EP2415882B1

EP2415882B1 - Verfahren zur Herstellung eines Blechformteils aus einer walzharten, nicht aushärtbaren Alumininiumlegierung

Info

Publication number: EP2415882B1
Application number: EP10008040.7A
Authority: EP
Inventors: Holger Diersmann; Jochen Dörr; Jochem Grewe; Andreas Hitz
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2016-03-23
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: EP2415882A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Blechformteils aus einer nicht aushärtbaren Aluminiumlegierung.
Es ist bekannt, hochbeanspruchte Fahrzeugkomponenten aus Aluminiumblechen herzustellen, wobei primär aushärtbare Legierungen eingesetzt werden. Der übliche Produktionsweg ist dabei das Vorformen des Aluminiumblechs geringerer Festigkeit mit anschließender Auslagerung zur Erzielung einer erhöhten Festigkeit.
Bei denjenigen Aluminiumlegierungen, bei denen keine Härtesteigerung durch eine Wärmebehandlung (Kalt- oder Warmauslagerung) erzielbar ist, kann eine Erhöhung der Festigkeit nur über die Umformung erreicht werden. Um auch aus Blechen dieser Legierungen komplexe Geometrien erstellen zu können, werden diese im Regelfall ebenso wie die aushärtbaren Legierungen in einem weichen Zustand umgeformt. Das heißt, dass diese nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen beispielsweise zuvor weichgeglüht werden.
Von Nachteil ist, dass Pressteile, die durch Umformen dieser weichgeglühten, nicht aushärtbaren Aluminiumbleche hergestellt werden, nur in Bereichen hoher Umformgrade eine deutliche Festigkeitssteigerung erfahren, mit der Folge, dass das Leichtbaupotenzial mit Formteilen aus den wirtschaftlich günstigen, nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen relativ gering ist. Das ist auch der Grund dafür, dass nicht aushärtbare Aluminiumlegierungen überwiegend im Fahrwerksbereich als dickwandige Bauteile zum Einsatz kommen. Nicht aushärtbare Aluminiumlegierungen zeichnen sich zumeist durch sehr gute Korrosionsbeständigkeit aus. Zudem kommen sie oft bei nicht hochbeanspruchten Bauteilen zum Einsatz, allerdings ohne den Fokus auf besonderen Leichtbau zu richten.
Um die aktuellen und zukünftigen Anforderungen an die Gewichtsoptimierung von Fahrzeugen zu erfüllen, muss versucht werden, bei allen Bauteilen Gewicht zu sparen. Dies betrifft auch Bauteile aus nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen. Diese Aluminiumlegierungen sind als Bleche höherer und hoher Festigkeit verfügbar, die durch Kaltwalzen oder durch Kaltwalzen mit gezielter Rückglühung hergestellt werden. Aus diesen im Handel erhältlichen Halbzeugen lassen sich jedoch bisher keine komplexen Bauteile herstellen, obwohl dies auf Grund der möglichen Gewichtsreduktion und der Materialersparnis wirtschaftlich interessant wäre.
Die JP 2009 012041 A offenbart ein Blechformteil aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung in einem Werkstoffzustand H1x oder H2x. Die Herstellung erfolgt aus einem Blechzuschnitt, der innerhalb von 2 bis 30 Sekunden auf 230° bis 350° C erwärmt und umgeformt und wieder aus dem Werkzeug genommen wird.
Durch die DE 60 2004 009 545 T2 zählt ebenfalls ein Blechformteil zum Stand der Technik aus einer Aluminium-Magnesium-Legierung im Zustand H1x oder H2x, zu dessen Herstellung ein Blechzuschnitt in weniger als 10 Sekunden auf 150° bis 350° C gebracht und umgeformt wird. Die Umformung erfolgt in einem zumindest teilweise erwärmten Werkzeug und unter Anwesenheit eines mit den späteren Arbeitsgängen kompatiblen Schmiermittels.
