WO2023169657A1 - Halbzeug aus aluminium-knetlegierung, dessen herstellung und verwendung und daraus hergestelltes produkt - Google Patents

Halbzeug aus aluminium-knetlegierung, dessen herstellung und verwendung und daraus hergestelltes produkt Download PDF

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WO2023169657A1
WO2023169657A1 PCT/EP2022/055881 EP2022055881W WO2023169657A1 WO 2023169657 A1 WO2023169657 A1 WO 2023169657A1 EP 2022055881 W EP2022055881 W EP 2022055881W WO 2023169657 A1 WO2023169657 A1 WO 2023169657A1
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wrought
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Stefan Pogatscher
Patrick KRALL
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Montanuniversität Leoben
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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
    • C22C21/00—Alloys based on aluminium
    • C22C21/02—Alloys based on aluminium with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B21/00—Obtaining aluminium
    • C22B21/0084—Obtaining aluminium melting and handling molten aluminium
    • C22B21/0092—Remelting scrap, skimmings or any secondary source aluminium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22C—ALLOYS
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22F—CHANGING THE PHYSICAL STRUCTURE OF NON-FERROUS METALS AND NON-FERROUS ALLOYS
    • C22F1/00—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working
    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/05—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

Definitions

  • the present invention relates to a semi-finished product made from a wrought aluminum alloy, a method for producing a semi-finished product, the use of a semi-finished product and a product made therefrom.
  • Cast alloy scrap is typically processed into cast alloys. Scrap mixtures of cast and wrought alloys are currently also usually processed into cast alloys, which corresponds to downcycling. This is the typical case when recycling end-of-life vehicles. In this area, wrought alloy scrap is usually processed into casting alloys. This particularly applies to mixtures of different wrought alloys (Modaresi et al., JOM 66 (2014) 2262-2271; Arowosola et al., Resources, Conservation and Recycling 150 (November 2019) 104382).
  • Cast alloys are becoming less important due to the increase in electric vehicles.
  • the 3xx series alloys 319 (AISi6Cu3.5Zn) and A380 (AISi9Cu3.5FeZn) are the main scrap alloys used in engine blocks and cylinder heads. Their usage volume is over 80% of all die casting alloys (Apelian D. Aluminum cast alloys: enabling tools for improved performance. Wheeling: 2009. https://aluminium-guide.com/wp-content/uploads/2019/2017WWR_AluminumCastAlloys.pdf) . They can accept almost all wrought alloys (Modaresi et al., JOM 66 (2014) 2262-2271). In contrast to cast alloys, today's wrought alloys have narrow and often low composition limits.
  • AISi(CuMg) alloys have Si contents between 5-15%.
  • the most common wrought alloys have ⁇ 2% Si (alloys of the 6xxx series or AIMgSi alloys), but often up to 5% Mg (alloys of the 5xxx series or AIMgMn alloys). Si and Mg form primary precipitates during casting, especially when they are present together in higher concentrations.
  • An object of the present invention is therefore to provide high-quality wrought aluminum alloys or semi-finished products made from them with advantageous expansion properties from scrap, in particular vehicle scrap, in the sense of upcycling, even with a wide variety of compositions of the scrap from cast and / or wrought alloy scrap, which have so far been available in the Processed into cast aluminum alloys for downcycling purposes.
  • a further object of the present invention is to produce products, such as vehicle parts, from these semi-finished products, so that a closed cycle for aluminum can be achieved as much as possible.
  • the inventors of the present invention have carried out extensive studies to solve these tasks and in particular have found that a mixture of cast and wrought alloy scrap, as occurs in the recycling of old cars from today's aluminum-containing vehicles, does not have to be processed into cast alloys, but rather, under certain conditions, wrought alloys with attractive elongation - and deformation properties can be produced, which is unexpected due to the content of brittle phases contained.
  • the present invention accordingly relates to a semi-finished product made from a wrought aluminum alloy (in particular a semi-finished product obtainable by forming a wrought aluminum alloy), the wrought aluminum alloy containing 2.1 to 10% by weight of silicon (Si), 0.3 to 1 .9% by weight magnesium (Mg), 0.2 to 1.5% by weight copper (Cu), 0.2 to 2.0% by weight iron (Fe), 0.1 to 4% by weight.
  • a wrought aluminum alloy in particular a semi-finished product obtainable by forming a wrought aluminum alloy
  • the wrought aluminum alloy containing 2.1 to 10% by weight of silicon (Si), 0.3 to 1 .9% by weight magnesium (Mg), 0.2 to 1.5% by weight copper (Cu), 0.2 to 2.0% by weight iron (Fe), 0.1 to 4% by weight.
  • the present invention relates to a method for producing a semi-finished product, in particular a semi-finished product with the above-mentioned features, wherein the method involves casting an aluminum-containing starting material (in particular wrought alloy scrap and/or cast alloy scrap), wherein the casting in particular involves continuous casting of a block or Ingots or casting rolling or thin strip casting includes homogenizing (of the block, ingot or strip) and hot rolling (of a rolling ingot) into a hot-rolled semi-finished product (in particular sheet metal, strip or plate).
  • an aluminum-containing starting material in particular wrought alloy scrap and/or cast alloy scrap
  • the casting in particular involves continuous casting of a block or Ingots or casting rolling or thin strip casting includes homogenizing (of the block, ingot or strip) and hot rolling (of a rolling ingot) into a hot-rolled semi-finished product (in particular sheet metal, strip or plate).
  • the present invention relates to the use of a semi-finished product with the above-mentioned features for producing a molded part (product), in particular a part of a vehicle, preferably a part of a body of a vehicle.
  • the present invention relates to a product (in particular a vehicle part) which is made from a semi-finished product with the above-mentioned features.
  • Figure 1 shows the temperature-time curve of a homogenization treatment according to an exemplary embodiment of a method according to the invention.
  • Figures 2A and 2B show micrographs of the microstructure (EDX mapping of the element silicon contained in primary phases) of alloys 1 ( Figure 2A) and 3 ( Figure 2B) in the as-cast state (ie after casting).
  • Figures 3A and 3B show micrographs of the microstructure (EDX mapping of the element silicon contained in primary phases) of alloys 1 (Fig. 2A) and 3 (Fig. 2B) in the homogenized state (i.e. after homogenization).
  • the present invention relates to a semi-finished product made from a wrought aluminum alloy.
  • the semi-finished product can be obtained or obtained by forming (for example by rolling or extrusion) a wrought aluminum alloy.
  • a “semi-finished product” in the sense of the present application is generally understood, as understood by a person skilled in the art, to be a workpiece or semi-finished product that has been brought into a basic geometric shape by forming a material (in the present case a wrought aluminum alloy).
  • the semi-finished product within the meaning of the present application can in particular be a sheet metal, a strip or a plate.
  • a “wrought aluminum alloy” in the context of the present application is generally understood to mean a wrought alloy whose main alloy component (for example more than 80% by weight, in particular more than 90% by weight) is aluminum
  • main alloy component for example more than 80% by weight, in particular more than 90% by weight
  • the wrought aluminum alloy has - in addition to aluminum and impurities that are unavoidable during production - the following other components:
  • Si silicon
  • Si silicon
  • 2.5 to 8% by weight of Si in particular 2.7 to 7% by weight of Si, in particular 3 to 6% by weight of Si
  • Si silicon
  • Mg magnesium
  • Mg magnesium
  • 0.4 to 1.9% by weight of Mg in particular 0.5 to 1.8% by weight of Mg, in particular 0.6 to 1, 8% by weight Mg;
  • Cu copper
  • Cu copper
  • Fe iron
  • Fe iron
  • 0.3 to 1.5% by weight of Fe in particular 0.4 to 1.5% by weight of Fe, in particular 0.5 to 1.5% by weight Fe
  • Fe iron
  • Zn zinc
  • Zn zinc
  • Mn manganese
  • the wrought aluminum alloy can have the following additional (optional) components:
  • Ni nickel
  • Ni nickel
  • Ni nickel
  • Cr chromium
  • Ti titanium
  • Ti titanium
  • zirconium in particular up to 0.15% by weight of Zr, in particular up to 0.10% by weight of Zr;
  • tin tin
  • the wrought aluminum alloy contains the remainder of aluminum as well as impurities that are unavoidable due to production, each at a maximum of 0.1% by weight, in particular at most 0.05% by weight, in particular at most 0.04% by weight, and in total at most 0 .5% by weight, in particular at most 0.15% by weight, in particular at most 0.12% by weight.
  • the wrought aluminum alloy is made from wrought alloy scrap and/or cast alloy scrap, in particular from a mixture of wrought alloy scrap and cast alloy scrap.
