DE69617872T2

DE69617872T2 - Geschweisste Strukturen mit verbesserten mechanischen Eigenschaften aus AlMg-Legierungen

Info

Publication number: DE69617872T2
Application number: DE69617872T
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Hoffmann; Guy-Michel Raynaud; Herve Ribes; Martin-Peter Schmidt
Original assignee: Pechiney Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 1995-10-18
Filing date: 1996-10-15
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2016-10-16
Also published as: EP0769564A1; DE69617872D1; EP1178125A3; DE1178125T1; EP0769564B1; JPH09111386A; DE769564T1; FR2740144A1; EP1178125A2; KR100428237B1; KR970021346A; FR2740144B1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft das technische Gebiet der Bleche aus einer Aluminiumlegierung vom Typ AlMg und insbesondere aus der Legierung 5083 oder 5086 nach der Norm EN 573-3 für geschweißte Strukturen, wie z. B. feste oder bewegliche Behälter und insbesondere Behälter für den Strassen- oder Eisenbahntransport fester oder flüssiger Stoffe.

Aufgabenstellung

Um die mechanische Festigkeit geschweißter Strukturen zu erhöhen und dabei ihr Gewicht zu verringern, ist es vorteilhaft, über Legierungen zu verfügen, die im Vergleich zu den derzeit verwendeten Legierungen 5083 oder 5086 verbesserte mechanische Eigenschaften bieten, ohne dabei die anderen Gebrauchseigenschaften einzubüßen, wie z. B. die Schweißbarkeit, die Korrosionsfestigkeit und die Formbarkeit.
Die beiden mechanischen Eigenschaften, die nach den dem Fachmann bekannten Prinzipien des Maschinenbaus optimiert werden müssen, um ein angemessenes plastisches Verhalten der Strukturen aus Aluminiumlegierung zu gewährleisten, sind die Bruchdehnung A und die Bruchfestigkeit Rm. Diese beiden Eigenschaften haben bei AlMg-Legierungen konträre Entwicklungstendenzen, wenn man die Zusammensetzung der Legierung ändert, und es muss für jeden Anwendungsfall ein Kompromiss gefunden werden. Deshalb wird zur Bestimmung des Verhaltens der Strukturen bei rapider plastischer Verformung, zum Beispiel bei einem Unfall, für diese Legierungen gewöhnlich das Produkt A · Rm verwendet, wobei A und Rm jeweils angemessene Mindestwerte aufweisen müssen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es also, diesen Kompromiss zwischen Bruchdehnung und Bruchfestigkeit zu verbessern und dabei eine zufriedenstellende Korrosionsfestigkeit und ein möglichst einfaches und zuverlässiges Fabrikationsprogramm zu gewährleisten.

Stand der Technik

Die japanische Patentanmeldung JP 06-212373 zeigt Beispiele für Bleche aus einer AlMgMn-Legierung, die einen guten Kompromiss zwischen Dehnung und Festigkeit aufweisen, allerdings erfordert die Herstellung durch Warmwalzen eine Austrittstemperatur aus dem Walzgerüst von mindestens 450ºC, was einen schnellen Arbeitstakt und eine minimale Schmierung bedingt, so dass eine zuverlässige und wirtschaftliche Herstellung von Bändern unmöglich ist. Die japanische Patentanmeldung JP 06-93365 zeigt ebenfalls Bleche aus einer AlMgMn-Legierung, deren mechanische Eigenschaften zwar dem angestrebten Ziel entsprechen, bei deren Herstellung jedoch ein kompliziertes und kostenintensives Programm vorgesehen ist, das ein Warmwalzen, ein anschließendes Zwischenglühen, ein temperiertes Walzen und ein Endglühen umfasst.

