WO2000052216A1 - STRUKTURBAUTEIL AUS EINER ALUMINIUMLEGIERUNG VOM TYP AlMgSi - Google Patents

STRUKTURBAUTEIL AUS EINER ALUMINIUMLEGIERUNG VOM TYP AlMgSi Download PDF

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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/05—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys of the Al-Si-Mg type, i.e. containing silicon and magnesium in approximately equal proportions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/06—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent
    • C22C21/08—Alloys based on aluminium with magnesium as the next major constituent with silicon

Definitions

  • Structural component made of an aluminum alloy of the type AlMgSi
  • the invention relates to a structural component made of an aluminum alloy of the AlMgSi type, with a high absorption capacity for kinetic energy through plastic deformation.
  • the invention also encompasses a body part made of aluminum alloy, with high flexibility without crack and orange peel formation, in particular in the form of a two-sheet structure such as the bonnet, door and trunk lid of a passenger car.
  • Crash behavior is an increasingly important aspect in vehicle construction; this applies to road traffic as well as to rail traffic.
  • Manufacturers of road and rail vehicles are increasingly turning to dimensioning special components or even entire assemblies of the vehicle so that they absorb as much energy as possible in a collision, thereby reducing the risk of injury to passengers.
  • the mechanical properties of the materials and joining zones used are of crucial importance.
  • the aim is to absorb as much energy as possible before breaking. This can be achieved by a low ratio of yield strength to strength.
  • An important material characteristic is also a high elongation.
  • the requirements for the finished component must also be observed. In terms of construction, for example, a certain strength level, certain minimum values of the elongation, corrosion resistance or other essential characteristic values can be specified.
  • EP-A-0805219 discloses a structural component made of an AlMgSi alloy for use in vehicle construction.
  • the structural component is manufactured in a conventional manner by extrusion.
  • the invention is based on the object of creating a structural component of the type mentioned at the outset which fulfills the requirements with regard to crash behavior achieved with extruded structural components.
  • the alloy used for structural components should also be able to be used to manufacture body parts.
  • the structural component according to the invention preferably has a part formed from sheet metal and connected to form a tubular part or hollow body.
  • the tubular part is preferably rectangular in cross section, but can in principle have any cross-sectional shape.
  • the tubular part can be further shaped by internal high pressure forming.
  • the plate can be connected to a tubular part by any type of connection, for example by welding, gluing, riveting or screwing.
  • the alloy used for the structural component can also be used for the production of body parts, in particular in the form of a two-sheet structure such as the bonnet, door and trunk lid of a motor vehicle, which considerably simplifies the scrap recycling or recyclability of structural components and body panels.
  • the structural component according to the invention is particularly suitable as a safety component in vehicle construction, in particular in the automotive sector.
  • the alloy according to the invention can be processed in a customary manner by continuous casting or strip casting, hot and / or cold rolling into sheet metal or strip.
  • solution annealing is carried out in a continuous belt furnace in a temperature range from 520 ° C. to 580 ° C. with subsequent quenching. Quenching can be carried out in the usual way, usually with water or with air, depending on the sheet thickness.
  • solution annealing care must be taken to ensure that all soluble components such as Si and Mg 2 Si pass into solid solutions and are in the supersaturated state after cooling.
  • the cooling rate can have a significant effect on the mechanical properties, because if the cooling rate is too slow, Si and Mg 2 Si separate out at the grain boundaries and thus significantly deteriorate the crash and bending behavior. In addition, the hardenability and the corrosion behavior are impaired.
  • the structural components and body parts according to the invention are preferably used in the heat-cured state, in particular in the heat treatment state T6.
  • This state of heat treatment can be generated in body parts during a paint baking cycle.
  • the strips or sheets used to produce the structural components according to the invention and the body parts are preferably in a thickness range from 0.8 to 4 mm.
  • the strips and sheets can additionally be chemically or electrochemically pretreated and / or provided with a dry lubricant coating prior to finishing.
  • the crash behavior was assessed in a quasi-static compression test with grades from 1 to 3, 3 being the top grade.
  • the quasi-static compression test is used to assess energy-absorbing components.
  • the desired behavior is characterized by regular folding without cracking.
  • the appearance of the compressed samples was rated 3 (no cracking, even folding), 2 (roughened, slightly torn), and 1 (cracking).

