Sonderdruck Aluminium-Strangpressprofile für den ... - Otto Fuchs KG

4 I OTTO FUCHS KGDie höchsten Werte von F49 der Variante 1 resultierenaus einer nadelförmigen Kornform und der damit verbundenenTextur, während Variante 2 mit immerhinnoch F47 eine um circa fünf Prozent niedrigere Festigkeitaufgrund der Textur aus einer plattenförmigenKornform aufweist.Im Salzsprühtest über 492 h nach DIN 50021 (5%Salzsprühnebel bei 33 °C) ist keinerlei Korrosionsangriffzu verzeichnen. Das heißt, die Legierung kann ingleicher Weise wie die 1995 unter der Firmenbezeichnung„Fuchs AS28“ [2] eingeführte Variante 6110Aohne Korrosionsschutz eingesetzt werden.Weiterhin erweist sich die Legierung bei Belastungmit 90 Prozent der Dehngrenze als absolut spannungsrisskorrosionsfestund dürfte für Lenkungskomponentenauch in ungeschützten Bereichen desMotorraums eine interessante Lösung zur schlankerenGestaltung sein. Auch nahtfreie Rohre können aus derLegierung auf einer Dornpresse gefertigt werden.Im Hinblick auf die Verarbeitung zu Strukturen könnenProfile aus der Legierung AS29 im Zustand T4problemlos Kaltverformungen wie Biegen unterzogenwerden sowie über Laserschweißen mit belastungsfäarelisted in Table 1.R p0,2(MPa)R m(MPa)A 5(%)Profile 1 478 492 12,5Profile 2 449 474 12,6Table 1: Typical strength values of two profile variants withwall thickness from 1.6 to 40 mmAbb. 3: Schwellerprofil für das AUDI TT Cabrio vor und nach CrashverformungFig. 3: Door sill profile for the AUDI TT convertible, before and ater crash deformationunter den Bezeichnungen EN AW-6082 und EN AW-6110A [1] in den neuesten Ausgaben der EN 573-3und EN 755-2 für Festigkeitswerte bis F38 aufgeführtsind. Über eine neue Abstimmung der Legierungsgehaltein der Variante 6110A ist es in Verbindung miteiner Anpassung der gieß und presstechnischen Verfahrensparametergelungen, eine weitere Festig- keitssteigerungauf F47 bis F49 zu erzielen. Die Legierunghat die Firmenbezeichnung „Fuchs AS29“. TypischeFestigkeitswerte von zwei offenen Profilvarianten inder Legierung Fuchs AS29 mit Wanddicken von 1,6 bis40 mm sind in Tabelle 1 aufgelistet.R p0,2(MPa)R m(MPa)A 5(%)Profil 1 478 492 12,5Profil 2 449 474 12,6Tabelle 1: Typische Festigkeitswerte von zwei Profilvariantenmit Wanddicken von 1,6 bis 40 mmThe highest tensile strength of 492 MPa for Profile1 results from an acicular grain shape and thetexture associated with it, whereas Profile 2 revealslower tensile strength because of the textureof a plate-like grain shape, being about 5%lower but still with a tensile strength equivalent tothe of 474 MPa.No corrosive attack whatsoever was observedafter 492 h in a salt spray test carried out in accordancewith DIN 50021 (5% salt-spray fog at33°C). This means that the alloy can be used withoutany additional corrosion protection in thesame way as the 6110A variant, which was introducedin 1995 under the company designationFuchs AS28 [2].In addition, the alloy was completely resistantto stress corrosion cracking when loaded to 90%of the yield strength and could be an interestingsolution for lightweight design of steering componentseven in the unprotected areas of the enginecompartment. Seamless tubes can also bemade from the alloy using a mandrel press.With regard to fabrication of structures, profilesmade from the AS29 alloy in the T4 temper canbe subjected to cold working, such as bendingwithout difficulty as well as joined by laser-beamwelding to form structural elements with weldsthat can carry loads (already introduced into seriesproduction at Airbus for the airframe structure).Highest static tensile strengthThe AlZnMgCu type high strength aluminium alloyshave