  • the wrought aluminum alloy can therefore, for example, be made from wrought alloy scrap (without the addition of cast alloy scrap), but it can also even be made from cast alloy scrap (without the addition of wrought alloy scrap).
  • the wrought aluminum alloy is made from a mixture of wrought alloy scrap and cast alloy scrap.
  • the mixture proportion of wrought alloy scrap can be 5 to 95% by weight, in particular 10 to 90% by weight, in particular 15 to 85% by weight, in particular 20 to 80% by weight, in particular 30 to 70% by weight, in particular 40 to 60% by weight, and the mixture proportion of cast alloy scrap is 5 to 95% by weight, in particular 10 to 90% by weight, in particular 15 to 85% by weight, in particular 20 to 80% by weight, in particular 30 to 70% by weight. %, in particular 40 to 60% by weight.
  • the mixture of wrought alloy scrap and cast alloy scrap can be 5 to 95% by weight, in particular 10 to 90% by weight, in particular 15 to 85% by weight, in particular 20 to 80% by weight, in particular 30 to 70 % by weight, in particular 40 to 60% by weight, wrought alloy scrap and 5 to 95% by weight, in particular 10 to 90% by weight, in particular 15 to 85% by weight, in particular 20 to 80% by weight, in particular 30 to 70% by weight, in particular 40 to 60% by weight, of cast alloy scrap.
  • “Scrap” in the sense of the present application is generally understood, as it is understood by a person skilled in the art, to be a predominantly metallic waste or recyclable material, such as is created when scrapping metal-containing products, such as automobiles and other vehicles .
  • the vehicle Before scrapping, for example, the vehicle cannot be dismantled, partially or completely; for example, the vehicle rims, which in the case of aluminum rims are usually made of cast aluminum alloys, can be dismantled (dismantled).
  • the internal combustion engines can also be removed from the vehicle removed and scrapped separately.
  • wrought alloy scrap in the sense of the present application is understood to mean scrap that predominantly or exclusively contains wrought alloys
  • cast alloy scrap in the sense of the present application is understood to mean scrap that predominantly or exclusively contains cast alloys.
  • the wrought alloy scrap is wrought aluminum alloy scrap and the cast alloy scrap is aluminum cast alloy scrap.
  • the wrought alloy scrap includes wrought alloys of the AlFeSi, AIMn, AIMg, AIMgMn, AIMgSi, AIZnMg and/or AIZnMgCu types and/or the cast alloy scrap includes cast alloys of the AlSi, AlSiCu and AISiMg types.
  • the following commercial alloys may be included: 301, 319, A380, A360.0, B390.0, EN AC-42100, EN AC-42200, EN AC-45000, EN AC-46000, EN AC-46100, EN AW -1070A, EN AW-3003, EN AW-3103, EN AW-4043A, EN AW-5005A, EN AW-5182, EN AW-5754, EN AW-6008, EN AW-6014, EN AW-6016, EN AW -6060, EN AW-6061, EN AW-6063, EN AW-6082, EN AW-6111, EN AW-6181A, EN AW-7020, Silafont, AA 6022, AA 6451, EN AW-6005, AA 6451, EN AW-7050, EN AW-7075.
  • the semi-finished product or the wrought aluminum alloy has primary phases that contain Si and/or Si and Mg.
  • the term “primary phases” goes back to the fact that these are the first to arise in a melt or when it cools.
  • Such primary phases usually give a semi-finished product or a wrought aluminum alloy brittleness (which is why they are sometimes also referred to as “brittle phases”) ), which is a rather undesirable material property, especially with a wrought alloy.
  • brittle phases which is a rather undesirable material property, especially with a wrought alloy.
  • the proportion of the primary phases is 4 to 25% by weight, in particular 8 to 18% by weight.
  • the primary phases are fragmented and/or rounded.
  • the primary phases when producing the semi-finished product or the wrought aluminum alloy, the primary phases can be fragmented (divided into smaller pieces) and/or rounded (less elongated).
  • the (fragmented or rounded) primary phases can have an aspect ratio (i.e. the ratio of the side length in the longest dimension to the side length in the shortest dimension) of less than 2.5, in particular less than 2.0.
  • the determination of the average size and the aspect ratio of the primary phases is known to those skilled in the art and can be carried out, for example, by visual microscopic observation at a suitable magnification, for example using an electron microscope (eg a scanning electron microscope (SEM)).
  • SEM scanning electron microscope
  • a rounding or fragmentation of the primary phases can be achieved in particular by a homogenization step during production, as described below is described in more detail. This measure can significantly improve the stretch properties of the semi-finished product.
  • the semi-finished product according to the invention has an elongation at break (A) of over 10%.
  • the determination of the elongation at break can be carried out, for example, according to ⁇ NORM EN ISO 6892-1 (2019) - sample geometry according to DIN 50125.
  • the semi-finished product can have an elongation at break (A) of over 15%, preferably over 18%, more preferably over 20%, in particular over 22%.
  • the semi-finished product can have an elongation at break (A) of up to 30%, in particular up to 25%.
  • the semi-finished product can therefore have excellent deformation properties, in particular high ductility.
  • the semi-finished product has a yield strength ratio (Rpo,z/Rm) of less than 0.75, where R p o,2 is the 0.2% yield strength and R m is the tensile strength.
  • the yield strength ratio or the 0.2% yield strength and the tensile strength can be determined, for example, according to ⁇ NORM EN ISO 6892-1 (2019) - sample geometry according to DIN 50125.
  • the semi-finished product can have a yield strength ratio below 0.65, in particular below 0.55, in particular below 0.45 (especially in the quenched state).
  • the semi-finished product can have a yield strength ratio of at least 0.25, in particular at least 0.3.
  • the semi-finished product can therefore have a high deformability.
  • the semi-finished product is selected from the group consisting of a sheet, a strip and a plate.
  • the semi-finished product in particular in the form of a sheet, a strip or a plate, can have a thickness of 0.5 to 150 mm, in particular 0.6 to 50 mm, in particular 0.7 to 10 mm, in particular 0.8 to 2.5 mm.
  • the semi-finished product is produced from an aluminum-containing starting material (in particular wrought alloy scrap and/or cast alloy scrap) by casting, subsequent homogenization and subsequent rolling (in particular hot rolling).
  • the homogenization comprises an (optionally multi-stage) heat treatment at a temperature in the range from 400 to 590 ° C, in particular in the range from 470 ° C to 550 ° C, over a period of 1 h to 100 h, in particular 2 h to 48 h.
  • a (cast) aluminum-containing starting material such as wrought alloy scrap and/or cast alloy scrap
  • at least a large part of the existing primary (brittle) phases are fragmented or rounded, which can lead to improved tensile properties of a semi-finished product formed from the wrought aluminum alloy thus obtained.
  • the present invention further relates to a method for producing a semi-finished product, in particular a semi-finished product as described above.
  • the method includes casting an aluminum-containing starting material (in particular wrought alloy scrap and/or cast alloy scrap), the casting in particular comprising continuous casting of a block or ingot or casting rolling or thin strip casting, homogenizing (of the block, ingot or strip) and hot rolling ( a rolling billet) into a hot-rolled semi-finished product (particularly sheet metal, strip or plate).
  • wrought alloy scrap and/or cast alloy scrap in particular a mixture of wrought alloy scrap and cast alloy scrap, as described in detail above in connection with the semi-finished product or the wrought aluminum alloy, can be used as the aluminum-containing starting material for the process.
  • the aluminum-containing starting material is first cast.
  • a block or ingot can be continuously cast.
  • casting rolling or thin strip casting can also be carried out.
  • the homogenization comprises an (optionally multi-stage) heat treatment at a temperature in the range from 400 to 590 ° C, in particular in the range from 450 ° C to 520 ° C or in the range from 470 ° C to 550 ° C, over a Period from 1 hour to 100 hours, especially from 2 hours to 48 hours.
  • the heat treatment can also be carried out in several stages, for example first at a low temperature and then at a higher temperature.
  • the object to be homogenized can first be heated and held at a temperature in the range of 430 to 470 ° C over a period of 5 h to 15 h and then heated further (for example at a heating rate of 10 ° C / h) to a Temperature in the range of 500 °C to 540 °C with a holding time of 5 h to 15 h. This can then be cooled down to room temperature. This can result in a rounding or fragmentation of the primary (brittle) phases in the alloy and thus an improvement in the tensile properties of the semi-finished product.
  • a rolling billet for example, is hot-rolled into a hot-rolled semi-finished product (in particular sheet metal, strip or plate).
  • the hot rolling can be carried out, for example, at a temperature in the range from 350 °C to 500 °C, in particular in the range from 380 °C to 450 °C.
