EP2175042B1 - Korrosionsbeständiges Aluminiumstrangpressprofil und Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils - Google Patents

Korrosionsbeständiges Aluminiumstrangpressprofil und Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils Download PDF

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EP2175042B1
EP2175042B1 EP20090011984 EP09011984A EP2175042B1 EP 2175042 B1 EP2175042 B1 EP 2175042B1 EP 20090011984 EP20090011984 EP 20090011984 EP 09011984 A EP09011984 A EP 09011984A EP 2175042 B1 EP2175042 B1 EP 2175042B1
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EP
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alloy
extrusion
heat treatment
corrosion
extruded section
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Hubert Dr. Koch
Jana Dipl.-Ing. Ehrke
Marcel Dr. Rosefort
Dieter Dr. Bramhoff
Horst Gers
Dirk Schnapp
Thomas Dipl.-Ing. Köhler
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Trimet Aluminium SE
Martinrea Honsel Germany GmbH
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Trimet Aluminium SE
Martinrea Honsel Germany GmbH
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    • 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
    • C22F1/047—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 magnesium as the next major constituent

Definitions

  • the invention relates to a corrosion-resistant aluminum extruded profile of an ALSiMg alloy, preferably a multi-chamber hollow profile and method for
  • the strength of aluminum wrought alloys of the AlMgSi type (6xxxx alloys) is essentially set by the alloying process (D. Altenpohl: "Aluminum viewed from the inside", Aluminum-Verlag). In this case, foreign atoms or precipitates act as impurities in the lattice of the Al microstructure. In the AlMgSi alloy type, it is the Mg 2 Si intermetallic compound which increases strength.
  • N.C. Parson et al. investigated Alloy Extrusion Ingots' microstructural alterations of 6000 series aluminum alloys at different homogenization parameters in The Effect of Heat Treatment.
  • JP 11181539 discloses an Al-Mg-Si-Cu alloy which is free of a recrystallized structure in the surface layer.
  • the aluminum alloy is composed of 0.8-1.2 wt.% Mg, 0.4 to 0.8 wt.% Si, 0.15 to 0.4 wt.% Cu, Al and other substances.
  • JP 2000282162 discloses 6000 series Al alloys with high corrosion protection even in an aggressive environment of Cl ions.
  • the object of the present invention was to produce an extruded profile, with which at least the previously known deformation and corrosion properties are achieved, but with higher strength properties, namely Rp 0.2> 280 MPa, Rm ⁇ 300 MPa and A ⁇ 10%.
  • the extruded profile according to the invention also has a microstructure with molded intermetallic phases of the type alpha-AlFeSi, beta-AlFeSi, Al15FeMn3Si2, Mg2Si, theta-AlCu, the particles of intermetallic phases being globulitically shaped and having a diameter ⁇ 1 ⁇ m.
  • the H 2 content of the melt is adjusted in the usual way by chlorination, by nitrogen or argon rinsing treatment.
  • the alloy is characterized by an excess of Mg, with the preferred weight ratio of magnesium to silicon in the alloy composition ranging from 1 to 2 at an alloy content of Si 0.30-0.60%.
  • the deformation properties and the ductility can be significantly improved if the contents of Mn, Fe, Cu and optionally Ti and Cr are significantly limited (see claim 1).
  • Mn and Cr are added during homogenization form dispersoids which can prevent recrystallization of the microstructure. These dispersoids reduce the local stresses in the structure and thereby increase the ductility.
  • the optimum content for Mn is between 0.05 and 0.10 and for Cr between 0.01 and 0.12%.
  • Titanium also increases ductility, with the content being between 0.01-0.12%.
  • the alloy is cast in a continuous casting process and then homogenized in the temperature range between 450 and 600 ° C in 1-10h.
  • the extruded profile is subjected to an immediate heat treatment in the temperature range 160-250 ° C for 20-1800min.
