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Dokumentenidentifikation DE60315232T2 20.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001411137
Titel Verfahren zur Herstellung eines stranggegossenen Aluminiumbleches
Anmelder General Motors Corp., Detroit, Mich., US
Erfinder Verma, Ravi, Shelby Township, MI 48316, US
Vertreter Manitz, Finsterwald & Partner GbR, 80336 München
DE-Aktenzeichen 60315232
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 14.10.2003
EP-Aktenzeichen 030230825
EP-Offenlegungsdatum 21.04.2004
EP date of grant 01.08.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse C22C 21/06(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse C22F 1/047(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]
TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft die thermomechanische Verarbeitung einer stranggegossenen Aluminiumlegierung zur Bildung eines Blechmaterials, das für Blechformoperationen mit hoher Dehnung geeignet ist. Genauer betrifft diese Erfindung eine spezifische Abfolge von Warmwalz-, Aufwickel-, Glüh- und Kaltwalzoperationen für eine Magnesium und Mangan enthaltende stranggegossene Aluminiumlegierung, um eine solches hochformbares Blechmaterial herzustellen.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Karosseriebleche für Kraftfahrzeuge werden aktuell unter Verwendung eines superplastischen (Hochdehnungs-) Formverfahrens hergestellt, das auf ein bestimmtes Magnesium enthaltendes Aluminiumlegierungsblechmaterial angewandt wird. Gegenwärtig ist das Blechmaterial eine speziell vorbereitete Aluminiumlegierung 5083 mit feinkörniger Mikrostruktur. AA5083 hat eine Nennzusammensetzung bezogen auf das Gewicht von etwa 4 bis 5 Prozent Magnesium, 0,4 bis 1 Prozent Mangan, maximal 0,25 Prozent Chrom, bis zu etwa 0,1 Prozent Kupfer, bis zu etwa 0,4 Prozent Eisen, bis zu etwa 0,4 Silicium, und der Rest im Wesentlichen ganz Aluminium. Allgemein wird die Legierung zu einem großen Gussblock mit einer Dicke von etwa 70 Millimeter kokillengegossen und einer langen homogenisierenden Wärmebehandlung unterzogen. Die Bramme wird dann durch eine Reihe von Warmwalzoperationen allmählich in der Dicke zu einem Band im Bereich von vier bis acht Millimeter reduziert, was etwas von dem Ziel für die endgültige Dicke des Blechs abhängt, und aufgewickelt. Das aufgewickelte Band wird dann stark kaltgewalzt, gewöhnlich in Stufen mit möglicherweise eingeschobenen Glühungen, und zwar auf eine endgültige Blechdicke im Bereich von etwa eins bis drei oder vier Millimeter.

Das Ergebnis der thermomechanischen Verarbeitung ist ein Coil aus einem Aluminiumblechmaterial mit glatter Oberfläche, dessen Mikrostruktur stark belastet worden ist. Das Blechmaterial wird erwärmt, um es zu einer entspannten feinkörnigen Mikrostruktur zu rekristallisieren (Körner von weniger als etwa zehn Mikrometer), und auf eine geeignete Formtemperatur, z.B. 450 C bis 500 C. In diesem Zustand kann ein Blechrohling zu einem Gegenstand komplexer Gestalt mit Bereichen hohen biaxialen Streckens streckgeformt werden.

Während dieses speziell verarbeitete Material vom Typ AA 5083 sehr nützlich zur Herstellung von Gegenständen wie Kraftfahrzeugkarosserieplatten ist, ist es viel kostspieliger als das schwerere Kohlenstoffstahlblech, das lange bei den gleichen Anwendungen verwendet worden ist. Es besteht ein Bedarf an einem weniger kostspieligen Aluminiumlegierungsblechmaterial, das Formverfahren mit hoher Dehnung wie dem superplastischen Formen SPF, einem Verfahren mit niedriger Dehnungsgeschwindigkeit und relativ hoher Temperatur unterzogen werden kann. Ebenso besteht ein Bedarf an einem solchen Aluminiumblechmaterial bei dem später entwickelten schnellen plastischen Formverfahren QPF, wie es in der US-Patentschrift 6,253,588 (Rashid et al.) mit dem Titel Quick Plastic Forming of Aluminium Alloy Sheet Metal offenbart ist. QPF ist ein Blechformverfahren mit hoher Dehnung ähnlich wie SPF. QPF beinhaltet jedoch gewöhnlich etwas niedrigere Formtemperaturen, höhere Dehnungsgeschwindigkeiten und unterschiedliche physikalische metallurgische Formverfahren als SPF. Andere Formverfahren, die eine wesentliche Dehnung des Aluminiumlegierungsblechmaterials beinhalten, z.B. Warmprägen und Warmhydroformen würden auch von der Verfügbarkeit von relativ preisgünstigem, hoch formbarem Aluminiumlegierungsblechmaterial profitieren.

