DE60020188T2

DE60020188T2 - Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Aluminiumlegierung vom Typ 2024

Info

Publication number: DE60020188T2
Application number: DE60020188T
Authority: DE
Inventors: Herve Ribes; Guy-Michel Raynaud; Ronan Dif; Martin Peter Schmidt
Original assignee: Pechiney Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 1999-04-12
Filing date: 2000-04-10
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2020-04-11
Also published as: GB0008506D0; BR0001563A; DE60020188D1; JP2000328211A; DE00420071T1; US20030140990A1; EP1045043A1; GB2352453A; EP1045043B1; FR2792001B1; FR2792001A1

Description

Technisches Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung stark verformter Bauteile für den Maschinenbau und insbesondere den Flugzeugbau, bei dem Bleche aus der Aluminiumlegierung AlCuMg vom Typ 2024 gemäß der Nomenklatur der Aluminium Association verwendet werden.
Stand der Technik
Die Legierung 2024 ist im Flugzeugbau weit verbreitet und ihre bei der Aluminium Association registrierte Zusammensetzung ist wie folgt (Gew.-%):
Si < 0,5 Fe < 0,5 Cu: 3,8–4,9 Mn: 0,3–0,9 Mg: 1,2–1,8 Zn < 0,25 Cr < 0,10 Ti < 0,15.
Für bestimmte Bauteile, die insbesondere durch Ziehformen (häufig wird der englische Begriff „stretch-forming" benutzt), Tiefziehen, Drückwalzen, Biegen oder Rollformen hergestellt werden, sind zusätzlich zu den gewöhnlich geforderten Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, Bruchzähigkeit, Beständigkeit gegen Rissaussbreitung, usw. Bleche notwendig, die eine gute Formbarkeit aufweisen.
Das Patent EP 0473122 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von Blechen aus einer Legierung der Zusammensetzung (Gew.-%): Cu: 4–4,5 Mg: 1,2–1,5 Mn: 0,4–0,6 Fe < 0,12 Si < 0,05, bei dem eine Zwischenglühung bei einer Temperatur > 488°C vorgesehen ist. Dem Patente zufolge weisen diese Bleche gegenüber der herkömmlichen Legierung 2024 eine verbesserte Bruchzähigkeit und Rissausbreitungsbeständigkeit auf.
In der Patentanmeldung EP 0731185 sind Bleche aus der modifizierten, bei der Aluminium Association später unter der Bezeichnung 2024A registrierten Legierung 2024 beschrieben, die ein reduziertes Maß an Restspannungen und eine verbesserte Bruchzähigkeit bei dicken Blechen sowie eine verbesserte Dehnung bei feinen Blechen aufweisen. In dieser Anmeldung ist der Mn-Gehalt auf 0,55% und der Fe-Gehalt auf 0,25% begrenzt, mit der Relation 0 < Mn – 2Fe < 0,2 (wobei die Mn- und Fe-Gehalte in % ausgedrückt sind).
Die Patentanmeldung WO 96/29440 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Erzeugnisses aus Aluminiumlegierung vom Typ 2024, umfassend ein Warmwalzen, Glühen, Kaltwalzen, Lösungsglühen, Abschrecken sowie eine minimale Kaltumformung, zum Beispiel ein Recken, Geraderichten oder Glätten, welches Verfahren die Formbarkeit verbessern soll. Da die Anmelderin feststellte, dass die Verwendung einer reinen Basis (sehr geringer Gehalt an Eisen und Silicium) und eines Mangangehalts unterhalb 0,5% zu einer verbesserten Formbarkeit führt, empfiehlt sie eine bevorzugte Zusammensetzung der Legierung: Cu: 4,0–4,4, Mg: 1,25–1,5, Mn: 0,35–0,5, Si < 0,12, Fe < 0,08, Ti < 0,06. Die zwischengeschaltete Glühung zwischen Warmwalzen und Kaltwalzen soll dabei günstig für die mechanische Festigkeit und die Bruchzähigkeit sein. Dieser zusätzliche und ungewöhnliche Verfahrensschritt weist jedoch wirtschaftliche Nachteile auf. Er löst auch nicht die marktseitig gestellte Aufgabe, nämlich Bleche mit Eigenschaften zur Verfügung zu stellen, die eine vereinfachte Formgebung ermöglichen.
Aufgabenstellung
Um die Herstellungskosten zu reduzieren, sind die Flugzeugbauer darauf bedacht, die Zahl der Umformschritte für die Bleche möglichst gering zu halten und Bleche zu verwenden, die mit Hilfe kurzer Verarbeitungsprogramme, d.h. mit möglichst wenigen Einzelschritten, kostengünstig hergestellt werden können. Die derzeitige Praxis der Flugzeugbauer bei Rumpfbeplankungen besteht darin, je nach geforderter Dicke warm- oder kaltgewalzte Bleche im Herstellungszustand (Zustand "F" gemäß Norm EN 515), im weichgeglühten Zustand (Zustand "O") oder im abgeschreckten, kaltausgelagerten Zustand (Zustand "T3" oder "T4") bereitzustellen, sie einer Wärmebehandlung zu unterziehen, bei der sie lösungsgeglüht und anschließend abgeschreckt werden, sie dann zu formen und einer Kalt- oder Warmauslagerung zu unterwerfen, um die geforderten Festigkeitseigenschaften zu erzielen.
