ES2709894T3

ES2709894T3 - Componente absorbente de energía

Info

Publication number: ES2709894T3
Application number: ES06123946T
Authority: ES
Inventors: Joachim Becker; Mathias Hilpert; Gregor Terlinde
Original assignee: Otto Fuchs KG
Current assignee: Otto Fuchs KG
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2006-11-13
Publication date: 2019-04-22
Anticipated expiration: 2026-11-13
Also published as: DE102005060297A1; EP1785499A3; EP1785499B1; EP1785499A2

Abstract

Componente absorbente de energía para absorber energía cinética por deformación, con formación de una estructura similar a un fuelle, al menos por secciones, fabricado de una aleación de aluminio del tipo Al-Mg-Si, en donde la microestructura del componente no está recristalizada en al menos 80% en volumen y en la zona no recristalizada el tamaño efectivo del grano que se extiende perpendicularmente a la superficie del componente, medido en la dirección ST en la zona de sus extremos respectivos, el grano es menor que 100 μm, y los granos en las direcciones L-ST presentan una relación de alargamiento (L:ST) superior a 10:1, teniendo la aleación de aluminio la siguiente composición: Si: 0,30 - 1,3% en peso, Fe: 0,08 - 0,35% en peso, Cu: máximo 0,5% en peso, Mg: 0,35 - 1,0% en peso, Mn: 0,02 - 0,8% en peso, Zn: máximo 0,2% en peso, Cr: máximo 0,15% en peso, Ti: máximo 0,1% en peso, ascendiendo la suma de los elementos acompañantes que inhiben la recristalización, titanio, escandio, hafnio, estroncio, circonio y/o vanadio a 1,0% en peso, como máximo, además de impurezas inevitables, de las cuales cada elemento individual presenta como máximo 0,05% en peso y estos elementos suponen en conjunto 0,15% en peso, como máximo, y un resto de aluminio, y que el procedimiento para fabricar el componente se ha llevado a cabo de manera tal que la microestructura del componente tiene fundamentalmente solo una única fase de precipitación intracristalina, dispuesta distribuida de manera finamente dispersa, con una proporción superior a 40% de partículas parcialmente coherentes y/o incoherentes y que la proporción de las fases que contienen Fe presentes en los bordes de grano es tan pequeña que la conexión entre los granos no se debilita excesivamente cuando estas partículas absorben energía cinética.

Description

DESCRIPCION

Componente absorbente de ene^a

La invencion se refiere a un componente absorbente de energfa para absorber energfa cinetica por deformacion, con formacion de una estructura similar a un fuelle, al menos por secciones, fabricado de una aleacion de aluminio del tipo Al-Mg-Si.

Los componentes absorbentes de energfa se utilizan en vetculos, por ejemplo en vehnculos a motor, para absorber energfa cinetica en caso de un impacto, por ejemplo a causa de un accidente, por ejemplo como soportes de parachoques, como partes de bastidor (por ejemplo, la carrocena) o similares. Estos componentes son tfpicamente componentes perfilados. Para una absorcion de energfa optima en caso de un impacto, se requiere que tales componentes absorbentes de energfa se deformen plasticamente, en la mayor medida posible sin agrietamiento. Se prefiere una configuracion en la cual, en caso de un impacto, tal perfil se aplaste como un fuelle, en su totalidad o al menos por secciones. Por esta razon, el material del que estan fabricados dichos componentes debe presentar una capacidad de deformacion relativamente elevada. Cuando se emplea uno de estos componentes absorbentes de energfa en una construccion de bastidor o como soporte de otra clase, por ejemplo en un chasis, dicho componente esta sujeto ademas a elevadas exigencias en cuanto a resistencia estatica (lfmite elastico/resistencia a la traccion).

Tfpicamente, estos componentes se construyen a partir de aleaciones de aluminio del tipo Al-Mg-Si de la serie 6000 segun la clasificacion de la Aluminum Association. Tales aleaciones se describen, por ejemplo, en los documentos EP 0902842 B1, EP 0936278 B1, US 2001/0037844 A1, EP 0805219 B1 o JP2003183757. En los documentos JP 2001234271 A, WO 99/07906 y WO 97/39156 se describen aleaciones para otros fines. Los componentes absorbentes de energfa se fabrican generalmente mediante prensado por extrusion. Por lo tanto, ademas de las propiedades de ductilidad y resistencia antes mencionadas de los productos semielaborados producidos con las mismas, las aleaciones utilizadas deben presentar una buena aptitud para el prensado por extrusion. Para satisfacer estos requisitos, las aleaciones anteriormente conocidas y los procedimientos para fabricar un componente de este tipo idoneo frente al impacto estan orientados a crear una microestructura de recristalizacion de grano fino en el componente.

