EP4610389A1

EP4610389A1 - Stranggepresstes strukturbauteil für ein kraftfahrzeug sowie ein verfahren zu dessen herstellung

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Publication number: EP4610389A1
Application number: EP25162651.1A
Authority: EP
Inventors: Lars Lodgaard; Karl Kristian Berger; Jochem Grewe; Tobias Böddeker; Yngve Langsrud
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2025-03-10
Filing date: 2025-03-10
Publication date: 2025-09-03

Abstract

Die Erfindung betrifft ein stranggepresstes Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, welches aus einer Aluminiumlegierung der 7000-Serie hergestellt ist, wobei die Aluminiumlegierung neben Al und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Zusammensetzung aufweist:
• 4,50 bis 6,60 Gew.-% Zn,
• 0,50 bis 1,7 Gew.-% Mg,
• 0,10 bis 0,20 Gew.-% Zr,
• 0,12 bis 0,35 Gew.-% Cu,
• 0,02 bis 0,16 Gew.-% Si,
• 0,00 bis 0,30 Gew.-% Fe,
• sowie 0,00 bis 0,10 Gew.-% Mn und 0,05 Gew.-% Cr und/oder Ti,

wobei Zn und Mg in einem Gewichtsverhältnis von 4,8 bis 6,6 vorliegen,
wobei das Strukturbauteil nach dem Strangpressen im W-Temper geformt ist und einen der Temperzustände T5, T5x, T6, T6x, T7 oder T7x aufweist,
wobei das Strukturbauteil hohl ausgebildet ist und eine Elastizitätsgrenze Rp0,2 > 250 MPa aufweist,
wobei das Strukturbauteil rekristallisierte Außenlagen (2, 3) aufweist, welche jeweils eine Stärke (D2, D3) aufweisen, die weniger als 15 % einer Wandstärke (D) des Strukturbauteils entsprechen.

Die Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein stranggepresstes Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14.
Es ist bekannt, Aluminiumlegierungen als Material für die Herstellung von stranggepressten Strukturbauteilen für Kraftfahrzeuge zu verwenden, da diese sich durch ihr geringes Gewicht, hohe Festigkeit und gute Korrosionsbeständigkeit auszeichnen. Insbesondere Aluminiumlegierungen der 7000er Serie, deren Hauptlegierungselement Zink ist, werden aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Steifigkeit und dynamischen Belastbarkeit vielfach im Fahrzeugbau eingesetzt.
Strukturbauteile aus Aluminiumlegierungen der 7000er Serie sind jedoch anfällig für Spannungsrisskorrosion. Die Spannungsrisskorrosion ist die transkristalline oder interkristalline Rissbildung in Werkstoffen unter dem gleichzeitigen Einfluss einer rein statischen Belastung sowie eines speziellen Korrosionsmediums.
Vor diesem Hintergrund ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein stranggepresstes Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug aufzuzeigen, welches aus einer Aluminiumlegierung der 7000er Serie hergestellt ist und eine verbesserte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit aufweist.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines entsprechenden Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug aufzuzeigen.
Der gegenständliche Teil der Aufgabe wird durch ein stranggepresstes Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Der verfahrenstechnische Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug ist stranggepresst und aus einer Aluminiumlegierung der 7000er Serie hergestellt. Dabei handelt es sich um eine Aluminiumlegierung, welche neben Aluminium Zink, Magnesium und Kupfer als Hauptlegierungselemente aufweist.
Erfindungsgemäß weist die Aluminiumlegierung neben Aluminium und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Zusammensetzung auf:

4,50 bis 6,60 Gew.-% Zn (Zink). Durch die Zugabe von Zink zusammen mit Magnesium und Kupfer kann die Festigkeit des aus der Aluminiumlegierung hergestellten Strukturbauteils erhöht werden. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch herausgestellt, dass eine Zugabe von über 6,60 Gew.-% Zn die Extrudierbarkeit verringern kann. Die Verwendung von weniger als 4,8 Gew.-% Zn führt hingegen zu geringen Festigkeiten.
0,50 bis 1,7 Gew.-% Mg (Magnesium). Der Anteil von Magnesium beeinflusst ebenfalls die Festigkeit, Extrudierbarkeit sowie die Korrosionsbeständigkeit des aus der Aluminiumlegierung hergestellten Strukturbauteils. Wird der Legierung zu viel Magnesium hinzugegeben, kann dies zu einer geringen Extrudierbarkeit des Legierungsmaterials führen. Hier hat sich im Rahmen der Erfindung eine obere Grenze von 1,7 Gew.-% Mg als vorteilhaft erwiesen. Ist die hinzugegebene Menge an Magnesium wiederum zu gering, kann dies zu einer reduzierten Festigkeit führen. Daher weist die Aluminiumlegierung erfindungsgemäß wenigstens 0,50 Gew.-% Mg auf.
0,10 bis 0,20 Gew.-% Zr (Zirkonium). Zirkonium wird der Aluminiumlegierung hinzugegeben um die Mikrostruktur der Legierung zu verbessern. Ein zu niedriger Zirkoniumgehalt kann zu einer verschlechterten Zähigkeit, Umformbarkeit, Fügbarkeit und Korrosionsbeständigkeit führen. Daher wird erfindungsgemäß mindestens 0,1 Gew.-% Zr der Legierung beigegeben. Ein übermäßiger Zirkoniumanteil kann zu einer Versprödung der Legierung führen oder Probleme bei der Herstellung von Gusslegierungen als Basis für das spätere Extrudieren verursachen. Daher hat sich im Rahmen der Erfindung ein Maximalwert von 0,20 Gew.-% als zweckmäßig erwiesen.
0,12 bis 0,35 Gew.-% Cu (Kupfer). Kupfer ist ein Ausscheidungshärtungselement und trägt durch die Bildung von stabilen Zn-Mg-Cu-Ausscheidungen zur Festigkeit der Legierung bei. Diese Ausscheidungen haben außerdem ein niedrigeres elektrochemisches Potenzial und verringern so die Empfindlichkeit der Legierung gegenüber Spannungskorrosion. Ein zu hoher Kupfergehalt kann jedoch die Korrosionsbeständigkeit sowie die Extrudierbarkeit der Legierung beeinträchtigen. Im Rahmen der Erfindung hat sich ein Maximalwert von 0,35 Gew.-% Cu als vorteilhaft erwiesen. Ein zu niedriger Kupfergehalt kann jedoch zu einer verminderten Festigkeit führen, sodass die Legierung erfindungsgemäß zumindest 0,12 Gew.-% Cu enthält.
0,02 bis 0,16 Gew.-% Si (Silicium), 0,00 bis 0,30 Gew.-% Fe (Eisen) sowie 0,00 bis 0,10 Gew.-% Mn (Mangan) und 0,05 Gew.-% Cr (Chrom) und/oder Ti (Titan). Die Hinzugabe entsprechender Mengen der Elemente Si, Fe, Mn, Cr und/oder Ti dient dazu die Mikrostruktur der Legierung und die mechanischen Eigenschaften wie Festigkeit, Zähigkeit, Korrosionsbeständigkeit und Bearbeitbarkeit zu verbessern. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass diese Effekte in dem angegebenen Intervallen besonders vorteilhaft in Erscheinung treten. Die Effekte treten insbesondere besonders vorteilhaft auf, wenn Si weniger als 0,15 Gew.-% und Fe weniger als 0,25 Gew.-% beträgt. Die Elemente Si, Fe, Mn, Cr und Ti sind insbesondere auf den Einsatz von Sekundärmaterial zurückzuführen. Überraschenderweise konnte im Rahmen der Erfindung festgestellt werden, dass trotz des Vorliegens entsprechender Mengen der Elemente Si, Fe, Mn, Cr und/oder Ti eine verbesserte Korrosionsbeständigkeit erreicht werden kann.

