DE69617872T2 - Welded structures with improved mechanical properties from AlMg alloys - Google Patents
Welded structures with improved mechanical properties from AlMg alloysInfo
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Description
Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Bleche aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMg und insbesondere aus der Legierung 5083 oder 5086 nach der Norm EN 573-3 für geschweißte Strukturen, wie z. B. feste oder bewegliche Behälter und insbesondere Behälter für den Strassen- oder Eisenbahntransport fester oder flüssiger Stoffe.The invention relates to the technical field of sheets made of an aluminium alloy of the AlMg type, and in particular of alloy 5083 or 5086, in accordance with standard EN 573-3, for welded structures such as fixed or mobile containers and in particular containers for the transport of solid or liquid substances by road or rail.
Um die mechanische Festigkeit geschweißter Strukturen zu erhöhen und dabei ihr Gewicht zu verringern, ist es vorteilhaft, über Legierungen zu verfügen, die im Vergleich zu den derzeit verwendeten Legierungen 5083 oder 5086 verbesserte mechanische Eigenschaften bieten, ohne dabei die anderen Gebrauchseigenschaften einzubüßen, wie z. B. die Schweißbarkeit, die Korrosionsfestigkeit und die Formbarkeit.In order to increase the mechanical strength of welded structures while reducing their weight, it is advantageous to have alloys that offer improved mechanical properties compared to the currently used alloys 5083 or 5086, without sacrificing other performance properties such as weldability, corrosion resistance and formability.
Die beiden mechanischen Eigenschaften, die nach den dem Fachmann bekannten Prinzipien des Maschinenbaus optimiert werden müssen, um ein angemessenes plastisches Verhalten der Strukturen aus Aluminiumlegierung zu gewährleisten, sind die Bruchdehnung A und die Bruchfestigkeit Rm. Diese beiden Eigenschaften haben bei AlMg-Legierungen konträre Entwicklungstendenzen, wenn man die Zusammensetzung der Legierung ändert, und es muss für jeden Anwendungsfall ein Kompromiss gefunden werden. Deshalb wird zur Bestimmung des Verhaltens der Strukturen bei rapider plastischer Verformung, zum Beispiel bei einem Unfall, für diese Legierungen gewöhnlich das Produkt A · Rm verwendet, wobei A und Rm jeweils angemessene Mindestwerte aufweisen müssen.The two mechanical properties that must be optimised, in accordance with the principles of mechanical engineering known to those skilled in the art, to ensure adequate plastic behaviour of aluminium alloy structures are the elongation at break A and the ultimate tensile strength Rm. These two properties have contrary trends in AlMg alloys when the alloy composition is changed and a compromise must be found for each application. Therefore, to determine the behaviour of structures in the event of rapid plastic deformation, for example in the event of an accident, the product A Rm is usually used for these alloys, where A and Rm must each have appropriate minimum values.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es also, diesen Kompromiss zwischen Bruchdehnung und Bruchfestigkeit zu verbessern und dabei eine zufriedenstellende Korrosionsfestigkeit und ein möglichst einfaches und zuverlässiges Fabrikationsprogramm zu gewährleisten.The aim of the present invention is therefore to improve this compromise between elongation at break and breaking strength and thereby to achieve a to ensure satisfactory corrosion resistance and a manufacturing program that is as simple and reliable as possible.