Con las aleaciones anteriormente conocidas se pueden fabricar mediante prensado por extrusion perfiles para colision destinados a producir componentes absorbentes de energfa (elementos de colision) que cumplan los requisitos habituales de, por un lado, deformacion plastica y, por otro, de resistencia estatica. Sin embargo, los requisitos en cuanto a resistencia estatica de tales componentes son cada vez mas altos. En consecuencia, un cambio en la composicion de la aleacion mediante el incremento de aquellos elementos que tfpicamente influyen en la resistencia, y una adaptacion correspondiente del procedimiento de fabricacion para producir un componente de este tipo conduce a componentes con mayores resistencias estaticas. Sin embargo, estos componentes ya no satisfacen los requisitos establecidos respecto a la deformacion plastica. Para empeorar las cosas, se ha demostrado que el comportamiento en caso de colision de tales componentes, constituidos por una aleacion descrita en los documentos antes mencionados y con los intervalos de proporcion allf indicados en cada caso para los elementos participates en la aleacion, es distinto de lo que inicialmente se podfa presuponer. Por lo tanto, el que un componente absorbente de energfa fabricado a partir de una de las aleaciones anteriormente conocidas exhiba o no el deseado comportamiento en la colision, solo se puede determinar despues de realizar un ensayo de aplastamiento.

Habitualmente, se considera a menudo la ductilidad del material con el que se fabrica un componente absorbente de energfa como una medida del comportamiento en caso de colision de dicho componente. Las aleaciones de aluminio contienen tfpicamente un cierto contenido de Fe, por medio del cual se mide el grado de pureza del aluminio utilizado para fundir la aleacion. Cuanto mas puro es el aluminio utilizado para producir la aleacion, mas caro es dicho aluminio. Por lo tanto, por razones de coste se utiliza para la fabricacion de componentes absorbentes de energfa aluminio que tiene un cierto contenido de hierro. Es conocido en el estado de la tecnica que con contenidos de hierro de hasta 0,40% en peso en las aleaciones de aluminio en cuestion, un componente absorbente de energfa fabricado a partir de las mismas tiene una ductilidad que satisface los requisitos. En consecuencia, el comportamiento en caso de colision de un componente de colision fabricado de una aleacion con contenidos de Fe relativamente altos tambien tendna que mostrar un comportamiento de colision que cumpliese suficientemente los requisitos. Sin embargo, se ha demostrado que esto no es asf, y por lo tanto la relacion descrita en el estado de la tecnica entre la ductilidad de un material y el comportamiento en caso de colision de un elemento absorbente de energfa no es cierta, o al menos no siempre lo es. Con estos antecedentes, una afirmacion en cuanto a la idoneidad frente al impacto de un material destinado a conformar un componente absorbente de energfa solo se puede emitir por regla general despues de realizar ensayos de aplastamiento.

Si un componente absorbente de energfa no satisface los requisitos relativos al comportamiento de colision, se procede a modificar la composicion de la aleacion y/o los parametros del procedimiento para fabricar el componente. Sin embargo, la comprobacion de si con dicha modificacion tambien se ha modificado efectivamente el comportamiento de colision solamente se puede efectuar mediante un nuevo ensayo de aplastamiento. Por lo tanto, queda claro que controlar de esta manera una produccion en curso, en cuanto al cumplimiento de los requisitos deseados respecto al comportamiento de colision, resulta demasiado costoso para que estos estudios se realicen de manera minuciosa.

Partiendo del estado de la tecnica que se ha discutido, la invencion se basa, por lo tanto, en la mision de desarrollar un componente absorbente de ene^a del tipo mencionado al principio de manera que no solo satisfaga mayores y/o maximos requisitos de resistencia, sino que tambien se puedan emitir afirmaciones acerca de su idoneidad frente al impacto sin necesidad de realizar obligatoriamente ensayos de aplastamiento y, por lo tanto, tambien se simplifique el control de calidad en un proceso de fabricacion en curso para producir tales componentes.

Esta mision se logra, de acuerdo con la invencion, mediante un componente absorbente de energfa que tiene las caractensticas de la reivindicacion 1.

En este componente absorbente de energfa se cuida, mediante el ajuste de la aleacion y mediante un procedimiento correspondiente para fabricar el componente, en particular el producto semielaborado, de que el tamano del grano que se extiende perpendicularmente a la superficie del componente, al que en el contexto de estas realizaciones se le denomina tamano efectivo de grano, no exceda un determinado tamano, en concreto 100 pm. En un sistema de coordenadas en el que L representa la direccion longitudinal del componente (en un producto prensado por extrusion, la direccion de prensado), LT representa la anchura y ST representa el grosor o la direccion que discurre perpendicularmente a la superficie del componente, el tamano efectivo de grano se mide en la direccion ST, por ejemplo en un corte que sigue el plano L-S^t. En los datos de tamano efectivo de grano mencionados en lo que antecede y en lo que sigue, se supone que el requisito respectivo para la seccion transversal en su conjunto, aparte de las zonas superficiales posiblemente recristalizadas y las fracciones residuales recristalizadas, es < 20% en volumen en la zona restante. Este dato se determina de acuerdo con la norma ASTM 112. Preferiblemente, este dato se refiere a mas de 90% de los granos. Contrariamente a lo que habitualmente se entiende en cuanto al tamano de grano necesario y la microestructura que debena tener un componente de colision para satisfacer los requisitos, esta solucion considera en primer lugar solamente un determinado tamano de grano: el tamano efectivo de grano. Se ha demostrado que con esta medida, a pesar de los ajustes de la aleacion y del procedimiento de fabricacion del componente con el fin de satisfacer esta mayor o maxima resistencia estatica, se proporciona un comportamiento de aplastamiento que corresponde a los requisitos. Se prefiere que el tamano efectivo de grano sea menor que 30 pm, y en particular menor que 20 pm o incluso menor que 10 pm.

