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Dokumentenidentifikation DE602004005529T2 25.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001479786
Titel Schmiedealuminiumlegierung
Anmelder Aleris Aluminum Duffel BVBA, Duffel, BE
Erfinder De Haas, Marc-Jan, 1827 HA Alkmaar, NL;
Baekelandt, Jean Pierre Jules, 2500 Lier/Koningshooikt, BE;
De Smet, Peter, 9830 Sint-Martens-Latem, BE;
Smet, Erik, 9220 Hamme, BE;
Zhuang, Linzhong, 2331 MZ Leiden, NL
Vertreter Müller Schupfner Patentanwälte, 80336 München
DE-Aktenzeichen 602004005529
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, HU, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PL, PT, RO, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 04.05.2004
EP-Aktenzeichen 040763401
EP-Offenlegungsdatum 24.11.2004
EP date of grant 28.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 25.10.2007
IPC-Hauptklasse C22C 21/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C22C 21/08(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft eine neue Mg und Si enthaltende Aluminiumknetlegierung, die für Bleche und insbesondere für Karosseriebleche und/oder Baubleche geeignet ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung der Aluminiumknetlegierung.

Insbesondere Karosseriebleche werden aus Legierungen der AA5xxx- oder AA6xxx-Serien hergestellt. Legierungen der AA5xxx-Serie enthalten Mg als wichtigstes Legierungselement, und Mg liegt im Allgemeinen in einer Konzentration von über 2 Gew.-% vor, während der Si-Gehalt üblicherweise niedrig ist. Legierungen der AA5xxx-Serie werden typischerweise für Fahrzeuginnenverkleidungen verwendet. Legierungen der AA6xxx-Serie enthalten sowohl Mg als auch Si. Si und Mg liegen im Allgemeinen in einer Konzentration von jeweils bis zu 1,5 Gew.-% vor. Legierungen der AA6xxx-Serie werden typischerweise für Fahrzeugaußenverkleidungen verwendet.

Einige im Stand der Technik gefundene Offenbarungen enthalten: Die US-Patentschrift 6,248,193 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Aluminiumlegierungsblechs mit verbesserter Beständigkeit gegenüber Spannungskorrosionsrissen unter Belastung und verbesserte Formfixierbarkeit. Das Verfahren umfasst kontinuierliches Gießen, Walzen und eine Stabilisierungsbehandlung mit einem spezifischen Arbeitsfenster. Das Verfahren betrifft AlMg-Legierungen der AA5xxx-Serie.

Die JP-Patentschrift 03 039 440 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Al-Legierungsblechs, das eine exzellente Formbarkeit zeigt und zur Verwendung als Verkleidung für Fahrzeuge geeignet ist.

Die US-Patentschrift 5,908,518 offenbart eine AlMgMn-Legierung für geschweißte mechanische Konstruktionen und mit einer Mikrostruktur, welche Mg2Si-Teilchen in einem definierten Größen- und Dichtigkeitsbereich enthält.

Die US-Patentschrift 6,086,690 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Aluminiumlegierungsblechprodukten unter Benutzung einer Zwillingsband-Gießmaschine und einer Serie von Walzschritten ohne Zwischenwickeln oder Hochglühen des Zwischenblechartikels. Das Verfahren ist auf nicht wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen der AA5xxx-Serie anwendbar.

Die US-2001/0006606 A1 offenbart eine Aluminiumbasislegierung zur Herstellung von Gusslegierungen, und wobei sie mindestens 50% Altmetall aus primärem Aluminium und als Rest primäres Aluminium und/oder Altmetall aus sekundärem Aluminium enthält. Das primäre Altmetall ist hauptsächlich Metall, das aus Nahrungsmittel- oder Tierfutterverpackungen gewonnen wird. Die Legierung dient zur Produktion von Maschinenblöcken, Zylinderköpfen und Ölpumpen und zwar mittels Sandguss, Hartguss bzw. Kokillenguss, Druckguss, Thixoguss und Thixoschmieden.

Die EP-Patentschrift 0 992 598 A1 offenbart eine für Fahrzeugbauteile geeignete Aluminiumknetlegierung sowie das Verfahren zu deren Herstellung. Die Legierung eignet sich insbesondere zur Herstellung unter Verwendung hoher Anteile (>50%) an Schrott.