Die japanische Patentanmeldung JP 06-212373 zeigt Beispiele für Bleche aus einer AlMgMn-Legierung, die einen guten Kompromiss zwischen Dehnung und Festigkeit aufweisen, allerdings erfordert die Herstellung durch Warmwalzen eine Austrittstemperatur aus dem Walzgerüst von mindestens 450ºC, was einen schnellen Arbeitstakt und eine minimale Schmierung bedingt, so dass eine zuverlässige und wirtschaftliche Herstellung von Bändern unmöglich ist. Die japanische Patentanmeldung JP 06-93365 zeigt ebenfalls Bleche aus einer AlMgMn-Legierung, deren mechanische Eigenschaften zwar dem angestrebten Ziel entsprechen, bei deren Herstellung jedoch ein kompliziertes und kostenintensives Programm vorgesehen ist, das ein Warmwalzen, ein anschließendes Zwischenglühen, ein temperiertes Walzen und ein Endglühen umfasst.Japanese patent application JP 06-212373 shows examples of sheets made of an AlMgMn alloy that offer a good compromise between elongation and strength, but production by hot rolling requires an exit temperature from the rolling mill of at least 450ºC, which requires a fast working cycle and minimal lubrication, making reliable and economical production of strip impossible. Japanese patent application JP 06-93365 also shows sheets made of an AlMgMn alloy whose mechanical properties correspond to the desired objective, but whose production requires a complicated and costly program that includes hot rolling, subsequent intermediate annealing, tempered rolling and final annealing.
Die Erfindung betrifft eine schmelzgeschweißte Blechstruktur aus AlMg- Legierung in einer Dicke > 2 mm, so wie sie in den Ansprüchen 1 und 12 definiert ist, sowie ihre Verwendung nach den Ansprüchen 10, 11, 21 und 22. Die Anmelderin stellte dabei einen engen Zusammensetzungsbereich innerhalb der Höchstwerte der Legierungen 5083 und 5086 heraus, der es ermöglicht, den Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften zu entsprechen und ein zuverlässiges und wirtschaftliches Fabrikationsprogramm zu verwenden. Die erfindungsgemäßen Bleche für geschweißte Strukturen bestehen aus einer AlMg-Legierung folgender Zusammensetzung (Masse-%):The invention relates to a fusion-welded sheet structure made of AlMg alloy with a thickness > 2 mm, as defined in claims 1 and 12, and its use according to claims 10, 11, 21 and 22. The applicant has identified a narrow composition range within the maximum values of alloys 5083 and 5086, which makes it possible to meet the requirements for mechanical properties and to use a reliable and economical manufacturing program. The sheets for welded structures according to the invention consist of an AlMg alloy with the following composition (mass%):
Mg: 4,2-4,8 Mn: 0,20-0,40 Zn: < 0,4Mg: 4.2-4.8 Mn: 0.20-0.40 Zn: <0.4
Fe: 0,20-0,45 Si < 0,30 und gegebenenfallsFe: 0.20-0.45 Si < 0.30 and if necessary
Cr < 0,15 Cu < 0,25 Ti < 0,20 Zr < 0,20Cr < 0.15 Cu < 0.25 Ti < 0.20 Zr < 0.20
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt 0,20, Rest Al mit den Verhältnissen Mn + Zn < 0,7 (vorzugsweise < 0,6) und Fe > 0,5 Mn, und weisen eine Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, eine Dehnung A > 17,5% und ein Produkt Rm x A > 6500 auf (Rm ausgedrückt in MPa und A in %).other elements each < 0.05 and a total of 0.20, balance Al with the ratios Mn + Zn < 0.7 (preferably < 0.6) and Fe > 0.5 Mn, and have a breaking strength Rm > 275 MPa, an elongation A > 17.5% and a product Rm x A > 6500 (Rm expressed in MPa and A in %).
Der Zinkgehalt beträgt vorzugsweise 0,07 bis 0,2%. Der Eisengehalt liegt zwischen 0,20 und 0,45% und ist höher als die Hälfte des Mangangehalts. Die erfindungsgemäßen Bleche werden durch halbkontinuierliches Gießen, vorzugsweise ohne Endglühen, und durch Warmwalzen mit einer Austrittstemperatur aus dem Walzgerüst im Bereich von 300 bis 370ºC und vorzugsweise 320 bis 360ºC hergestellt.The zinc content is preferably 0.07 to 0.2%. The iron content is between 0.20 and 0.45% and is higher than half the manganese content. The sheets according to the invention are produced by semi-continuous casting, preferably without final annealing, and by hot rolling with an exit temperature from the rolling mill in the range of 300 to 370°C and preferably 320 to 360°C.
Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung der Legierung nach der Erfindung, die zu Blechen führt, die eine Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, eine Dehnung A > 22% und ein Produkt A x Rm > 7000 aufweisen, ist die folgende:A particularly advantageous composition of the alloy according to the invention, which leads to sheets having a breaking strength Rm > 275 MPa, an elongation A > 22% and a product A x Rm > 7000, is the following:
Mg: 4,2-4,7 Mn: 0,20-0,40 Zn: 0,07-0,20Mg: 4.2-4.7 Mn: 0.20-0.40 Zn: 0.07-0.20
Fe: 0,20-0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15Fe: 0.20-0.45 Si < 0.25 Cr < 0.15 Cu < 0.15
Ti < 0,10 Zr < 0,10Ti < 0.10 Zr < 0.10
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Al.other elements each < 0.05 and total < 0.15, remainder Al.
Die Rolle von Magnesium und Mangan als Legierungselemente ist gut bekannt. Magnesium gewährleistet gute mechanische Festigkeit, ein zu hoher Gehalt setzt jedoch die Korrosionsbeständigkeit herab, was die Verwendung der mit solchen Legierungen hergestellten Behälter begrenzen würde.The role of magnesium and manganese as alloying elements is well known. Magnesium ensures good mechanical strength, but too high a content reduces corrosion resistance, which would limit the use of containers made with such alloys.
Mangan verbessert die Zugfestigkeit, ein zu hoher Gehalt führt jedoch zu einer Verringerung der Dehnung.Manganese improves tensile strength, but too high a content leads to a reduction in elongation.
Es ist ebenfalls bekannt, dass Zink in Anwesenheit von Mangan die Bruchfestigkeit verbessert, allerdings stellte die Anmelderin überraschenderweise fest, dass das Produkt A · Rm bei den gewählten Magnesium- und Mangangehalten eher von der Summe Mn + Zn als von den einzelnen Mn- und Zn-Gehalten abhängt und dass dieses Produkt deutlich verbessert wird, wenn die Summe Mn + Zn kleiner als 0,7 und vorzugsweise kleiner als 0,6 ist.It is also known that zinc in the presence of manganese improves the fracture toughness, but the applicant surprisingly found that the product A · Rm for the magnesium and manganese contents chosen depends more on the sum of Mn + Zn than on the individual Mn and Zn contents and that this product is significantly is improved if the sum Mn + Zn is less than 0.7 and preferably less than 0.6.
In dem für Mg, Mn und Zn gewählten Zusammensetzungsbereich kann durch Zusatz von Chrom, vorausgesetzt, dass er 0,15% nicht übersteigt, sowohl die Dehnung A als auch die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden, und ein Zusatz von Kupfer kleiner 0,25% führt zu einer Erhöhung von Rm.In the composition range chosen for Mg, Mn and Zn, the addition of chromium, provided that it does not exceed 0.15%, can improve both the elongation A and the corrosion resistance, and an addition of copper less than 0.25% leads to an increase in Rm.