Erfindungswesentlich ist, dass Zn und Mg in der Aluminiumlegierung in einem Gewichtsverhältnis von 4,8 bis 6,6, bevorzugt weniger/gleich 6,0, besonders bevorzugt weniger/gleich 5,5 vorliegen. Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, dass sich nur in diesem Verhältnis von Zink und Magnesium die gewünschte Form und Anzahl von Ausscheidungen bilden, ohne dass es zu einem unerwünschten Überschuss an einem dieser Elemente kommt. Die Ausscheidungen bestimmen zum einen die Festigkeit der Legierung und zum anderen ihre Spannungskorrosionsbeständigkeit. Das erfindungsgemäße Gewichtsverhältnis hat sich insofern als vorteilhaft erwiesen, als ein im Vergleich dazu zu hoher Zinkgehalt die Korrosionsbeständigkeit negativ beeinflusst. Ein zu hoher Magnesiumanteil erhöht den Fließwiderstand und vermindert damit die Produktivität.
Das Strukturbauteil ist nach dem Strangpressen im W-Temper geformt. Der W-Temper ist ein Zwischenzustand, welcher in der EN 515 definiert ist und bedeutet, dass das Bauteil nach dem Strangpressen einer Lösungsbehandlung unterzogen und anschließend abgeschreckt wurde. In diesem Zustand ist das Material noch nicht stabil und für eine kurze Zeit weich umformbar. Da eine natürliche Alterung unmittelbar nach dem Abschrecken schnell und mit der Zeit degressiv verläuft, erfolgt die Umformung innerhalb von 30 Minuten nach dem Abschrecken, um reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen.
Das Strukturbauteil weist einen der Temperzustände T5, T5x, T6, T6x, T7 oder T7x nach EN 515 auf. auf. Die Temperzustände beziehen sich auf die spezifische Wärmebehandlung, welche die Aluminiumlegierung bzw. das Strukturbauteil nach dem Strangpressen erfahren hat. Die Temperzustände beeinflussen die mechanischen Eigenschaften des Strukturbauteils wie Festigkeit, Zähigkeit, Crashverhalten und Korrosionsresistenz.
Der T5-Zustand ist definiert als Abkühlung nach einem Formgebungsprozess bei erhöhter Temperatur und anschließender Warmauslagerung. Da die Norm nicht näher auf die tatsächliche "erhöhte" Temperatur eingeht, kann diese nicht niedriger sein als die Temperatur für das Lösungsglühen. Dies muss jedoch nicht der Fall sein. Auch die Abkühlung kann so schnell erfolgen, dass der bestmögliche Mischkristall entsteht. Künstliche Alterung ist gleichbedeutend mit einer abschließenden Wärmebehandlung, damit das Gefüge und die Eigenschaften anschließend stabil sind.
T5x sind modifizierte Versionen der T5-Vergütung, mit zusätzlichen Prozessschritten oder Prozessvariationen. Einzelheiten sind in EN 515 festgelegt.
Der T6-Zustand umfasst eine Lösungsbehandlung, insbesondere ein Lösungsglühen, gefolgt von einer künstlichen Alterung. Bei der Lösungsbehandlung wird das Aluminiumlegierungsmaterial auf eine hohe Temperatur erhitzt, insbesondere unterhalb der Rekristallisationstemperatur, bevorzugt auf 450° C bis 560° C, um die Legierungselemente wie Zink, Magnesium und Kupfer in Lösung zu bringen. Anschließend wird das Aluminiumlegierungsmaterial in Wasser oder einem anderen Abschreckmittel abgekühlt, um die Lösung von Legierungselementen in der Aluminiummatrix zu erhalten. Dies geschieht insbesondere bis zu einer Temperatur von 200 °C mit einer Abkühlrate von 5 bis 100 °C/min. Nach dem Abschrecken und einer optionalen Zwischenlagerung, in der das Material natürlich altert, wird das Aluminiumlegierungsmaterial insbesondere auf eine Temperatur zwischen 90 °C und 210°C, bevorzugt zwischen 120° C und 190° C erhitzt und für eine bestimmte Zeit gehalten. Dies kann in einem einstufigen oder mehrstufigen Prozess erfolgen. Diese künstliche Alterung führt dazu, dass sich feine Ausscheidungen bilden, die die Festigkeit der Legierung deutlich erhöhen. Im T6-Zustand weist das Strukturbauteil eine hohe Festigkeit auf.
Der T6x-Zustand bezeichnet eine modifizierte Version des T6-Zustands mit zusätzlichen Prozessschritten oder Prozessvariationen. Einzelheiten sind in EN 515 festgelegt.
Der T7-Zustand ist ähnlich dem T6-Zustand, jedoch mit einer längeren und intensiveren künstlichen Alterung nach der Lösungsbehandlung, die auch als Überalterung bezeichnet wird. Statt einer normalen Alterungszeit wird die Legierung in der T7-Behandlung für eine längere Zeit bei einer spezifischen Temperatur gehalten. Im überalterten Zustand weisen die Legierungen der Serie 7000 im Vergleich zum T6-Zustand in der Regel eine etwas geringere Festigkeit, aber eine höhere Zähigkeit, Bruchfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit auf.
Der T7x-Zustand bezeichnet eine modifizierte Version des T7-Zustands mit zusätzlichen Prozessschritten oder Prozessvariationen. Einzelheiten sind in EN 515 festgelegt.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil ist hohl ausgebildet. Hochfeste Aluminiumlegierungen der 7000 Serie sind grundsätzlich schwer zu extrudieren. Entsprechende Legierungen werden daher meist nur für einfache offene und dicke Strangpressprofile verwendet. Die erfindungsgemäße Zusammensetzung sorgt jedoch dafür, dass die Korrosionsbeständigkeit verbessert und gleichzeitig eine hohe Strangpressbarkeit gegeben ist, ohne die mechanischen Eigenschaften des hergestellten Strukturbauteils zu beeinträchtigen. Insbesondere weist das Strukturbauteil Ein-, Zwei- oder Mehrkammerprofile mit lokalen Wandstärken bis zu 2,5 mm für die höher legierten Varianten, für die niedriger legierten Varianten bis zu 2 mm auf, welche mit einer guten Produktivität extrudiert werden können.
