DE69620771T2

DE69620771T2 - Verwendung von gewalzte aluminiumlegierungen für konstruktionsteile von fahrzeuge

Info

Publication number: DE69620771T2
Application number: DE69620771T
Authority: DE
Inventors: Jackson Bull; Kumar Gupta; John Wheeler
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Novelis Inc Canada
Priority date: 1995-09-19
Filing date: 1996-09-18
Publication date: 2002-10-02
Anticipated expiration: 2016-09-19
Also published as: AU6921296A; NO322329B1; CA2231870C; JPH11512488A; NO981218D0; EP0851942B1; BR9611092A; EP0851942A1; EP0851942B2; JP3944865B2; DE69620771D1; US6267922B1; CA2231870A1; WO1997011203A1; NO981218L; DE69620771T3

Description

TECHNISCHES GEBIET:

Die vorliegende Erfindung betrifft die Verwendung von ausfällungsgehärteten Aluminiumlegierungen, die vorwiegend für Automobilkonstruktionsteile vorgesehen sind. Genauer betrifft die Erfindung die Verwendung solcher Legierungen innerhalb der 6000er Serie (Aluminiumlegierungen, worin die Hauptlegierungselemente Magnesium und Silicium sind).

STAND DER TECHNIK:

Die Verwendung von Aluminiumblechmaterialien bei der Herstellung von leichtgewichtigen Automobilen und ähnlichen Fahrzeugen nimmt ständig zu. Für Abdeckungsanwendungen, wie beispielsweise Motorhauben, Kofferraumabdeckungen und Kotflügel, wird die Legierung AA6111 zur bevorzugten Wahl der nordamerikanischen Automobilhersteller. Diese von Alcan, dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung, entwickelten Legierung hat gute Formgebungseigenschaften vor einem Lackier/Brennzyklus und eine gute Verbeulungsbeständigkeit nach der Formgebung und Lackierung. Für Karosseriestrukturbauteile ist die Legierung jedoch zu fest und die mittelfeste AA5754- Legierung wurde für diese Anwendung empfohlen (die sogenannten 5000er Serie-Aluminiumlegierungen haben Magnesium als Hauptlegierungselement und sind allgemein weicher als die 6000er Serie-Aluminiumlegierungen). Für die meisten Teile sind 5000er Serie-Legierungen zur Herstellung von Vollaluminium-Karosseriestrukturen gut geeignet, jedoch wäre eine etwas höhere Festigkeit vorteilhaft und es besteht eine Besorgnis bezüglich der Recyclisierung von Fahrzeugen, die sowohl 5000er als auch 6000er Serie-Legierungen enthalten, da diese chemisch inkompatibel sind.
Aluminiumlegierungen, die für die Verwendung in der Automobilindustrie vorgeschlagen wurden, schliessen diejenigen ein, die in den folgenden US-PSen offenbart sind: 4 082578 von Evancho et al.; 4 589 932 von Park; 4 784 921 von Hyland et al.; und 4 840 852 ebenfalls von Hyland et al..
Unglücklicherweise erfüllt keine bekannte Aluminiumlegierung, die mit der Abdeckungslegierung AA6111 chemisch kompatibel ist, die Anforderungen für Strukturanwendungen in Fahrzeugen, einschliesslich einer angemessenen (aber nicht zu hohen) Festigkeit und der Fähigkeit, durch Schlageinwirkung gleichförmig zu kollabieren.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG:

