AUSHÄRTBARE ALUMINIUMLEGIERUNG

Abstract

 Es wird eine aushärtbare Aluminiumlegierung, ein Aluminiumblech oder -band aus solch einer Aluminiumlegierung, ein Formteil und eine Verfahren zur Herstellung solch eines Formteils gezeigt. Um trotz niedriger Warmhärtetemperatur bei hoher Verformbarkeit die geforderten Streckgrenzen R_p0,2 ermöglichen zu können, wird eine aushärtbare Aluminiumlegierung vorgeschlagen, aufweisend von 2,5 bis 3,5 Gew.-% Zink (Zn), von 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesium (Mg), von 0,2 bis 0,8 Gew.-% Silizium (Si), von 0,005 bis 0,2 Gew.-% Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und/oder Cadmium (Cd), optional von 0 bis 0,35 Gew.-% Kupfer (Cu), von 0 bis 0,3 Gew.-% Silber (Ag) von 0 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe), von 0 bis 0,12 Gew.-% Mangan (Mn), von 0 bis 0,10 Gew.-% Titan (Ti), und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, wobei der Gehalt von Magnesium (Mg) und Silizium (Si) die Ordnungsrelation

erfüllt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine aushärtbare Aluminiumlegierung, ein Aluminiumblech oder -band aus solch einer Aluminiumlegierung, ein Formteil sowie ein Verfahren zur Herstellung solch eines Formteils und eine Verwendung einer Platine.

[0002] Um bei einem Aluminiumblech sowohl eine hohe Verformbarkeit beim Umformen, als auch eine Festigkeit nach einem Einbrennzyklus (beispielsweise bei einem KTL-Verfahren) unter vergleichsweise niedrigen Einbrenntemperaturen zu ermöglichen, schlägt die DE 112011 103667 T5 eine Aluminiumlegierung mit 1,5 bis 4 Gew.-% Zink (Zn), mit 0,3 bis 1,5 Gew.-% Magnesium (Mg) und mit 0 bis 0,5 Gew.-% Silizium (Si) vor. Die Aluminiumlegierungen der DE112011103667T5 weisen einen vergleichsweise hohen Ausscheidungsdruck beispielsweise an Mg₂Si-Phasen auf, was zwar festigkeitssteigend wirkt, nachteilig jedoch ein Blechumformen mit einer niedrigen ersten Streckgrenze R_p0,2 von beispielsweise höchstens 160 MPa nicht zulässt. Formteile mit vergleichsweise komplexer Geometrie - wie dies beispielsweise bei Fahrzeugteilen, vorzugsweise Karosserieteilen, insbesondere der Außenhaut - gefordert ist, sind sohin nicht herstellbar.

[0003] Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Aluminiumlegierung zur Verfügung zu stellen, die nicht nur eine hohe plastische Verformbarkeit beim Umformen, sondern auch eine hohe Warmaushärtereaktion, insbesondere Lackeinbrennreaktion (Paint Bake Response bzw. PBR), aufweist.

[0004] Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruchs 1.

[0005] Die in den Legierungselementen Magnesium (Mg) und Silizium (Si) gegenüber Zink (Zn) ausgewogene Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 kann Mg₂Si-Phasen zulassen, welche festigkeitssteigernd wirken - wodurch die Aluminiumlegierung trotz vergleichsweise niedriger Warmaushärtetemperatur, beispielsweise Einbrenntemperatur, im Zustand T6 eine zweite Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 250 MPa erreichen kann. Die Aluminiumlegierung kann sich daher durch eine vergleichsweise hohe Warmaushärtereaktion, insbesondere Lackeinbrennreaktion (Paint Bake Response bzw. PBR), auszeichnen.
Nachteilig wirken diese Mg₂Si Phasen auch festigkeitserhöhend auf eine Aluminiumlegierung im Zustand T4 bzw. Zustand T4-FH - was, insbesondere kaltes, Umformen, insbesondere Blechumformen, mit einer ersten Streckgrenze R_p0,2 von maximal 160 MPa nicht zulässt.
Dieser nachteilige Effekt kann jedoch zurückgedrängt werden, indem sowohl die Legierungsbestandteile Magnesium (Mg), Silizium (Si) und Zink (Zn) der Aluminiumlegierung sich in besondere Gehaltsgrenzen bewegen, als auch Magnesium (Mg) und Silizium (Si) eine Ordnungsrelation nach Anspruch 1 erfüllen. Dies sorgt nämlich für eine ausreichende, insbesondere auch überraschend hohe, Löslichkeit von leerstellenaktiven Legierungselementen, nämlich Zinn (Sn), Indium (In), Cadmium (Cd), etc., in der festen Lösung der Aluminiumlegierung. Sohin kann die erfindungsgemäß in den Legierungselementen Mg, Si und Zn sowie den Spurenelementen Sn und/oder Cd und/oder In eingestellte Aluminiumlegierung nicht nur die zweite Streckgrenze R_p0,2 erfüllen, sondern auch die erste Streckgrenze R_p0,2 im Zustand T4 oder Zustand T4-FH gewährleisten - dies selbst bei vergleichsweise niedriger Warmaushärtetemperatur.
Zudem kann durch diese in den Gehaltsgrenzen erfindungsgemäße Aluminiumlegierung eine mit einer Aluminiumlegierung vom Typ EN AW 6016 ähnliche Gleichmaßdehnung A_g sicherstellen, wodurch eine ausgezeichneten plastische Verformbarkeit gewährleistet werden kann.
Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung kann daher eine besonders gute Eignung für ein gewalztes Aluminiumblech oder -band aufweisen, welches sich für ein Verfahren zur Herstellung eines Formteils eines Fahrzeugs, vorzugsweise Karosserieteils, beispielsweise der Außenhaut, eignen kann.

