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WO2000059760A1 - Deformationselement aus einem duktilen metallischen leichtwerkstoff und dessen verwendung - Google Patents

Deformationselement aus einem duktilen metallischen leichtwerkstoff und dessen verwendung Download PDF

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WO2000059760A1
WO2000059760A1 PCT/EP2000/002943 EP0002943W WO0059760A1 WO 2000059760 A1 WO2000059760 A1 WO 2000059760A1 EP 0002943 W EP0002943 W EP 0002943W WO 0059760 A1 WO0059760 A1 WO 0059760A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
deformation
deformation element
element according
alloys
lithium
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2000/002943
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Sebastian
Heinz Haferkamp
Peter Juchmann
Sönke SCHUMANN
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Volkswagen AG
Original Assignee
Volkswagen AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Volkswagen AG filed Critical Volkswagen AG
Priority to EP00925162A priority Critical patent/EP1171331A1/de
Publication of WO2000059760A1 publication Critical patent/WO2000059760A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/12—Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members

Definitions

  • Deformation element made of a ductile metallic light material and its use
  • the invention relates to deformation elements made of ductile metallic light materials, in particular magnesium alloys, and their use.
  • Deformation elements are used today in vehicles made of alloys based on aluminum or steel in vehicles, e.g. to as a shock absorber to mitigate the destructive forces of an impact or accident, reduce the destruction of the vehicle and protect the occupants.
  • a shock absorber to mitigate the destructive forces of an impact or accident, reduce the destruction of the vehicle and protect the occupants.
  • Such an impact damper is described in EP-A-0 486 058.
  • Deformation elements can in principle also be used in railway technology and in devices and systems, in particular to protect them in areas that are particularly frequently or in the event of danger.
  • the semi-finished product or component mainly experiences impact loads, less often the entire element, or tensile or compressive loads.
  • the loads should be absorbed as far as possible by the deformation elements and transmitted as little as possible to adjacent elements. They can occur spontaneously, quickly or slowly, continuously, dynamically, repeatedly or once.
  • the loads are usually multi-axis.
  • metallic lightweight materials will be used more and more for the lightweight construction of motor vehicles and airplanes in order to be able to compensate for the weight of additional elements due to increasing comfort and safety standards - especially in new low-emission automobiles. They are also of interest for transportable devices or systems that are particularly light-weight for other reasons.
  • the lightweight construction enables the construction of energy-saving vehicles and planes, such as the 3-liter motor vehicle, to a particular extent.
  • magnesium alloys are of great interest as metallic construction materials, especially for vehicles, in the range from 1.2 to 1.9 g / cm 3 , in some cases even down to about 0.9 g / cm 3 . and aircraft construction.
  • manufacturing processes will include die casting and extrusion, pressing, forging and rolling is becoming increasingly important, since these processes can be used to produce lightweight components such as crash elements, impact absorbers, impact shields and impact carriers or corresponding components for aircraft.
  • the cold formability of the commercially available magnesium alloys is limited due to the hexagonal crystal structure and the associated low ductility. Polycrystalline magnesium and most magnesium alloys behave brittle at room temperature. In addition to good mechanical properties such as high tensile strength, ductile behavior is necessary for numerous applications or for certain manufacturing processes for semi-finished products made of magnesium alloys. An improved forming, energy absorption and deformation behavior requires a higher ductility and possibly also a higher strength and toughness. For this purpose, magnesium alloys with these properties have to be developed or their manufacturing processes have to be further developed, because many material variants have material properties that vary greatly with the manufacturing state.
  • a highly plastic material is called ductile.
  • the elasticity denotes the elastic part of the stress-strain diagram according to Hook's law, where under ideal linear-elastic conditions there is no permanent change in shape.
  • One possibility of determining the energy consumption under multi-axis loading without separating the elastic and plastic components is a crash test e.g. on tubular profiles.
  • the shape change e.g. a cylindrical tube, the formation of folds or cracks, the splitting of the loaded tube end into several chip-like deformations and the shortening or bending characterize the type and degree of energy consumption.
  • the impact work and the notch impact work can give an indication of the energy absorption and deformability, the latter with multi-axis loading. A conclusion from uniaxial to multiaxial properties or relationships is only partially possible.
  • the impact work is above all a measure of the energy consumption of a semi-finished product and of plastic behavior, i.e. of the deformability and rate of deformation.
  • a high impact work is therefore essential for the use of deformation elements such as Crash elements, impact absorbers, impact shields and impact carriers.
  • the impact work - measured on notched specimens - is among other things due to higher absolute values for magnesium alloys more meaningful than the impact energy and concerns a largely uniaxial load.
  • the impact energy which is always determined on notched specimens, also characterizes the susceptibility of a material to failure under three-axis loading. Their significance is particularly low if the execution of the notch significantly influences the values of the impact energy.
  • the impact work and the notch impact work are measured under dynamic load and can give an indication of the energy absorption and deformability.
  • tensile and compression tests are carried out under quasi-static loads. A conclusion from uniaxial to multiaxial properties or relationships is only partially possible.
  • the values listed below measured on samples in a certain manufacturing condition therefore reflect the current material properties. They provide an indication of the forming behavior that previously existed when forming had occurred. In this state, it is possible to draw a conclusion about the properties and behavior of a semi-finished product or even a component with this semi-finished product, which may be further refined, in later use. Furthermore, it is possible to draw a conclusion about the material properties of formed alloys, which are to be formed into further processed semi-finished products, for example by bending, pressing, pressure rolling, stretch drawing, deep drawing, hydroforming or roll profiling. Since the change in the material properties from the cast to the extruded state is similar to the change in the material properties from the cast to the forged, rolled or a similar formed state, it is therefore also possible to draw a conclusion about another formed state.
  • the elastic properties are usually used, unless this is the case, e.g. in an accident, the deformation properties and thus the energy consumption of the element and the plastic behavior are important. Therefore, regarding the multiple reshaping, in particular the plastic and, for use, the plastic and / or elastic properties play a role.
  • these properties are generally based on the respective ambient temperature, in extreme cases in the range from -40 ° C to +90 ° C, but at individual points in the vehicle or plane at the locally lower or higher temperatures.
  • the load state is usually multi-axis. The conclusion from uniaxial to multiaxial load states is all the more possible the more isotropic the structure.
