WO1997044501A1 - Bauteil - Google Patents

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WO1997044501A1
WO1997044501A1 PCT/CH1997/000193 CH9700193W WO9744501A1 WO 1997044501 A1 WO1997044501 A1 WO 1997044501A1 CH 9700193 W CH9700193 W CH 9700193W WO 9744501 A1 WO9744501 A1 WO 9744501A1
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Pius Schwellinger
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3A Composites International AG
Original Assignee
Alusuisse Lonza Services Ltd
Alusuisse Technology and Management Ltd
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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/043—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 with silicon as the next major constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • 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 invention relates to a component made of an alloy of the AlMgSi type, with a high absorption capacity for kinetic energy by plastic deformation.
  • Crash behavior is an increasingly important aspect in vehicle construction. This applies to road traffic as well as to rail traffic.
  • the mechanical properties of the materials and joining zones used are of crucial importance.
  • the aim is to absorb as much energy as possible before breaking. This can be achieved by a low ratio of yield strength to strength.
  • An important material characteristic is also a high elongation.
  • Joining zones, such as the weld seam, should differ as little as possible from the base material in their mechanical properties. In the case of extruded profiles, good elongation in the transverse direction is also of great importance.
  • alloys of this type have good conditions for energy-absorbing parts in relation to other alloy systems such as AlZnMg in terms of their elongation and formability, a further optimization of the properties is desirable.
  • the alloy AA6005A currently used in wagon construction brings with it a number of problems in production which are related to the tendency to recrystallize grainy. With a coarse grain structure, it is difficult to comply with the prescribed bending radii, which increases the tendency to form grain boundary openings during welding. This leads to a high number of nonconformities in production. If this is to be avoided, production must take place in such a way that the profile cross section predominantly has a fiber structure. This is currently only possible with an alloy composition that leads to higher press forces and significantly lower press speeds. However, this means that large losses in productivity have to be accepted.
  • the object of the invention is therefore to provide a material with particularly good deformability and good mechanical properties of the component.
  • the material should have a strength level comparable to or lower than that of the AA6005A alloy, but should ensure higher manufacturing reliability and higher productivity. Afford.
  • the alloy according to the invention is considerably less sensitive to quenching in terms of strength and elongation than the alloy AA6005A, and even with wall thicknesses of 6 mm, a fine grain still occurs continuously.
  • the alloy is therefore basically suitable for use with large profiles.
  • the content limits for silicon and magnesium in% by weight are preferably determined as follows:
  • alloy composition according to the invention for the production of components with high energy absorption capacity leads to a favorable microstructure of the component structure.
  • the smallest possible grain size to improve the deformation properties is achieved with the alloy composition according to the invention.
  • a component with particularly good properties with regard to energy absorption with good strength values can be achieved by a special heat treatment. This consists in the generation of an aged or partially hardened state of the alloy, i.e. the alloy is not hardened to maximum strength.
  • the aged condition is produced by annealing in the range between 120 and 170 ° C, the annealing time being in the range between 4 and 16 h.
  • the desired degree of aging can be determined on the basis of a simple series of experiments, the state T64 being preferred.
  • Another preferred heat treatment is achieved by annealing between 190 and 230 ° C. for an annealing period of 1 to 5 hours. With this heat treatment, a slight aging is produced, with state T72 being preferred.
  • the components according to the invention are extruded profiles.
  • components are also conceivable which, starting from an extruded profile as a preform, are finished by hydroforming.
  • the component can also be a forged part.
  • a preferred use of the component according to the invention is seen as a safety part in vehicle construction.
  • the mechanical properties of the alloys used according to the invention were determined in the tensile test and on the basis of fatigue tests for the heat treatment states T6 (Full curing) and T64 (partial curing) determined.
  • This condition is set by aging at 160 ° C for 10 h.
  • the heat treatment time is still below the hardness maximum, which is reached at about 20 h at 160 ° C.
  • the characteristic values of the tensile test can vary depending on the precise analysis, degree of deformation, profile thickness and cooling conditions. The following minimum values have been established based on previous experience:
  • the typical values of the yield strength are around 240 MPa, those of the strength in the base material lengthways around 290 MPa, the elongations A5 around 12%. In the transverse direction, the yield point and strength are approximately the same. A5 drops to 6%.
  • press seams due to profile and sample shape were included. In no case was a break found in the immediate vicinity of the press seam, which is due to the particularly fine grain in the press seam area due to the high degree of deformation.
  • the hardness is in the range from 94 to 105 HB.