Gegenstand der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine schmelzgeschweißte Blechstruktur aus AlMg- Legierung in einer Dicke > 2 mm, so wie sie in den Ansprüchen 1 und 12 definiert ist, sowie ihre Verwendung nach den Ansprüchen 10, 11, 21 und 22. Die Anmelderin stellte dabei einen engen Zusammensetzungsbereich innerhalb der Höchstwerte der Legierungen 5083 und 5086 heraus, der es ermöglicht, den Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften zu entsprechen und ein zuverlässiges und wirtschaftliches Fabrikationsprogramm zu verwenden. Die erfindungsgemäßen Bleche für geschweißte Strukturen bestehen aus einer AlMg-Legierung folgender Zusammensetzung (Masse-%):
Mg: 4,2-4,8 Mn: 0,20-0,40 Zn: < 0,4
Fe: 0,20-0,45 Si < 0,30 und gegebenenfalls
Cr < 0,15 Cu < 0,25 Ti < 0,20 Zr < 0,20
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt 0,20, Rest Al mit den Verhältnissen Mn + Zn < 0,7 (vorzugsweise < 0,6) und Fe > 0,5 Mn, und weisen eine Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, eine Dehnung A > 17,5% und ein Produkt Rm x A > 6500 auf (Rm ausgedrückt in MPa und A in %).
Der Zinkgehalt beträgt vorzugsweise 0,07 bis 0,2%. Der Eisengehalt liegt zwischen 0,20 und 0,45% und ist höher als die Hälfte des Mangangehalts. Die erfindungsgemäßen Bleche werden durch halbkontinuierliches Gießen, vorzugsweise ohne Endglühen, und durch Warmwalzen mit einer Austrittstemperatur aus dem Walzgerüst im Bereich von 300 bis 370ºC und vorzugsweise 320 bis 360ºC hergestellt.
Eine besonders vorteilhafte Zusammensetzung der Legierung nach der Erfindung, die zu Blechen führt, die eine Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, eine Dehnung A > 22% und ein Produkt A x Rm > 7000 aufweisen, ist die folgende:
Mg: 4,2-4,7 Mn: 0,20-0,40 Zn: 0,07-0,20
Fe: 0,20-0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15
Ti < 0,10 Zr < 0,10
weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Al.

Beschreibung der Erfindung

Die Rolle von Magnesium und Mangan als Legierungselemente ist gut bekannt. Magnesium gewährleistet gute mechanische Festigkeit, ein zu hoher Gehalt setzt jedoch die Korrosionsbeständigkeit herab, was die Verwendung der mit solchen Legierungen hergestellten Behälter begrenzen würde.
Mangan verbessert die Zugfestigkeit, ein zu hoher Gehalt führt jedoch zu einer Verringerung der Dehnung.
Es ist ebenfalls bekannt, dass Zink in Anwesenheit von Mangan die Bruchfestigkeit verbessert, allerdings stellte die Anmelderin überraschenderweise fest, dass das Produkt A · Rm bei den gewählten Magnesium- und Mangangehalten eher von der Summe Mn + Zn als von den einzelnen Mn- und Zn-Gehalten abhängt und dass dieses Produkt deutlich verbessert wird, wenn die Summe Mn + Zn kleiner als 0,7 und vorzugsweise kleiner als 0,6 ist.
In dem für Mg, Mn und Zn gewählten Zusammensetzungsbereich kann durch Zusatz von Chrom, vorausgesetzt, dass er 0,15% nicht übersteigt, sowohl die Dehnung A als auch die Korrosionsbeständigkeit verbessert werden, und ein Zusatz von Kupfer kleiner 0,25% führt zu einer Erhöhung von Rm.
Der Eisengehalt muss unterhalb 0,45% liegen, um die Bildung von Primärphasen zu verhindern, deren Anwesenheit zu einer inakzeptablen Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften des Blechs führt. Bei dem für die Elemente Mg, Mn und Zn gewählten Zusammensetzungsbereich zeigte die Anmelderin allerdings überraschenderweise auf, dass es von Vorteil ist, einen Eisengehalt nahe 0,45% zu wählen, da fast das gesamte Eisen beim Gießen eutektische Niederschläge vom Typ AlMriFe bildet. Dabei wird festgestellt - und dies steht im Gegensatz zu dem, was gewöhnlich beobachtet wird - dass ein hoher Anteil dieser eutektischen Niederschläge die Duktilität des Blechs verbessert und es wünschenswert ist, dass dieser Anteil mindestens 0,7% beträgt. Gleichzeitig muss wiederum im Hinblick auf eine hohe Duktilität der Anteil der Mangandispersoide im fertigen Blech gering und unter dem 1,5- fachen Eutektikanteil bleiben, was durch die Beziehung Fe > 0,5 Mn ausgedrückt wird.
Die Volumenanteile der eutektischen Niederschläge und Dispersoide werden durch die Flächenanteile ermittelt, die auf mikroskopischen Aufnahmen mit bekannten metallographischen Verfahren bestimmt werden, beispielsweise mit Rasterelektronenmikroskopie und Bildanalyse auf einer polierten Schnittfläche einer Blechprobe.
Durch diese Möglichkeit, einen nicht zu niedrigen Eisengehalt zu wählen, kann ein weniger reines und damit kostengünstigeres Basismetall ausgewählt werden, das dennoch gute mechanische Eigenschaften aufweist.
Mit der erfindungsgemäßen Zusammensetzung ist es möglich, Bleche in Dicken > 2 mm mit einer Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, einer Dehnung A > 17,5% und einem Produkt A · Rm > 6500 durch Walzen ohne Endglühen bei einer Temperatur > 250ºC und insbesondere durch Warmwalzen und in großen Breiten, zum Beispiel > 2200 mm herzustellen. Aus Gründen industrieller Zuverlässigkeit sollte die Temperatur beim Austritt aus dem Walzgerüst unterhalb 400ºC, vorzugsweise 370ºC oder sogar 350ºC liegen.
Die erfindungsgemäßen Bleche können für geschweißte Strukturen verwendet werden, wie z. B. feste oder bewegliche Behälter, beispielsweise Eisenbahn- oder Straßentankwagen, aber auch Straßen- Eisenbahn- und/oder Seetransportbehälter, sowie für geschweißte und/oder geschmiedete Wagen- oder Lastkraftwagenräder. Diese Bleche lassen sich mit allen, für diese Art von Legierung gewöhnlich verwendeten Mitteln schweißen, insbesondere durch Stumpfschweißung mit Hilfe eines MIG- oder WIG-Verfahrens und mit einer Schrägkante von ca. 45º auf etwa 213 der Dicke. Für alle diese Anwendungen ist es vorteilhaft, über Bleche mit großen Breiten verfügen zu können, insbesondere mit Breiten größer 2200 mm.
Bleche mit verbesserten mechanischen Eigenschäften sind von besonders großem Interesse bei Straßentankwagen zur Beförderung gefährlicher Stoffe, die bei Unfällen ein angemessenes plastisches Verhalten aufweisen müssen.

