DE19915237A1 - Deformationselement aus einem duktilen metallischen Leichtwerkstoff und dessen Verwendung - Google Patents
Deformationselement aus einem duktilen metallischen Leichtwerkstoff und dessen VerwendungInfo
- Publication number
- DE19915237A1 DE19915237A1 DE1999115237 DE19915237A DE19915237A1 DE 19915237 A1 DE19915237 A1 DE 19915237A1 DE 1999115237 DE1999115237 DE 1999115237 DE 19915237 A DE19915237 A DE 19915237A DE 19915237 A1 DE19915237 A1 DE 19915237A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- deformation
- deformation element
- element according
- lithium
- magnesium
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Withdrawn
Links
Classifications
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
- F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
- F16F7/12—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Forging (AREA)
- Vibration Dampers (AREA)
- Extrusion Of Metal (AREA)
Abstract
Die Erfindung betrifft Deformationselemente aus einem metallischen Werkstoff mit einer Dichte von nicht mehr als 2,5 g/cm·3· sowie von hoher Duktilität und Energieaufnahme, die im wesentlichen aus einem Leichtwerkstoff bestehen, dessen Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben bei Raumtemperatur mindestens 33 J beträgt. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weierhin Deformationselemente aus einem metallischen Werkstoff von hoher Duktilität und Energieaufnahme, bei denen der Werkstoff bei einer Messung der Energieaufnahme im quasistatischen Deformationsversuch oder/und dynamischen Crashversuch bei Raumtemperatur an zylindrischen Rohren von 100 mm Außendurchmesser und 2 mm Wandstärke bei einem Deformationsweg von 200 mm eine spezifische Deformationsarbeit von mindestens 5000 Nm/kg oder/und eine Deformationsarbeit von mindestens 3000 NM aufnimmt. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner ein Deformationselement aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung. Die Erfindung betrifft schließlich einen Verbund aus Tragelementen und Deformationselementen.
Description
Die Erfindung betrifft Deformationselemente aus duktilen metallischen
Leichtwerkstoffen, insbesondere aus Magnesiumlegierungen, und deren Verwendung.
Deformationselemente werden heute in Fahrzeugen aus Legierungen auf Basis
Aluminium oder Stahl in Fahrzeugen eingesetzt, um z. B. als Pralldämpfer die
zerstörerischen Kräfte eines Aufpralls oder Unfalls zu mildern, die Zerstörung des
Fahrzeugs zu verringern und die Insassen zu schützen. Ein solcher Pralldämpfer wird in
EP-A-0 486 058 beschrieben. Deformationselemente können grundsätzlich auch in der
Bahntechnik und in Geräten und Anlagen eingesetzt werden, insbesondere zum Schutz
dieser in öfter oder im Gefahrenfall besonders belasteten Bereichen. Hierbei kommt es
im Halbzeug bzw. Bauteil überwiegend zu Stoß-, seltener im ganzen Element zu Zug-
oder zu Druck- und Zugbelastungen. Die Belastungen sollen so weit als möglich von den
Deformationselementen aufgefangen und möglichst wenig an angrenzende Elemente
weitergeleitet werden. Sie können spontan, schnell oder langsam, kontinuierlich,
dynamisch, wiederholt oder einmalig eintreten. Die Belastungen sind meistens
mehrachsig.
Metallische Leichtwerkstoffe werden zukünftig für den Leichtbau von Kraftfahrzeugen
und Flugzeugen immer mehr eingesetzt werden, um das Gewicht von zusätzlichen
Elementen aufgrund steigender Komfort- und Sicherheitsstandards - insbesondere bei
neuen schadstoffärmeren Automobilen - ausgleichen zu können. Sie sind auch für
transportable oder aus anderem Grund besonders leicht gebaute Geräte und Anlagen
von Interesse. Der Leichtbau ermöglicht dabei in besonderem Maße die Konstruktion
von energiesparenden Fahr- und Flugzeugen wie z. B. des 3-Liter-Kraftfahrzeugs.
Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer sehr geringen Dichte etwa im Bereich von
1,2 bis 1,9 g/cm3, vereinzelt auch hinab bis zu etwa 0,9 g/cm3, als metallische
Konstruktionsmaterialien von hohem Interesse, vor allem für den Fahrzeug- und
Flugzeugbau. Unter den Herstellungsverfahren kommt beim Urformen dem Druckgießen
und beim Umformen dem Strangpressen, Pressen, Schmieden und Walzen zukünftig
eine stark wachsende Bedeutung zu, da mit diesen Verfahren Leichtbauelemente
herstellbar sind wie z. B. Crashelemente, Pralldämpfer, Prallschilde und Prallträger bzw.
entsprechende Bauteile für Flugzeuge.
Die Kaltverformbarkeit der kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen ist
aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur und der damit zusammenhängenden geringen
Duktilität begrenzt. Polykristallines Magnesium sowie die meisten
Magnesiumlegierungen verhalten sich bei Raumtemperatur spröde. Für etliche
Anwendungen bzw. für bestimmte Herstellverfahren von Halbzeugen aus
Magnesiumlegierungen ist neben guten mechanischen Eigenschaften wie hoher
Zugfestigkeit ein duktiles Verhalten notwendig. Ein verbessertes Umform-,
Energieaufnahme- und Deformationsverhalten bedingt eine höhere Duktilität und ggf.
auch eine höhere Festigkeit und Zähigkeit. Hierfür sind Magnesiumlegierungen mit
diesen Eigenschaften zu entwickeln bzw. deren Herstellverfahren weiterzuentwickeln,
weil viele Werkstoffvarianten mit dem Herstellzustand stark variierende
Werkstoffeigenschaften aufweisen.
Als Duktilität wird das Vermögen eines Werkstoffes zu bleibender Formänderung
bezeichnet, das beim einachsigen Zustand nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm
im Idealfall völlig ohne elastischen Anteil ist. Dieses Vermögen wird durch den Eintritt
des Bruches begrenzt. Im allgemeinen gilt die im Zugversuch bis zum Bruch erreichte
bleibende Dehnung als Duktilität. Als Maß für die Duktilität können ferner auch die
Schlagarbeit und Kerbschlagarbeit mit jeweils etwas anderer Aussage angesehen
werden. Diese Eigenschaften lassen sich gemäß EN 10 002, Teil 1, bzw. gemäß DIN
50115 und 50116 ermitteln. Die Bruchdehnung A = Aplast kennzeichnet die
Formänderung mit ihrem plastischen Anteil bei einer weitgehend einachsigen Belastung,
zusätzlich kann entsprechend dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der elastische
Anteil der Dehnung Aelast sowie die Summe des elastischen und plastischen Anteils D =
ΣA = Aelast + Aplast ermittelt werden. Ein hochplastischer Werkstoff wird als duktil
bezeichnet.
Die Elastizität bezeichnet den elastischen Anteil des Spannungs-Dehnungs-Diagrammes
entsprechend dem Hook'schen Gesetz, wo bei idealen linear-elastischen Verhältnissen
noch keine bleibende Formänderung auftritt.
Weiterhin kann das Streckgrenzen-Verhältnis V als Verhältnis der Fließspannung F =
RP02 zur Zugspannung Z = Rm angegeben werden. Somit ergeben sich zwei die
Elastizität, zwei die Plastizität sowie zwei deren Verhältnis zueinander kennzeichnende
Werte für die weitgehend einachsige Belastung. Hierbei ergibt das Verhältnis des
elastischen mit dem plastischen Anteil der Dehnung die beste Annäherung an die
Realität.
Eine Möglichkeit der Bestimmung der Energieaufnahme bei mehrachsiger Belastung
ohne Trennung der elastischen und plastischen Anteile ist ein Crashversuch z. B. an
rohrförmigen Profilen. Die Formänderung z. B. eines zylindrischen Rohres, die
Ausbildung von Faltenbeulen oder Rissen, die Aufsplittung des belasteten Rohrendes in
mehrere spanartige Verformungen und die Verkürzung oder Verbiegung kennzeichnen
die Art und den Grad der Energieaufnahme. Die Schlagarbeit und die Kerbschlagarbeit
können einen Hinweis auf die Energieaufnahme und Verformbarkeit geben, letztere bei
mehrachsiger Belastung. Ein Schluß von einachsigen auf mehrachsige Eigenschaften
bzw. Verhältnisse ist jedoch nur teilweise möglich.
