EP2554288A1 - Procédé et outil de traitement thermique d'une matière première en tôle d'aluminium ainsi que la matière première en tôle d'aluminium traitée par ce type de procédé - Google Patents
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- EP2554288A1 EP2554288A1 EP20120178269 EP12178269A EP2554288A1 EP 2554288 A1 EP2554288 A1 EP 2554288A1 EP 20120178269 EP20120178269 EP 20120178269 EP 12178269 A EP12178269 A EP 12178269A EP 2554288 A1 EP2554288 A1 EP 2554288A1
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Definitions
- the invention relates to a method for the heat treatment of aluminum sheet material, a tool for carrying out such a method and an aluminum sheet material heat-treated by such a method.
- Aluminum sheet materials are known in various alloy compositions as a lightweight material by obvious prior use. Curing aluminum alloys are known which have silicon and magnesium as the main alloying elements. Other alloying elements can be included. Such aluminum alloys are grouped according to an international standard in a class called AA6xxx. Such AlMgSi alloys have a comparatively high formability, since the alloying elements silicon and magnesium are present in the production of the aluminum sheet material not in dissolved form but as a supersaturated mixed crystal. This material state is unstable in time, ie after the sheet metal production begins a spontaneous cold aging process, whereby the strength of the material increases and its formability is reduced. Alternatively, the aluminum sheet material may also be subjected to a thermal aging process.
- precipitation-hardenable aluminum alloys with the main alloying elements zinc and magnesium exist. These can be stored analogously cold and warm and are summarized under the name 7xxx. From the textbook "Continuous time-temperature precipitation diagrams of Al-Mg-Si alloys" by Milkereit, Shaker Verlag, In 2011, it is known that quenching at a quench rate following solution heat treatment of the aluminum alloy affects the hardness of the thus heat treated material. As the cooling rate decreases, the hardness and strength of the sheet material decreases.
- From the DE 196 20 196 A1 and from the DE 10 2010 033 864 A1 are known methods for heat treatment of aluminum sheet material.
- Locally confined areas of a blank of the aluminum sheet material, also referred to as aluminum plate, are heated to effect localized softening of the material.
- This makes it possible to produce an aluminum plate having locally different material properties, which are optimized for example for a subsequent forming process.
- Later to be reshaped areas of the board are softened to facilitate a flow of material from these areas, while reducing the required forming forces. Areas of the board that have a force-transmitting function during forming are not softened.
- a subsequent forming process of the so-heat-treated board can be done in a cold state such as at room temperature.
- the methods mentioned require complex heat treatment strategies and tools such as laser beam sources, whereby a local heating of the sheet material must be ensured.
- such methods are hardly suitable.
- the heat treatment state of the boards is unstable in time due to the spontaneous onset of cold treatment process after the heat treatment.
- the incorporation of such a heat treatment process into a manufacturing process is complicated. A disturbance of the heat treatment process causes an interruption of a possibly subsequent forming process.
- the invention is therefore based on the object to provide a method for heat treatment of aluminum sheet material such that an adjustment of locally tailored material properties of the aluminum sheet material is facilitated.
- the core of the present invention is that the material properties of aluminum sheet material are locally adjustable differently by different cooling processes are locally applied differently on the aluminum sheet material.
- various cooling processes is meant that the cooling operations are carried out at different cooling rates, i. that the cooling of the aluminum sheet material is forced locally at different speeds.
- the aluminum sheet material is available as an aluminum plate, since the temperature control is possible both during heating and during cooling with higher accuracy.
- the aluminum sheet material for. with a reel in the form of a sheet metal strip continuously to provide. As a result, the discharge rate of the method can be increased because a separate handling of individual blanks is not required.
- the aluminum sheet material is first heated to a temperature equal to or higher than a heating temperature.
- This heating step is also referred to as solution annealing.
- the heating temperature may vary.
- AlMgSi alloys such as AA6016 or AA6181
- the heating temperature may be maintained at a temperature level equal to or higher than the heating temperature during a heating period, which may be about one hour, for example.
- the solution annealing time is about 20 minutes.
- the maintenance of the heating time ensures a release of the alloy components to a sufficient extent.
- a quenching of at least one quenching region of the aluminum sheet material takes place.
- the temperature of the aluminum board is lowered from the heating temperature to a temperature less than or equal to a quenching temperature.
- the quenching takes place within a quenching time, which may be, for example, more than 100 K / s, in particular more than 160 K / s.
- the aluminum sheet material has, for example, a comparatively high yield strength and a high tensile strength. Furthermore, a cooling of at least one cooling region of the aluminum sheet material to a temperature less than or equal to a cooling temperature, which may be, for example, the ambient temperature.
- the ambient temperature may be, for example, room temperature.
- the cooling takes place within a cooling period, wherein the cooling time is greater than the quenching time. This means that at least one cooling zone is cooled at a lower cooling rate than quenching at least one quench zone.
- the deterrent area and the cooling area may be adjacent but geometrically separated from each other. The two areas do not overlap. As a result, the quench area and the cooling area have different mechanical properties from each other.
- a difference of the adjusted material properties in the quenching area and in the cooling area is qualitatively temporally stable. This means that, despite a spontaneous onset of cold aging, a differential amount of the mechanical properties generated as a result of the heat treatment remains essentially approximately unchanged.
- a downstream forming process in particular temporally and spatially, can be decoupled from the heat treatment of the aluminum sheet material.
- the method of heat treatment according to the present invention enables the production of aluminum sheet material with locally tailored, high-quality time material properties. In particular, it is possible to adjust the material properties directly during the production of the aluminum sheet material. Downstream heat treatment, which occurs in the prior art processes through additional local heating of prefabricated sinkers, is not required in the present process. It is also possible to use the method according to the invention for an already produced, in particular hardened, aluminum plate, for example in a sheet metal processing plant, such as automobile or aircraft manufacturer or their suppliers.
- the aluminum plate it is possible to provide a plurality of cooling regions and / or a plurality of quenching regions on the aluminum plate.
- Essential for the adjustment of the material properties is the quench rate, d. H. one cooling per time.
- the quenching rate and thus the quenching time can be adjusted.
- the heat dissipation from the at least one quench area of the aluminum board is increased by a quench medium against cooling in air.
- Water is particularly suitable as a quenching medium and in particular available in many places.
- the quenching is carried out by deliberately supplying the quenching medium in the quenching area. It is also possible to use other quenching media, especially oil or gaseous quenching media such as N 2 or CO 2 .
- the cooling of at least one cooling zone takes place in air.
- Such a cooling process can be implemented with little equipment.
- the cooling can be additionally delayed by the fact that the cooling area is covered by steel plates.
- the steel plates act as heat storage, so that a slower dissipation of heat from the cooling area over the steel plates to the environment results.
- the quenching with high reliability is feasible.
- accidental quenching of the cooling region can be avoided since the at least one cooling region is shielded by means of a tool.
- quench medium undesirably comes into contact with the tool during quenching, this results in cooling of the tool, with cooling being delayed as compared to quenching. Due to the contact of the quenching medium with the tool, it will cool down faster in the edge regions. The result is a heat transfer area, which is reflected in the strength distribution.
- the procedure and the implementation are additionally simplified.
- the handling of the aluminum sheet material is simplified.
- a method according to claim 6 enables a targeted design of an aluminum plate to be produced with locally tailored material properties.
- a numerical calculation method it is possible to calculate both required mechanical properties as well as their arrangement and extent on the board for subsequent shaping of the board. Based on the thus calculated Distribution of mechanical properties, cooling ranges and quenching ranges can be set for the heat treatment.