Resulta particularmente ventajoso en la solucion antes mencionada el hecho de que se puedan fabricar mediante procedimientos convencionales, sin mucho coste, tales componentes. Esto es posible en el prensado por extrusion, por ejemplo, aprovechando el efecto de prensado que se origina durante el proceso de prensado. Durante el prensado por extrusion se estiran en la direccion de prensado los granos originalmente presentes, lo que trae consigo una reduccion del tamano del grano en direccion perpendicular a la superficie del perfil (en la direccion ST). El tamano efectivo de grano se ajusta aprovechando el efecto de prensado durante el prensado por extrusion, en concreto esencialmente por medio del grado de deformacion. Se ha encontrado que, para lograr un comportamiento de colision que satisfaga los requisitos, no resulta decisivo el tamano absoluto del grano, sino el que se extiende perpendicularmente a la superficie del perfil del componente de colision.

Por lo que se refiere a la microestructura del componente absorbente de energfa reivindicado, con su dimension maxima de grano en la dimension longitudinal del componente absorbente de energfa, resulta sorprendente que tal componente presente la buena idoneidad frente al impacto observada y la formacion de pliegues a modo de fuelle asociada a la misma en caso de aplastamiento, sin que se observe formacion de grietas en las crestas de los pliegues de aplastamiento. Este resultado es inesperado, ya que la formacion de los pliegues discurre transversalmente a la dimension longitudinal del componente absorbente de energfa y, por lo tanto, en direccion transversal al eje mayor de los granos. Especialmente en el caso de granos longitudinalmente elongados, que son apropiados para el componente absorbente de energfa conforme a la invencion, se habna sospechado que una formacion de pliegues como la antes descrita, en direccion transversal al eje mayor del grano, conducina a la destruccion de la conexion entre los granos o del grano mismo.

El componente absorbente de energfa presenta una microestructura que se caracteriza por la presencia de un solo tipo de fases de precipitacion. Al menos el 40% de las partfculas que forman la fase de precipitacion son parcialmente coherentes o incoherentes, y normalmente las partfculas debenan ser parcialmente coherentes. Preferiblemente, la proporcion de partfculas parcialmente coherentes o incoherentes en la fase de precipitacion es superior a 50%. En caso de una conformacion de componentes absorbentes de energfa con dicha microestructura endurecida por precipitacion, al absorber energfa cinetica se forman multiples superficies de deslizamiento estrechamente escalonadas como resultado de un gran numero de deslizamientos casi paralelos. Ademas, en el componente absorbente de energfa reivindicado se cuida de que el debilitamiento de la conexion entre granos en los bordes del grano se reduzca a un nivel tolerable. Esto se logra suprimiendo sobre todo, tanto como sea posible, la formacion de fases con contenido de Fe en los bordes del grano, en concreto mediante el ajuste apropiado de la aleacion combinado con un procedimiento de fabricacion del componente en el cual se controle la formacion de estas fases, en particular en lo referente a su tamano y cantidad. Se ha demostrado que, en estas condiciones, el debilitamiento de la microestructura en la zona de los bordes del grano se reduce a un nivel aceptable a pesar del empleo de aluminio con un cierto contenido de Fe y, por lo tanto, el componente absorbente de energfa muestra un buen comportamiento de colision. Aparentemente, las fases con contenido de Fe en los bordes del grano constituyen una causa del comportamiento de colision insatisfactorio, aunque la ductilidad del material sugiera un comportamiento de colision satisfactorio. Por lo tanto, la composicion de aleacion se selecciona de modo que la proporcion de las fases que contienen Fe que se forman en los bordes del grano sea lo mas pequena posible y, como resultado del procedimiento de fabricacion, estas fases tengan el menor tamano posible. Aparentemente, otras fases formadas en los bordes del grano deterioran la idoneidad frente al impacto de un componente absorbente de energfa menos que las fases que contienen Fe. Con todo, es deseable mantener tambien estas fases lo mas reducidas posible en terminos de su tamano y su numero. En la aleacion para fabricar tal componente, no se pretende reducir el contenido de Fe a un mmimo absoluto. Mas bien, se desea un cierto contenido de Fe, aunque bajo, ya que la aleacion empleada tiene tfpicamente un exceso de Si, y se cree que el Fe contenido en la aleacion se une al exceso de Si, lo que conduce a pelfculas de precipitacion perjudiciales en los bordes del grano.

La aleacion utilizada para fabricar tal componente absorbente de energfa tiene un cierto contenido de Cu. El empleo de cobre (Cu) como ingrediente de la aleacion fomenta la formacion de solo una (unica) fase de precipitacion, que en el caso de esta fase intracristalina es una fase (Al-)Mg-Si-Cu. El cobre como ingrediente de la aleacion contribuye igualmente a aumentar las propiedades de resistencia estatica. No obstante, cuando se emplea cobre como ingrediente de la aleacion, se debe cuidar de que el contenido de cobre no sea tan grande que se formen fases de Cu en exceso, en particular fases de Fe-Cu, en los bordes del grano. La formacion excesiva de estas fases, sobre todo si las fases contienen Fe ademas de Cu, provoca el debilitamiento de la conexion entre granos y, por lo tanto, un deterioro del comportamiento en la colision. Por esta razon se debe controlar el contenido de Cu.