  • Table 1 Heat treatment and technological properties for four types of alloys according to the invention and two comparative alloys
  • Table 2 Alloy composition of the alloys according to the invention and of the comparative alloys in% by weight
  • Image 1 Microstructure of a structural component produced according to the invention
  • Picture 2 Microstructure of a structural component according to the prior art
  • Picture 3 Profile cross-section of the examined structural component
  • test numbers I to VI Six different hollow profiles (test numbers I to VI) with the homogenization conditions specified in Table 1 were produced by extrusion and subsequently heat-treated.
  • test numbers III, IV, V and VI showed good deformation and corrosion properties with increased strength and acceptable elongation values.
  • the special properties are based on the fact that the intermetallic phases of the type Mg 2 Si, Al 3 Fe, Al 2 Cu were formed during the heat treatment, so that globulitic particles ⁇ 1 ⁇ were uniformly distributed. This is shown by the micrograph Figure 1 for a hollow profile of the invention produced according to the invention V1 according to Table 2.
  • the hollow profile produced according to the prior art by heat treatment to the state T6 with Mg deficit according to test number I shows a significantly poorer deformation behavior.
  • the reason for this lies in the needle-shaped to plate-shaped structures of the intermetallic compounds, as the micrograph figure 2 shows.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein korrosionsbeständiges Aluminiumstrangpressprofil aus einer ALSiMg-Legierung, vorzugsweise ein Mehrkammerhohlprofil und Verfahren zur
  • Herstellung eines Strangpressprofils.
    • Stand der Technik:
  • Die Festigkeit bei Aluminium-Knetlegierungen vom Typ AlMgSi (6xxxx-Legierungen) wird im Wesentlichen durch die Legierungsverfestigung eingestellt (D. Altenpohl: "Aluminium von innen betrachtet", Aluminium-Verlag). Dabei wirken Fremdatome oder Ausscheidungen wie Störstellen im Gitter des Al-Gefüges. Bei dem Legierungstyp AlMgSi ist es die intermetallische Verbindung Mg2Si, die festigkeitssteigernd wirkt.
  • Viele der derzeit in Europa etablierten Al-Mg-Si-Knetlegierungen orientieren sich daher an der Mg2Si-Gleichgewichtsphase, besitzen aber zusätzlich einen Si-Überschuss. Das frei verfügbare Si bewirkt durch die Mischkristallbildung eine weitere Festigkeitssteigerung. Diese ist mit einem Si-Überschuss effektiver als bei einem gleichgroßen Mg-Überschuss (F. Ostermann: "Anwendungstechnologie Aluminium", Springer-Verlag).
  • Ein Si-Überschuss erhöht jedoch die Abschreckempfindlichkeit der Legierung. Weiterhin neigen diese Legierungen zur Bildung von Korngrenzenausscheidungen, die die Duktilität negativ beeinflussen (F. Ostermann: "Anwendungstechnologie Aluminium", Springer-Verlag). Das Si/Mg-Verhältnis besitzt ferner einen Einfluss auf das Verformungsverhalten (J. Roysted et. al.: "AIMgSi-alloys with improved Crush Properties", Extrusion Technologie 2008, Orlando). Mit steigendem Si/Mg-Verhältnis bis 1,1 verbessert sich auch das Verformungsverhalten. Zugaben von Cu als Legierungselement erhöhen ebenfalls die Festigkeit, allerdings auf Kosten der
  • Duktilität (J. Roysted et. al.: "AIMgSi-alloys with improved Crush Properties", Extrusion Technologie 2008, Orlando).
  • CA 2 266 193 offenbart eine extrudierbare Aluminium-Legierung bestehend aus 0,60-0,84% Magnesium, 0,45 bis 0,58% Silizium, 0,15 bis 0,40% Kupfer, 0,04 bis 0,35% Chrom, oder 0,20 bis 0,80% Mangan und weniger als 0,25% Eisen, wo Si > = (Mg/1.73 + (Mn + Cr + Fe) /3 bis 0,04). Der Gehalt an Magnesium wurde auf das mögliche Mindestmaß reduziert.
  • M. J. Couper et al. untersuchten in 'Effect of Homogenisation Temperature and Time on Billet Microstructure and Extruded Properties of Alloy 6061' die Effekte unterschiedlicher Homogenisierungsverfahren an der Aluminiumlegierung 6061. Im Rahmen dieser Untersuchungen werden unter anderem die Härte und die Mikrostruktur untersucht.