- the essence of the invention is that aluminum sheet material is heat treated by the method described above. Such a heat-treated sheet metal material has in particular qualitatively time-stable mechanical properties.
- An aluminum sheet material according to claim 8 allows and / or simplifies a downstream forming process.
- An aluminum sheet material according to claim 9 ensures a further processing, in particular a deformation, of the aluminum sheet material with a time interval.
- a time interval within which a difference in mechanical properties between the at least one quench zone and the at least one quench zone is stable is in particular more than 50 hours, in particular more than 150 hours and in particular more than 1000 hours.
- the sheet material at a first location such as in a sheet metal manufacturing operation and subjected to a corresponding heat treatment and then at a further location such as a further processing operation, in particular for Sheet metal forming to be transported at an automobile manufacturer, wherein a difference in the mechanical properties does not change within a permissible, predefined time interval between sheet metal manufacturing and - processing.
- a reference component which has been heat-treated identically, such as the cooling zone or the quench zone, in order to be able to infer further material parameters required for the deformation of the aluminum board.
- the essence of the invention lies in the fact that the tool is made in two parts and comprises two tool halves which can be connected to each other, wherein at least one of the tool halves has an opening such that a quench area of the aluminum board is accessible from outside the tool.
- This tool half is designed like a mask.
- the opening may for example be designed as a recess in the form of a bore of the mold half. It is also possible that the opening is made in the edge region of the mold half. In particular, it is possible that a plurality of mutually different openings are provided for producing a plurality of quench areas of the aluminum plate.
- the tool according to the invention is easy to manufacture and allows direct and uncomplicated performance of a locally tailored deterrent process.
- a tool according to claim 13 is uncomplicated and in particular cost-reduced to produce.
- it is possible to produce the plate-shaped mold halves made of steel.
- steel is easy to process and thus simplifies the manufacture of the tool itself.
- steel is well suited to deliver the heat absorbed during the heating in the manufacture of the aluminum board in the cooling areas continuously and delayed with respect to the quenching areas.
- Steel plates as mold halves can serve as a buffer in the Heat emission act. A softening in the cooling areas is additionally secured. Unintentional quenching of the cooling areas can be avoided. It is also possible to use other tool materials.
- a tool 1 according to the invention comprises an upper mold half 2 and a lower mold half 3.
- the two mold halves 2, 3 are substantially identical and each have one of the other mold half 2, 3 facing tool inside 4 and one on the respective mold half 2, 3 of the tool inside 4 opposite tool outside 5 on.
- the upper and lower mold halves 2, 3 each have an aligned opening 6, which allow a passage from the tool outer side 5 to the tool inner side 4.
- the openings 6 have a circular basic shape in a plane oriented parallel to the tool sides 4, 5. It is also possible that the openings 6 are made with a different basic shape.
- the openings 6 have a longitudinal axis 7, which is oriented perpendicular to the tool sides 4, 5 according to the embodiment shown. It is possible that in the tool 1 more, in particular independent openings are provided.
- the openings can, as in Fig. 1 shown, having a basic shape with a closed contour, so be disposed within the respective mold half 2, 3. It is also possible that one or more openings are arranged in an edge region of the respective tool half 2, 3.
- the tool halves 2, 3 are plate-shaped and made of steel, especially made of stainless steel.
- a plurality of screws may be provided, for example in corner regions of the rectangular, in particular square, base of the tool halves 2, 3.
- connection for the two mold halves 2, 3 conceivable.
- the two mold halves 2, 3 along an outer edge by means of a hinge pivotally connect to each other and lock by a arranged on a hinge outer edge disposed closure. Such a connection facilitates opening and closing of the tool 1.
- the aluminum plate 8 is arranged between the two mold halves 2, 3 between the two mold halves 2, 3, an aluminum plate 8 is arranged.
- the aluminum plate 8 is in each case on the tool inside 4 of the tool halves 2, 3 at.
- the aluminum plate 8 is a sheet metal blank made of an aluminum alloy, in particular of a hardenable aluminum alloy, such as an AlZnMg (Cu) alloy or AlMgSi alloy, in particular AA6014, AA6016 or AA6181.
- the aluminum plate 8 has a circular base. Depending on the intended further processing, the blank is selected accordingly.
- the blank of the board 8 shown can be used for the production of a cylindrical cup.
- the openings 6 in the mold halves 2, 3 arranged in the tool 1 aluminum plate 8 from outside the tool 1 is accessible.
- the openings 6 are surrounded by a shielding section 9 of the tool halves 2, 3.
- the shielding section 9 is used during quenching of the arranged in the tool 1 aluminum plate 8 for shielding arranged underneath areas of the aluminum plate 8, which will be explained in more detail below.
- the shielding portion 9 is used for controlled and delayed heat release from the aluminum plate 8 on the tool halves 2, 3 to the environment.
- the tool halves 2, 3 may have a collar (not shown) projecting beyond the aluminum plate 8, which protrudes beyond the respective tool inner side 4, so that a gap between the two tool halves 2, 3 is closed. This avoids that heat is released via the end faces of the aluminum plate 8 during cooling of the tool 1 with the aluminum plate 8 disposed therein.
- the aluminum plate 8 is accessible from both sides on the outside.
- the heat treatment of thick sheet metal with a sheet thickness of, for example, greater than or equal to 2 mm is thus ensured that the material properties are distributed homogeneously along the sheet thickness.
- An only one-sided opening 6 in one of the two mold halves 2, 3 is also conceivable.
- Fig. 2 shows a schematic representation of an aluminum plate 8 according to the invention, which in the tool 1 according to Fig. 1 has been heat treated.
- the aluminum plate 8 comprises a centrically arranged circular deterrent area, which is shown hatched, and a cooling area 11 surrounding the deterrent area 10.
- the aluminum plate 8 in the quenching region 10 has an increased yield strength R p0 , 2 .
- the relationship shown - ie increased mechanical characteristics within the quench zone 10 and compared to reduced mechanical characteristics in the surrounding cooling zone 11 - for example, for the tensile strength R m or the hardness of the material.
- a difference ⁇ W between the material properties in the quench zone 10 and in the cooling zone 11 is at least 25% of the respective mechanical material property of the quench zone 11 and in particular up to 50% of the respective mechanical material property of the quench zone 11. This is especially true for the aluminum alloys AA6016 T4 or AA6181.
- the yield strength R p0 , 2 along the profile of the aluminum plate 8 has no exactly stepped course. At the edges of the regions 10, 11 a transition region is given in each case.
- the aluminum plate 8 is provided. This can be, for example, a substantially untreated aluminum plate in semifinished production, for example, in a sheet metal forming operation. It is also possible for an already manufactured and delivered aluminum plate to be subjected to the method explained below.
- the provided aluminum plate 8 is inserted into the tool 1. Subsequently, the tool 1 is closed and the two tool halves 2, 3 connected to each other, so that the aluminum plate 8 between the two mold halves 2, 3 is securely held.
- the tool 9 For the subsequent heat treatment and in particular for a final cooling of the tool 1 and the aluminum plate 8 located therein, it may be advantageous to design the tool 9 such that the contact pressure between the respective tool half 2, 3 and the aluminum plate 8 is adjustable.
- a hydraulic closing unit of the tool 1 wherein pressure sensors can be integrated in the tool halves 2, 3 such that a respective contact pressure can be determined.
- the Via a central machine control, the is in signal communication with the hydraulic clamping unit and / or the pressure sensors in the tool halves 2, 3, a contact pressure during the heat treatment and in particular during the heating and / or the subsequent cooling can be monitored and regulated.