Ein erfindungsgemässes Ziel ist die Bereitstellung von Verwendungen für eine Aluminiumlegierung, die mit Aluminiumlegierungen, die für Abdeckungsanwendungen in Fahrzeugen verwendet werden, insbesondere der Legierung AA6111, recyclisiert werden kann.
Ein weiteres erfindungsgemässes Ziel ist die Bereitstellung von Verwendungen einer Aluminiumlegierung der 6000er Serie, die für Strukturanwendungen in Fahrzeugen geeignet ist.
Die hiesigen Erfinder haben herausgefunden, dass die Umformfestigkeit in der T4-Anlassung (lösungsbehandelt und natürlich gealtert) der hier betrachteten Aluminiumlegierungen linear zur Gesamtmenge an Cu, Mg und Si in der Legierungsmatrix, angegeben in Atom-Gew.%, veränderlich ist. Ferner wird die gewünschte Kombination an mechanischen Eigenschaften erzielt, wenn die Gesamtmenge an Cu, Mg und Si, in Atom-Gew.%, mehr als 1, 2 und weniger als 1,8% beträgt, und vorzugsweise ist die Gesamtmenge zwischen 1,2 und 1,4 Atom-Gew.%.
Folglich wird gemäss einem erfindungsgemässen Aspekt die Verwendung einer gewalzten Aluminiumlegierung für tragende Strukturkomponenten eines Fahrzeugs bereitgestellt, worin die Legierung in Gew.% folgendes enthält:
0,6 ≤ Mg ≤ 0,9
0,25 ≤ Si ≤ 0,6
0,25 ≤ Cu ≤ 0,9
worin zusätzlich die Gesamtmenge an (Cu + Mg + Si), in Atom-Gew.%, weniger als 1,8% und mehr als 1,2% beträgt.
Die Legierung kann ferner ein oder mehrere zusätzliche Element(e) enthalten, einschliesslich (in Gew.%) : bis zu 0,4% Fe, bis zu 0,4% Mn, bis zu 0,1% Cr, bis zu 0,1% V, bis zu 0,25% Zn, bis zu 0,10% Ti, bis zu 0,05% Be und bis zu 0,1% Zr. In Gegenwart von Fe oder Fe und Mn gemeinsam wird Si in der Matrix infolge der Ausbildung von unlöslichen eisenhaltigen Intermetallverbindungen um 1/3 der Menge an Fe oder (Fe + Mn), in Gew.%, reduziert. Wenn der Si-Gesamtgehalt im unteren Bereich des genannten Bereichs (d. h. 0,25 bis 0,3 Gew.%) liegt, kann dieser Verlust durch die Zugabe eines Überschusses an Si von 1/3 der Menge an Fe oder Fe + Mn kompensiert werden. Der maximale Gesamtgehalt an Si, der aus solchen Zugaben resultieren kann, beträgt 0,57 Gew.%, d. h.
was nach wie vor innerhalb des genannten Bereichs für den Si-Gehalt, nämlich 0,25 bis 0,6 Gew.%, liegt. Folglich beeinträchtigen derartige Kompensationen (sofern angewandt) die erfindungsgemäss erforderlichen Bereiche für die Si-Mengen nicht.
Legierungen mit den obigen Zusammensetzungsbereichen, die unter herkömmlichen Bedingungen verarbeitet wurden, einschliesslich Homogenisierung zwischen 470 und 580ºC, Heisswalzen zwischen 450 und 580ºC auf eine Zwischendicke, Kaltwalzen auf Enddicke in einem oder mehreren Durchläufen, Lösungsbehandlung (solutionizing) zwischen 470 und 580ºC, rasches Abkühlen und natürliches Altern bei Raumtemperatur, sind für tragende Strukturanwendungen in aluminiumintensiven Fahrzeugen geeignet.
Diese Legierungen sind von mittlerer Festigkeit und besitzen eine gute Langzeitstabilität und Beständigkeit gegen Überalterung. Als solche bieten die Legierungen dahingehend gute Aufprallwerteigenschaften, dass tragende Strukturbauteile, die aus diesen Legierungen gebildet werden, selbst nach verlängerter Einwirkung der obigen Umgebungstemperaturen glatt verzogen werden und bruchbeständig sind, wenn sie einer Einsturzaufprallkraft (impact collapse force) ausgesetzt werden, die bei herkömmlichen 6000er Serie-Legierungen einen Duktilitätsverlust und Bruch bewirken würden. Die Legierungen besitzen ferner eine gute Recyclisierungskompatibilität mit anderen Aluminiumlegierungen, die im Fahrzeugbau verwendet werden.
Die Legierungen werden für Fahrzeugstrukturzwecke verwendet, z. B. als extrudierte Bauteile für tragende Automobilstrukturbauteile, da sie eine gute Kombination aus moderatem T4-Festigkeitsniveau und guter thermischer Langzeitstabilität aufweisen.
Zur Vereinfachung des Verständnisses werden einige in der vorliegenden Anmeldung verwendete Begriffe nachfolgend erläutert, bevor eine detailliertere Beschreibung der Erfindung gegeben wird.
Der Ausdruck "T8-Anlassung" kennzeichnet eine Legierung, die lösungswärmebehandelt, kaltverarbeitet und anschliessend künstlich gealtert wurde. Künstliches Altern beinhaltet das Halten der Legierung bei erhöhte(r/n) Temperatur(en) über einen Zeitraum. Eine Legierung, die nur lösungswärmebehandelt und künstlich gealtert wurde, wird als "T6-Anlassung" bezeichnet, wohingegen, wenn die Alterung natürlich unter Raumtemperaturbedingungen stattgefunden hat, die Legierung als "T4-Anlassung" bezeichnet wird.
Der Ausdruck "Karosseriestruktur" ist ein Ausdruck, der in der Automobilbranche zur Beschreibung des Konstruktionsrahmens eines Automobils, an denen anschliessend die Hauptverschlussblechkomponenten (Kotflügel, Türen, Motorhaube und Kofferraumdeckel) und alle Motor-, Getriebe- und Aufhängungseinheiten angebracht werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN:

Fig. 1 und 2 sind Auftragungen der Umformfestigkeit gegen die Alterungszeit für zwei Legierungen, einer erfindungsgemässen (Fig. 1) und einer nicht erfindungsgemässen (Fig. 2), wie später erläutert wird.