  • a precondition for the use of semi-finished products made of magnesium alloys or of components or components made from them in automobiles may be the fulfillment of certain property profiles depending on the application, such as a tensile strength of the lightweight material of at least 100 MPa, preferably of at least 130 MPa, together with an elongation at break, for example for deformation elements measured at room temperature of at least 15%, preferably at least 18%.
  • a tensile strength of the lightweight material of at least 100 MPa, preferably of at least 130 MPa
  • an elongation at break for example for deformation elements measured at room temperature of at least 15%, preferably at least 18%.
  • higher strength values and a higher ductility are also a relief and sometimes also a prerequisite for the forming of cast blanks or for the further forming of blanks that have already been formed or semi-finished products.
  • the higher these properties are in the cast or powder-compacted state, the higher these are usually also in the formed state.
  • a higher ductility can the forming or the renewed
  • the elongation at break in commercially available magnesium alloys, measured at room temperature, is usually less than 12
  • the density of the common aluminum alloys, in particular the wrought alloys, is between 2.64 and 3.44 g / cm 3 and is therefore not quite low for lightweight metallic materials.
  • the density of the other common lightweight materials such as titanium alloys is even higher if magnesium alloys are not used.
  • Mg cast alloys or Mg wrought alloys have usually been relatively low in ductility and have a low energy absorption capacity in the cast and, if appropriate, subsequently formed, in particular extruded, pressed, rolled or / and forged and, if appropriate, subsequently heat-treated, condition.
  • suitable alloys and simple processes for the production of magnesium alloys with somewhat increased strength and greatly increased ductility.
  • alloys based on Mg-Al-Zn such as AZ31, AZ61 and AZ80, based on Mg-Zn-Zr such as ZK40 and ZK60 or based on Mg-Mn such as M1.
  • MgLi40at% Al6at% for example of 19% or about 255 MPa, for Mgü40at% Si3at% 28% or about 160 MPa and for MgLi40at% 42% or about 129 MPa are given. Due to the small laboratory extrusion press used for those experiments, however, the forming speed and the degree of forming were low.
  • deformation elements made of a metallic light material or a composite with at least one deformation element by selecting the parameters which are most effective for these purposes, the deformation elements should have the highest possible ductility and energy absorption and the lowest possible density and moreover should also be manufactured as simply and inexpensively as possible.
  • lightweight metallic materials which are particularly suitable for the production of deformation elements on account of their very high ductility and energy absorption and very low density.
  • a deformation element made of a metallic material with a density of not more than 2.5 g / cm 3 and with high ductility and energy absorption, in particular from a lithium or magnesium alloy, which is characterized in that it consists essentially of a light material consists whose impact energy measured at unnotched specimens at room temperature is at least 33 J, preferably at least 66 J, more preferably at least 90 J, most preferably not less than 105 J. preferably, the density is more than 2.3 g / cm 3, particularly preferably not more than 2.1 g / cm 3 .
  • the object is also achieved with a deformation element made of a metallic material of high ductility and energy absorption, in particular of a lithium or / and magnesium-containing alloy, which is characterized in that the material is measured in a quasi-static deformation test or / and when measuring the energy absorption dynamic crash test at room temperature on cylindrical tubes of 100 mm outer diameter and 2 mm wall thickness with a deformation path of 200 mm absorbs a specific deformation work of at least 5,000 Nm / kg, preferably of at least 10,000 Nm / kg, particularly preferably of at least 18,000 Nm / kg, quite particularly preferably of at least 19,000 Nm / kg, and / or a deformation work of at least 3,000 Nm, preferably of at least 5,000 Nm, particularly preferably of at least 5,000 Nm, very particularly preferably of at least 8,000 Nm.
  • the object is achieved with a deformation element made of a lithium or magnesium alloy, which can essentially consist of this alloy.
  • the deformation element advantageously consists essentially of a material with a tensile strength of at least 100 MPa, particularly preferably of at least 130 MPa, very particularly preferably of 180 MPa, and an elongation at break measured on tensile samples of at least 15%. It also preferably consists essentially of a material of at least 18% regardless of its tensile strength, particularly preferably of at least 22%, very particularly preferably of at least 26%.
  • the deformation element preferably has a plastic portion of the stress determined in tensile tests according to the stress-strain diagram of at least 50 MPa.
  • the deformation element consists essentially of an alloy which is selected from the group of alloys based on AM, AZ or ZE, optionally with a lithium additive.
  • the deformation element preferably consists essentially of a magnesium alloy with a Li content of at least 1% by weight, particularly preferably of at least 5% by weight, very particularly preferably of at least 11 and at most 30% by weight.
  • the magnesium alloy can essentially consist of a magnesium alloy based on 10 to 17% by weight of Li, in particular of one with 1 to 6% by weight of Al and in each case 0 to 4% by weight of Mn, Si, Zn or / and up to 1% by weight of at least one rare earth element including Y.
  • the magnesium alloy contains a proportion of at least 10% by volume of a body-centered, magnesium-rich phase, preferably more than 60% by volume .-%, particularly preferably more than 80 vol .-%, very particularly preferably more than 90 vol .-%.
  • the deformation element can essentially consist of an elongated, tubular or / and angled shaped body, in particular of a linear, angled or curved profile element. It preferably has a tubular - in particular circular or polygonal, T-shaped or U-shaped profile cross section. It can also be connected to a carrier, in particular to a longitudinal and / or transverse carrier.
  • the deformation element When the deformation element is stressed, it is advantageous if it deforms during rapid or very rapid mechanical loading without sharp-edged breakage and / or without cracks. Furthermore, it is advantageous if it deforms to a bent or / and folded element during rapid or very rapid mechanical loading, the formation of one or more buckling bumps, as shown in FIG. 3, being preferred.
  • a composite of support elements and deformation elements which contains at least one deformation element, can contribute to the fact that the deformation of the support elements and possibly other associated elements are stressed or destroyed significantly less, for example in the event of an accident. This is also evident in the energy consumption through the formation of wrinkles.
  • the composite with at least one deformation element can be produced by at least one low-heat or heat-introducing joining method such as gluing, riveting, plugging, pressing, pressing, clinching, folding, shrinking or screwing and / or at least one heat-introducing joining method such as composite casting, composite forging, composite extrusion, Composite rolling, soldering or welding, in particular beam welding or fusion welding, in which the deformation element with is connected to at least one support element or another deformation element.
  • deformation elements preferably casting methods or extrusion, rolling and forging.