Das Strukturbauteil weist eine Elastizitätsgrenze Rp02 größer als 270 MPa auf. Dies gilt insbesondere für Teile des Strukturbauteils, welche in Strangpressrichtung crashtauglich sein sollen. Die Elastizitätsgrenze des Strukturbauteils beschreibt den Punkt, bis zu dem das Material elastisch, mithin reversibel, belastet werden kann, bevor es dauerhaft plastisch verformt wird. Crashtauglich im Sinne der Erfindung sind Bereiche, die sich bei Belastung weitgehend plastisch verformen und bei Erreichen der Elastizitätsgrenze des Werkstoffs und/oder der geometrischen Gestaltung vom übrigen Bauteil abscheren. Teile des Strukturbauteils, welche im Bezug auf die Strangpressrichtung transversale Biege- und Stauchbelastungen ausgesetzt sind weisen bevorzugt eine Elastizitätsgrenze Rp02 größer als 320 MPa auf und Strukturteile ohne spezifische Crash-Anforderungen eine Elastizitätsgrenze Rp02 von mehr als 360 MPa.
Da Korrosionsreaktionen an den Korngrenzen stattfinden und sich dort ausbreiten, wo der Unterschied im elektrochemischen Potenzial zwischen Ausscheidungen und den umgebenden verarmten Zonen am größten ist, ist es von Vorteil, wenn über die gesamte Stärke des Profils möglichst viele Korngrenzen vorhanden sind. Ein faseriges Gefüge gewährleistet dies. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es daher wichtig, dass das Bauteil nur eine dünne rekristallisierte Schicht aufweist. Daher ist im Rahmen der Erfindung wesentlich, dass das Strukturbauteil zumindest abschnittsweise rekristallisierte Außenlagen aufweist, die jeweils eine Stärke aufweisen, die nicht mehr als 15 %, bevorzugt weniger als 12 %, besonders bevorzugt weniger als 8 % einer Wandstärke des Strukturbauteils an der jeweiligen Stelle entsprechen. Zwischen den rekristallisierten Außenlagen weist das Strukturbauteil bevorzugt ein faseriges Gefüge, mithin dünne Langkörner in Strangpressrichtung auf.
Die erfindungsgemäße Ausbildung des Strukturbauteils durch die Wärmebehandlung nach dem Strangpressen kann sich auf das gesamte Strukturbauteil oder ausgewählte Profilabschnitte des Strukturbauteils beziehen.
Die erfindungswesentlichen Merkmale des stranggepressten Strukturbauteils ergänzen sich in synergetischer Weise und bilden in ihrer Kombination ein Strukturbauteil aus, welches eine hohe und im Vergleich zu im Stand der Technik bekannten Strukturbauteilen aus Aluminiumlegierungen der 7000er Serie verbesserte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit aufweist.
Vorzugsweise weist das Strukturbauteil im T6 und T6x Zustand einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor KISCC (Stress Corrosion Cracking Fracture Toughness) von größer $7 MPa \cdot \sqrt{m}$ und im T7 und T7x Zustand einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor KISCC von größer $25 MPa \cdot \sqrt{m}$ auf. Der kritische Spannungsintensitätsfaktor KISCC gibt den Wert an, ab dem Risswachstum zu erwarten ist. Der kritische Spannungsintensitätsfaktor berechnet sich wie folgt: $KISCC = \frac{Δ Eh {[3 h {(a + 0, 6 h)}^{2} + h^{3}]}^{0, 5}}{4 [{(a + 0, 6 h)}^{3} + h^{2} a]}$
Um den kritischen Spannungsintensitätsfaktor zu bestimmen wurden schraubenbelastete und vorgerissene DCB-Proben (Double Cantilever Beam) in Anlehnung an ASTM G168 - 17 verwendet, die mit einer 3,5 Gew.-%igen NaCl-Lösung benetzt und einer feuchten Atmosphäre (82 % relative Luftfeuchtigkeit, 40 °C) ausgesetzt wurden. Die DCB-Proben wurden einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil entnommen. Dabei ist Δ die durch die Schraube verursachte Auslenkung der Probe am Belastungspunkt, E das Elastizitätsmodul, h die halbe Länge der Probenhöhe und a die Risslänge. Die Risslänge wird mit einem Lichtmikroskop von der Rissspitze bis zur Belastungslinie gemessen. Die erfindungsgemäßen Strukturbauteile besitzen gegenüber vergleichbaren und im Stand der Technik bekannten Bauteilen einen deutlich erhöhten Spannungsintensitätsfaktor auf. Bei bekannten Bauteilen im T6-Zustand beträgt dieser in der Regel ca. 3 MPa · $\sqrt{m}$ und bei bekannten Bauteilen im T7-Zustand ca. $16 MPa \cdot \sqrt{m}$ .
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil weist bevorzugt im T6 und T6x Zustand eine Rissausbreitungsgeschwindigkeit DCD (Delayed Cracking Detection) kleiner als 0,03 mm/h und im T7 und T7x Zustand eine Rissausbreitungsgeschwindigkeit DCD kleiner als 0,001 mm/h auf. Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit gibt an, wie schnell sich ein Riss unter den in dem vorherigen Absatz beschriebenen Versuchsbedingungen ausbreitet. Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, dass die Rissausbreitungsgeschwindigkeit der erfindungsgemäßen Strukturbauteile gegenüber den im Stand der Technik bekannten Bauteilen deutlich verringert werden konnte. So weisen im Stand der Technik bekannte Strukturbauteile im T6-Zustand Rissausbreitungsgeschwindigkeiten DCD von ca. 0,6 mm/h und im T7-Zustand ca. 0,004 mm/h auf.
Die hohe Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit des erfindungsgemäßen Strukturbauteils konnte zudem durch realitätsnahe Versuche mit einem speziellen Korrosionsmedium in Anlehnung an die Prüfungsnorm VW PV 1210 bestätigt werden.
Der Testzyklus ist zyklisch aufgebaut und besteht aus drei Phasen, die sich wiederholen:

1. Salzsprühnebelphase:
- Dauer: 4 Stunden
- Bedingungen: Salzsprühnebel gemäß DIN 50021-SS
- Zweck: Simuliert den Einfluss von salzhaltiger Atmosphäre, wie sie beispielsweise in Küstenregionen oder auf winterlichen Straßen vorkommt.
2. Normalklima-Phase:
- Dauer: 4 Stunden
- Bedingungen: 23 °C und 50 % relative Luftfeuchtigkeit nach DIN 50014-23/50-2
- Zweck: Repräsentiert typische Umgebungsbedingungen zur Bewertung des Materialverhaltens unter normalen klimatischen Verhältnissen.
3. Feuchtklima-Phase:
- Dauer: 16 Stunden
- Bedingungen: 40 ± 3 °C und 100 % relative Luftfeuchtigkeit nach DIN 50017-KK Zweck: Simuliert Bedingungen mit hoher Feuchtigkeit, um die Auswirkungen von Kondenswasser auf die Korrosionsbeständigkeit zu testen.

Nach fünf dieser Zyklen folgt eine zweitägige Ruhephase, um die Ergebnisse unter realistischeren Bedingungen zu bewerten. Dieser Ablauf ermöglicht es, das Korrosionsverhalten von Materialien und Beschichtungen unter wechselnden klimatischen Bedingungen zu untersuchen
Die direkt an den erfindungsgemäßen Strukturbauteilen selbst vorgenommenen Untersuchungen haben ergeben, dass diese sowohl im T6- als auch im T7-Zustand auch nach 72 Tagen Prüfungsdauer korrosionsfrei sind. Im Stand der Technik bekannte Bauteile aus Standard 7108 (EN 573) Legierungen in T6 und T7-Zuständen haben spätestens nach 63 Tagen Probedauer durch Korrosion verursachte Risse aufgewiesen.
Vorzugsweise liegen in der Aluminiumlegierung Zn und Mg in einem Gewichtsverhältnis von 5,0 bis 5,5 vor.
Bevorzugt weist die Aluminiumlegierung einen Zn-Anteil von 4,5 bis 6 Gew.-%, bevorzugt von 4,5 bis 5,5 Gew.-% auf.
Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn die Aluminiumlegierung einen Mg-Anteil von 0,5 bis 1,2 Gew.-%, bevorzugt von 0,5 bis 1,0 Gew.-% aufweist.
Insbesondere weist die Aluminiumlegierung einen Si-Anteil von 0,50 bis 1,2 Gew.-%, bevorzugt von 0,05 bis 1,0 Gew.-% auf.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsvariante der Erfindung ist die Aluminiumlegierung aus 25 bis 100 Gew.-% Sekundärmaterial hergestellt. Bei dem Sekundärmaterial handelt es sich insbesondere um recyceltes Aluminium, welches bevorzugt aus Produktionsschrott und Endverbraucherschrott gewonnen wird. Besonders bevorzugt ist die Aluminiumlegierung aus 10 bis 100 Gew.-% Endverbraucherschrott hergestellt. Dieser Schrotteinsatz spart Ressourcen, verringert den Abfall und reduziert die Emissionen, da nur ein Bruchteil der für die Herstellung der Primärmaterialien benötigten Energie verwendet wird. Die CO2-Emissionen können je nach Gehalt und Art des Sekundärmaterials und der Art der verwendeten Energie auf 3 kg CO2-Äquivalent/kg 7000er-Legierung, bevorzugt auf weniger als 2 kg CO2-Äquivalent/kg 7000er-Legierung gesenkt werden, verglichen mit mehr als 8 kg CO2-Äquivalent/kg 7000er-Legierung, die heute als typisch gelten.
Das Strukturbauteil weist bevorzugt eine Wandstärke kleiner 5 mm, bevorzugt kleiner 4 mm, besonders bevorzugt kleiner 3 mm auf. Diese Wandstärken haben sich als vorteilhaft für die Ausbildung der rekristallisierten Außenlagen erwiesen.
Vorzugsweise entsprechen die Stärken bzw. Dicken der rekristallisierten Außenlagen auf beiden Seiten maximal 5 % der jeweiligen lokalen Wandstärke des Strukturbauteils.
Die rekristallisierten Außenlagen weisen insbesondere eine mittlere Korngröße kleiner gleich 300 µm, bevorzugt kleiner gleich 250 µm oder eine maximale Korngröße kleiner gleich 300 µm auf. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass entsprechende Korngrenzen in Verbindung mit den rekristallisierten Außenlagen dazu führen, dass die Zugfestigkeit und die Härte des Materials gesteigert werden kann. Zudem kann eine verbesserte Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit erreicht werden.
Das Strukturbauteil hat vorzugsweise einen rekristallisationsfreien Kern zwischen den rekristallisierten Außenlagen. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften, die Zerdrückbarkeit und die Korrosionsbeständigkeit des Bauteils weiter verbessert.
Es hat sich ferner als vorteilhaft erwiesen, wenn das Strukturbauteil mit einem lokalen Umformgrad größer 10 %, bevorzugt größer 15 %, besonders bevorzugt größer/gleich 20 %, ganz besonders bevorzugt größer/gleich 25 % hergestellt ist. Die Kombination aus der spezifischen chemischen Zusammensetzung, der Mikrostruktur und der Verarbeitung, hier insbesondere die geringe Rekristallisation während des Strangpressens und das erneute Lösungsglühen und Abschrecken ohne Rekristallisation vor der Umformung, wie sie in dieser Erfindung vorgesehen ist, ist für die komplexe lokale nachgelagerte Umformung sehr vorteilhaft. Der lokale Umformgrad kann aus einer Umformsimulation abgeleitet werden, die mit einer geeigneten Materialkarte durchgeführt wird und am entsprechenden Bauteil durch Überprüfung der Geometrie vor und nach der Umformung kontrolliert wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Strukturbauteils gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, weist die folgenden Verfahrensschritte auf:

Bereitstellen eines Aluminiumlegierungsmaterials, welches neben Al und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Zusammensetzung aufweist:
- 4,50 bis 6,60 Gew.-% Zn,
- 0,50 bis 1,7 Gew.-% Mg,
- 0,10 bis 0,20 Gew.-% Zr,
- 0,12 bis 0,35 Gew.-% Cu,
- 0,02 bis 0,16 Gew.-% Si
- 0,00 bis 0,30 Gew.-% Fe
- sowie 0,00 bis 0,10 Gew.-% Mn und weniger als 0,05 Gew.-% Cr und/oder Ti
wobei Zn und Mg in einem Gewichtsverhältnis von 4,8 bis 6,6 vorliegen.
Strangpressen des Aluminiumlegierungsmaterials zu einem hohlen Strangpressprofil.
Lösungsglühen des Strangpressprofils unterhalb der Rekristallisationstemperatur, insbesondere bei 450°C bis 560°C. Mittels des Lösungsglühens wird eine homogene Mikrostruktur erreicht, in der die in der Legierung enthaltenen Elemente gleichmäßig verteilt vorliegen.
Anschließendes Abschrecken des lösungsgeglühten Strangpressprofils, wobei bis zu einer Temperatur von 200 °C eine Abkühlrate von 5 bis 100 °C/min verwendet wird. Das Abschrecken erfolgt insbesondere durch ein flüssiges Medium wie Wasser oder Öl. Durch die erfindungsgemäße Abkühlrate kann ein Lösen der Legierungselemente nach dem Lösungsglühen besonders vorteilhaft verhindert werden.
Formen des lösungsgeglühten und abgeschreckten Strangpressprofils zum Strukturbauteil im W-Temper Zustand innerhalb von 2 h nach dem Strangpressen. Im Rahmen der Erfindung hat sich herausgestellt, dass sich ein Umformen bei dem mehr als 2 h nach dem Strangpressen vergangen ist, nachteilig auf die Umformbarkeit auswirkt.
Künstliche Alterung des Strukturbauteils, sodass das Strukturbauteil einen der Temperzustände T5, T5x, T6, T6x, T7 oder T7x aufweist.

Das Formen des lösungsgeglühten und abgeschreckten Strangpressprofils im W-Temper Zustand kann innerhalb von 1 h, bevorzugt innerhalb von 0,5 h nach dem Strangpressen durchgeführt werden.
Insbesondere wird das Formen des Strukturbauteils mit einem lokalen Umformgrad größer 10 %, bevorzugt größer 15 %, besonders bevorzugt größer 20, ganz besonders bevorzugt größer 25 % durchgeführt.
Vorzugsweise wird das Strukturbauteil in wenigstens einem Werkzeug unter wenigstens einer Presse geformt. Das Strukturbauteil kann auch in mindestens einem Werkzeug unter wenigstens einer Presse geschnitten und/oder gelocht werden.
Bei der Umformung zum fertigen Strangpressbauteil kann es sich um ein Biegen bzw. Streckbiegen innerhalb zweier oder dreier Raumrichtungen handeln, oder um ein Druck- oder Druckzug-Umformverfahren.
Alle Merkmale des Strukturbauteils sind mit dem Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils kombinierbar.
Weitere Eigenschaften und Merkmale der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1: erfindungsgemäße rekristallisierte Außenlagen,
Figur 2: Probenausgestaltung und Versuchsanordnung zur Bestimmung eines Spannungsintensitätsfaktors und einer Rissausbreitungsgeschwindigkeit und
Figur 3: eine schematische Darstellung der Auswirkung der Spannungsintensität auf die Risswachstumsgeschwindigkeit.