  • the characteristics of the welded joint apply to MIG machine welds. In the specified thickness range, the characteristic values differ when using SG-AlMg4, 5Mn-, SG- AlMg5 and SG-AlSi5 filler materials only a little. Errors, such as edge misalignment, which can be attributed to the problems when welding large profiles, have a greater influence on the results.
  • the typical values of the welded joint processed are 130 MPa for RpO.2, 210 MPa for Rm and 4% for A100. These are achieved in an inspection approximately 30 days after welding. Cold curing in the heat affected zone is not yet complete after this time. In a test after about 90 days, a further increase in RpO.2 by about 10 MPa is found, while the strength increases only slightly and the elongation remains constant within the scope of the measurement accuracy.
  • the value for the base material was determined on sections 3 mm thick. Under comparable conditions, values of ⁇ 100 MPa are generally achieved for AA6005A. The weld joint values were determined on 4 mm thick samples.
  • the typical values of the strength in the basic material are 255 MPa, the elongations A5 by 22%. In the transverse direction, the strength drops slightly to 250 MPa. A5 drops to 12%. Press seams are included in all tested transverse samples. In no case was a break in the immediate vicinity of the press seam detected. The hardness is in the range from 74 to 85 HB.
  • the typical values of the welded joint processed are 130 MPa for RpO.2, 210 MPa for Rm and 10% for A100. Such a high elongation is exceptional. This has a very favorable effect in the event of a crash. Here, too, higher values for RpO.2 are reached after about 90 days of storage at room temperature.
  • Position 1 lies entirely in the weld metal, position 5 in the unaffected basic material.
  • Base material (lengthways) 95 Butt joint (MIG) 85 45 with seam reinforcement 95 50 without night reinforcement
  • the behavior in the event of a crash essentially depends on the material properties, on the shape and dimension of the crash element used.
  • a first prerequisite for the suitability of a material in a specific shape and dimension is folding without premature breakage. Sections of pipes or of hollow profiles of rectangular cross-section which are compressed are used to test the crash behavior. Alloys A, B and C were compared in a first series of experiments, and alloys B, D and E in a second series of experiments with the compositions below.
  • the alloy C used according to the invention always achieved the highest values of the absorbed energy in relation to the mass of the crash element. With this alloy, even in the T64 and T6 states, folding with a thin tube was achieved without breakage and higher energy absorption than in the T4 state.
  • the alloys D and E used according to the invention always achieved the highest values of the absorbed energy in relation to the mass of the crash element.
  • condition T72 was achieved with a heat treatment of 5 hours at 205 ° C.
  • condition T6 by annealing for 10 hours at 160 ° C.
  • the alloy recrystallizes fine-grained during pressing, with a remnant of a deformation structure remaining in the grains. This is the most important basis for the properties which are better in many aspects compared to the alloy AA6005A.
  • the fine-grained recrystallization requires a sufficient degree of deformation in relation to time.
  • the alloy according to the invention is easy to weld. In the case of butt joints from profile sections which have been worked out from large profiles and welded with SG-AlMg4.5Mn filler material, significant grain boundary openings have never been observed with wall thicknesses of up to 6 mm. corrosion
  • the alloy according to the invention is well suited for use in vehicle construction.
  • the characteristic values of the tensile test required for the base material and the welded joint are reliably achieved.
  • the alloy can be used for small and large profiles in the same way. It is equally suitable for crash elements and for components that are produced by hydroforming.
  • the production reliability is considerably better than that of the AA6005A alloy.
  • the pressing speed can generally be increased by more than 50% compared to AA6005A.
  • the partially hardened T64 variant in particular is characterized by a slight drop in the characteristics of the welded connection compared to the base material.
  • the alloy according to the invention has proven to be an alloy with a good combination of properties of strength, elongation, weldability and production reliability. This applies to both the partially cured and fully cured condition.

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Abstract

Eine zur Herstellung von Bauteilen mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung geeignete Legierung vom Typ AlMgSi enthält in Gew.-%: Silizium 0.40 bis 0.80, Magnesium 0.40 bis 0.70, Eisen max. 0.30, Kupfer max. 0.20, Mangan max. 0.15, Vanadium 0.05 bis 0.20, Chrom max. 0.10, Titan max. 0.10, Zink max. 0.10, sowie weitere Legierungselemente einzeln max. 0.05, insgesamt max. 0.15, und Aluminium als Rest. Aus der Legierung hergestellte Bauteile sind als Sicherheitsteile im Fahrzeugbau geeignet.

Description

Bauteil
Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einer Legierung vom Typ AlMgSi, mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Ener¬ gie durch plastische Verformung.