BESTE AUSFUHRUNGSFORM DER ERFINDUNG:

Die hiesigen Erfinder haben anhand von konstruktiven Erwägungen und Tests bestimmt, dass für Tragkonstruktionsanwendungen in Fahrzeugen geeignete Legierungen wünschenswerterweise eine Umformfestigkeit (yield strength YS) im Bereich von etwa 85 bis 125 MPa (die Einheit MPa = 10&sup6; N/m² = MN/m²) aufweisen sollte, die wünschenswerterweise als Ergebnis der Formgebung und der Kleberaushärtung und/oder Einbrennlackierung zunehmen, aber eine Festigkeit von mehr als etwa 290 MPa unter extremer Formgebung und anschliessenden thermischen Behandlungen nicht erreichen sollte. Der Grund hierfür ist, dass die Erfahrung gezeigt hat, dass Materialien oberhalb dieser Festigkeit bei einem Einknickaufprall Rissbildung zeigen. Schliesslich können einige Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise diejenigen in der Umgebung des Abgassystems, über einen langen Zeitraum erhöhten Temperaturen ausgesetzt sein, und auch hier ist es bedeutend, dass die Umformfestigkeit nicht über den obigen Richtwert von 290 MPa ansteigt, oder dass das Material überaltert und einen erheblichen Umformfestigkeitsverlust erleidet. Derartige Situation wurden dadurch simuliert, dass Materialien in verschiedenen Kombinationen aus erhöhten Temperaturen für ausgedehnte Zeiträume ausgesetzt wurden, wie beispielsweise eine Woche bei 180ºC oder 24 Stunden bei 200ºC.
Zusätzlich zu diesen Qualitätscharakteristiken ist die Recyclisierbarkeit der Materialien ein bedeutender Gesichtspunkt. Eine Legierungsmischung, die aus zerkleinertem Karosserietragteil-Aluminiumschrott erhalten wird, sollte zur Herstellung von neuem Blech für tragende Karosserieteile geeignet sein, ohne dass eine erhebliche Verdünnung mit frischem 5000er Serie-Aluminiumblech erforderlich ist, und möglicherweise werden in einem aluminiumintensiven Automobil einige extrudierte 6000er Serie-Aluminiumteile verwendet, und daher muss eine beliebige vorgeschlagene, neue Legierung, die "recyclisierungskompatibel" sein soll, Mg, Cu und Si enthalten, und eine Toleranz gegenüber Fe und, in geringerem Ausmass, gegenüber Mn aufweisen.
Legierungen, die auf überschüssiges Si zur Förderung der Mg&sub2;Si (β-Phase)-Ausfällung angewiesen sind, sind inhärent schwierig zu steuern, da zur Erzielung einer ausreichend raschen Alterungshärtungsreaktion das Si-Niveau so hoch sein würde, dass unvermeidbar hohe maximale Umformfestigkeiten wahrscheinlich wären, wie sie in der AA6111-Legierung beobachtet werden, und die Menge an "freiem" Si würde fluktuieren, sofern nicht gleichzeitig das Fe-Niveau gesteuert wird, was zu leicht veränderlichen mechanischen Eigenschaften führt. Zusätzlich ist die Langzeitstabilität in Verbindung mit einer relativ flachen Überalterungsfähigkeit ein wichtiger Gesichtspunkt, wie auch die relative Unempfindlichkeit gegenüber Vordehnung (Dehnung vor der Alterung) oder Alterungskinetik. Unglücklicherweise sind Legierungen, die vorwiegend durch Mg&sub2;Si