Los componentes absorbentes de energfa segun la invencion presentan resistencias estaticas medias, mayores y maximas. Los componentes con resistencia estatica media tienen un valor de Rp0,2 de aproximadamente 200 MPa a 240 MPa. Los componentes con resistencias estaticas mayores tienen un valor de Rp0,2 de aproximadamente 240 a 280 MPa. Los elementos de colision que cumplen con las resistencias estaticas maximas alcanzan un valor de Rp0,2 superior a 280 MPa.

Un componente absorbente de energfa, fabricado de una aleacion de aluminio del tipo Al-Mg-Si, que tiene al menos una de las propiedades antes descritas, proporciona un buen comportamiento de colision, sin que sea necesario demostrarlo obligatoriamente mediante ensayos de aplastamiento. Si el comportamiento de colision deseado ha sido demostrado una vez mediante ensayos de aplastamiento en un componente absorbente de energfa de este tipo, se puede controlar facilmente sin mas la produccion de otros componentes absorbentes de energfa por medio de los parametros antes descritos.

Para fabricar un componente absorbente de energfa del tipo antes mencionado se emplea una aleacion de aluminio del tipo Al-Mg-Si, que tiene la siguiente composicion:

Si: 0,30-1,3% en peso,

Fe: 0,08 - 0,35% en peso,

Cu: maximo 0,5% en peso,

Mg: 0,35-1,0% en peso,

Mn: 0,02-0,8% en peso,

Zn: maximo 0,2% en peso,

Cr: maximo 0,15% en peso,

Ti: maximo 0,1% en peso,

ademas de impurezas inevitables, de las cuales cada elemento individual presenta como maximo 0,05% en peso y estos elementos suponen en conjunto 0,15% en peso, como maximo, y un resto de aluminio.

La suma de los posibles elementos acompanantes inhibidores de la recristalizacion, escandio, hafnio, estroncio, vanadio, circonio y titanio asciende en conjunto a 1,0% en peso, como maximo, ademas del manganeso ya contenido en la aleacion.

Para producir componentes absorbentes de energfa de resistencia media y alta es particularmente adecuada una aleacion de aluminio con la siguiente composicion:

Si: 0,60 -0 en peso,

Fe: 0,08 -0 35% en peso,

Cu: maximo 0,50% en peso

Mg: 0,40 -0 en peso,

Mn: 0,02 -0 70% en peso,

Zn: maximo 0,20% en peso,

Cr: maximo 0,12% en peso,

Ti: maximo 0,08% en peso,

Para fabricar un componente de este tipo con resistencia estatica media o mayor, en un primer paso se funde una aleacion con una de las composiciones antes mencionadas y se transforma mediante colada continua en tochos redondos. A continuacion se homogeneizan los tochos redondos a una temperatura de homogeneizacion de 500 °C - 590 °C durante hasta 10 horas y luego se conforman a temperaturas entre 440 °C y 520 °C, en particular a 460 °C -490 °C. La conformacion en caliente se puede realizar mediante un proceso de prensado por extrusion. Asimismo, tambien es posible el forjado. Durante la conformacion o despues de ella, se recuecen en solucion los productos semielaborados conformados en caliente y se templan. El temple se realiza en agua o en aire, prefiriendose el temple por aspersion con agua. En caso de un temple al aire, el producto semielaborado alcanza resistencias estaticas medias con valores de Rp0,2 de 200 MPa a 240 MPa. Mediante un temple en agua se pueden lograr mayores resistencias estaticas con valores de Rp0,2 de 240 MPa a 280 MPa. Despues del temple, el producto semielaborado se endurece mediante envejecimiento por calor, en concreto a temperaturas entre 170 °C y 220 °C durante 3-16 horas.

La aleacion antes mencionada se caracteriza, frente a las aleaciones anteriormente conocidas, por intervalos estrechamente limitados de los elementos de aleacion participates, con excepcion del manganeso. Ello es tambien un requisito previo para la reproducibilidad de los componentes, con vistas a conseguir las propiedades deseadas de los componentes.

El elemento cobre, en las proporciones especificadas, sirve para generar la fase de precipitacion requerida. El ingrediente de cobre contenido obligatoriamente en la aleacion antes mencionada sirve ademas para producir una unica fase de precipitacion (fase de precipitacion (Al-)Mg-Si-Cu) con el fin de aumentar la resistencia al sobreenvejecimiento del producto semielaborado en caso de un envejecimiento por calor. Mientras que en aleaciones anteriormente conocidas se ha utilizado el cobre exclusivamente para incrementar la resistencia, en relacion con la fabricacion de un componente absorbente de energfa este elemento sirve especialmente para los dos propositos antes mencionados cuando se utiliza una de las dos aleaciones antes mencionadas. Sin embargo, el contenido de cobre utilizado es tan bajo que la conexion entre granos no se debilita excesivamente por las fases que contienen Cu, en particular las que contienen Fe-Cu. En un desarrollo esta previsto que el contenido de cobre de la aleacion empleada ascienda como mmimo a 0,1% en peso.