Im Allgemeinen befinden sich die Bleche nach erfolgtem Lösungsglühen und Abschrecken in einem Zustand, der sich durch eine gute Formbarkeit auszeichnet, dieser Zustand ist jedoch instabil (Zustand "W") und die Formgebung muss unmittelbar nach dem Abschrecken erfolgen, d.h. innerhalb kurzer Zeit nach dem Abschrecken in einem Zeitraum von einigen Dutzend Minuten bis einigen Stunden. Wenn dies aus Gründen der Produktionssteuerung nicht möglich ist, muss das Blech in einem Kälteraum aufbewahrt werden, und zwar bei genügend niedriger Temperatur und für genügend kurze Dauer, um Kaltauslagerung zu vermeiden. Bei voluminösen und stark geformten Bauteilen erfordert diese Lösungsglühbehandlung große Öfen, was diesen Vorgang aufwendig macht, auch in Bezug auf den gleichen Vorgang, der an einem ebenen Blech durchgeführt wird. Der eventuell notwendige Kälteraum kommt zu den Kosten und Nachteilen des Stands der Technik noch hinzu. Bei stark verformten Bauteilen muss dieser Vorgang eventuell dann wiederholt werden, wenn der Werkstoff in dem metallurgischen Zustand, in dem er sich befindet, nicht eine Formbarkeit aufweist, die ausreicht, um die gewünschte Form in einem einzigen Arbeitsgang zu erzielen.
Ausgehend vom Zustand F kann als Formgebung nur das Rollformen in Betracht kommen. Dabei wird das gerollte Blech lösungsgeglüht und abgeschreckt, und es wird eine zweite Formgebung vorgenommen, entweder unmittelbar nach dem Abschrecken oder nach der Lagerung in einem Kälteraum. In allen anderen Fällen wird das Blech direkt lösungsgeglüht und abgeschreckt, bevor es in Form gebracht wird. Liegt ein Blech im Zustand O zugrunde, wird eine erste Formgebung ausgehend von diesem Zustand und eine zweite Formgebung nach Lösungsglühen und Abschrecken durchgeführt. Diese Variante wird dann verwendet, wenn die beabsichtigte Formgebung zu stark ist, um in einem einzigen Arbeitsgang ausgehend von einem Zustand W durchgeführt werden zu können, jedoch in zwei Arbeitsgängen ausgehend vom Zustand O ausgeführt werden kann. In diesem Zustand ist das Blech zwar weniger gut formbar, aber der Zustand O ist leichter zu verwenden als der Zustand W, der instabil ist und eine zusätzliche Wärmebehandlung erfordert. Allerdings findet bei der Herstellung des Blechs im Zustand O eine Endglühung des Blechs im Walzzustand und somit ein zusätzlicher Herstellungsschritt statt, was dem von der vorliegenden Erfindung bezweckten Ziel der Vereinfachung entgegensteht.
In bestimmten Fällen, selbst ausgehend von einem Blech im Zustand W, das in der Regel die beste Formbarkeit aufweist, lässt sich ein zweiter Formgebungsschritt nach Lösungsglühen und Abschrecken nicht vermeiden; dies stellt die dritte Variante des Verfahrens nach dem Stand der Technik dar.
Diese Art der Bearbeitung von Blechen aus der Legierung 2024 durch starke, gegebenenfalls unmittelbar nach dem Abschrecken erfolgende Formgebung findet insofern zunehmende Verbreitung, als die Tendenz in Richtung größere Einzelteile geht, um die Zahl der Verbindungen zu reduzieren, was sowohl technische Zielsetzungen (Verbindungen sind Stellen, an denen Korrosion und Ermüdungsrisse auftreten) als auch wirtschaftliche Zielsetzungen (Montagearbeiten machen einen großen Teil der Herstellungskosten eines Flugzeugs aus) erfüllt. Zudem kann durch den Einsatz größerer Bauteile das Gewicht des Flugzeugs reduziert werden.
In allen Fällen verschlechtern sich während der letzten Bearbeitung die Schadentoleranzeigenschaften unter der Einwirkung der Kaltverfestigung, die mit dieser Umformung verbunden ist.
Ziel der Erfindung ist es daher, das Verfahren zur Herstellung von Formteilen und insbesondere von Teilen, die durch ein oder mehrere Verfahren wie Ziehformen, Tiefziehen, Drückwalzen oder Biegen stark umgeformt werden, zu vereinfachen, und zwar durch die Kombination einer optimierten chemischen Zusammensetzung und besonderer Herstellungsverfahren, die es ermöglicht, das Lösungsglühen von Formblechen so weit wie möglich zu vermeiden.
Es versteht sich von selbst, dass jedes neue Verfahren zur Herstellung stark umgeformter Teile zu Teilen führen muss, deren Festigkeits- und Gebrauchseigenschaften im Vergleich zu existierenden Erzeugnissen mindestens ebenso gut sind.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung von Teilen, deren Schadentoleranzeigenschaften sich nach erfolgter Umformung nicht verschlechtern.
Gegenstand der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung stark verformter Teile aus AlCuMg-Legierung vom Typ 2024 mit folgenden Schritten:

a) Gießen einer Platte der Zusammensetzung (Gew.-%): Cu: 3,8–4,5, Mg: 1,2–1,5, Mn: 0,3–0,5, Si < 0,10, Fe < 0,20, Zn < 0,20, Cr < 0,05, Zr < 0,03, Ti < 0,05, Rest Al und Verunreinigungen,
b) Homogenisierung dieser Platte bei einer Temperatur von 460 bis 510°C und vorzugsweise 470 bis 500°C während 3 bis 6 h,
c) Warmwalzen mit einer Eingangstemperatur von 430 bis 470°C, vorzugsweise 440 bis 460°C, und einer Ausgangstemperatur von mehr als 300°C zur Gewinnung eines Bandes,
d) Zuschneiden des Bandes zu Blechen,
e) Formgebung durch Ziehformen, Tiefziehen, Drückwalzen und/oder Biegen,
f) Lösungsglühen zwischen 480 und 500°C für eine Dauer von 5 min bis 1 h,
g) Abschrecken.

Die Legierung hat vorzugsweise einen Kupfergehalt von 3,9 bis 4,3% (besonders bevorzugt von 3,9 bis 4,2%), einen Magnesiumgehalt von 1,2 bis 1,4% (besonders bevorzugt von 1,25 bis 1,35%), einen Mangangehalt von 0,3 bis 0,45%, einen Eisengehalt < 0,10%, einen Siliciumgehalt < 0,10 (bevorzugt < 0,08%), einen Gehalt an Titan, Chrom und Zirkon < 0,07% (bevorzugt < 0,05%). Durch das erfindungsgemäße Verfahren können eventuell plattierte Bleche verwendet werden, zum Beispiel Bleche, die mit einer Plattierung aus einer korrosionsbeständigeren Legierung versehen sind, wie dies gewöhnlich bei Blechen für die Rumpfbeplankung von Flugzeugen der Fall ist.
Beschreibung der Erfindung
Ein erstes Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer modifizierten Legierung im Vergleich zur herkömmlichen Legierung 2024. Bei der ersten Legierungsmodifikation werden die Gehalte an Si und Fe auf weniger als 0,25 bzw. 0,20% und vorzugsweise weniger als 0,10% reduziert. Andererseits wird auch der Mn-Gehalt auf weniger als 0,5% und vorzugsweise weniger als 0,45% reduziert. Schließlich wird noch der Cu-Gehalt geringfügig reduziert und auf weniger als 4,5% und vorzugsweise weniger als 4,3% oder sogar 4,2% gehalten. Der Mg-Gehalt wird ebenfalls etwas reduziert und auf weniger als 1,5%, vorzugsweise zwischen 1,2 und 1,4% oder sogar 1,25 bis 1,35% gehalten.
Die Anmelderin stellte dabei fest, dass diese aus dem Stand der Technik bekannte Zusammensetzung allein nicht ausreicht, die geforderte Formbarkeit zu erzielen.
Die Legierung wird zu Platten vergossen, die bei einer Temperatur zwischen 460 und 510°C (bevorzugt zwischen 470 und 500°C) während 2 bis 12 h (bevorzugt 3 bis 6 h) homogenisiert werden. Diese Platten werden eventuell gefräst. Das Warmwalzen erfolgt mit einer Eintrittstemperatur von 430 bis 470°C und vorzugsweise 440 bis 460°C. Der Austritt der Bänder erfolgt bei einer höheren Temperatur als üblich, > 300°C und vorzugsweise > 310°C.
Nach dem Warmwalzen werden die Bänder aufgehaspelt. Sie weisen in diesem Stadium eine Dehnung von mehr als 13,5% und zumeist mehr als 15% in Längs- und Längs-Querrichtung auf. Anschließend werden die Bänder zu Blechen geschnitten.
Bei einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung wird die Formgebung mittels Ziehformen, Tiefziehen, Drückwalzen oder Biegen direkt an diesem Werkstoffzustand F durchgeführt, ohne vorherige Glühung oder andere Vorbehandlung. Das partiell geformte Blech wird anschließend bei einer Temperatur zwischen 480 und 500°C während 5 min bis 1 h lösungsgeglüht und dann abgeschreckt, gewöhnlich mit kaltem Wasser.
Die Formgebung erfolgt in zwei oder mehreren Arbeitsgängen. Das frisch abgeschreckte Teil (weniger als eine Stunde) kann unmittelbar anschließend erneut geformt werden, oder aber es wird in einen Kälteraum mit einer Temperatur unterhalb 10°C und vorzugsweise unterhalb 0°C überführt und bei Austritt aus dem Kälteraum geformt. Man kann Bleche verwenden, die auf einer oder auf beiden Seiten plattiert sind, was bei der Rumpfbeplankung von Flugzeugen zumeist der Fall ist, wo die Bleche mit einer Legierung der Serie 1000 plattiert sind, beispielsweise der Legierung 1050, 1100, 1200, 1135, 1145, 1170, 1175, 1180, 1185, 1188, 1199, 1230, 1235, 1250, 1285, 1350 oder 1435.
Bei einer zweiten Ausführungsvariante wird die Formgebung an lösungsgeglühten und abgeschreckten Blechen fortgeführt. Die Formgebung kann im Zustand T3 oder T4 (abgeschreckt und ausgelagert mit oder ohne spätere Kaltumformung) oder bei stärker umgeformten Teilen im Zustand W erfolgen, d.h. weniger als 1 Stunde nach dem Abschrecken oder bei einem in einem Kälteraum aufbewahrten Blech sofort nach dem Abschrecken.
Bei der Verwendung von Blechen im Zustand T3 oder T4 weisen diese Bleche einen Kompromiss zwischen ihrer mechanischen Festigkeit und ihrer Formbarkeit auf, der mindestens einer der folgenden Eigenschaftsgruppen entspricht:

a) – ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte der Bruchdehnung A von mehr als 20% und vorzugsweise mehr als 22%, und
– ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte R_p0,2 von mehr als 305 MPa und
– ein LDH-Wert von mehr als 72 mm bei 1,6 mm Dicke bzw. ein LDH-Wert von mehr als 76 mm bei 3,2 mm Dicke bzw. ein LDH-Wert von mehr als 80 mm bei 4 bis 7 mm Dicke.
b) – ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte R_p0,2 von mehr als 305 MPa und
– ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte Ag von mehr als 18%.
c) – ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte der Bruchdehnung A von mehr als 22%, und
– ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte R_p0,2 von mehr als 305 MPa und
– ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte Ag von mehr als 18%.
d) – ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte R_p0,2 von mehr als 305 MPa, und
– ein Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung, Längsrichtung und bei 45° gemessenen Werte im ebenen Spannungszustand Atp von mehr als 18%,
– ein LDH-Wert von mehr als 72 mm bei 1,6 mm Dicke bzw. ein LDH-Wert von mehr als 76 mm bei 3,2 mm Dicke bzw. ein LDH-Wert von mehr als 80 mm bei 4 bis 7 mm Dicke.

Diese Bleche im Zustand T3 oder T4 weisen eine Formbarkeit auf, die durch mindestens eine der folgenden drei Eigenschaften gekennzeichnet ist:

(a) der LDH-Wert ist größer als 40 mm bei einer Dicke kleiner als 4 mm oder größer als 74 mm bei einer Dicke größer als 4 mm,
(b) die Grenzformänderungskurve zeigt einen Koeffizienten ε₁ > 0,18 für L = 500 mm bei 1,4 mm bis 2 mm Dicke,
(c) die Grenzformänderungskurve zeigt einen Koeffizienten ε₁ > 0,35 für L = 500 mm bei 5,5 mm bis 8 mm Dicke.

Sie weisen zudem verbesserte Schadentoleranzeigenschaften auf, gekennzeichnet durch mindestens eine der folgenden Eigenschaften:

(a) K_c (längs/quer) > 120 MPa√m
(b) K_c0 (längs/quer) > 90 MPa√m
(c) K_c (quer/längs) > 125 MPa√m
(d) K_c0 (quer/längs) > 80 MPa√m

Die Teile, die mit den Blechen im Zustand T3 oder T4 sowie im Zustand W hergestellt werden, zeigen nur eine sehr geringe Verschlechterung der Schadentoleranz nach der letzten Umformoperation, wenn deren Amplitude kleiner als 6% ist.
Die einzelnen Parameter, die oben und in den nachfolgenden Beispielen zur Kennzeichnung der Formbarkeit – Oberbegriff, der die relative Fähigkeit eines Metalls angibt, sich umzuformen – verwendet werden, sind wie folgt definiert:
Aus einem einachsigen Zugversuch gemäß Norm EN 10002-1, der für eine Blechdicke größer oder gleich 3 mm mit einer proportionalen Probe durchgeführt wird, deren Anfangslänge zwischen Bezugspunkten Lo proportional zur Anfangsquerschnittsfläche So gemäß der Relation Lo = 5,65√So ist, und für eine Blechdicke kleiner als 3 mm mit einer nichtproportionalen Probe vom Typ 1 gemäß EN 10002-1, Tabelle 4 durchgeführt wird, ergeben sich folgende Parameter:

– R_p0,2: Konventionelle Dehngrenze bei 0,2% bleibender Dehnung (in MPa)
– R_m: Zugfestigkeit (in MPa)
– A: Bruchdehnung (in %), zuweilen durch das Symbol "A%" dargestellt
– A_g: Nichtproportionale Dehnung bei Höchstkraft, auch Gleichmaßdehnung genannt (in %).