Das Crash-Verhalten ist im Fahrzeugbau ein zunehmend wichti- ger Aspekt. Dies gilt für den Strassenverkehr ebenso wie für den Schienenverkehr.
Hersteller von Strassen- und Schienenfahrzeugen gehen immer mehr dazu über, spezielle Bauelemente oder sogar ganze Bau- gruppen des Fahrzeugs so zu dimensionieren, dass diese bei einem Zusammenstoss möglichst viel Energie absorbieren, um damit das Verletzungsrisiko der Passagiere zu verringern.
Neben der konstruktiven Gestaltung dieser sogenannten Crash-Elemente sind die mechanischen Eigenschaften der ein¬ gesetzten Werkstoffe und Fügezonen von ausschlaggebender Bedeutung. Angestrebt wird eine möglichst grosse Absorption von Energie vor dem Bruch. Dies kann durch ein niedriges Ver¬ hältnis von Streckgrenze zu Festigkeit erreicht werden. Ein wichtiges Werkstoffmerkmal ist auch eine hohe Dehnung. Füge¬ zonen, wie die Schweissnaht, sollten sich in ihren mechani¬ schen Eigenschaften möglichst wenig vom Grundmaterial un¬ terscheiden. Bei Strangpressprofilen ist zudem eine gute Dehnung auch in Querrichtungvon grosser Bedeutung.
Zu beachten sind auch die Anforderungen an das fertige Bau¬ teil. Von der Konstruktion her können beispielsweise ein bestimmtes Festigkeitsniveau, bestimmte Mindestwerte der Dehnung, Korrosionsbeständigkeit oder andere wesentliche Kennwertevorgegeben sein.
Zu den Aluminiumwerkstoffen, die heute zu Crash-Elementen verarbeitet werden, gehören insbesondere Standardlegierun¬ gen vom Typ AlMgSi. Obschon Legierungen dieses Typs gegen¬ über andern Legierungssystemen wie beispielsweise AlZnMg hinsichtlich ihrer Dehnung und Umformbarkeit gute Voraus- Setzungen für Energie absorbierende Teile mitbringen, ist eine weitere Optimierung der Eigenschaften wünschenswert.
Die zur Zeit im Waggonbau eingesetzte Legierung AA6005A bringt in der Fertigung eine Reihe von Problemen mit sich, die mit der Neigung, grobkörnig zu rekristallisieren, zusam¬ menhängen. Bei grober Kornstruktur ist es schwierig, die vorgeschriebenen Biegeradien einzuhalten, wodurch die Nei¬ gung zur Bildung von Korngrenzenöffnungen beim Schweissen verstärkt wird. Dies führt zu einer hohen Zahl von Nonkonfor- mitäten bei der Produktion. Will man dies vermeiden, so muss so produziert werden, dass der Profilquerschnitt überwie¬ gend Fasergefüge aufweist. Dies ist derzeit nur mit einer Legierungszusammensetzung möglich, die zu höheren Press¬ kräften und deutlich niedrigeren Pressgeschwindigkeiten führt. Damit müssen aber grosse Produktivitätsverluste in Kauf genommen werden.
Im Automobilbau als Sicherheitsteile eingesetzte Bauteile müssen oft nicht die beim Waggonbau vorgeschriebenen hohen Festigkeitswerte erreichen. Andererseits weisen die beim Automobilbau eingesetzten stranggepressten Bauteile oft Profilwandstärken in der Grössenordnung von 1mm oder sogar weniger auf. Diese geringen Wandstärken können aus Legierun¬ gen mit zu hoher Festigkeit nicht oder nicht mehr wirtschaft- lieh verpresst werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Werk¬ stoff mit besonders guter Verformbarkeit bei guten mechani¬ schen Eigenschaften des Bauteils bereitzustellen. Der Werk- stoff soll ein mit der Legierung AA6005A vergleichbares oder geringeres Festigkeitsniveau aufweisen, jedoch eine höhere Fertigungssicherheit und eine höhere Produktivität gewähr- leisten.
Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass di( Legierung in Gew. -%
Silizium 0.40 bis 0.80
Magnesium 0.40 bis 0.70
Eisen max. 0.30
Kupfer max. 0.20
Mangan max. 0.15
Vanadium 0.05 bis 0.2
Chrom max. 0.10
Titan max. 0.10
Zink max. 0.10
sowie weitere Legierungselemente einzeln max. 0.05, insge¬ samt max.0.15 und Aluminium als Rest enthält.