Die Schlagarbeit ist vor allem ein Maß für die Energieaufnahme eines Halbzeuges und
für plastisches Verhalten, also für die Verformbarkeit und Verformungsgeschwindigkeit.
Eine hohe Schlagarbeit ist daher wesentlich für den Einsatz von Deformationselementen
wie z. B. Crashelementen, Pralldämpfern, Prallschilden und Prallträgern. Die
Schlagarbeit - gemessen an ungekerbten Proben - ist u. a. aufgrund höherer
Absolutwerte für Magnesiumlegierungen aussagekräftiger als die Kerbschlagarbeit und
betrifft eine weitgehend einachsige Belastung. Die Kerbschlagarbeit, die immer an
gekerbten Proben bestimmt wird, kennzeichnet auch die Fehleranfälligkeit eines
Werkstoffes bei dreiachsiger Belastung. Ihre Aussagekraft ist insbesondere dann
geringer, wenn die Ausführung der Kerbe die Werte der Kerbschlagarbeit wesentlich
beeinflußt. Die Schlagarbeit und die Kerbschlagarbeit werden bei dynamischer
Belastung gemessen und können einen Hinweis auf die Energieaufnahme und
Verformbarkeit geben. Zug- und Druckversuche erfolgen im Vergleich hierzu unter
quasistatischen Belastungen. Ein Schluß von einachsigen auf mehrachsige
Eigenschaften bzw. Verhältnisse ist nur teilweise möglich.
Die im folgenden aufgeführten Werte gemessen an Proben in einem bestimmten
Herstellungszustand geben daher die aktuellen Werkstoffeigenschaften wieder. Sie
gewähren einen Hinweis auf das Umformverhalten, das vorher beim Umformen
aufgetreten war. Es ist in diesem Zustand ein Schluß auf die Eigenschaften und das
Verhalten eines Halbzeuges oder sogar eines Bauteiles mit diesem ggf. weiter
veredelten Halbzeug im späteren Einsatz gut möglich. Weiterhin ist ein Schluß von den
Werkstoffeigenschaften umgeformter Legierungen möglich, die z. B. durch Biegen,
Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder
Walzprofilieren zu weiterverarbeiteten Halbzeugen geformt werden sollen. Da die
Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum stranggepreßten
Zustand ähnlich der Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum
geschmiedeten, gewalzten oder einem ähnlichen umgeformten Zustand ist, ist daher
auch ein Schluß auf einen anderen Umformzustand möglich.
Für den Einsatz von Leichtbauelementen wird üblicherweise auf die elastischen
Eigenschaften (Steifigkeit) abgehoben, soweit es nicht wie z. B. bei einem Unfall auf die
Verformungseigenschaften und damit auf die Energieaufnahme des Elementes und auf
das plastische Verhalten ankommt. Daher spielen bezüglich der u. U. mehrfachen
Umformung insbesondere die plastischen und für den Einsatz die plastischen oder/und
elastischen Eigenschaften eine Rolle. Diese Eigenschaften sind für den Einsatz in der
Regel auf die jeweilige Umgebungstemperatur, also im Extremfall im Bereich von -40°C
bis +90°C, an einzelnen Stellen im Fahr- oder Flugzeug jedoch auf die örtlich noch
tieferen oder höheren Temperaturen abzustellen. Der Belastungszustand ist jedoch
meistens mehrachsig. Der Schluß von einachsigen auf mehrachsige
Belastungszustände ist umso eher möglich, je mehr ein eher isotropes Gefüge vorliegt.
Für die Herstellung derartiger Automobilelemente bietet sich insbesondere die
Herstellung durch Druckgießen bzw. Strangpressen, Schmieden oder/und Walzen an.
Voraussetzung für den Einsatz von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen bzw. von
daraus oder damit hergestellten Bauteilen im Automobil kann die Erfüllung bestimmter
Eigenschaftsprofile je nach Anwendung sein wie z. B. bei Deformationselementen eine
Zugfestigkeit des Leichtwerkstoffs von mindestens 100 MPa, vorzugsweise von
mindestens 130 MPa, zusammen mit einer Bruchdehnung gemessen bei
Raumtemperatur von mindestens 15%, vorzugsweise von mindestens 18%. Je höher
die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und weitere Eigenschaften, die auf hohe Duktilität und
Energieaufnahme hinweisen, sind, umso geeigneter sind diese Halbzeuge bzw. Bauteile
in der Regel für den Einsatz. Ferner sind höhere Festigkeitswerte und eine höhere
Duktilität auch eine Erleichterung und teilweise auch Voraussetzung für die Umformung
gegossener Rohlinge bzw. für die weitere Umformung bereits umgeformter Rohlinge
oder Halbzeuge. Je höher diese Eigenschaften im gegossenen bzw.
pulverkompaktierten Zustand sind, desto höher sind diese üblicherweise auch im
umgeformten Zustand. Eine höhere Duktilität kann das Umformen bzw. das erneute
Umformen, insbesondere das Strangpressen, erleichtern. Daher ist eine Bruchdehnung
von mindestens 10% auch für die nachfolgenden Herstellungsschritte zu Elementen aus
Magnesiumlegierungen hilfreich. Daher wird aus mehreren Gründen eine Zugfestigkeit
von mindestens 150 MPa gemessen bei Raumtemperatur, vorzugsweise von
mindestens 180 MPa, zusammen mit einer Bruchdehnung von mindestens 18%,
vorzugsweise von mindestens 20%, besonders bevorzugt von mindestens 25%,
empfohlen. Üblicherweise beträgt die Bruchdehnung bei den kommerziell
gebräuchlichen Magnesiumlegierungen gemessen bei Raumtemperatur weniger als 12
%.
Die Dichte der gebräuchlichen Aluminiumlegierungen, insbesondere der
Knetlegierungen, liegt bei 2,64 bis 3,44 g/cm3 und ist damit für metallische
Leichtwerkstoffe nicht ganz gering. Die Dichte der weiteren gebräuchlichen
Leichtwerkstoffe wie z. B. Titanlegierungen ist noch höher, wenn von
Magnesiumlegierungen abgesehen wird.
Es ergeben sich grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Duktilität
und somit der Bruchdehnung bei Magnesiumlegierungen und verwandten
Leichtwerkstoffen:
- 1. Eine recht begrenzte Möglichkeit dieser Steigerung ergibt sich durch Optimierung des Herstellungsprozesses in Verbindung mit Wärmebehandlungsverfahren oder/und über optimierte Herstellparameter z. B. beim Strangpressen. Wichtig ist jedoch beim Umformen z. B. durch Strangpressen, daß die möglicherweise auftretende dynamische Rekristallisation nicht zur Grobkornbildung führt. Denn die Energieaufnahme und die mechanischen Eigenschaften einer Legierung sollten in der Regel umso größer sein, je kleiner die mittlere Korngröße ist. Ziel einer Legierungsentwicklung kann dabei eine Modifikation des Gefügeaufbaus durch Einformen von temperaturstabilen Ausscheidungen oder/und eine Stabilisierung des Gefüges durch Beeinflussung des Kornwachstums sein, um möglichst feines Korn und eine möglichst geringe Porosität zu erzeugen.
- 2. Beim Übergang der Kristallstruktur der Mg-Hauptphase von der hexagonal dichtesten Kugelpackung auf die kubisch raumzentrierte Kristallstruktur z. B. aufgrund einer höheren Zugabe eines Dotierungselementes wie z. B. mindestens 10,8 Gew.-% Li, um ohne weitere Dotierungselemente einen homogenen β-Lithium-Magnesium- Mischkristall zu erzeugen, tritt eine verbesserte Bruchdehnung und eine bessere Umformbarkeit bei Raumtemperatur aufgrund einer erhöhten Anzahl von Gleitsystemen auf. Allerdings können sich dabei Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verschlechtern.