[0006] Im Allgemeinen wird erwähnt, dass die Aluminiumlegierung herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% aufweisen kann.
Weiter wird im Allgemeinen erwähnt, dass unter Fahrzeug beispielsweise ein Land-, Wasser- und/oder Luftfahrzeug zu verstehen ist.
Im Allgemeinen wird weiter erwähnt, dass der Zustand T4-FH durch eine Stabilisierungsglühbehandlung erreicht wird, indem die Aluminiumlegierung im Zustand T4 (Lösungsglühen und Abschrecken) einer Wärmebehandlung, insbesondere einem Wärmestoß, unterworfen wird. Diese Wärmebehandlung schließt vorzugsweise an die T4 Behandlung (Lösungsglühen und Abschrecken) an - Beispiele für solch eine Stabilisierungsglühbehandlung sind aus der Literatur (vgl. Friedrich Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, Erscheinungsjahr 2014, ISBN 987-3-662-43806-0, Seite 138), DE 112011 103667 T5 etc. bekannt - was auch oftmals als Vorauslagerungsbehandlung bezeichnet wird.

[0007] Eine erste Streckgrenze R_p0,2 von maximal 160 MPa und eine zweite Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 250 MPa der Aluminiumlegierung können reproduzierbar ermöglicht werden, wenn diese 2,5 bis 3,4 Gew.-% Zn aufweist. Dies insbesondere, wenn die Aluminiumlegierung von 2,7 bis 3,3 Gew.-% Zn aufweist. Zudem ist es damit möglich, auch die Löslichkeit der Spurenelemente Sn und/oder Cd und/oder In in der festen Lösung der Aluminiumlegierung zu verbessern.

[0008] Hohe Festigkeit im Zustand T6 trotz geringer Einbrenntemperatur kann ermöglicht werden, wenn die Aluminiumlegierung von 0,8 bis 1,2 Gew.-% Mg, insbesondere 0,85 bis 1,15 Gew.-% Mg, aufweist.

[0009] Die vorstehend genannten Vorteile sind weiter erhöhbar, wenn die Aluminiumlegierung von 0,35 bis 0,7 Gew.-% Si, insbesondere 0,4 bis 0,6 Gew.-% Si, aufweist.

[0010] Für eine ausreichende Verminderung einer Kaltaushärtung einerseits und einer ausreichenden Steigerung der Warmaushärtung der Aluminiumlegierung im Einbrennzyklus mit vergleichsweise niedrigen Einbrenntemperaturen andererseits, kann gesorgt werden, wenn Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und/oder Cadmium (Cd) in der Aluminiumlegierung einen Anteil von über 40, insbesondere über 80, bis unter 400, insbesondere unter 200, Atom-ppm ausmacht. Vorzugsweise haben Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und/oder Cadmium (Cd) in der Aluminiumlegierung einen Anteil von 100 Atom-ppm.