El contenido de Mn de la aleacion utilizada para componentes absorbentes de energfa con mayor resistencia se indica como 0,02 - 0,70% en peso. Las propiedades deseadas del componente absorbente de energfa fabricado a partir de esta aleacion se pueden lograr en particular si se usan contenidos mayores de manganeso, en particular los situados entre 0,50 y 0,70% en peso, y adicionalmente un contenido de Cr de 0,05% -0,12%. En este ultimo caso, el contenido de los elementos inhibidores de la recristalizacion es lo suficientemente alto para evitar la recristalizacion y mantener la microestructura de prensado en un elemento absorbente de energfa fabricado mediante un procedimiento de prensado por extrusion.

Las aleaciones antes descritas son adecuadas para fabricar componentes absorbentes de energfa prensados por extrusion, en particular tambien aquellos componentes con solamente un reducido espesor de pared inferior a 10 mm, en particular inferior a 5 mm o incluso inferior a 3 mm. Tales componentes absorbentes de energfa estan configurados preferiblemente como perfil hueco de multiples camaras, en particular en el caso de espesores de pared reducidos.

Para los componentes absorbentes de energfa dotados de la maxima resistencia se emplea preferiblemente una aleacion de aluminio con la siguiente composicion:

Si: 0,90-1,10% en peso,

Fe: 0,08 - 0,35% en peso,

Cu: maximo 0,50% en peso,

Mg: 0,55-0,75% en peso,

Mn: 0,40 - 0,70% en peso,

Zn: maximo 0,20% en peso,

Cr: maximo 0,12% en peso,

Ti: maximo 0,08% en peso,

Esta aleacion se caracteriza, en cada caso con lfmites estrechos, por contenidos comparativamente elevados de Si y Mg. Esta aleacion es adecuada para el prensado por extrusion y se homogeneiza a 480 °C - 540 °C durante hasta 15 horas y se prensa por extrusion aprovechando el denominado efecto de prensado, con el cual se consigue un resultado de incremento de la resistencia. Al igual que en el caso de la variante de aleacion de mayor resistencia con efecto de prensado, esta variante tambien presenta mayores contenidos de Mn y Cr con el fin de evitar una recristalizacion.

A continuacion se explica la invencion con mas detalle haciendo referencia a las figuras adjuntas. Estas muestran: la Figura 1: una micrograffa electronica de barrido de un sector de una microestructura de un componente de colision con resistencia estatica media segun la invencion, con un buen comportamiento de aplastamiento,

la Figura 2: una micrograffa electronica de transmision de un borde de grano de un componente de colision segun la invencion con un buen comportamiento de aplastamiento,

la Figura 3: una micrograffa electronica de barrido de un componente con insuficiente idoneidad frente al impacto,

las Figuras 4a - 4c: un cubo de microestructura construido virtualmente a partir de tres secciones pulidas de distintos planos de un componente de colision (Figura 4a), una representacion esquematica de granos en el plano L-ST, que representa la direccion de carga principal del componente de colision (Figura 4b) y una vista ampliada de la seccion pulida que forma el plano L-S^t del cubo de microestructura de la Figura 4a (Figura 4c),

la Figura 5: una fotograffa de un corte de un borde de perfil de un componente absorbente de energfa aplastado,

la Figura 6: una comparacion de las composiciones de las aleaciones descritas en el contexto de estas realizaciones, frente a aleaciones anteriormente conocidas.

En la tabla que se reproduce a continuacion se exponen las composiciones de aleacion de tres aleaciones de aluminio de tipo Al-Mg-Si con las que se han fabricado componentes, siendo la aleacion designada con el Tipo 1 una aleacion comparativa, y siendo las aleaciones de Tipo 2 y de Tipo 3 aleaciones para fabricar los componentes absorbentes de energfa idoneos frente al impacto, segun la invencion:

Se fabricaron componentes absorbentes de energfa utilizando las aleaciones del Tipo 1 que presentaban, para dicha fabricacion, 0,02 - 0,08% en peso de Mn y 0,03% en peso de cromo, como maximo, de la manera siguiente: despues de fundir la aleacion y producir los tochos redondos por colada continua, se homogeneizaron los tochos redondos durante tres horas a 580 °C ± 10 °C y luego se conformaron en caliente mediante prensado por extrusion. El extruido era un perfil de multiples camaras con delgado espesor de pared (aproximadamente 2 mm). Despues del recocido en solucion, ya sea integrado en el proceso de prensado o por separado, se templo por aspersion de agua el perfil prensado por extrusion, y a continuacion se envejecio por calor. Mediante el envejecimiento por calor se llevo el componente a un estado de sobre-envejecimiento. Esto se efectuo a 205 °C ± 10 °C durante seis horas.

En la Figura 1 se muestra, en una micrograffa electronica de barrido, la microestructura de un componente fabricado utilizando una aleacion del Tipo 1 segun el procedimiento arriba indicado. Debido a la composicion de aleacion antes indicada, en este componente solo esta presente una unica fase de precipitacion, a saber, una fase (Al-)Mg-Si-Cu. Las parffculas de la fase de precipitacion son tan pequenas, debido a la aleacion y al proceso, que no se pueden apreciar en la Figura 1 con la ampliacion elegida. Estas fases de precipitacion fina estan distribuidas en la microestructura con una densidad relativamente alta, de manera homogenea y finamente dispersa, como se puede ver en una micrograffa electronica de transmision (Figura 2). En la Figura 1 tambien se puede apreciar que no hay fases identificables que contengan Fe-Cu presentes en los bordes del grano. Debido a esta propiedad y a la propiedad antes descrita de la existencia de una unica fase de precipitacion, donde las parffculas de la fase de precipitacion son parcialmente coherentes en mas del 50%, este componente absorbente de energfa presenta un buen comportamiento de aplastamiento y, por lo tanto, se debe designar como idoneo frente al impacto.