Aus der DE 29 50 379 A1 geht ein Verfahren zur Behandlung von ausscheidungshärtbaren Nichteisenlegierungen hervor. Bei diesem Verfahren wird die Legierung einem schnellen Abkühlvorgang von einer Temperatur im Bereich von halbwarmen Temperaturen bis zu einer Abschrecktemperatur unterworfen, wobei die Legierung mindestens innerhalb dieses Temperaturbereichs bearbeitet wird. Die Bearbeitung erfolgt beispielsweise nach dem Gießen in einem Walzwerk.
Im Umfang der WO 2009/123538 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von pressgeformten Blechformteilen aus Stahlplatinen bekannt. Hierbei werden die Stahlbleche in einem Schritt sowohl warm umgeformt als auch gekühlt.
Zum allgemeinen technologischen Hintergrund zählt das Fachbuch "Werkstoffkunde für Ingenieure", 31. Auflage, Dezember 2002 (2002-12-31), Springer-Verlag; ISBN: 978-3-642-17463-6, Seite 238 ff, Kapitel "7.2 Aluminium und Aluminiumlegierungen". Dort werden Aluminium und Aluminiumlegierungen, deren Herstellung und Eigenschaften beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie aus Blechen, bestehend aus walzharten, nicht aushärtbaren Aluminiumlegierungen, umformtechnisch ein komplexes Bauteil hoher Festigkeit rationell hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein wesentlicher Schritt der Erfindung ist, dass der Temperaturbereich, auf den das Blech erwärmt wird, zwischen 200 °C und 400 °C, insbesondere kleiner als 370 °C, ist und die Erwärmung und presstechnische Herstellung des Bauteils innerhalb eines Zeitraums von 1 bis 60 Sekunden erfolgt, wonach das erwärmte Blech in ein Umformwerkzeug einer Umformpresse eingelegt und zum Blechformteil umgeformt wird.
Dann erfolgt ein Abkühlen des Bleches auf eine Temperatur kleiner 200 °C innerhalb von 60 Sekunden nach der Erwärmung.
Die Abkühlung erfolgt durch Umformen.
Das erwärmte Blech wird in ein kaltes Umformwerkzeug eingelegt, wobei unter einem kalten Umformwerkzeug ein unbeheiztes bzw. nicht fremdbeheiztes Umformwerkzeug zu verstehen ist.
Im Rahmen der Erfindung erfolgt eine aktive Abkühlung des umgeformten Blechs.
Mit den üblichen Erwärmungsmethoden auf Temperaturen um 300 °C geht ein Großteil der Festigkeit bei dem Erwärmen im Ofen verloren. Es wurde jedoch festgestellt, dass sowohl die Rekristallisation als auch die Erholung des Gefüges von einer Temperatur-Zeitschwelle abhängig sind. Daher ist vorgesehen, ein walzhartes, nicht aushärtbares Aluminiumblech welches sich gemäß der Europäischen Norm EN515:1993, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist, im Werkstoffzustand H12, H14, H16, H18, H19, H22, H24, H26, H28, H32, H34, H36 oder H38 befindet und als Legierungskomponente neben Aluminium zumindest Magnesium und gegebenenfalls Mangan enthält, mit einer extrem hohen Geschwindigkeit aufzuheizen und dann so schnell in einem kalten Umformwerkzeug umzuformen, dass ein Großteil der Festigkeit im gesamten Bauteil erhalten bleibt. Experimente haben gezeigt, dass es ab einer legierungsabhängigen Schwelle aus Temperatur und Haltezeit zu einem Steilabfall der Eigenschaften des wieder erkalteten Bauteils kommt, wobei insbesondere die Dehngrenze R_p0,2 sehr zurückgeht. Dabei ist insbesondere die durch die Temperatur bedingte Grenze des Prozessfensters sehr schmal, aber auch die Haltezeit wird zunehmend kritischer, wenn man sich der Temperatur-Zeit-Schwelle nähert. Damit das Umformvermögen ausreichend groß ist, ist jedoch abhängig von der Bauteilgeometrie eine vergleichsweise hohe Temperatur von bis zu 300°C notwendig um die Formgebung zu erzielen, daraus kann, je nach Legierung ein vergleichsweise kleines Prozessfenster resultieren. Generell bringt das erfindungsgemäße Verfahren mit steigender Erwärmungs- und Haltezeit bei den umformtechnisch erforderlichen Temperaturen einen leichten Verlust an Festigkeit mit