[0011] Weist die Aluminiumlegierung von 0,15 bis 0,35 Gew.-% Kupfer (Cu) und/oder von 0,1 bis 0,3 Gew.-% Silber (Ag) und/oder von 0,05 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe) und/oder von 0,05 bis 0,12 Gew.-% Mangan (Mn) und/oder von 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti) und/oder von 0,02 bis 0,2 Gew.-% Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und/oder Cadmium (Cd) auf, ist eine nachteiligen Beeinflussung der Abstimmung der Aluminiumlegierung in den Legierungselementen Mg, Si und Zn sowie den Spurenelementen Sn, Cd und/oder In nicht zu befürchten.
Kupfer (Cu), Eisen (Fe) und/oder Silber (Ag) kann die Festigkeit der Aluminiumlegierung weiter erhöhen - insbesondere kann sich diesbezüglich Fe auszeichnen. Mangan (Mn) kann in gewissem Maße Fe in der Aluminiumlegierung binden und damit negative Effekte von Eisen auf die plastische Verformbarkeit der Aluminiumlegierung verringern.
Titan (Ti) kann zur Kornfeinung beitragen und die plastische Verformbarkeit sowie Festigkeit weiter steigern.

[0012] Weist die Aluminiumlegierung von 0,25 bis 0,35 Gew.-% Kupfer (Cu) auf, ist die Festigkeit der Aluminiumlegierung erhöhbar - ohne dabei mit einer nachteiligen Beeinflussung der Abstimmung der Aluminiumlegierung in den Legierungselementen Mg, Si und Zn sowie den Spurenelementen Sn, Cd und/oder In befürchten zu müssen.

[0013] Unter anderem kann sich die erfindungsgemäße aushärtbare Aluminiumlegierung speziell für ein Aluminiumblech oder -band eignen - etwa, um damit ein Formteil eines Fahrzeugs, vorzugsweise Karosserieteils, beispielsweise der Außenhaut, herzustellen.

[0014] Dies insbesondere, wenn sich das Aluminiumblech oder -band im Zustand T4 oder im Zustand T4-FH ("Fast-Hardening") befindet.

[0015] Ein Aluminiumblech oder -band mit einer Dicke von 0,5 bis 4 mm, insbesondere von 1 bis 3 mm, kann sich speziell auch zur Herstellung eines Formteils eines Fahrzeugs eignen.

[0016] Wird ein Formteil, insbesondere Fahrzeugteil, vorzugsweise Karosserieteil, aus einem erfindungsgemäßen Aluminiumblech oder -band gefertigt, kann dies nach einem Warmaushärten, beispielsweise einem Einbrennzyklus, vorzugsweise Lackeinbrennzyklus, höchste Streckgrenze Rp0,2 und Duktilität sicherstellen.

[0017] Ein Formteil, beispielsweise mit komplexen Geometrie und hoher Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 250 MPa, kann geschaffen werden, wenn folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

• Aus dem Aluminiumblech oder -band wird eine Platine (z. B. Blechzuschnitt) hergestellt, beispielsweise durch ein Trennverfahren, vorzugsweise durch Ausstanzen,
• aus der Platine wird durch ein, insbesondere kaltes, Umformverfahren, insbesondere Blechumformverfahren, das Formteil erzeugt und
• in einem nächsten Schritt wird das Formteil einem Warmaushärten, insbesondere Einbrennzyklus, vorzugsweise Lackeinbrennzyklus unterworfen.

Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter Umformverfahren beispielsweise ein Tiefziehen, Strecktiefziehen, Pressen etc. verstanden werden kann, um damit die Form des Aluminiumblechs oder -bands oder der Platine plastisch zu verändern. Unter Umformverfahren ist ein Kalt- oder Halbwarm- oder Warmumformen etc. zu verstehen. Bevorzugt wird ein Kaltumformen, vorzugsweise Kaltblechumformen, verwendet. Des Weiteren kann ein Einbrennzyklus, beispielsweise Lackeinbrennzyklus, die Wärmebehandlung in einem elektrochemisches Verfahren ("Bake-Hardening"), z.B.: KTL-Prozess, darstellen.

[0018] Vorzugsweise beträgt die Temperatur, insbesondere Einbrenntemperatur, beim Warmaushärten höchstens 165 Grad Celsius.

[0019] Die erfindungsgemäßen Vorteile in hoher Verformbarkeit für komplexe Geometrie und hoher Streckgrenze R_p0,2 von mindestens 250 MPa, beispielsweise nach einem Einbrennzyklus mit niedriger Einbrenntemperatur, können sich als besonders vorteilhaft herausstellen, wenn eine Platine aus dem erfindungsgemäßen Aluminiumblech oder -band zum, insbesondere kalten, Umformen, insbesondere Blechumformen, und Warmaushärten, insbesondere Einbrennen, vorzugsweise Lackeinbrennen, zu einem Formteil, insbesondere Fahrzeugteil, vorzugsweise Karosserieteil, beispielsweise der Außenhaut, in einem Fahrzeug verwendet wird.