  • the hot-rolled semi-finished product can be brought to a final thickness, for example of the sheet metal strip or plate, by cold rolling.
  • An intermediate annealing ie an interim annealing, is optional between two cold rolling processes, for example at a temperature in the range of 300 to 500 ° C, of the semi-finished product.
  • the semi-finished product cold-rolled to the final thickness can be subjected to a heat treatment.
  • the heat treatment can in particular include recrystallization annealing (and/or solution annealing), for example to a temperature in the range from 450 ° C to 590 ° C, in particular in the range from 500 ° C to 550 ° C, with optional subsequent accelerated cooling (quenching, active Cooling down, not just letting it cool down).
  • the (preferably accelerated cooled) semi-finished product can be subjected to a stabilization annealing treatment (for example at a temperature in the range of 90 to 120 ° C over a period of 1 to 24 hours), whereby a particularly high strength of the semi-finished product can be achieved.
  • the (optionally stabilized annealed) semi-finished product (in particular sheet metal, strip or plate) can then be cold aged at room temperature. Additionally or alternatively, the semi-finished product can also be subjected to heat aging, for example over a period of 10 minutes to 24 hours at a temperature in the range of 150 to 200 ° C, which can also be referred to as hot curing.
  • the present invention further relates to the use of a semi-finished product as described above for producing a product or a molded part, in particular a part of a vehicle (vehicle part), preferably a part of a body of a vehicle (body part).
  • vehicle part a part of a vehicle
  • body part a part of a body of a vehicle
  • the present invention further relates to a product made from a semi-finished product as described above.
  • the product can be a vehicle part (part of a vehicle), in particular a body part (part of a body of a vehicle).
  • the product is produced by (for example cold) forming of the semi-finished product (such as a sheet or a strip), in particular by sheet metal forming, and subsequent hot curing, in particular baking, preferably lacquer baking.
  • Table 1 Overview of the alloys examined in wt.%
  • Alloys 5-6 were cooled with around 3 K/s (e.g. continuous casting) during casting.
  • the alloys (1-4) were cooled with around 60 K/s (e.g. thin strip casting) during casting.
  • the warm aging of the thin sheets at 180 °C for 20 minutes is typical for paint baking in the automotive industry.
  • Alloys 1-3 and 5 are compositions that could arise from a typical mixture of wrought and cast alloys corresponding to an average European car with various disassembly scenarios.
  • Alloy 1 corresponds to the mixture of aluminum alloys without dismantling
  • alloy 2 corresponds to medium dismantling
  • alloys 3 and 5 to extensive dismantling.
  • Alloy 4 is close to a mixture of the aluminum alloys in an old American car (e.g. Ford F-150).
  • Alloy 6 largely corresponds to 4 with an increase in iron content due to contamination with steel.
  • the alloys listed in Table 1 were tested using tensile tests to determine their mechanical characteristics: yield strength (R.po.2), tensile strength (Rm), uniform elongation (AG) and elongation at break (A) examined (according to ⁇ NORM EN ISO 6892-1 (2019) - sample geometry according to DIN 50125).
  • the aluminum alloys 1 to 6 according to the invention achieve an unexpectedly high elongation at break of up to 24.8% both after quenching and after hot hardening. It is noteworthy that the work hardening in the alloys 1-6 according to the invention is unusually high and high gains in strength from the yield strength to the tensile strength (low ratios of R p o.2/Rm) can be achieved. A high work hardening and a low R p o.2/Rm is particularly favorable for sheet metal forming processes.
  • Table 4 shows the positive effect of a stabilization treatment on the hot hardening hardenability that these alloys have. Stabilizing also effectively suppresses cold hardening in these alloys.
  • Table 4 Mechanical characteristics of the investigated alloys 5 and 6 after processing into wrought alloys and a stabilization treatment after quenching plus subsequent hot hardening at 180 ° C for 20 min
  • Table 5 Elongation values of alloys 5 and 6 in the cast state (without the manufacturing process according to the invention)
  • the alloys according to the invention in combination with the production process according to the invention are particularly suitable as sustainable wrought alloys, which also enable further forming operations excellently, although, in contrast to established wrought alloys, these alloys can consist of mixed scrap and thus a raw material that has not previously been usable in this way can use and can provide an economic advantage in their production.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug aus einer Aluminium-Knetlegierung, insbesondere hergestellt aus einer Mischung aus Knetlegierungsschrott und Gusslegierungsschrott, wobei die Aluminium-Knetlegierung 2,1 bis 10 Gew.-% Silizium (Si), 0,3 bis 1,9 Gew.-% Magnesium (Mg), 0,2 bis 1,5 Gew.-% Kupfer (Cu), 0,2 bis 2,0 Gew.-% Eisen (Fe), 0,1 bis 4 Gew.-% Zink (Zn), 0,2 bis 1,5 Gew.-% Mangan (Mn), optional bis 0,5 Gew.-% Nickel (Ni), optional bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), optional bis 0,2 Gew.-% Titan (Ti), optional bis 0,2 Gew.-% Zirkonium (Zr), optional bis 0,35 Gew.-% Zinn (Sn) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,1 Gew.-% und gesamt höchstens 0,5 Gew.-% aufweist, wobei das Halbzeug eine Bruchdehnung (A) über 10 % aufweist. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs, die Verwendung eines Halbzeugs sowie ein daraus hergestelltes Produkt.

Description

Halbzeug aus Aluminium-Knetlegierung, dessen Herstellung und Verwendung und daraus hergestelltes Produkt
GEBIET DER. ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug aus einer Aluminium- Knetlegierung, ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs, die Verwendung eines Halbzeugs sowie ein daraus hergestelltes Produkt.
HINTERGRUND
Gusslegierungsschrotte werden typischerweise zu Gusslegierungen verarbeitet. Schrottgemische aus Guss- und Knetlegierungen werden gegenwärtig üblicherweise ebenfalls zu Gusslegierungen verarbeitet, was einem Downcycling entspricht. Dies ist beim Recycling von Altfahrzeugen der typische Fall. In diesem Bereich werden zumeist auch Knetlegierungsaltschrotte zu Gusslegierungen verarbeitet. Das trifft vor allem auf Mischungen unterschiedlicher Knetlegierungen zu (Modaresi et al., JOM 66 (2014) 2262-2271; Arowosola et al., Resources, Conservation and Recycling 150 (November 2019) 104382).
Die starke Verwendung von Aluminiumknetwerkstoffen vor allem in der Automobilindustrie in den letzten Jahren kann in Zukunft zu einem Ungleichgewicht und einem Überschuss von gemischten Knetlegierungen aber auch Mischschrotten aus Knet- und Gusslegierungen führen (Zhu Y et al., Resources, Conservation and Recycling 164 (Januar 2021) 105208).
Die bei weitem wichtigsten Senkenlegierungen für Schrotte, sind
Gusslegierungen, die jedoch aufgrund der Zunahme von Elektrofahrzeugen an Bedeutung verlieren. Die Legierungen der 3xx-Serie 319 (AISi6Cu3.5Zn) und A380 (AISi9Cu3.5FeZn) sind die wichtigsten Schrottlegierungen, die in Motorblöcken und Zylinderköpfen eingesetzt werden. Ihr Einsatzvolumen beträgt über 80 % aller Druckgusslegierungen (Apelian D. Aluminum cast alloys: enabling tools for improved performance. Wheeling: 2009. https://aluminium-guide.com/wp- content/uploads/2019/05/WWR_AluminumCastAlloys.pdf). Sie können fast alle Knetlegierungen aufnehmen (Modaresi et al., JOM 66 (2014) 2262-2271). Im Gegensatz zu Gusslegierungen haben die heutigen Knetlegierungen enge und oft niedrige Zusammensetzungsgrenzen. Dies bedeutet, dass die heutigen Knetlegierungen keine gemischten Legierungsschrottströme absorbieren und dass reines Primäraluminium ein wichtiges Rückgrat der kommerziellen Knetlegierungen ist (Arowosola et al., Resources, Conservation and Recycling 150 (November 2019) 104382; Paraskevas et al., Journal of Cleaner Production 215 (2019) 488-496).