Die erfindungsgemäßen rekristallisierten Außenlagen werden nachfolgend anhand der in der Figur 1 dargestellten mikroskopischen Aufnahme eines Querschnitts einer Wand eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils näher erläutert.
Die Figur 1a zeigt die mikroskopische Aufnahme eines Querschnitts einer Wand 1 eines erfindungsgemäßen Strukturbauteils quer zur Extrusionsrichtung. Die Wand 1 hat eine Wandstärke D von ca. 2,4 mm und weist beidseitig rekristallisierte Außenlagen 2, 3 auf.
Die rekristallisierten Außenlagen sind in den Figuren 1b und 1c vergrößert in Detailansichten dargestellt. Die obere rekristallisierte Außenlage 2 weist eine Stärke D2 von ca. 109 µm und die untere rekristallisierte Außenlage 3 eine Stärke D3 von ca. 64 µm auf. Die Stärken D2, D3 beziehen sich jeweils auf einen Messpunkt und unterliegen naturgemäß geringen Schwankungen. Die Stärke D2 der oberen Außenalge 2 entspricht somit ca. 4,5 % der Wandstärke D der Wand 1 des Strukturbauteils. Die Stärke D3 der unteren Außenlage 3 entspricht in diesem Ausführungsbeispiel ca. 2,7 % der Wandstärke D der Wand 1 des Strukturbauteils.
Zwischen den rekristallisierten Außenlagen 2, 3 weist die Wand 1 des Strukturbauteils einen rekristallisationsfreien Kern 4 auf.
Die Figur 2 zeigt eine Versuchsanordnung 5 zur Bestimmung eines kritischen Spannungsintensitätsfaktors und einer Rissausbreitungsgeschwindigkeit.
In den Figuren 2a bis 2c ist die Versuchsanordnung 5 in einer Draufsicht, einer Seitenansicht und einer Frontansicht gezeigt. Die Versuchsanordnung 5 umfasst einen Probenkörper 6 mit einer Breite b von 25,4 mm, eine Höhe 2h von 25,4 mm und einer Länge I von 127 mm.
Der Probenkörper 6 ist aus einem erfindungsgemäßen Strukturbauteil entnommen und weist eine endseitige V-förmige Ausnehmung 7 auf. Die Spitze 8 der V-förmigen Ausnehmung 7 weist zum nahegelegene Probenende. Zwischen der Spitze 8 der V-förmigen Ausnehmung 7 und dem Ende des Probenkörpers 6 ist ein Freiraum 9 zwischen einem oberen Teilstück 10 und einem unteren Teilstück 11 des Probenkörpers 6 ausgebildet. Die V-förmige Ausnehmung 7 als auch der Freiraum 9 weisen jeweils eine Höhe h1 von 2,5 mm auf. Dies ist auch in der in Figur 2d gezeigten Detailansicht DA der Figur 2b zu sehen. Der Detailansicht ist ebenfalls zu entnehmen, dass die V-förmige Ausnehmung 7 zum restlichen Probenkörper 6 hin eine ebenfalls V-förmige Einbuchtung 12 aufweist. Zwischen den Schenkeln 13 der V-förmigen Einbuchtung 12 ist ein Winkel α von 60° ausgebildet. Die V-förmige Ausnehmung 7 und Einbuchtung 12 dienen als Initialriss für einen Double Cantilever Beam-Test, um die Rissausbreitung zu initiieren.
Das obere Teilstück 10 des Probenkörpers 6 weist eine durchgehende Bohrung 14 mit einem Gewinde auf, in dem eine Schraube 15 angeordnet ist. Die Schraube 15 weist an ihrem unteren Ende eine Kugel 16 auf, die mit dem unteren Teilstück 11 des Probenkörpers 6 in Kontakt steht.
Zwischen dem ausnehmungsseitigen Probenende und der Längsachse LA der Schraube 15 ist ein Abstand a1 von 6,4 mm ausgebildet. Zwischen der Längsachse LA der Schraube 15 und der Spitze 8 der V-förmigen Ausnehmung 7 ist ein Abstand a2 von 5 mm ausgebildet. Die V-förmige Ausnehmung 7 erstreckt sich mit einer Länge I2 von 15 mm in Längsrichtung LR des Probenkörpers 6.
Während des Versuchs wird durch eine Rotation der Schraube 15 eine definierte konstante Kraft auf den Probenkörper 6 aufgebracht, welche das obere Teilstück 10 und das untere Teilstück 11 auseinanderdrückt. Während des Versuchs wird der Probenkörper mit einer 3,5 Gew.-%igen NaCl-Lösung benetzt und der Versuch findet in einer feuchten Atmosphäre mit 82 % relativer Luftfeuchtigkeit bei 40 °C statt.
Durch den Versuch kann zunächst der kritische Spannungsintensitätsfaktor KISCC bestimmt werden. Dabei handelt es sich um die Spannungsintensität, bei der die erste Rissbildung zu verzeichnen ist. Dies ist auch dem in der Figur 3 gezeigten Graphen zu entnehmen, der den beispielhaften Verlauf der Risswachstumsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Spannungsintensität aufzeigt. Die Risswachstumsgeschwindigkeit selbst wird durch die Messung der Risslänge über die Zeit bestimmt.
Die Versuche haben gezeigt, dass das Strukturbauteil im T6 und T6x Zustand einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor KISCC von größer $7 MPa \cdot \sqrt{m}$ und im T7 und T7x Zustand einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor KISCC von größer 25 MPa $\cdot \sqrt{m}$ aufweist. Die Rissausbreitungsgeschwindigkeit DCD ist im T6 und T6x Zustand kleiner als 0,03 mm/h und im T7 und T7x Zustand kleiner als 0,001 mm/h. Diese Werte stellen eine deutlich Verbesserung gegenüber im Stand der Technik bekannten Bauteilen dar, die deutlich geringere kritische Spannungsintensitätsfaktoren und höhere Rissausbreitungsgeschwindigkeiten aufweisen.

Bezugszeichen:

1 -: Wand
2 -: rekristallisierte Außenlage
3 -: rekristallisierte Außenlage
4 -: rekristallisationsfreier Kern
5 -: Versuchsanordnung
6 -: Probenkörper
7 -: Ausnehmung
8 -: Spitze von 7
9 -: Freiraum
10 -: oberes Teilstück
11 -: unteres Teilstück
12 -: Einbuchtung
13 -: Schenkel
14 -: Bohrung
15 -: Schraube
16 -: Kugel

D -: Wandstärke von 1
D2 -: Stärke von 2
D3 -: Stärke von 3
b -: Breite von 6
h -: Höhe von 6
l -: Länge von 6
DA -: Detailsansicht
α -: Winkel
LA -: Längsachse von 15
LR -: Längsrichtung von 6
a1 -: Abstand
a2 -: Abstand
l2 -: Länge
h1 -: Höhe von 7 und 9

Claims

Stranggepresstes Strukturbauteil für ein Kraftfahrzeug, welches aus einer Aluminiumlegierung der 7000-Serie hergestellt ist, wobei die Aluminiumlegierung neben Al und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Zusammensetzung aufweist:
• 4,50 bis 6,60 Gew.-% Zn,