  • N.C. Parson et al. untersuchten in The Effect of Heat Treatment on the Microstructure and Properties of 6000 Series Alloy Extrusion Ingots' mikrostrukturelle Veränderungen von Aluminiumlegierungen der Serie 6000 bei unterschiedlichen Homogenisierungsparametern.
  • JP 11181539 offenbart eine Al-Mg-Si-Cu-Legierung, welche frei von einer umkristallisierten Struktur in der Oberflächenschicht ist. Die Aluminiumlegierung setzt sich aus 0,8-1,2 Gew.% Mg, 0,4 bis 0,8 Gew.% Si, 0,15 bis 0,4 Gew.% Cu, Al und weiteren Stoffen zusammen.
  • JP 2000282162 offenbart Al-Legierungen der Serie 6000 mit hohem Korrosionsschutz auch in einem aggressiven Umfeld von Cl-Ionen. Die Legierung enthält 0,4 bis 1,2 Gew.% Mg, 0,3 bis 1,4 Gew.% Si, Al, und die durchschnittliche Korngröße in der Oberflächenschicht ist <= 300 µm. Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es, ein Strangpressprofil zu erzeugen, mit dem zumindest die bisher bekannten Verformungs- und Korrosionseigenschaften erreicht werden, jedoch bei höheren Festigkeitseigenschaften und zwar Rp 0,2 > 280 MPa, Rm ≥ 300 MPa und A ≥ 10%.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Strangpressprofil aus der Aluminiumlegierung:
    • Si
    0,30 - 0,60%
    Mg
    0,8-1,2%
    Mn
    0,05-0,10%
    Fe
    0,1-0,3%
    Cu
    0,1-0,3%
    Ti
    0,01 - 0,12%
  • Rest Reinaluminium mit den üblichen Verunreinigungen, dem wahlweise ein Gehalt an Cr 0,01-0,12% zugesetzt werden kann.
  • Das erfindungsgemäße Strangpressprofil weist ferner eine Gefügestruktur mit eingeformten intermetallischen Phasen des Typs alpha-AlFeSi, beta-AlFeSi, Al15FeMn3Si2, Mg2Si, theta-AlCu auf, wobei die Partikel aus intermetallischen Phasen globulitisch geformt sind und einen Durchmesser ≤ 1 µm aufweisen.
  • Vorzugsweise beträgt der H2-Gehalt der Schmelze <=0,15ccm/100gr. Al. Der H2-Gehalt der Schmelze wird in üblicher Weise durch Chlorieren, durch Stickstoff- oder Argon-Spülbehandlung eingestellt.
  • Die Legierung zeichnet sich durch einen Mg-Überschuss aus, wobei das bevorzugte Gew-Verhältnis von Magnesium zu Silizium in der Legierungszusammensetzung im Bereich von 1 bis 2 bei einem Legierungsgehalt von Si 0,30 - 0,60% liegt.
  • Neuere Untersuchungen zeigen, dass mit einem Mg/Si-Verhältnis von nahezu 1 gute Festigkeitsergebnisse erzielt werden können, wobei eine Steigerung der Produktivität dieser Legierungen z.B. durch höhere Pressgeschwindigkeit, niedrigerem Anpressdruck und besserer Oberflächenqualität besonders herausgestellt wird (Comalco Aluminium Ltd.: "6xxx series aluminium alloys", EP 1 840 234 A1 ).
  • Allerdings lassen sich die Verformungseigenschaften und die Duktivität wesentlich verbessern, wenn die Gehalte an Mn, Fe, Cu sowie ggf. Ti und Cr deutlich eingeschränkt werden (siehe Anspruch 1).
  • Es wurde beobachtet, dass Zusätze von Mn und Cr während der Homogenisierung Dispersoide bilden, die eine Rekristallisation des Gefüges verhindern können. Diese Dispersoide verringern die lokalen Spannungen im Gefüge und erhöhen dabei die Duktilität. Der optimale Gehalt für Mn liegt dabei zwischen 0,05 und 0,10 und bei Cr zwischen 0,01 und 0,12 %.
  • Titan erhöht auch die Duktilität, wobei der Gehalt zwischen 0,01 - 0,12 % liegt.
  • Die Legierung wird im Stranggussverfahren vergossen und anschließend homogenisiert im Temperaturbereich zwischen 450 und 600°C in 1-10h. Das Strangpressprofil wird einer sofortigen Wärmebehandlung im Temperaturbereich 160-250°C für 20-1800min unterzogen.
  • Im Folgenden wird die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert.
  • Es zeigen:
    Tabelle 1: Wärmebehandlung und technologische Eigenschaften bei vier Legierungstypen nach der Erfindung und zwei Vergleichslegierungen
    Tabelle 2: Legierungszusammensetzung der erfindungsgemäßen Legierungen und der Vergleichslegierungen in Gew. %
    Bild 1: Gefügeaufnahme eines erfindungsgemäß hergestellten Strukturbauteils
    Bild 2: Gefügeaufnahme eines Strukturbauteils nach dem Stand der Technik
    Bild 3: Profilquerschnitt des untersuchten Strukturbauteils
  • Es wurden sechs verschiedene Hohlprofile (Versuchsnummer I bis VI) mit den in Tabelle 1 angegebenen Homogenisierungsbedingungen durch Strangpressen hergestellt und anschließend wärmebehandelt.
  • Die technologischen Eigenschaften wurden an Probenstäben gemessen und in Tabelle 1 aufgelistet.
  • Die erfindungsgemäßen Hohlprofile (Versuchsnummern III, IV, V und VI) zeigten gute Verformungs- und Korrosionseigenschaften bei erhöhter Festigkeit und akzeptablen Dehnungswerten.
  • Die besonderen Eigenschaften beruhen darauf, dass während der Wärmebehandlung die intermetallischen Phasen des Typs Mg2Si, Al3Fe, Al2Cu eingeformt wurden, so dass globulitisch geformte Partikel ≤ 1µ in gleichmäßiger Verteilung vorlagen. Dies zeigt die Gefügeaufnahme Bild 1 für ein erfindungsgemäß hergestelltes Hohlprofil der Legierung V1 gemäß Tabelle 2.
  • Im Vergleich dazu wurde ein Hohlprofil nach dem Stand der Technik hergestellt, wobei die Legierung B1 einen Mg-Unterschuss aufwies. Die genaue Zusammensetzung der Legierungsbeispiele ist Tabelle 2 zu entnehmen.
  • Das nach dem Stand der Technik durch Wärmebehandlung auf den Zustand T6 hergestellte Hohlprofil mit Mg-Unterschuss nach Versuchsnummer I zeigt ein deutlich schlechteres Verformungsverhalten. Die Ursache hierfür liegt in den nadelförmigen bis plattenförmigen Strukturen der intermetallischen Verbindungen, wie die Gefügeaufnahme Bild 2 erkennen lässt.
  • Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass nur durch die Kombination der erfindungsgemäßen Legierungsvarianten V1 - V4 mit den Verfahrensmaßnahmen gemäß Patentanspruch 4, die Lösung der vorliegenden Aufgabenstellung möglich ist. Wie die Versuchsauswertung zeigt, ist es gelungen, die Zugfestigkeiten oberhalb von 300 MPa einzustellen. Dies ist in erster Linie durch entsprechende Gehalte an den Legierungselementen Si, Mg und Cu zu erklären. Mit steigendem Si- und Mg-Gehalt verschlechtert sich das Verformungsverhalten. Durch die Zugabe von Cu und der Temperaturführung während des Fertigungsprozesses konnte gutes Stauchverhalten des Materials beibehalten werden. Tabelle 1: Wärmebehandlung und technologische Eigenschaften
    Hohlprofil Versuchs Nr. Legierung HO Wärmebehandlung Rm* [MPa] Rp0,2 [MPa] A [%] Stauchverhalten** Korrosionsverhalten***
    I B1 **** **** 260 220 11 10 i.O.
    II C1 580°C/3h 190°C/340min 280 270 14 10 i.O.