Es ist ersichtlich, dass zukünftige Altfahrzeuge verarbeitet werden müssen. Eine Auftrennung der Fraktionen ist häufig, beispielsweise aufgrund stoffschlüssiger Verbindungen, nicht oder nicht wirtschaftlich möglich. Mehr als 40 verschiedene, in ihrer Zusammensetzung meist inkompatible Aluminiumlegierungen wurden bisher in Autos verwendet (Arowosola et al., Resources, Conservation and Recycling 150 (November 2019) 104382). Daraus ergibt sich, dass eine unrealistische Verbesserung der Sortiertechnologie zwingend erforderlich ist, wenn künftig Knetlegierungen effizient zu neuen Knetlegierungen recycelt werden sollen. Eine vollständige Trennung der Legierungen ist nicht möglich, da Shredder-basierte Recyclingverfahren bei komplexen Produktdesigns mit den verschiedenen damit verbundenen Schweiß- und Verbindungstechniken natürliche Grenzen haben (van Schaik et al., Minerals Engineering 20 (2007) 875-890). Diese Situation ist bereits dramatisch, auch wenn man andere Metalle (z. B. Stähle und Kupfer) noch nicht berücksichtigt. Jahrzehntelanges Multi-Material-Design hat das Potenzial von Recyclingströmen mit höherem Reinheitsgrad verringert und erhöht den Anteil von Materialien mit höherem Verunreinigungsgehalt (Soo et al., Procedia CIR.P 48 (2016) 10-15; Soo et al., Procedia CIR.P 29 (2015) 426-431; Soo et al., Journal of Cleaner Production 178 (2018) 119- 132).
Üblicherweise ist damit zu rechnen, dass in derartigen Gemischen neben den Verunreinigungen durch andere Metalle (vor allem Fe und Cu) ein hoher Anteil an spröden Phasen (z.B. MgzSi) auftritt. Häufige Gusslegierungen (AISi(CuMg)- Legierungen) weisen Si-Gehalte zwischen 5-15 % auf. Die häufigsten Knetlegierungen weisen hingegen <2 % Si (Legierungen der 6xxx-Serie oder AIMgSi Legierungen), jedoch häufig bis 5 % Mg auf (Legierungen der 5xxx- Serie, oder AIMgMn Legierungen). Si und Mg bilden beim Abguss primäre Ausscheidungen, besonders wenn diese gemeinsam in höherer Konzentration vorliegen. Es ist allgemein bekannt, dass grobe und plattenförmige Primärphasen die mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Dehnungseigenschaften, massiv verschlechtern (Poznak et al, Fundamentals of Aluminium Metallurgy (2018) 333-386). Häufig werden Phasen mit Si und Fe in konventionellen Legierungen infolge einer einfachen Verunreinigung mit Fe untersucht (Poznak et al, Fundamentals of Aluminium Metallurgy (2018) 333- 386). Bei einer Mischung aus Guss- und Knetlegierungsschrott werden zudem hohe Mengen an Phasen unter Beteiligung von Mg gebildet. Besonders die Primärphase MgzSi gilt als sehr unvorteilhaft, da diese bereits bei geringeren Spannungen als Fe-haltige Phasen bruchauslösend wirken kann (Petit et al., Acta Materialia 180 (2019) 349-365).
Es besteht daher ein Bedarf, gerade auch im Hinblick auf die zukünftige Zunahme an Schrott aus Elektrofahrzeugen, aus Schrotten, insbesondere Fahrzeugschrotten, bei denen unterschiedlichste Gemische aus Gusslegierungsschrotten und Knetlegierungschrotten vorliegen können, hochwertige Aluminium-Knetlegierungen zu gewinnen, die wiederum zu Halbzeugen und noch weiter verarbeiteten Produkten mit vorteilhaften Dehnungseigenschaften verarbeitet werden können. AUFGABEN DER. ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, hochwertige Aluminium- Knetlegierungen bzw. daraus hergestellte Halbzeuge mit vorteilhaften Dehnungseigenschaften aus Schrott, insbesondere Fahrzeugschrotten, im Sinne eines Upcyclings bereitzustellen, auch bei unterschiedlichster Zusammensetzung des Schrotts aus Guss- und/oder Knetlegierungschrotten, die bislang im Sinne eines Downcyclings zu Aluminiumgusslegierungen verarbeitet werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, aus diesen Halbzeugen wiederum Produkte, wie zum Beispiel Fahrzeugteile, herzustellen, so dass ein so weit wie möglich geschlossener Kreislauf für Aluminium erreicht werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben umfangreiche Studien zur Lösung dieser Aufgaben durchgeführt und insbesondere herausgefunden, dass ein Gemisch aus Guss- und Knetlegierungsschrotten wie es beim Altautorecycling von heutigen aluminiumhaltigen Fahrzeugen auftritt, nicht zu Gusslegierungen verarbeitet werden muss, sondern unter bestimmten Voraussetzungen Knetlegierungen mit attraktiven Dehnungs- und Verformungseigenschaften hergestellt werden können, was aufgrund der enthaltenen Gehalte an spröden Phasen unerwartet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft dementsprechend ein Halbzeug aus einer Aluminium-Knetlegierung (insbesondere ein Halbzeug, erhältlich durch Umformen einer Aluminium-Knetlegierung), wobei die Aluminium- Knetlegierung 2,1 bis 10 Gew.-% Silizium (Si), 0,3 bis 1,9 Gew.-% Magnesium (Mg), 0,2 bis 1,5 Gew.-% Kupfer (Cu), 0,2 bis 2,0 Gew.-% Eisen (Fe), 0,1 bis 4 Gew.-% Zink (Zn), 0,2 bis 1,5 Gew.-% Mangan (Mn), optional 0,5 Gew.-% Nickel (Ni), optional bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), optional bis 0,2 Gew.-% Titan (Ti), optional bis 0,2 Gew.-% Zirkonium (Zr), optional bis 0,35 Gew.-% Zinn (Sn) und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,1 Gew.-% und gesamt höchstens 0,5 Gew.-% aufweist, wobei das Halbzeug eine Bruchdehnung (A) über 10 % aufweist.
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs, insbesondere eines Halbzeugs mit den oben genannten Merkmalen, wobei das Verfahren ein Gießen eines Aluminium-haltigen Ausgangsstoffs (insbesondere Knetlegierungsschrott und/oder Gusslegierungsschrott), wobei das Gießen insbesondere ein Stranggießen eines Blockes oder Barrens oder ein Gießwalzen oder Dünnbandgießen umfasst, ein Homogenisieren (des Blockes, Barrens oder Bands) und ein Warmwalzen (eines Walzbarrens) zu einem warmgewalzten Halbzeug (insbesondere Blech, Band oder Platte) aufweist.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines Halbzeugs mit den oben genannten Merkmalen zur Herstellung eines Formteils (Produkt), insbesondere eines Teils eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Teils einer Karosserie eines Fahrzeugs.
Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Produkt (insbesondere ein Fahrzeugteil), das aus einem Halbzeug mit den oben genannten Merkmalen hergestellt ist.
Weitere Aufgaben und Vorteile von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Figuren ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Figur 1 zeigt den Temperatur-Zeit-Verlauf einer Homogenisierungsbehandlung gemäß einer beispielhaften Ausführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Figuren 2A und 2B zeigen mikroskopische Aufnahmen der Mikrostruktur (EDX- Mapping des Elements Silizium enthalten in primären Phasen) der Legierungen 1 (Fig. 2A) und 3 (Fig. 2B) im Gusszustand (d.h. nach dem Gießen).
Figuren 3A und 3B zeigen mikroskopische Aufnahmen der Mikrostruktur (EDX- Mapping des Elements Silizium enthalten in primären Phasen) der Legierungen 1 (Fig. 2A) und 3 (Fig. 2B) im homogenisierten Zustand (d.h. nach dem Homogenisieren).
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden nähere Details der vorliegenden Erfindung und weitere Ausführungsformen davon beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgende detaillierte Beschreibung oder auf die Figuren beschränkt, sondern sie dient lediglich der Veranschaulichung der erfindungsgemäßen Lehren.
Es sei darauf hingewiesen, dass Merkmale, die im Zusammenhang mit einer beispielhaften Ausführungsform oder einem beispielhaften Gegenstand beschrieben werden, mit jeder anderen beispielhaften Ausführungsform oder mit jedem anderen beispielhaften Gegenstand kombiniert werden können. Insbesondere können Merkmale, die im Zusammenhang mit einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs beschrieben werden, mit jeder anderen beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs sowie mit jeder beispielhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Halbzeugs, jeder beispielhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Verwendung sowie jeder beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Produkts kombiniert werden und umgekehrt, sofern nicht ausdrücklich etwas anderes vermerkt ist. Wenn ein Begriff mit einem unbestimmten oder bestimmten Artikel, wie zum Beispiel „ein", „eine", „eines", „der", „die" und „das", im Singular bezeichnet wird, schließt dies auch den Begriff im Plural mit ein und umgekehrt, sofern der Kontext nicht eindeutig anderes festlegt. Die Begriffe „umfassen" und „aufweisen", wie sie hier verwendet werden, schließen nicht nur die Bedeutung von „enthalten" oder „beinhalten" ein, sondern können auch „bestehen aus" und „im Wesentlichen bestehen aus" bedeuten.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Halbzeug aus einer Aluminium- Knetlegierung. Insbesondere kann das Halbzeug durch Umformen (beispielsweise durch Walzen oder Strangpressen) einer Aluminium- Knetlegierung erhältlich sein bzw. erhalten werden.