verfestigt sind, gegenüber Vordehnungen mässig empfindlich und neigen ferner zur Überalterung, sofern kein Cu anwesend ist. Zur Überwindung dieser Nachteile von β-Phase (Mg&sub2;Si)-verfestigten Legierungen haben die hiesigen Erfinder die Zugabe von Cu vorgeschlagen, damit stabilere CuAl&sub2;- und CuMgAl&sub2;-Ausfällungen erhalten werden. Es wurde jedoch gefunden, dass, da die kombinierten gelösten Zugaben an Mg und Cu in Gegenwart von Si zunehmen, eine Neigung zur unerwünschten Ausbildung einer unlöslichen α-Phase (Cu&sub2;Mg&sub8;Si&sub6;Al&sub5;) besteht. Das Ausmass, in dem diese Ausfällung toleriert werden kann, beschränkt wirksam den maximalen Si-Gehalt.
Als Ergebnis solcher Überlegungen und extensiver Tests wurde nun festgestellt, dass geeignete Aluminiumlegierungen die folgenden Elemente in Gew.% wie unten angegeben enthalten:
0,6 ≤ Mg ≤ 0,9
0,25 ≤ Si ≤ 0,6
0,25 ≤ Cu ≤ 0,9
Fe ≤ 0,4
Mn ≤ 0,4
Darüber hinaus wurde entdeckt, dass die Umformfestigkeit der Legierungen mit T4-Anlassung linear als Funktion des Gesamtgehalts an (Cu + Mg + Si) in der Legierung zunimmt, und zur Erzielung einer mittleren strukturellen Festigkeit der (Cu + Mg + Si)-Gehalt in Atom-Gew.% mehr als 1,2 und weniger als 1,8 betragen sollte, am meisten bevorzugt zwischen 1,2 und 1,4 Atom-Gew.%.
Zur Klarstellung wird die Berechnung der Atom-Gew.%, wie sie erfindungsgemäss zur Bestimmung der genannten Bereiche angewandt wurde, nachfolgend illustriert (wobei Cu als Beispiel verwendet wird):
Atom-Gew.% Cu = f(Cu)/[f(Cu) + f(Mg) + f(Si) + f(Al)] · 100
worin:
f(Cu) = (Gew.% an elementarem Cu)/(Cu-Atomgewicht); entsprechendes gilt für f(Mg) und f(Si).
Es ist festzuhalten, dass nur die Mengen an Cu, Mg, Si und Al in der Matrix in dieser Berechnung berücksichtigt werden, d. h. Gew.% Al = 100 - Gew.% (Cu + Mg + Si). Die Einflüsse von Fe und Mn wurden ignoriert, da deren Niveaus üblicherweise von einer Legierung zur nächsten nicht signifikant veränderlich sind. Idealerweise sollte bei der Legierungsentwicklung ein angemessener Ausgleich für den Si-Verlust an Fe-haltigen intermetallischen Teilchen berücksichtigt werden, wie zuvor beschrieben wurde.
Legierungen, die die obigen Zusammensetzungsbereiche aufweisen und unter herkömmlichen Bedingungen verarbeitet wurden, einschliesslich der Homogenisierung zwischen 470 und 580ºC, Heisswalzen zwischen 400 und 580ºC auf eine Zwischendicke, Kaltwalzen auf Endstärke in einem oder mehreren Durchgängen, Lösungsbehandlung (solutionizing) zwischen 470 und 580ºC, rasche Abkühlung und natürliche Alterung, sind für Anwendungen als tragende Automobilbauteile geeignet.
Eine erfindungsgemäss besonders bevorzugte Aluminiumlegierung ist eine, die etwa (in Gew.%) folgendes enthält:
Mg 0,75
Cu 0,30
Si 0,40
Fe 0,25
Mn 0,09
Al Rest.
Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beispiele und Vergleichsbeispiele detaillierter dargestellt, die jedoch nicht als den erfindungsgemässen Umfang beschränkend anzusehen sind.