Beispiele

Es wurden 24 Legierungen mit den in Tabelle 1 angegebenen Zusammensetzungen halbkontinuierlich zu Platten vergossen. Diese wurden nach Erwärmung während 20 h auf eine Temperatur oberhalb 500ºC bis auf eine Enddicke von 6 mm warmgewalzt. Die Temperatur beim Austritt aus dem Walzgerüst betrug 340ºC.
Die Legierungen 0 bis 4 und 13 haben eine nicht erfindungsgemäße Zusammensetzung (wobei die Legierung 0 eine 5083-Zusammensetzung darstellt), die anderen Legierungen eine erfindungsgemäße Zusammensetzung. An diesen Blechen wurden die Bruchfestigkeit Rm und die Dehnung A gemessen. Auf mikroskopischen Aufnahmen, die durch Lichtmikroskopie realisiert wurden, wurden auch die Flächenanteile von eutektischen Niederschlägen und Dispersoiden ermittelt. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengestellt und zeigen, dass bei den erfindungsgemäßen Zusammensetzungen immer gilt: Rm > 275 MPa, A > 17,5% und ihr Produkt > 6500.
Es wird weiterhin festgestellt, dass mit der weiter oben genannten engeren Zusammensetzung, nämlich:
Mg: 4,2-4,7 Mn: 0,20-0,40 Zn: 0,07-0,20
Fe: 0,20-0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15
Ti < 0,10 Zr < 0,10
Bleche mit einem Produkt A x Rm erhalten werden, das immer größer als 7000 und meistens größer als 7400 ist (cf. Nummern 14, 18 bis 23).
MIG-Schweißversuche durch MIG-Stumpfschweißung mit einer Schrägkante von 45º auf 2/3 der Dicke zeigten eine ähnliche Schweißbarkeit wie bei den Legierungen 5083 und 5086 üblicher Zusammensetzung. Tabelle 1

Claims

1. Schmelzgeschweißte Struktur aus AlMg-legiertem Blech in einer Dicke > 2 mm, hergestellt durch halbkontinuierliches Stranggießen, geeignet für die Herstellung von Tanks und Transportbehältern, mit einer Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, einer Dehnung A > 17, 5% und einem Produkt A x Rm > 6500, der Zusammensetzung (Masse -%):

Mg: 4,2-4, 8 Mn: 0,20-0,40 Zn: < 0,4

0,20 < Fe < 0,45 Si < 0,30 und gegebenenfalls:

Cr < 0,15 Cu < 0,25 Ti < 0,20 Zr < 0,20

weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15,

Rest Al, mit den Verhältnissen: Mn + Zn < 0,7 und Fe > 0,5 Mn, mit einem solchen Mikrogefüge, dass der Volumenanteil der Mangandispersoide kleiner als der 1,5fache Volumenanteil der eutektischen Niederschläge ist.

