(57) Eine zur Herstellung von Bauteilen mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie
durch plastische Verformung geeignete Legierung enthält in Gew.-%
Silizium |
0,3 bis 1,6 |
Magnesium |
0,3 bis 1,3 |
Eisen |
max. 0,5 |
Kupfer |
max. 0,9 |
Mangan |
max. 0,5 |
Vanadium |
0,05 bis 0,3 |
Kobalt |
max. 0,3 |
Chrom |
max. 0,3 |
Nickel |
max. 0,8 |
Zirkon |
max. 0,3 |
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.
[0001] Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus einer Legierung vom Typ AlMgSi, mit hohem
Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung.
[0002] Hersteller von Strassen- und Schienenfahrzeugen gehen immer mehr dazu über, spezielle
Bauelemente oder sogar ganze Baugruppen des Fahrzeugs so zu dimensionieren, dass diese
bei einem Zusammenstoss möglichst viel Energie absorbieren, um damit das Verletzungsrisiko
der Passagiere zu verringern. Neben der speziellen Auslegung und Bauweise dieser sogenannten
Crashelemente ist der hierzu eingesetzte Werkstoff von grosser Bedeutung. Er soll
vor einem Bruch möglichst viel Energie durch plastische Verformung aufnehmen können.
Wichtige Werkstoffmerkmale sind daher eine hohe Dehnung sowie ein niedriges Verhältnis
von Rp0.2/Rm (Streckgrenze/Zugfestigkeit). Bei Strangpressprofilen ist zudem eine
gute Dehnung auch in Querrichtung von grosser Bedeutung.
[0003] Zu beachten sind auch die Anforderungen an das fertige Bauteil. Von der Konstruktion
her können beispielsweise ein bestimmtes Festigkeitsniveau, bestimmte Mindestwerte
der Dehnung, Korrosionsbeständigkeit oder andere wesentliche Kennwerte vorgegeben
werden.
[0004] Zu den Aluminiumwerkstoffen, die heute zu Crashelementen verarbeitet werden, gehören
insbesondere Standardlegierungen vom AlMgSi. Obschon Legierungen dieses Typs gegenüber
andern Legierungssystemen wie beispielsweise AlZnMg hinsichtlich ihrer Dehnung und
Umformbarkeit gute Voraussetzungen für Energie absorbierende Teile mitbringen, ist
eine weitere Optimierung der Eigenschaften wünschenswert.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, geeignete Werkstoffe mit besonders
guter Verformbarkeit bei guten mechanischen Eigenschaften des Bauteils bereitzustellen.
[0006] Zur erfindungsgemässen Lösung der Aufgabe führt, dass die Legierung in Gew.-%
Silizium |
0,3 bis 1,6 |
Magnesium |
0,3 bis 1,3 |
Eisen |
max. 0,5 |
Kupfer |
max. 0,9 |
Mangan |
max. 0,5 |
Vanadium |
0,05 bis 0,3 |
Kobalt |
max. 0,3 |
Chrom |
max. 0,3 |
Nickel |
max. 0,8 |
Zirkon |
max. 0,3 |
sowie weitere Legierungselemente einzeln max. 0,05, insgesamt max. 0,15 und Aluminium
als Rest enthält.
[0007] Die erfindungsgemässe Zugabe von Vanadium zu Legierungen des Typs AlMgSi führt zu
einem feinkörnigen Gefüge mit ausgezeichneten Verformungseigenschaften und guter Dehnung
auch in Querrichtung.
[0008] Bei einer bevorzugten Zusammensetzung weist die Legierung 0,08 bis 0,13 Gew.-% Vanadium
auf und enthält zudem 0,05 bis 0,15 Gew.-% Mangan.
[0009] Die Verwendung der erfindungsgemässen Legierungszusammensetzung zur Herstellung von
Bauteilen mit hohem Energieabsorptionsvermögen führt zu einer günstigen Mikrostruktur
des Bauteilgefüges. Ein wichtiges Merkmal der Mikrostruktur, das die Verformungseigenschaften
verbessert, ist eine möglichst niedrige Korngrösse. Dies wird mit der erfindungsgemässen
Legierungszusammensetzung erreicht.
[0010] 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 Legierung wird nicht auf maximale Festigkeit ausgehärtet.
Der unteralterte Zustand wird durch eine Glühung im Bereich zwischen 120 und 170°C
hergestellt, wobei die Glühdauer im Bereich zwischen 4 und 16 h liegt. Der gewünschte
Grad der Unteralterung kann anhand einer einfachen Versuchsreihe festgelegt werden.
[0011] 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.
[0012] Eine bevorzugte Verwendung des erfindungsgemässen Bauteils wird als Sicherheitsteil
im Fahrzeugbau gesehen.
[0013] Die Vorteilhaftigkeit der erfindungsgemäss eingesetzten Legierungen sowie der speziellen
Wärmebehandlung der Unteralterung ergibt sich aus der nachfolgenden Gegenüberstellung
einer Legierung mit erfindungsgemässer Zusammensetzung und einer Vergleichslegierung
(Beispiel 1) sowie aus den mechanischen Festigkeitswerten einer erfindungsgemässen
Legierung im unteralterten Zustand (Beispiel 2).
Beispiel 1
[0014] Eine Legierung A mit erfindungsgemässer Zusammensetzung und eine Vergleichslegierung
B wurden unter gleichen Bedingungen zu Flachprofilen verpresst.
Leg. |
Si |
Fe |
Cu |
Mn |
Mg |
Cr |
Zn |
V |
Zr |
A |
.74 |
.20 |
.21 |
.08 |
.78 |
.005 |
.005 |
.10 |
.001 |
B |
.71 |
.22 |
.19 |
.08 |
.77 |
.005 |
.007 |
.004 |
.16 |
[0015] Die Flachprofile wurden zu Zugproben für eine Prüfung quer zur Pressrichtung weiterverarbeitet.
An den einer identischen Wärmebehandlung unterzogenen Zugproben wurden die nachstehend
zusammengestellten mechanischen Eigenschaften in Querrichtung gemessen.
Leg. |
Rp0.2 [MPa] |
Rm [MPa] |
Ag [%] |
A5 [%] |
A |
294 |
360 |
13.7 |
20.2 |
B |
291 |
359 |
12.7 |
18.0 |
[0016] Hierbei bedeuten:
- Rp0.2
- Streckgrenze
- Rm
- Zugfestigkeit
- A5, Ag
- Bruchdehnung
[0017] Weitere Untersuchungen zur Korngrösse haben gezeigt, dass die erfindungsgemässe Legierung
A gegenüber der Vergleichslegierung B bei Glühoperationen wie beispielsweise einer
Zwischenglühung eine wesentlich geringere Kornvergröberung zeigt.
Beispiel 2
[0018] Zugproben der Legierung A von Beispiel 1 wurden durch eine Wärmebehandlung während
8 h bei 140°C in einen unteralterten Zustand überführt. An diesem teilausgehärteten
Material wurden die folgenden mechanischen Eigenschaften gemessen.
Leg./Zustand |
Rm [MPa] |
Rp0.2 [MPa] |
A5 [%] |
A / 140°C 8h |
255 |
165 |
23 |
1. Bauteil mit hohem Aufnahmevermögen für kinetische Energie durch plastische Verformung,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierung in Gew.-%
Silizium |
0,3 bis 1,6 |
Magnesium |
0,3 bis 1,3 |
Eisen |
max. 0,5 |
Kupfer |
max. 0,9 |
Mangan |
max. 0,5 |
Vanadium |
0,05 bis 0,3 |
Kobalt |
max. 0,3 |
Chrom |
max. 0,3 |
Nickel |
max. 0,8 |
Zirkon |
max. 0,3 |
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 0,05 bis 0,15
Gew.-% Mangan enthält.
3. Bauteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung 0,08 bis
0,13 Gew.-% Vanadium enthält.
4. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Legierung
nach einer Wärmebehandlung während 4 bis 16 h bei 120 bis 170°C im unteralterten Zustand
vorliegt.
5. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es als Profil
durch Strangpressen hergestellt ist.
6. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Innenhochdruckumformen
aus einem stranggepressten Profil hergestellt ist.
7. Bauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es durch Schmieden
hergestellt ist.
8. Verwendung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Sicherheitsteil im
Fahrzeugbau.