Die erfindungsgemässe Legierung ist in Bezug auf Festigkeit und Dehnung wesentlich weniger abschreckempfindlich als die Legierung AA6005A, und schon bei Wanddicken von 6 mm tritt immer noch durchgehend ein feines Korn auf. Damit ist die Legierung grundsätzlich für den Einsatz bei Grossprofilen geeignet.
Für Bauteile mit hohen Festigkeitsanforderungen, wie sie beispielsweise im Waggonbau eingesetzt werden, werden die Gehaltsgrenzen für Silizium und Magnesium in Gew.-% bevor¬ zugt wie folgt festgelegt:
Silizium 0.45 bis 0.75, insbesondere 0.55 bis 0.65 Magnesium 0.45 bis 0.65, insbesondere 0.50 bis 0.60
Für Bauteile mit geringeren Anforderungen an die Festigkeit, wie sie beispielsweise im Automobilbau als stranggepresste Profile mit teilweise geringen Wandstärken von 1mm oder we¬ niger eingesetzt werden, gelten bevorzugt die folgenden Ge- haltsbereicht in Gew. -% für Silizium und Magnesium:
Silizium 0.45 bis 0.60, insbesondere 0.45 bis 0.55 Magnesium 0.40 bis 0.60, insbesondere 0.45 bis 0.55
Für die neben Silizium und Magnesium in der erfindungsgemäs¬ sen Legierung weiter enthaltenen Elemente gelten die folgen¬ den Vorzugsbereiche in Gew.-%:
Eisen 0.18 bis 0.25
Kupfer 0.08 bis 0.16
Mangan 0.05 bis 0.10
Vanadium 0.06 bis 0.15
Chrom max. 0.08, vorzugsweiε
Titan max. 0.05
Die Verwendung der erfindungsgemässen Legierungszusammen¬ setzung zur Herstellung von Bauteilen mit hohem Energieab¬ sorptionsvermögen führt zu einer günstigen MikroStruktur des Bauteilgefüges. Die zur Verbesserung der Verformungs¬ eigenschaften möglichst geringe Korngrösse wird mit der er- findungsgemässen Legierungszusammensetzung erreicht.
Ein Bauteil mit besonders guten Eigenschaften bezüglich Energieabsorption bei gleichzeitig guten Festigkeitswerten kann durch eine spezielle Wärmebehandlung erreicht werden. Diese besteht in der Erzeugung eines unteralterten oder teilausgehärteten Zustandes der Legierung, d.h. die Legie¬ rung wird nicht auf maximale Festigkeit ausgehärtet. Der unteralterte Zustand wird durch eine Glühung im Bereich zwi¬ schen 120 und 170°C hergestellt, wobei die Glühdauer im Be¬ reich zwischen 4 und 16 h liegt. Der gewünschte Grad der Un¬ teralterung kann anhand einer einfachen Versuchsreihe fest¬ gelegt werden, wobei der Zustand T64 bevorzugt wird.
Eine weitere bevorzugte Wärmebehandlung, die insbesondere in der Automobilindustrie auch mit einer Lackeinbrennung kombiniert werden kann, wird durch eine Glühung zwischen 190 und 230"C während einer Glühdauer von 1 bis 5 Stunden er¬ reicht. Bei dieser Wärmebehandlung wird eine leichte Ueber- alterung erzeugt, wobei der Zustand T72 bevorzugt wird.
Die erfindungsgemässen Bauteile sind im einfachsten Fall Strangpressprofile. Denkbar sind jedoch auch Bauteile, die, ausgegehend von einem stranggepressten Profil als Vorform, durch Innenhochdruckumformen endgefertigt sind. Nach einer weiteren Variante der Erfindung kann das Bauteil auch ein Schmiedeteil sein.
Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemässen Bauteils wird als Sicherheitsteil im Fahrzeugbau gesehen.
Die Vorteile der erfindungsgemäss zur Herstellung von Crash- Elementen eingesetzten Legierungen sowie der speziellen Wärmebehandlungen der Unteralterung oder Ueberalterung wer¬ den durch die nachfolgende Darlegung von Versuchsergebnis- sen weiter untermauert.
Pressversuche mit der erfindungsgemässen Legierung mit ho¬ hem Festigkeitsniveau (Legierung C, siehe unten) haben ge¬ zeigt, dass die Pressgeschwindigkeit im Vergleich zu AA6005A deutlich erhöht werden kann. Bei einem Betriebsversuch mit einer presstechnisch schwierigen Bodenplatte für einen Ei¬ senbahnwaggon konnte die Pressgeschwindigkeit beispiels¬ weise um 70% gesteigert werden, ohne dass die Legierung Kan¬ tenrisse zeigte, wobei die Begrenzung durch die maximal zu- lässige Presskraft der Presse gegeben war. Eine durch¬ schnittliche Steigerung der Pressgeschwindigkeit von 50% mit der erfindungsgemässen Legierung im Vergleich zur Legie¬ rung AA6005A darf als realistisch angenommen werden.