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Abstract

Ein zur Herstellung von Strukturbauteilen mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung geeignete Legierung vom Typ AlMgSi enthält in Gew.% Silizium 0.45 bis 0.85, Magnesium 0.35 bis 1.0, Kupfer 0.05 bis 0.30, Eisen 0.05 bis 0.25, Vanadium max. 0.25, Mangan max. 0.10 sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen einzeln max. 0.05, insgesamt max. 0.15 und Aluminium als Rest. Das Strukturbauteil ist aus gewalztem Band oder Blech der Legierung gefertigt. Aus der Legierung hergestellte Bauteile sind als Sicherheitsteile im Fahrzeugbau geeignet. Die Legierung eignet sich auch zur Herstellung von Karosserieteilen mit hoher Biegefähigkeit ohne Riss- und Orangenhautbildung, insbesondere zur Herstellung von Zweiblechstrukturen wie Motorhaube, Tür und Kofferraumdeckel eines Personenkraftwagens. Strukturbauteile und Karosserieteile lassen sich auf einfache Weise gemeinsam rezyklieren.

Description

Strukturbauteil aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi
Die Erfindung betrifft ein Strukturbauteil aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi, mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung. Die Erfindung umfasst auch ein Karosserieteil aus der Aluminiumlegierung, mit hoher Biegefähigkeit ohne Riss- und Orangenhautausbildung, insbesondere in Form einer Zweiblechstruktur wie Motorhaube, Tür und Koffer- raumdeckel eines Personenkraftwagens.
Das Crash-Verhalten ist im Fahrzeugbau ein zunehmend wichtiger Aspekt; dies gilt für den Strassenverkehr ebenso wie für den Schienenverkehr. Hersteller von Strassen- und Schienenfahrzeugen gehen immer mehr dazu über, spezielle Bauelemente oder sogar ganze Baugruppen des Fahrzeugs so zu dimensionieren, dass diese bei einem Zusammenstoss möglichst viel Energie absor- bieren, um damit das Verletzungsrisiko der Passagiere zu verringern. Neben der konstruktiven Gestaltung dieser sogenannten Crash-Elemente sind die mechanischen Eigenschaften der eingesetzten Werkstoffe und Fügezonen von ausschlaggebender Bedeutung. Angestrebt wird eine möglichst grosse Absorption von Energie vor dem Bruch. Dies kann durch ein niedriges Verhältnis von Streckgrenze zu Festigkeit erreicht werden. Ein wichtiges Werkstoffmerkmal ist auch eine hohe Dehnung. Zu beachten sind auch die Anforderungen an das fertige Bauteil. Von der Konstruktion her können beispielsweise ein bestimmtes Festigkeitsniveau, bestimmte Mindestwerte der Dehnung, Korrosionsbeständigkeit oder andere wesentliche Kennwerte vorgegeben sein.
Die wachsende Bedeutung der Herstellung leichterer Automobile zur Energieeinsparung hat zur Entwicklung einer grossen Anzahl von Aluminiumlegierungen für Automobilanwendungen geführt. Ideal wäre eine einzige Aluminiumlegierung, die für verschiedene Teile im Automobilbau eingesetzt werden könnte. Besonders im Hinblick auf die Schrottverwertung oder die Rezyklierbarkeit von sogenannten Space frame Strukturen im Automobilbau wäre es wünschens- wert, die heute aus stranggepressten Profilen hergestellten Rahmenteile, die Karosseriebleche als auch die Strukturkomponenten aus ein und derselben Legierung fertigen zu können. Unterschiedliche Komponenten in einem Automobil erfordern jedoch häufig unterschiedliche Eigenschaften. Beispielsweise sollte eine Aluminiumlegierung für Aussenblechanwendungen sehr gut umformbar sein, um Streckziehen, Tiefziehen und Biegen zu ermöglichen , gleichzeitig aber eine hohe Festigkeit nach dem Lackeinbrennen erreichen. Insbesondere Bleche zur Herstellung von Zweiblechstrukturen wie Motorhauben, Türen und Kofferraumdeckel sollten eine hohe Biegefähigkeit ohne Riss- und Orangenhautausbildung aufweisen, da diese Komponenten oft durch Bördeln verbunden werden.