- 3. Da Korngrenzen und andere Gefügeinhomogenitäten bzw. Gefügefehler wie z. B. Einschlüsse, Poren, grobe Ausscheidungen, Oxidschlieren und Seigerungen bei der Bewegung von Versetzungen als Barrieren wirken, kann eine Verfeinerung des Gefüges, eine Verkleinerung von Gefügeinhomogenitäten/-fehlern bzw. eine Vermeidung bestimmter Gefügeinhomogenitäten/fehler zu einer Steigerung der Festigkeit, der Bruchdehnung und der Energieaufnahme führen. Die Zusammenhänge sind jedoch im Einzelfall sehr komplex. Die Kornfeinung ist ein wichtiges Hilfsmittel, um weitere Verformungssysteme zu aktivieren, die ein Korngrenzengleiten und neue Fließprozesse bei Raumtemperatur erlauben und somit die Duktilität verbessern. Dies kann durch die Zugabe kornfeinender Zusätze oder/und durch heterogene Keimbildung beim Erstarren von Gußwerkstoffen aus Legierungen mit bestimmten Zusätzen erfolgen.
Selbst die handelsüblichen Mg-Gußlegierungen bzw. Mg-Knetlegierungen sind im
gegossenen und ggf. danach umgeformten, insbesondere stranggepreßten, gepreßten,
gewalzten oder/und geschmiedeten und ggf. danach wärmebehandelten Zustand
üblicherweise bisher von relativ geringer Duktilität und geringem
Energieaufnahmevermögen. Für die preiswerte Herstellung von Halbzeugen,
insbesondere für Fahrzeuge und Flugzeuge, besteht Bedarf an geeigneten Legierungen
und einfachen Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen mit etwas erhöhter
Festigkeit und stark erhöhter Duktilität.
Da das Interesse an Mg-Knetlegierungen erst in den letzten Jahren etwas größer
geworden ist, steht bisher nur eine begrenzte Anzahl an Legierungen für den
großtechnischen Einsatz zur Verfügung. Das sind Legierungen auf Basis Mg-Al-Zn wie
z. B. AZ31, AZ61 und AZ80, auf Basis Mg-Zn-Zr wie z. B. ZK40 und ZK60 oder auf Basis
Mg-Mn wie z. B. M1.
Haferkamp, Bach, Bohling & Juchmann (Proc. 3rd Int. Magnesium Conf. Manchester
April 10-12, 1996, The Institute of Materials, London 1997, ed.: G. W. Lorimer) bzw.
Haferkamp, Bach & Juchmann ("Stand und Entwicklungstendenzen dichtereduzierter
Magnesium-Werkstoffe", Vortrag bei der Fortbildungsveranstaltung "Magnesium -
Eigenschaften, Anwendungen, Potentiale" der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde
Clausthal-Zellerfeld 1997) beschreiben Lithium-haltige Magnesiumlegierungen auf Basis
MgLi ohne und mit Al, AlZn, Ca, Si, SiCa, AlCa, CaAlZn bzw. SiAlZn. Hierbei werden für
die Bruchdehnung bzw. Zugfestigkeit Werte für MgLi40at%Al6at% z. B. von 19% bzw.
etwa 255 MPa, für MgLi40at%Si3at% 28% bzw. etwa 160 MPa sowie für MgLi40at% 42
% bzw. etwa 129 MPa angegeben. Aufgrund der für jene Versuche verwendeten kleinen
Laborstrangpresse sind jedoch die Umformgeschwindigkeit und der Umformgrad gering
gewesen.
Ferner wurden von Haferkamp, Bach, Bohling & Juchmann bei der Magnesium-
Konferenz in Garmisch-Partenkirchen 1992 (Magnesium Alloys and Their Applications,
Eds.: B. L. Mordike & F. Hehmann, Oberursel 1992, 243-250) Werte der Bruchdehnung
und Zugfestigkeit vorgetragen, die bei MgLiAl, ggf. mit Zn, zu Werten bis 31% und 226
MPa sowie 25% und 240 MPa führten.
Es bestand daher die Aufgabe, Deformationselemente aus einem metallischen
Leichtwerkstoff bzw. einen Verbund mit mindestens einem Deformationselement unter
Auswahl der für diese Einsatzzwecke am ehesten wirkenden Parameter vorzuschlagen,
wobei die Deformationselemente eine möglichst hohe Duktilität und Energieaufnahme
sowie eine möglichst geringe Dichte aufweisen sollen und darüber hinaus auch
möglichst einfach und kostengünstig hergestellt werden sollen. Es bestand ferner die
Aufgabe, metallische Leichtwerkstoffe anzugeben, die für die Fertigung von
Deformationselementen aufgrund ihrer sehr hohen Duktilität und Energieaufnahme und
sehr geringen Dichte besonders geeignet sind.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Deformationselement aus einem metallischen
Werkstoff mit einer Dichte von nicht mehr als 2,5 g/cm3 sowie von hoher Duktilität und
Energieaufnahme, insbesondere aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung, das
dadurch gekennzeichnet ist, daß es im wesentlichen aus einem Leichtwerkstoff besteht,
dessen Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben bei Raumtemperatur
mindestens 33 J beträgt, vorzugsweise mindestens 66 J, besonders bevorzugt
mindestens 90 J, ganz besonders bevorzugt mindestens 105 J. Vorzugsweise beträgt
die Dichte nicht mehr als 2,3 g/cm3, besonders bevorzugt nicht mehr als 2,1 g/cm3.
Die Aufgabe wird außerdem gelöst mit einem Deformationselement aus einem
metallischen Werkstoff von hoher Duktilität und Energieaufnahme, insbesondere aus
einer Lithium- oder/und Magnesium-haltigen Legierung, das dadurch gekennzeichnet ist,
daß der Werkstoff bei einer Messung der Energieaufnahme im quasistatischen
Deformationsversuch oder/und dynamischen Crashversuch bei Raumtemperatur an
zylindrischen Rohren von 100 mm Außendurchmesser und 2 mm Wandstärke bei einem
Deformationsweg von 200 mm eine spezifische Deformationsarbeit von mindestens
5.000 Nm/kg aufnimmt, vorzugsweise von mindestens 10.000 Nm/kg, besonders
bevorzugt von mindestens 18.000 Nm/kg, ganz besonders bevorzugt von mindestens
19.000 Nm/kg, oder/und eine Deformationsarbeit von mindestens 3.000 Nm,
vorzugsweise von mindestens 5.000 Nm, besonders bevorzugt von mindestens 5.000
Nm, ganz besonders bevorzugt von mindestens 8.000 Nm. Ferner wird die Aufgabe
gelöst mit einem Deformationselement aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung,
das im wesentlichen aus dieser Legierung bestehen kann.
Das Deformationselement besteht vorteilhafterweise im wesentlichen aus einem
Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 100 MPa, besonders bevorzugt von
mindestens 130 MPa, ganz besonders bevorzugt von 180 MPa, und einer
Bruchdehnung gemessen an Zugproben von mindestens 15%. Es besteht weiterhin
vorzugsweise im wesentlichen aus einem Werkstoff von mindestens 18% unabhängig
von seiner Zugfestigkeit, besonders bevorzugt von mindestens 22%, ganz besonders
bevorzugt von mindestens 26%.