Pro Blech werden generell drei verschiedene Proben entnommen: in Walzrichtung (längs), in Längs-Querrichtung (längs/quer) und bei 45° zwischen Längs- und Längs-Querrichtung.
Alle sich aus einem einachsigen Zugversuch ergebenden Werte sind Mittelwerte aus zwei an der gleichen Stelle entnommenen Proben.
Die Gleichmaßdehnung ist die Dehnungsdifferenz zwischen Anfang und Ende des plastischen Verformungsbereichs, d.h. des bleibenden Verformungsbereichs vor Einschnürung, der Verformungskurve.
Die Dehnung im ebenen Spannungszustand A_tp entspricht der Bruchdehnung in einem Zugversuch bei ebener Spannung, bei dem im Gegensatz zum einachsigen Zugversuch dafür gesorgt wird, dass die Verformung zweidimensional, also in einer Ebene, und nicht dreidimensional ist, d.h. dass ε₂ = 0 anstatt ε₂ = ε₁/2.
Der LDH-Parameter (limit dome height) wird üblicherweise bei der Bewertung der Tiefziehbarkeit von 0,5 bis 2 mm dicken Blechen eingesetzt. Er war Gegenstand zahlreicher Publikationen, insbesondere:

R. Thompson, "The LDH test to evaluate sheet metal formabiblity – Final report of the LDH committee of the North American Deep Drawing Research Group", SAE conference, Detroit, 1993, SAE paper no. 930815;
R. A. Ayres, W. G. Brazier and V. F. Sajewski, "Evaluating the GMR limiting dome height test as a new measure of press formability near plane strain", J. Appl. Metalworking, 1979, vol. 1, p. 41–49;
J. M. Story, "Comparison of Correlations between Press performance and Dome tests results using two dome test procedures", J. Appl. Metalworking, 1984, vol. 3, p. 292–300.

Der LDH-Test ist ein Tiefziehversuch an einem Zuschnitt, der randseitig durch einen Ring fixiert ist. Der Niederhalterdruck, der diese Fixierung bewirkt, beträgt 240 MPa. Der 500 × 500 mm große Zuschnitt wird mit einer zweistufigen, gleichachsigen Dehnung beaufschlagt. Für die Schmierung zwischen Ziehstempel und Blech sorgt ein Plastikfilm und Schmierfett. Der LDH-Wert ist der Weg des Ziehstempels bis zum Bruch, d.h. die höchstzulässige Tiefe beim Ziehvorgang. Dabei wird der Mittelwert zwischen drei Versuchen berechnet.
Die gleiche Methode kann auch zur Bestimmung der Formbarkeit der dickeren Bleche (3 bis 9 mm) verwendet werden, allerdings muss dann ein größeres Werkzeug eingesetzt werden (Stempeldurchmesser 250 mm).
Die elastische Rückfederung R_e wird durch einen Biegeversuch unter Belastung bestimmt, mit dem bei gegebener Verformung die Rückfederung verschiedener Blechsorten (Bleche gleicher Dicke) verglichen werden kann.
Dabei wird eine flache Probe mit der Länge L = 250 mm, der Breite λ = 12 mm und der Dicke 0,1 mm < e < 5 mm zwischen zwei selbstklemmende Spannbacken eingeklemmt und mit einem Hydraulikzylinder, der mit der Versuchsvorrichtung fest verbunden ist, unter Zugspannung gehalten. Die vorgegebene Zugspannung wird während des gesamten Biegevorgangs durch die hydraulische Servoventilsteuerung des Zugzylinders konstant gehalten. Die Streckspannung wird durch Messung mit einem piezoelektrischen Sensor (Kistler-Sensor) in der Regelschleife aufgenommen. Die Streckspannung hängt von der Legierung und der Dicke der Probe ab.
Ein mit dem Erfassungsrechner verbundener Wegsensor ermöglicht die kontinuierliche Kontrolle der Versuchsparameter und berechnet den Biegewinkel der Probe. Ein mit dem Obergestell der Ziehmaschine fest verbundener Formstempel dient als Auflage für die Probe. Der bei den Versuchen verwendete Biegewinkel betrug 140° bei einem Stempel mit einem Radius r = 70 mm. Jede gebogene Probe wird nach Ausbau mit einem Profilometer mit Messkopf geprüft. Mit diesem Messgerät kann der Endwinkel sowie der erhaltene Biegeradius bewertet werden.
Die auf die Probe ausgeübte Zugspannung, die der gewünschten plastischen Formänderung entspricht, wird mit Hilfe der rationellen Spannungskurve bestimmt, indem die dem angestrebten Umformgrad entsprechende Spannung grafisch aufgenommen wird. Der anfängliche Umformgrad, der die Biegekraft definiert, wurde während des Versuchs konstant auf 0,2% gehalten.
Die Rückfederung wird durch folgende Formel gegeben:
mit

α_g: mit dem Profilometer gemessener Winkel (in °)
α_o: mit dem Rechner beim Biegen gemessener Winkel (in °)
R_e: Rückfederung (0 für Nullrückfederung und 1 für volle Rückfederung)

Die Berechnung des Biegeradius ergibt weniger gestreute Werte und wird wie folgt durchgeführt:
mit

R_o: Stempelradius
R_f: mit dem Profilometer gemessener Radius
R_e: Rückfederung (0 für Nullrückfederung und 1 für volle Rückfederung).