Es ist Aufgabe der Erfindung eine Knetlegierungszusammensetzung anzugeben, die für Blechanwendungen, z.B. Karosseriebleche, Baubleche, verwendet werden kann, da sie einen Ausgleich aus ausreichender Festigkeit und guter Formbarkeit und Korrosionsbeständigkeit hat.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Knetlegierung erreicht, die sich, in Gewichtsprozent, zusammensetzt aus:

Mg 3,0–4,0,

Si 0, 65–1, 0,

Cu bis zu 0,3,

Fe bis zu 0,4,

Mn bis zu 0,3,

Zn bis zu 0,8,

Verunreinigungen jeweils bis zu 0,05 und insgesamt bis zu 0,25,

Rest Aluminium.

Die Knetlegierung der Erfindung ist sowohl gegenüber hohen Mg- als auch Si-Anteilen tolerant, während sie für einen erwünschten Ausgleich der Eigenschaften hinsichtlich Formbarkeit, Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit sorgt.

Ein Vorteil der Knetlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung ist deren gute Fähigkeit zur Schrottabsorbierung, während sie immer noch besonders geeignet ist für Bleche, z.B. Karosseriebleche und/oder Baubleche, da sie ausreichend Festigkeit, Zähigkeit und Korrosionsbeständigkeit hat, während die Produktionskosten niedrig gehalten werden, weil die Legierung aus einer Majorität, bevorzugt mehr als 50%, an Schrott und einer Minorität an Verhüttungsmaterial besteht.

Das Recyceln von Schrott zur Herstellung einer Legierung ist im Vergleich zur Herstellung von Verhüttungsmaterial kostengünstig. Aufgrund des Vorhandenseins relativ hoher Anteile an Elementen wie Si und/oder Mg und/oder Zn und/oder Cu und/oder Mn und/oder Fe in Schrott, ist es üblicherweise notwendig, auch signifikante Mengen an Verhüttungsmaterial sowie Schrott zu verwenden, um die erwünschten mechanischen Eigenschaften zu erzielen. Es hat sich herausgestellt, dass die Knetlegierung der vorliegenden Erfindung die Zugabe von weniger Verhüttungsmaterial erfordert, da es relativ große Mengen an Mg, Si, Fe, Mn und Zn absorbieren kann, ohne sich nachteilig auf deren mechanischen Eigenschaften auszuwirken. Die Knetlegierung der vorliegenden Erfindung hat somit beträchtliche Kostenvorteile gegenüber Aluminiumlegierungen, die die Zugabe von beträchtlichen Mengen an Verhüttungsmaterial erfordern.

Einige der Gründe für die Kontrolle der Legierungselemente der Aluminiumknetlegierung gemäß der Erfindung sind weiter unten beschrieben. Alle Zusammensetzungen sind in Gewichtsprozent angegeben.

Mg bildet die Hauptzugabe zur Mischkristallverfestigung in der Knetlegierung, und der relativ hohe Mg-Gehalt der vorliegenden Erfindung zwischen 3,0% und 4,0% führt zu erhöhter Festigkeit und Formbarkeit. Festigkeit und Formbarkeit reichen nicht aus, wenn der Mg-Gehalt unter 3,0 Gew.-% liegt. Steigt jedoch der Mg-Gehalt über 4,0%, hat sich das Festigkeitsniveau als zu hoch herausgestellt. Die Blechproduktion wird somit schwierig. Mg kann bevorzugt im Bereich von 3,2%–4,0% und bevorzugter von 3,4%–3,8% vorliegen. Der Mg-Gehalt zwischen 3,0 Gew.-% und 4,0 Gew.-% sorgt für eine gute Festigkeit und Formbarkeit. Trotz dieses relativ hohen Mg-Gehalts hat jedoch die Legierung der Erfindung überraschenderweise eine hohe Beständigkeit gegen interkristalline oder Korngrenzenkorrosion.

Si ist ein Element, das die Festigkeit verbessert und zwecks Optimierung der Festigkeit der Knetlegierung der vorliegenden Erfindung mit wenigstens 0,65% vorliegt.

Es hat sich erwiesen, dass Mg-Gehalte über 4,0 Gew.-% in Kombination mit Si-Gehalten unter 0,65 Gew.-% zu geringer Korrosionsleistung führen, weil Mg und Al eine Mg5Al8-Phase an den Kornrändern bilden. Diese Phase ist sehr anodisch in Bezug auf die Matrix und führt zu örtlich begrenzter Korrosion an den Kornrändern. Wenn Si mit über 0,65 Gew.-% vorhanden ist, ist es verfügbar, um sich mit Mg zu verbinden und Mg2Si zu bilden. Daraus folgt, dass weniger Mg zur Bildung von Mg5Al8 verfügbar ist, und das Material weniger anfällig gegenüber Korrosion am Kornrand ist. Mg2Si trägt auch zur Förderung der mechanischen Festigkeit nach einem Backvorgang bei. Ein Si-Gehalt über 1,0% führt jedoch zu verringerter Dehnbarkeit und Formbarkeit, da sich die Mg2Si-Bestandteile nachteilig auf die Formbarkeit bei höheren Konzentrationen auswirken. Der Si-Gehalt kann 0,65%–1,0% und bevorzugt 0,65–0,9% betragen.