Die EP-A-0805219 offenbart ein Strukturbauteil aus einer AlMgSi-Legierung für den Einsatz im Fahrzeugbau. Das Strukturbauteil wird auf herkömmliche Weise durch Strangpressen gefertigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strukturbauteil der eingangs genannten Art zu schaffen, welches die mit stranggepressten Strukturbauteilen erreichten Anforderungen bezüglich des Crashverhaltens erfüllt. Zudem soll die für Strukturbauteile verwendete Legierung auch zur Herstellung von Karosserieteilen eingesetzt werden können.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Legierung (in Gew.%) Silizium 0.45 bis 0.85
Magnesium 0.35 bis 1.0
Kupfer 0.05 bis 0.30
Eisen 0.05 bis 0.25
Vanadium max. 0.25 Mangan max. 0.10 sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen max. 0.05, insgesamt max. 0J5 und Aluminium als Rest enthält, und das Strukturbauteil aus gewalztem Band oder Blech der Legierung gefertigt ist.
Für die genannten Legierungselemente gelten die folgenden Vorzugsbereiche:
Silizium 0.50 bis 0.80
Magnesium 0.40 bis 0.65
Kupfer 0.05 bis 0.20
Eisen 0.05 bis 0.20
Vanadium max. 0.20.
Das erfindungsgemässe Strukturbauteil weist bevorzugt ein aus Blech geformtes und zu einen rohrförmigen Teil oder Hohlkörper verbundenes Teil auf. Der rohrförmige Teil ist bevorzugt querschnittlich rechteckig, kann jedoch grundsätzlich eine beliebige Querschnittsform aufweisen. Für komplexere Bauteilgeometrien kann der rohrförmige Teil durch Innenhochdruckumformen weiter umgeformt werden.
Die Verbindung des Blechs zu einem rohrförmigen Teil kann durch eine beliebige Verbindungsart erfolgen, beispielsweise durch Schweissen, Kleben , Niete oder Verschrauben.
Die für das Strukturbauteil eingesetzte Legierung kann auch zur Herstellung von Karosserieteilen, insbesondere in Form einer Zweiblechstruktur wie Motorhaube, Tür und Kofferraumdeckel eines Personenkraftwagens eingesetzt werden, was die Schrottverwertung oder Rezyklierbarkeit von Strukturbauteilen und Karosserieblechen wesentlich vereinfacht.
Das erfindungsgemässe Strukturbauteil ist besonders geeignet als Sicherheitsteil im Fahrzeugbau, insbesondere im Automobilbereich. Die erfindungsgemässe Legierung kann auf übliche Weise durch Strang- oder Bandgiessen, Warm- und/oder Kaltwalzen zum Blech oder Band verarbeitet werden. Zur Erzielung optimaler Eigenschaften bezüglich Crash- und Biege- verhalten hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn eine Lösungsglü- hung in einem Banddurchlaufofen in einem Temperaturbereich von 520°C bis 580°C mit anschliessendem Abschrecken durchgeführt wird. Das Abschrecken kann auf übliche Weise, je nach Blechdicke zumeist mit Wasser oder mit Luft erfolgen. Bei der Lösungsglühung ist darauf zu achten, dass alle löslichen Be- standteile wie Si und Mg2 Si in feste Lösungen übergehen und nach dem Abkühlen im übersättigtem Zustand vorliegen. Die Abkühlgeschwindigkeit kann einen wesentlichen Effekt auf die mechanischen Eigenschaften ausüben, denn Si und Mg2Si scheiden sich bei zu langsamer Abkühlrate an den Korngrenzen aus und verschlechtern damit deutlich das Crash- und Biegeverhalten. Ausser- dem wird die Aushärtbarkeit und das Korrosionsverhalten beeinträchtigt.
Die erfindungsgemässen Strukturbauteile und Karosserieteile werden bevorzugt im warm ausgehärteten Zustand, insbesondere im Wärmebehandlungszustand T6, eingesetzt. Dieser Wärmebehandlungszustand kann bei Karosse- rieteilen während eines Lackeinbrennzyklus erzeugt werden.
Die zur Herstellung der erfindungsgemässen Strukturbauteile und der Karosserieteile eingesetzten Bänder oder Bleche liegen bevorzugt in einem Dickenbereich von 0.8 bis 4 mm.
Die Bänder und Bleche können vor der Endbearbeitung zusätzlich chemisch oder elektrochemisch vorbehandelt und/oder mit einer Trockenschmierstoff- Beschichtung versehen werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der für die Herstellung der erfindungsgemässen Strukturbauteile und Karosserieteile eingesetzten Legie- rungsbleche ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispieie.