Das Deformationselement weist vorzugsweise einen plastischen Anteil der Spannung
bestimmt in Zugversuchen nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm von mindestens
50 MPa auf.
Es hat sich gezeigt, daß die Modifizierung von Korngrößen und Phasenverteilungen über
das Zulegieren von Begleitelementen wie Lithium hilfreich ist unter Erzeugung von
deutlich festeren oder/und duktileren Magnesiumlegierungen. Vor allem ein Zusatz von
Lithium hat sich als günstig zur Weiterentwicklung von Magnesiumlegierungen für
Deformationselemente erwiesen. Daher ist es empfehlenswert, daß das
Deformationselement im wesentlichen aus einer Legierung besteht, die ausgewählt ist
aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AZ oder ZE, ggf. mit einem
Lithiumzusatz. Vorzugsweise besteht das Deformationselement im wesentlichen aus
einer Magnesiumlegierung mit einem Gehalt an Li von mindestens 1 Gew.-%, besonders
bevorzugt von mindestens 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 11
und höchstens 30 Gew.-%. Es kann im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung
bestehen auf Basis von 10 bis 17 Gew.-% Li, insbesondere aus einer solchen mit 1 bis 6
Gew.-% Al und jeweils 0 bis 4 Gew.-% Mn, Si, Zn oder/und bis zu 1 Gew.-% mindestens
eines Seltenerdelements einschließlich Y. Insbesondere bei einem höheren Gehalt an
Lithium ist es empfehlenswert, daß die Magnesiumlegierung einen Anteil von
mindestens 10 Vol.-% einer kubisch raumzentrierten Mg-reichen Phase enthält,
vorzugsweise mehr als 60 Vol.-%, besonders bevorzugt mehr als 80 Vol.-%, ganz
besonders bevorzugt mehr als 90 Vol.-%.
Das Deformationselement kann im wesentlichen aus einem länglichen, rohrförmigen
oder/und gewinkelten Formkörper bestehen, insbesondere aus einem linearen,
gewinkelten oder gebogenen Profilelement. Vorzugsweise weist es einen rohrförmigen -
insbesondere kreisrunden oder polygonalen, T-förmigen oder U-förmigen
Profilquerschnitt auf. Es kann auch mit einem Träger, insbesondere mit einem Längs-
oder/und Querträger, verbunden sein.
Bei der Beanspruchung des Deformationselements ist es von Vorteil, wenn es bei einer
schnellen oder sehr schnellen mechanischen Belastung ohne scharfkantigen Bruch
oder/und ohne Risse deformiert. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn es bei einer schnellen
oder sehr schnellen mechanischen Belastung zu einem gebogenen oder/und gefalteten
Element deformiert, wobei die Ausbildung von einer oder mehreren Faltenbeulen
bevorzugt wird, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind.
Ein Verbund aus Tragelementen und Deformationselementen, der mindestens ein
Deformationselement enthält, kann dazu beitragen, daß die Deformation der
Tragelemente und ggf. weiterer, damit verbundener Elemente z. B. bei einem Unfall
deutlich weniger belastet bzw. zerstört werden. Dies wird auch an der Energieaufnahme
durch die Ausbildung von Faltenbeulen deutlich. Der Verbund mit mindestens einem
Deformationselement kann hergestellt werden durch mindestens ein wärmearmes oder
wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z. B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen,
Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein
wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z. B. Verbundgießen, Verbundschmieden,
Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere
Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, bei dem das Deformationselement mit
mindestens einem Tragelement oder einem anderen Deformationselement verbunden
wird.
Als Verfahren zur Herstellung von Deformationselementen sind grundsätzlich alle
Verfahren des Ur- oder/und Umformens geeignet, vorzugsweise Gießverfahren bzw. das
Strangpressen, Walzen und Schmieden. Das Deformationselement weist nach einem
Umformverfahren wie den eben genannten vorteilhafterweise ein deutlich
rekristallisiertes Gefüge und damit verbunden bessere Werkstoffeigenschaften auf. Die
hierbei zu verwendenden Verfahrensschritte, Parameter, Bedingungen und Anlagen sind
dabei grundsätzlich bekannt. Vorzugsweise wurde das Deformationselement bei der
Herstellung stranggepreßt, geschmiedet oder/und gewalzt und weist ein deutlich
rekristallisiertes Gefüge auf. Eine höhere Duktilität kann das Umformen, insbesondere
das Strangpressen, Pressen, Schmieden und Walzen, erleichtern. Daher ist eine
Bruchdehnung der umzuformenden Ausgangslegierungen von mindestens 5%,
vorzugsweise von mindestens 10%, auch für die Herstellung von Elementen aus
Leichtwerkstoffen hilfreich.
Es wird vorzugsweise von hochreinen, kommerziell erhältlichen Legierungen
ausgegangen. Ggf. werden diese Legierungen durch Zusätze auflegiert. Dabei können
die hochreinen auflegierten Legierungen beim Schmelzprozeß geringe Mengen an
Verunreinigungen aus dem Tiegel aufnehmen. Die Legierungen können beispielsweise
in einem Nickel- und Chromfreien Stahltiegel unter einer Schutzgasatmosphäre, z. B.
von Ar oder/und SF6, erschmolzen werden.
Voraussetzung für die Weiterverarbeitung von Magnesiumlegierungen durch
Strangpressen, Pressen oder/und Schmieden ist die Herstellung geeigneter
Vormaterialien z. B. in Form von Blöcken, Bolzen oder Brammen. Ein üblicherweise gut
geeignetes Verfahren ist die Herstellung der Bolzen oder Brammen durch Sand- oder
Kokillenguß mit einer ausreichend großen Bearbeitungszugabe. Die gegossenen Bolzen
bzw. Brammen können zunächst durch Wärmebehandlung bei z. B. 350°C über 12 h
homogenisiert werden, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen, das z. T. heterogene
Gefüge zu verbessern und die Preßbarkeit zu erhöhen. Danach können die
homogenisierten Bolzen bzw. Brammen mechanisch auf die erforderlichen
Abmessungen bearbeitet werden.
Das Strangpressen der Magnesiumlegierungen kann in den gleichen Strangpreßanlagen
erfolgen, die für das Strangpressen von Aluminiumlegierungen eingesetzt werden,
sowohl über das direkte, als auch über das indirekte Strangpressen. Nur bei der
Werkzeuggestaltung (Matrize) ist das Verformungsverhalten spezifisch zu
berücksichtigen. Scharfkantige Einläufe, wie sie bei Aluminiumlegierungen zum Einsatz
kommen, sind bei Magnesiumlegierungen zu vermeiden, da sonst die Gefahr von
Oberflächenrissen auftritt. In vielen Fällen wird ein Einlaufwinkel von ca. 50° für die
Matrize für Magnesiumlegierungen verwendet.
Mit den erfindungsgemäßen Legierungen können Voll- und Hohlprofile und andere
Formkörper in einfachen oder komplizierten Querschnitten bzw. Formen ohne Probleme
stranggepreßt oder in anderer Weise umgeformt werden. Vorzugsweise werden die
umgeformten Halbzeuge anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, die
beispielsweise im Bereich von 100 bis 200°C liegen kann, insbesondere über 0,5 bis 24
h. Diese Wärmebehandlung wirkte sich bei den untersuchten Lithium-freien
Magnesiumlegierungen jedoch weniger oder sogar fast nicht aus, während sie bei den
Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen, vor allem bei einem Gehalt von mindestens 0,5
Gew.-% Aluminium, eine deutliche Verbesserung der Energieaufnahme ergeben kann,
da das Strangpressen oft noch nicht zu ausreichend stabilen Gefügezuständen führt und
noch eine stärkere Bildung feinverteilter Ausscheidungen möglich ist. Danach können
die Halbzeuge bei Bedarf gerichtet, wärmebehandelt, z. B. durch Biegen, Drücken,
Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren
weiter verformt oder/und oberflächenbehandelt werden. Die Halbzeuge können auf die
erforderlichen Abmessungen gebracht, entgratet und gesäubert werden. Sie können
beispielsweise mit einer Schutzschicht oder einem Überzug versehen werden.
Das Deformationselement oder der Verbund mit mindestens einem
Deformationselement kann verwendet werden als Crashabsorber, Crashrohr,
Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, als Element eines Geräte-, Anlagen-, Fahrzeug
oder Flugzeugrahmens, als rahmenartige zwei- oder dreidimensionale Zelle, in der
Automobil- und Bahntechnik, in Schiffen und Kaianlagen, im Apparate- und
Maschinenbau, in transportablen Geräten und Anlagen, als Halbzeug oder Bauteil im
Automobil oder Flugzeug.