Die mechanischen Eigenschaften der erfindungsgemäss einge¬ setzten Legierungen wurden im Zugversuch sowie anhand von Ermüdungsprüfungen für die Wärmebehandlungszustände T6 (Vollaushärtung) und T64 (Teilaushärtung) ermittelt.
Wärmebehandlungszustand T6
Dieser Zustand wird durch eine Auslagerung von 10 h bei 160°C eingestellt. Die Wärmebehandlungsdauer liegt noch unterhalb des Härtemaximums, das bei etwa 20 h bei 160°C erreicht wird.
Die Kennwerte des Zugversuchs können je nach genauer Analy¬ se, Umformgrad, Profildicke und Abkühlbedingungen schwan¬ ken. Den bisherigen Erfahrungen entsprechend wurden folgen¬ de Mindestwerte festgelegt:
Profildickenbereich 2 - 4 mm 4 - 8 mm
Rp0.2 Rm A5 RpO Rm A5 [MPa] [MPa] [%] [MPa] [MPa] [%]
Grundmaterial 230 275 10 230 270 8 Stumpfstoss (MIG) 120 180 115 165
Die typischen Werte der Streckgrenze liegen um 240 MPa, die der Festigkeit im Grundmaterial längs um 290 MPa, die Dehnun¬ gen A5 um 12%. In Querrichtung sind Streckgrenze und Festig¬ keit etwa gleich hoch. A5 fällt auf 6% ab. Bei allen geprüften Querproben waren durch Profil- und Probenform bedingte Pressnähte enthalten. In keinem Fall wurde ein Bruch in un- mittelbarer Nähe der Pressnaht festgestellt, was auf das infolge des hohen Umformgrades besonders feine Korn im Pressnahtbereich zurückzuführen ist. Die Härte liegt im Be¬ reich von 94 bis 105 HB.
Die Kennwerte der Schweissverbindung gelten für MIG-Maschi- nenschweissungen. Im angegebenen Dickenbereich unterschei¬ den sich die Kennwerte bei Verwendung von SG-AlMg4, 5Mn-, SG- AlMg5- und SG-AlSi5-Zusatzwerkstoffen nur wenig. Fehler, wie beispielsweise Kantenversatz, die auf die Probleme beim Schweissen von Grossprofilen zurückzuführen sind, beein¬ flussen die Ergebnisse stärker. Die typischen Werte der ab¬ gearbeiteten Schweissverbindung liegen für RpO.2 bei 130 MPa, für Rm bei 210 MPa und für A100 bei 4%. Diese werden bei einer Prüfung nach etwa 30 Tagen nach dem Schweissen er¬ reicht. Die Kaltaushärtung in der Wärmeeinflusszone ist nach dieser Zeit noch nicht abgeschlossen. Bei einer Prüfung nach etwa 90 Tagen wird eine weitere Erhöhung von RpO.2 um etwa 10 MPa festgestellt, während die Festigkeit sich nur geringfü¬ gig erhöht, und die Dehnung im Rahmen der Messgenauigkeit konstant bleibt.
Bei der Ermüdungsprüfung wurden die folgenden Werte ermit¬ telt:
N*) 10 > 10'
Δ6 Δ6
[MPa] [MPa]
Grundmaterial ( längs) 110 Stumpfstoss (MIG) 90 45 mit Nahtüberhöhung 95 55 ohne Nachtüberhöhung
* ) N = Anzahl Lastwechsel
Der Wert für das Grundmaterial wurde an 3 mm dicken Abschnit¬ ten ermittelt. Bei vergleichbaren Bedingungen werden für AA6005A in der Regel Werte < 100 MPa erreicht. Die Werte der Schweissverbindung wurden an 4 mm dicken Proben ermittelt.