sich, so dass erfindungsgemäß möglichst kurze Gesamtzeiten auf Temperatur anzustreben sind. Da für das Handling nach der Erwärmung und dem Abpressen der Bleche bestimmte Taktzeiten technisch kaum, oder nur mit unwirtschaftlichem Aufwand, zu unterschreiten sind, bietet eine möglichst schnelle Erwärmung die besten Möglichkeiten Bauteile mit einer Festigkeit nahe der des Ausgangsbleches herzustellen. Hierzu muss das Blech auf eine Temperatur von mindestens 200 °C und höchstens 400 °C, vorzugsweise 250 °C bis 370 °C, insbesondere 270 °C bis 300 °C erwärmt werden. Die zugehörigen Aufheizzeiten für das erfindungsgemäße Verfahren liegen bei 1 bis 60 Sekunden, und damit deutlich unter denen die bei einer üblichen Ofenerwärmung auf die genannten Temperaturen möglich sind. Die Erwärmung kann deshalb vorzugsweise resistiv, konduktiv, induktiv oder kapazitiv erfolgen. Wobei der Erwärmungszeitraum, wie oben beschrieben, vorzugsweise kürzer ist und unter 45 Sekunden, insbesondere für Temperaturen oberhalb 250 °C unterhalb 30 Sekunden liegen sollte.
Die Europäische Norm EN515 legt fest, wie Basiszustände von Aluminiumhalbzeugen zu bezeichnen sind. Der Buchstabe H bedeutet kaltverfestigt. Diese Bezeichnung gilt für Erzeugnisse, die zur Sicherstellung der festgelegten mechanischen Eigenschaften nach dem Weichglühen (oder nach dem Warmumformen) einer Kaltumformung oder einer Kombination aus Kaltumformung und Erholungsglühen bzw. Stabilisieren unterzogen werden. An den Buchstaben H schließen sich zwei Ziffern an, die erste zur Kennzeichnung der Art der thermischen Behandlung, die zweite zur Kennzeichnung des Grades der Kaltverfestigung.
Unter Kaltumformung wird die plastische Umformung eines Metalls bei einer Temperatur und Geschwindigkeit verstanden, die zu einer Kaltverfestigung führt. Kaltverfestigung ist die Veränderung des Metallgefüges durch Kaltumformung, die zu erhöhter Festigkeit und Härte führt, wobei die Formbarkeit abnimmt.
Die Zustandsbezeichnung H1x steht für nur kaltverfestigte Erzeugnisse, die zur Erzielung der gewünschten Festigkeit ohne zusätzliche thermische Behandlung kaltverfestigt werden.
Die Zustandsbezeichnung H2x bedeutet kaltverfestigt und rückgeglüht. Dies gilt für Erzeugnisse, die über die gewünschte Endfestigkeit hinaus kaltverfestigt und dann durch Rückglühen auf die gewünschte Festigkeit entfestigt werden.
Die Zustandsbezeichnung H3x bedeutet kaltverfestigt und stabilisiert und gilt für kaltverfestigte Erzeugnisse, deren mechanische Eigenschaften durch eine thermische Behandlung bei niedriger Temperatur oder durch eine während der Bearbeitung vorgenommene Erwärmung stabilisiert werden. Stabilisieren verbessert im Allgemeinen das Umformvermögen. Diese Bezeichnung gilt nur für Legierungen, die sich ohne Stabilisierung durch Lagerung bei Raumtemperatur entfestigen.
Die zweite Ziffer nach dem H gibt den endgültigen Grad der Kaltverfestigung an, der durch die Mindestwerte der Zugfestigkeit gekennzeichnet ist. Die Zahl 8 wird den härtesten Zuständen, die üblicherweise hergestellt werden, zugeordnet. Die Zahl 9 bezeichnet Zustände, deren Mindestzugfestigkeit um 10 MPa oder mehr über der Zustände H8x liegt. Die Zahlen 2, 4 und 6 bezeichnen Zwischenzustände. Dementsprechend bedeutet H12 kaltverfestigt-1/4 hart, H14 kaltverfestigt-1/2 hart, H16 kaltverfestigt-3/4 hart und H18 kaltverfestigt-4/4 hart (voll durchgehärtet). Dementsprechend sind bei den Zuständen H22/24/26/28 kaltverfestigte und rückgeglühte Werkstoffe kategorisiert bzw. bei Zustandsangaben H32/34/36/38 kaltverfestigte und stabilisierte Werkstoffe. Insgesamt sollen daher Bleche zum Einsatz kommen, die walzhart sind und somit eine Kaltverfestigung durch Walzen erfahren haben.