Die US 5,469,912 A offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Aluminiumlegierungsblechs, welches umfasst, dass eine Aluminiumlegierungsschmelze gebildet wird, die Aluminiumlegierung in einer Blockgießmaschine gegossen wird, um ein gegossenes Band zu bilden, das gegossene Band warmgewalzt wird, um seine Dicke zu verringern, und das Band geglüht wird. Nach dem Abkühlen des Bandes auf Umgebungstemperatur wird es zwei Mal kaltgewalzt, um die Dicke weiter zu verringern, während das Band wieder zwischen den Kaltwalzschritten geglüht wird.

Eine Aufgabe dieser Erfindung liegt darin, ein Verfahren zur kostengünstigeren Herstellung von hoch verformbarem, Magnesium und Mangan enthaltendem Aluminiumlegierungsblechmaterial vorzusehen. Genauer liegt eine Aufgabe dieser Erfindung darin, ein thermomechanisches Verfahren zum Umwandeln einer stranggegossenen Aluminiumlegierung in ein solches relativ preisgünstiges Blechmaterial mit hoher Dehnung vorzusehen.

Diese Aufgabe ist durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die Praxis dieser Erfindung wird auf Aluminiumlegierungen angewandt, die im Wesentlichen bezogen auf das Gewicht aus 3,5 bis 5,5 % Magnesium, 0,4 bis 1,6 % Mangan, 0 bis 0,5 % Chrom und dem Rest im Wesentlichen ganz Aluminium bestehen. Die Legierung hat typische Niveaus von Verunreinigungsmaterialien wie Eisen und Silicium. Bevorzugt enthalten die Legierungen bezogen auf das Gewicht 4,5 bis 5 % Magnesium und 0,5 bis 1 % Mangan.

Ein geschmolzene Legierung einer solchen Zusammensetzung wird in einer Stranggießmaschine auf eine Stärke im gegossenen Zustand von etwa 6 bis 30 Millimeter gegossen. Es gibt viele verschiedene kommerziell erhältliche Stranggießmaschinen für Aluminiumlegierungen. Sie umfassen Doppelbandgießmaschinen, Doppelwalzengießmaschinen und Blockgießmaschinen. Die schnellen Abkühlungsraten, die dem Stranggießen innewohnen, gewährleisten, dass die meisten Beimengungselemente wie Mangan, Chrom und andere in übersättigter fester Lösung bleiben. Die warme Gussbramme wird sofort durch ein 1-3-Ständer-Tandem-Warmwalzwerk geführt, um ihre Dicke zu verringern und die dendritische Mikrostruktur im gegossenen Zustand aufzubrechen. Die Walztemperaturen und die Verringerungsniveaus in dem Warmwalzwerk werden derart verwaltet, dass die Endtemperatur des warmgewalzten Bandes beim Austritt zwischen 200 G und 350 C, bevorzugt zwischen 230 C und 330 C liegt. Dieser Temperaturbereich gewährleistet die Beibehaltung einer gewissen Arbeitsspannung in dem Metall. Die Nettostärkenverringerung von der Gussbramme zu dem gewalzten Band liegt im Bereich von 30 bis 80 %, und die Dicke des warmgewalzten Bandes liegt zwischen drei und zehn Millimeter oder so, die maximale Dicke, die effektiv aufgewickelt werden kann. Bevorzugt wird das Band gewickelt, wenn es aus dem letzten Walzgerüst hervorgeht.