Unter einem „Halbzeug" im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird im Allgemeinen, wie es auch von einem Fachmann verstanden wird, ein Werkstück oder Halbfabrikat verstanden, das durch Umformen eines Materials (im vorliegenden Fall einer Aluminium-Knetlegierung) in eine grundlegende geometrische Form gebracht wurde. Bei dem Halbzeug im Sinne der vorliegenden Anmeldung kann es sich insbesondere um ein Blech, ein Band oder eine Platte handeln.
Unter einer „Aluminium-Knetlegierung" im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird im Allgemeinen eine Knetlegierung verstanden, deren Hauptlegierungsbestandteil (zum Beispiel mehr als 80 Gew.-%, insbesondere mehr als 90 Gew.-%) Aluminium ist. Unter einer „Knetlegierung" im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird im Allgemeinen, wie es auch von einem Fachmann verstanden wird, eine Legierung verstanden, die sich zur Bearbeitung durch Umformen (zum Beispiel durch Walzen oder Biegen) eignet, im Gegensatz zu einer „Gusslegierung", die im Allgemeinen zur Formgebung gegossen werden muss. Die Aluminium-Knetlegierung weist - neben Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbaren Verunreinigungen - folgende weitere Bestandteile auf:
- 2,1 bis 10 Gew.-% Silizium (Si), insbesondere 2,5 bis 8 Gew.-% Si, insbesondere 2,7 bis 7 Gew.-% Si, insbesondere 3 bis 6 Gew.-% Si;
- 0,3 bis 1.9 Gew.-% Magnesium (Mg), insbesondere 0,4 bis 1,9 Gew.-% Mg, insbesondere 0,5 bis 1,8 Gew.-% Mg, insbesondere 0,6 bis 1,8 Gew.-% Mg;
- 0,2 bis 1,5 Gew.-% Kupfer (Cu), insbesondere 0,3 bis 1,5 Gew.-% Cu, insbesondere 0,4 bis 1,5 Gew.-% Cu, insbesondere 0,5 bis 1,5 Gew.-% Cu;
- 0,2 bis 2,0 Gew.-% Eisen (Fe), insbesondere 0,3 bis 1,5 Gew.-% Fe, insbesondere 0,4 bis 1,5 Gew.-% Fe, insbesondere 0,5 bis 1,5 Gew.-% Fe;
- 0,1 bis 4 Gew.-% Zink (Zn), insbesondere 0,2 bis 3,5 Gew.-% Zn, insbesondere 0,3 bis 2,5 Gew.-% Zn; und
- 0,2 bis 1,5 Gew.-% Mangan (Mn), insbesondere 0,25 bis 1 Gew.-% Mn, insbesondere 0,3 bis 0,8 Gew.-% Mn.
Des Weiteren kann die Aluminium-Knetlegierung folgende weitere (optionale) Bestandteile aufweisen:
- bis 0,5 Gew.-% Nickel (Ni), insbesondere bis 0,35 Gew.-% Ni, insbesondere bis 0,2 Gew.-% Ni;
- bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), insbesondere bis 0,30 Gew.-% Cr, insbesondere bis 0,25 Gew.-% Cr;
- bis 0,2 Gew.-% Titan (Ti), insbesondere bis 0,15 Gew.-% Ti, insbesondere bis 0,10 Gew.-% Ti;
- bis 0,2 Gew.-% Zirkonium (Zr), insbesondere bis 0,15 Gew.-% Zr, insbesondere bis 0,10 Gew.-% Zr;
- bis 0,35 Gew.-% Zinn (Sn), insbesondere bis 0,15 Gew.-% Sn, insbesondere bis 0,10 Gew.-% Sn. Die Aluminium-Knetlegierung enthält als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,1 Gew.-%, insbesondere jeweils maximal 0,05 Gew.-%, insbesondere jeweils maximal 0,04 Gew.-%, und in Summe höchstens 0,5 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,15 Gew.-%, insbesondere höchstens 0,12 Gew.-%.
In einer Ausführungsform ist die Aluminium-Knetlegierung aus Knetlegierungsschrott und/oder Gusslegierungsschrott hergestellt, insbesondere aus einer Mischung aus Knetlegierungsschrott und Gusslegierungsschrott. Die Aluminium-Knetlegierung kann somit beispielsweise aus Knetlegierungsschrott (ohne Beimengung von Gusslegierungsschrott) hergestellt sein, sie kann aber auch sogar aus Gusslegierungsschrott (ohne Beimengung von Knetlegierungsschrott) hergestellt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Aluminium- Knetlegierung aber aus einer Mischung aus Knetlegierungsschrott und Gusslegierungsschrott hergestellt. Hierbei kann der Mischungsanteil an Knetlegierungsschrott 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 10 bis 90 Gew-%, insbesondere 15 bis 85 Gew-%, insbesondere 20 bis 80 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew-%, insbesondere 40 bis 60 Gew-%, betragen und der Mischungsanteil an Gusslegierungsschrott 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 10 bis 90 Gew-%, insbesondere 15 bis 85 Gew-%, insbesondere 20 bis 80 Gew.- %, insbesondere 30 bis 70 Gew-%, insbesondere 40 bis 60 Gew-%, betragen. Mit anderen Worten kann in einer Ausführungsform die Mischung aus Knetlegierungsschrott und Gusslegierungsschrott 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 10 bis 90 Gew-%, insbesondere 15 bis 85 Gew-%, insbesondere 20 bis 80 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew-%, insbesondere 40 bis 60 Gew-%, Knetlegierungsschrott und 5 bis 95 Gew.-%, insbesondere 10 bis 90 Gew-%, insbesondere 15 bis 85 Gew-%, insbesondere 20 bis 80 Gew.-%, insbesondere 30 bis 70 Gew-%, insbesondere 40 bis 60 Gew-%, Gusslegierungsschrott umfassen. Unter „Schrott" im Sinne der vorliegenden Anmeldung wird im Allgemeinen, wie es auch von einem Fachmann verstanden wird, ein vorwiegend metallischer Abfall- oder Wertstoff verstanden, wie er bei der Verschrottung von metallhaltigen Erzeugnissen, wie zum Beispiel von Automobilen und anderen Fahrzeugen, entsteht. Vor der Verschrottung kann beispielsweise das Fahrzeug nicht, teilweise oder vollständig demontiert werden; zum Beispiel können die Fahrzeugfelgen, die im Fall von Aluminium-Felgen üblicherweise aus Aluminium-Gusslegierungen hergestellt sind, abmontiert (demontiert) werden. Ebenfalls können die Verbrennungsmotoren aus dem Fahrzeug entfernt und getrennt davon verschrottet werden.
Dementsprechend wird unter „Knetlegierungsschrott" im Sinne der vorliegenden Anmeldung Schrott, der vorwiegend oder ausschließlich Knetlegierungen enthält, verstanden und unter „Gusslegierungsschrott" wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung Schrott, der vorwiegend oder ausschließlich Gusslegierungen enthält, verstanden. Insbesondere handelt es sich bei dem Knetlegierungsschrott um Aluminium-Knetlegierungsschrott und bei dem Gusslegierungsschrott um Aluminium-Gusslegierungsschrott.
In einer Ausführungsform umfasst der Knetlegierungsschrott Knetlegierungen vom Typ AlFeSi, AIMn, AIMg, AIMgMn, AIMgSi, AIZnMg und/oder AIZnMgCu und/oder der Gusslegierungsschrott umfasst Gusslegierungen vom Typ AlSi, AlSiCu und AISiMg. Es können beispielsweise folgende kommerzielle Legierungen enthalten sein: 301, 319, A380, A360.0, B390.0, EN AC-42100, EN AC-42200, EN AC-45000, EN AC-46000, EN AC-46100, EN AW-1070A, EN AW-3003, EN AW-3103, EN AW-4043A, EN AW-5005A, EN AW-5182, EN AW- 5754, EN AW-6008, EN AW-6014, EN AW-6016, EN AW-6060, EN AW-6061, EN AW-6063, EN AW-6082, EN AW-6111, EN AW-6181A, EN AW-7020, Silafont, AA 6022, AA 6451, EN AW-6005, AA 6451, EN AW-7050, EN AW- 7075. In einer Ausführungsform weist das Halbzeug bzw. die Aluminium- Knetlegierung primäre Phasen auf, die Si und/oder Si und Mg enthalten. Der Ausdruck „primäre Phasen" geht darauf zurück, dass diese als erste in einer Schmelze bzw. bei deren Abkühlung entstehen. Solche primären Phasen verleihen einem Halbzeug bzw. einer Aluminium-Knetlegierung meist Sprödigkeit (weswegen sie manchmal auch als „spröde Phasen" bezeichnet werden), was aber gerade bei einer Knetlegierung eine eher unerwünschte Werkstoffeigenschaft ist. Insbesondere bei einem hohen Anteil an Gusslegierungsschrott im Ausgangsmaterial für die Aluminium-Knetlegierung, dessen Legierungen meist hohe Silizium-Gehalte in Kombination mit Mg aufweisen, kann ein hoher Anteil solcher spröden primären Phasen entstehen.