La Figura 3 muestra, por contraposicion a la Figura 1, una micrograffa electronica de barrido de un componente absorbente de energfa con un mal comportamiento de aplastamiento. Es claramente visible en esta fotograffa, que tiene la misma escala que la fotograffa de la Figura 1, que en los bordes de grano existen fases de precipitacion de tamano apreciable. En consecuencia, las fases de precipitacion forman depositos en los bordes de grano, lo que debilita la conexion entre cristales, tambien ayudado por el tamano de las fases de precipitacion. Se puede observar que cuando se aplasta tal componente absorbente de energfa, se produce una formacion de grietas que involucra la o las fases de precipitacion.

Los componentes de los cuales se han realizado las micrograffas electronicas de barrido de la Figura 1 y de la Figura 3 se han fabricado utilizando la misma aleacion (del Tipo 1). Sin embargo, los componentes se fabrican mediante diferentes procedimientos de fabricacion. Mientras que el componente de la Figura 1 ha sido templado por aspersion con agua despues del recocido en solucion, el componente mostrado en la Figura 3 ha sido templado al aire despues del recocido en solucion. Con ello se evidencia que no solo la composicion de la aleacion, sino tambien los parametros del proceso para la fabricacion del componente son decisivos para la idoneidad del componente frente al impacto.

Para conseguir las propiedades microestructurales deseadas, los componentes absorbentes de energfa que utilizan las aleaciones segun la invencion del Tipo 2 o del Tipo 3 se fabrican de acuerdo con un procedimiento que se diferencia de los metodos precedentes en algunos pasos. Para preparar la aleacion del Tipo 2 se empleo una aleacion que contema 0,50 - 0,70% en peso de Mn y 0,05 - 0,10% en peso de cromo. En el proceso de fabricacion para producir un elemento absorbente de energfa con la aleacion de acuerdo con estos tipos, la homogeneizacion se efectua a aproximadamente 500 °C ± 10 °C durante 12 horas, seguida de un paso de prensado por extrusion como paso de conformado en caliente, y el prensado por extrusion se lleva a cabo aprovechando el efecto de prensado. Con ello se origina en el componente un aumento en la resistencia. El recocido en solucion, ya sea integrado en el proceso de prensado o por separado, el temple y el envejecimiento por calor, incluido el endurecimiento asociado con ello, se llevan a cabo del mismo modo como se ha descrito para la aleacion de Tipo 1, realizandose el envejecimiento por calor a una temperatura de 170 °C ± 10 °C durante 12 horas. Cuando se templa al aire, el producto semielaborado consigue resistencias estaticas medias con valores de Rp0,2 desde 200 MPa hasta 240 MPa. Con un temple en agua se pueden lograr mayores resistencias estaticas, con valores de Rp02 de 240 MPa a 280 MPa.

En la siguiente tabla se reproducen las propiedades de resistencia estatica de componentes absorbentes de energfa fabricados utilizando las aleaciones de los Tipos 1, 2 y 3, mediante los procedimientos de preparacion descritos:

La Figura 4a muestra un cubo de microestructura construido virtualmente a partir de tres secciones pulidas de un componente de colision segun la invencion. Para formar el cubo de microestructura de la Figura 4 se han tomado muestras de un componente de colision en los planos L-ST, L-LT y LT-ST y se han preparado secciones pulidas con la orientacion adecuada. Para formar el cubo de microestructura mostrado en la Figura 4 se han combinado fotograffas de sectores de estas secciones pulidas. De esta manera se puede visualizar tridimensionalmente la microestructura del grano. El componente de colision se ha fabricado mediante un proceso de prensado por extrusion como se ha descrito mas arriba, aprovechando el efecto de prensado y a partir de una aleacion del Tipo 2 como se ha descrito antes. Por lo tanto, en el cubo de microestructura la direccion L corresponde a la direccion de prensado, la direccion LT a la anchura del componente de colision y la direccion ST a la direccion que discurre perpendicularmente a la superficie del perfil. Es claramente reconocible el alargamiento de los granos como resultado del proceso de prensado en la direccion L. El alargamiento de los granos en esta direccion a veces es mayor que la amplitud de la seccion de corte que se muestra. Por lo tanto, los granos tienen un tamano de partfcula en esta direccion superior a 500 pm. Por el contrario, el tamano de grano en la direccion LT es significativamente menor. El tamano efectivo de grano utilizado en estas realizaciones es el tamano de los granos en la direccion ST, en concreto particularmente los bordes de grano que apuntan en la direccion L, con los cuales limitan los granos individuales con los granos adyacentes en la direccion de prensado (direccion L).

Para ilustrar la expresion "tamano efectivo de grano", la Figura 4b muestra en el plano L-ST granos individuales de un componente de colision. Los granos individuales mostrados de manera aislada en la Figura 4b han sido estirados en el curso de un proceso de prensado por extrusion. La extension de los granos mostrados, medida en la direccion ST en la zona de sus extremos respectivos, representa el tamano efectivo de grano respectivo, como lo indican las flechas dirigidas una contra otra dispuestas parcialmente en los extremos. En los granos que se representan en la Figura 4b este mide aproximadamente 10-25 pm.