Cu kann bis zu 0,3% vorhanden sein. Cu bis zu dieser Konzentration fördert die Festigkeit und Biegeeigenschaft der Knetlegierung. Die durch Cu verbesserte Festigkeit bleibt nach einem Lackbackzyklus erhalten. Es hat sich gezeigt, dass in Konzentrationen über 0,3% vorhandenes Cu zu erhöhter Lochfraß- und Filiformkorrosion führt. Cu kann bevorzugt bis zu 0,25% und bevorzugter zwischen 0,1% und 0,2% vorliegen.

Fe kann bis zu 0,4% vorhanden sein. Fe trägt zur Dispersionsfestigung und Kornverfeinerung bei, setzt jedoch die Formbarkeit bei Konzentrationen über 0,4% herab. Fe kann bis zu 0,3% vorhanden sein, bevorzugter zwischen 0,15 und 0,23%.

Mn verfeinert wirksam die rekristallisierten Körner und vereinigt wieder die Struktur der Knetlegierung. Wenn Mn mit einem Gehalt über 0,3% vorliegt, wird die Formbarkeit verschlechtert, da grobe intermetallische Verbindungen während des Gießens gebildet werden. Es können bevorzugt bis zu 0,2% Mn oder bevorzugter 0,1–0,2 Gew.-% vorhanden sein.

Zn kann bis zu 0,8% und bevorzugt bis zu 0,5% und noch bevorzugter bis zu 0,3% vorhanden sein. Es kann in dem Altmaterial, aus dem die vorliegende Knetlegierung hergestellt wird, vorhanden sein, und es kann auch der Legierung zugegeben werden. In diesem Bereich verbessert Zn weiter die interkristalline Korrosionsbeständigkeit der Knetlegierung.

Andere Verunreinigungen wie Zr, Ti und Cr können in der Knetlegierung jeweils in einer Konzentration bis zu 0,05%, insgesamt bis zu 0,25, vorliegen. Obgleich auf Verunreinigungsniveau, ist Ti als ein Kornverfeinerungselement im Gießvorgang vorhanden. Das gesamte Verunreinigungsniveau kann bevorzugt bis zu 0,15 betragen, wobei jede Verunreinigung in einer Konzentration von bis zu 0,05% vorliegt.

Aluminium macht den Rest der Knetlegierungszusammensetzung aus.

Es hat sich herausgestellt, dass der Mg-Bereich von 3,0–4,0 Gew.-% und der Si-Bereich von 0,65–1,0 Gew.-% insbesondere bedeutet, dass Altmaterial wie eine Kombination aus Legierungsarten der AA6xxx- und AA5xxx-Serien in verschiedenen Verhältnissen die Mehrheit (über 50%) des Materials enthalten können, aus dem die Knetlegierung hergestellt wird. Das Altmetall, das den Hauptteil des Materials enthält, aus dem die Knetlegierung hergestellt wird, ist bevorzugt Knetmetall aus Schrott. Der Schrott der AA6xxx- und AA5xxx-Legierungen kann aus nicht getrenntem Produktionsschrott stammen oder aus nicht getrenntem Schrott aus Altautos wie beispielsweise gemischtem Karosserieblechschrott. Der nicht getrennte Altautoschrott kann sowohl in Form von inneren als auch äußeren Karosserieblechen vorliegen und geschredderte Autohauben, -dächer, deckel usw. enthalten. Der nicht getrennte Altautoschrott kann bevorzugt zwei oder mehr der AA6016-, AA6111- und AA5182-Legierungen enthalten.

Die Knetlegierungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung besitzt im weichgeglühten Zustand die folgenden mechanischen Eigenschaften: eine Streckfestigkeit von wenigstens 100 MPa und bevorzugt 100–115 MPa, und eine Höchstzugfestigkeit von wenigstens 220 MPa und bevorzugt 220-230 MPa, eine Dehnung A50 von mindestens 17% und bevorzugt im Bereich von 17–25% nach Euronorm gemessen. Die Standardlegierung AA5754 im weichgeglühten Zustand hat die typischen Eigenschaften einer Streckfestigkeit von wenigstens 80 MPa, Höchstzugfestigkeit von 190–240 MPa und einer Dehnung A50 von mindestens 14%, nach Euronorm gemessen. Ebenso wie ihre Schrottabsorbierungsfähigkeiten so hat die Knetlegierung der vorliegenden Erfindung auch mechanische Eigenschaften, die zumindest mit denen der AA 5754 vergleichbar sind, eine Legierung, die typischerweise bei Fahrzeuganwendungen benutzt wird.