Als Halbzeuge im Sinne dieser Anmeldung werden Formkörper verstanden, die noch
nicht für ihren jeweiligen Anwendungszweck fertiggestellt und einsatzfähig sind. Als
Bauteile werden dagegen die für den beabsichtigten Einsatzzweck geeigneten
Formkörper bezeichnet. Beide Begriffe gehen jedoch fließend ineinander über, da es
sich bei dem gleichen Formkörper für den einen Einsatzzweck um ein Halbzeug, für den
anderen aber bereits um ein Bauteil handeln kann. Ferner wird aus Gründen der
sprachlichen Vereinfachung nicht überall im Text streng zwischen Halbzeug und Bauteil
unterschieden bzw. beides gleichzeitig angeführt, obwohl beides gemeint sein kann.
Fig. 1 gibt im Längsschnitt den Aufbau der Deformationsanlage 1 des Instituts für
Fahrzeugtechnik der Universität Braunschweig schematisch wieder. Auf einem
Längsträger 2 ist eine hydraulische Presse 3 mit einer Meßeinrichtung 4 und 5 mit einem
Wegaufnehmer, vier Kraftmeßelementen und einem Querkraftmeßelement 6 sowie
einem Wegaufnehmer für kleine Deformationen 7 auf der einen Seite des Längsträgers
2 angeordnet. Auf der anderen Seite des Längsträgers 2 ist ein Stützbock 8 mit einer
Halterung 9 für Profile und ähnliche Proben wie dem zu testenden Crashrohr 10 und mit
nicht dargestellten Kraftmeßelementen sowie mit einer Kalibriereinheit 11 für den
Wegaufnehmer 7 montiert.
Die Fig. 2a/b stellen die Meßergebnisse bei quasistatischen Deformationsversuchen
an der Deformationsanlage im Kraft-Weg-Diagramm (f über s) und im Diagramm der
spezifischen Deformationsarbeit über dem Weg (d über s) für die getesteten Werkstoffe
dar. Die Figuren zeigen die Ergebnisse für die Magnesiumlegierungen MgAl3Zn1 (C)
und MgLi15.5Al2.5Zn0.8 (D) sowie zum Vergleich für Stahl St35 (A) und für die
Aluminiumlegierung AlMgSi0.5 (B). Die regelmäßigen dynamischen Kurvenverläufe in
Fig. 2a sprechen offensichtlich für die Ausbildung einer entsprechenden Zahl von
Faltenbeulen.
Fig. 3 gibt die Crashrohre aus der Legierung MgLi15.5Al2.5Zn0.8 nach dynamischen
Versuchen im Fallwerk in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung vor dem
Crashversuch wieder. Links: Ohne Wärmebehandlung - ohne Faltenbeulen. Zweites Bild
von links: Mit Wärmebehandlung bei 100°C 2 h. Drittes Bild von links: Mit
Wärmebehandlung bei 150°C 4 h bei leicht asymmetrischer Belastung. Rechts: Mit
Wärmebehandlung bei 150°C 4 h bei symmetrischer Belastung.
Fig. 4 zeigt ein im dynamischen Crashversuch deformiertes Crashrohr aus der
Legierung MgLi15.5Al2.5Zn0.8 mit Faltenbeulen.
Die folgenden erfindungsgemäßen Beispiele stellen ausgewählte Ausführungsformen
dar, ohne die Erfindung einzuschränken.
Bei den im folgenden benutzten Legierungsbezeichnungen kennzeichnet A Al, E
mindestens ein Seltenerdelement SE, wobei Y auch zu den Seltenerdelementen
gerechnet wird, M oder MN Mn, S Si und Z Zn mit Gehaltsangaben in Gew.-% Zn -
üblicherweise mit Gehaltsangaben in Gew.-%, soweit nichts anderes vermerkt ist. Bei
allgemein gebräuchlichen Legierungsangaben wie z. B. AZ31 werden durch die Zahlen
wie für die jeweilige Legierung üblich nur größenordnungsmäßige Gehalte angegeben,
die in relativ breitem Maß branchenüblich variieren können.
Die Legierungen wurden als hochreine kommerziell erhältliche Legierungen oder
üblicherweise aus hochreinen Ausgangslegierungen wie z. B. AM-, AZ- oder AS-
Legierungen durch Zugabe von Reinstmagnesium bzw. hochreinem Lithium auflegiert.
Die Legierungen wurden in einem Stahltiegel unter der Schutzgasatmosphäre eines Ar-
SF6-Gemisches erschmolzen. Der Abguß der für das nachfolgende Strangpressen
erforderlichen Rohlinge erfolgte in eine zylindrische Stahlkokille mit
Bearbeitungszugabe. Die erzielten Elementgehalte wurden spektroskopisch überprüft.
Bei allen Legierungen ist darauf geachtet worden, daß das Gefüge der Gußkörper
möglichst homogen ist, da dies die Duktilität empfindlich beeinflussen kann.
Danach wurden die Bolzen für die Herstellung von Strangpreßprofilen auf 70 mm
Durchmesser abgedreht und auf 120 mm Länge gebracht bzw. für die Herstellung von
Crashrohren durch Strangpressen auf 218 mm Durchmesser abgedreht und auf die
erforderliche Länge gebracht. Die Bolzen wurden anschließend einer
Homogenisierungsbehandlung bei z. B. 350°C über 12 h ausgesetzt, um Seigerungen
im Gefüge zu beseitigen und die Preßbarkeit zu erhöhen. Seigerungen können zu einer
ungleichmäßigen Verformung und bei kritischen Strangpreßbedingungen zu Rissen bzw.
zu lokalen Aufschmelzungen führen, was schlechte Oberflächenqualitäten bedingen
kann. Bei weniger gut homogenisierten Bolzen ist ein unnötig hoher Preßdruck beim
Strangpressen erforderlich.
Danach wurden die homogenisierten Bolzen auf die jeweilige Strangpreßtemperatur, die
"Temperatur des Bolzens", aufgeheizt, durchgewärmt und in einer 400 t-
Horizontalpresse stranggepreßt. Die Temperatur des Bolzens ist dabei jene Temperatur,
die der Bolzen bei Eintritt in die Strangpresse aufweist. Es wurden etliche der
Herstellparameter systematisch variiert. Die Verfahren zur Herstellung von
Strangpreßprofilen aus den erfindungsgemäßen Legierungen werden in einer am
gleichen Tag vom gleichen Anmelder beim Deutschen Patent- und Markenamt
eingereichten Patentanmeldung im Detail beschrieben; jene Anmeldung gilt durch ihre
Benennung als in vollem Umfang in diese Anmeldung einbezogen.
Je nach Probe wurde bei den Lithium-haltigen Legierungen und deren Lithium-freien
Ausgangslegierungen eine Strangpreßtemperatur im Bereich von 150 bis 300°C und für
das Aufheizen des Bolzens eine Aufheizzeit im Bereich von 50 bis 110 min eingestellt.
Je nach Probe wurde bei einem Rezipientendurchmesser von 74 mm eine
Rezipiententemperatur im Bereich von 180 bis 259°C, ein Matrizendurchmesser im
Bereich von 15 bis 18 mm, ein Preßverhältnis A/A0 im Bereich von 16,9 bis 24,3, ein
Umformgrad ϕ = In(A0/A) im Bereich von 2,8 bis 3,2, eine Stempelgeschwindigkeit im
Bereich von 191 bis 419 mm/min. eine Strangpreßgeschwindigkeit v im Bereich von 3,2
bis 9,0 m/min. ein Preßdruck zu Beginn des Strangpressens im Bereich von 15,2 bis
24,3 MPa und ein Preßdruck zum Ende des Strangpressens im Bereich von 10,0 bis
14,8 MPa gewählt.