Beispiel 1
Eine Legierung der Zusammensetzung (Gew.%)
0.82 Si 0.57 Mg 0.22 Fe 0.07 Cu 0.005 V 0.08 Mn
und eine für Automobilanwendungen eingesetzte Standardlegierung AA 6016 als Vergleichslegierung wurden auf übliche Weise durch Stranggiessen, Warm- und Kaltwalzen zu einem Blech mit einer Dicke von 1.2 mm verarbeitet. Die Lösungsglühung erfolgte bei 540°C mit anschliessender Abschreckung in Wasser.
Die an Blechproben im Wärmebehandlungszustand T4 ermittelten mechanischen Eigenschaften und Umformkennwerte der erfindungsgemäss eingesetzten Legierung und der Vergleichslegierung sind einander in Tabelle 1 gegenübergestellt.
Tabelle 1
Figure imgf000007_0001
Die Ergebnisse von Tabelle 1 zeigen deutlich das bessere Biegeverhalten der erfindungsgemässen Legierung im Vergleich zur Standardlegierung AA 6016.
Beispiel 2
Eine Legierung der Zusammensetzung (Gew.%)
0.59 Si 0.55 Mg
0.15 Fe 0.07 Cu 0.10 V 0.08 Mn
und eine für Automobilanwendungen eingesetzte Standardlegierung AA 6016 als Vergleichslegierung wurden auf übliche Weise durch Stranggiessen, Warm- und Kaltwalzen zu einem Blech mit einer Dicke von 1.5 mm verarbeitet. Die Lösungsglühung erfolgte bei 540°C mit anschliessender Abschreckung in Wasser.
Tabelle 2
Figure imgf000008_0001
Die Ergebnisse von Tabelle 2 zeigen deutlich das bessere Crashverhalten der erfindungsgemässen Legierung im Vergleich zur Standardlegierung AA 6016, insbesondere im warmausgehärteten Zustand.
Beispiel 3
Eine Legierung der Zusammensetzung (Gew.%)
0.60 Si 0.53 Mg
0.20 Fe 0.14 Cu 0.15 V 0.07 Mn
und eine für Automobilanwendungen eingesetzte Standardlegierung AA 6016 als Vergleichslegierung wurden auf übliche Weise durch Stranggiessen, Warm- und Kaltwalzen zu einem Blech mit einer Dicke von 1.5 mm verarbeitet. Die Lösungsglühung erfolgte bei 560°C mit anschliessender Abschreckung in Wasser.
Tabelle 3
Figure imgf000009_0001
Die Ergebnisse zeigen deutlich das bessere Crashverhalten der erfindungsge- mässen Legierung im Vergleich zur Standardlegierung AA 6016, insbesondere im warmausgehärteten Zustand.
Beispiel 4
Eine Legierung der Zusammensetzung (Gew.%)
0.57 Si 0.53 Mg 0.18 Fe 0.07 Cu 0.006 V 0.07 Mn
und eine für Automobilanwendungen eingesetzte Standardlegierung AA 6016 als Vergleichslegierung wurden auf übliche Weise durch Stranggiessen, Warm- und Kaltwalzen zu einem Blech mit einer Dicke von 2.0 mm verarbeitet. Die Lösungsglühung erfolgte bei 560°C mit anschliessender Abschreckung in Wasser.
Tabelle 4
Figure imgf000010_0001
Die Ergebnisse von Tabelle 4 zeigen deutlich das bessere Crashverhalten der erfindungsgemässen Legierung in Vergleich zur Standardlegierung AA 6016, insbesondere im warmausgehärteten Zustand.
In den vorangehenden Beispielen 1 bis 4 bedeuten
T4 Wärmebehandlungszustand Lösungsglühen, Abschrecken
T6 Wärmebehandlungszustand Lösungsglühen, Abschrecken, Warmauslagerung 210°C/30 min (T6 kann auch während eines Lackeinbrennzyklus erreicht werden) Rm Zugfestigkeit Rpo.2 Streckgrenze A10 Dehnung n5% Verfestigungsexponent n bei 5% Dehnung r r-Wert = mittlere senkrechte Anisotropie p f =- Biegefaktor (r- minimaler Innenradius, t Blechdicke)
Das Crashverhalten wurde in einem quasi-statischen Stauchversuch mit Noten von 1 bis 3 bewertet, wobei 3 die Bestnote ist. Der quasi-statische Stauchversuch dient zur Beurteilung von energieabsorbierenden Komponenten. Das gewünschte Verhalten ist charakterisiert durch ein regelmässiges Falten ohne Rissbildung. Das Erscheinungsbild der gestauchten Proben wurde mit den Noten 3 (keine Rissbildung, gleichmässige Faltung), 2 (aufgerauht, leicht eingerissen), und 1 (Rissbildung) beurteilt.