La direccion L tambien constituye la direccion en el componente de colision, que representa la direccion principal de aplicacion de la carga cuando se aplasta. En el aplastamiento actuan sobre el componente de colision reproducido esquematicamente en la Figura 4b por medio de granos individuales, las fuerzas que se indican mediante las flechas ^{de bloque. Estas actuan sobre los granos en su dimension en la direccion} St, que solo ocupa una pequena extension. Esto es responsable de la buena cohesion de la microestructura cuando se aplica una carga de aplastamiento, sin que se originen grietas.

La vista ampliada del plano de corte L-ST del cubo de microestructura de la Figura 4a, mostrada en Figura 4c, ilustra el enorme alargamiento de los granos, de modo que los granos de este componente de colision tienen una relacion de alargamiento L:ST mayor que 20:1. Aunque el comportamiento de aplastamiento de un componente de colision este influenciado positivamente de manera decisiva por el tamano efectivo de grano mas fino posible, se ha encontrado que, ademas, la formacion de granos fuertemente elongados, con relaciones de alargamiento L:ST superiores a 6:1, en particular superiores a 10:1, en particular superiores a 20:1, influye positivamente en el comportamiento de aplastamiento.

Debido a la composicion de la aleacion y al procedimiento de fabricacion, el componente de colision antes descrito posee las resistencias estaticas deseadas. La microestructura del grano descrita, y en concreto el tamano efectivo de grano, son responsables, junto a la composicion de la aleacion, de que este componente de colision tambien satisfaga los requisitos establecidos para el comportamiento de aplastamiento.

Preferiblemente, se preparan componentes de colision que satisfacen tanto los requisitos con respecto a la fase de precipitacion intracristalina descrita para el Tipo 1 como aleacion de referencia, como el control del Fe y los parametros microestructurales antes mencionados en cuanto al tamano efectivo de grano, descritos para los componentes absorbentes de energfa fabricados a partir de las aleaciones del Tipo 2 y del Tipo 3. Por tanto, las afirmaciones realizadas en lo que antecede relativas a las fases de precipitacion intracristalinas y el control del Fe para la aleacion del Tipo 1 se aplican igualmente para los componentes absorbentes de energfa fabricados a partir de aleaciones de los Tipos 2 y 3. Estos ultimos difieren en cuanto a sus parametros microestructurales, tal como se muestra en las Figuras 1 y 2 para la aleacion del Tipo 1, pero no en cuanto a las fases de precipitacion descritas para este proposito. Por lo tanto, las afirmaciones correspondientes tambien se aplican a los componentes absorbentes de energfa fabricados a partir de aleaciones de los Tipos 2 y 3.

La Figura 5 muestra una imagen de detalle de una muestra para ensayo de aplastamiento de un componente absorbente de energfa en forma de caja. Se representa el componente absorbente de energfa en la region de un borde en el que las superficies laterales adyacentes en el estado no aplastado del componente absorbente de energfa encierran un angulo de 90°. El componente absorbente de energfa esta fabricado con la aleacion de Tipo 2 de acuerdo con los pasos de procedimiento antes descritos y luego se ha sometido a un ensayo de aplastamiento. En el ensayo de aplastamiento se ha comprimido el componente absorbente de energfa en su dimension longitudinal (en la direccion L). La energfa aplicada al componente absorbente de energfa ha sido absorbida por este gracias a la formacion de pliegues mostrada en la Figura 5. El componente absorbente de energfa se ha deformado adoptando una estructura similar a un fuelle. Para una absorcion conforme a lo prescrito de la energfa cinetica inducida por una colision es esencial que, en al menos una seccion, el componente absorbente de energfa se deforme con la estructura similar a un fuelle mostrada en la Figura 5. La expresion "absorcion de energfa cinetica" utilizada en el marco de estas realizaciones debe entenderse por regla general con el significado de la energfa que se induce en el componente absorbente de energfa a causa de una colision, sirviendo la energfa del impacto para deformar el componente absorbente de energfa de la manera descrita. Por lo general, en tal deformacion son cnticos los bordes de dicho perfil, ya que estan sometidos a esfuerzos de deformacion particularmente altos. Como se muestra en la Figura 5, justo en la zona de los bordes originales del componente absorbente de energfa no son visibles hendiduras ni grietas. Antes bien, el componente absorbente de energfa esta dispuesto en pliegues regulares precisamente tambien en la zona de sus bordes. Se desea una formacion de pliegues regular, como la mostrada en la Figura 5, para evitar la aparicion de grietas. Haciendo referencia a la ilustracion del componente absorbente de energfa aplastado, segun la Figura 5, cabe senalar que la formacion de pliegues se realiza transversalmente a la dimension L de la microestructura del componente absorbente de energfa, es decir, en direccion transversal a la dimension longitudinal de los granos (veanse tambien las Figuras 4a, 4b). Dicha formacion de pliegues regular o casi regular, a la manera de un fuelle, caracteriza a los componentes absorbentes de energfa segun la invencion, que al mismo tiempo satisfacen resistencias medias, mayores o maximas.