Die stranggepreßten Profile wurden durch Fräsen und Drehen bearbeitet zu
Rundzugproben (d0 = 5 mm, l0 = 5 . d0, kleiner Proportionalitätsstab, nach DIN 50 125),
Druckproben (d0 = 10 mm, l0 = 2 . d0, nach DIN 50 106), Schlagbiegeproben (10 × 10 ×
55 mm, nach DIN 50 116) und Kerbschlagbiegeproben (nach DIN 50 115). Pro
Legierung und Versuch wurden jeweils 5 dieser Proben hergestellt und getestet. Bei
allen Proben wurde die Längsrichtung so gewählt, daß sie mit der Richtung des
Strangpressens übereinstimmt.
Beim Zugversuch wurden Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze = Streckgrenze RP0,2 und
Bruchdehnung A bei einer Zuggeschwindigkeit von 0,5 mm/min bestimmt. Beim
Druckversuch wurden Werte der Druckfestigkeit RDm, Stauchgrenze RD0,2 und
Stauchung AD bei einer Druckgeschwindigkeit von 0,5 mm/min gewonnen. Der Beginn
der plastischen Verformung (Dehn- bzw. Stauchgrenze) wurde graphisch ermittelt. Die
maximal anwendbare Schlagenergie betrug 150 J. Alle Messungen fanden bei
Raumtemperatur statt.
Bei den Tabellen bedeuten "Guß" = Material im Gußzustand und "extr." = Gußmaterial,
das anschließend durch Homogenisieren und Strangpressen (Extrudieren) umgeformt
wurde, "B" = erfindungsgemäßes Beispiel und "VB" = Vergleichsbeispiel nach dem
Stand der Technik.
Beispielhaft sollen die Magnesiumlegierungen auf Basis AZ31 und ZE angesprochen
werden:
Bei dem mit Lithium auflegierten Werkstoff AZ31 werden deutlich höhere Zähigkeiten an
ungekerbten Schlagproben sowie deutlich höhere Bruchdehnungen ermittelt als an
undotierten Proben, wobei die höchste Duktilität bei der im wesentlichen zweiphasigen
Legierung AZ31Li15.5 auftrat. Dagegen fiel die Zugfestigkeit mit dem Lithium-Gehalt ab.
Die Druckfestigkeit ist bei Proben im Gußzustand proportional mit dem Lithium-Gehalt,
bei extrudierten Proben jedoch bei mittleren Lithium-Gehalten am höchsten.
Bei den Legierungen ZE10 und ZE10Li3.7 stiegen alle mechanischen Eigenschaften bei
Proben im Gußzustand mit dem Lithium-Gehalt drastisch an. Bei den entsprechenden
stranggepreßten Proben nahmen die mechanischen Eigenschaften mit Ausnahme von
Zugfestigkeit und Streckgrenze mit dem Lithium-Gehalt deutlich zu. Die Legierung
ZE10Li3.7 zeigte sehr hohe Werte der Schlagarbeit: An einzelnen Proben wurden bis zu
140 J gemessen; andere Proben wurden durch das Widerlager der Prüfmaschine
gezogen, ohne komplett zu brechen: Dann konnte kein Meßwert der Schlagarbeit
ermittelt werden.
Die an den gegossenen und stranggepreßten Proben ermittelten Festigkeitswerte waren
weitaus höher als erwartet. Überraschenderweise war auch das Verformungsvermögen
dieser Legierungen sehr hoch. Ferner war es überraschend, daß die
Werkstoffeigenschaften der modifizierten Legierungen erstaunlich wenig in Abhängigkeit
von den Strangpreßbedingungen variierten, was für eine Fertigung vorteilhaft ist. Ferner
war es überraschend, daß die Schlagarbeit der Legierung ZE10 derart hoch lag.
Es wurden zylindrische Hohlprofile in einer großtechnischen Anlage durch Abgießen in
Kokillen auf 230 mm Durchmesser, Abdrehen auf 218 mm Durchmesser,
Homogenisieren bei 150°C über 4 h, Strangpressen im Temperaturbereich von 200°C
bis 350°C - und bei Lithium-haltigen Legierungen daran anschließende
Wärmebehandlung - hergestellt in Form von zylindrischen Rohren mit einem
Außendurchmesser von 100 mm, einer Wandstärke von 2 mm und einer Länge von 500
mm bzw. 200 mm. Hierzu wurden die in Tabelle 3 angeführten Legierungen eingesetzt.
Neben einem Stahl und einer Aluminiumlegierung wurden Magnesiumlegierungen
unterschiedlichen Lithiumgehalts geprüft und die Magnesiumlegierung AZ31 =
MgAl3Zn1 als Referenzlegierung verwendet. Bei einem Lithiumgehalt von 12 at% bzw.
entsprechend gemessen von 3,6 Gew.-% lag die MgLi-reiche Phase in der hexagonalen
Kristallstruktur vor, bei einem Lithiumgehalt von 40 at% bzw. entsprechend gemessen
von 15,5 Gew.-% in der kubischen Kristallstruktur und bei einem Lithiumgehalt von
21at% bzw. entsprechend gemessen von 6,8 Gew.-% teilweise in der hexagonalen und
teilweise in der kubischen Kristallstruktur,
Die Crashrohre können auch als Crashabsorber bezeichnet werden, weil sie in
diesen Versuchen die gesamte eingebrachte Energie aufgenommen haben. Die
Crashrohre aus den verschiedenen Legierungen wurden in einer Versuchsreihe
durch quasistatische Belastung und in einer anderen Versuchsreihe durch
dynamische Belastung getestet. Die Belastung der Crashrohre erfolgte in deren
Längsrichtung durch möglichst lineare Belastung gegen die vordere Stirnfläche
des Crashrohres.
Die Prüfung der Hohlprofile in Form dieser zylindrischen Rohre aus verschiedenen
Legierungen erfolgte in der Deformationsanlage des Instituts für Fahrzeugtechnik
der Universität Braunschweig im quasistatischen Druckversuch bei
Raumtemperatur. Die hydraulische Presse wurde mit einer Geschwindigkeit von
bis zu 2 mm/s, die dann auch der Deformationsgeschwindigkeit entsprach, in
Richtung auf das Crashrohr ausgefahren. Ihre maximale Druckkraft konnte 900 kN
betragen. Die Deformationsarbeit wurde unter Berücksichtigung der Dichte auf die
spezifische Deformationsarbeit umgerechnet. Die ursprünglich 500 mm langen
Crashrohre wurden um bis zu etwa 400 mm gestaucht, und dann wurden die
Versuche abgebrochen, so daß eine Verkürzung auf bis zu etwa 100 mm erreicht
wurde.
Die dynamische Prüfung dieser Hohlprofile erfolgte im Fallwerk des Instituts für
Mechanik der Universität Hannover bei Raumtemperatur. Ein Fallgewicht von 120
kg wurde als geführter quaderförmiger Stempel über 4 m Fallhöhe auf das unten
auf einer Basisfläche stehende Crashrohr senkrecht fallen gelassen. Die
Wegmessung wurde mit einem Lasertriangulometer durchgeführt. Die
Fallgeschwindigkeit beim Auftreffen des Fallgewichtes auf die Stirnfläche des
Crashrohres betrug 8,7 m/s.
Manche der Lithium-haltigen Legierungen zeigten bei hohem Lithiumgehalt eine
unerwartet starke Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften von der Art der
Wärmebehandlung. So war die Legierung AZ31Li40at% = MgLi15.5Al2.5Zn0.8
einerseits ohne eine Wärmebehandlung nach dem Strangpressen in einem
vergleichsweise spröden Zustand, so daß ein derartiges im Crashversuch getestetes
Crashrohr mehrfach in Längsrichtung des Rohres in der Nähe der durch den Aufprall
belasteten Stirnseite aufriß und in Abschnitten nach außen umgebogen wurde. Wenn
jedoch ein derartiges Rohr bei einer Wärmebehandlung nach dem Strangpressen bei
z. B. 150°C über 4 h in einen hochplastischen Zustand überführt war, so ergab sich ein
noch stärkeres Zusammenstauchen und die Ausbildung von unter günstigen
Bedingungen erstaunlich regelmäßig ausgebildeten Faltenbeulen (Fig. 3 und 4).
