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EFB-Forschungsbericht Nr. 549

Tailored Tempering von 7xxx-Aluminiumlegierungen

efb-549

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Hendrik Vogt, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, Dr.-Ing. Sabine Behrens, Dr. sc. techn. Oleksandr Golovko, Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover

126 Seiten (sw, 103 teils farbige Abb., 18 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-606-7

Preis (Digital) EUR 58,00

Preis (Print) EUR 73,00

Zusammenfassung

Aufgrund der hohen spezifischen Festigkeit sind Aluminiumlegierungen der 7xxx-Reihe geeignete Konstruktionswerkstoffe für Strukturbauteile moderner Automobilkarosserien. Dank der Kombination der Festigkeit mit einer im Vergleich zu formgehärteten Stählen gesteigerten Duktilität erreichen diese Legierungen ein hohes Leichtbaupotenzial.

Die aushärtbaren kupferhaltigen 7xxx-Aluminiumlegierungen bieten dazu die Möglichkeit, Bauteile mit belastungsangepassten mechanischen Eigenschaften herzustellen. Dies beruht auf der Abschrecksensitivität, die nach dem Prozess des Lösungsglühens die Bauteileigenschaften maßgeblich mitbeeinflusst.

So können Verfahren des „tailored tempering" eingesetzt werden, um Strukturbauteile mit gradierten Festigkeits- und Duktilitätsverläufen zu erhalten. Konkret ist es möglich, Platinen nach dem Lösungsglühen partiell abzuschrecken, um so die unterschiedlichen Bauteilbereiche in ihren mechanischen Eigenschaften einzustellen.

Eingeschränkt wird der Einsatz dieser Legierungsgruppe allerdings durch die geringe Umformbarkeit der Platinen im hochfesten T6-Zustand bei Raumtemperatur. Ein Verfahren, um die Umformbarkeit zu verbessern, ist die Umformung im duktileren W-Zustand. Dieser wird nach dem Lösungsglühen und Abschrecken erreicht und bietet die Möglichkeit, diese Werkstoffe ebenfalls bei Raumtemperatur umzuformen.

Dabei kann die Umformung im W-Zustand mit der im vorangegangenen beschriebenen partiellen Abkühlung nach dem Lösungsglühen verbunden werden. Somit bietet das aggregierte Verfahren zum einen eine im Vergleich zur Halbwarm- und Warmumformung wirtschaftlicheren Möglichkeit, Blechbauteile aus 7xxx-Aluminiumlegierungen mittels Umformung herzustellen. Zum anderen ist es möglich, belastungsangepasste Strukturbauteile mit hohem Leichtbaupotenzial herzustellen.

Ziel des im Folgenden beschriebenen Forschungsprojekts war es, die aggregierte Prozesskette aus partiellem Abschrecken und Umformen im W-Zustand für Tiefziehprozesse zu qualifizieren. Teilziele waren dabei die Ermittlung einer geeigneten Wärmebehandlung der 7xxx-Aluminiumlegierungen in Abhängigkeit des eingesetzten Abschreckverfahrens sowie der durchgeführten Warmauslagerung.

Ein weiteres Teilziel war die Bereitstellung einer partiellen Abkühlstrategie für Platinen zum Erhalt von Bauteilen mit gradierten Festigkeits- und Duktilitätsverläufen. Zudem war es Ziel, die Umformbarkeit der Legierungen in Abhängigkeit der Kaltauslagerungsdauer nach Erreichen des W-Zustands zu maximieren.

Wärmebehandlungsparameter zur Bestimmung einer geeigneten Wärmebehandlungsstrategie wurden durch Untersuchungen in Zugversuchen, Härteprüfungen und Plättchenbiegeversuchen bewertet. Die Ergebnisse wurden mittels statistischer Versuchsplanung zusammengefasst und eine optimierte Wärmebehandlung bestimmt, die zu einer Steigerung des Leichtbaupotenzials für partiell abgeschreckte Bauteile führt.

Zusätzlich wurde eine partielle Abschreckstrategie entwickelt, die nach dem Lösungsglühen der Platinen zu Bauteilen mit gradierten mechanischen Eigenschaften führt. Die Strategie wurde erfolgreich auf weitere Blechdicken sowie verschiedene Platinengeometrien übertragen. Neben der Einstellung gradierter Eigenschaften wurde ein Prozessfenster für die Umformung im W-Zustand ermittelt.

Dies wurde durch Tiefziehversuche validiert und mit Umformsimulationen verglichen. Abschließend wurde die Prozessroute mit gradierter Abkühlung und Umformung im W-Zustand auf einen Demonstratorprozess übertragen.

Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Tailored Tempering von 7xxx-Aluminiumlegierungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 20190N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 549 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Due to their high specific strength, aluminium alloys of the 7xxx series are appropriate con-struction materials for structural components of modern car bodies. Thanks to the combination of strength with increased ductility compared to hot stamped steels, these alloys reach a high lightweight potential.

In addition, the age hardening copper-containing 7xxx aluminium alloys offer the possibility of producing components with load-adapted mechanical properties. This is based on the quench sensitivity, which significantly influences the component properties after the solution annealing process. Tailored tempering processes can be used to obtain structural components with graduated strength and ductility profiles.
Specifically, it is possible to partially quench blanks after solution annealing in order to set the different component areas. However, the use of this alloy type is limited by the low formability of the blanks in the high-strength T6 state at room temperature. One method to improve the formability is to form the blanks in the more ductile W state.

The W state is obtained after solution annealing and quenching and offers the possibility to form these materials also at room temperature. The forming in the W-state can be combined with the partial quenching after solution annealing described above. Thus, the aggregated process offers on the one hand an economical possibility to produce sheet metal components from 7xxx aluminium alloys by means of forming compared to warm and hot forming.

On the other hand, it is possible to produce load-adjusted structural components that further increase the lightweight construction potential.
The aim of the research project was to qualify the aggregated process chain of partial quenching and forming in the W state for deep drawing processes. Partial objectives were the determination of a suitable heat treatment of the 7xxx aluminium alloys depending on the quenching process used and the artificial ageing conducted.

Another objective was to provide a partial cooling strategy for blanks in order to obtain com-ponents with graded strength and ductility profiles. In addition, the aim was to maximise the formability of the alloys as a function of the cold ageing time after obtaining the W condition.
Heat treatment parameters to determine a suitable heat treatment strategy were evaluated by investigations in tensile tests, hardness tests and plate bending tests. The results were summarised using statistical design of experiments to determine an optimised heat treatment that leads to an increase in the lightweight potential for partially quenched components.

In addition, a partial quenching strategy was developed that leads to components with graded mechanical properties after solution annealing of the blanks. The strategy was successfully transferred to other sheet thicknesses as well as different blank geometries.

In addition to the setting of graded properties, a process window for forming in the W state was determined. This was validated by deep drawing tests and compared with forming simulations. Finally, the process route with graded quenching and forming in the W state was transferred to a demonstrator process.

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
1 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Technik
2.1 Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen
2.2 Umformung von 7xxx-Aluminiumlegierungen
2.2.1 Kaltumformung
2.2.2 Weitere Umformverfahren der Halbwarm- und Warmumformung
2.3 Korrosion von Aluminiumlegierungen
2.3.1 Spannungsrisskorrosion
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Untersuchungswerkstoffe & Versuchsdurchführung
4.1 Untersuchungswerkstoffe
4.2 Versuchsanlagen und Untersuchungsmethoden
4.2.1 Wärmebehandlungsanlagen
4.2.2 Zugversuche
4.2.3 Härteprüfung
4.2.4 Biegeuntersuchungen
4.2.5 Elektrische Leitfähigkeitsuntersuchungen
4.2.6 Spannungsrisskorrosionsuntersuchungen
4.2.7 VDA-Wechseltest
4.2.8 Umformversuche
4.2.9 Formänderungsanalyse
4.2.10 Maßhaltigkeitsuntersuchungen
5 Wärmebehandlung von kupferhaltigen 7xxx-Aluminiumlegierungen
5.1 Referenzzustände
5.2 Kombinierte Wärmebehandlungsprozesse
5.3 Korrosionsbeständigkeit
6 Wärmebehandlungsprozess zur Einstellung gradierter Eigenschaften
6.1 Umbau Sprayfeld
6.2 Einfluss der Sprayparameter
7 Umformverhalten von 7xxx-Aluminiumlegierungen im W-Zustand
7.1 Fließverhalten
7.2 Formänderungsvermögen
7.3 Bauteilherstellung und Analyse
8 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
9 Ergebnisse und Ausblick
10 Projektauswertung und Ergebnistransfer
10.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
10.2 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
11 Literatur
12 Anhang
A1 Referenzzustände
A2 Kombinierte Wärmebehandlungsprozesse
A3 Spraykühlung
A4 Grenzformänderungskurven
A5 Bauteilherstellung und Analyse