  • the deformation element advantageously has a clearly recrystallized structure and, associated therewith, better material properties after a forming process such as the one just mentioned.
  • the process steps, parameters, conditions and systems to be used here are basically known.
  • the deformation element was preferably extruded, forged and / or rolled during manufacture and has a clearly recrystallized structure.
  • a higher ductility can facilitate the forming, in particular the extrusion, pressing, forging and rolling. Therefore, an elongation at break of the starting alloys to be formed of at least 5%, preferably of at least 10%, is also helpful for the production of elements from light materials.
  • high-purity alloys commercially available alloys. Possibly. these alloys are alloyed with additives.
  • the high-purity alloys can absorb small amounts of contaminants from the crucible during the melting process.
  • the alloys can be melted, for example, in a nickel and chromium-free steel crucible under a protective gas atmosphere, for example of Ar and / or SF 6 .
  • a prerequisite for the further processing of magnesium alloys by extrusion, pressing or / and forging is the production of suitable materials, for example in the form of blocks, bolts or slabs.
  • a usually well-suited method is the production of the bolts or slabs by sand or permanent mold casting with a sufficiently large machining allowance.
  • the cast bolts or slabs can first be homogenized by heat treatment at, for example, 350 ° C. for 12 h in order to eliminate segregations in the structure, to improve the partly heterogeneous structure and to increase the pressability.
  • the homogenized bolts or slabs can then be machined to the required dimensions.
  • the extrusion of the magnesium alloys can be carried out in the same extrusion plants that are used for the extrusion of aluminum alloys, both via direct and indirect extrusion.
  • the deformation behavior must only be specifically taken into account when designing the tool (die).
  • Sharp-edged inlets, such as those used with aluminum alloys, should be avoided with magnesium alloys, otherwise there is a risk of surface cracks. In many cases, an entry angle of approx. 50 ° is used for the die for magnesium alloys.
  • the formed semi-finished products are then preferably subjected to a heat treatment, which can be, for example, in the range from 100 to 200 ° C., in particular over 0.5 to 24 hours.
  • a heat treatment which can be, for example, in the range from 100 to 200 ° C., in particular over 0.5 to 24 hours.
  • this heat treatment had less or almost no effect on the lithium-free magnesium alloys examined, while on the lithium-containing magnesium alloys, especially with a content of at least 0.5% by weight of aluminum, there was a significant improvement in the energy consumption can, since the extrusion often does not yet lead to sufficiently stable structural states and an even greater formation of finely divided precipitates is possible.
  • the semi-finished products can be straightened, heat-treated, e.g. be further deformed and / or surface-treated by bending, pressing, pressure rolling, stretch drawing, deep drawing, hydroforming or roll profiling.
  • the semi-finished products can be brought to the required dimensions, deburred and cleaned. For example, they can be provided with a protective layer or a coating.
  • the deformation element or the composite with at least one deformation element can be used as a crash absorber, crash tube, impact damper, impact shield, impact support, as an element of a device, system, vehicle or aircraft frame, as a frame-like two- or three-dimensional cell, in automotive and rail technology , in ships and quay systems, in apparatus and mechanical engineering, in portable devices and systems, as semi-finished products or components in automobiles or planes.
  • semi-finished products are to be understood as shaped bodies which have not yet been completed and are ready for use in their respective application.
  • components are the shaped articles suitable for the intended purpose.
  • both terms flow smoothly into one another, since the same molded body can be a semifinished product for one purpose, but can already be a component for the other. Furthermore, for reasons of linguistic simplification, the text does not make a strict distinction between semi-finished products and components, or both are mentioned at the same time, although both can be meant.
  • Figure 1 shows a longitudinal section of the structure of the deformation system 1 of the Institute of Vehicle Technology at the University of Braunschweig schematically.
  • a hydraulic press 3 with a measuring device 4 and 5 with a displacement sensor, four force measuring elements and a transverse force measuring element 6 and a displacement sensor for small deformations 7 is arranged on one side of the longitudinal beam 2.
  • a support bracket 8 with a holder 9 for profiles and similar samples such as the crash tube 10 to be tested and with force measuring elements (not shown) and with a calibration unit 11 for the displacement transducer 7 is mounted.
  • Figures 2a / b show the measurement results in quasi-static deformation tests on the deformation system in the force-displacement diagram (f over s) and in the diagram of the specific deformation work over the displacement (d over s) for the materials tested.
  • the figures show the results for the magnesium alloys MgAI3Zn1 (C) and Mgü15.5AI2.5Zn0.8 (D) as well as for comparison for steel St35 (A) and for the aluminum alloy AIMgSiO.5 (B).
  • the regular dynamic curves in FIG. 2a obviously speak for the formation of a corresponding number of fold bumps.
  • Figure 3 shows the crash tubes made of the alloy Mgü15.5AI2.5Zn0.8 after dynamic tests in the drop mechanism depending on the heat treatment before the crash test.
  • First picture from left With heat treatment at 100 ° C for 2 h.
  • Third picture from left With heat treatment at 150 ° C for 4 h with slightly asymmetrical load.
  • FIG. 4 shows a crash tube made of the alloy MgLi15.5AI2.5Zn0.8 deformed in the dynamic crash test with buckling bulges.
  • a AI, E denotes at least one rare earth element SE, with Y also being counted among the rare earth elements, M or MN Mn, S Si and Z Zn with contents in% by weight Zn - usually with contents in%. -%, unless otherwise noted.
  • alloy information such as AZ31 are indicated by the numbers, as usual for the respective alloy, only in the order of magnitude, which can vary to a relatively wide extent, as is customary in the industry.
  • the alloys were alloyed as high-purity commercially available alloys or usually from high-purity starting alloys such as, for example, AM, AZ or AS alloys by adding high-purity magnesium or high-purity lithium.
  • the alloys were melted in a steel crucible under the protective gas atmosphere of an Ar-SF 6 mixture.
  • the blanks required for the subsequent extrusion were cast in a cylindrical steel mold with machining allowance.
  • the element contents achieved were checked spectroscopically. With all alloys, care has been taken to ensure that the structure of the castings is as homogeneous as possible, since this can have a sensitive effect on ductility.
  • the bolts were then turned to 70 mm in diameter for the production of extruded profiles and brought to a length of 120 mm, or turned to 218 mm in diameter by extrusion for the production of crash tubes and brought to the required length.