Es war erstaunlich, daß ein recht gleichmäßiges starkes Faltenbeulen im
dynamischen Crashversuch bei der Legierung MgLi15.5Al2.5Zn0.8 erzeugt werden
konnte. Leicht angedeutete Faltenbeulen ließen sich im dynamischen
Crashversuch mit den Legierungen MgLi6.8Al2.8Zn0.9 und
MgLi3.7Zn1.3SE1gewinnen. Es ist vorteilhaft, Faltenbeulen zu erzeugen, weil
dadurch das Aufreißen und scharfkantige Ecken und Kanten vermieden werden
und die Verletzungsgefahr deutlich verringert wird. Die Deformationsarbeit bzw.
die spezifische Deformationsarbeit unterschieden sich je nach Wärmebehandlung
jedoch nur geringfügig.
Ferner ist es vorteilhaft, Sicken, kleine Aussparungen, Kerben oder andere
Schwächungen im Bereich der belasteten Stirnfläche der Crashrohre oder besser
dicht unterhalb einzubringen, um dort eine Schwächung des Halbzeugs und somit
einen definierten Verformungsbeginn und eine Senkung der anfänglich maximalen
Trägerkraft zu erreichen. Hierbei ist es insbesonders das Ziel gewesen, den
Anfangspeak der Belastung, der im Kraft-Weg-Diagramm erkennbar ist, so
abzusenken, daß das anfängliche Maximum und die späteren Maxima dieser
Kurve möglichst ähnlich hoch zu liegen kommen, so daß die Hüllkurve über diese
Maxima sich einer Rechteckkurve annähert. Das ergibt dann z. B. für einen
Verbund aus Fahrzeugrahmen und Deformationselement(en) eine auf den
Rahmen übertragbare mittlere Kraft, die nicht zu hoch ist und die auch die
Insassen nicht mehr so stark belastet wie bei einem sehr hohen Anfangspeak. Von
daher ist es auch gut, hohe Grade der Stauchung zu erzielen, da die
Energieaufnahme das Integral aus Kraft und Stauchung ist, bei der die auf den
Rahmen übertragene und nicht aufgrund der Energieaufnahme aufgenommene
Kraft nicht zu hoch liegen darf. Die Legierungen AZ31 und MgLi15.5Al2.5Zn0.8
ließen sich auf etwa 20% der Ausgangslänge zusammenstauchen, wobei die
Versuche dort abgebrochen wurden. Ein Teil der bei diesen Versuchen
eingesetzten Crashrohren wies dabei 6 Sicken unterhalb der vorderen Stirnfläche
auf.
Mit einzelnen der erfindungsgemäßen Crashrohre konnte ein Versagensbild wie
bei Aluminiumlegierungen und Stählen erzielt werden. Sowohl bei quasistatischer,
als auch bei dynamischer Beanspruchung konnten bei einem Teil der
Magnesiumlegierungen erste oder viele gut ausgebildete Faltenbeulen erzeugt
werden. Relativ spröde Magnesiumlegierungen wie AZ31 zeigten kein
Faltenbeulen und nur eine relativ geringe Energieaufnahme. Je nach Legierung
und Wärmebehandlung konnte die Ausscheidungsstruktur der Legierung und
damit die Kraft-Weg-Kennlinie sowie die spezifische Deformationsarbeit beeinflußt
werden.
Claims (18)
1. Deformationselement aus einem metallischen Werkstoff mit einer Dichte von nicht
mehr als 2,5 g/cm3 sowie von hoher Duktilität und Energieaufnahme, insbesondere
aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß es im
wesentlichen aus einem Leichtwerkstoff besteht, dessen Schlagarbeit gemessen
an ungekerbten Proben bei Raumtemperatur mindestens 33 J beträgt.
2. Deformationselement aus einem metallischen Werkstoff von hoher Duktilität und
Energieaufnahme, insbesondere aus einer Lithium- oder/und Magnesium-haltigen
Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff bei einer Messung der
Energieaufnahme im quasistatischen Deformationsversuch oder/und dynamischen
Crashversuch bei Raumtemperatur an zylindrischen Rohren von 100 mm
Außendurchmesser und 2 mm Wandstärke bei einem Deformationsweg von 200
mm eine spezifische Deformationsarbeit von mindestens 5.000 Nm/kg oder/und
eine Deformationsarbeit von mindestens 3.000 Nm aufnimmt.
3. Deformationselement aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung.
4. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sein Werkstoff eine Bruchdehnung gemessen an Zugproben
von mindestens 18% aufweist.
5. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer Legierung besteht, die
ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AZ oder ZE, ggf.
mit einem Lithiumzusatz.
6. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sein Werkstoff eine Zugfestigkeit von mindestens 100 MPa
und eine Bruchdehnung von mindestens 15% aufweist.
7. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sein Werkstoff einen Magnesiumgehalt von mindestens 60
Gew.-% aufweist.
8. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sein Werkstoff eine Magnesiumlegierung ist mit einem
Gehalt an Li von mindestens 1 Gew.-%, insbesondere eine solche mit 1 bis 6
Gew.-% Al und jeweils 0 bis 4 Gew.-% Mn, Si, Zn oder/und bis zu 1 Gew.-%
mindestens eines Seltenerdelements SE einschließlich Y.
9. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß sein Werkstoff eine Magnesiumlegierung ist, die einen Anteil
von mindestens 10 Vol.-% einer kubisch raumzentrierten Mg-reichen Phase
enthält.
10. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es bei der Herstellung stranggepreßt, geschmiedet oder/und
gewalzt wurde und ein deutlich rekristallisiertes Gefüge aufweist.
11. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einem länglichen, rohrförmigen
oder/und gewinkelten Formkörper besteht, insbesondere aus einem linearen,
gewinkelten oder gebogenen Profilelement.
12. Deformationselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß es einen
rohrförmigen - insbesondere kreisrunden oder polygonalen, T-förmigen oder U-
förmigen Profilquerschnitt aufweist.
13. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es mit einem Träger, insbesondere mit einem Längs-
oder/und Querträger, verbunden ist.
14. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es bei einer schnellen oder sehr schnellen mechanischen
Belastung ohne scharfkantigen Bruch oder/und ohne Risse deformiert.
15. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß es bei einer schnellen oder sehr schnellen mechanischen
Belastung zu einem gebogenen oder/und gefalteten Element deformiert, bevorzugt
mit einer oder mehreren Faltenbeulen.
16. Verbund aus Tragelementen und Deformationselementen, dadurch
gekennzeichnet, daß er mindestens ein Deformationselement nach einem der
Ansprüche 1 bis 15 enthält.
17. Verbund nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein
Deformationselement durch mindestens ein wärmearmes oder
wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z. B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen,
Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens
ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z. B. Verbundgießen,
Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder
Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit
mindestens einem Tragelement oder Deformationselement verbunden wurde.
18. Verwendung eines Deformationselementes oder eines Verbundes mit mindestens
einem Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 17 als
Crashabsorber, Crashrohr, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, als Element eines
Geräte-, Anlagen-, Fahrzeug oder Flugzeugrahmens, als rahmenartige zwei- oder
dreidimensionale Zelle, in der Automobil- und Bahntechnik, in Schiffen oder
Kaianlagen, im Apparate- und Maschinenbau, in transportablen Geräten und
Anlagen, als Halbzeug oder Bauteil im Automobil oder Flugzeug.