- the aluminum plate 8 is heated from an ambient temperature T u together with the tool 1 to a temperature T which is greater than or equal to a heating temperature T er .
- the heating or heating for example, take place in a furnace, not shown.
- Such a heating strategy is straightforward and inexpensive to implement.
- the aluminum alloy according to the illustrated embodiment is AA6016 and is in a cold-cured state.
- the heating time is t he one hour.
- the alloying components are dissolved in the aluminum base material. This process step is also referred to as solution annealing.
- the tool 1 with the aluminum plate 8 inserted therein is removed from the oven and the quenching area 10 of the aluminum plate 8 is quenched.
- This is done by the over the openings 6 accessible from outside the tool 1 deterrent area 10 is acted upon with water as the quenching medium.
- the water has a temperature lower than the ambient temperature T u before quenching. This can be, for example, the temperature at which the water is taken from a conventional service water line. This temperature is for example between 10 ° C and 15 ° C.
- the quenching area 10 of the aluminum board 8 is quenched to a temperature lower than or equal to a quenching temperature T schr .
- the quenching temperature T schr is, for example, the ambient temperature T u of about 20 ° C.
- the quenching takes place within a quenching time t schr , which is a few seconds, in particular less than one second.
- Essential for the adjustment of the mechanical properties in the quench zone 10 is the cooling rate, which is also referred to as the quench rate. In the embodiment shown, the cooling rate is 161 K / s.
- the temperature control during quenching within the quench zone 10 is shown in the schematic diagram in FIG Fig. 4 represented by the solid line AS 10.
- the temperature profile of the aluminum board 8 in the cooling zone 11 is in terms of heating and maintaining the temperature during the heating time t he identical with the temperature-time profile within the quenching region 10. Since the cooling area is shielded by the shielding portion 9 of the upper tool half 2 11, the cooling zone 11 does not come into direct contact with the quenching medium water. Correspondingly, the cooling region 11 cools with a cooling rate of, for example, 0.8 K / s, which is reduced compared to the quenching region 10. This cooling rate results from the cooling of the steel plates 2, 3 by free convection to the environment. Cooling is considered complete when the cooling area 11 of the aluminum plate 8 has dropped to a temperature less than or equal to a cooling temperature T k .
- the cooling temperature T k may be, for example, the ambient temperature T u .
- the cooling takes place within a cooling time t k .
- the cooling time is greater than the quenching time t schr .
- the outer areas of the board are usually cooled slowly for 10-15 minutes. Once a temperature of about 200 ° C is reached, a slow cooling is no longer necessary. Then the entire tool can be quenched to room temperature with water.
- the cooling curve of the cooling area 11 is in Fig. 4 represented by a dash-dot line AK11.
- a tool 1 with differently arranged openings 6.
- the design of the tool 1 and in particular the arrangement, size and distribution of the openings can be done by means of a numerical calculation method.
- different quenching media can be used.
- a quenching medium such as water, may be used, with the temperature of the water prior to quenching chosen to be different for the different quench zones. Accordingly, different cooling rates result, which lead to different mechanical properties in said deterrent areas.
- Fig. 5 shows a schematic representation of the yield strength R p0 , 2 within the quench zone 10 and the cooling zone 11 for the in Fig. 2 Shown is the yield strength R p0 , 2 as a function of a storage period t L of the aluminum plate 8.
- the regions 10, 11, the yield strength R p0 , 2 , in Fig. 3 are shown.
- a spontaneous cold aging process takes place, which leads to a hardening of the regions 10, 11.
- the entire board 8 ie the quench zone 10 and the cooling zone 11 are equally heated and solution-annealed, the subsequent cold aging takes place concurrently, ie a difference ⁇ W between the yield point R p0 , 2 for the quench zone 10 and the Cooling area 11 does not change with the storage time t L advancing. That is, the absolute solidification is the same in both areas 10, 11.
- this makes it possible to carry out a sheet metal processing, for example by forming with a greater time delay compared to an upstream heat treatment, the material properties and in particular the differences in the material properties between the softened cooling area and the quenching area.
- This is a significant advantage over the known from the prior art method of local heat treatment for softening localized material areas.
- the locally softened areas are subject to a spontaneous cold aging, since only these areas were locally heat treated.
- cold work hardening in the case of a locally heat-treated board successively leads to a change in the ratios of the material properties.
- a difference between the material properties of the softened, heat treated area and the base material is variable with increasing storage time t L.
- the board After heat treatment and forming, the board can be stored in a warm condition.
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminiumblechwerkstoff, ein Werkzeug zur Durchführung eines derartigen Verfahrens und einen nach einem derartigen Verfahren wärmebehandelten Aluminiumblechwerkstoff.The invention relates to a method for the heat treatment of aluminum sheet material, a tool for carrying out such a method and an aluminum sheet material heat-treated by such a method.
Aluminiumblechwerkstoffe sind in verschiedenen Legierungszusammensetzungen als Leichtbauwerkstoff durch offenkundige Vorbenutzung bekannt. Es sind aushärtbare Aluminiumlegierungen bekannt, die als Hauptlegierungselemente Silizium und Magnesium aufweisen. Weitere Legierungselemente können enthalten sein. Derartige Aluminiumlegierungen werden gemäß einem internationalen Standard in einer Klasse mit der Bezeichnung AA6xxx zusammengefasst. Derartige AlMgSi-Legierungen weisen ein vergleichsweise hohes Umformvermögen auf, da die Legierungselemente Silizium und Magnesium bei der Herstellung des Aluminiumblechwerkstoffs nicht in gelöster Form sondern als übersättigter Mischkristall vorliegen. Dieser Werkstoffzustand ist zeitlich instabil, d. h. nach der Blechherstellung setzt ein spontaner Kaltauslagerungsprozess ein, wodurch die Festigkeit des Werkstoffes ansteigt und dessen Umformbarkeit reduziert wird. Alternativ kann der Aluminiumblechwerkstoff auch einem Warmauslagerungsprozess ausgesetzt werden. Zudem existieren ausscheidungshärtbare Aluminiumlegierungen mit den Hauptlegierungselementen Zink und Magnesium. Diese können analog kalt- und warmausgelagert werden und werden unter der Bezeichnung 7xxx zusammengefasst. Aus dem Fachbuch "Kontinuierliche Zeit-Temperatur-Ausscheidungsdiagramme von Al-Mg-Si-Legierungen" von Milkereit, Shaker Verlag, 2011, ist bekannt, dass ein Abschrecken mit einer Abschreckgeschwindigkeit im Anschluss an ein Lösungsglühen der Aluminiumlegierung die Härte des derart wärmebehandelten Werkstoffes beeinflusst. Mit sinkender Abkühlgeschwindigkeit nehmen die Härte und Festigkeit des Blechwerkstoffs ab.Aluminum sheet materials are known in various alloy compositions as a lightweight material by obvious prior use. Curing aluminum alloys are known which have silicon and magnesium as the main alloying elements. Other alloying elements can be included. Such aluminum alloys are grouped according to an international standard in a class called AA6xxx. Such AlMgSi alloys have a comparatively high formability, since the alloying elements silicon and magnesium are present in the production of the aluminum sheet material not in dissolved form but as a supersaturated mixed crystal. This material state is unstable in time, ie after the sheet metal production begins a spontaneous cold aging process, whereby the strength of the material increases and its formability is reduced. Alternatively, the aluminum sheet material may also be subjected to a thermal aging process. In addition, precipitation-hardenable aluminum alloys with the main alloying elements zinc and magnesium exist. These can be stored analogously cold and warm and are summarized under the name 7xxx. From the textbook "Continuous time-temperature precipitation diagrams of Al-Mg-Si alloys" by Milkereit, Shaker Verlag, In 2011, it is known that quenching at a quench rate following solution heat treatment of the aluminum alloy affects the hardness of the thus heat treated material. As the cooling rate decreases, the hardness and strength of the sheet material decreases.
Aus der
Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Aluminiumblechwerkstoff derart zu schaffen, dass eine Einstellung lokal maßgeschneiderter Werkstoffeigenschaften des Aluminiumblechwerkstoffs erleichtert ist.The invention is therefore based on the object to provide a method for heat treatment of aluminum sheet material such that an adjustment of locally tailored material properties of the aluminum sheet material is facilitated.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Der Kern der vorliegenden Erfindung liegt darin, dass die Werkstoffeigenschaften von Aluminiumblechwerkstoff lokal unterschiedlich einstellbar sind, indem verschiedene Abkühlvorgänge lokal unterschiedlich auf dem Aluminiumblechwerkstoff angewendet werden. Unter verschiedenen Abkühlvorgängen wird verstanden, dass die Abkühlvorgänge mit verschiedenen Abkühlgeschwindigkeiten durchgeführt werden, d.h. dass das Abkühlen des Aluminiumblechwerkstoffs lokal unterschiedlich schnell erzwungen wird. Es ist vorteilhaft, wenn der Aluminiumblechwerkstoff als Aluminiumplatine zur Verfügung steht, da die Temperaturführung sowohl während des Erwärmens als auch während des Abkühlens mit höherer Genauigkeit möglich ist. Es ist aber auch möglich, den Aluminiumblechwerkstoff z.B. mit einer Haspel in Form eines Blechbandes kontinuierlich zur Verfügung zu stellen. Dadurch kann die Ausstoßrate des Verfahrens erhöht werden, da eine separate Handhabung einzelner Blechzuschnitte nicht erforderlich ist.This object is solved by the features of claim 1. The core of the present invention is that the material properties of aluminum sheet material are locally adjustable differently by different cooling processes are locally applied differently on the aluminum sheet material. By various cooling processes is meant that the cooling operations are carried out at different cooling rates, i. that the cooling of the aluminum sheet material is forced locally at different speeds. It is advantageous if the aluminum sheet material is available as an aluminum plate, since the temperature control is possible both during heating and during cooling with higher accuracy. But it is also possible, the aluminum sheet material, for. with a reel in the form of a sheet metal strip continuously to provide. As a result, the discharge rate of the method can be increased because a separate handling of individual blanks is not required.
Während der Wärmebehandlung wird der Aluminiumblechwerkstoff zunächst auf eine Temperatur größer oder gleich einer Erwärmungstemperatur erwärmt. Dieser Erwärmungsschritt wird auch als Lösungsglühen bezeichnet. Je nach Legierungszusammensetzung des verwendeten Aluminiumblechwerkstoffs kann die Erwärmungstemperatur variieren. Für aushärtbare Aluminiumlegierungen mit den Legierungsbestandteilen Silizium und Magnesium, so genannte AlMgSi-Legierungen wie beispielsweise AA6016 oder AA6181, kann die Erwärmungstemperatur für das Lösungsglühen im Bereich zwischen 480°C und 540°C liegen. Die Temperatur wird auf einem Temperaturniveau größer oder gleich der Erwärmungstemperatur während einer Erwärmungsdauer, die beispielsweise etwa eine Stunde betragen kann, gehalten. Für AA6060 beträgt die Lösungsglühdauer ca. 20 Minuten. Das Einhalten der Erwärmungsdauer gewährleistet ein Lösen der Legierungsbestandteile in einem ausreichenden Maß. Anschließend erfolgt ein Abschrecken mindestens eines Abschreckungsbereichs des Aluminiumblechwerkstoffs. Die Temperatur der Aluminiumplatine wird von der Erwärmungstemperatur auf eine Temperatur, die kleiner oder gleich einer Abschrecktemperatur ist, abgesenkt. Das Abschrecken erfolgt innerhalb einer Abschreckdauer, die beispielsweise mehr als 100 K/s, insbesondere mehr als 160 K/s betragen kann. Infolge des Abschreckens, d. h. durch das Abkühlen innerhalb kurzer Zeit, werden diffusionsgesteuerte Ausscheidungsvorgänge unterdrückt, so dass die Legierungselemente in einem zwangsgelösten Zustand vorliegen. In mindestens einem Abschreckungsbereich weist der Aluminiumblechwerkstoff beispielsweise eine vergleichsweise hohe Streckgrenze und eine hohe Zugfestigkeit auf. Weiterhin erfolgt ein Abkühlen mindestens eines Abkühlungsbereichs des Aluminiumblechwerkstoffs auf eine Temperatur kleiner oder gleich einer Abkühltemperatur, die beispielsweise die Umgebungstemperatur sein kann. Die Umgebungstemperatur kann beispielsweise Raumtemperatur sein. Das Abkühlen erfolgt innerhalb einer Abkühldauer, wobei die Abkühldauer größer ist als die Abschreckdauer. Das bedeutet, dass das Abkühlen mindestens eines Abkühlungsbereichs mit einer geringeren Abkühlungsgeschwindigkeit erfolgt als das Abschrecken mindestens einen Abschreckungsbereichs. Der Abschreckungsbereich und der Abkühlungsbereich können aneinander angrenzen, sind jedoch geometrisch von einander getrennt. Die beiden Bereiche überlagern sich nicht. Dadurch weisen der Abschreckungsbereich und der Abkühlungsbereich voneinander verschiedene mechanische Eigenschaften auf. Insbesondere ist es möglich, beispielsweise die Streckgrenze und/oder die Festigkeit in dem Abkühlungsbereich gegenüber den korrespondierenden Werten in dem Abschreckungsbereich gezielt zu reduzieren. Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, dass ein Unterschied der eingestellten Werkstoffeigenschaften in dem Abschreckungsbereich und in dem Abkühlungsbereich qualitativ zeitlich stabil ist. Das bedeutet, dass trotz einer spontan einsetzenden Kaltauslagerung, ein infolge der Wärmebehandlung erzeugter Differenzbetrag der mechanischen Eigenschaften im Wesentlichen näherungsweise unverändert bleibt. Beispielsweise kann ein nachgelagerter Umformprozess, insbesondere zeitlich und räumlich, entkoppelt von der Wärmebehandlung des Aluminiumblechwerkstoffs erfolgen.During the heat treatment, the aluminum sheet material is first heated to a temperature equal to or higher than a heating temperature. This heating step is also referred to as solution annealing. Depending on the alloy composition of the aluminum sheet material used, the heating temperature may vary. For hardenable Aluminum alloys with the alloying constituents silicon and magnesium, so-called AlMgSi alloys such as AA6016 or AA6181, may have the heating temperature for solution annealing in the range between 480 ° C and 540 ° C. The temperature is maintained at a temperature level equal to or higher than the heating temperature during a heating period, which may be about one hour, for example. For AA6060, the solution annealing time is about 20 minutes. The maintenance of the heating time ensures a release of the alloy components to a sufficient extent. Subsequently, a quenching of at least one quenching region of the aluminum sheet material takes place. The temperature of the aluminum board is lowered from the heating temperature to a temperature less than or equal to a quenching temperature. The quenching takes place within a quenching time, which may be, for example, more than 100 K / s, in particular more than 160 K / s. As a result of the quenching, ie by the cooling within a short time, diffusion-controlled precipitation processes are suppressed, so that the alloying elements are in a positively dissolved state. In at least one quench zone, the aluminum sheet material has, for example, a comparatively high yield strength and a high tensile strength. Furthermore, a cooling of at least one cooling region of the aluminum sheet material to a temperature less than or equal to a cooling temperature, which may be, for example, the ambient temperature. The ambient temperature may be, for example, room temperature. The cooling takes place within a cooling period, wherein the cooling time is greater than the quenching time. This means that at least one cooling zone is cooled at a lower cooling rate than quenching at least one quench zone. The deterrent area and the cooling area may be adjacent but geometrically separated from each other. The two areas do not overlap. As a result, the quench area and the cooling area have different mechanical properties from each other. In particular, it is possible, for example, to deliberately reduce the yield strength and / or the strength in the cooling region compared with the corresponding values in the quench region. It has turned out to be particularly advantageous that a difference of the adjusted material properties in the quenching area and in the cooling area is qualitatively temporally stable. This means that, despite a spontaneous onset of cold aging, a differential amount of the mechanical properties generated as a result of the heat treatment remains essentially approximately unchanged. For example, a downstream forming process, in particular temporally and spatially, can be decoupled from the heat treatment of the aluminum sheet material.
Das Verfahren zur Wärmebehandlung gemäß der vorliegenden Erfindung ermöglicht die Herstellung von Aluminiumblechwerkstoff mit lokal maßgeschneiderten, qualitativ zeitstabilen Werkstoffeigenschaften. Insbesondere ist es möglich, die Werkstoffeigenschaften direkt während der Herstellung des Aluminiumblechwerkstoffs einzustellen. Eine nachgelagerte Wärmebehandlung, die bei den Verfahren gemäß dem Stand der Technik durch eine zusätzliche lokale Erwärmung vorgefertigter Platinen erfolgt, ist bei dem vorliegenden Verfahren nicht erforderlich. Es ist auch möglich, das erfindungsgemäße Verfahren für eine bereits hergestellte, insbesondere ausgehärtete Aluminiumplatine anzuwenden beispielsweise in einem blechverarbeitenden Betrieb wie Automobil- oder Flugzeughersteller oder deren Zulieferer.The method of heat treatment according to the present invention enables the production of aluminum sheet material with locally tailored, high-quality time material properties. In particular, it is possible to adjust the material properties directly during the production of the aluminum sheet material. Downstream heat treatment, which occurs in the prior art processes through additional local heating of prefabricated sinkers, is not required in the present process. It is also possible to use the method according to the invention for an already produced, in particular hardened, aluminum plate, for example in a sheet metal processing plant, such as automobile or aircraft manufacturer or their suppliers.
Es ist insbesondere möglich, mehrere Abkühlungsbereiche und/oder mehrere Abschreckungsbereiche auf der Aluminiumplatine vorzusehen. Zudem ist es möglich, Abschreckungsbereiche vorzusehen, wobei die jeweiligen Abschreckdauern der Abschreckungsbereiche voneinander verschieden sind. Damit ist es möglich, eine Aluminiumplatine mit einer größeren Gestaltungsvielfalt hinsichtlich der einzustellenden mechanischen Eigenschaften herzustellen. Insbesondere ist es möglich, benachbarte Abschreckungsbereiche derart einzustellen, dass ein abgestufter Übergang der Werkstoffeigenschaften wie beispielsweise von einer hohen Zugfestigkeit in dem Abschreckungsbereich hin zu stufenweise reduzierten Festigkeiten in weiteren Abschreckungsbereichen realisiert wird. Wesentlich für die Einstellung der Werkstoffeigenschaften ist die Abschreckrate, d. h. eine Abkühlung pro Zeit.In particular, it is possible to provide a plurality of cooling regions and / or a plurality of quenching regions on the aluminum plate. In addition, it is possible to provide deterrent areas, wherein the respective quenching durations of the deterrent areas are different from each other. This makes it possible to produce an aluminum plate with a greater variety of design with regard to the mechanical properties to be set. In particular, it is possible to adjust adjacent quench areas such that a gradual transition of the material properties such as from a high tensile strength in the quench area to stepwise reduced strengths in other quench areas is realized. Essential for the adjustment of the material properties is the quench rate, d. H. one cooling per time.
Bei einem Verfahren nach Anspruch 2 kann die Abschreckgeschwindigkeit und damit die Abschreckdauer eingestellt werden. Die Wärmeabfuhr von dem mindestens einen Abschreckungsbereich der Aluminiumplatine ist durch ein Abschreckmedium gegenüber einer Abkühlung an Luft erhöht. Wasser ist als Abschreckmedium besonders geeignet und insbesondere vielerorts verfügbar. Insbesondere erfolgt das Abschrecken durch gezieltes Zuführen des Abschreckmediums in dem Abschreckungsbereich. Es ist auch möglich, andere Abschreckmedien, insbesondere Öl oder gasförmige Abschreckmedien wie beispielsweise N2 oder CO2 zu verwenden.In a method according to
In einem Verfahren nach Anspruch 3 erfolgt das Abkühlen von mindestens einem Abkühlungsbereich an Luft. Ein derartiger Abkühlvorgang ist mit geringem apparativem Aufwand umsetzbar. Das Abkühlen kann zusätzlich dadurch verzögert werden, dass der Abkühlungsbereich durch Stahlplatten abgedeckt ist. In diesem Fall wirken die Stahlplatten als Wärmespeicher, so dass eine verlangsamte Wärmeabgabe von dem Abkühlungsbereich über die Stahlplatten an die Umgebung resultiert.In a method according to claim 3, the cooling of at least one cooling zone takes place in air. Such a cooling process can be implemented with little equipment. The cooling can be additionally delayed by the fact that the cooling area is covered by steel plates. In this case, the steel plates act as heat storage, so that a slower dissipation of heat from the cooling area over the steel plates to the environment results.
Bei einem Verfahren nach Anspruch 4 ist das Abschrecken mit hoher Zuverlässigkeit durchführbar. Insbesondere kann ein versehentliches Abschrecken des Abkühlungsbereichs vermieden werden, da der mindestens eine Abkühlungsbereich mittels eines Werkzeugs abgeschirmt ist. Für den Fall, dass während des Abschreckens Abschreckmedium unerwünscht mit dem Werkzeug in Kontakt kommt, führt dies zu einer Abkühlung des Werkzeugs, wobei die Abkühlung im Vergleich zu dem Abschrecken verzögert erfolgt. Durch den Kontakt des Abschreckmediums mit dem Werkzeug wird dieses in den Randbereichen schneller abkühlen. Es entsteht ein Wärmeübergangsbereich, welcher sich auch in der Festigkeitsverteilung wiederspiegelt.In a method according to
Bei einem Verfahren nach Anspruch 5 sind der Ablauf und die Durchführung zusätzlich vereinfacht. Dadurch, dass der Aluminiumblechwerkstoff bereits vor dem Erwärmen in ein Werkzeug eingelegt und gemeinsam mit diesem erwärmt wird, kann es vermieden werden, den Aluminiumblechwerkstoff in einem erwärmten Zustand in ein gegebenenfalls kaltes Werkzeug einlegen zu müssen. Die Handhabung des Aluminiumblechwerkstoffs ist vereinfacht.In a method according to
Ein Verfahren nach Anspruch 6 ermöglicht eine zielgerichtete Auslegung einer herzustellenden Aluminiumplatine mit lokal maßgeschneiderten Werkstoffeigenschaften. Mittels eines numerischen Berechnungsverfahrens ist es möglich, für eine nachfolgende Umformung der Platine sowohl erforderliche mechanische Eigenschaften als auch deren Anordnung und Ausdehnung auf der Platine zu berechnen. Auf Basis der so berechneten Verteilung der mechanischen Eigenschaften können Abkühlungsbereiche und Abschreckungsbereiche für die Wärmebehandlung festgelegt werden.A method according to
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Aluminiumblechwerkstoff mit lokal maßgeschneiderten Werkstoffeigenschaften bereitzustellen.It is a further object of the present invention to provide aluminum sheet material having locally tailored material properties.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 7 gelöst. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass Aluminiumblechwerkstoff anhand des vorstehend beschriebenen Verfahrens wärmebehandelt wird. Ein derart wärmebehandelter Blechwerkstoff weist insbesondere qualitativ zeitstabile mechanische Eigenschaften auf.This object is solved by the features of
Ein Aluminiumblechwerkstoff nach Anspruch 8 ermöglicht und/oder vereinfacht einen nachgelagerten Umformprozess.An aluminum sheet material according to claim 8 allows and / or simplifies a downstream forming process.
Ein Aluminiumblechwerkstoff nach Anspruch 9 gewährleistet eine Weiterverarbeitung, insbesondere eine Umformung, des Aluminiumblechwerkstoffs mit zeitlichem Abstand. Ein Zeitintervall, innerhalb dessen ein Differenzbetrag der mechanischen Eigenschaften zwischen dem mindestens einen Abschreckungsbereich und dem mindestens einen Abkühlungsbereich stabil ist, beträgt insbesondere mehr als 50 Stunden, insbesondere mehr als 150 Stunden und insbesondere mehr als 1000 Stunden. Dadurch ist es möglich, den Blechherstellungs-, Blechwärmebehandlungs- und Blechumformprozess voneinander zu entkoppeln. Insbesondere ist es möglich, den Blechwerkstoff an einem ersten Ort wie beispielsweise in einem Blechherstellungsbetrieb herzustellen sowie einer entsprechenden Wärmebehandlung zu unterziehen und anschließend an einem weiteren Ort wie beispielsweise an einem weiterverarbeitenden Betrieb, insbesondere zur Blechumformung bei einem Automobilhersteller zu transportieren, wobei sich ein Differenzbetrag der mechanischen Eigenschaften innerhalb eines zulässigen, vordefinierten Zeitintervalls zwischen Blechherstellung und - weiterverarbeitung nicht verändert. Für die Weiterverarbeitung einer derart hergestellten Platine kann es vorteilhaft sein, anhand eines Referenzbauteils, das identisch wärmebehandelt wurde wie der Abkühlungsbereich oder der Abschreckungsbereich, zu analysieren, um auf weitere, für die Umformung der Aluminiumplatine erforderliche Werkstoffkennwerte rückschließen zu können.An aluminum sheet material according to
Bei einem Aluminiumblechwerkstoff nach Anspruch 10 ist eine Reduzierung einer erforderlichen Umformkraft in großem Umfang möglich.In an aluminum sheet material according to
Ein Aluminiumblechwerkstoff nach Anspruch 11 hat sich als besonders geeignet erwiesen, um ein Profil der Werkstoffeigenschaften gemäß der vorliegenden Erfindung einzustellen. Diese aushärtbaren Aluminiumlegierungen lassen sich klassenweise wie folgt zusammenfassen:
- Klasse 6xxx: Al Mg Si
- Klasse 2xxx: Al Cu (Si, Mn), A1 Cu Mg, A1 Cu (Mg) Li
- Klasse 7xxx: Al Zn Mg, Al Zn Mg Cu
- Class 6xxx: Al Mg Si
- Class 2xxx: AlCu (Si, Mn), AlCuMg, AlCu (Mg) Li
- Class 7xxx: Al Zn Mg, Al Zn Mg Cu
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Werkzeug bereitzustellen, das eine Wärmebehandlung von Aluminiumblechwerkstoff vereinfacht.It is another object of the present invention to provide a tool that facilitates heat treatment of aluminum sheet material.
Diese Aufgabe ist mit einem Werkzeug gemäß Anspruch 12 gelöst. Der Kern der Erfindung liegt darin, dass das Werkzeug zweiteilig ausgeführt ist und zwei miteinander verbindbare Werkzeughälften umfasst, wobei mindestens eine der Werkzeughälften eine Öffnung derart aufweist, dass ein Abschreckungsbereich der Aluminiumplatine von außerhalb des Werkzeugs zugänglich ist. Diese Werkzeughälfte ist maskenartig ausgeführt. Die Öffnung kann beispielsweise als Ausnehmung in Form einer Bohrung der Werkzeughälfte ausgeführt sein. Es ist auch möglich, dass die Öffnung im Randbereich der Werkzeughälfte ausgeführt ist. Insbesondere ist es möglich, dass zur Herstellung mehrerer Abschreckungsbereiche der Aluminiumplatine mehrere voneinander unterschiedliche Öffnungen vorgesehen sind. Dadurch ist es möglich, die Abschreckungsbereiche der Aluminiumplatine durch die Öffnungen gezielt, gegebenenfalls separat, mit einem Abschreckmedium abzuschrecken. Die übrigen, nicht zugänglichen Bereiche der Aluminiumplatine stellen somit die Abkühlungsbereiche dar, die durch das Werkzeug vor einer Abschreckung durch das Abschreckmedium geschützt sind. Zudem kann die Dicke des Werkzeuges lokal variiert und damit die Abkühlgeschwindigkeiten maßgeschneidert angepasst werden. Derselbe Effekt kann erzielt werden, indem lokal unterschiedliche Materialien verwenden werden, wie etwa Kupfer statt Stahl. Das erfindungsgemäße Werkzeug ist einfach herzustellen und ermöglicht eine direkte und unkomplizierte Durchführung eines lokal maßgeschneiderten Abschreckungsvorgangs.This object is achieved with a tool according to claim 12. The essence of the invention lies in the fact that the tool is made in two parts and comprises two tool halves which can be connected to each other, wherein at least one of the tool halves has an opening such that a quench area of the aluminum board is accessible from outside the tool. This tool half is designed like a mask. The opening may for example be designed as a recess in the form of a bore of the mold half. It is also possible that the opening is made in the edge region of the mold half. In particular, it is possible that a plurality of mutually different openings are provided for producing a plurality of quench areas of the aluminum plate. This makes it possible to purposefully quench the quenching areas of the aluminum plate through the openings, optionally separately, with a quenching medium. The remaining, inaccessible areas of the aluminum plate thus represent the cooling areas that are protected by the tool from being quenched by the quench medium. In addition, the thickness of the tool can be varied locally and thus the cooling rates can be customized. The same effect can be achieved by using locally different materials, such as copper instead of steel. The tool according to the invention is easy to manufacture and allows direct and uncomplicated performance of a locally tailored deterrent process.