  • the bolts were then subjected to a homogenization treatment at, for example, 350 ° C. for 12 hours in order to eliminate segregations in the structure and to increase the pressability. Segregations can lead to uneven deformation and, under critical extrusion conditions, to cracks or local melting, which can lead to poor surface qualities. If the bolts are not homogenized well, an unnecessarily high compression pressure is required during extrusion.
  • the homogenized bolts were heated to the respective extrusion temperature, the "temperature of the bolt", heated and extruded in a 400 t horizontal press.
  • the temperature of the billet is the temperature that the billet has when it enters the extrusion press.
  • an extrusion temperature in the range from 150 to 300 ° C. and a heating time in the range from 50 to 110 min were set for the lithium-containing alloys and their lithium-free starting alloys.
  • Elongation at break A determined at a tensile speed of 0.5 mm / min.
  • Compression A D obtained at a printing speed of 0.5 mm / min.
  • the beginning of the plastic deformation was determined graphically.
  • the maximum applicable impact energy was 150 J. All measurements were found at
  • Table 1a Average values of the measurement results of the mechanical tests on lithium-containing magnesium alloys and their starting alloys
  • Table 1b Average values that can be calculated from the stress-strain diagram
  • the magnesium alloys based on AZ31 and ZE should be mentioned as examples:
  • Cylindrical hollow profiles were produced in a large-scale plant by casting in molds to a diameter of 230 mm, turning to a diameter of 218 mm, homogenizing at 150 ° C for 4 h, extrusion in the temperature range from 200 ° C to 350 ° C - and with lithium-containing alloys subsequent heat treatment - manufactured in the form of cylindrical tubes with an outer diameter of 100 mm, a wall thickness of 2 mm and a length of 500 mm or 200 mm.
  • the alloys listed in Table 3 were used for this.
  • the MgLi-rich phase was present in the hexagonal crystal structure, at a lithium content of 40 at% or correspondingly measured at 15.5% by weight. in the cubic crystal structure and with a lithium content of 21at% or measured accordingly of 6.8% by weight partly in the hexagonal and partly in the cubic crystal structure.
  • the crash tubes can also be called crash absorbers because they have absorbed all of the energy introduced in these tests.
  • the crash tubes made of the different alloys were tested in one test series by quasi-static loading and in another test series by dynamic loading.
  • the crash tubes were loaded in the longitudinal direction by linear loading against the front face of the crash tube.
  • the hollow profiles in the form of these cylindrical tubes made of different alloys were tested in the deformation system of the Institute of Vehicle Technology at the University of Braunschweig in a quasi-static pressure test at room temperature.
  • the hydraulic press was extended towards the crash tube at a speed of up to 2 mm / s, which then also corresponded to the rate of deformation. Their maximum compressive force could be 900 kN.
  • the deformation work was converted to the specific deformation work taking into account the density.
  • the originally 500 mm long crash tubes were compressed by up to about 400 mm, and then the tests were stopped so that a shortening to about 100 mm was achieved.
  • the alloy AZ31Li40at% MgLi15.5AI2.5Zn0.8, on the one hand, was in a comparatively brittle state without heat treatment after extrusion, so that a crash tube of this kind, which had been tested in a crash test, tore open several times in the longitudinal direction of the tube in the vicinity of the end face subjected to the impact and was bent outwards in sections.
  • a crash tube of this kind which had been tested in a crash test, tore open several times in the longitudinal direction of the tube in the vicinity of the end face subjected to the impact and was bent outwards in sections.
  • the result was even greater compression and the formation of surprisingly regularly formed bumps under favorable conditions (FIGS. 3 and 4).
  • a failure pattern could be achieved as with aluminum alloys and steels.
  • some or all of the magnesium alloys were able to produce the first or many well-developed wrinkles.
  • Relatively brittle magnesium alloys such as AZ31 showed no Wrinkle bulges and only a relatively low energy consumption.
  • the precipitation structure of the alloy and thus the force-displacement characteristic as well as the specific deformation work could be influenced.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft Deformationselemente aus einem metallischen Werkstoff mit einer Dichte von nicht mehr als 2,5 g/cm<3> sowie von hoher Duktilität und Energieaufnahme, die im wesentlichen aus einem Leichtwerkstoff bestehen, dessen Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben bei Raumtemperatur mindestens 33 J beträgt. Die Erfindung betrifft weiterhin Deformationselemente aus einem metallischen Werkstoff von hoher Duktilität und Energieaufnahme, bei denen der Werkstoff bei einer Messung der Energieaufnahme im quasistatischen Deformationsversuch oder/und dynamischen Crashversuch bei Raumtemperatur an zylindrischen Rohren von 100 mm Aussendurchmesser und 2 mm Wandstärke bei einem Deformationsweg von 200 mm eine spezifische Deformationsarbeit von mindestens 5.000 Nm/kg oder/und eine Deformationsarbeit von mindestens 3.000 Nm aufnimmt. Die Erfindung betrifft ferner ein Deformationselement aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung. Die Erfindung betrifft schliesslich einen Verbund aus Tragelementen und Deformationselementen.

Description

Deformationselement aus einem duktilen metallischen Leichtwerkstoff und dessen Verwendung
Die Erfindung betrifft Deformationselemente aus duktilen metallischen Leichtwerkstoffen, insbesondere aus Magnesiumlegierungen, und deren Verwendung.
Deformationselemente werden heute in Fahrzeugen aus Legierungen auf Basis Aluminium oder Stahl in Fahrzeugen eingesetzt, um z.B. als Pralldämpfer die zerstörerischen Kräfte eines Aufpralls oder Unfalls zu mildern, die Zerstörung des Fahrzeugs zu verringern und die Insassen zu schützen. Ein solcher Pralldämpfer wird in EP-A-0 486 058 beschrieben. Deformationselemente können grundsätzlich auch in der Bahntechnik und in Geräten und Anlagen eingesetzt werden, insbesondere zum Schutz dieser in öfter oder im Gefahrenfall besonders belasteten Bereichen. Hierbei kommt es im Halbzeug bzw. Bauteil überwiegend zu Stoß-, seltener im ganzen Element zu Zugoder zu Druck- und Zugbelastungen. Die Belastungen sollen so weit als möglich von den Deformationselementen aufgefangen und möglichst wenig an angrenzende Elemente weitergeleitet werden. Sie können spontan, schnell oder langsam, kontinuierlich, dynamisch, wiederholt oder einmalig eintreten. Die Belastungen sind meistens mehrachsig.