In einer Ausführungsform beträgt der Anteil der primären Phasen (in der Aluminium-Knetlegierung bzw. in dem Halbzeug) 4 bis 25 Gew.-%, insbesondere 8 bis 18 Gew.-%.
In einer Ausführungsform liegen die primären Phasen fragmentiert und/oder eingerundet vor. Mit anderen Worten können bei der Herstellung des Halbzeugs bzw. der Aluminium-Knetlegierung die primären Phasen fragmentiert (in kleinere Stücke zerteilt) und/oder eingerundet (weniger langestreckt) werden. Insbesondere können die (fragmentierten bzw. eingerundeten) primären Phasen ein Seitenverhältnis (aspect ratio, also das Verhältnis der Seitenlänge in der längsten Dimension zur Seitenlänge in der kürzesten Dimension) von unter 2,5, insbesondere unter 2,0, aufweisen. Die Bestimmung der durchschnittlichen Größe sowie des Seitenverhältnisses der primären Phasen, ist dem Fachmann bekannt und kann beispielsweise durch visuelle mikroskopische Beobachtung bei geeigneter Vergrößerung erfolgen, z.B. unter Verwendung eines Elektronenmikroskops (z.B. eines Rasterelektronenmikroskops (REM)). Eine Einrundung bzw. eine Fragmentierung der primären Phasen kann insbesondere durch einen Homogenisierungsschritt bei der Herstellung, wie er nachstehend noch ausführlicher beschrieben wird, erreicht werden. Durch diese Maßnahme können die Dehneigenschaften des Halbzeugs maßgeblich verbessert werden.
Das erfindungsgemäße Halbzeug weist eine Bruchdehnung (A) über 10 % auf. Die Bestimmung der Bruchdehnung kann beispielsweise gemäß ÖNORM EN ISO 6892-1 (2019) - Probengeometrie gemäß DIN 50125 erfolgen. Insbesondere kann das Halbzeug eine Bruchdehnung (A) über 15 %, vorzugsweise über 18 %, stärker bevorzugt über 20 %, insbesondere über 22 %, aufweisen. Das Halbzeug kann eine Bruchdehnung (A) bis zu 30 %, insbesondere bis zu 25 %, aufweisen. Somit kann das Halbzeug ausgezeichnete Verformungseigenschaften, insbesondere eine hohe Duktilität aufweisen.
In einer Ausführungsform weist das Halbzeug ein Streckgrenzenverhältnis (Rpo,z/Rm) von unter 0,75 auf, wobei Rpo,2 die 0,2% Dehngrenze und Rm die Zugfestigkeit sind. Die Bestimmung des Streckgrenzenverhältnisses bzw. der 0,2% Dehngrenze und der Zugfestigkeit kann beispielsweise gemäß ÖNORM EN ISO 6892-1 (2019) - Probengeometrie gemäß DIN 50125 erfolgen. Insbesondere kann das Halbzeug ein Streckgrenzenverhältnis unter 0,65, insbesondere unter 0,55, insbesondere unter 0,45 (insbesondere im abgeschreckten Zustand), aufweisen. Das Halbzeug kann ein Streckgrenzenverhältnis von mindestens 0,25, insbesondere mindestens 0,3, aufweisen. Somit kann das Halbzeug eine hohe Verformungsfähigkeit haben.
In einer Ausführungsform ist das Halbzeug ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus einem Blech, einem Band und einer Platte. In einer Ausführungsform kann das Halbzeug, insbesondere in Form eines Blechs, eines Bandes bzw. einer Platte, eine Dicke von 0,5 bis 150 mm, insbesondere vom 0,6 bis 50 mm, insbesondere von 0,7 bis 10 mm, insbesondere von 0,8 bis 2,5 mm, haben. In einer Ausführungsform wird das Halbzeug aus einem Aluminium-haltigen Ausgangsstoff (insbesondere Knetlegierungsschrott und/oder Gusslegierungsschrott) durch Gießen, anschließendes Homogenisieren und anschließendes Walzen (insbesondere Warmwalzen) hergestellt. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Homogenisieren eine (optional mehrstufige) Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 590 °C, insbesondere im Bereich von 470 °C bis 550 °C, über einen Zeitraum von 1 h bis 100 h, insbesondere von 2 h bis 48 h, umfasst. Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, gehen die Erfinder gegenwärtig davon aus, dass durch eine Homogenisierung eines (gegossenen) Aluminium-haltigen Ausgangsstoffs (wie Knetlegierungsschrott und/oder Gusslegierungsschrott) unter speziellen Bedingungen, wie beispielsweise oben genannt, zumindest ein Großteil der vorhandenen primären (spröden) Phasen (insbesondere bei einem hohen Si-Gehalt) fragmentiert bzw. eingerundet wird, was zu verbesserten Dehneigenschaften eines aus der so erhaltenen Aluminium-Knetlegierung umgeformten Halbzeugs führen kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs, insbesondere eines Halbzeugs wie vorstehend beschrieben. Das Verfahren beinhaltet ein Gießen eines Aluminium-haltigen Ausgangsstoffs (insbesondere Knetlegierungsschrott und/oder Gusslegierungsschrott), wobei das Gießen insbesondere ein Stranggießen eines Blockes oder Barrens oder ein Gießwalzen oder Dünnbandgießen umfasst, ein Homogenisieren (des Blockes, Barrens oder Bands) und ein Warmwalzen (eines Walzbarrens) zu einem warmgewalzten Halbzeug (insbesondere Blech, Band oder Platte).
Als Aluminium-haltiger Ausgangsstoff für das Verfahren kann insbesondere Knetlegierungsschrott und/oder Gusslegierungsschrott, insbesondere eine Mischung aus Knetlegierungsschrott und Gusslegierungsschrott, wie oben im Zusammenhang mit dem Halbzeug bzw. der Aluminium-Knetlegierung ausführlich beschrieben wurde, verwendet werden. Bei dem Herstellungsverfahren wird zunächst der Aluminium-haltige Ausgangsstoff gegossen. Insbesondere kann ein Stranggießen eines Blockes oder Barrens durchgeführt werden. Alternativ kann auch ein Gießwalzen oder Dünnbandgießen durchgeführt werden.
Nach dem Gießen erfolgt ein Homogenisieren des erhaltenen Blockes, Barrens, Bands oder sonstigen Gussprodukts. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Homogenisieren eine (optional mehrstufige) Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 590 °C, insbesondere im Bereich von 450 °C bis 520 °C oder im Bereich von 470 °C bis 550 °C, über einen Zeitraum von 1 h bis 100 h, insbesondere von 2 h bis 48 h. Die Wärmebehandlung kann auch mehrstufig durchgeführt werden, zum Beispiel zuerst bei einer niedrigen Temperatur und anschließend bei einer höheren Temperatur. Beispielsweise kann der zu homogenisierende Gegenstand zunächst bei einer Temperatur im Bereich von 430 bis 470 °C über einen Zeitraum von 5 h bis 15 h erwärmt und gehalten werden und anschließend weiter erwärmt (zum Beispiel mit einer Heizrate von 10 °C/h) auf eine Temperatur im Bereich von 500 °C bis 540 °C mit einer Haltedauer von 5 h bis 15 h. Anschließend kann eine Abkühlung auf Raumtemperatur erfolgen. Hierdurch kann eine Einrundung bzw. eine Fragmentierung der primären (spröden) Phasen in der Legierung und damit eine Verbesserung der Dehneigenschaften des Halbzeugs erreicht werden.