BEISPIELE UND VERGLEICHSBEISPIELE

BEISPIEL 1

Legierungen mit den unten in Tabelle 1 gezeigten nominellen Zusammensetzungen wurden im Labor gegossen. TABELLE 1
Es ist festzuhalten, dass die Legierungen #5, #10 und #11 Zusammensetzungen aufweisen, die innerhalb der erfindungsgemässen Bereiche liegen.
Die Legierungen wurden abgeschält, bei 560ºC für 4 Stunden homogenisiert, auf eine Enddicke von 0,9 mm heiss- und kaltgewalzt, und das kaltgewalzte Material wurde bei 530ºC für 30 Sekunden einer Lösungsbehandlung unterzogen und anschliessend rasch abgekühlt und für 1 Woche natürlich gealtert. Die Festigkeitseigenschaften der Materialien wurden dann in verschiedenen Anlassungen bestimmt: Die Formbarkeit der Legierung wurde bestimmt anhand von Messungen der UTS- und YS-Streuung, der Erichsen- Prüfbecherhöhe, der Gesamtdehnung und des minimalen Biegeradius'. Die Eigenschaften der Legierungen wurden in Abhängigkeit von der Zusammensetzung ausgewertet und ihre Gesamtgüte wurde mit derjenigen der AA5754-Legierung verglichen.
Die Ergebnisse sind unten in den Tabellen 2 und 3 angegeben TABELLE 2 FORTSETZUNG TABELLE 2 TABELLE 3
Die Ergebnisse der Zugfestigkeitstests, die bei allen Legierungen in unterschiedlichen Anlassungen quer zur Walzrichtung durchgeführt wurden, sind in Tabelle 2 angegeben. In Tabelle 3 sind die vorhergesagten Umformfestigkeiten (in MPa) für Legierungen angegeben, die (Cu + Mg + Si) in der Matrix innerhalb des Bereichs von 1,2 bis 1,8 Atom-Gew.% enthalten, wobei Umformfestigkeits/Atom-Gew.%-Beziehungen verwendet wurden, die aus den experimentellen Daten für verschiedene Alterungsbedingungen erhalten wurden. Es ist deutlich, dass die Legierungen, die eine Gesamtmenge an Cu, Mg und Si in der Matrix zwischen 1,2 und 1,8 Atom-%, vorzugsweise zwischen 1,2 und 1,4 Atom-% enthalten, die gewünschte Kombination von Zugfestigkeitseigenschaften in unterschiedlichen Anlassungen erfüllen.
Unter den getesteten Legierungen, die Cu, Mg und Si innerhalb des bevorzugten Bereichs enthalten, zeigt die Legierung #5 die zufriedenstellendsten Eigenschaften. Diese Legierung kann etwas Si und Cu aufnehmen und besitzt eine gute Biegefähigkeit und gute Formbarkeit. Die Festigkeit nach minimaler Aushärtung betrug etwa 140 MPa, was zufriedenstellend ist.
Legierung #10 wies eine gute Toleranz gegenüber Cu und gute Formbarkeitseigenschaften auf. Die minimale Umformfestigkeit nach minimaler Härtung war etwas gering (etwa 114 MPa), jedoch ist dieser Wert noch annehmbar.
Legierung #11 wies eine hohe Toleranz gegenüber Cu auf (die gleiche wie Legierung AA6111) und eine gute Formbarkeit. Die minimale Festigkeit nach minimaler Härtung betrug etwa 135 MPa, was recht gut ist.
Es ist anzumerken, dass die minimalen Festigkeiten der Legierungen durch eine Voralterung weiter angehoben werden können, die hier als Herstellung einer T4P-Anlassung bezeichnet wird. Derartige Praktiken verbessern in charakteristischer Weise ausschliesslich die Alterungsverfestigungssantwort bei kurzer Alterungszeit/niedriger Temperatur und verändert weder die Umformfestigkeit in der T6-Anlassung, noch die Langzeitfestigkeit oder Stabilisierung.