Der Vorteil der Erfindung ist, dass ein relativ komplexes Bauteil aus einer walzharten, nicht aushärtbaren Aluminiumlegierung herstellbar ist, das komplett oder in Teilbereichen eine hohe Festigkeit aufweist. Das Besondere ist, dass die Teilbereiche hoher Festigkeit nicht von der Umformung und den eingebrachten Umformgraden abhängig sind. Dadurch ergibt sich ein alternativer Fertigungsweg im Vergleich zu aushärtbaren Legierungen, die auf Grund deutlich höherer Halbzeugkosten und einer bis zu 24 Stunden andauernden Wärmebehandlung des Bauteils hohe Produktionskosten mit sich bringen.
Ein offenes Blechformteil im Sinne dieser Erfindung ist ein aus einer Blechplatine, also aus einem im Wesentlichen ebenen Ausgangszustand presstechnisch hergestelltes Bauteil. Das Ausgangsmaterial ist durch Abwalzen auf einen bestimmten Zielwert kaltverfestigt worden. Ein offenes Blechformteil im Sinne der Erfindung meint nicht Hohlprofil.
Im Rahmen der Erfindung soll das walzharte, nicht aushärtbare Aluminiumblech vorzugsweise vollständig erwärmt und umgeformt werden. Denkbar ist aber auch eine partielle Warmumformung, indem das Blech vor der Umformung bereichsweise auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt wird. Es ist auch denkbar, dass das Blech Bereiche aufweist, die unterschiedlich lang erwärmt worden sind, sei es, um unterschiedliche Zieltemperaturen zu erreichen oder um durch die Erwärmungsdauer die lokalen Verformungseigenschaften des Blechs bzw. die Zielfestigkeiten zu beeinflussen.
Das Blech kann vorzugsweise resistiv, konduktiv, induktiv oder kapazitiv erwärmt werden.
Teile des Bleches bzw. des Blechformteils können nach der Umformung in einer Vorrichtung weiter auf Temperatur gehalten oder erhitzt werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es auch möglich, Bauteile, die nur in bestimmten Bereichen eine hohe Festigkeit aufweisen sollen, zu schaffen, wobei die Bauteile in anderen Bereichen gezielt eine geringere Festigkeit besitzen können, bei gleichzeitig verbesserten Dehnwerten. Hierbei wird das Ziel verfolgt, ein im Allgemeinen gegenüber einem komplett harten Bauteil verbessertes Bauteil zu schaffen, das insbesondere hinsichtlich des Verformungsverhaltens bei einem Unfall günstigere Eigenschaften besitzt, sei es im Hinblick auf die Energieaufnahme oder im Hinblick auf die Gewichtsersparnis.
Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, die bereichsweise unterschiedlich lange und hohe Erwärmung des Blechs während des Umformvorgangs fortzusetzen. Hierzu kann das Umformwerkzeug einen Formhohlraum aufweisen mit wenigstens einem Bereich, der beheizt wird. Alternativ oder zusätzlich zu beheizten Stellen im Werkzeug können auch gekühlte Bereiche vorgesehen sein. Durch die beheizten Bereiche im Umformwerkzeug besteht die Möglichkeit, das Werkstück innerhalb eines zusätzlichen Zeitraums auf höherer Temperatur zu halten, indem zunächst ein bestimmter Bereich länger anhaltend erwärmt wird.
Bei einer Mehrstufenumformung können auch in weiteren Werkzeugstufen Formhohlräume vorgesehen sein, die teilgeheizt sind. In gleicher Weise ist in einem auf die Umformung folgenden Prozessschritt eine zeitlich weitergehende oder höheren Erwärmung mittels eines partiell wirkenden Ofens oder eines Induktors möglich. Es wird allerdings als zweckmäßig angesehen, insbesondere die Variante höhere Erwärmungstemperatur vor der Umformung zu realisieren und nicht im Anschluss an die Umformung.
Automobilteile, die heute bevorzugt in aushärtbaren Legierungen gefertigt werden und künftig vorteilhaft durch erfindungsgemäß hergestellte Automobilteile ersetzt werden können, sind:

A, B, C - Säulen
Längsträger (Schweller, Mitteltunnel)
Querträger (Sitz- /Dach-)
Crashboxen
Bumper-Querträger
Verstärkungsbleche allgemein
Verstärkungsblech im Bodenbereich
Stirnwandquerträger (oben, Mitte, unten)
Fersenblechquerträger
Türbrüstung
Federbeindom

Automobilteile, die heute bevorzugt aus weichen nichtaushärtbaren Legierungen gefertigt werden und künftig vorteilhaft durch erfindungsgemäß hergestellte Automobilteile ersetzt werden können, sind:

Türinnenbleche
Schubfelder
Bodenbleche
Heckklappeninnenblech + Motorhaubeninnenblech
Querträger (Sitz- /Dach-)
Verstärkungsbleche allgemein
Verstärkungsblech im Bodenbereich
Stirnwandquerträger (oben, Mitte, unten)
Fersenblechquerträger
Längsträger (Schweller, Mitteltunnel)

Crashversuche haben gezeigt, dass erfindungsgemäß hergestellte Blechformteile im Crash eine überraschend hohe Duktilität zeigen, das heißt, es sind große Deformationen der Bauteile möglich, ohne dass es zum Versagen durch Risse kommt. Außerdem konnte in Versuchen gezeigt werden, dass die Energieaufnahme im Crashfall bei gleicher Intrusion um 15 % höher liegt als bei Blechformteilen aus der gleichen Legierung, die jedoch nicht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt worden sind. Noch größer ist der Unterschied in der Energieaufnahme bis zum Beginn einer plastischen Deformation, bedingt durch den hohen R_p0,2. Dies ist bedeutend für Bauteile, die hohe (Crash-)Kräfte weiterleiten sollen, ohne selbst plastisch zu deformieren (z. B. Bumper-Querträger).

Claims

Verfahren zur Herstellung eines offenen Blechformteils aus einer walzharten, nicht aushärtbaren Aluminiumlegierung mit folgenden Schritten:
a) Bereitstellen eines Blechs aus einer nicht aushärtbaren Aluminiumlegierung, welches sich gemäß der Europäischen Norm EN515:1993 im Werkstoffzustand H12, H14, H16, H18, H19, H22, H24, H26, H28, H32, H34, H36 oder H38 befindet und als Legierungskomponente neben Aluminium zumindest Magnesium und gegebenenfalls Mangan enthält;

b) zumindest lokales Erwärmen des Blechs auf eine Temperatur zwischen 200 °C und 400 °C innerhalb eines Zeitraums von 1 bis 60 Sekunden;

c) Einlegen des erwärmten Blechs in ein Umformwerkzeug einer Umformpresse und Umformen des Blechs zu dem Blechformteil;

d) Abkühlen des Blechformteils in dem kalten Umformwerkzeug auf eine Temperatur kleiner 200° C innerhalb von 60 Sekunden nach der Erwärmung.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass das
Blech vor dem Umformen auf Temperaturen zwischen 270 °C und 350 °C erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Blech vor der Umformung bereichsweise auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Blech bereichsweise unterschiedlich lange erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Blech resistiv, konduktiv, induktiv oder kapazitiv erwärmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Umformwerkzeug einen Formhohlraum mit wenigstens einem Bereich aufweist, der beheizt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass Teile des Bleches nach der Umformung in einer Vorrichtung weiter auf Temperatur gehalten oder noch höher erhitzt werden.