• 0,50 bis 1,7 Gew.-% Mg,

• 0,10 bis 0,20 Gew.-% Zr,

• 0,12 bis 0,35 Gew.-% Cu,

• 0,02 bis 0,16 Gew.-% Si,

• 0,00 bis 0,30 Gew.-% Fe,

• sowie 0,00 bis 0,10 Gew.-% Mn und 0,05 Gew.-% Cr und/oder Ti,

wobei Zn und Mg in einem Gewichtsverhältnis von 4,8 bis 6,6 vorliegen,

wobei das Strukturbauteil nach dem Strangpressen im W-Temper geformt ist und einen der Temperzustände T5, T5x, T6, T6x, T7 oder T7x aufweist,

wobei das Strukturbauteil hohl ausgebildet ist und eine Elastizitätsgrenze Rp0,2 > 250 MPa aufweist,

wobei das Strukturbauteil rekristallisierte Außenlagen (2, 3) aufweist, welche jeweils eine Stärke (D2, D3) aufweisen, die weniger als 15 % einer Wandstärke (D) des Strukturbauteils entsprechen.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil im T6 und T6x Zustand einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor KISCC von größer $7 MPa \cdot \sqrt{m}$ und im T7 und T7x Zustand einen kritischen Spannungsintensitätsfaktor KISCC von größer $25 MPa \cdot \sqrt{m}$ aufweist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil im T6 und T6x Zustand eine Rissausbreitungsgeschwindigkeit DCD kleiner als 0,03 mm/h und im T7 und T7x Zustand eine Rissausbreitungsgeschwindigkeit DCD kleiner als 0,001 mm/h aufweist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Aluminiumlegierung Zn und Mg in einem Gewichtsverhältnis von 5,0 bis 5,8 vorliegen, insbesondere von 5,0 bis 5,5, bevorzugt weniger als 6,0, besonders bevorzugt weniger als 5,5.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Zn-Anteil von 4,50 bis 6,0 Gew.-%, bevorzugt von 4,50 bis 5,5 Gew.-% aufweist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Mg-Anteil von 0,50 bis 1,2 Gew.-%, bevorzugt von 0,05 bis 1,0 Gew.-% aufweist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung einen Si-Anteil von 0,05 bis 0,16 Gew.-%, insbesondere von 0,08 bis 0,15 Gew.-% aufweist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung aus 25 bis 100 Gew.-% Sekundärmaterial hergestellt ist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung aus 10 bis 100 Gew.-% Endverbraucherschrott hergestellt ist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil eine Wandstärke (D) < 5 mm, bevorzugt < 4 mm, besonders bevorzugt < 3 mm aufweist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die rekristallisierten Außenlagen (2, 3) eine mittlere Korngröße < 300 µm oder eine maximale Korngröße ≤ 300 µm aufweisen.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil zwischen den rekristallisierten Außenlagen (2, 3) einen rekristallisationsfreien Kern (4) aufweist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Strukturbauteil mit einem lokalen Umformgrad > 10 %, bevorzugt > 15 %, besonders bevorzugt ≥ 20 %, ganz besonders bevorzugt ≥ 25 % hergestellt ist.
Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils für ein Kraftfahrzeug mit den folgenden Schritten:
• Bereitstellen eines Aluminiumlegierungsmaterials, welches neben Al und unvermeidbaren Verunreinigungen folgende Zusammensetzung aufweist:
- 4,50 bis 6,60 Gew.-% Zn,

- 0,50 bis 1,7 Gew.-% Mg,

- 0,10 bis 0,20 Gew.-% Zr,

- 0,12 bis 0,35 Gew.-% Cu,

- 0,02 bis 0,16 Gew.-% Si,

- 0,00 bis 0,30 Gew.-% Fe,

- sowie 0,00 bis 0,10 Gew.-% Mn und wenigstens 0,05 Gew.-% Cr und/oder Ti,
wobei Zn und Mg in einem Gewichtsverhältnis von 4,8 bis 6,6 vorliegen,

• Strangpressen des Aluminiumlegierungsmaterials zu einem hohlen Strangpressprofil,

• Lösungsglühen des Strangpressprofils unterhalb der Rekristallisationstemperatur, insbesondere bei 450°C bis 560 °C,

• Abschrecken des lösungsgeglühten Strangpressprofils, wobei bis zu einer Temperatur von 200 °C eine Abkühlrate von 5 bis 100 °C/min verwendet wird,

• Formen des lösungsgeglühten und abgeschreckten Strangpressprofils zum Strukturbauteil im W-Temper Zustand innerhalb von 2 h nach dem Strangpressen,

• Künstliche Alterung des Strukturbauteils, sodass das Strukturbauteil einen der Temperzustände T5, T5x, T6, T6x, T7 oder T7x aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des lösungsgeglühten und abgeschreckten Strangpressprofils im W-Temper Zustand innerhalb von 1 h, bevorzugt innerhalb von 0,5 h nach dem Strangpressen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des lösungsgeglühten und abgeschreckten Strangpressprofils im W-Temper Zustand innerhalb von 5 Minuten in wenigstens einem Werkzeug unter wenigstens einer Presse durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Formen des lösungsgeglühten und abgeschreckten Strangpressprofils zum Strukturbauteil mit einem lokalen Umformgrad > 10 %, bevorzugt > 15 %, besonders bevorzugt ≥ 20 %, ganz besonders bevorzugt ≥ 25 % durchgeführt wird.