In der Praxis wird im Hinblick auf den unkomplizierten Ablauf und die Zuverlässigkeit der Umformoperationen eine Rückfederung R_e angestrebt, die so gering wie möglich und im Idealfall gleich Null ist.
Die Grenzformänderungskurven werden nach der Norm ISO 12004 (1987) bestimmt. Rechteckige Formate mit den Maßen 500 × L (L gleich 300 oder 500 mm) werden gemäß dem LDH-Test tiefgezogen, nachdem sie vorher mit einem Gitter (Gitterzelle 2 × 2 mm²) versehen wurden. Der Versuch mit L = 500 mm führt nach Tiefziehen zu ε₁ ≅ ε₂ (biaxiale Verformung); der Versuch mit L = 300 mm führt nach Tiefziehen zu ε₂ ≅ 0 (ebene Verformung).
Nach erfolgtem Bruch werden die Formate mit Hilfe des automatischen Messsystems CamSys in der Nähe der Rissbildungszone analysiert. Mit der Software Asame-CamSys kann eine Kartographie der Formänderungen in den analysierten Zonen angefertigt werden, wie dies von J. H. Vogel and D. Lee beschrieben wird: "The automated measurement of strains from three dimensional deformed surfaces", J. O. M., vol. 42, 1990, p. 8–13. Die Grenzformänderungen vor Einschnürung werden auf diese Weise analysiert und in einem Formänderungsschaubild mit den Koordinaten ε₁ und ε₂ dargestellt.
Die Schadentoleranz wird gemäß Norm ASTM E561 bestimmt (R-Kurven-Verfahren). Der Versuch wurde an Proben mit zentralem Riss mit der Breite W = 400 mm bei einer Risslänge 2a₀ = 133 mm durchgeführt. Dabei wird sowohl der kritische Spannungsintensitätsfaktor im ebenen Spannungszustand K_c als auch der scheinbare Spannungsintensitätsfaktor K_c0 (zuweilen auch mit dem Kurzzeichen K_app benannt) gemessen.
Beispiele
Beispiel 1
Es wurden verschiedene Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzungen in Tabelle 1 angegeben sind. Walzbarren wurden gegossen, gefräst und bei einer Temperatur zwischen 460 und 510°C während 2 bis 12 h homogenisiert. Nach Plattierung mit einer Legierung 1050 wurden die Barren auf eine Enddicke von größer oder gleich 4 mm warmgewalzt; für geringere Dicken wurden die Bänder kaltgewalzt. Die Bleche wurden in der Enddicke charakterisiert; die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Die Beispiele 1k, 1L, 1m, 1n, 1p und 1q entsprechen dabei der vorliegenden Erfindung. Die Beispiele 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i und 1j entsprechen dem Stand der Technik.
Tabelle 1
Es wird festgestellt, dass die sinnvolle Wahl der chemischen Zusammensetzung, die von WO 96/29440 vorgeschlagen wird, allein nicht ausreicht, um die Formbarkeit entsprechend dem Ziel der vorliegenden Erfindung zu verbessern. Dagegen wurde von der Anmelderin beobachtet, dass der Wahl einer hohen Austrittstemperatur im Walzwerk eine Verbesserung der Formbarkeit bewirkt, ausgedrückt durch die Bruchdehnung A. Die Wirkung der chemischen Zusammensetzung (insbesondere Cu < 4,3 und vorzugsweise < 4,2; Si < 0,10; Fe < 0,10) ist nur von untergeordneter Bedeutung.
Das erfindungsgemäße Verfahren gewährleistet somit im Vergleich zum Verfahren älterer Technik eine bessere Formbarkeit im Zustand F, ausgedrückt durch A%, LDH oder FLC. Insbesondere hat ein kaltgewalztes Band einen LDH-Wert größer als 42 mm und vorzugsweise größer als 44 mm, während ein warmgewalztes Band einen LDH-Wert größer als 73 mm und vorzugsweise größer als 75 mm hat. Ebenso wird deutlich, dass bei einer gegebenen Dicke die bevorzugte Zusammensetzung eine bessere Formbarkeit ergibt als die herkömmliche Zusammensetzung.
Die Festigkeitseigenschaften des Zwischenerzeugnisses (R_m, R_p0,2, etc.) haben hier keine Bedeutung, vorausgesetzt, dass das Fertigerzeugnis nach dem gesamten Verfahren mindestens genauso hohe Festigkeitseigenschaften besitzt wie das aus dem Verfahren älterer Technik hervorgehende Erzeugnis. Im Zustand T42, so wie er im Normvorschlag prEN 4211 vom Juli 1995 definiert ist, haben die beiden Erzeugnisse bei 6 mm Dicke und gleichem Fertigungsprogramm gleichartige Festigkeitseigenschaften.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird auch eine kumulierte Wirkung der Austrittstemperatur des Warmwalzwerks (Beisp. 1e und 1j verglichen mit 1k und 1n) und der chemischen Zusammensetzung (Beisp. 1p und 1q verglichen 1k und 1n) festgestellt.
Der LDH-Wert und das Niveau der FLC-Kurven sind bei einem kaltumgeformten Blech geringer als bei einem Blech, das nur warmgewalzt wurde; diese Wirkung ist bekannt. Überraschenderweise wurde jedoch von der Anmelderin festgestellt, dass der LDH-Wert, der einer der relevantesten Parameter bei der Bestimmung der Formbarkeit ist, bei einem gegebenen Verfahren (Warmwalzen) und vergleichbarer Dicke deutlich steigt, wenn die chemische Zusammensetzung in einem bevorzugten Zusammensetzungsbereich liegt: Cu 3,9–4,3 und vorzugsweise 3,9–4,2, Mg 1,2–1,4 und vorzugsweise 1,25–1,35, Mn 0,30–0,45, Si < 0,10 und vorzugsweise < 0,08, Fe < 0,10. Außerdem fand die Anmelderin heraus, dass die Formbarkeit noch weiter verbessert wird, wenn bestimmte Legierungselemente und Verunreinigungen streng kontrolliert werden, nämlich: Zn < 0,20%, Cr < 0,07% und vorzugsweise < 0,05%, Zr < 0,07% und vorzugsweise < 0,05%, Ti 0,07% und vorzugsweise < 0,05%.