Die Ergebnisse verschiedener Formgebungstests sind in Tabelle 4 zusammengefasst. Die Legierungen #5 und #7 bis #14, die eine Gesamtmenge an Cu, Mg und Si in der Matrix zwischen 1,2 und 1,8 Atom-Gew.% aufweisen, zeigen ein hohes Zugfestigkeits/Umformfestigkeits (UTS/YS)- Verhältnis, eine verbesserte Erichsen-Prüfbecherhöhe und niedrige r/t-Werte im Vergleich zu denjenigen für Legierungen ausserhalb des gewünschten erfindungsgemässen Zusammensetzungsbereichs. TABELLE 4 TABELLE 5

BEISPIEL 2

DC-Barren von 600 · 1.800 · 3.429 mm aus den Legierungen #15 und #16 mit den in Tabelle 5 angegebenen Zusammensetzungen wurden in kommerziellem Massstab gegossen. Tabelle 5 zeigt ferner die Zusammensetzung eines typischen kommerziellen AA5754-Materials. Es ist festzuhalten, dass die Legierung #15 eine Zusammensetzung aufweist, die in die erfindungsgemässen Bereiche fällt, wohingegen die Legierung #16 ausserhalb des erfindungsgemässen Bereichs liegt. Beide Legierungsbarren wurden pro Walzfläche 6 mm abgeschält, für 18 Stunden bei 560ºC homogenisiert, auf eine Stärke von 5 mm heiss- und in zwei Durchgängen auf eine Enddicke von 1,6 mm kaltgewalzt. Das kaltgewalzte Material wurde einer Lösungsbehandlung in einer kontinuierlichen Lösungs- Wärmebehandlungsstrasse bei 540ºC unterzogen, rasch abgekühlt und für 10 Tage natürlich gealtert. Die Materialien wurden dann auf Zug- und Formbarkeitscharakteristiken in der T4-Anlassung untersucht. Zusätzlich wurden die Zugfestigkeiten und die Aufprallgüte beider Materialien in unterschiedlich gealterten Anlassungen bestimmt.
Tabelle 6 führt die durchschnittlichen Festigkeitseigenschaften in Querrichtung der Legierungen #15, #16 und AA5754 in der T4- bzw. O-Anlassung sowie nach verschiedenen anderen thermischen Behandlungen auf. Es ist ersichtlich, dass die Umformfestigkeit der erfindungsgemässen Legierung #15 in verschiedenen Anlassungen stets unterhalb von 290 MPa liegt. Ferner ist die Umformfestigkeit der Legierung in der T4-Anlassung wie gewünscht vergleichbar mit derjenigen von AA5754 und ist signifikant höher als in anderen Anlassungen. Andererseits ist die Legierung #16, die ausserhalb des erfindungsgemässen Zusammensetzungsbereichs liegt, in der T4-Anlassung und im Zustand von 8% Vordehnung + 1 Stunde bei 205ºC zu fest.
Die Effekte der künstlichen Alterung auf die Legierungen #15 und #16 bei 160, 180 und 200ºC sind in den Fig. 1 bzw. 2 der anliegenden Zeichnungen gezeigt. Diese Graphen zeigen, dass die Legierung #15 annehmbar ist, da ihre Umformfestigkeit 260 MPa nie übersteigt, wohingegen Legierung #16 wiederum nicht annehmbar ist.
Die Ergebnisse verschiedener Formgebungstests, die mit den Legierungen #15, #16 und AA5754 durchgeführt wurden, sind in Tabelle 7 aufgeführt. Es ist ersichtlich, dass die Legierung #15 einen minimalen r/t-Wert von 0,12 in Längs- und Querrichtung, eine maximale Kuppenhöhe von 11,2 mm im Erichsen-Prüfbechertest und 55,7 mm Verschiebung im biaxialen Verformungstest zeigt. Diese Werte sind mit denjenigen von AA5754 vergleichbar, wohingegen die Legierung #16 deutlich unterlegene Eigenschaften zeigt. TABELLE 6 FORSETZUNG TABELLE 6 TABELLE 7

AUFPRALLWERTTESTS:

Aufprallwerttests (Verhalten beim langsamen Zerquetschen) wurden mit den Legierungen #15 und #16 unter dem Gesichtspunkt des Erhalts von Information, wie sich diese Legierungen in einem tragenden Fahrzeugbauteil verhalten, das während der Herstellung und im allgemeinen Fahrzeugbetrieb erhöhten Temperaturen ausgesetzt wurde, durchgeführt. Zur Simulierung dieser Bedingungen wurden mehrere Proben vor der Testdurchführung erhöhten Temperaturen für verschiedene Zeiträume ausgesetzt. Die Ergebnisse wurden dann mit Richtwerten für das Aufprallverhalten verglichen, die aus vorhergehenden Tests mit AA5754- und AA6111-Legierungen entnommen wurden.
Genauer wurden sechseckige Abschnitte aus 1,6 mm Rohmaterial geformt und im oberen Abschnitt jeder Probe Einknickinitiatoren ausgebildet. Die Flansche wurden zur Aufnahme von Hemlock-Bolzen vorgelocht und es wurde eine 407-47-Tauchvorbehandlung vor der Verbindung und dem Endzusammenbau aufgebracht. Im Fall der überalterten Proben (24 Stunden bei 210ºC) wurden die Vorbehandlung und die Verbindung nach dem Alterungsprozess durchgeführt, damit die Hafteigenschaften nicht durch die hohen Ofentemperaturen beeinflusst wurden. Als Haftmittel wurde in allen Tests der Klebstoff XD4600 (Warenzeichen von Ciba-Geigy) verwendet, und die verwendete Probengeometrie war 50 mm entlang jeder Fläche des Sechsecks mit zwei 19 mm-Haftnähten auf einander gegenüberliegenden Seiten und einer Gesamtlänge von 400 mm.
Vor dem Testdurchlauf wurden die Proben einer der folgenden Bedingungen ausgesetzt:
(1) T4 + Aushärtungszyklus + 30 Minuten bei 180ºC
(2) T4 + Aushärtungszyklus + 90 Minuten bei 180ºC + 8 Stunden bei 120ºC
(3) T4 + Aushärtungszyklus + 30 Minuten bei 180ºC + 8 Stunden bei 120ºC
(4) T4 + Aushärtungszyklus + 30 Minuten bei 180ºC + 20 Stunden bei 120ºC
(5) T4 + 24 Stunden bei 210ºC + Aushärtungszyklus
Die Proben wurden dann auf einen sechseckigen Aluminiumeinsatz plaziert und in einer servohydraulischen ESH-Testmaschine geknickt. Der Aluminiumeinsatz wurde zur Stabilisierung des unteren Teils des Querschnitts während des Zerknickens verwendet.
Eine Zusammenfassung der Ergebnisse ist unten in Tabelle 8 angegeben. TABELLE 8
1 Die Bedingungen 1 bis 5 sind diejenigen die unmittelbar vor der Tabelle 8 beschrieben wurden.
2 Die Symbole, die bei der Bewertung der Unversertheit des Gefüges vewendet wurden, bedeuten folgendes:
keine sichtbaren Brüche
geringfügige Brüche, jedoch nicht durch die gesamte Dicke
kleine Brüche (< 25 mm)
x grosse Brüche und grosse Einrisse
xx völlige Spaltung der Platte/Instabilität
xxx vollständige Zerstörung
3 PAVE kennzeichnet durchschnittliche Knickkraftwerte, die durch Auftragung der Last gegen die Verschiebung und Ableitung der durchschnittlichen Kraft während des Zerknickens aus der Auftragung erhalten werden. Die Werte sind in Kilonewton (kN) ausgedrückt.
4 In den Faltwellen ("2h")-Werten kennzeichnet der Parameter "h" den halben Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Falten des Metalls. Daher steht "2h" für die Messung eines vollen Abstands.
Für Vergleichszwecke sind die Ergebnisse für AA5754-O- und AA6111-T4-Legierungen, basierend auf 1,6 mm dickem Material, unten in Tabelle 9 angegeben. Es ist jedoch zu berücksichtigen, dass diese Werte mittels eines Computerprogramms vorhergesagt wurden (CrashCAD®-Software) und auf zuvor erhaltenen, experimentellen Ergebnissen mit 2 mm AA5754-O und 1,8 mm AA6111-T4 (beide mit einem Klebstoffaushärtungszyklus) basieren. TABELLE 9
Die Ergebnisse zeigen, dass die Legierung #15 im Hinblick auf das Knickverhalten über einen Bereich von simulierten Fahrzeughistorien und Verarbeitungsbedingungen durchweg ein gutes Verhalten zeigte, wobei der PAVE-Wert von der vorherigen thermischen Historie praktisch unabhängig ist. Es gab einige Hinweise auf kleine Brüche innerhalb der Zick-Zack-Faltungsnetze der aufprallgetesteten Träger, jedoch wiesen diese eine Länge von weniger als 25 mm auf und wurden eindeutig durch den Aufprall einer Falte in dem Netzbereich der benachbarten Falte zu einem sehr späten Zeitpunkt des Zusammenknickereignisses hervorgerufen. Entlang der tatsächlichen Faltungslinien traten keine Brüche auf.
Die Tatsache, dass PAVE von der vorherigen thermischen Historie effektiv unabhängig ist, ist aus konstruktionstechnischer Hinsicht sehr bedeutend, da das Aufprallverhalten eines mit diesem Material gebauten Fahrzeugs von seiner Betriebshistorie unabhängig wäre. Dies wäre sicherlich nicht der Fall für die Legierungen #16 oder AA6111 und ist ein weiterer Hinweis auf die bemerkenswerte thermische Stabilität der Legierung #15. PAVE für die Legierung #15-T4 ist etwa 20 bis 30% grösser als der entsprechende Wert für AA5754-O und ermöglicht daher eine Dicken- und folglich eine Gewichtsverringerung im Vergleich zu dem 5754-O-Material.
Im Gegensatz dazu zeigte die Legierung #16 ein wesentlich schlechteres Einknickverhalten. Obwohl die durchschnittliche Knickkraft 40 bis 67% höher war als die vorhergesagten AA5754-O-Werte wurden die Aluminiumbleche sehr ernsthaft gespalten und verloren ihre Gefügeunversertheit.
Folglich zeigen die Testergebnisse, dass die Legierung #15 gut ausgewogene Eigenschaften besitzt und ein gutes Verhalten beim axialen Zusammenbruch zeigt. Die Legierung #16 kann jedoch nicht für Komponenten empfohlen werden, die dem axialen Zusammenbruch unterliegen, da das Blechmaterial eine übermässige Bruchbildung und Aufspaltung zeigt.