    III Leg. V1 580°C/3h 160°C/1700min 318 286 14 6 i.O.
    IV Leg. V2 560°C/10h 160°C/1700min 322 290 16 6 i.O.
    V Leg. V3 580°C/3h 240°C/190min 320 290 12 9 i.O.
    VI Leg. V4 560°C/10h 240°C/190min 310 305 10 9 i.O.
    * Technologische Eigenschaften gemessen an Probenstäben entnommen aus Mehrkammerhohlprofilen gemäß Bild 4.
    ** Bewertung 1 bis 10 des Stauchverhaltens nach J. Roysted et. al.: "AlMgSi-alloys with improved Crush Properties", Extrusion Technologie 2008, Orlando.
    1 : starke Rissbildung, Abfallen einzelner Profilteile
    10: keine Risse, keine Orangenhaut
    *** Korrosionstest analog zu DIN 50 905 (Prüfvorschrift nach Fa.Honsel)
    **** wärmebehandelt auf den Zustand T6
    Tabelle 2: Legierungszusammensetzung in Gew.%
    Si Mg Mn Fe Cu Ti Cr
    B1 0,57 0,39 0,15 0,20 - 0,01 -
    C1 0,48 0,47 0,03 0,19 0,20 0,013 -
    Leg. V1 0,41 0,86 0,07 0,22 0,16 0,016 0,015
    Leg. V2 0,48 0,81 0,06 0,27 0,22 0,015 -
    Leg. V3 0,51 0,85 0,09 0,12 0,18 0,014 -
    Leg. V4 0,45 0,84 0,07 0,21 0,24 0,06 -
  • Überraschender Weise zeigten die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Strukturbauteile eine Verbesserung der Kerbschlagzähigkeit. Dies wurde insbesondere an den Legierungen der Versuchs-Nr. V und VI festgestellt, deren Ergebnisse bei den Kerbschlagversuchen um mehr als 10% über den Vergleichswerten der Versuche III. und IV. und um mehr als 20% über den Werten der Versuche I. und II. lagen.

Claims (6)

  1. Korrosionsbeständiges Strangpressprofil aus einer AlSiMg-Legierung, vorzugsweise Mehrkammerhohlprofil, gekennzeichnet durch folgende Legierungszusammensetzung in Gew.%
    Si 0,30 - 0,60%
    Mg 0,8 - 1,2%
    Mn 0,05 - 0,10%
    Fe 0,1 - 0,3%
    Cu 0,1 - 0,3%
    sowie
    Ti 0,01 - 0,12% und wahlweise
    Cr 0,01 - 0,12%;
    Rest Reinaluminium mit den herstellungsbedingten Verunreinigungen;
    wobei das Strangpressprofil ferner eine Gefügestruktur mit eingeformten intermetallischen Phasen des Typs alpha-AlFeSi, beta-AlFeSi, Al15FeMn3Si2, Mg2Si, theta-AlCu aufweist, und wobei die Partikel aus intermetallischen Phasen globulitisch geformt sind und einen Durchmesser ≤ 1µm aufweisen.
  2. Strangpressprofil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
    Si 0,40- 0,60%
    Mg 0,82 - 0,90%
    Cu 0,15 - 0,25%.
  3. Strangpressprofil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gew.-Verhältnis von Magnesium zu Silizium in der Legierungszusammensetzung im Bereich von 1 bis 2 liegt.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Strangpressprofils gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche durch Stranggießen, Homogenisierung und einer dem Strangpressen unmittelbar anschließenden Wärmebehandlung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Legierung gemäß der vorhergehenden Ansprüche erzeugt wird und die Homogenisierung zwischen 450°C und 600°C für 1 bis 10 Stunden durchgeführt wird und dann unmittelbar nach dem Strangpressen eine Wärmebehandlung im Bereich von 160°C bis 260°C für 20 bis 1800 Minuten erfolgt.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung nach dem Strangpressen bei einer Temperatur von 180°C bis 250°C für 100 bis 1000 Minuten erfolgt.
  6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Stranggießen die Schmelze einen H2-Gehalt < 0,15 ccm/100gr. Al aufweist.
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