[0020] Zum Nachweis der erzielten Effekte wurden beispielsweise gewalzte Halbzeuge, nämlich Feinbleche aus verschiedenen Aluminiumlegierungen hergestellt - diese Feinbleche im Zustand T4-FH werden nach einer Woche Lagerung bei Raumtemperatur jeweils zu einem Formteil, nämlich Karosserieteil der Außenhaut, durch Kaltblechumformen umgeformt. Nach dem Umformen wurden diese Formteile einer kathodischen Tauchlackierung (KTL) mit einem Einbrennzyklus mit einer Einbrenntemperatur von 165 Grad Celsius unterworfen.

[0021] Die Zusammensetzungen der untersuchten Legierungen sind in der Tabelle 1 angeführt - wobei zu den in dieser Tabelle angeführten Legierungselementen als Rest Aluminium und herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen hinzukommen.

Tabelle 1: Übersicht zu den untersuchten Legierungen in Gew.%.

Legierungen	Zn	Mg	Si	Sn	Cu	Mn	Cr	Ag	Fe	Ti
1	2	1	0,3	< 0,05	< 0,05	< 0,05	< 0,05	< 0,05	< 0,1	< 0,1
2	3	1	0,5	0,04	< 0,05	< 0,05	< 0,05	< 0,05	< 0,1	< 0,1
3	3	1	0,5	0,04	0,17	0,08	< 0,05	< 0,05	0,16	0,07
4	3	1	0,5	0,04	0,17	0,08	< 0,05	0,15	0,16	0,07

[0022] Die Legierungen 2, 3 und 4 bewegen sich in den erfindungsgemäßen Gehaltsgrenzen nach Anspruch 1. Auch wird von den Legierungen 2, 3 und 4 die Ordnungsrelation erfüllt, da deren Magnesium (Mg) mit 1 Gew.-% im Gehalt sowohl kleiner (0,7/0,5 Gew.-% Si)-0,2=1,2 als auch größer (0,4/0,5 Gew.-% Si)-0,15=0,65 ist.

[0023] Von den untersuchten Aluminiumlegierungen wurden nach der Lagerung bei Raumtemperatur und unmittelbar vor dem Blechumformen die erste Streckgrenze R_p0,2 und die Gleichmaßdehnung A_g der Aluminiumlegierung im Zustand T4-FH bestimmt.
Nach dem Einbrennzyklus wurden die zweite Streckgrenze R_p0,2 und auch die Gleichmaßdehnung A_g der Aluminiumlegierung im Zustand T6 bestimmt.

[0024] Die erhaltenen Messwerte sind in der Tabelle 2 zusammengefasst.

Tabelle 2: Mechanische Kennwerte der untersuchten Legierungen.

Legierungen	T4-FH		T6
	Rp0,2 [MPa]	Ag [%]	Rp0,2 [MPa]	Ag [%]
1	120	20	210	17
2	150	19	245	15
3	150	19	250	15
4	160	18	265	14

[0025] Wie dieser Tabelle 2 zu entnehmen, erfüllen die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen 2, 3 und 4 die geforderte erste Streckgrenze R_p0,2 von 150 MPa als unter 160 MPa und die geforderte zweite Streckgrenze R_p0,2 im Bereich von 250 MPA - dies selbst bei einer vergleichsweise geringen Einbrenntemperatur von 165 Grad Celsius zur Erreichung des T6 Zustands. Im Vergleich zu den Aluminiumlegierungen 2, 3 weist die Aluminiumlegierung 4 mit Silber im Zustand T6 eine gesteigerte Streckgrenze R_p0,2 mit vernachlässigbar verringerter Gleichmaßdehnung A_g auf.

[0026] Im Vergleich mit der Aluminiumlegierung 1 zeichnen sich die erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen 2, 3 und 4 durch eine in den Legierungselementen Mg, Si und Zn sowie den Spurenelementen Sn, Cd und/oder In besonders eingestellten Legierung aus.
Derart können die Legierungselemente auf die Warmhärtung der Aluminiumlegierung vorteilhaft einwirken, um alle geforderten Streckgrenzen R_p0,2 im Zustand T4 bzw. T4-FH sowie in T6 sicherzustellen - Letztgenannte zweite Streckgrenzen R_p0,2 im Zustand T6 selbst bei Anwendung einer geringen Warmhärtetemperatur, was zu einer hohen Lackeinbrennreaktion (Paint Bake Response bzw. PBR) führt.
Zudem zeigen alle erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen 2, 3 und 4 im Zustand T4-FH eine hohe Gleichmaßdehnung A_g beim Umformen, insbesondere Kaltblechumformen, was komplexe Geometrien am Formteil zulässt.
Die Gleichmaßdehnung A_g der erfindungsgemäßen Aluminiumlegierungen 2, 3 und 4 im T6 Zustand ist zudem hoch, was für eine hohe Duktilität am Formteil sorgt. Aus diesem Grunde weisen die erfindungsgemäße Aluminiumlegierungen 2, 3 und 4 auch eine besonders gute Eignung für Formteile der Karosserie auf.