Wärmebehandlungszustand T64
Dieser Zustand wird durch eine Auslagerung von 8 h bei 140°C erreicht. Als Kennwerte des Zugversuchs im teilausgehärteten Zustand T64 wurde zur Definition der Crash-Toleranz festgelegt:
Profildickenbereich 2 - 4 mm
RpO.2 Rm A5 [MPa] [MPa] [%]
Grundmaterial 140 - 180 >220 >18 Stumpfstoss (MIG) >120 >180 >5(A100)
Die typischen Werte der Festigkeit im Grundmaterial längs liegen bei 255 MPa, die Dehnungen A5 um 22%. In Querrichtung fällt die Festigkeit leicht ab auf 250 MPa. A5 fällt auf 12% ab. Bei allen geprüften Querproben sind Pressnähte enthal¬ ten. In keinem Fall wurde ein Bruch in unmittelbarer Nähe der Pressnaht festgestellt. Die Härte liegt im Bereich von 74 bis 85 HB.
Die typischen Werte der abgearbeiteten Schweissverbindung liegen für RpO.2 bei 130 MPa, für Rm bei 210 MPa und für A100 bei 10%. Eine so hohe Dehnung ist aussergewöhnlich. Dies wirkt sich im Crashfall sehr günstig aus. Auch hier werden nach etwa 90 Tagen Lagerung bei Raumtemperatur noch höhere Werte für RpO.2 erreicht.
Zur Dokumentation der mechanischen Eigenschaften im Schweissnahtbereich wurden aus 6 mm dicken geschweissten Profilabschnitten parallel zur Schweissrichtung 2 mm dicke Zugproben in definierten Abständen (Positionen) von der Schweissnahtmitte herausgearbeitet und geprüft (je Position 4 Zugproben). Die Ergebnisse sind in den nachstehenden Ta¬ bellen zusammengestellt. Zugversuch parallel zur Schweissnaht in der Wärmeeinfluss- zone
SG-AlMg5-Zusatzwerkstoff
Position RpO.2 Rm Ag A5 mm MPa MPa % %
1 0 108 214 17.2 20.9
2 9 117 221 21.3 27.7
3 15 118 181 15.5 22.7
4 27 136 210 16.4 21.3
5 84 159 245 17.4 19.5
Zugversuch parallel zur Schweissnaht in der Wärmeeinfluss¬ zone
SG-AlSi5-Zusatzwerkstoff
Position RpO.2 Rm Ag A5 mm MPa • MPa % %
1 0 106 205 14.7 16.2
2 9 111 195 20.7 25.7
3 15 140 207 17.0 22.1
4 27 154 238 19.6 21.9
5 84 159 240 17.3 18.6
Die Positionen sind in Abstand zur Mitte der Schweissnaht angegeben. Position 1 liegt ganz im Schweissgut, Position 5 im unbeeinflusstenGrundmaterial.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Festigkeit innerhalb der Schweissnaht (Schweissgut und Wärmeeinflusszone) im Ver¬ gleich zum Grundmaterial relativ wenig abfällt, und dass im ganzen Bereich eine hohe Duktilität vorhanden ist.
Die Ermittlungsprüfungen haben zu folgendem Ergebnis ge¬ führt:
Ermüdung N*) = 10 > 10'
Δσ Δ6"
[MPa] [MPa]
Grundmaterial (längs) 95 Stumpfstoss (MIG) 85 45 mit Nahtüberhöhung 95 50 ohne Nachtüberhöhung
*) N = Anzahl Lastwechsel
Die Ermüdungsprüfungen wurden an Profilen aus der gleichen Produktion wie beim Zustand T6 durchgeführt.
Die Streuung der mechanischen Kennwerte zwischen Strangan¬ fang und -ende des stranggepressten Profils sind bei der er- findungsgemässen Legierung geringer als bei der Legierung AA6005A. Dies ist auf das gleichmässigere Gefüge und die ge¬ ringere Abschreckempfindlichkeit zurückzuführen. Als Bei- spiel seien die Werte eines Betriebsversuchs über die Aus¬ presslänge aufgeführt:
Zugversuch Grundmaterial 160°C 10 h längs n = 6 RpO.2 Rm Ag A5
Mittelwert 241 291 10. 8 12. 9 Standardabweichung 1.4 2 . 1 0 . 3 0 . 5 Minimum 239 288 10. 4 12 . 3 Zugversuch Grundmaterial 140°C 8 h längs n = 6 RpO.2 Rm Ag A5
Mittelwert 165 255 18.6 23.3
Standardabweichung 0.5 0.3 0.4 0.4
Minimum 164 255 17.9 22.9
Crashverha11en
Das Verhalten im Crashfall hängt wesentlich von den Mate¬ rialeigenschaften, von Gestalt und Dimension des verwende¬ ten Crash-Elements ab. Eine erste Voraussetzung für die Eig¬ nung eines Werkstoffs in einer bestimmten Gestalt und Dimen- sion ist eine Faltung ohne frühzeitigen Bruch. Zur Prüfung des Crashverhaltens dienen Abschnitte von Rohren oder von Hohlprofilen rechteckigen Querschnittes, die gestaucht wer¬ den. In einer ersten Versuchsreihe wurden die Legierungen A, B und C, in einer zweiten Versuchsreihe die Legierungen B, D und E mit den nachstehenden Zusammensetzungen verglichen.
Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn V Ti
A 0.45 0.21 0.02 0.02 0.43 -- 0.03 -- 0.02
B 0.54 0.21 -- 0.08 0.59 0.01
C 0.62 0.26 0.16 0.07 0.56 -- -- 0.10 0.01
D 0.52 0.21 -- 0.08 0.57 -- -- 0.09 0.01
E 0.51 0.21 0.11 0.06 0.49 -- 0.10 0.01
Bei den durchgeführten Stauchversuchen der ersten Versuchs¬ reihe erreichte immer die erfindungsgemäss eingesetzte Le¬ gierung C die höchsten Werte der absorbierten Energie bezo¬ gen auf die Masse des Crash-Elementes. Bei dieser Legierung wurde auch im Zustand T64 und T6 bei einem dünnen Rohr noch eine Faltung ohne Bruch und eine höhere Energieabsorption als im Zustand T4 erreicht. Bei den an rechteckförmigen Hohlprofilen mit einem Quer¬ schnitt von 56 x 65mm, einer Länge von 300mm sowie einer Dicke von 1mm durchgeführten Stauchversuchen der zweiten Ver¬ suchsreihe erreichten immer die erfindungsgemäss eingesetz¬ ten Legierungen D und E die höchsten Werte der absorbierten Energie bezogen auf die Masse des Crash-Elementes. In den angegebenen Beispielen wurde der Zustand T72 mit einer Wär¬ mebehandlung von 5 Stunden bei 205°C, der Zustand T6 durch eine Glühung von 10 Stunden bei 160°C erreicht.
Die Ergebnisse der Stauchversuche der beiden Versuchsreihen sind in den nachstehenden Tabellen zusammengestellt.
Crash - Test an Rohrelementen
Leg, Zustand Durchm. Dicke Art der Absorbierte
Faltung* ) Energie/Masse
[mm] [mm] [kJ/kg]
A T4 92 1 . 5 as 14.4 B T4 92 1 . 5 as 17.8 C T4 92 1 . 5 as 22.1 C T64 92 1 . 5 as 25 C T6 92 1 . 5 as 25.7
A T4 70 5 rs 52
B T4 70 5 rs 47 C T4 70 5 rs 58
* ) as = asymmetrisch mit Knotenpunkten rs = ringsymmetrisch Crash - Test anrechteckförmigenHohlprofilelementen
Leg. Kühlung an der Presse Absorbierte Energie/Masse
[kJ/kg] T72 T6
B Gebläse 14.6 17.6 D Gebläse 19.0 18.8
E Gebläse 20.9 20.0
B Wassersprühung 19.1 16.8 D Wassersprühung 19.8 18.2
E Wassersprühung 21.6 18.2
Gefüge
Die Legierung rekristallisiert beim Pressen feinkörnig, wobei in den Körnern noch ein Rest einer Verformungsstruktur verbleibt. Dies ist die wichtigste Grundlage für die unter vielen Aspekten besseren Eigenschaften im Vergleich zur Le¬ gierung AA6005A. Die feinkörnige Rekristallisation erfor- dert einen ausreichendenUmformgrad bezogen auf die Zeit.
Schweissverhalten
Die erfindungsgemässe Legierung ist gut schweissbar. Bei Stumpfstössen aus Profilabschnitten, die aus Grossprofilen herausgearbeitet und mit SG-AlMg4,5Mn-Zusatzwerkstoff ge- schweisst wurden, sind bei Wanddicken bis 6 mm nie signifi¬ kante Korngrenzenöffnungen beobachtet worden. Korrosion
Es wurden vergleichende Korrosionsuntersuchungen an Legie¬ rung B T6, AA6005A T6 und an der erfindungsgemässen Legierung C T6 und T64 durchgeführt. Ein RID-Test wurde am Grundmate¬ rial, der Salzsprühtest an geschweissten Probenabschnitten durchgeführt. Beim RID-Test (24 h in einer Lösung von 3% NaCl + 0.5% HC1 bei Raumtemperatur) zeigte sich eine klare Dif¬ ferenzierung: Angegriffen wurde die Legierung AA6005A bis etwa 250 μm Tiefe. Die übrigen Legierungen und Zustände zeig¬ ten nur vereinzelt Ansätze von interkristalliner Korrosion. Im Salzsprühtest nach DIN 50021 SS (5% NaCl-Lösung bei 35+/- 2°C) zeigte sich nach 1000 h noch keine Differenzierung zwi¬ schen den Legierungen und Zuständen. Eine besondere Korro- sionsanfälligkeit einer der Werkstoffe kann aus den durchge¬ führtenVersuchen nicht abgeleitet werden.