La Figura 6 muestra en una representacion comparativa las aleaciones (de Tipo 1, Tipo 2 y Tipo 3) descritas en el contexto de estas realizaciones, en comparacion con aleaciones anteriormente conocidas. Todas las aleaciones anteriormente conocidas se caracterizan por indicaciones de intervalo medidas de manera relativamente amplia con respecto a los elementos empleados para constituir la aleacion. Dentro de los lfmites especificados, las aleaciones anteriormente conocidas o los componentes fabricados a partir de las mismas deben tener las mismas propiedades. Esto no es asf, como han demostrado los estudios, al menos en cuanto a la idoneidad frente al impacto de componentes absorbentes de energfa fabricados a partir de las mismas. Antes bien, se ha demostrado que se pueden conseguir componentes absorbentes de energfa con un buen comportamiento de aplastamiento necesario para los componentes de colision, de manera reproducible, con las aleaciones del Tipo 2 y del Tipo 3 indicadas en el diagrama, utilizando los metodos de fabricacion mencionados en lo que antecede. Por lo tanto, las composiciones de aleacion de las aleaciones de Tipo 2 y de Tipo 3 son aleaciones con un margen muy estrecho de proporciones de los elementos participates en la constitucion de estas aleaciones, lo que a su vez es un requisito previo para un componente absorbente de energfa, fabricado a partir de las mismas, que tenga una microestructura idonea frente al impacto.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Componente absorbente de energfa para absorber ene^a cinetica por deformacion, con formacion de una estructura similar a un fuelle, al menos por secciones, fabricado de una aleacion de aluminio del tipo Al-Mg-Si, en donde la microestructura del componente no esta recristalizada en al menos 80% en volumen y en la zona no recristalizada el tamano efectivo del grano que se extiende perpendicularmente a la superficie del componente, medido en la direccion ST en la zona de sus extremos respectivos, el grano es menor que 100 pm, y los granos en las direcciones L-ST presentan una relacion de alargamiento (L:ST) superior a 10:1, teniendo la aleacion de aluminio la siguiente composicion:

Si: 0,30 -1,3% en peso,

Fe: 0,08 - 0,35% en peso,

Cu: maximo 0,5% en peso,

Mg: 0,35 -1,0% en peso,

Mn: 0,02 - 0,8% en peso,

Zn: maximo 0,2% en peso,

Cr: maximo 0,15% en peso;

Ti: maximo 0,1% en peso,

ascendiendo la suma de los elementos acompanantes que inhiben la recristalizacion, titanio, escandio, hafnio, estroncio, circonio y/o vanadio a 1,0% en peso, como maximo, ademas de impurezas inevitables, de las cuales cada elemento individual presenta como maximo 0,05% en peso y estos elementos suponen en conjunto 0,15% en peso, como maximo, y un resto de aluminio, y que el procedimiento para fabricar el componente se ha llevado a cabo de manera tal que la microestructura del componente tiene fundamentalmente solo una unica fase de precipitacion intracristalina, dispuesta distribuida de manera finamente dispersa, con una proporcion superior a 40% de partfculas parcialmente coherentes y/o incoherentes y que la proporcion de las fases que contienen Fe presentes en los bordes de grano es tan pequena que la conexion entre los granos no se debilita excesivamente cuando estas partfculas absorben energfa cinetica.

2. Componente segun la reivindicacion 1, caracterizado por que la relacion de alargamiento (L:ST) es superior a 20:1.

3. Componente segun una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado por que el tamano efectivo de grano es inferior a 50 pm, en particular inferior a 30 pm o 15 pm.

4. Componente segun una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que la textura cristalografica de los granos del componente presenta direcciones preferidas.

5. Componente segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la aleacion de aluminio tiene la siguiente composicion:

Si: 0,60 - 0,80% en peso,

Fe: 0,08 - 0,35% en peso,

Cu: maximo 0,50% en peso

Mg: 0,40 - 0,50% en peso,

Mn: 0,02 - 0,70% en peso,

Zn: maximo 0,20% en peso

Cr: maximo 0,12% en peso;

Ti: maximo 0,08% en peso

ademas de impurezas inevitables, de las cuales cada elemento individual presenta como maximo 0,05% en peso y estos elementos suponen en conjunto 0,08% en peso, como maximo, y un resto de aluminio.

6. Componente segun la reivindicacion 5, caracterizado por que la aleacion de aluminio contiene 0,50 - 0,70% en peso de Mn y 0,05 - 0,10% en peso de Cr.

7. Componente segun una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que la aleacion de aluminio tiene la siguiente composicion:

Si: 0,90 -1,10% en peso,

Fe: 0,08 - 0,35% en peso,

Cu: maximo 0,50% en peso

Mg: 0,55 - 0,75% en peso,

Mn: 0,40 - 0,70% en peso,

Zn: maximo 0,20% en peso

Cr: maximo 0,12% en peso;

Ti: maximo 0,08% en peso

8. Componente segun la reivindicacion 7, caracterizado por que la aleacion contiene al menos 0,1% en peso de Cu y como maximo 0,25% en peso de Cu.

9. Componente segun una de las reivindicaciones 6 a 8, caracterizado por que el componente absorbente de energfa es un perfil hueco de multiples camaras con espesores de pared inferiores a 5 mm, en particular inferiores a 3 mm.