Ein Werkzeug nach Anspruch 13 ist unkompliziert und insbesondere kostenreduziert herstellbar. Insbesondere ist es möglich, die plattenförmigen Werkzeughälften aus Stahl herzustellen. Stahl ist einerseits gut bearbeitbar und vereinfacht somit die Herstellung des Werkzeugs an sich. Darüber hinaus ist Stahl gut geeignet, die während der Erwärmung bei der Herstellung der Aluminiumplatine aufgenommene Wärme in den Abkühlungsbereichen kontinuierlich und gegenüber dem Abschreckungsbereichen zeitverzögert abzugeben. Stahlplatten als Werkzeughälften können als Puffer bei der Wärmeabgabe wirken. Eine Entfestigung in den Abkühlungsbereichen ist zusätzlich gesichert. Ein unbeabsichtigtes Abschrecken der Abkühlungsbereiche kann vermieden werden. Es ist auch möglich, andere Werkzeugwerkstoffe zu verwenden.A tool according to claim 13 is uncomplicated and in particular cost-reduced to produce. In particular, it is possible to produce the plate-shaped mold halves made of steel. On the one hand, steel is easy to process and thus simplifies the manufacture of the tool itself. In addition, steel is well suited to deliver the heat absorbed during the heating in the manufacture of the aluminum board in the cooling areas continuously and delayed with respect to the quenching areas. Steel plates as mold halves can serve as a buffer in the Heat emission act. A softening in the cooling areas is additionally secured. Unintentional quenching of the cooling areas can be avoided. It is also possible to use other tool materials.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, des entsprechenden Werkzeugs und damit hergestellten Aluminiumblechwerkstoffs werden im Folgenden anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Perspektivdarstellung einer Aluminiumplatine in einem erfindungsgemäßen Werkzeug,
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung der wärmebehandelten Aluminiumplatine gemäß
Fig. 1 mit Kennzeichnung von Bereichen lokal variierender mechanischer Eigenschaften, - Fig. 3
- eine schematische Darstellung eines Profils der Werkstoffeigenschaften entlang einer Linie III-III in
Fig. 2 , - Fig. 4
- eine schematische Darstellung eines Temperatur-Zeit-Ablaufs der Aluminiumplatine bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Wärmebehandlung, und
- Fig. 5
- eine Darstellung einer ausgewählten mechanischen Eigenschaft eines Abschreckungsbereichs und eines Abkühlungsbereichs einer wärmebehandelten Aluminiumplatine.
- Fig. 1
- a schematic perspective view of an aluminum plate in a tool according to the invention,
- Fig. 2
- a schematic representation of the heat-treated aluminum plate according to
Fig. 1 marking areas of locally varying mechanical properties, - Fig. 3
- a schematic representation of a profile of the material properties along a line III-III in
Fig. 2 . - Fig. 4
- a schematic representation of a temperature-time-course of the aluminum plate in carrying out the method according to the invention for the heat treatment, and
- Fig. 5
- a representation of a selected mechanical property of a quench area and a cooling area of a heat treated aluminum plate.
Gemäß
Die Werkzeughälften 2, 3 sind plattenförmig ausgeführt und aus Stahl, insbesondere aus Edelstahl hergestellt. Um die beiden Werkzeughälften 2, 3 miteinander zu verbinden, können mehrere, nicht dargestellte Schrauben, beispielsweise in Eckenbereichen der rechteckigen, insbesondere quadratischen Grundfläche der Werkzeughälften 2, 3 vorgesehen sein. Es sind auch andere Verbindungsarten für die beiden Werkzeughälften 2, 3 denkbar. Beispielsweise ist es möglich, die beiden Werkzeughälften 2, 3 entlang einer Außenkante mittels eines Scharniers schwenkbar miteinander zu verbinden und durch einen an einer dem Scharnier gegenüberliegenden Außenkante angeordneten Verschluss zu verriegeln. Eine derartige Verbindung erleichtert das Öffnen und Schließen des Werkzeugs 1.The tool halves 2, 3 are plate-shaped and made of steel, especially made of stainless steel. In order to connect the two
Zwischen den beiden Werkzeughälften 2, 3 ist eine Aluminiumplatine 8 angeordnet. Die Aluminiumplatine 8 liegt jeweils an der WerkzeugInnenseite 4 der Werkzeughälften 2, 3 an. Die Aluminiumplatine 8 ist ein Blechzuschnitt aus einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung, wie beispielsweise einer AlZnMg(Cu)-Legierung oder AlMgSi-Legierung, insbesondere AA6014, AA6016 oder AA6181. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel hat die Aluminiumplatine 8 eine kreisförmige Grundfläche. Je nach beabsichtigter Weiterverarbeitung wird der Zuschnitt entsprechend gewählt. Der gezeigte Zuschnitt der Platine 8 kann für die umformtechnische Herstellung eines zylindrischen Napfes verwendet werden.Between the two
Durch die Öffnungen 6 in den Werkzeughälften 2, 3 ist die in dem Werkzeug 1 angeordnete Aluminiumplatine 8 von außerhalb des Werkzeugs 1 zugänglich. Die Öffnungen 6 sind von einem Abschirmabschnitt 9 der Werkzeughälften 2, 3 umgeben. Der Abschirmabschnitt 9 dient während eines Abschreckens der in dem Werkzeug 1 angeordneten Aluminiumplatine 8 zum Abschirmen darunter angeordneter Bereiche der Aluminiumplatine 8, die nachfolgend noch näher erläutert werden. Darüber hinaus dient der Abschirmabschnitt 9 zur kontrollierten und verzögerten Wärmeabgabe von der Aluminiumplatine 8 über die Werkzeughälften 2, 3 an die Umgebung.Through the
Die Werkzeughälften 2, 3 können in einem über die Aluminiumplatine 8 hinausragenden Randbereich einen nicht dargestellten Kragen aufweisen, der über die jeweilige Werkzeuginnenseite 4 hervorragt, so dass ein Spalt zwischen den beiden Werkzeughälften 2, 3 geschlossen ist. Dadurch wird vermieden, dass während eines Abkühlens des Werkzeugs 1 mit der darin angeordneten Aluminiumplatine 8 Wärme über die Stirnseiten der Aluminiumplatine 8 abgegeben wird.The tool halves 2, 3 may have a collar (not shown) projecting beyond the aluminum plate 8, which protrudes beyond the respective tool
Indem die beiden Werkzeughälften 2, 3 mit Öffnungen 6 identisch ausgeführt sind, ist die Aluminiumplatine 8 beidseitig von außen zugänglich. Insbesondere bei der Wärmebehandlung von Dickblech mit einer Blechdicke von beispielsweise größer oder gleich 2 mm wird somit gewährleistet, dass die Werkstoffeigenschaften entlang der Blechdicke homogen verteilt sind. Eine nur einseitige Öffnung 6 in einer der beiden Werkzeughälften 2, 3 ist ebenfalls denkbar.By the two
Gemäß der qualitativen Darstellung in
Wie in
Im Folgenden wird anhand der
Die Aluminiumplatine 8 wird ausgehend von einer Umgebungstemperatur Tu zusammen mit dem Werkzeug 1 auf eine Temperatur T erwärmt, die größer oder gleich einer Erwärmungstemperatur Ter ist. Das Erwärmen bzw. Aufheizen kann beispielsweise in einem nicht dargestellten Ofen erfolgen. Eine derartige Erwärmungsstrategie ist unkompliziert und kostengünstig realisierbar. Es sind auch andere Erwärmungsstrategien möglich, wobei eine kontinuierliche, homogene Erwärmung der Aluminiumplatine 8 und des Werkzeugs 1 angestrebt werden sollte. Die Aluminiumlegierung gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist AA6016 und liegt in einem kalt ausgehärteten Zustand vor. Die Erwärmungstemperatur beträgt in diesem Fall Ter = 550°C.The aluminum plate 8 is heated from an ambient temperature T u together with the tool 1 to a temperature T which is greater than or equal to a heating temperature T er . The heating or heating, for example, take place in a furnace, not shown. Such a heating strategy is straightforward and inexpensive to implement. There are also other heating strategies possible, with a continuous, homogeneous heating of the aluminum plate 8 and the tool 1 should be sought. The aluminum alloy according to the illustrated embodiment is AA6016 and is in a cold-cured state. The heating temperature in this case is T er = 550 ° C.
