-% Cu enthält.
Bauteil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Energieabsorptionsbauteil ein Mehrkammerhohlprofil mit Wandstärken von weniger als 5 mm, insbesondere weniger als 3 mm ist.