been the basic alloys for use in aircraftconstruction for years. Only small amounts areused in cars because they need to be surfacetreated in order to provide protection against corrosionby moisture. But in the dry environment ofthe passenger compartment, such as for thesteering lock or seat belt lock, they can withstandthe high loads without being exposed to a corrosiveenvironment for a prolonged period.The strength potential of this type of alloy is notexhausted by typical alloys like 7075 as a furtherdevelopment at OTTO FUCHS has shown.The approaches adopted were [3]• an increase in the alloy content up to the limit

OTTO FUCHS KG I 5higen Schweißnähten zu Strukturelementen gefügt werden(in Serie bereits bei Airbus für die Flugzeugzellenstruktureingeführt).Höchste statische FestigkeitDie hochfesten Aluminiumlegierungen vom Typ AlZnMgCusind seit Jahren die Basislegierung im Flug- zeugbau. ImAutomobil werden nur kleine Mengen eingesetzt, da siezum Schutz vor Korrosion bei Feuchtigkeit oberflächengeschütztwerden müssen. Aber in trockener Umgebungim Fahrgastraum, wie beim Lenkschloss oder Gurtschloss,können sie die hohen Kräfte aufnehmen, ohnedabei dauerhaft einer korrosiven Umgebung ausgesetztzu sein. Dass mit der derzeit üblichen Legierung 7075 dasFestigkeitspotenzial nicht erschöpft ist, wurde mit der Weiterentwicklungeiner AlZnMgCu-Legierung gezeigt.Lösungsansätze [3] waren• Anhebung des Legierungsgehaltes bis an die Löslichkeitsgrenzeim festen Zustand bzw. an dieGrenze der Gießbarkeit• legierungsgerechte Pressparameter und -verfahrenzur Entwicklung der geforderten Eigenschaftensowie angepasste Wärmebehandlungsparameterzur Einstellung der geforderten Eigenschaften.Die vorgenannte Anforderungen wurden für offene Profilemit Wanddicken von 1,6 mm bis 50 mm als auch fürnahtfreie Rohre umgesetzt. Die Tabelle 2 zeigt den mit vorgenannterEntwicklung erzielten Festigkeitsgewinn – dieLegierung hat die Firmenbezeichnung „Fuchs AZ86“ – inForm von typischen Ist-Werten und der garantierten Mindestwerteim Vergleich zur herkömmlichen Legierung7075. Aufgelistet sind typische Festigkeitseigenschaftenvon zwei Profilen mit Wanddicken von 1,6 mm (Profil 1)und 38 mm (Profil 2) sowie eines Rohrs.Die Legierung AZ86 zeichnet sich demnach gegenüber7075 durch mindestens 15 Prozent höhere Festigkeitswerteaus. Eine zweistufig ausgelegte Warmaushärtungverleiht ihr zudem im Unterschied zur einstufig ausgehärteten7075 mit größer 400 MPa eine hohe Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit.Durch die erhöhte Festigkeit können die Komponentenim Vergleich zu solchen aus der herkömmlichen Legierung7075 um bis zu 10 Prozent leichter ausgelegt werden.Während die Anwendung in Automobilkomponenten nocham Anfang steht, wird dieser Vorteil zum Beispiel bei hoch-of solid solubility or the limit of castability• alloy-relevant extrusion parameters and processes for developing the required properties aswell as adjustment of the heat treatment parameters to obtain the required properties.The above-mentioned requirements were fulfilled foropen profiles with wall thicknesses from 1.6 to 50 mmas well as for seamless tube. Table 2 shows thestrength improvement achieved by the above-mentioneddevelopment – the alloy has the company designationFuchs AZ86 – in the form of typical actualvalues and the guaranteed minimum values comparedwith the conventional 7075 alloy. Typical strength propertiesare shown for two profiles with wall thicknessesof 1.6 mm (Profile 1) and 38 mm (Profile 2) as well asfor a tube.According to this, the AZ86 alloy exhibits an at least15% higher strength than 7075. In addition, a twostageartificial ageing