Metallische Leichtwerkstoffe werden zukünftig für den Leichtbau von Kraftfahrzeugen und Flugzeugen immer mehr eingesetzt werden, um das Gewicht von zusätzlichen Elementen aufgrund steigender Komfort- und Sicherheitsstandards - insbesondere bei neuen schadstoffärmeren Automobilen - ausgleichen zu können. Sie sind auch für transportable oder aus anderem Grund besonders leicht gebaute Geräte und Anlagen von Interesse. Der Leichtbau ermöglicht dabei in besonderem Maße die Konstruktion von energiesparenden Fahr- und Flugzeugen wie z.B. des 3-Liter-Kraftfahrzeugs. Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer sehr geringen Dichte etwa im Bereich von 1,2 bis 1,9 g/cm3, vereinzelt auch hinab bis zu etwa 0,9 g/cm3, als metallische Konstruktionsmaterialien von hohem Interesse, vor allem für den Fahrzeug- und Flugzeugbau. Unter den Herstellungsverfahren kommt beim Urformen dem Druckgießen und beim Umformen dem Strangpressen, Pressen, Schmieden und Walzen zukünftig eine stark wachsende Bedeutung zu, da mit diesen Verfahren Leichtbauelemente herstellbar sind wie z.B. Crashelemente, Pralldämpfer, Prallschilde und Prallträger bzw. entsprechende Bauteile für Flugzeuge.
Die Kaltverformbarkeit der kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen ist aufgrund der hexagonalen Kristallstruktur und der damit zusammenhängenden geringen Duktilitat begrenzt. Polykristallines Magnesium sowie die meisten Magnesiumlegierungen verhalten sich bei Raumtemperatur spröde. Für etliche Anwendungen bzw. für bestimmte Herstellverfahren von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen ist neben guten mechanischen Eigenschaften wie hoher Zugfestigkeit ein duktiles Verhalten notwendig. Ein verbessertes Umform-, Energieaufnahme- und Deformationsverhalten bedingt eine höhere Duktilitat und ggf. auch eine höhere Festigkeit und Zähigkeit. Hierfür sind Magnesiumlegierungen mit diesen Eigenschaften zu entwickeln bzw. deren Herstellverfahren weiterzuentwickeln, weil viele Werkstoffvarianten mit dem Herstellzustand stark variierende Werkstoffeigenschaften aufweisen.
Als Duktilitat wird das Vermögen eines Werkstoffes zu bleibender Formänderung bezeichnet, das beim einachsigen Zustand nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm im Idealfall völlig ohne elastischen Anteil ist. Dieses Vermögen wird durch den Eintritt des Bruches begrenzt. Im allgemeinen gilt die im Zugversuch bis zum Bruch erreichte bleibende Dehnung als Duktilitat. Als Maß für die Duktilitat können ferner auch die Schlagarbeit und Kerbschlagarbeit mit jeweils etwas anderer Aussage angesehen werden. Diese Eigenschaften lassen sich gemäß EN 10 002, Teil 1 , bzw. gemäß DIN 50115 und 50116 ermitteln. Die Bruchdehnung A = Apιas, kennzeichnet die Formänderung mit ihrem plastischen Anteil bei einer weitgehend einachsigen Belastung, zusätzlich kann entsprechend dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm der elastische Anteil der Dehnung Aeιast sowie die Summe des elastischen und plastischen Anteils D = ∑A = Aeiast + Apiast ermittelt werden. Ein hochplastischer Werkstoff wird als duktil bezeichnet.
Die Elastizität bezeichnet den elastischen Anteil des Spannungs-Dehnungs-Diagrammes entsprechend dem Hook'schen Gesetz, wo bei idealen linear-elastischen Verhältnissen noch keine bleibende Formänderung auftritt. Weiterhin kann das Streckgrenzen-Verhältnis V als Verhältnis der Fließspannung F = RPO2 zur Zugspannung Z = Rm angegeben werden. Somit ergeben sich zwei die Elastizität, zwei die Plastizität sowie zwei deren Verhältnis zueinander kennzeichnende Werte für die weitgehend einachsige Belastung. Hierbei ergibt das Verhältnis des elastischen mit dem plastischen Anteil der Dehnung die beste Annäherung an die Realität.
Eine Möglichkeit der Bestimmung der Energieaufnahme bei mehrachsiger Belastung ohne Trennung der elastischen und plastischen Anteile ist ein Crashversuch z.B. an rohrförmigen Profilen. Die Formänderung z.B. eines zylindrischen Rohres, die Ausbildung von Faltenbeulen oder Rissen, die Aufsplittung des belasteten Rohrendes in mehrere spanartige Verformungen und die Verkürzung oder Verbiegung kennzeichnen die Art und den Grad der Energieaufnahme. Die Schlagarbeit und die Kerbschlagarbeit können einen Hinweis auf die Energieaufnahme und Verformbarkeit geben, letztere bei mehrachsiger Belastung. Ein Schluß von einachsigen auf mehrachsige Eigenschaften bzw. Verhältnisse ist jedoch nur teilweise möglich.
Die Schlagarbeit ist vor allem ein Maß für die Energieaufnahme eines Halbzeuges und für plastisches Verhalten, also für die Verformbarkeit und Verformungsgeschwindigkeit. Eine hohe Schlagarbeit ist daher wesentlich für den Einsatz von Deformationselementen wie z.B. Crashelementen, Pralldämpfern, Prallschilden und Prallträgern. Die Schlagarbeit - gemessen an ungekerbten Proben - ist u.a. aufgrund höherer Absolutwerte für Magnesiumlegierungen aussagekräftiger als die Kerbschlagarbeit und betrifft eine weitgehend einachsige Belastung. Die Kerbschlagarbeit, die immer an gekerbten Proben bestimmt wird, kennzeichnet auch die Fehleranfälligkeit eines Werkstoffes bei dreiachsiger Belastung. Ihre Aussagekraft ist insbesondere dann geringer, wenn die Ausführung der Kerbe die Werte der Kerbschlagarbeit wesentlich beeinflußt. Die Schlagarbeit und die Kerbschlagarbeit werden bei dynamischer Belastung gemessen und können einen Hinweis auf die Energieaufnahme und Verformbarkeit geben. Zug- und Druckversuche erfolgen im Vergleich hierzu unter quasistatischen Belastungen. Ein Schluß von einachsigen auf mehrachsige Eigenschaften bzw. Verhältnisse ist nur teilweise möglich.