BEISPIEL 3 - Recyclisierung

Berechnungen, die unter Verwendung des Gewichts der in den Ford AIV-Fahrzeugen (aluminiumintensive Fahrzeuge) verwendeten Aluminiummaterialien durchgeführt wurden, zeigen deutlich die Vorteile einer erfindungsgemässen Legierung zu der Zeit, wenn AIVs verschrottet werden und es beabsichtigt ist, die resultierende Mischung aus Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Blechen für neue AIVs zu verwenden.
Der Ford AIV weist eine auf Aluminiumblech basierende Karosserietragkonstruktion mit einem Gewicht von 145 kg (320 lb) und Aluminium-Abdeckbleche mit einem Gewicht von 53 kg (117 lb) auf. Wenn der tragende Karosserieaufbau ausschliesslich aus AA5754-Legierung und die Abdeckbleche aus AA6111-Legierung hergestellt sind, zeigt die unten angegebene Tabelle 10, dass beim Vermischen dieser Komponenten beim Zerkleinern und Aufschmelzen nur etwa 14,5 kg (32 lb) der Schrottmischung zur Herstellung des erforderlichen Gewichts an AA5754-Tragkonstruktionsblech für ein neues AIV verwendet werden können. In ähnlicher Weise könnten nur etwa 16,8 kg (37 lb) der Schrottlegierung zur Herstellung der erforderlichen 53 kg (117 lb) an Abdeckblech verwendet werden. Diese Zahlen lassen den Schluss zu, dass die nominalen Zusammensetzungen des neuen Materials praktisch keinen Kompromiss zulassen und dieses Szenario zeigt ferner, dass etwa 161,5 kg (356 lb) Neualuminium zum Erhalt der erforderlichen Mengen an Tragbauteil- und Abdeckmaterialien benötigt werden. Dies zeigt deutlich, dass es bei dieser Kombination von Legierungen angemessener wäre, die Materialien vor dem Wiederaufschmelzen zu sortieren und zu trennen.
Tabelle 10 zeigt ferner die Ergebnisse ähnlicher Berechnungen für eine auf der vorliegenden Erfindung basierende Tragbauteillegierung. Hier können etwa 103,5 kg (228 lb) des gemischten Schrotts zur Herstellung von neuem Tragbauteilblech der ursprünglichen Zusammensetzung verwendet werden, und 100% des neuen AA6111-Abdeckmaterialblechs kann aus der Mischschrottquelle entnommen werden. Daher wären nur 41 kg (91 lb) Neumetall zur Erzeugung von ausreichend Blech für ein neues AIV erforderlich. TABELLE 10
* Es sind einige weitere Legierungsbedingungen erforderlich, damit die benötigten Gewichte und die korrekten Zusammensetzungen erhalten werden.
In der Praxis ist es unwahrscheinlich, dass eine mehr als 71%-ige Rückgewinnung von verschrotteten Fahrzeugen erzielt werden kann; Aluminiumdosen, die seit über 20 Jahren auf dem Markt sind, haben beispielsweise diese Rückgewinnungsrate noch nicht erreicht. Da ferner die Lebenserwartung eines AIV mindestens 10 Jahre beträgt, ist nur ein sehr moderater Marktwachstum für AIVs von etwa 2,5% pro Jahr erforderlich, damit das gesamte recyclisierte Metall in neue Tragbauteil- und Abdeckplattenbleche zurückgeführt werden kann.

Claims

1. Verwendung einer gewalzten Aluminiumlegierung für tragende Bauteile eines Fahrzeugs, worin die Legierung in Gew.% folgendes enthält:

0,6 ≤ Mg ≤ 0,9

0,25 ≤ Si ≤ 0,6

0,25 ≤ Cu ≤ 0,9

Fe ≤ 0.4

Mn ≤ 0,4

Cr 0 bis 0,1

V 0 bis 0,1

Zn 0 bis 0,25

Ti 0 bis 0,10

Be 0 bis 0,05

Zr 0 bis 0,1

Rest Aluminium, mit Ausnahme von Verunreinigungen, und worin die Gesamtmenge an Cu, Si und Mg, in Atom- Gew.%, mehr als 1,2% und weniger als 1,8% beträgt.

2. Verwendung gemäss Anspruch 1, worin die Gesamtmenge an Cu, Si, und Mg zwischen 1,2 und 1,4 Atom-Gew.% beträgt.

3. Verwendung gemäss Anspruch 1, worin die Legierung im wesentlichen aus den folgenden Elementen in auf Gew.% bezogenen Mengen besteht:

Mg 0,75

Cu 0,40

Si 0,30

Fe 0,15

Al Rest.

4. Verwendung gemäss Anspruch 1, worin die Legierung unter solchen Bedingungen verarbeitet wurde, die eine Umformfestigkeit von 85 bis 125 MPa liefert, die nach der Formgebung, Kleberaushärtung und/oder Einbrennlackierung auf 150 MPa zunimmt.

5. Verwendung gemäss Anspruch 1, worin die Legierung einer Homogenisierung bei 470 bis 560ºC für mehr als 4 Stunden, Heisswalzen bei einer Temperatur im Bereich von 400 bis 580ºC, Kaltwalzen, Lösungsbehandlung bei einer Temperatur im Bereich von 470 bis 580ºC und natürlicher Alterung bei Umgebungstemperatur unterzogen wurde.

6. Verwendung gemäss Anspruch 5, worin die Gesamtmenge an Cu, Si und Mg zwischen 1,2 und 1,4 Atom-Gew.% liegt.

7. Verwendung gemäss Anspruch 5, worin die Legierung im wesentlichen aus den folgenden Elementen in auf Gew.% bezogenen Mengen besteht:

Mg 0,75

Cu 0,40

Si 0,30

Fe 0,15

Al Rest.

8. Verwendung gemäss Anspruch 5, worin die Legierung eine Umformfestigkeit von 100 bis 120 MPa aufweist, die nach der Formgebung, Kleberaushärtung und/oder Einbrennlackierung auf 150 MPa zunimmt.