Beispiel 2 (zum Vergleich)
Es wurden verschiedene Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzungen in Tabelle 3 angegeben sind. Walzbarren wurden gegossen, gefräst und bei einer Temperatur zwischen 470 und 510°C während 2 bis 12 h homogenisiert. Nach Plattierung mit einer Legierung 1050 wurden die Barren auf eine Enddicke von größer oder gleich 4 mm warmgewalzt; für geringere Dicken wurden die Bänder kaltgewalzt. Nach erfolgtem Schneiden der Bänder zu Blechen wurden diese einer für diese Art von Legierung typischen Lösungsglühung unterzogen (siehe prEN 4211 vom Juli 95), abgeschreckt und 30 Minuten nach dem Abschrecken charakterisiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt. Um die Proben genau vergleichen zu können, wurden die Operationen Lösungsglühen und Abschrecken an gebrauchsfertigen, bearbeiteten Proben durchgeführt, und für jede Bestimmung der Festigkeitseigenschaften setzte die Formänderung genau 30 Minuten nach Ende des Abschreckvorgangs ein. Die Beispiele 2h, 2L, 2m, 2p entsprechen dabei dem Stand der Technik.
Es zeigt sich, dass das Verfahren bei den Beispielen 2a, 2b, 2l, 2j, 2k, 2n bei vergleichbarer Dicke zu einer besseren Formbarkeit im Zustand W führt, wie dies in den folgenden Eigenschaften zum Ausdruck kommt: Gesamtdehnung A%, Gleichmaßdehnung A_g, Dehnung im ebenen Spannungszustand A_tp, LDH, FLC. Was die Grenzformänderungskurve betrifft, so wird festgestellt, dass sich bei einem Blech von 5 mm Dicke (Beispiel 2n), im Gegensatz zu einem Blech älterer Technik von praktisch gleicher Dicke (Beispiel 2p), ein Koeffizient ε₁ von 0,22 für L = 500 mm und ε₂ > 0,18 für L = 500 mm ergibt.
Der Vorteil des vorstehenden Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik besteht somit darin, dass tiefgehendere Formoperationen im Zustand W durchgeführt werden können und bei sehr tiefgehenden Formoperationen sogar auf eine zwischengeschaltete Lösungsglühung verzichtet werden kann.
Es war daher möglich, Bauteile in einem Arbeitsgang herzustellen, während nach älterer Technik zwei Arbeitsgänge dafür notwendig waren.
Beispiel 3 (zum Vergleich)
Es wurden verschiedene Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzungen in Tabelle 5 angegeben sind. Walzbarren wurden gegossen, gefräst und bei einer Temperatur zwischen 460 und 510°C während 3 bis 6 h homogenisiert. Nach Plattierung mit einer Legierung 1050 wurden die Barren auf eine Enddicke von größer oder gleich 4 mm warmgewalzt; für geringere Dicken wurden die Bänder kaltgewalzt. Die aus diesen Bändern ausgeschnittenen Bleche wurden einer für diese Art von Legierungen typischen, in Tabelle 6 angegebenen Lösungsglühung unterzogen (siehe prEN 4211 vom Juli 95), abgeschreckt und kaltausgelagert (mindestens 48 h bei Raumtemperatur). Danach wurde eine glättende Kaltumformung durchgeführt, an die sich ein kontrolliertes Recken mit einer gewünschten bleibenden Verformung von 1,5% anschloß. Die Ergebnisse sind in Tabelle 6 zusammengestellt.
Die Beispiele 3s, 3t, 3u, 3v, 3w entsprechen dabei dem Stand der Technik. Die Beispiele 3a, 3c, 3d entsprechen den Beispielen 2h, 2L und 2m des Beispiels 2; sie sind hier zum Vergleich aufgeführt, um eine Legierung 2024 im Zustand W nach dem Stand der Technik darzustellen.
Vergleicht man die Bleche mit der optimierten Zusammensetzung im Zustand T3 mit den Blechen, die in den Verfahren älterer Technik verwendet werden, d.h. eine Legierung 2024 im Zustand T3 (Beispiele 3s, 3t, 3u, 3v, 3w) oder W (Beispiele 3a, 3b, 3c, 3d), so stellt man fest, dass das Verfahren bei einer gegebenen Dicke zu einer besseren Formbarkeit führt, wie sich dies aus der Bruchdehnung und vor allem aus den LDH- und FLC-Werten ergibt. Die elastische Rückfederung ist geringer als bei der älteren Technik.
Insbesondere dann, wenn die chemische Zusammensetzung im Vorzugsbereich liegt, bewirkt das Verfahren eine Verbesserung der Formbarkeit, so wie sie durch die vorstehend aufgezählten Parameter gekennzeichnet ist. Es können viel strengere Formoperationen als im Zustand T3 älterer Technik durchgeführt werden oder sogar auf das Lösungsglühen verzichtet werden, da das Verfahren zu einem Erzeugnis führt, dessen Formbarkeitseigenschaften mindestens genauso gut sind wie das Erzeugnis im Zustand W aus dem Verfahren älterer Technik.
Weiterhin wurde an zwei Blechen eine Ziehoperation durchgeführt, die zu einer Gesamtdehnung von 3% bzw. 5% führte, wobei vor und nach dem Ziehen die Schadentoleranzeigenschaften bestimmt wurden, d.h. die Bruchzähigkeit K_C0 und K_C in den Richtungen quer/längs und längs/quer. Es wurden auch die Festigkeitseigenschaften in Quer-Längsrichtung bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengestellt.
Es wird festgestellt, dass das Verfahren nach erfolgtem Ziehformen nicht zu einer nennenswerten Verminderung der Schadentoleranzeigenschaften führt, im Gegensatz zum Verfahren nach dem Stand der Technik. Es wird sogar festgestellt, dass das Verfahren die Schadentoleranz im gezogenen Zustand, d.h. im Zustand, in dem sich das fertige Bauteil befindet, verbessert.
Tabelle 7