Die Knetlegierung der vorliegenden Erfindung eignet sich eher für semikontinuierlichen, direkten Schalenhartguss (DC-Guss), als dass sie kontinuierlichen Guss erfordert.

In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung der Knetlegierung gemäß dieser Erfindung, umfassend die Schritte:

  • i) direkter Schalenhartguss eines Walzbarrens mit einer chemischen Zusammensetzung wie in der vorliegenden Erfindung definiert und bevorzugt zusammengesetzt aus hierin definiertem Schrottmaterial,
  • ii) Vorwärmen oder Homogenisieren,
  • iii) Warmwalzen,
  • iv) Kaltwalzen,
  • v) Rekristallisationsglühen in einem Temperaturbereich von 330°C–480°C oder Lösungsglühen in einem Temperaturbereich von 480°C–570°C, vorzugsweise 520°C–570°C,
  • vi) Abschrecken,
  • vii) wahlweise Voraltern oder Stabilisieren bis zu 200°C.

Rekristallisationsglühen wird im Allgemeinen für nicht wärmebehandelbare Legierungen wie die AA5xxxx-Serie verwendet, während Lösungsglühen für wärmebehandelbare Legierungen wie die AA6xxx-Serie verwendet wird.

Es hat sich jedoch herausgestellt, dass Lösungsglühen der Knetlegierung gemäß der vorliegenden Erfindung zu zusätzlicher Backhärtung aufgrund der hohen Niveaus von Mg und Si führt. Wenn die Knetlegierung der vorliegenden Erfindung nach dem Lösungsglühen backgehärtet ist, steigt die Streckfestigkeit um 60–85 MPa und möglicherweise noch mehr. Die Höchstzugfestigkeit steigt auch um 15–45 MPa. Eine solche zusätzliche Backhärtung tritt nicht in den regulären Legierungen der AA5xxx-Serie auf, die typischerweise für Fahrzeuginnenverkleidungen verwendet werden. Backhärtung kann als ein zusätzlicher optionaler Verfahrensschritt nach dem obigen Schritt vi) oder vii) benutzt werden. Lösungsglühen kann somit erfolgen, wenn zusätzliche Festigkeit nötig ist.

Die Erfindung wird nun anhand eines nicht einschränkenden Beispiels dargestellt.

Beispiel

Knetlegierungszusammensetzung in Gewichtsprozent:

Tabelle 1

Wie ersichtlich, hat die Knetlegierung der vorliegenden Erfindung ein relativ hohes Niveau an Mg und Si und Cu im Vergleich zum Standard-AA5754 und AA5454.

Die folgenden mechanischen Eigenschaften wurden für die Probe 1 gemäß der Erfindung, mit der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzung, erreicht. Nach dem direkten Schalenhartguss wurde die Probe gemäß der Erfindung für 5 Stunden bei 560°C homogenisiert. Das Material wurde anschließend bis auf eine Dicke von 4 mm warmgewalzt, bei 360°C weichgeglüht und bis zu einer Dicke von 1 mm kaltgewalzt. Das Material wurde anschließend bei 420°C für 1 sec weichgeglüht oder bei 560°C für 10 sec lösungsgeglüht oder wärmebehandelt. Das lösungsgeglühte Material wurde auch einem simulierten Backvorgang unter Verwendung eines Ölbads unterzogen. Das Material war 2% vorgereckt und bei 185°C für 20 min gebacken oder bei 205°C für 30 min ohne Vorrecken geglüht.

Tabelle 2

Die Probe 1 hat somit im weichgeglühten Zustand Eigenschaften, die zumindest mit denen von AA5754 vergleichbar sind, und sie hat eine bessere Formbarkeit als AA5454 und auch als AA5754. Wie aus Tabelle 2 hervorgeht, steigt durch Backhärten der Probe 1 nach dem Lösungsglühen die Dehnfestigkeit von Probe 1 deutlich um 72 bis 76 MPa, während die Höchstzugfestigkeit um 25–35 MPa zunimmt.