2. Geschweißte Struktur nach Anspruch 1, bei der die Legierung so zusammengesetzt ist, dass Mn + Zn < 0,6.

3. Geschweißte Struktur nach einem der Ansprüche 1 und 2, bei der die Legierung so zusammengesetzt ist, dass Zn im Bereich von 0,07 - 0,2 ist.

4. Geschweißte Struktur nach Anspruch 3, mit einer Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, einer Dehnung A > 22% und einem Produkt A · Rm > 7000, der Zusammensetzung (Masse -%):

Mg: 4,2-4,7 Mn: 0,20-0,40 Zn: 0,07-0,20

Fe: 0,20-0,45 Si < 0,25 Cr < 0,15 Cu < 0,15

Ti < 0,10 Zr < 0,10

weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Al.

5. Geschweißte Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welcher der Volumenanteil der eutektischen Niederschläge größer als 0,7% ist.

6. Geschweißte Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech ohne Endglühen hergestellt wird.

7. Geschweißte Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech durch Warmwalzen mit einer Austrittstemperatur aus dem Walzgerüst im Bereich von 300 bis 370ºC hergestellt wird.

8. Geschweißte Struktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittstemperatur aus dem Warmwalzgerüst im Bereich von 320 bis 360ºC ist.

9. Geschweißte Struktur nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Blechs größer als 2200 mm ist.

10. Verwendung einer geschweißten Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Herstellung von Straßen- oder Eisenbahntankwagen.

11. Verwendung einer geschweißten Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9 für die Herstellung von Straßen-, Eisenbahn- und/oder Seetransportbehältern.

12. Schmelzgeschweißte Struktur aus AlMg-legiertem Blech in einer Dicke > 2 mm, hergestellt durch halbkontinuierliches Stranggießen, geeignet für die Herstellung von Tanks und Transportbehältern, mit einer Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, einer Dehnung A > 17, 5% und einem Produkt A x Rm > 6500, der Zusammensetzung (Masse -%):

Mg: 4,2-4,8 Mn: 0,20-0,40 Zn: < 0,4

0,20 < Fe < 0,45 Si < 0,30 und gegebenenfalls:

Cr < 0,15 Cu < 0,25 Ti < 0,20 Zr < 0,20

weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15,

Rest Al, mit den Verhältnissen: Mn + Zn < 0,7 und Fe > 0,5 Mn, mit einem solchen Mikrogefüge, dass der Volumenanteil der eutektischen Niederschläge größer als 0,7% ist.

13. Geschweißte Struktur nach Anspruch 12, bei der die Legierung so zusammengesetzt ist, dass Mn + Zn < 0,6.

14. Geschweißte Struktur nach einem der Ansprüche 12 und 13, bei der die Legierung so zusammengesetzt ist, dass Zn im Bereich von 0,0T - 0,2 ist.

15. Geschweißte Struktur nach Anspruch 14, mit einer Bruchfestigkeit Rm > 275 MPa, einer Dehnung A > 22% und einem Produkt A x Rm > 7000, der Zusammensetzung (Masse -%):

Mg: 4,2-4,7 Mn: 0,20-0,40 Zn: 0,07-0,20

Fe: 0,20-0,45 Si < 0,25 Gr < 0,15 Cu < 0,15

Ti < 0,10 Zr < 0,10

weitere Elemente jeweils < 0,05 und insgesamt < 0,15, Rest Al.

16. Geschweißte Struktur nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei welcher der Volumenanteil der Mangandispersoide kleiner als der 1,5fache Volumenanteil der eutektischen Niederschläge ist.

17. Geschweißte Struktur nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech ohne Endglühen hergestellt wird.

18. Geschweißte Struktur nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Blech durch Warmwalzen mit einer Austrittstemperatur aus dem Walzgerüst im Bereich von 300 bis 370ºC hergestellt wird.

19. Geschweißte Struktur nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittstemperatur aus dem Warmwalzgerüst im Bereich von 320 bis 360ºC ist.

20. Geschweißte Struktur nach einem der Ansprüche 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite des Blechs größer als 2200 mm ist.

21. Verwendung einer geschweißten Struktur nach einem der Ansprüche 12 bis 20 für die Herstellung von Straßen- oder Eisenbahntankwagen.

22. Verwendung einer geschweißter Struktur nach einem der Ansprüche 12 bis 20 für die Herstellung von Straßen-, Eisenbahn- und/oder Seetransportbehältern.