Das aufgewickelte warmgewalzte Band wird bei 470 bis 560 C für drei bis fünfundzwanzig Stunden geglüht. Typischerweise kann der Glühschritt bei 500 C bis 550 C für fünf bis fünfzehn Stunden durchgeführt werden, um die Mikrostruktur des gegossenen und warmgewalzten Bandes zu homogenisieren und die Ausfällung von Beimengungselementen Mangan, Chrom und Spurenelementen in Form von kleinen verteilten intermetallischen Partikeln aus der festen Aluminiumlösung zu fördern. Diese Partikel dienen einer nützlichen Funktion bei der Endverarbeitung des Blechmaterials. Die Homogenisierung wird natürlich schneller bei den höheren Temperaturen abgeschlossen. Nach dem Glühen wird der Coil zum Kaltwalzen auf Umgebungstemperatur abgekühlt.

Der Coil wird einem oder mehreren Durchgängen durch ein Kaltwalzgerüst unterzogen, um eine kalte Verringerung der Dicke des Bandes um wenigstens fünfzig Prozent und bevorzugt fünfzig bis neunzig Prozent zu bewirken. Das kaltgewalzte Material wird zwischen Walzstufen nicht geglüht, wenn mehr als eine Stufe verwendet wird. Das Produkt des Kaltwalzens ist ein grob bearbeitetes kaltgewalztes Blech mit der gewünschten Dicke für ein Verfahren zum Formen eines Blechs mit hoher Dehnung. Das Blech wird typischerweise eine Dicke von etwa 1 bis 3 mm zum Warmstreckformen zu einer Kraftfahrzeugplatte oder ähnlichem haben. Die Oberfläche des kaltgewalzten Materials ist gewöhnlich für ein kommerziell akzeptables visuelles Aussehen in geformten Gegenständen glatt und frei von Defekten. Das Blech wird gewöhnlich aufgewickelt, wenn es das Kaltwalzwerk verläßt.

Das kaltgewalzte Blech ist hart und als solches ungeeignet für eine Formung mit hoher Dehnung wie SPF oder QPF. Das Material muss erwärmt werden, um die stark bearbeitete Mikrostruktur zu einer weichen, sehr feinkörnigen Mikrostruktur zu rekristallisieren. Die stark gespannte Mikrostruktur liefert eine günstige thermodynamische Antriebskraft zur Rekristallisation, besonders wenn das Material auf eine geeignete Glühtemperatur erwärmt wird. Die während des Glühens des warmgewalzten Coils gebildeten intermetallischen Partikel sehen Keimbildungsorte für neue Körner während eines Rekristallisationsglühschritts vor. Eine geeignete Rekristallisation tritt innerhalb einiger Minuten auf, wenn der warmgewalzte Coil auf 325 C bis 525 C erwärmt wird. Der Rekristallisationsschritt kann an dem vollen Coil oder an zum Erwärmen auf eine geeignete Formtemperatur vor einer SPF- oder QPF-Operation aus dem Coil entnommenen Blechrohlingen durchgeführt werden. Das rekristallisierte Produkt hat eine Mikrostruktur mit einer Korngröße von etwa fünf bis zehn Mikrometer. Die Körner sind hauptsächlich eine feste Lösung von Magnesium in Aluminium mit kleineren verteilten intermetallischen Partikeln, wie dies oben beschrieben wurde.

Das Blechprodukt dieses Verfahrens hat Formeigenschaften, die mit dem Blechprodukt vergleichbar sind, das aus der herkömmlichen Direktstranggussmöllerlegierung (DC) mit ähnlicher Zusammensetzung hergestellt wird, und ist kostengünstiger herzustellen. Es ist nützlich bei Formverfahren, bei welchen erwartet wird, dass Abschnitte des Blechs Bereiche relativ starker biaxialer Streckung erfahren. Andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus einer folgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform deutlich.

BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Eine Schmelze aus einer Nennzusammensetzung bezogen auf das Gewicht von 4,7 % Magnesium, 0,8 % Mangan, 0,25 % Chrom, typischen Verunreinigungsmengen von Eisen und Silicium und dem Rest Aluminium wird hergestellt. Diese Schmelze wird bei einer Temperatur von etwa 700 C in einer Doppelbandstranggießmaschine verwendet, um eine lange, 20 mm dicke Bramme aus der Legierung herzustellen.

