Fahrzeuqteil, eine Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung des Blechs oder Bands

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Blech oder Band aus einer aushärtbaren Aluminiumlegie rung, ein daraus gefertigtes Fahrzeugteil, dessen Verwendung und ein Verfahren zur Herstellung des Blechs oder Bands.

Stand der Technik

Um bei einem Aluminiumblech sowohl eine hohe Verformbarkeit beim Umformen bzw. Blechumformen, als auch eine vergleichsweise hohe Festigkeit nach einem Ein brennzyklus (beispielsweise bei einem KTL-Verfahren) zu ermöglichen, schlägt die US4140556B1 vor, eine Al-Mg-Aluminiumlegierung, aufweisend 3,5 bis 5,5 Gew.-% Mg, mit 0,5 bis 2 Gew.-% Zn und gegebenenfalls mit 0,3 bis 1 ,2 Gew.-% Cu zu er gänzen und in den Zustand T4 (Lösungsglühen, Abschrecken mit Kaltauslagerung) überzuführen.

Nachteilig zeigt sich bei der in der US4140556B1 geoffenbarten Legierung im Zu stand T4 kein bzw. ein äußerst geringer R _P o,2-Festigkeit-Zugewinn (z. B.: AI4,7Mg1 ,5ZnO,6Cu ca. 5 MPa R _P o,2-Festigkeit-Zugewinn) durch den Einbrennzyklus („paint-bake cycle“) - was die Wärme des Einbrennzyklus für eine Festigkeitssteige rung vernachlässigt und damit beispielsweise die Energieeffizienz in der Herstellung von Fahrzeugteilen reduziert.

Zudem ist aus der US20170349989A1 eine Al-Mg-Aluminiumlegierung mit 1 ,75 Gew.-% Mg und 0,78 Gew.-% Cu bekannt, die im Zustand T4-FH, also im Zustand T4 mit einer Stabilisierungsglühbehandlung („pre-aging“), einen R _P o,2-Festigkeit-Zu- gewinn durch den Einbrennzyklus („paint-bake cycle“) von ca. 60 MPa erreicht. Diese Lackeinbrennreaktion („Paint Bake Response“ bzw. PBR) ist im Vergleich mit 6xxx- Legierungen im Zustand T4-FH vergleichsweise niedrig, deren PBR bei 100 bis ma ximal 150 MPa R _P o,2-Festigkeit-Zugewinn liegt.

Dieser Umstand schließt derzeit Al-Mg-Aluminiumlegierung für Bauteile, die eine hohe Festigkeit im Einsatzzustand benötigen aus - dies, obwohl Al-Mg-Aluminiumle- gierungen im Vergleich mit 6xxx-Legierungen besser umformbar wären.

Darstellung der Erfindung

Die Erfindung hat sich daher die Aufgabe gestellt, eine Al-Mg-Aluminiumlegierung zur Verfügung zu stellen, die eine hohe Warmaushärtereaktion, insbesondere Lackein brennreaktion (PBR), aufweist. Zudem soll diese Al-Mg-Aluminiumlegierung ver gleichsweise hohe Festigkeiten erreichen können.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe nach den Merkmalen des Anspruchs 1 .

Die in den Legierungselementen von 4,0 bis 5,5 Gew.-% Magnesium (Mg) und von 2,5 bis 5,5 Gew.-% Zink (Zn), ausgewogene Aluminium legierung im Zustand T4-FH, nämlich den Zustand T4 mit einer Stabilisierungsglühbehandlung, wobei Gew.-% Magnesium (Mg) > Gew.-% Zink (Zn) ist, zeigt überraschend eine besonders hohe Warmaushärtereaktion. Beispielsweise kann hierfür diese Stabilisierungsglühbe handlung bei 95 °C bis 125 °C, insbesondere bei 100 °C bis 120 °C, für mindestens 20 min und maximal 10 h, insbesondere für mindestens 2 h und maximal 4 h, erfolgen. So konnte bei einem Blechumformgrad von 2 % mit einer Lackeinbrennreaktion bei 185 °C für 20 Minuten ein R _P o,2-Festigkeits-Zugewinn von weit über 150 MPa erreicht werden - was selbst von, auf PBR-optimierten 6xxx Legierungen unbekannt ist. Of fensichtlich reagiert diese Al-Mg-Zn-Legierung im Zustand T4-FH, nämlich die lö sungsgeglühte, beschleunigt abgekühlte (vorzugsweise abgeschreckte), stabilisie- rungsglühbehandelte und kaltausgelagerte Al-Mg-Zn-Legierung, besonders schnell- aushärtend auf ein Lackeinbrennen - beispielsweise durch eine bevorzugte Bildung von stabilen Vorläufern der T-Phase (Mg32(AI,Zn)49 bzw. MgsZ Ab) während der Sta bilisierungsglühbehandlung, welche sich im Zuge des Lackeinbrennen („paint-bake cycle“) zu stark härtend wirkenden Ausscheidungen weiterentwickeln und damit eine besonders starke Lackeinbrennreaktion („Paint Bake Response“ bzw. PBR) hervor- rufen. Gleichzeitig wird durch die Bildung ebenjener Phasen bzw. Clustern im Grö ßenbereich von 1 bis 10 nm die Ausscheidung von S-Phase und ß-Phase aufgrund des, vergleichsweise hohen Zn-Gehalts unterdrückt. Im Gegensatz zu einem nicht stabilisierungsglühbehandelten Blech oder Band ermöglichen diese erzeugten Pha sen bzw. Cluster eine deutliche Festigkeitssteigerung im Zuge einer Warmaushär- tereaktion, beispielsweise Lackeinbrennreaktion bei 185 °C für 20 Minuten. Außerdem ist diese erfindungsgemäße Aluminiumlegierung im Zustand T4-FH auf grund der vergleichsweise hohen Warmaushärtereaktion energieeffizient in der Aus nützung der zur Verfügung stehenden Wärmeenergien in nachfolgenden Herstel lungsschritten.

Die erfindungsgemäße Aluminiumlegierung kann somit eine besonders gute Eignung zur Herstellung eines Formteils eines Fahrzeugs, vorzugsweise Karosserieteils, bei spielsweise der Außenhaut, aufweisen.

Optional kann das Blech oder Band ein oder mehrere Elemente aufweisen: von 0 bis 0,8 Gew.-% Kupfer (Cu) und/oder von 0 bis 0,2 Gew.-% Silber (Ag) und/oder von 0 bis 1 ,0 Gew.-% Mangan (Mn) und/oder von 0 bis 0,45 Gew.-% Silizium (Si) und/oder von 0 bis 0,55 Gew.-% Eisen (Fe) und/oder von 0 bis 0,35 Gew.-% Chrom (Cr) und/o der von 0 bis 0,2 Gew.-% Titan (Ti) und/oder von 0 bis 0,8 Gew.-% Zirkon (Zr) und/o der von 0 bis 1 ,0 Gew.-% Hafnium (Hf) und/oder von 0 bis 0,3 Gew.-% Niob (Nb) und/oder von 0 bis 0,25 Gew.-% Tantal (Ta) und/oder von 0 bis 0,2 Gew.-% Vanadium (V).

Als Rest weist die Aluminiumlegierung Aluminium sowie herstellungsbedingt unver meidbare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% auf. Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter Fahrzeug beispielsweise ein Land-, Was ser- und/oder Luftfahrzeug zu verstehen ist.

Bekanntermaßen wird zum Erreichen des Zustands T4-FH die Legierung zusätzlich zu einer T4 Behandlung (= lösungsgeglüht mit Kaltauslagerung bzw. Kaltaushärtung) einer Wärmebehandlung, beispielsweise einem Wärmestoß, nach dem Lösungsglü hen und beschleunigten Abkühlen unterworfen und danach kaltausgelagert.

Weitere Beispiele für solch eine Stabilisierungsglühbehandlung sind aus der Literatur (vgl. Friedrich Ostermann: Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, Erschei nungsjahr 2014, ISBN 987-3-662-43806-0, Seite 138), DE112011103667T5 bekannt - welche Stabilisierungsglühbehandlung auch als Vorauslagerungsbehandlung oder als „pre-aging“ bekannt ist.

Aus Friedrich Ostermann, Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, Erschei nungsjahr 2014, ISBN 987-3-662-43806-0, Seite 175 ist zudem Lösungsglühen be kannt, nach dem beim Lösungsglühen eine möglichst vollständige Lösung der an der Aushärtung beteiligten Legierungselemente erreicht wird.

Ein hoher PBR kann ermöglicht werden, wenn die Aluminiumlegierung von 3,0 bis 4,0 Gew.-% Zn, insbesondere von 3,3 bis 3,7 Gew.-% Zn, aufweist - insbesondere, weil in Kombination mit Magnesium ein vergleichsweise sehr günstiges Aushärtepotenzial eingestellt werden kann. Zudem weist die Legierung im Zustand T4-FH eine gegen über einer Zn-freien Legierung eine vergleichsweise hohe Dehngrenze auf, welche nach darauffolgendem Umformen und Lackeinbrennen deutlich erhöht wird.

Vorstehendes ist weiter verbesserbar, wenn die Aluminiumlegierung von 4,5 bis 5,0 Gew.-% Mg aufweist. Dies kann einerseits in Kombination mit Zn zu einem günstigen Aushärtepotenzial, nämlich PBR, und andererseits zu einer sehr guten Umformbar- keit durch das im Al-Mischkristall zwangsgelöste Mg führen.

Dies insbesondere, wenn die Aluminiumlegierung von 0,3 bis 0,6 Gew.-%, insbeson dere 0,4 bis 0,6 Gew.-%, beispielsweise 0,5 bis 0,6 Gew.-%, Cu aufweist. Derart kann beispielsweise eine Erhöhung der Ausscheidungsdichte im Zuge der Sta bilisierungsglühbehandlung erreicht und eine weitere Erhöhung des PBR ermöglicht werden.

Vorzugsweise gilt bei einem Cu-Gehalt von > 0,5 Gew.-%, dass der Gehalt an Zn die Bedingung erfüllt: Zn=7.2-3.4 ^* Cu [Gew.-%]

Vorzugsweise kann die Aluminiumlegierung von 0,1 bis 0,3 Gew.-% Silber (Ag) auf weisen. Dieser vorgeschlagene Gehalt an Ag führt - ähnlich wie bei Cu - zu einer zusätzlich höheren Ausscheidungsdichte im Zuge der Stabilisierungsglühbehandlung - und ermöglicht eine weitere Erhöhung des PBR.

Vorzugsweise kann die Aluminiumlegierung von 0,05 bis 0,25 Gew.-% Eisen (Fe) aufweisen, um einen erhöhten Anteil an Sekundäraluminium an der Legierung zuzu lassen.

Vorzugsweise kann die Aluminiumlegierung von 0,3 bis 1 ,0 Gew.-% Mangan (Mn) aufweisen. Vorzugsweise weist die Aluminiumlegierung von 0,3 bis 0,5 Gew.-% Man gan (Mn) auf. Mit dem vorgeschlagenen Gehalt an Mn kann unter anderem die Mor phologie eisenhaltiger Phasen verändert werden, wodurch diese weniger duktilitäts mindernd wirken. Daneben erlauben erhöhte Mn-Gehalte die Einstellung kleinere Korngrößen, was der Umformbarkeit förderlich sein kann. Zudem kann der Gehalt an Mn zur Einstellung von geeigneten Primärphasen beitragen, Lüderslinien zu unter drücken.

Vorzugsweise kann die Aluminiumlegierung von 0,05 bis 0,15 Gew.-% Titan (Ti) auf weisen, um beispielsweise die Korngröße kontrolliert einzustellen.

Ein erfindungsgemäßes Blech oder Band mit einer Dicke von 0,5 bis 4 mm, insbe sondere von 0,8 bis 2,5 mm, kann sich speziell auch zur Herstellung von Formteilen eines Fahrzeugs, beispielsweise Kraftfahrzeugs, eignen.

Vorzugsweise weist die Aluminiumlegierung des Blechs oder Bands eine Dichte an Guinier-Preston-I-Zonen (GPI-Zonen) von mindestens 0,25 x 10 ²³ GPI-Zonen/m ³ mit mindestens 700 Atomen pro GPI-Zone auf, gemessen unter Anwendung der Auswer temethode von Felfer (vgl. P. Felfer, et al. , Detecting and extracting clusters in atom probe data: a simple, automated method using Voronoi cells, Ultram icroscopy 150 (2015) 30-36) auf die mittels Atomsondentomographie (Atomsonde vom Typ LEAP 3000FIR) ermittelten Daten mit Zn als Kernatom für Guinier-Preston-I-Zonen (GPI- Zonen) in Cu-freien Al-Legierungen und Zn+Cu als Kernatome für Cu-haltige Al-Le- gierungen.

Damit kann sichergestellt werden, dass Wachstums- bzw. entwicklungsfähige Vorläu fer der T-Phase (Mg32(AI,Zn)49 bzw. MgsZ Ah) in ausreichender Dichte und Größe vorhanden sind, um den R _P o,2-Festigkeits-Zugewinn im Zuge des Einbrennzyklus („paint-bake cycle) sicherzustellen bzw. zu verbessern. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die Aluminiumlegierung des Blechs oder Bands eine Dichte an Guinier- Preston-I-Zonen (GPI-Zonen) von mindestens 1 ,5 x 10 ²³ GPI-Zonen/m ³ mit mindes tens 700 Atomen pro GPI-Zone aufweist.

Ausreichend kann zudem sein, wenn die Aluminiumlegierung des Blechs oder Bands eine Dichte an Guinier-Preston-I-Zonen (GPI-Zonen) von höchstens 5,0 x 10 ²³ GPI- Zonen/m ³ mit mindestens 700 Atomen pro GPI-Zone aufweist.

Insbesondere kann sich das erfindungsgemäße Blech oder Band für ein Fahrzeugteil, vorzugsweise Karosserieteil eignen.

Ein Blech oder Band, das Formteile mit komplexer Geometrie und hoher Streck grenze R _P o,2 ermöglicht, kann hergestellt werden, indem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:

Warmwalzen eines Walzbarrens zu einem warmgewalzten Blech oder Band; Kaltwalzen des warmgewalzten Blechs oder Bands auf eine Enddicke, optional mit einem Zwischenglühen des Blechs oder Bands,

Wärmebehandlung des auf die Enddicke kaltgewalzten Blechs oder Bands, wo bei die Wärmebehandlung umfasst:

Lösungsglühen mit nachfolgendem, beschleunigtem Abkühlen, Stabilisierungsglühbehandlung des beschleunigt abgekühlten Blechs oder Bands und

Kaltauslagerung des stabilisierungsglühbehandelten Blechs oder Bands. Erfindungsgemäß kann durch die Stabilisierungsglühbehandlung der erfindungsge mäßen Legierung deren schnelle Aushärtekinetik, hervorgerufen durch die Bildung stabiler Keime, welche für die starke Warmaushärtereaktion, insbesondere Lackein brennreaktion, verantwortlich sind, sichergestellt werden.

Vorzugsweise erfolgt die Stabilisierungsglühbehandlung bei 95 °C (Grad Celsius) bis 125 °C für mindestens 20 min (Minuten) und maximal 10 h (Stunden), um durch diese Temperaturführung das Blech oder Band reproduzierbar auf eine vergleichsweise hohe Warmaushärtereaktion, insbesondere Lackeinbrennreaktion (Paint Bake Response bzw. PBR), vorzubereiten. Diese Warmaushärtereaktion, beispielsweise PBR, kann weiter erhöht werden, wenn die Stabilisierungsglühbehandlung bei 100 °C bis 120 °C und/oder für mindestens 2 h und maximal 4 h erfolgt.

Als vorteilhafte Verfahrensbedingungen können sich heraussteilen, wenn das Lö sungsglühen bei 450 °C bis 500 °C, insbesondere bzw. beispielsweise bei 460 °C bis 490 °C, erfolgt. Im Zuge des Lösungsglühens kann auch ein Rekristallisieren eintre- ten.

Um ein vergleichsweise hohes Aushärtepotenzial sicherzustellen, erfolgt das be schleunigte Abkühlen mit einer Abkühlrate des Blechs oder Bands von mindestens 10 °C/s. Vorzugsweise erfolgt das beschleunigte Abkühlen mit einer Abkühlrate von mindestens 20 °C/s. Insbesondere ist vorteilhaft, wenn das beschleunigte Abkühlen des Blechs oder Bands mit einer Abkühlrate von mindestens 10 °C/s dann erfolgt, wenn das Blech oder Band eine Temperatur beim Abkühlen unterhalb von 300 °C aufweist. Im Allgemeinen wird erwähnt, dass unter bescheinigtem Abkühlen eine schnellere Abkühlung als eine Abkühlung bei Raumtemperatur und ruhender Luft ist (vgl. Fried rich Ostermann, Anwendungstechnologie Aluminium, 3. Auflage, Erscheinungsjahr 2014: Abkühlen nach dem Lösungsglühen).

Vorzugsweise erfolgt das Warmwalzen bei einer Temperatur des Blechs oder Bands von 310 °C bis maximal 440 °C, um beispielsweise Kantenrissen und Crocodiling beim Warmwalzen sicher zu vermeiden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann da her besonders prozesssicher sein.

Die erfindungsgemäßen Vorteile hinsichtlich hoher Verformbarkeit für komplexe Ge ometrie und hoher Streckgrenze R _P o,2, können sich als besonders vorteilhaft heraus steilen, wenn das gegenständliche Aluminiumblech oder -band zum, insbesondere kalten, Umformen, insbesondere Blechumformen, und nachfolgenden Warmaushär- ten, insbesondere Einbrennen, vorzugsweise Lackeinbrennen, zu einem Formteil, insbesondere Fahrzeugteil, vorzugsweise Karosserieteil, beispielsweise der Außen haut, in einem Fahrzeug verwendet wird.

Vorteilhafte Verfahrensverhältnisse können sich ergeben, wenn das Lackeinbrennen bei 150 °C bis 200 °C für mindestens 10 und maximal 30 Minuten, insbesondere bei 170 °C bis 190 °C für mindestens 15 und maximal 25 Minuten, erfolgt.

Zum Nachweis der erzielten Effekte wurden beispielsweise gewalzte Halbzeuge, nämlich Feinbleche (welche auch zu einem Coil aufgewickelt sein können), aus ver schiedenen Aluminiumlegierungen hergestellt - und zwar durch folgendes Verfahren: a. Warmwalzen des Walzbarrens zu einem warmgewalzten Blech oder Band bei 370 °C bis 430 °C b. Kaltwalzen des warmgewalzten Blechs oder Bands auf eine Enddicke 1 ,2 Mil limeter (mm) mit einem Zwischenglühen bei 370 °C für eine 1 h mit anschlie ßender Abkühlung bei Raumtemperatur c. Wärmebehandlung des auf die Enddicke kaltgewalzten Blechs oder Bands, in genannter Reihenfolge umfassend: i. Lösungsglühen bei 465 °C ii. nachfolgendes beschleunigtes Abkühlen (nämlich wasserunterstütztes Abschrecken) mit mindestens 15 °C/s iii. Stabilisierungsglühbehandlung des beschleunigt abgekühlten Blechs oder Bands bei 100 °C für 3 h iv. Kaltauslagerung des stabilisierungsglühbehandelten Blechs oder Bands für 3 Wochen bei Raumtemperatur (20 °C)

Diese Bleche werden nach der Kaltauslagerung im Zustand T4-FH jeweils zu einem Formteil, nämlich Karosserieteil der Außenhaut, durch Kaltblechumformen mit einem Umformgrad von 2 % umgeformt. Nach dem Umformen wurden diese Formteile einer kathodischen Tauchlackierung (KTL) mit einem Einbrennzyklus mit einer Einbrenn temperatur von 185 °C für 20 Minuten (min) unterworfen.

Legierung Mg Mn Zn Cu Si Fe Ag

1 4.7 0.4 - - 0.1 0.2

2 4.7 0.4 3.6 - 0.1 0.2

3 4.7 0.4 3.6 0.6 0.1 0.2

4 _ 4.7 0.4 3.6 0.6 0.1 0.2 0.15

Tabelle 1 : Übersicht zu den untersuchten Legierungen in Gew.%.

Bei der Legierungen 1 handelt es sich um eine bekannte AA5182-Legierung als Re ferenzlegierung. Die Legierungen 2 bis 4 stellen erfindungsgemäße Legierungen dar und enthalten ausgewogene Gehalte an Zn, Zn+Cu bzw. Zn+Cu+Ag.

Alle Legierungen weisen als Rest Aluminium sowie herstellungsbedingt unvermeid bare Verunreinigungen mit jeweils maximal 0,05 Gew.-% und gesamt höchstens 0,15 Gew.-% auf. Gegenfalls können die Legierungen 1 bis 4 noch 0,1 Gew.-% Chrom (Cr) enthalten. Die in Tabelle 1 angeführten Legierungen wurden mittels Zugversuch hinsichtlich ih rer mechanischen Kennwerte R _P o.2 und Bruchdehnung A untersucht. Die Versuche erfolgten im T4-FH-Zustand sowie nach dem Lackeinbrennzyklus (PB) mit vorausge gangener 2%iger Umformung. Zudem wurde die Dichte an Guinier-Preston-I-Zonen (GPI-Zonen) mit mindestens 700 Atomen pro GPI-Zone gemessen, und zwar unter Anwendung der Auswertemethode von Felfer unter Verwendung der Atomsondento mographie (Atomsonde vom Typ LEAP 3000HR) wie vorstehend bereits beschrieben.

Wie der Tabelle 2 zu entnehmen, erzielen die erfindungsgemäßen Aluminiumlegie rungen 2 bis 4 im Vergleich zur Legierung 1 eine unerwartet hohe Lackeinbrennreak tion (Paint Bake Response bzw. PBR) von bis zu 195 MPa ohne die Umformbarkeit (bzw. Dehnung) im T4-FH-Zustand wesentlich zu verschlechtern. Aus diesem Grund weisen die erfindungsgemäßen Legierungen in Kombination mit dem erfindungsge mäßen Herstellverfahren eine besonders gute Eignung für Formteile einer Karosserie auf.

In Fig. 1 ist aus dem Zugversuch zu erkennen, dass die Verformbarkeit der erfin dungsgemäßen Legierung 4 im Zustand T4-FH, dargestellt in Fig. 1 als L4(T4-FH), verglichen mit Legierung 1 (AA5182) im Zustand T4-FH, dargestellt in Fig. 1 als L1 (T4-FH), bei erhöhter Festigkeit R _P o, 2 nahezu gleich ist.

Umso überraschender ist weiter, dass nach dem Lackeinbrennen die Legierung 4, dargestellt in Fig. 1 als L4(PB), eine dermaßen erhöhte Steigerung der Festigkeit R _P o,2 in Vergleich mit Legierung 1 , dargestellt in Fig. 1 als L1 (PB), aufweist. Diese zu Legierung 4 beschriebenen Eigenschaften gilt auch für die anderen erfin dungsgemäßen Legierungen 2 und 3.

Daneben zeigen die erfindungsgemäßen Legierungen ein verspätetes Einsetzten des PLC-Effektes und damit eine Verringerung von Fließfiguren des Typs B.

Außerdem ist in der Tabelle 2 zu erkennen, dass die Legierungen 2 bis 4 im Zustand T4-FH eine zunehmende Dichte an Guinier-Preston-I-Zonen (GPI-Zonen) mit min destens 700 Atomen pro GPI-Zone aufweisen, wobei diese Dichte an Guinier-Pres- ton-l-Zonen (GPI-Zonen) mit mindestens 700 Atomen pro GPI-Zone in Tabelle 2 als GPI-Zone-Dichte ^* bezeichnet ist.

Bereits eine GPI-Zonen-Dichte ^* von 1 ,6 x 10 ²³ GPI-Zonen/m ³ zeigte einen überra schend hohen R _P o,2-Festigkeits-Zugewinn nach dem PB auf über 400 MPa, wie bei Legierung 3 zu erkennen, was bei Legierung 4 noch höher ausfällt.

Bei allen Legierungen 2 bis 4 kann eine maximale Dichte an Guinier-Preston-I-Zonen (GPI-Zonen) von 5 x 10 ²³ GPI-Zonen/m ³ mit mindestens 700 Atomen pro GPI-Zone ausreichend sein.