Die im folgenden aufgeführten Werte gemessen an Proben in einem bestimmten Herstellungszustand geben daher die aktuellen Werkstoffeigenschaften wieder. Sie gewähren einen Hinweis auf das Umformverhalten, das vorher beim Umformen aufgetreten war. Es ist in diesem Zustand ein Schluß auf die Eigenschaften und das Verhalten eines Halbzeuges oder sogar eines Bauteiles mit diesem ggf. weiter veredelten Halbzeug im späteren Einsatz gut möglich. Weiterhin ist ein Schluß von den Werkstoffeigenschaften umgeformter Legierungen möglich, die z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren zu weiterverarbeiteten Halbzeugen geformt werden sollen. Da die Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum stranggepreßten Zustand ähnlich der Veränderung der Werkstoffeigenschaften vom gegossenen zum geschmiedeten, gewalzten oder einem ähnlichen umgeformten Zustand ist, ist daher auch ein Schluß auf einen anderen Umformzustand möglich.
Für den Einsatz von Leichtbauelementen wird üblicherweise auf die elastischen Eigenschaften (Steifigkeit) abgehoben, soweit es nicht wie z.B. bei einem Unfall auf die Verformungseigenschaften und damit auf die Energieaufnahme des Elementes und auf das plastische Verhalten ankommt. Daher spielen bezüglich der u.U. mehrfachen Umformung insbesondere die plastischen und für den Einsatz die plastischen oder/und elastischen Eigenschaften eine Rolle. Diese Eigenschaften sind für den Einsatz in der Regel auf die jeweilige Umgebungstemperatur, also im Extremfall im Bereich von -40 °C bis +90 °C, an einzelnen Stellen im Fahr- oder Flugzeug jedoch auf die örtlich noch tieferen oder höheren Temperaturen abzustellen. Der Belastungszustand ist jedoch meistens mehrachsig. Der Schluß von einachsigen auf mehrachsige Belastungszustände ist umso eher möglich, je mehr ein eher isotropes Gefüge vorliegt.
Für die Herstellung derartiger Automobilelemente bietet sich insbesondere die Herstellung durch Druckgießen bzw. Strangpressen, Schmieden oder/und Walzen an. Voraussetzung für den Einsatz von Halbzeugen aus Magnesiumlegierungen bzw. von daraus oder damit hergestellten Bauteilen im Automobil kann die Erfüllung bestimmter Eigenschaftsprofile je nach Anwendung sein wie z.B. bei Deformationselementen eine Zugfestigkeit des Leichtwerkstoffs von mindestens 100 MPa, vorzugsweise von mindestens 130 MPa, zusammen mit einer Bruchdehnung gemessen bei Raumtemperatur von mindestens 15 %, vorzugsweise von mindestens 18 %. Je höher die Zugfestigkeit, Bruchdehnung und weitere Eigenschaften, die auf hohe Duktilitat und Energieaufnahme hinweisen, sind, umso geeigneter sind diese Halbzeuge bzw. Bauteile in der Regel für den Einsatz. Ferner sind höhere Festigkeitswerte und eine höhere Duktilitat auch eine Erleichterung und teilweise auch Voraussetzung für die Umformung gegossener Rohlinge bzw. für die weitere Umformung bereits umgeformter Rohlinge oder Halbzeuge. Je höher diese Eigenschaften im gegossenen bzw. pulverkompaktierten Zustand sind, desto höher sind diese üblicherweise auch im umgeformten Zustand. Eine höhere Duktilitat kann das Umformen bzw. das erneute
Umformen, insbesondere das Strangpressen, erleichtern. Daher ist eine Bruchdehnung von mindestens 10 % auch für die nachfolgenden Herstellungsschritte zu Elementen aus
Magnesiumlegierungen hilfreich. Daher wird aus mehreren Gründen eine Zugfestigkeit von mindestens 150 MPa gemessen bei Raumtemperatur, vorzugsweise von mindestens 180 MPa, zusammen mit einer Bruchdehnung von mindestens 18 %, vorzugsweise von mindestens 20 %, besonders bevorzugt von mindestens 25 %, empfohlen. Üblicherweise beträgt die Bruchdehnung bei den kommerziell gebräuchlichen Magnesiumlegierungen gemessen bei Raumtemperatur weniger als 12
%.
Die Dichte der gebräuchlichen Aluminiumlegierungen, insbesondere der Knetlegierungen, liegt bei 2,64 bis 3,44 g/cm3 und ist damit für metallische Leichtwerkstoffe nicht ganz gering. Die Dichte der weiteren gebräuchlichen Leichtwerkstoffe wie z.B. Titanlegierungen ist noch höher, wenn von Magnesiumlegierungen abgesehen wird.
Es ergeben sich grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten zur Steigerung der Duktilitat und somit der Bruchdehnung bei Magnesiumlegierungen und verwandten Leichtwerkstoffen:
1. Eine recht begrenzte Möglichkeit dieser Steigerung ergibt sich durch Optimierung des Herstellungsprozesses in Verbindung mit Wärmebehandlungsverfahren oder/und über optimierte Herstellparameter z.B. beim Strangpressen. Wichtig ist jedoch beim Umformen z.B. durch Strangpressen, daß die möglicherweise auftretende dynamische Rekristallisation nicht zur Grobkornbildung führt. Denn die Energieaufnahme und die mechanischen Eigenschaften einer Legierung sollten in der Regel umso größer sein, je kleiner die mittlere Korngröße ist. Ziel einer Legierungsentwicklung kann dabei eine Modifikation des Gefügeaufbaus durch Einformen von temperaturstabilen Ausscheidungen oder/und eine Stabilisierung des Gefüges durch Beeinflussung des Kornwachstums sein, um möglichst feines Korn und eine möglichst geringe Porosität zu erzeugen.