Nach dem Homogenisieren erfolgt ein Warmwalzen beispielsweise eines Walzbarrens zu einem warmgewalzten Halbzeug (insbesondere Blech, Band oder Platte). Das Warmwalzen kann beispielsweise bei einer Temperatur im Bereich von 350 °C bis 500 °C, insbesondere im Bereich von 380 °C bis 450 °C durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform kann das warmgewalzte Halbzeug durch Kaltwalzen auf eine finale Dicke beispielsweise des Blechs Bands oder der Platte gebracht werden. Optional kann ein Zwischenglühen, d.h. ein zwischenzeitliches Glühen zwischen zwei Kaltwalzvorgängen, zum Beispiel auf einer Temperatur im Bereich von 300 bis 500 °C, des Halbzeugs durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform kann das auf die finale Dicke kaltgewalzte Halbzeug einer Wärmebehandlung unterzogen werden. Die Wärmebehandlung kann insbesondere ein Rekristallisationsglühen (und/oder Lösungsglühen), zum Beispiel auf eine Temperatur im Bereich von 450 °C bis 590 °C, insbesondere im Bereich von 500 °C bis 550 °C, mit optionalem nachfolgenden beschleunigten Abkühlen (Abschrecken, aktives Abkühlen, kein bloßes Abkühlenlassen) umfassen. Optional kann das (vorzugsweise beschleunigt abgekühlte) Halbzeug einer Stabilisierungsglühbehandlung (zum Beispiel bei einer Temperatur im Bereich von 90 bis 120 °C über eine Zeitdauer von 1 bis 24 h) unterzogen werden, wodurch eine besonders hohe Festigkeit des Halbzeugs erreicht werden kann. Anschließend kann eine Kaltauslagerung des (optional stabilisierungsglühbehandelten) Halbzeugs (insbesondere Blech, Band oder Platte) bei Raumtemperatur durchgeführt werden. Zusätzlich oder alternativ kann das Halbzeug auch warmausgelagert werden, zum Beispiel über eine Zeitdauer von 10 Minuten bis 24 h bei einer Temperatur im Bereich von 150 bis 200 °C, was auch als Warmaushärten bezeichnet werden kann.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Halbzeugs wie vorstehend beschrieben zur Herstellung eines Produkts bzw. eines Formteils, insbesondere eines Teils eines Fahrzeugs (Fahrzeugteil), vorzugsweise eines Teils einer Karosserie eines Fahrzeugs (Karosserieteil). Somit kann letztendlich aus Fahrzeugschrott wieder erneut ein Fahrzeugteil hergestellt werden; der Fahrzeugschrott also recycelt bzw. sogar „upcycelt" werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Produkt, das aus einem Halbzeug wie vorstehend beschrieben hergestellt ist. Insbesondere kann es sich bei dem Produkt um ein Fahrzeugteil (Teil eines Fahrzeugs), insbesondere ein Karosserieteil (Teil einer Karosserie eines Fahrzeugs) handeln. In einer Ausführungsform wird das Produkt durch (beispielsweise kaltes) Umformen des Halbzeugs (wie einem Blech oder einem Band), insbesondere durch Blechumformen, und nachfolgenden Warmaushärten, insbesondere Einbrennen, vorzugsweise Lackeinbrennen, hergestellt.
Die vorliegende Erfindung wird weiterhin anhand der folgenden Beispiele beschrieben, die aber lediglich der Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Lehren dienen und in keiner Weise den Umfang der vorliegenden Erfindung beschränken sollen.
Beispiele
Es wurden gewalzte Halbzeuge, genauer Feinbleche, mit den in der nachstehenden Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen durch folgendes Verfahren hergestellt:
• Gießen
• Homogenisieren eines Barrens bei 450 bis 520 °C (gemäß dem in Figur
1 gezeigten Temperatur-Zeit-Verlauf): Erwärmen der Barren in 10 h von Raumtemperatur auf 450 °C. Halten auf 450 °C für weitere 10 h. Weiteres Erwärmen von 450 auf 520 °C mit einer Heizrate von 10 °C/h. Halten auf 520 °C für 10 h. Abschließende Ofenabkühlung auf Raumtemperatur. Hierdurch wird eine Einrundung und Fragmentierung von primären Phasen erreicht, wie aus einem Vergleich der Figuren 2 und 3 ersichtlich ist.
• Warmwalzen eines Walzbarrens bei 430 °C
• Kaltwalzen des warmgewalzten Blechs oder Bands auf eine Enddicke von 1,2 mm mit einem Zwischenglühen
• Wärmebehandlung des auf die Enddicke kaltgewalzten Blechs oder Bands, umfassend: Lösungs- und Rekristallisationsglühen bei 520 °C mit nachfolgendem beschleunigtem Abkühlen und zweiwöchiger Kaltauslagerung bei Raumtemperatur, sowie Auslagern bei 180 °C für 20 Minuten. [Tabelle 1]
Tabelle 1 : Übersicht zu den untersuchten Legierungen in Gew.%
Legierung Si Mg Fe Cu Mn Zn
1 5,2 0,75 0,52 0,72 0,33 0,41
2 4,5 0,89 0,55 0,67 0,39 0,44
3 3,8 0,89 0,47 0,30 0,36 0,29
4 4,4 0,48 0,50 1,2 0,25 0,46
5 * 3,9 0,91 0,55 0,32 0,37 0,3
6 * 4,4 0,89 1,3 1,3 0,3 0,5
* Die Legierungen 5-6 wurden mit rund 3 K/s (z.B. Strangguss) während dem Abguss gekühlt. Die Legierungen (1-4) wurden mit rund 60 K/s (z.B. Dünnbandguss) während dem Abguss gekühlt.
Die Warmauslagerung der Feinbleche von 180 °C für 20 Minuten ist typisch für das Lackeinbrennen in der Automobilindustrie.
Bei den Legierungen 1-3 und 5 handelt es sich um Zusammensetzungen, wie sie aus einem typischen Gemisch aus Knet- und Gusslegierungen entsprechend einem durchschnittlichen europäischen Auto mit verschiedenen Demontageszenarien entstehen könnten. Legierung 1 entspricht dem Gemisch der Aluminiumlegierungen ohne Demontage, Legierung 2 entspricht einer mittleren Demontage und Legierung 3 und 5 einer weitgehenden Demontage. Legierung 4 kommt einem Gemisch der Aluminiumlegierungen in einem amerikanischen Altauto (z. B. Ford F-150) nahe. Die Legierung 6 entspricht weitgehend 4 mit einer Erhöhung des Eisen-Gehaltes durch Verunreinigung mit Stahl.
Die in Tabelle 1 angeführten Legierungen wurden mittels Zugversuches hinsichtlich ihrer mechanischen Kennwerte Dehngrenzen (R.po.2), Zugfestigkeit (Rm), Gleichmaßdehnung (AG) und Bruchdehnung (A) untersucht (gemäß ÖNORM EN ISO 6892-1 (2019) - Probengeometrie gemäß DIN 50125).
Wie den nachstehenden Tabellen 2 und 3 zu entnehmen ist, erzielen die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen 1 bis 6 sowohl nach dem Abschrecken als auch nach einer Warmaushärtung eine unerwartet hohe Bruchdehnung von bis zu 24,8 %. Bemerkenswert ist, dass die Kaltverfestigung bei den erfindungsgemäßen Legierungen 1-6 ungewöhnlich hoch ist und hohe Zugewinne in der Festigkeit von der Dehngrenze hin zur Zugfestigkeit (niedrige Verhältnisse von Rpo,2/Rm) erreicht werden können. Eine hohe Kaltverfestigung und ein niedriges Rpo,2/Rm ist besonders günstig für Blechumform prozesse.
[Tabelle 2]
Tabelle 2: Mechanische Kennwerte der untersuchten Legierungen nach Prozessieren zu Knetlegierung (nach dem Abschrecken)
Legierung RPo,2 [MPa] Rm [MPa] AG [%] A [%] Rpo,2 / Rm
1 117 276 19,1 21,9 0,42
2. 115 267 18, 23,6 0,43
3 111 258 18,9 24,0 0,43
4 88 258 22,8 23,8 0,34
5 78 219 19,4 22,4 0,36
6 92 259 16,8 18,8 0,36 [Tabelle 3]
Tabelle 3: Mechanische Kennwerte der untersuchten Legierungen nach Prozessieren zu Knetlegierung (nach Warmaushärtung bei 180 °C für 20 min) Legierung RPo,2 [MPa] Rm [MPa] AG [%] A [%] Rpo,2 / Rm
1 177 320 17,7 19,5 0,55
2 176 314
Figure imgf000021_0001
3 172 304 20^5 24/5 C/57
4 188 347 22 24~8 0,54
5 174 298
Figure imgf000021_0002
6 214 351
Figure imgf000021_0003
Zudem ist in Tabelle 4 die positive Auswirkung einer Stabilisierungsbehandlung auf die Aushärtbarkeit beim Warmaushärten zu erkennen, die diese Legierungen aufweisen. Das Stabilisieren unterdrückt zudem in diesen Legierungen die Kaltaushärtung effektiv.