Intergranulare Korrosions- oder Korngrenzenkorrosionsuntersuchungen wurden ebenfalls auf 5754 im weichgeglühten Zustand, 5454 im weichgeglühten Zustand, Probe 1 im weichgeglühten Zustand und Probe 1 im weichgeglühten Zustand ausgeführt. Erreicht wurde die weichgeglühte Zusammensetzung durch Homogenisieren bei 560°C für 5 Stunden, anschließendem Warmwalzen bis zu einer Dicke von 4 mm, Weichglühen bei 360°C und Kaltwalzen bis zu einer Dicke von 1 mm, bevor bei 420°C für 1 sec weichgeglüht wurde.

Der lösungsgeglühte Zustand wurde erreicht durch Homogenisieren der Probe bei 560°C für 5 Stunden, anschließendem Warmwalzen bis zu einer Dicke von 4 mm, Weichglühen bei 360°C und Kaltwalzen bis zu einer Dicke von 1 mm, bevor bei 560°C für 10 sec lösungsgeglüht (oder wärmebehandelt) wurde.

Die weichgeglühten und lösungsgeglühten Proben wurden zuerst „sensibilisiert", indem sie für 100 Stunden bei 100°C (aus)geglüht oder für 20 Tage bei 100°C (aus geglüht wurden. Dieser Sensibilisierungsvorgang macht die Proben sensibler gegenüber intergranularer Korrosion und ermöglicht eine angemessene, präzise Vorhersage in Bezug auf die intergranularen Korrosionseigenschaften des Materials über längere Zeiträume hinweg.

Die intergranularen Korrosionstests erfolgt nach ASTM G67, wonach das Testverfahren darin besteht, Prüfstücke in konzentrierte Nitritsäure bei 30°C für 24 Stunden einzutauchen und den flächenbezogenen Massenverlust als Maß für die Anfälligkeit gegenüber intergranularer Korrosion zu bestimmen.

Es wurde die in Tabelle 3 gezeigten Ergebnisse erzielt.

Tabelle 3

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Legierung der vorliegenden Erfindung eine höhere Beständigkeit gegenüber intergranularer Korrosion hat als die Standardlegierungen AA5754 und AA5454.


Anspruch[de]
Knetlegierung, die sich, in Gewichtsprozent, zusammensetzt aus:

Mg 3,0–4,0,

Si 0, 65–1, 0,

Cu bis zu 0,3,

Fe bis zu 0,4,

Mn bis zu 0,3,

Zn bis zu 0,8,

Verunreinigungen jeweils bis zu 0,05 und insgesamt bis zu 0, 25,

Rest Aluminium.
Knetlegierung nach Anspruch 1, wobei der Cu-Gehalt bis zu 0,2 Gew.-% beträgt und vorzugsweise im Bereich von 0,1–0,2 Gew.-% liegt. Knetlegierung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Fe-Gehalt bis zu 0,3 Gew.-% beträgt und vorzugsweise im Bereich von 0,15 bis 0,23 Gew.-% liegt. Knetlegierung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Mn-Gehalt bis zu 0,2 Gew.-% beträgt und vorzugsweise im Bereich von 0,1–0,2 Gew.-% liegt. Knetlegierung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Si-Gehalt im Bereich von 0,65–0,9 Gew.-% liegt. Knetlegierung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Mg-Gehalt im Bereich von 3,2–4,0 Gew.-% und vorzugsweise im Bereich von 3,4–3,8 Gew.-% liegt. Knetlegierung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Knetlegierung ein Walzprodukt ist. Knetlegierung nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Knetlegierung Altmetall und vorzugsweise Autoschrott enthält. Knetlegierung nach einem vorhergehenden Anspruch, die recycelten Schrott aus AA6xxx- und AA5xxx-Legierungen enthält, und die vorzugsweise mehr als 50% recycelten Schrott aus AA6xxx- und AA5xxx-Legierungen enthält. Verfahren zur Herstellung der Knetlegierung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, umfassend die Schritte:

i) direkter Schalenhartguss,

ii) Vorwärmen oder Homogenisieren,

iii) Warmwalzen,

iv) Kaltwalzen,

v) Rekristallisationsglühen in einem Temperaturbereich von 330°C–480°C oder Lösungsglühen in einem Temperaturbereich von 480°C–570°C, vorzugsweise 520°C–570°C,

vi) Abschrecken,

vii) wahlweise Voraltern oder Stabilisieren bis zu 200°C.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend einen Backhärtungsschritt nach Schritt vi) oder vii). Teil einer Autokarosserie und/oder eines Baublechs hergestellt aus der Knetlegierung nach den vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9 oder erzielt durch das Verfahren nach den Ansprüchen 10 oder 1.






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