2. Beim Übergang der Kristallstruktur der Mg-Hauptphase von der hexagonal dichtesten Kugelpackung auf die kubisch raumzentrierte Kristallstruktur z.B. aufgrund einer höheren Zugabe eines Dotierungselementes wie z.B. mindestens 10,8 Gew.-% Li, um ohne weitere Dotierungselemente einen homogenen ß-Lithium-Magnesium-
Mischkristall zu erzeugen, tritt eine verbesserte Bruchdehnung und eine bessere Umformbarkeit bei Raumtemperatur aufgrund einer erhöhten Anzahl von Gleitsystemen auf. Allerdings können sich dabei Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit verschlechtern. 3. Da Korngrenzen und andere Gefügeinhomogenitäten bzw. Gefügefehler wie z.B. Einschlüsse, Poren, grobe Ausscheidungen, Oxidschlieren und Seigerungen bei der Bewegung von Versetzungen als Barrieren wirken, kann eine Verfeinerung des Gefüges, eine Verkleinerung von GefügeinhomogenitätenAfehlern bzw. eine Vermeidung bestimmter GefügeinhomogenitätenAfehler zu einer Steigerung der Festigkeit, der Bruchdehnung und der Energieaufnahme führen. Die Zusammenhänge sind jedoch im Einzelfall sehr komplex. Die Kornfeinung ist ein wichtiges Hilfsmittel, um weitere Verformungssysteme zu aktivieren, die ein Korngrenzengleiten und neue Fließprozesse bei Raumtemperatur erlauben und somit die Duktilitat verbessern. Dies kann durch die Zugabe kornfeinender Zusätze oder/und durch heterogene Keimbildung beim Erstarren von Gußwerkstoffen aus Legierungen mit bestimmten Zusätzen erfolgen.
Selbst die handelsüblichen Mg-Gußlegierungen bzw. Mg-Knetlegierungen sind im gegossenen und ggf. danach umgeformten, insbesondere stranggepreßten, gepreßten, gewalzten oder/und geschmiedeten und ggf. danach wärmebehandelten Zustand üblicherweise bisher von relativ geringer Duktilitat und geringem Energieaufnahmevermögen. Für die preiswerte Herstellung von Halbzeugen, insbesondere für Fahrzeuge und Flugzeuge, besteht Bedarf an geeigneten Legierungen und einfachen Verfahren zur Herstellung von Magnesiumlegierungen mit etwas erhöhter Festigkeit und stark erhöhter Duktilitat.
Da das Interesse an Mg-Knetlegierungen erst in den letzten Jahren etwas größer geworden ist, steht bisher nur eine begrenzte Anzahl an Legierungen für den großtechnischen Einsatz zur Verfügung. Das sind Legierungen auf Basis Mg-Al-Zn wie z.B. AZ31 , AZ61 und AZ80, auf Basis Mg-Zn-Zr wie z.B. ZK40 und ZK60 oder auf Basis Mg-Mn wie z.B. M1.
Haferkamp, Bach, Bohling & Juchmann (Proc. 3"* Int. Magnesium Conf. Manchester April 10-12, 1996, The Institute of Materials, London 1997, ed.: G. W. Lorimer) bzw. Haferkamp, Bach & Juchmann ("Stand und Entwicklungstendenzen dichtereduzierter Magnesium-Werkstoffe", Vortrag bei der Fortbildungsveranstaltung "Magnesium - Eigenschaften, Anwendungen, Potentiale" der Deutschen Gesellschaft für Materialkunde Clausthal-Zellerfeld 1997) beschreiben Lithium-haltige Magnesiumlegierungen auf Basis MgLi ohne und mit AI, AlZn, Ca, Si, SiCa, AICa, CaAlZn bzw. SiAIZn. Hierbei werden für die Bruchdehnung bzw. Zugfestigkeit Werte für MgLi40at%AI6at% z.B. von 19 % bzw. etwa 255 MPa, für Mgü40at%Si3at% 28 % bzw. etwa 160 MPa sowie für MgLi40at% 42 % bzw. etwa 129 MPa angegeben. Aufgrund der für jene Versuche verwendeten kleinen Laborstrangpresse sind jedoch die Umformgeschwindigkeit und der Umformgrad gering gewesen.
Ferner wurden von Haferkamp, Bach, Bohling & Juchmann bei der Magnesium- Konferenz in Garmisch-Partenkirchen 1992 (Magnesium Alloys and Their Applications, Eds.: B. L. Mordike & F. Hehmann, Oberursel 1992, 243-250) Werte der Bruchdehnung und Zugfestigkeit vorgetragen, die bei MgüAI, ggf. mit Zn, zu Werten bis 31 % und 226 MPa sowie 25 % und 240 MPa führten.
Es bestand daher die Aufgabe, Deformationselemente aus einem metallischen Leichtwerkstoff bzw. einen Verbund mit mindestens einem Deformationselement unter Auswahl der für diese Einsatzzwecke am ehesten wirkenden Parameter vorzuschlagen, wobei die Deformationselemente eine möglichst hohe Duktilitat und Energieaufnahme sowie eine möglichst geringe Dichte aufweisen sollen und darüber hinaus auch möglichst einfach und kostengünstig hergestellt werden sollen. Es bestand ferner die Aufgabe, metallische Leichtwerkstoffe anzugeben, die für die Fertigung von Deformationselementen aufgrund ihrer sehr hohen Duktilitat und Energieaufnahme und sehr geringen Dichte besonders geeignet sind.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Deformationselement aus einem metallischen Werkstoff mit einer Dichte von nicht mehr als 2,5 g/cm3 sowie von hoher Duktilitat und Energieaufnahme, insbesondere aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß es im wesentlichen aus einem Leichtwerkstoff besteht, dessen Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben bei Raumtemperatur mindestens 33 J beträgt, vorzugsweise mindestens 66 J, besonders bevorzugt mindestens 90 J, ganz besonders bevorzugt mindestens 105 J. Vorzugsweise beträgt die Dichte nicht mehr als 2,3 g/cm3, besonders bevorzugt nicht mehr als 2,1 g/cm3. Die Aufgabe wird außerdem gelöst mit einem Deformationselement aus einem metallischen Werkstoff von hoher Duktilitat und Energieaufnahme, insbesondere aus einer Lithium- oder/und Magnesium-haltigen Legierung, das dadurch gekennzeichnet ist, daß der Werkstoff bei einer Messung der Energieaufnahme im quasistatischen Deformationsversuch oder/und dynamischen Crashversuch bei Raumtemperatur an zylindrischen Rohren von 100 mm Außendurchmesser und 2 mm Wandstärke bei einem Deformationsweg von 200 mm eine spezifische Deformationsarbeit von mindestens 5.000 Nm/kg aufnimmt, vorzugsweise von mindestens 10.000 Nm/kg, besonders bevorzugt von mindestens 18.000 Nm/kg, ganz besonders bevorzugt von mindestens 19.000 Nm/kg, oder/und eine Deformationsarbeit von mindestens 3.000 Nm, vorzugsweise von mindestens 5.000 Nm, besonders bevorzugt von mindestens 5.000 Nm, ganz besonders bevorzugt von mindestens 8.000 Nm. Ferner wird die Aufgabe gelöst mit einem Deformationselement aus einer Lithium- oder Magnesium-Iegierung, das im wesentlichen aus dieser Legierung bestehen kann.