Der Eisengehalt muss unterhalb 0,45% liegen, um die Bildung von Primärphasen zu verhindern, deren Anwesenheit zu einer inakzeptablen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Blechs führt. Bei dem für die Elemente Mg, Mn und Zn gewählten Zusammensetzungsbereich zeigte die Anmelderin allerdings überraschenderweise auf, dass es von Vorteil ist, einen Eisengehalt nahe 0,45% zu wählen, da fast das gesamte Eisen beim Gießen eutektische Niederschläge vom Typ AlMriFe bildet. Dabei wird festgestellt - und dies steht im Gegensatz zu dem, was gewöhnlich beobachtet wird - dass ein hoher Anteil dieser eutektischen Niederschläge die Duktilität des Blechs verbessert und es wünschenswert ist, dass dieser Anteil mindestens 0,7% beträgt. Gleichzeitig muss wiederum im Hinblick auf eine hohe Duktilität der Anteil der Mangandispersoide im fertigen Blech gering und unter dem 1,5- fachen Eutektikanteil bleiben, was durch die Beziehung Fe > 0,5 Mn ausgedrückt wird.The iron content must be below 0.45% to prevent the formation of primary phases, the presence of which leads to an unacceptable deterioration of the mechanical properties of the sheet. However, in the composition range chosen for the elements Mg, Mn and Zn, the applicant surprisingly demonstrated that it is advantageous to choose an iron content close to 0.45%, since almost all the iron forms eutectic precipitates of the AlMriFe type during casting. It is noted - and this is contrary to what is usually observed - that a high proportion of these eutectic precipitates improves the ductility of the sheet and it is desirable that this proportion be at least 0.7%. At the same time, again in order to achieve high ductility, the proportion of manganese dispersoids in the finished sheet must remain low and less than 1.5 times the eutectic proportion, which is expressed by the relationship Fe > 0.5 Mn.
Die Volumenanteile der eutektischen Niederschläge und Dispersoide werden durch die Flächenanteile ermittelt, die auf mikroskopischen Aufnahmen mit bekannten metallographischen Verfahren bestimmt werden, beispielsweise mit Rasterelektronenmikroskopie und Bildanalyse auf einer polierten Schnittfläche einer Blechprobe.The volume fractions of the eutectic precipitates and dispersoids are determined by the surface fractions, which are determined on microscopic images using known metallographic methods, for example using scanning electron microscopy and image analysis on a polished section of a sheet metal sample.
Durch diese Möglichkeit, einen nicht zu niedrigen Eisengehalt zu wählen, kann ein weniger reines und damit kostengünstigeres Basismetall ausgewählt werden, das dennoch gute mechanische Eigenschaften aufweist.This option of not choosing an iron content that is too low allows a less pure and therefore less expensive base metal to be selected that nevertheless has good mechanical properties.
Mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist es möglich, Bleche in Dicken > 2 mm mit einer Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, einer Dehnung A > 17,5% und einem Produkt A · Rm > 6500 durch Walzen ohne Endglühen bei einer Temperatur > 250ºC und insbesondere durch Warmwalzen und in großen Breiten, zum Beispiel > 2200 mm herzustellen. Aus Gründen industrieller Zuverlässigkeit sollte die Temperatur beim Austritt aus dem Walzgerüst unterhalb 400ºC, vorzugsweise 370ºC oder sogar 350ºC liegen.With the composition according to the invention it is possible to produce sheets in thicknesses > 2 mm with a breaking strength Rm > 275 MPa, an elongation A > 17.5% and a product A · Rm > 6500 by rolling without final annealing at a temperature > 250ºC and in particular by hot rolling and in large widths, for example > 2200 mm. For reasons of industrial reliability, the temperature at the exit from the rolling mill should be below 400ºC, preferably 370ºC or even 350ºC.
Die erfindungsgemäßen Bleche können für geschweißte Strukturen verwendet werden, wie z. B. feste oder bewegliche Behälter, beispielsweise Eisenbahn- oder Straßentankwagen, aber auch Straßen- Eisenbahn- und/oder Seetransportbehälter, sowie für geschweißte und/oder geschmiedete Wagen- oder Lastkraftwagenräder. Diese Bleche lassen sich mit allen, für diese Art von Legierung gewöhnlich verwendeten Mitteln schweißen, insbesondere durch Stumpfschweißung mit Hilfe eines MIG- oder WIG-Verfahrens und mit einer Schrägkante von ca. 45º auf etwa 213 der Dicke. Für alle diese Anwendungen ist es vorteilhaft, über Bleche mit großen Breiten verfügen zu können, insbesondere mit Breiten größer 2200 mm.The sheets according to the invention can be used for welded structures such as fixed or mobile containers, for example railway or road tankers, but also road, railway and/or sea transport containers, as well as for welded and/or forged wagon or lorry wheels. These sheets can be welded using all the means normally used for this type of alloy, in particular by butt welding using a MIG or TIG process and with a bevel of approximately 45º over approximately 213 of the thickness. For all these applications it is advantageous to be able to have sheets with large widths, in particular with widths greater than 2200 mm.