Die warme Gussbramme wird sofort durch ein 3-Ständer-Tandemwarmwalzwerk warmgewalzt, um die Dicke der stranggegossenen Bramme zu verringern und die dendritischen Körner im gegossenen Zustand in gleichachsigere Körner umzuformen. Das warmgewalzte Band tritt aus der letzten Walze mit einer Temperatur von etwa 300 C und einer Dicke von 7 mm aus. Das warmgewalzte Band erfährt eine Dickenverringerung von etwa 65 % bezüglich der Dicke der gegossenen Bramme. Natürlich wächst das Band in der Länge und auch etwas in der Breite. Das kontinuierlich hergestellte warme Band wird aufgewickelt, wenn es aus dem Walzwerk austritt. Der Coil wird zu einem Glühofen transportiert und bei 560 C für fünf Stunden homogenisiert. Man läßt den geglühten Coil auf Umgebungstemperatur abkühlen.

Wenn eine Kaltwalzausrüstung verfügbar ist, wird der warmgewalzte Coil abgewickelt und z.B. in drei Durchgängen kaltgewalzt, um eine 80%ige Dickenverringerung auf eine Stärke von etwa 1,5 mm Blechmaterial zu erhalten.

Das Blechmaterial wurde bei 500 C für 10 Minuten geglüht, um die grob bearbeitete kaltgewalzte Mikrostruktur zu rekristallisieren. Dann wurde eine Zugprobe aus dem geglühten 1,5 mm dicken Blechmaterial geschnitten und unter superplastischen Formbedingungen für diese Legierung getestet. Mit anderen Worten, die Zugprobe wurde auf eine Temperatur von 500 C erwärmt und einer Zugdehnungsgeschwindigkeit von 10–3 s–1 unterworfen, was eine durchschnittliche Dehnung von 350 % plus oder minus 10 % ergab. Dieser Dehnungswert ist vergleichbar mit einer ähnlichen Blechzusammensetzung, die durch das herkömmliche Direktkokillenmöllergussverfahren hergestellt wird, bei welchem ein relativ dicker Gussblock (etwa 700 mm) gegossen und geglüht und aufwändig warmbearbeitet und dann kaltgewalzt, um ein relativ teures Blechmaterial herzustellen.

Die vorliegende Erfindungspraxis von kontrollierter Warmwalztemperatur, Aufwickeln, Glühen und nachfolgendem Kaltwalzen hat einen synergistischen Effekt auf die Blecharbeitshärtung. Diese Kombination erzeugt ein härteres Blechmaterial als andere Verarbeitungsabfolgen. Die erhöhte Blechhärte hat ein erhöhtes thermodynamisches Potenzial zur Erhöhung der Kernraffination bei der Rekristallisation. Es wird also ein Blech mit feiner Korngröße hergestellt, nachdem das kaltbearbeitete Material auf Rekristallisation erwärmt wird. Man hat herausgefunden, dass das vorliegende Aluminiumlegierungsblech mit feinerer Korngröße bessere mechanische Eigenschaften und bessere Formbarkeit für Hochdehnungsformoperationen wie superplastisches Formen und schnelles plastisches Formen und ähnliches hat.

Die beim Stranggießen erhaltenen schnellen Abkühlungsgeschwindigkeiten gewährleisten, dass die meisten der ursprünglichen Beimengungslegierungsmittel wie Mangan und Chrom und andere in einem übersättigten Festlösungszustand bleiben. Die Glühbehandlung des aufgewickelten warmgewalzten Materials fällt Beimengungselemente wie Mangan und Chrom und andere in Form von intermetallischen Partikeln aus. Bevorzugt sind diese Partikel ziemlich klein, z.B. ein bis fünf Mikrometer in größter Abmessung. Diese Partikel haben eine kleine Größe und Verteilung, so dass sie als Orte zur Kristallisationskernbildung für neue Körner während des Rekristallisationsschritts wirken.