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999115237 DE19915237A1 (de) | 1999-04-03 | 1999-04-03 | Deformationselement aus einem duktilen metallischen Leichtwerkstoff und dessen Verwendung |
PCT/EP2000/002943 WO2000059760A1 (de) | 1999-04-03 | 2000-04-03 | Deformationselement aus einem duktilen metallischen leichtwerkstoff und dessen verwendung |
EP00925162A EP1171331A1 (de) | 1999-04-03 | 2000-04-03 | Deformationselement aus einem duktilen metallischen leichtwerkstoff und dessen verwendung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE1999115237 DE19915237A1 (de) | 1999-04-03 | 1999-04-03 | Deformationselement aus einem duktilen metallischen Leichtwerkstoff und dessen Verwendung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19915237A1 true DE19915237A1 (de) | 2000-10-05 |
Family
ID=7903494
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE1999115237 Withdrawn DE19915237A1 (de) | 1999-04-03 | 1999-04-03 | Deformationselement aus einem duktilen metallischen Leichtwerkstoff und dessen Verwendung |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1171331A1 (de) |
DE (1) | DE19915237A1 (de) |
WO (1) | WO2000059760A1 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011051259A1 (de) * | 2011-06-22 | 2012-12-27 | Benteler Automobiltechnik Gmbh | Kraftfahrzeug-Fahrwerkskomponente und Verfahren zu deren Herstellung |
CN107856743A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-03-30 | 南京理工大学 | 基于周期性蜂窝结构内芯的汽车吸能盒 |
DE112013007406B4 (de) | 2013-09-05 | 2023-05-04 | GM Global Technology Operations LLC | Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus einer Aluminiumlegierung |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100463990C (zh) * | 2007-06-15 | 2009-02-25 | 重庆大学 | Mg-Li-Sr合金电解制备方法 |
TWI537395B (zh) * | 2014-12-02 | 2016-06-11 | 安立材料科技股份有限公司 | 鎂合金 |
TWI545202B (zh) * | 2016-01-07 | 2016-08-11 | 安立材料科技股份有限公司 | 輕質鎂合金及其製造方法 |
CN109881063B (zh) * | 2019-04-17 | 2021-03-19 | 上海交通大学 | 一种高强韧高模量压铸镁合金及其制备方法 |
CN109881062B (zh) * | 2019-04-17 | 2021-03-19 | 上海交通大学 | 一种高强韧高模量挤压铸造镁合金及其制备方法 |
CN110029255B (zh) * | 2019-04-17 | 2021-03-19 | 上海交通大学 | 一种高强韧高模量砂型重力铸造镁合金及其制备方法 |
Family Cites Families (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5462712A (en) * | 1988-08-18 | 1995-10-31 | Martin Marietta Corporation | High strength Al-Cu-Li-Zn-Mg alloys |
US5059390A (en) * | 1989-06-14 | 1991-10-22 | Aluminum Company Of America | Dual-phase, magnesium-based alloy having improved properties |
US5480189A (en) * | 1994-08-12 | 1996-01-02 | Ford Motor Company | Automotive vehicle frame |
JP2866917B2 (ja) * | 1994-10-05 | 1999-03-08 | 工業技術院長 | 溶湯攪拌法によるセラミックス粒子強化マグネシウム基複合材料に対する超塑性発現法 |
DE19711647C2 (de) * | 1997-03-20 | 2002-05-02 | Daimler Chrysler Ag | Energieverzehrendes Element, insbesondere zum Stoßenergieabbau in Kraftfahrzeugen |
DE19715308C2 (de) * | 1997-04-11 | 2001-06-13 | Benteler Werke Ag | Verfahren zur Herstellung eines stoßabsorbierenden Aufprallträgerelements zur Umwandlung von Stoßenergie in Kraftfahrzeugen |
-
1999
- 1999-04-03 DE DE1999115237 patent/DE19915237A1/de not_active Withdrawn
-
2000
- 2000-04-03 EP EP00925162A patent/EP1171331A1/de not_active Ceased
- 2000-04-03 WO PCT/EP2000/002943 patent/WO2000059760A1/de not_active Application Discontinuation
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102011051259A1 (de) * | 2011-06-22 | 2012-12-27 | Benteler Automobiltechnik Gmbh | Kraftfahrzeug-Fahrwerkskomponente und Verfahren zu deren Herstellung |
DE102011051259B4 (de) * | 2011-06-22 | 2016-06-30 | Benteler Automobiltechnik Gmbh | Kraftfahrzeug-Fahrwerkskomponente und Verfahren zu deren Herstellung |
DE112013007406B4 (de) | 2013-09-05 | 2023-05-04 | GM Global Technology Operations LLC | Verfahren zum Herstellen von Bauteilen aus einer Aluminiumlegierung |
CN107856743A (zh) * | 2017-10-31 | 2018-03-30 | 南京理工大学 | 基于周期性蜂窝结构内芯的汽车吸能盒 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP1171331A1 (de) | 2002-01-16 |
WO2000059760A1 (de) | 2000-10-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE102016118729B4 (de) | Aluminiumlegierung, geeignet für Hochdruckgießen | |
DE19830560B4 (de) | Energie-absorbierendes Element | |
DE69921925T2 (de) | Hochfeste Aluminiumlegierungsschmiedestücke | |
EP0902842B1 (de) | Bauteil | |
DE69110872T2 (de) | Energieabsorbierende strukturen und ihr herstellungsverfahren. | |
DE112005000511T5 (de) | Magnesiumknetlegierung mit verbesserter Extrudierbarkeit und Formbarkeit | |
EP2888382B1 (de) | Gegen interkristalline korrosion beständiges aluminiumlegierungsband und verfahren zu seiner herstellung | |
DE112008001968B4 (de) | Bilden von Magnesiumlegierungen mit verbesserter Duktilität | |
DE2049918A1 (de) | Stoßdämpfende Bauteile | |
EP1183402B1 (de) | Verfahren zum herstellen einer magnesiumlegierung durch strangpressen und verwendung der stranggepressten halbzeuge und bauteile | |
DE69620771T3 (de) | Verwendung von gewalzten Aluminiumlegierungen für Konstruktionsteile von Fahrzeugen | |
DE102021129463A1 (de) | Magnesiumlegierung und schmiedeteil | |
EP1171643B1 (de) | Magnesiumlegierungen hoher duktilität, verfahren zu deren herstellung und deren verwendung | |
EP1785499B1 (de) | Energieabsorptionsbauteil | |
DE102020100994A1 (de) | HOCHFESTE DUKTILE EXTRUSIONEN AUS ALUMINIUMLEGIERUNG DER 6000er SERIE | |
WO2009090228A1 (de) | Bauteile aus hochmanganhaltigem, festem und zähem stahlformguss, verfahren zu deren herstellung sowie deren verwendung | |
DE19915237A1 (de) | Deformationselement aus einem duktilen metallischen Leichtwerkstoff und dessen Verwendung | |
DE10101960A1 (de) | Plastisch bearbeitetes Aluminiumlegierungsgußprodukt, ein Verfahren zur Herstellung davon und ein Verfahren zum Verbinden unter Verwendung plastischer Verformung | |
DE19915238A1 (de) | Magnesiumlegierungen hoher Duktilität, Verfahren zu deren Herstellung und deren Verwendung | |
DE102013216317A1 (de) | Gezielte lokale Einstellung von Materialeigenschaften eines höchstfesten kaltverfestigten FeMn-Stahles zur Herstellung von Strukturbauteilen, insbesondere Strukturbauteile eines Fahrzeugsitzes | |
DE69633002T2 (de) | Fahrzeugrahmenbauteile mit verbesserter Energieabsorptionsfähigkeit, Verfahren zu ihrer Herstellung und eine Legierung | |
DE2242235B2 (de) | Superplastische Aluminiumlegierung | |
DE19520833C2 (de) | Verfahren zur Herstellung eines nahtlosen warmgefertigten Rohres | |
DE69604747T2 (de) | Hochfeste Aluminiumlegierung mit guter Prestempelextrudierbarkeit | |
EP0764063B1 (de) | Verfahren zur herstellung eines nahtlosen warmgefertigten rohres |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OR8 | Request for search as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8105 | Search report available | ||
8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |