Warm- und kaltumformbare Aluminiumlegierung vom Typ Al-Mg-Mn

Abstract

 Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung zur Herstellung von Halbzeugen und Bauteilen für Kraftfahrzeuge, ein Halbzeug oder Bauteil aus einer Aluminiumlegierung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes für Halbzeuge oder Bauteile für Kraftfahrzeuge. Die Aufgabe, eine Aluminiumlegierung und ein Halbzeug oder ein Bauteil zur Verfügung zu stellen, welche bei guter Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion und Recyclingfähigkeit auch nach einem Warmumformen eine ausreichende Festigkeit aufweist, wird dadurch gelöst, dass die Legierungsbestandteile der Aluminiumlegierung die folgenden Anteile in Gew.-% aufweist:
















Rest Aluminium, unvermeidbare Begleitelemente einzeln ≤ 0,05 %, in Summe max. 0,15 %.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Aluminiumlegierung zur Herstellung von Halbzeugen oder Bauteilen für Kraftfahrzeuge, ein Halbzeug oder Bauteil aus einer Aluminiumlegierung sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes für Halbzeuge oder Bauteile für Kraftfahrzeuge.

[0002] In der Automobilindustrie werden zur Herstellung von Kraftfahrzeugen zunehmend Bauteile, beispielsweise Teile des Fahrwerkes oder der Karosseriestruktur, aus Aluminiumwerkstoffen eingesetzt. Diese werden in der Regel aus Halbzeugen bestehend aus Aluminiumlegierungen basierend auf einer AlMgMn-Aluminiumlegierung mit Mg-Gehalten von 2 bis 3,5 Gew.-% hergestellt. Diese Aluminiumlegierung gewährleistet eine ausreichend hohe Festigkeit bei gleichzeitig guter Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion, insbesondere im unbeschichteten Einsatz. Da bei der Herstellung der Fahrwerks- und/oder Strukturbauteile die aus der genannten Aluminiumlegierung bestehenden Halbzeuge zumeist mehreren Umformschritten unterzogen werden, besteht der Wunsch, die Formgebungsgrenzen der Halbzeuge, beispielsweise der Aluminiumbleche, -rohre oder -profile, zu erweitern. Deshalb werden bei den Umformungen vermehrt Warmumformprozesse, beispielsweise Warm-Innenhochdruckumformen, Hydroformen mit heißen Medien oder ein Tiefziehen mit beheizten Werkzeugen verwendet. Zwar lassen sich bei der Verwendung von Warmumformprozessen die Umformgrade der Aluminiumhalbzeuge deutlich steigern. Aufgrund der beim Warmumformen stattfindenden Entfestigungsvorgänge weisen die aus den heute eingesetzten AlMgMn-Aluminiumlegierungen bestehenden Bauteile oder Halbzeuge jedoch eine geringere Festigkeit auf, als die bisher eingesetzten, kaltverformten Bauteile.

[0003] Um die Festigkeit von warmumgeformten Bauteilen zu vergrößern ist es bekannt, Scandium und Zirconium als Legierungsbestandteile der AlMgMn-Legierung zuzusetzen. Problematisch sind diese Legierungen jedoch einerseits hinsichtlich des Recyclings, da die Legierungselemente Sc und Zr in den üblichen Standard-Aluminiumlegierungen nicht enthalten sind und daher mit diesen nicht eingeschmolzen werden sollten. Andererseits führen diese Elemente in der Regel zu Verarbeitungsproblemen bei Aluminiumlegierungen.

[0004] Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung damit die Aufgabe zugrunde, eine Aluminiumlegierung und ein Halbzeug oder ein Bauteil zur Verfügung zu stellen, welche bzw. Welches bei guter Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion und Recyclingfähigkeit auch nach einem Warmumformen eine ausreichende Festigkeit aufweist. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumbandes für Halbzeuge und Bauteile für Kraftfahrzeuge vorzuschlagen.

[0005] Gemäß einer ersten Lehre wird die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe durch eine Aluminiumlegierung zur Herstellung von Bauteilen für Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, dadurch gelöst, dass die Aluminiumlegierung folgende Legierungsbestandteile in Gew.-% aufweist:

Si ≤ 0,4 %,

Fe ≤ 0,4 %,

Cu ≤ 0,2 %,

0,4 % ≤ Mn ≤ 1,2 %,

2,6 % ≤ Mg ≤ 4,0 %,

Cr ≤ 0,3 %,

Zn ≤ 0,4 %,

Ti ≤ 0,2 %,

Verunreinigung einzeln ≤ 0,05 %, in Summe max. 0,15 %, Rest A1.

[0006] Aufgrund der Kombination des erfindungsgemäßen Magnesium-Gehaltes mit dem ausgewählten Mangan-Gehalt ermöglicht die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung die Herstellung von Bauteilen, welche nicht nur gegenüber interkristalliner Korrosion beständig sind, sondern auch nach einem Warmumformen im Vergleich zu den bisher eingesetzten Aluminiumlegierungen eine höhere Festigkeit aufweisen. Da die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung darüber hinaus nur Standard-Legierungskomponenten enthält, ist diese sehr gut rezyklierbar und kann ohne Probleme in die Schrottkreisläufe der Automobilindustrie (Alt-Autoverordnung), aber auch der Halbzeughersteller eingeführt werden.

[0007] Eine weitere Verbesserung erfährt die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung dadurch, dass die Aluminiumlegierung zusätzlich folgende Anteile an Legierungsbestandteilen in Gew.-% aufweist:

0,1 % ≤ Si ≤ 0,2 %,

0,2 % ≤ Fe ≤ 0,35 %,

Cu ≤ 0,05 %,

0,6 % ≤ Mn ≤ 1, 1 %,

3,1 % ≤ Mg ≤ 3,9 %,

Ti ≤ 0,15 %.

[0008] Eine entsprechende Aluminiumlegierung führt bei gleich bleibenden Bruchdehnungswerten zu einer weiteren Steigerung der Dehngrenze Rp0,2 bei Raumtemperatur nach einer Warmumformung bei gleich bleibender Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion.

[0009] Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe durch ein Halbzeug oder ein Bauteil gelöst, welches zumindest teilweise aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung besteht. Wie bereits ausgeführt, können Halbzeuge oder Bauteile bestehend aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung besonders gut für Fahrwerks- und Strukturanwendungen im Kraftfahrzeug eingesetzt werden, da diese bei gleich bleibender Korrosionsbeständigkeit eine verbesserte Dehngrenze bei Raumtemperatur, insbesondere nach einer Warmumformung, aufweisen. Ein Bauteil unterscheidet sich dabei vom Halbzeug dadurch, dass das Bauteil weiteren Verfahrenschritten unterzogen worden ist, um beispielsweise unmittelbar in der Karosserie des Kraftfahrzeugs eingesetzt zu werden. Das Halbzeug stellt also das Ausgangsprodukt für die Bauteile dar.

[0010] Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs oder Bauteils, können die Einsatzmöglichkeiten des Halbzeugs oder Bauteils in Strukturanwendungen im Kraftfahrzeugbereich dadurch vergrößert werden, dass das Halbzeug oder Bauteil nach einer Umformung bei Raumtemperatur oder in weichem Zustand bei Blechdicken von mindestens 1 mm eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 135 MPa aufweist. Aufgrund der hohen Dehngrenze des erfindungsgemäßen Halbzeugs oder Bauteils nach einer Umformung bei Raumtemperatur bzw. in weichem Zustand, gemessen nach DIN-Norm DIN EN 10 002, werden die notwendigen Anforderungen an die Dehngrenze Rp0,2 für den Einsatz als Strukturteil durch das Halbzeug oder Bauteil im Kraftfahrzeug erfüllt.

[0011] In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung kann die Eignung des Halbzeugs oder Bauteils für Strukturanwendungen im Kraftfahrzeug dadurch weiter verbessert werden, dass das Halbzeug einer Warmumformung mit einem Umformgrad von mindestens 15 % und maximal 50 % bis 120 % bei einer Temperatur von 200 bis 350 °C unterzogen worden ist, das Halbzeug dabei eine Bruchdehnung A₅ von mindestens 50 % im Warmzugversuch aufweist und dass das Halbzeug eine Dehngrenze bei Raumtemperatur Rp0,2 von mindestens 150 MPa aufweist. Die Bruchdehnungswerte A₅ im Warmzugversuch wurden bei den jeweiligen Warmumformtemperaturen mit einem entsprechenden Proportionalstab gemessen. Die Dehngrenze Rp0,2 der Strukturteile übersteigt nach der Warmumformung die Dehngrenze Rp0,2 aus der bekannten AlMgMn-Aluminiumlegierung mit einem Mn -Gehalt von 2 - 3.5 Gew.-% hergestellter Strukturteile deutlich, ohne eine Empfindlichkeit gegen interkristalline Korrosion zu zeigen.

[0012] Ein hinsichtlich der Dehngrenze bei Raumtemperatur und der Bruchdehnung weiter verbessertes Halbzeug oder Bauteil kann, gemäß einer nächsten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs, dadurch zur Verfügung gestellt werden, dass das Halbzeug einer Warmumformung mit einem Umformgrad von mindestens 15 % und maximal 60 % bis 90 % bei einer Temperatur von 250 bis 350 °C unterzogen worden ist und dabei eine Bruchdehnung A₅ von mindestens 60 % im Warmzugversuch aufweist und dass das Halbzeug nach der Warmumformung eine Dehngrenze bei Raumtemperatur von mindestens 165 Mpa aufweist. Auch hier wurden die Warmzugversuche an Proportionalstäben bei den genannten Warmumformtemperaturen durchgeführt.

[0013] Gemäß einer nächsten vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs beträgt der flächenbezogene Massenverlust nach ASTM G 67 nach einer thermischen Behandlung von 17 Stunden bei 130 °C maximal 5 mg/cm². Die erfindungsgemäßen Halbzeuge weisen daher eine besonders gute Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion auf und eignen sich insbesondere für den Einsatz als bzw. zur Herstellung von Fahrwerks- oder Strukturteilen im Kraftfahrzeug.

[0014] Gemäß einer dritten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes für Halbzeuge oder Bauteile dadurch gelöst, dass ein Gießbarren oder ein Gießband aus einer erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung gegossen wird, der Gießbarren oder optional das Gießband warmgewalzt wird, der warmgewalzte Gießbarren oder das Gießband kaltgewalzt werden und das kaltgewalzte Band einer Endglühung zugeführt wird. Durch die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung wird bei dem beschriebenen Herstellverfahren gewährleistet, dass aus dem Band hergestellte Bleche trotz verwendeter Warmumformprozesse eine verbesserte Dehngrenze bei Raumtemperatur bei gleich bleibenden Bruchdehnungswerten aufweisen.

[0015] Wird der Gießbarren oder das Gießband nach dem Gießen und vor den weiteren Verarbeitungsschritten homogenisiert, kann ein Aluminiumband mit verbesserter Umformbarkeit hergestellt werden.

[0016] Verfestigungen, welche in das Band durch das Warmwalzen eingebracht worden sind, können dadurch verringert werden, dass das Band vor dem Kaltwalzen einer Glühung unterzogen wird. Das kaltgewalzte Band weist in diesem Fall nur die vom Kaltwalzen in das Band eingebrachten Verfestigungen auf.

[0017] Vorzugsweise werden die durch das Kaltwalzen in das Band eingebrachten Verfestigungen dadurch wieder abgebaut, dass während des Kaltwalzens mindestens eine Zwischenglühung erfolgt. Alle zuvor genannten Maßnahmen dienen dazu, bei der Herstellung des Aluminiumbandes für Halbzeuge die Umformbarkeit zu steigern, ohne dass die hergestellten Strukturteile eine zu geringe Dehngrenze aufweisen.

[0018] Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung, das erfindungsgemäße Halbzeug oder Bauteil sowie das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Bandes für Halbzeuge oder Bauteile auszugestalten oder weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits die den Patentansprüchen 1, 3 und 7 nachgeordneten Patentansprüchen sowie der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt

Fig. 1

in einem Diagramm die Bruchdehnung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung im Vergleich mit anderen herkömmlichen Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit von der Umformtemperatur im Warmzugversuch und

Fig. 2

in einem Diagramm die Dehngrenze Rp0,2 gemessen bei Raumtemperatur des Ausführungsbeispiels aus Fig. 1 im Vergleich zu konventionellen Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit von der Temperatur bei einer Warmumformung.

[0019] In der Fig. 1 sind die Bruchdehnungswerte von drei verschiedenen Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt. Die Bruchdehnung A₅ wurde nach der DIN-Norm DIN EN 10 002 mit entsprechenden Proportionalstäben gemessen, wobei eine Dehnrate von 0,1 s^-1 eingestellt worden ist. Die Temperatur wurde bei den Bruchdehnungsmessungen zwischen 30°C und 450°C variiert. Die Vergleichs-Aluminiumlegierungen A und B wurden mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung C verglichen. Bei der konventionellen Aluminiumlegierung A handelt es sich um eine AlMg4,5Mn0,7-Legierung mit einem relativ hohen Magnesiumanteil von 4,5 Gew.-% und bei der Vergleichslegierung B um eine AlMg3,5Mn-Legierung mit einem Magnesium-Gehalt von 2 bis 3,5 Gew.-%. Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung weist die folgenden Anteile an Legierungsbestandteilen in Gew.-% auf:

0,1 % ≤ Si ≤ 0,2 %,

0,2 % ≤ Fe ≤ 0,35 %,

Cu ≤ 0,05 %,

0,6 % ≤ Mn ≤ 1,1 %,

3,1 % ≤ Mg ≤ 3,9 %,

Cr ≤ 0,3 %,

Zn ≤ 0,4 %,

Ti ≤ 0,15 %,
Rest Aluminium.

[0020] Wie aus Fig. 1 zu erkennen ist, weist die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung C im Vergleich zu den konventionellen Vergleichslegierungen A und B nahezu identische Bruchdehnungswerte in Abhängigkeit von der Temperatur im Warmzugversuch auf.

[0021] Unterschiede zwischen den drei Legierungen ergeben sich aber im Vergleich der Dehngrenze Rp0,2 bei Raumtemperatur gemessen nach einer Umformung mit einem Umformgrad von 15 % in Abhängigkeit von der Umformtemperatur. So zeigt die Vergleichslegierung A erwartungsgemäß aufgrund des hohen Magnesium-Gehalts von 4,5 Gew.-% die größten Werte für die Dehngrenze nach einer Warmumformung. Der Wert der Dehngrenze für die Vergleichslegierung A beträgt bei einer Warmumformtemperatur von 350 °C etwa 175 MPa. Die Vergleichslegierung B hat bei gleicher Warmumformtemperatur lediglich einen Wert von 140 MPa für die Dehngrenze Rp0,2 bei Raumtemperatur erreicht. Das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung dagegen erreicht Werte von deutlich über 150 MPa. Auch in den übrigen Messwerten, beispielsweise bei 250 °C, liegend die Werte für die gemessene Dehngrenze des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung deutlich über denen der Vergleichslegierung B jedoch unterhalb der Werte für die Vergleichslegierung A.

[0022] Allerdings ist die Vergleichslegierung A aufgrund des höheren MG-Gehaltes anfälliger hinsichtlich interkristalliner Korrosion, so dass diese, insbesondere im Langzeiteinsatz bei Fahrwerks- oder Strukturanwendung im Kraftfahrzeug nicht vorteilhaft ist.

[0023] Wie aus den Diagrammen aus der Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, kann mit der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung eine Aluminiumlegierung zur Verfügung gestellt werden, welche, trotz verbesserter Dehngrenze nach einer Warmumformung, eine gute Beständigkeit gegen interkristalline Korrosion und gute Bruchdehnungseigenschaften während einer Warmumformung aufweist.

[0024] Ferner wurden noch die in der untenstehenden Tabelle angegebenen Messwerte für die Bruchdehnung A₅ im Warmzugversuch und der Dehngrenze Rp0,2 gemessen bei Raumtemperatur nach dem Warmumformungen an Proben bestehend aus der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierung C ermittelt. Auch diese Messungen wurden gemäß DIN EN 10 002 durchgeführt. Die Warmumformungen wurden dabei mit einem Umformgrad von 15 % durchgeführt.

Warmumformtemperatur [°C]	Bruchdehnung A5 [%]	Dehngrenze Rp0,2 bei Raumtemperatur [MPa]
330	100	160
300	90	168
275	80	175
230	60	190

[0025] Deutlich ist das Ansteigen der Dehngrenze Rp0,2 und das Absinken der Bruchdehnungswerte mit abnehmender Warmumformtemperatur zu erkennen. Dies überrascht insofern nicht, da mit abnehmender Temperatur bei der Warmumformung vermehrt Verfestigungen in die Probenkörper eingebracht werden, die nicht mehr abgebaut werden und zu einer Steigerung der Dehngrenze Rp0,2 führen. Bei höheren Warmumformtemperaturen werden diese wieder abgebaut, wobei die Dehngrenze Rp0,2 auch nach einer Warmumformung bei 330 °C noch 160 MPa beträgt.

Ansprüche

1. Aluminiumlegierung zur Herstellung von Halbzeugen oder Bauteilen für Kraftfahrzeuge,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Legierungsbestandteile der Aluminiumlegierung die folgenden Anteile in Gew.-% aufweist:

Si ≤ 0,4 %,

Fe ≤ 0,4 %,

Cu ≤ 0,2 %,

0,4 % ≤ Mn ≤ 1,2 %,

2,6 % ≤ Mg ≤ 4,0 %,

Cr ≤ 0,3 %,

Zn ≤ 0,4 %,

Ti ≤ 0,2 %,

Rest Aluminium, unvermeidbare Begleitelemente

einzeln ≤ 0,05 %, in Summe max. 0,15 %.

2. Aluminiumlegierung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
zusätzlich die Legierungsbestandteile der Aluminiumlegierung die folgenden Anteile in Gew.-% aufweisen:

0,1 % ≤ Si ≤ 0,2 %,

0,2 % ≤ Fe ≤ 0,35 %,

Cu ≤ 0,05 %,

0,6 % ≤ Mn ≤ 1,1 %,

3,1 % ≤ Mg ≤ 3,9 %,

Ti ≤ 0,15 %.

3. Halbzeug oder Bauteil zumindest teilweise bestehend aus einer Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 oder 2.

4. Halbzeug oder Bauteil nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halbzeug oder Bauteil nach einer Umformung bei Raumtemperatur oder in weichem Zustand bei Blechdicken von mindestens 1 mm eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 135 MPa aufweist.

5. Halbzeug nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halbzeug einer Warmumformung mit einem Umformgrad von mindestens 15 % und maximal 50 % bis 120 % bei einer Temperatur von 200 bis 350 °C unterzogen worden ist, das Halbzeug dabei eine Bruchdehnung A₅ von mindestens 50 % im Warmzugversuch aufweist und dass das Halbzeug eine Dehngrenze Rp0,2 bei Raumtemperatur von mindestens 150 Mpa aufweist.

6. Halbzeug nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Halbzeug einer Warmumformung mit einem Umformgrad von mindestens 15 % und maximal 60 % bis 90 % bei einer Temperatur von 250 bis 300 °C unterzogen worden ist, das Halbzeug dabei eine Bruchdehnung A₅ von mindestens 60 % im Warmzugversuch aufweist und dass das Halbzeug eine Dehngrenze Rp0,2 bei Raumtemperatur von mindestens 165 Mpa aufweist.

7. Halbzeug oder Bauteil nach einem der Ansprüche 3 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass
der flächenbezogene Massenverlust nach ASTM G67 nach einer thermischen Behandlung von 17 Stunden bei 130 °C maximal 5 mg/cm² beträgt.

8. Verfahren zur Herstellung eines Bandes für Halbzeuge oder Bauteile nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Gießbarren oder Band aus einer Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2 gegossen wird, der Gießbarren oder optional das Gießband zu einem Warmband warmgewalzt wird, das Warmband oder das Gießband kaltgewalzt wird und das kaltgewalzte Band einer Endglühung zugeführt wird.

9. Verfahren zur Herstellung eines Bandes für Halbzeuge oder Bauteile nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gießbarren oder das Gießband nach dem Gießen und vor den weiteren Verarbeitungsschritten homogenisiert wird.

10. Verfahren zur Herstellung eines Bandes für Halbzeuge oder Bauteile nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Warmband oder Gießband vor dem Kaltwalzen einer Glühung unterzogen wird.

11. Verfahren zur Herstellung eines Bandes für Halbzeuge oder Bauteile nach Anspruch 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
während des Kaltwalzens mindestens eine Zwischenglühung erfolgt.

Zeichnung