Claims

Verfahren zur Herstellung stark verformter Teile aus AlCuMg-Legierung mit folgenden aufeinanderfolgenden Schritten: a) Gießen einer Platte der Zusammensetzung (Gew.-%): Cu: 3,8–4,5 Mg: 1,2–1,5 Mn: 0,3–0,5 Si < 0,25 Fe < 0,20 Zn < 0,20 Cr < 0,10 Zr < 0,10 Ti < 0,10, Rest Al und Verunreinigungen, b) Homogenisierung bei einer Temperatur von 460 bis 510°C während 2 bis 12 h und vorzugsweise bei einer Temperatur von 470 bis 500°C während 3 bis 6 h, c) Warmwalzen mit einer Eingangstemperatur von 430 bis 470°C, vorzugsweise 440 bis 460°C, und mit einer Ausgangstemperatur des Bandes von mehr als 300°C, d) Zuschneiden des in Schritt c) gewonnenen Bandes zu Blechen, e) Formen der zugeschnittenen Bleche durch ein oder mehrere Verfahren, gewählt unter Ziehformen, Tiefziehen, Drückwalzen oder Biegen, f) Lösungsglühen zwischen 480 und 500°C für eine Dauer von 5 min bis 1 h, g) Abschrecken.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das geformte Teil nach Lösungsglühen und Abschrecken folgendem Verfahren unterzogen wird: a) eventuell sofortige Überführung des frisch abgeschreckten Teils in einen Kälteraum mit einer Temperatur unterhalb 10°C und vorzugsweise unterhalb 0°C, b) weniger als 1 Stunde nach Abschrecken und Herausnehmen des Teils aus dem Kälteraum erneutes Formen des Blechs durch ein oder mehrere Verfahren, gewählt unter Ziehformen, Tiefziehen, Drückwalzen oder Biegen.
Verfahren zur Herstellung stark verformter Teile aus AlCuMg-Legierung nach Anspruch 1, bei dem die Bleche nach erfolgtem Zuschneiden in Längs- und Längs-Querrichtung eine Bruchdehnung A von mehr als 13,5% und vorzugsweise mehr als 15% aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech auf einer oder beiden Seiten mit einem anderen Blech aus Aluminiumlegierung plattiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittstemperatur beim Warmwalzen mehr als 300°C und vorzugsweise mehr als 310°C beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Cu-Gehalt 3,9 bis 4,3% und vorzugsweise 3,9 bis 4,2% beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mg-Gehalt 1,2 bis 1,4% und vorzugsweise 1,25 bis 1,35% beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Mn-Gehalt 0,30 bis 0,45% beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Si-Gehalt weniger als 0,10 und vorzugsweise weniger als 0,08% beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Fe-Gehalt weniger als 0,10% beträgt.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Cr < 0,07% und vorzugsweise < 0,05%, Zr < 0,07% und vorzugsweise < 0,05%, Ti 0,07% und vorzugsweise < 0,05%.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass Cu 3,9–4,3 Mg 1,2–1,4 Mn 0,30–0,45 Si < 0,10 Fe < 0,10 und dass das warmgewalzte Blech einen LDH-Wert größer 73 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das warmgewalzte Blech einen LDH-Wert größer 75 mm aufweist.