Ansprüche

1. Aushärtbare Aluminiumlegierung, aufweisend

von 2,5 bis 3,5	Gew.-% Zink (Zn),
von 0,5 bis 1,5	Gew.-% Magnesium (Mg),
von 0,2 bis 0,8	Gew.-% Silizium (Si),
von 0,005 bis 0,2	Gew.-% Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und/oder Cadmium (Cd),
optional
bis 0,35	Gew.-% Kupfer (Cu),
bis 0,3	Gew.-% Silber (Ag),
bis 0,25	Gew.-% Eisen (Fe),
bis 0,12	Gew.-% Mangan (Mn),
bis 0,15	Gew.-% Titan (Ti)

und als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeidbare Verunreinigungen, wobei der Gehalt von Magnesium (Mg) und Silizium (Si) die Ordnungsrelation

erfüllt.

2. Aushärtbare Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung von 2,5 bis 3,4 Gew.-% Zn, insbesondere von 2,7 bis 3,3 Gew.-% Zn, aufweist.

3. Aushärtbare Aluminiumlegierung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung von 0,8 bis 1,2 Gew.-% Mg, insbesondere 0,85 bis 1,15 Gew.-% Mg, aufweist.

4. Aushärtbare Aluminiumlegierung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung von 0,35 bis 0,7 Gew.-% Si, insbesondere 0,4 bis 0,6 Gew.-% Si, aufweist.

5. Aushärtbare Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und/oder Cadmium (Cd) in der Aluminiumlegierung einen Anteil von über 40, insbesondere über 80, bis unter 400, insbesondere unter 200, beispielsweise 100, Atom-ppm ausmacht.

6. Aushärtbare Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung

von 0,15 bis 0,35	Gew.-% Kupfer (Cu) und/oder
von 0,1 bis 0,3	Gew.-% Silber (Ag) und/oder
von 0,05 bis 0,25	Gew.-% Eisen (Fe) und/oder
von 0,05 bis 0,12	Gew.-% Mangan (Mn) und/oder
von 0,05 bis 0,15	Gew.-% Titan (Ti) und/oder
von 0,02 bis 0,2	Gew.-% Zinn (Sn) und/oder Indium (In) und/oder Cadmium (Cd)
aufweist.

7. Aushärtbare Aluminiumlegierung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumlegierung von 0,25 bis 0,35 Gew.-%, Kupfer (Cu) aufweist.

8. Aluminiumblech oder -band aus einer aushärtbaren Aluminiumlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 7.

9. Aluminiumblech oder -band nach Anspruch 8 im Zustand T4 oder im Zustand T4 mit einer Stabilisierungsglühbehandlung (T4-FH).

10. Aluminiumblech oder -band nach Anspruch 8 oder 9 mit einer Dicke von 0,5 bis 4 mm, insbesondere von 1 bis 3 mm.

11. Formteil, insbesondere Fahrzeugteil, vorzugsweise Karosserieteil, gefertigt aus einem Aluminiumblech oder -band nach einem der Ansprüche 8 bis 10.

12. Verfahren zur Herstellung eines Formteils, insbesondere Fahrzeugteils, vorzugsweise Karosserieteils, bei dem aus dem Aluminiumblech oder -band nach einem der Ansprüche 8 bis 10 eine Platine hergestellt, aus der Platine durch ein, insbesondere kaltes, Umformverfahren, insbesondere Blechumformverfahren, das Formteil erzeugt und in einem nächsten Schritt das Formteil einem Warmaushärten, insbesondere Einbrennzyklus, vorzugsweise Lackeinbrennzyklus, unterworfen wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dass das Formteil einem Warmaushärten mit einer Temperatur, insbesondere Einbrenntemperatur, von höchstens 165 Grad Celsius unterworfen wird.

14. Verwendung einer Platine aus einem Aluminiumblech oder -band nach einem der Ansprüche 8 bis 10 zum, insbesondere kalten, Umformen, insbesondere Blechumformen, und Warmaushärten, insbesondere Einbrennen, vorzugsweise Lackeinbrennen, zu einem Formteil, insbesondere Fahrzeugteil, vorzugsweise Karosserieteil, beispielsweise der Außenhaut, in einem Fahrzeug.