treatment gives a high resistanceto stress corrosion cracking in excess of 400 MPa, incontrast to the single-stage age hardened 7075.Thanks to the increased tensile strength, componentscan be designed to be 10% lighter than thosemade from conventional 7075 alloy. Although the useof this alloy in car components is still in its infancy, thisbenefit is increasingly being used, for example, in highgradesports equipment such as bicycle parts.Crash capability at tensile strengths up to classesof 305 MPaIn addition to making multi-chamber profiles from conventional6000-series alloys for use in car making, OttoFuchs started development on special ‘crash alloys’.In 2004 Audi, the car producer, required profiles madefrom this type of alloy to be capable of being compressedto a third of their original length when subjected touniform loading. The company became a supplier ofstructural profiles for use in the car body four years agowith a Fuchs AS03 variant, which is characterised bythe F22 temper or C20 classification (see Table 3). Fig.3 illustrates what is required in the case of a crashusing as an example a door sill profile made fromFuchs AS03 alloy for the Audi TT convertible, shownbefore and after crash loading.The demands for crash-relevant alloys with higherstrength have grown with the development of new carLegierungAlloyZustandTemperR p0,2(MPa)R m(MPa)A 5(%)SRK/ SCC(MPa)KorrosionsanfälligkeitSusceptibility to corrosion7075 (Soll/nominal) T6 > 485 > 540 7 - mittel / averageFuchs AZ86 (Soll/nominal) T76511 > 570 > 620 7 > 400 mittel / averageFuchs AZ86 (Profil1/profile1) T76511 611 646 11 > 400 mittel / averageFuchs AZ86 (Profil2/profile2) T76511 642 682 10 > 400 mittel / averageFuchs AZ86 (Rohr/tube) T76511 605 643 10 > 400 mittel / averageTab. 2: Soll- und Ist-Werte von Profilen aus Fuchs AZ86 mit 1,6 mm bis 38 mm Wanddicke im Vergleich zu Profilen aus der herrkömmlichenLegierung 7075Fig. 3: Nominal and actual values for profiles made from Fuchs AZ86 with wall thicknesses from 1.6 to 38 mm compared with profilesmade from the conventional 7075 alloy

OTTO FUCHS KG I 7-kiervorgang wird eine Kurzzeitwärmestabilität der Festigkeitüber 1 Stunde bei 205 °C verlangt. Weiterhin wird eineLangzeittemperaturstabilität der Festigkeit über 1.000Stunden bei 150 °C gefordert. Alle Forderungen werdenvon den in der Tabelle aufgelisteten Profilen erfüllt.Die Einstellung der vorgenannten Eigenschaften erfordertdie Einhaltung engster Verfahrensfenster beimStrangpressen: beginnend mit der Bolzentemperatur bishin zur Abkühlung des Stranges aus der Presshitze aufdem Auslauf durch eine in der Wärmeabfuhr exakt an dasProfil angepasste Sprühkühlung. Dies war mit der herkömmlichenAbkühlung nicht umzusetzen, sondern erfordertedie Investition in eine Intensivluft-/Wassersprühkühlung,deren Düsen einzeln angesteuert werdenkönnen. Die in weiten Grenzen regelbare Abkühlgeschwindigkeitist erforderlich, um den gegenläufigen Forderungennach gutem Crashverhalten durch schnelleAbkühlung und nach hoher Formstabilität der typischerweisekomplexen Mehrkammerprofile durch gleichmäßigmilde Abkühlung nachzukommen. Für besonders dünnwandigeAusführungen mit großem umschriebenem Kreiswurde für die Legierung AS81 ein Verfahrensfenster gefunden,die geforderten Eigenschaften für die Klasse C20auch mit einer moderaten Luftabkühlung auf dem Auslaufeinzustellen. Über die vorgenannte Entwicklung wurdendie Voraussetzungen für die Machbarkeit von Profilen ineiner weiten Formenvielfalt geschaffen. So liefert OTTOFUCHS unter anderem 36 Profile für den Sportwagen AudiR8.Komplexe Mehrkammerprofile mit verbesserter Verpressbarkeitund hoher Festigkeit / DuktilitätIn einem weiteren Projekt wurden die Legierungen FuchsAZ14 (7020 bzw. 7005) im Hinblick auf verbesserte Verarbeitungseigenschaftenund höhere Duktilität optimiert.Die vorgenannten Legierungen werden bevorzugt in geschweißtenStrukturen eingesetzt, da sie nach demSchweißen wieder auf hohe Festigkeit aushärten. Bei Verarbeitungdurch Strangpressen stellte sich die hohe Formänderungsfestigkeitals Handicap für die Fertigung vonMehrkammerhohlprofilen dar.Als Lösungsansatz wurden systematisch die Gehalte derLegierungselemente modifiziert, die Homogenisierungsparameterangepasst und die Pressparameter optimiert.Ergebnis sind neben Fuchs AZ14 (7020) drei weitere Legierungsvariantenunter der Bezeichnung Fuchs AZ20(F35), AZ19 (F33) und AZ16 (F38), die profilspezifisch eingesetztwerden, zum Beispiel AZ19 für Mehrkammerhohlprofile(Abb. 4) mit kleinen Wanddicken, wobei geradediese Legierungsvariante sich im Zustand T6 durch ausgesprochenhohe Duktilitätswerte von > 14% auszeichnet.Die Legierungen AZ20 und AZ16 werden aufgrund ihrerEigenschaftscharakteristik im Fahrzeug für hoch belasteteMehrkammerführungsprofile wie den Überrollschutz in Cabrios,den Seitenaufprallträger, den Stoßfänger und auchandere hoch belastete Komponenten im Innenraum eingesetzt.Die genannten Legierungen können wegen fehlenderHochtemperaturstabilität nicht klassisch lackiertwerden. Wegen der hohen Korrosionsbeständigkeit könnensie jedoch ohne Oberflächenschutz verbaut werden.Complex multi-chamber profiles with improved extrudabilityand high strength / ductilityIn another project, Fuchs AZ14 alloys (7020 or 7005)were optimised with respect to improved processingproperties and higher ductility. The above-mentionedalloys are used preferentially in welded structures becauseageing after welding results in a high tensilestrength.The high flow stress of the alloys is a handicap toproducing multi-chamber hollow profiles using extrusion.In order to solve this problem, the alloying elementcontents were systematically modified, the homogenisationparameters were adjusted accordingly and theextrusion parameters were optimised.In addition to Fuchs AZ14 (7020), this resulted inthree additional alloy variants – designated FuchsAZ20 (F35), AZ19 (F33) and AZ16 (F38) – that can beused as profiles, for example AZ19 for multi-chamberhollow profiles (Fig. 4) with small wall thicknesses,whereby in the T6 temper this alloy variant excels withits particularly high ductility of > 14%.Because of their characteristic properties, the AZ20and AZ16 alloys are used in vehicles for highly stressedmulti-chamber guide profiles such as rollover protectionin convertibles (Fig. 5), side impact supports(Fig. 6), bumpers as well as other highly stressed componentsin the vehicle interior. The alloys mentionedcannot be painted in the usual manner because theylack the necessary high-temperature stability. However,because of their high corrosion resistance, theycan be used without any additional surface protectionAbb. 4: Komplexes Mehrkammerprofil aus der Legierung Fuchs AZ19 mitR p0,2 ≥ 290 MPA, R m ≥ 330 MPA und A 5 ≥ 14%Fig. 4: Complex multi-chamber profile made from Fuchs AZ19 mit R p0,2 ≥290 MPA, R m ≥ 330 MPA and A 5 ≥ 14%

Zusammenfassung und AusblickAnhand von vier Beispielen wurde gezeigt,wie ausgehend von bestehenden Legierungssystemenin den letzten Jahren neueund verbesserte Knetlegierungen einschließlichangepasster Fertigungstechnologiefür Aluminiumprofile entwickelt undeingeführt wurden. Sie verleihen den zukünftigenFahrzeuggenerationen eine beträchtlicheNutzwertsteigerung. Das Potenzialfür weitere Verbesserungen wirdheute nicht als erschöpft angesehen. Soerscheinen weitere Arbeiten zur Entwicklunghochfester und geometrisch komplexercrashfähiger Karosserieprofile ebensosinnvoll wie die Aktivitäten zur Entwicklungwarmfester Profile, zum Beispiel für denMotorraum.Literatur[1] N.N., Die große Kunst des Leichtbaus, Aluminium1-2/2009, S. 76-79.[2] J. Becker und G. Fischer, AS28: Ein neuerhochfester Konstruktionswerkstoff auf der LegierungsbasisAl-Mg-Si, Sonderausgabe Leichtmetalleim Automobilbau der ATZ und MTZ, 1995/96,S. 23-27.[3] J. Becker, G. Fischer, M. Hilpert, G. Terlinde,Strangpressprofile aus neuen Aluminium-Hochleistungslegierungenfür den Flugzeugbau, Berichtsbanddes Symposiums Strangpressen,Wiley-VCH, S 234-247.[4] H. Scheurich, F. Venier, A. Hoffmann, L.-E.Elend, Aluminiumstrangpressprofile im Karosseriebau,Berichtsband des Symposiums Strangpressen,Wiley-VCH, S 107-114.[5] Technische Liefervorschrift 116 der Audi AG,Strangpressprofile aus Al-Legierung AA6xxx –Werkstoffanforderungen, Juli 2005.AutorenDr.-Ing. Joachim Becker ist stellvertretender Leiterder Abteilung Werkstoffe und Qualitätswesender OTTO FUCHS KG und verantwortlich für diewerkstoffliche Betreuung der Strangpresserei undvon Werkstoffentwicklungsprojekten.Dr.-Ing. Matthias Hilpert ist verantwortlich für diewerkstoffliche Betreuung der Aluminium-Stranggießereiund von Werkstoffentwicklungsprojektender OTTO FUCHS KG.Dr.-Ing. Gregor Terlinde ist Leiter der AbteilungWerkstoffe und Qualitätswesen der OTTOFUCHS KG.Summary and future workFour examples have been used to showhow, starting from existing alloy systems,new and improved wrought alloys andcorresponding extrusion processes havebeen developed and introduced commerciallyin recent years. The alloys developedoffer a considerable increase in userbenefits for future vehicle generations.The potential for further improvements isnot regarded as having now been exhausted.Further efforts aimed at the developmentof high-strength andgeometrically complex body profiles withcrash capabilities would appear to be justas useful as activities aimed at the developmentof heat-resistant profiles, for examplefor the engine compartment.References[1] Audi: Lightweight design – it’s an art, Aluminium1-2/2009, 76-79.[2] J. Becker und G. Fischer, AS28: Ein neuerhochfester Konstruktionswerkstoff auf der LegierungsbasisAl-Mg-Si, Sonderausgabe Leichtmetalleim Automobilbau der ATZ und MTZ,1995/96, S. 23-27.[3] J. Becker, G. Fischer, M. Hilpert, G. Terlinde,Strangpressprofile aus neuen Aluminium-Hochleistungslegierungenfür den Flugzeugbau, Berichtsbanddes Symposiums Strangpressen,Wiley-VCH, 234-247.[4] H. Scheurich, F. Venier, A. Hoffmann, L.-E.Elend, Aluminiumstrangpressprofile im Karosseriebau,Berichtsband des Symposiums Strangpressen,Wiley-VCH, 107-114.[5] Technische Liefervorschrift 116 der Audi AG,Strangpressprofile aus Al-Legierung AA6xxx –Werkstoffanforderungen, Juli 2005.AuthorsDr.-Ing. Joachim Becker is deputy head of theMaterials and Quality Management departmentat Otto Fuchs KG with responsibility for the supervisionof materials- related matters in the extrusionplant and alloy development projects.Dr.-Ing. Matthias Hilpert is responsible for thesupervision of materials-related matters in thealuminium continuous casting plant and alloy developmentprojects at Otto Fuchs KG.Dr.-Ing. Gregor Terlinde is head of the Materialsand Quality Management department at OttoFuchs KG.OTTO FUCHS KGDerschlager Straße 26D – 58540 MeinerzhagenGermanyPhone +49 2354 73 0Fax +49 2354 73 201info@otto-fuchs.comwww.otto-fuchs.comTitelbild: Längsträger Radhaus in TL116-C24 fürden AUDI R8.Cover picture: Longitudinal support wheelhouse inTL116-C24 for the AUDI R8