Bleche mit verbesserten mechanischen Eigenschäften sind von besonders großem Interesse bei Straßentankwagen zur Beförderung gefährlicher Stoffe, die bei Unfällen ein angemessenes plastisches Verhalten aufweisen müssen.Sheets with improved mechanical properties are of particular interest in road tankers for the transport of dangerous substances, which must exhibit adequate plastic behaviour in the event of an accident.
Es wurden 24 Legierungen mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen halbkontinuierlich zu Platten vergossen. Diese wurden nach Erwärmung während 20 h auf eine Temperatur oberhalb 500ºC bis auf eine Enddicke von 6 mm warmgewalzt. Die Temperatur beim Austritt aus dem Walzgerüst betrug 340ºC.24 alloys with the compositions given in Table 1 were cast semi-continuously into plates. These were heated for 20 hours to a temperature above 500ºC and then hot rolled to a final thickness of 6 mm. The temperature when leaving the rolling mill was 340ºC.
Die Legierungen 0 bis 4 und 13 haben eine nicht erfindungsgemäße Zusammensetzung (wobei die Legierung 0 eine 5083-Zusammensetzung darstellt), die anderen Legierungen eine erfindungsgemäße Zusammensetzung. An diesen Blechen wurden die Bruchfestigkeit Rm und die Dehnung A gemessen. Auf mikroskopischen Aufnahmen, die durch Lichtmikroskopie realisiert wurden, wurden auch die Flächenanteile von eutektischen Niederschlägen und Dispersoiden ermittelt. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt und zeigen, dass bei den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen immer gilt: Rm > 275 MPa, A > 17,5% und ihr Produkt > 6500.Alloys 0 to 4 and 13 have a composition not according to the invention (alloy 0 being a 5083 composition), the other alloys have a composition according to the invention. The breaking strength Rm and the elongation A were measured on these sheets. The surface proportions of eutectic precipitates and dispersoids were also determined on microscopic images taken by light microscopy. These results are summarized in Table 1 and show that in the alloys according to the invention Compositions always apply: Rm > 275 MPa, A > 17.5% and their product > 6500.
Es wird weiterhin festgestellt, dass mit der weiter oben genannten engeren Zusammensetzung, nämlich:It is further noted that with the narrower composition mentioned above, namely:
Mg: 4,2-4,7 Mn: 0,20-0,40 Zn: 0,07-0,20Mg: 4.2-4.7 Mn: 0.20-0.40 Zn: 0.07-0.20
Fe: 0,20-0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15Fe: 0.20-0.45 Si < 0.25 Cr < 0.15 Cu < 0.15
Ti < 0,10 Zr < 0,10Ti < 0.10 Zr < 0.10
Bleche mit einem Produkt A x Rm erhalten werden, das immer größer als 7000 und meistens größer als 7400 ist (cf. Nummern 14, 18 bis 23).Sheets can be obtained with a product A x Rm that is always greater than 7000 and mostly greater than 7400 (cf. numbers 14, 18 to 23).
MIG-Schweißversuche durch MIG-Stumpfschweißung mit einer Schrägkante von 45º auf 2/3 der Dicke zeigten eine ähnliche Schweißbarkeit wie bei den Legierungen 5083 und 5086 üblicher Zusammensetzung. Tabelle 1 MIG welding tests by MIG butt welding with a bevel of 45º at 2/3 of the thickness showed a weldability similar to that of alloys 5083 and 5086 of conventional composition. Table 1
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