[Tabelle 4]
Tabelle 4: Mechanische Kennwerte der untersuchten Legierungen 5 und 6 nach Prozessieren zu Knetlegierung und einer Stabilisierungsbehandlung nach dem Abschrecken plus einer darauffolgenden Warmaushärtung bei 180 °C für 20 min
Legierung RPo,2 [MPa] Rm [MPa] AG [%] A [%] Rpo,2 / Rm
5 244 345 15,5 19,1 0,71
6 263 379 14,1 16,0 0,69
Dass diese überaus positiven Eigenschaften unerwartete Ergebnisse sind, zeigt sich daran, dass die Legierung (beispielhaft Legierungen 5 und 6) im Gusszustand ohne den erfindungsgemäßen Herstellvorgang extrem niedrige Dehnungswerte aufweisen, wie in nachstehender Tabelle 5 ersichtlich ist.
[Tabelle 5]
Tabelle 5: Dehnungswerte der Legierungen 5 und 6 im Gusszustand (ohne erfindungsgemäßen Herstellvorgang)
Legierung AG [%] A [%]
5 0,4 0,4
6 0,3 0,3
Zudem zeigt ein Vergleich mit kommerziell etablierten sehr gut umformbaren Knetlegierungen für den Automobilbau (EN AW 5182, EN AW 6016), die erstaunliche Performance der erfindungsgemäßen Legierungen in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren im Zugversuch, die an jene der heute üblichen hinsichtlich der Dehnung heranreicht und bei der Kaltverfestigung sowie dem Verhältnis Rpo,2/Rm überwiegend deutlich günstigere Werte aufweisen. Für EN AW 6016 liegt Rpo,2/Rm bei 0,49 im Auslieferzustand und bei 0,77 nach der Warmauslagerung und für EN AW 5182 bei 0,54.
Somit weisen die erfindungsgemäßen Legierungen in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren eine besonders gute Eignung als nachhaltige Knetlegierungen auf, die auch weitere Umformoperationen exzellent ermöglichen, obwohl diese Legierungen im Gegensatz zu etablierten Knetlegierungen aus gemischten Schrotten bestehen können und damit einen bisher in dieser Weise nicht nutzbaren Rohstoff verwenden können und einen wirtschaftlichen Vorteil in deren Herstellung erbringen können.
Die vorliegende Erfindung wurde anhand spezifischer Ausführungsformen und Beispiele beschrieben. Die Erfindung ist aber nicht hierauf beschränkt und verschiedene Modifikationen hiervon sind möglich, ohne den Umfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

Ansprüche
1. Halbzeug aus einer Aluminium-Knetlegierung, wobei die Aluminium- Knetlegierung Folgendes aufweist:
2,1 bis 10 Gew.-% Silizium (Si),
0,3 bis 1,9 Gew.-% Magnesium (Mg),
0,2 bis 1,5 Gew.-% Kupfer (Cu),
0,2 bis 2,0 Gew.-% Eisen (Fe),
0,1 bis 4 Gew.-% Zink (Zn),
0,2 bis 1,5 Gew.-% Mangan (Mn), optional bis 0,5 Gew.-% Nickel (Ni), optional bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr), optional bis 0,2 Gew.-% Titan (Ti), optional bis 0,2 Gew.-% Zirkonium (Zr), optional bis 0,35 Gew.-% Zinn (Sn), und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,1 Gew.-% und gesamt höchstens 0,5 Gew.-%, wobei das Halbzeug eine Bruchdehnung (A) über 10 % aufweist.
2. Halbzeug nach Anspruch 1, wobei die Aluminium-Knetlegierung aus Knetlegierungsschrott und/oder Gusslegierungsschrott hergestellt ist, insbesondere aus einer Mischung aus Knetlegierungsschrott und Gusslegierungsschrott.
3. Halbzeug nach Anspruch 2, wobei der Knetlegierungsschrott Knetlegierungen vom Typ AlFeSi, AIMn, AIMg, AIMgMn, AIMgSi, AIZnMg und/oder AIZnMgCu umfasst und/oder wobei der Gusslegierungsschrott Gusslegierungen vom Typ AlSi, AlSiCu, AISiMg umfasst.
4. Halbzeug nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei die Aluminium- Knetlegierung aus einer Mischung aus Knetlegierungsschrott und Gusslegierungsschrott hergestellt ist, wobei die Mischung 5 bis 95 Gew.-%
Knetlegierungsschrott und 5 bis 95 Gew.-% Gusslegierungsschrott umfasst.
5. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aluminium-Knetlegierung Folgendes aufweist:
2,5 bis 6 Gew.-% Silizium (Si),
0,4 bis 1,9 Gew.-% Magnesium (Mg),
0,3 bis 1,5 Gew.-% Kupfer (Cu),
0,3 bis 1,5 Gew.-% Eisen (Fe),
0,2 bis 3,5 Gew.-% Zink (Zn),
0,25 bis 1,0 Gew.-% Mangan (Mn), optional bis 0,35 Gew.-% Nickel (Ni), optional bis 0,30 Gew.-% Chrom (Cr), optional bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti), optional bis 0,15 Gew.-% Zirkonium (Zr), optional bis 0,15 Gew.-% Zinn (Sn), und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-%.
6. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug bzw. die Aluminium-Knetlegierung primäre Phasen aufweist, die Si und/oder Si und Mg enthalten.
7. Halbzeug nach Anspruch 6, wobei ein Anteil der primären Phasen 4 bis 25 Gew.-% beträgt.
8. Halbzeug nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, wobei die primären Phasen fragmentiert und/oder eingerundet vorliegen, insbesondere wobei die primären Phasen ein Seitenverhältnis von unter 2,5 aufweisen.
9. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug eine Bruchdehnung (A) über 15 %, insbesondere über 18 %, aufweist.
10. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug ein Streckgrenzenverhältnis (R.po,2/R.m) von unter 0,75, insbesondere unter 0,65, aufweist.
11. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug ein Streckgrenzenverhältnis (R.po,2/R.m) von unter 0,55, insbesondere unter 0,45, aufweist.
12. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus einem Blech, einem Band und einer Platte, insbesondere mit einer Dicke von 0,5 bis 150 mm.
13. Halbzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Halbzeug aus einem Aluminium-haltigen Ausgangsstoff durch Gießen, anschließendes Homogenisieren und anschließendes Walzen hergestellt wird.
14. Halbzeug nach Anspruch 13, wobei das Homogenisieren eine Wärmebehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 590 °C, insbesondere im Bereich von 470 °C bis 550 °C, über einen Zeitraum von 1 h bis 100 h, insbesondere von 2 h bis 48 h, umfasst.
15. Verfahren zur Herstellung eines Halbzeugs, insbesondere eines Halbzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei das Verfahren Folgendes aufweist:
Gießen eines Aluminium-haltigen Ausgangsstoffs, wobei das Gießen insbesondere ein Stranggießen eines Blockes oder Barrens oder ein Gießwalzen oder Dünnbandgießen umfasst;
Homogenisieren; Warmwalzen zu einem warmgewalzten Halbzeug.
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Verfahren ferner Folgendes aufweist:
Kaltwalzen des warmgewalzten Halbzeugs auf eine finale Dicke, optional mit einem Zwischenglühen des Halbzeugs.
17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Verfahren ferner Folgendes aufweist:
Wärmebehandlung des auf die finale Dicke kaltgewalzten Halbzeugs, wobei die Wärmebehandlung Folgendes umfasst:
Rekristallisationsglühen mit optionalem nachfolgenden beschleunigten Abkühlen; optional Stabilisierungsglühbehandlung des beschleunigt abgekühlten Halbzeugs;
Kaltauslagerung des Halbzeugs; und/oder Warmauslagerung des Halbzeugs.
18. Verwendung eines Halbzeugs nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Herstellung eines Formteils, insbesondere eines Teils eines Fahrzeugs, vorzugsweise eines Teils einer Karosserie eines Fahrzeugs.
19. Produkt, hergestellt aus einem Halbzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 14.
20. Produkt nach Anspruch 19, wobei das Produkt ein Fahrzeugteil ist, insbesondere ein Karosserieteil.
21. Produkt nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, das durch Umformen des Halbzeugs, insbesondere durch Blechumformen, und nachfolgenden Warmaushärten, insbesondere Einbrennen, vorzugsweise Lackeinbrennen, hergestellt wird.
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