Claims

Patentansprüche
1. Strukturbauteil aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi, mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung (in Gew.%)
Silizium 0.45 bis 0.85
Magnesium 0.35 bis 1.0
Kupfer 0.05 bis 0.30
Eisen 0.05 bis 0.25
Vanadium max. 0.25
Mangan max. 0J0
sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen einzeln max. 0.05, insgesamt max. 0J5 und Aluminium als Rest enthält, und das Strukturbauteil aus gewalztem Band oder Blech der Legierung gefertigt ist.
2. Strukturbauteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.50 bis 0.80 Silizium enthält.
3. Strukturbauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.40 bis 0.65 Magnesium enthält.
4. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.05 bis 0.20 Kupfer enthält.
5. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.05 bis 0.20 Eisen enthält.
6. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0.20 Vanadium enthält.
7. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest ein aus Blech geformtes und zu einem rohrförmigen Teil oder Hohlkörper verbundenes Teil aufweist.
8. Strukturbauteil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Teil durch Innenhochdruckumformen weiter umgeformt ist.
9. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Band oder Blech durch Strang- oder Bandgiessen, Warmund/oder Kaltwalzen und Lösungsglühen in einem Banddurchlaufofen in einem Temperaturbereich von 520°C bis 580°C mit anschliessendem Abschrecken gefertigt ist.
10. Verwendung eines Strukturbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 als Sicherheitsteil im Fahrzeugbau.
11. Karosserieteil aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMgSi, mit hoher Biegefähigkeit ohne Riss- und Orangenhautausbildung, insbesondere in Form einer Zweiblechstruktur wie Motorhaube, Tür und Kofferraumdeckel eines Personenkraftwagens,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung (in Gew.%)
Silizium 0.45 bis 0.85 Magnesium 0.35 bis 1.0 Kupfer 0.05 bis 0.30 Eisen 0.05 bis 0.25
Vanadium max. 0.25 Mangan max. 0J0
sowie herstellungsbedingte Verunreinigungen einzeln max. 0.05, insgesamt max. 0J5 und Aluminium als Rest enthält.
12. Strukturbauteil nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.50 bis 0.80 Silizium enthält.
13. Strukturbauteil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.40 bis 0.65 Magnesium enthält.
14. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.05 bis 0.20 Kupfer enthält.
15. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0.05 bis 0.20 Eisen enthält.
16. Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung max. 0.20 Vanadium enthält.
17. Karosserieteil nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Band oder Blech durch Strang- oder Bandgiessen, Warm- und/oder Kaltwalzen und Lösungsglühen in einem Banddurchlaufofen in einem Temperaturbereich von 520°C bis 580°C mit anschliessendem Abschrecken gefertigt ist.
18. Verwendung eines Strukturbauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einem Karosserieteil nach einem der Ansprüche 11 bis 17 im warm ausgehärteten Zustand, insbesondere im Wärmebehandlungszustand T6.
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