Nach der Verwendung der vorliegenden Erfindung ist erforderlich, dass das kaltgewalzte Blechmaterial, das grob bearbeitet worden ist, rekristallisiert wird, um es in eine feinkörnige metallurgische Mikrostruktur zum Hochdehnungsformen zu bringen. Diese Wärmebehandlung zur Rekristallisation kann z.B. bei 325 C bis 525 C an einem Coil des kaltgewalzten Materials vor seiner Lieferung zu der Herstellungsoperation durchgeführt werden, welche das Hochdehnungsblechmaterial verwenden soll. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das kaltgewalzte Material zu einem Benutzer verfrachtet werden, und Rohlinge können aus dem Coil geschnitten werden. Diese Rohlinge müssen auf eine Formtemperatur erwärmt werden, bei welcher ihre hohe Dehnung verwendet wird, z.B. 470 C. Dieser Erwärmungsschritt erreicht typischerweise die gewünschte Rekristallisation, wenn das Blechmaterial auf seine geeignete Formtemperatur erwärmt wird.

Während die Erfindung bezüglich einer spezifischen Ausführungsform beschrieben worden ist, ist der Umfang der Erfindung nicht auf dieses veranschaulichende Beispiel begrenzt.


Anspruch[de]
Verfahren zum Herstellen von Blechmaterial aus Magnesium und Mangan enthaltender Aluminiumlegierung zur Blechformung, wobei das Verfahren umfasst, dass:

eine Zusammensetzung stranggegossen wird, die im Wesentlichen bezogen auf das Gewicht 3,5 bis 5,5 % Magnesium, 0,4 bis 1,6 % Mangan, 0 bis 0,5 % Chrom und Aluminium besteht, um eine Gussbramme zu bilden, die eine Stärke im gegossenen Zustand von etwa sechs bis dreißig Millimeter aufweist;

die Gussbramme durch zumindest ein Warmwalzgerüst warmgewalzt wird, um ein warm gewalztes Band zu bilden, das aus dem Walzen bei einer Temperatur im Bereich von 200 C bis 350 C hervorgeht und eine Dickenverringerung gegenüber der Gussbramme von 30–80 % erfahren hat, mit einer Dicke des gewalzten Bandes von etwa drei bis zehn Millimeter;

das warmgewalzte Band sofort aufgewickelt wird;

das aufgewickelte Band bei 470–560 C für drei bis fünfundzwanzig Stunden geglüht wird, um eine Mikrostruktur mit verteilten intermetallischen Partikeln zu erzeugen; und

das geglühte Band durch zumindest eine Kaltwalzstufe kaltgewalzt wird, ohne Zwischenglühen, um eine Verringerung der Dicke des warmgewalzten Bandes von zumindest 50 % zu bewirken und um das Blechmaterial zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zusammensetzung 4,5 bis 5 % Magnesium enthält. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Zusammensetzung 0,5 bis 1 % Mangan enthält. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das warmgewalzte Band aus dem Walzen bei einer Temperatur im Bereich von 230–330 C hervorgeht. Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst, dass das aufgewickelte Band bei 500–550 C für fünf bis fünfzehn Stunden geglüht wird. Verfahren nach Anspruch 1, das umfasst, das das geglühte Band kaltgewalzt wird, um eine Verringerung der Dicke des warmgewalzten Bandes von 50–90 % zu bewirken und um das Blechmaterial mit einer Dicke von weniger als vier Millimeter zu bilden. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass das kaltgewalzte Blechmaterial erwärmt wird, um es zu einer Mikrostruktur zu rekristallisieren, die sich durch Körner von nicht größer als etwa zehn Mikrometer auszeichnet. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das rekristallisierte Blechmaterial eine Dehnung von zumindest 300 % im Zugversuch bei 500 C und eine Dehnungsgeschwindigkeit von 10–3 s–1 aufweist. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der warmgewalzte Streifen aus dem Walzen bei einer Temperatur im Bereich von 230 C bis 330 C hervorgeht, und wobei das aufgewickelte Band bei 500–550 C für fünf bis fünfzehn Stunden geglüht wird, um eine Mikrostruktur mit verteilten intermetallischen Partikeln zu erzeugen. Verfahren nach Anspruch 9, das ferner umfasst, dass das kaltgewalzte Blechmaterial erwärmt wird, um es zu einer Mikrostruktur zu rekristallisieren, die sich durch Körner von nicht größer als etwa zehn Mikrometer auszeichnet. Verfahren nach Anspruch 10, wobei das rekristallisierte Blechmaterial eine Dehnung von zumindest 300 % im Zugversuch bei 500 C und eine Dehnungsgeschwindigkeit von 10–3 s–1 aufweist.






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