Nach Erreichen der Erwärmungstemperatur Ter wird diese während einer Erwärmungsdauer ter gehalten. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Erwärmungsdauer ter eine Stunde. Während der Erwärmungsdauer werden die Legierungsbestandteile im Aluminiumgrundwerkstoff gelöst. Dieser Verfahrensschritt wird auch als Lösungsglühen bezeichnet.After reaching the heating temperature T he is held during a heating time T he . In the embodiment shown, the heating time is t he one hour. During the heating period, the alloying components are dissolved in the aluminum base material. This process step is also referred to as solution annealing.
Anschließend wird das Werkzeug 1 mit der darin eingelegten Aluminiumplatine 8 aus dem Ofen entnommen und der Abschreckungsbereich 10 der Aluminiumplatine 8 abgeschreckt. Dies erfolgt dadurch, dass der über die Öffnungen 6 von außerhalb des Werkzeugs 1 zugängliche Abschreckungsbereich 10 mit Wasser als Abschreckungsmedium beaufschlagt wird. Das Wasser hat vor dem Abschrecken eine Temperatur kleiner als die Umgebungstemperatur Tu. Dies kann beispielsweise die Temperatur sein, mit der das Wasser aus einer üblichen Nutzwasserleitung entnommen wird. Diese Temperatur beträgt beispielsweise zwischen 10 °C und 15 °C. Dadurch wird der Abschreckungsbereich 10 der Aluminiumplatine 8 auf eine Temperatur, die kleiner oder gleich einer Abschrecktemperatur Tschr ist, abgeschreckt. Die Abschrecktemperatur Tschr ist beispielsweise die Umgebungstemperatur Tu von etwa 20 °C. Das Abschrecken erfolgt innerhalb einer Abschreckdauer tschr, die wenige Sekunden, insbesondere weniger als eine Sekunde beträgt. Wesentlich für die Einstellung der mechanischen Eigenschaften in dem Abschreckungsbereich 10 ist die Abkühlgeschwindigkeit, die auch als Abschreckrate bezeichnet wird. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt die Abkühlgeschwindigkeit 161 K/s. Die Temperaturführung während des Abschreckens innerhalb des Abschreckungsbereichs 10 ist in der schematischen Diagrammdarstellung in
Der Temperaturverlauf der Aluminiumplatine 8 im Abkühlungsbereich 11 ist hinsichtlich des Erwärmens und des Haltens der Temperatur während der Erwärmungsdauer ter identisch mit dem Temperatur-Zeit-Profil innerhalb des Abschreckungsbereichs 10. Da der Abkühlungsbereich 11 durch den Abschirmabschnitt 9 der oberen Werkzeughälfte 2 abgeschirmt ist, kommt der Abkühlungsbereich 11 mit dem Abschreckmedium Wasser nicht direkt in Kontakt. Entsprechend kühlt der Abkühlungsbereich 11 mit einer gegenüber dem Abschreckungsbereich 10 reduzierten Abkühlgeschwindigkeit von beispielsweise 0,8 K/s ab. Diese Abkühlgeschwindigkeit ergibt sich aus der Abkühlung der Stahlplatten 2, 3 durch freie Konvektion an die Umgebung. Das Abkühlen gilt als abgeschlossen, wenn der Abkühlungsbereich 11 der Aluminiumplatine 8 auf eine Temperatur kleiner oder gleich einer Abkühltemperatur Tk gesunken ist. Die Abkühltemperatur Tk kann beispielsweise die Umgebungstemperatur Tu sein. Das Abkühlen erfolgt innerhalb einer Abkühldauer tk. Die Abkühldauer ist größer als die Abschreckdauer tschr. Die äußeren Bereiche der Platine werden in der Regel 10-15 Minuten langsam abgekühlt. Sobald eine Temperatur von ca. 200°C erreicht ist, ist ein langsames Abkühlen nicht mehr nötig. Dann kann das gesamte Werkzeug bis auf Raumtemperatur mit Wasser abgeschreckt werden. Die Abkühlkurve des Abkühlungsbereichs 11 ist in
Je nach Anforderung eines nachfolgenden Weiterverarbeitungsprozesses wie beispielsweise eines Umformprozesses des wie vorstehend beschriebenen wärmebehandelten Aluminiumblechwerkstoffs kann es sinnvoll sein, mehrere, insbesondere voneinander unabhängige Abschreckungsbereiche 10 auf der Platine 8 vorzusehen. Entsprechend ist es erforderlich, ein Werkzeug 1 mit verschieden angeordneten Öffnungen 6 vorzusehen. Die Gestaltung des Werkzeugs 1 und insbesondere die Anordnung, Größe und Verteilung der Öffnungen kann mittels eines numerischen Berechnungsverfahrens erfolgen. Um verschiedene Abkühlgeschwindigkeiten in verschiedenen Abschreckungsbereichen zu realisieren, können beispielsweise verschiedene Abschreckmedien eingesetzt werden. Es ist auch möglich, dass ein Abschreckmedium, wie beispielsweise Wasser, eingesetzt wird, wobei die Temperatur des Wassers vor dem Abschrecken für die verschiedenen Abschreckungsbereiche unterschiedlich gewählt wird. Entsprechend ergeben sich unterschiedliche Abkühlgeschwindigkeiten, die zu verschiedenen mechanischen Eigenschaften in den genannten Abschreckungsbereichen führen. Dadurch ist es beispielsweise möglich, einen Übergang der mechanischen Eigenschaften zwischen einem Abschreckungsbereich 10 und dem Abkühlungsbereich 11 wie in
Insbesondere ist es dadurch möglich, eine Blechverarbeitung, beispielsweise durch Umformung mit größerer zeitlicher Verzögerung gegenüber einer vorgelagerten Wärmebehandlung durchzuführen, wobei die Werkstoffeigenschaften und insbesondere die Unterschiede der Werkstoffeigenschaften zwischen dem entfestigten Abkühlungsbereich und dem Abschreckungsbereich erhalten bleiben. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren einer lokalen Wärmebehandlung zur Entfestigung lokal begrenzter Werkstoffbereiche. Dort unterliegen ausschließlich die lokal entfestigten Bereiche einer spontanen Kaltauslagerung, da nur diese Bereiche lokal wärmebehandelt wurden. Entsprechend führt die Kaltverfestigung bei einer lokal wärmebehandelten Platine sukzessive zu einer Änderung der Verhältnisse der Werkstoffeigenschaften. Insbesondere ist ein Differenzbetrag zwischen den Werkstoffeigenschaften des entfestigten, wärmebehandelten Bereichs und des Grundwerkstoffs veränderlich mit zunehmender Lagerungszeit tL.In particular, this makes it possible to carry out a sheet metal processing, for example by forming with a greater time delay compared to an upstream heat treatment, the material properties and in particular the differences in the material properties between the softened cooling area and the quenching area. This is a significant advantage over the known from the prior art method of local heat treatment for softening localized material areas. There, only the locally softened areas are subject to a spontaneous cold aging, since only these areas were locally heat treated. Correspondingly, cold work hardening in the case of a locally heat-treated board successively leads to a change in the ratios of the material properties. In particular, a difference between the material properties of the softened, heat treated area and the base material is variable with increasing storage time t L.
Im Anschluss an die Wärmebehandlung und Umformung kann die Platine warmausgelagert werden.After heat treatment and forming, the board can be stored in a warm condition.
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