Schlussfolgerungen
Die erfindungsgemässe Legierung ist gut geeignet für den Einsatz im Fahrzeugbau. Die für das Grundmaterial und die Schweissverbindung geforderten Kennwerte des Zugversuchs werden sicher erreicht. Die Legierung ist für kleine und für grosse Profile in gleicher Weise einsetzbar. Sie ist für Crash-Elemente und für Bauteile, die durch Innenhochdruck- umformen hergestellt werden, gleichermassen geeignet.
Die Produktionssicherheit ist aufgrund der geringeren Ab- Schreckempfindlichkeit und der feinkörnigen Rekristallisa¬ tion der erfindungsgemässen Legierung wesentlich besser als bei der Legierung AA6005A.
Die Pressgeschwindigkeit kann im Vergleich zu AA6005A gene- rell ummehr als 50% erhöht werden.
Pressnähte wirken sich nicht negativ auf die mechanischen Eigenschaften aus.
Beim Schweissen mit SG-AlMg-Zusatzwerkstoffen werden im Dickenbereich, in dem die Legierung feinkörnig rekristalli- siert, keine Korngrenzenöffnungen einer Grosse gebildet, die einen signifikanten Einfluss auf die mechanischen Eigen¬ schaften der Schweissverbindung ausüben, wenn die Erstar¬ rungsschrumpfung nicht extrem behindert wird. Dies wirkt sich in einer guten Dehnbarkeit aus. Insbesondere die Vari- ante teilausgehärtet T64 zeichnet sich durch einen geringen Abfall der Kennwerte der Schweissverbindung gegenüber dem Grundmaterial aus.
Insgesamt hat sich die erfindungsgemässe Legierung als eine Legierung mit einer guten Eigenschaftskombination von Fe¬ stigkeit, Dehnung, Schweissbarkeit und Produktionssicher¬ heit erwiesen. Dies gilt sowohl für den teilausgehärteten als auch für denvollausgehärteten Zustand.

Claims

Patentansprüche
1. Bauteil aus einer Legierung vom Typ AlMgSi, mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plasti¬ sche Verformung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung inGew.-%
Silizium 0.40 bis 0.80
Magnesium 0.40 bis 0.70
Eisen max. 0.30
Kupfer max. 0.20
Mangan max. 0.15
Vanadium 0.05 bis 0.2
Chrom max. 0.10
Titan max. 0.10
Zink max. 0.10
sowie weitere Legierungselemente einzeln max. 0.05, insgesamt max.0.15 und Aluminium als Rest enthält.
2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in Gew.-%
Silizium 0.45 bis 0.75, vorzugsweise 0.55 bis 0.65, und
Magnesium 0.45 bis 0.65, vorzugsweise 0.50 bis 0.60
enthält.
3. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung in Gew.-%
Silizium 0.40 bis 0.60, vorzugsweise 0.45 bis 0.55, und Magnesium 0.40 bis 0.60, vorzugsweise 0.45 bis 0.55
enthält.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Legierung 0.18 bis 0.25 Gew.-% Eisen enthält.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Legierung 0.12 bis 0.16 Gew.-% Kupfer enthält.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Legierung 0.05 bis 0.10 Gew.-% Mangan enthält.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Legierung 0.06 bis 0.15 Gew.-% Vanadium enthält.
8. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Legierung max. 0.08, vorzugs¬ weise max.0.01 Gew.-% Chromenthält.
9. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Legierung max.0.05 Gew.-% Titan enthält.
10. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Legierung nach einer Wärmebe¬ handlung während 4 bis 16 h bei 120 bis 170°C im teilaus¬ gehärteten Zustand T64 vorliegt.
11. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Legierung nach einer Wärmebe¬ handlung während 1 bis 5h bei 190 bis 230°C im überal¬ terten Zustand T72 vorliegt.
12. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass es als Profil durch Strangpressen hergestellt ist.
13. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass es durch Innenhochdruckumformen aus einem stranggepressten Profil hergestellt ist.
14. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass es durch Schmieden hergestellt ist.
15. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 14 als Sicherheitsteil im Fahrzeugbau.
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