Das Deformationselement besteht vorteilhafterweise im wesentlichen aus einem Werkstoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 100 MPa, besonders bevorzugt von mindestens 130 MPa, ganz besonders bevorzugt von 180 MPa, und einer Bruchdehnung gemessen an Zugproben von mindestens 15 %. Es besteht weiterhin vorzugsweise im wesentlichen aus einem Werkstoff von mindestens 18 % unabhängig von seiner Zugfestigkeit, besonders bevorzugt von mindestens 22 %, ganz besonders bevorzugt von mindestens 26 %.
Das Deformationselement weist vorzugsweise einen plastischen Anteil der Spannung bestimmt in Zugversuchen nach dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm von mindestens 50 MPa auf.
Es hat sich gezeigt, daß die Modifizierung von Korngrößen und Phasenverteilungen über das Zulegieren von Begleitelementen wie Lithium hilfreich ist unter Erzeugung von deutlich festeren oder/und duktileren Magnesiumlegierungen. Vor allem ein Zusatz von Lithium hat sich als günstig zur Weiterentwicklung von Magnesiumlegierungen für Deformationselemente erwiesen. Daher ist es empfehlenswert, daß das Deformationselement im wesentlichen aus einer Legierung besteht, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AZ oder ZE, ggf. mit einem Lithiumzusatz. Vorzugsweise besteht das Deformationselement im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung mit einem Gehalt an Li von mindestens 1 Gew.-%, besonders bevorzugt von mindestens 5 Gew.-%, ganz besonders bevorzugt von mindestens 11 und höchstens 30 Gew.-%. Es kann im wesentlichen aus einer Magnesiumlegierung bestehen auf Basis von 10 bis 17 Gew.-% Li, insbesondere aus einer solchen mit 1 bis 6 Gew.-% AI und jeweils 0 bis 4 Gew.-% Mn, Si, Zn oder/und bis zu 1 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelements einschließlich Y. Insbesondere bei einem höheren Gehalt an Lithium ist es empfehlenswert, daß die Magnesiumlegierung einen Anteil von mindestens 10 Vol.-% einer kubisch raumzentrierten Mg-reichen Phase enthält, vorzugsweise mehr als 60 Vol.-%, besonders bevorzugt mehr als 80 Vol.-%, ganz besonders bevorzugt mehr als 90 Vol.-%.
Das Deformationselement kann im wesentlichen aus einem länglichen, rohrförmigen oder/und gewinkelten Formkörper bestehen, insbesondere aus einem linearen, gewinkelten oder gebogenen Profilelement. Vorzugsweise weist es einen rohrförmigen - insbesondere kreisrunden oder polygonalen, T-förmigen oder U-förmigen Profilquerschnitt auf. Es kann auch mit einem Träger, insbesondere mit einem Längsoder/und Querträger, verbunden sein.
Bei der Beanspruchung des Deformationselements ist es von Vorteil, wenn es bei einer schnellen oder sehr schnellen mechanischen Belastung ohne scharfkantigen Bruch oder/und ohne Risse deformiert. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn es bei einer schnellen oder sehr schnellen mechanischen Belastung zu einem gebogenen oder/und gefalteten Element deformiert, wobei die Ausbildung von einer oder mehreren Faltenbeulen bevorzugt wird, wie sie in Figur 3 dargestellt sind.
Ein Verbund aus Tragelementen und Deformationselementen, der mindestens ein Deformationselement enthält, kann dazu beitragen, daß die Deformation der Tragelemente und ggf. weiterer, damit verbundener Elemente z.B. bei einem Unfall deutlich weniger belastet bzw. zerstört werden. Dies wird auch an der Energieaufnahme durch die Ausbildung von Faltenbeulen deutlich. Der Verbund mit mindestens einem Deformationselement kann hergestellt werden durch mindestens ein wärmearmes oder wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, bei dem das Deformationselement mit mindestens einem Tragelement oder einem anderen Deformationselement verbunden wird.
Als Verfahren zur Herstellung von Deformationselementen sind grundsätzlich alle Verfahren des Ur- oder/und Umformens geeignet, vorzugsweise Gießverfahren bzw. das Strangpressen, Walzen und Schmieden. Das Deformationselement weist nach einem Umformverfahren wie den eben genannten vorteilhafterweise ein deutlich rekristallisiertes Gefüge und damit verbunden bessere Werkstoffeigenschaften auf. Die hierbei zu verwendenden Verfahrensschritte, Parameter, Bedingungen und Anlagen sind dabei grundsätzlich bekannt. Vorzugsweise wurde das Deformationselement bei der Herstellung stranggepreßt, geschmiedet oder/und gewalzt und weist ein deutlich rekristallisiertes Gefüge auf. Eine höhere Duktilitat kann das Umformen, insbesondere das Strangpressen, Pressen, Schmieden und Walzen, erleichtern. Daher ist eine Bruchdehnung der umzuformenden Ausgangslegierungen von mindestens 5 %, vorzugsweise von mindestens 10 %, auch für die Herstellung von Elementen aus Leichtwerkstoffen hilfreich.
Verfahren zur Herstellung von Stranqpreßprofilen:
Es wird vorzugsweise von hochreinen, kommerziell erhältlichen Legierungen ausgegangen. Ggf. werden diese Legierungen durch Zusätze auflegiert. Dabei können die hochreinen auflegierten Legierungen beim Schmelzprozeß geringe Mengen an Verunreinigungen aus dem Tiegel aufnehmen. Die Legierungen können beispielsweise in einem Nickel- und Chrom-freien Stahltiegel unter einer Schutzgasatmosphäre, z.B. von Ar oder/und SF6, erschmolzen werden.
Voraussetzung für die Weiterverarbeitung von Magnesiumlegierungen durch Strangpressen, Pressen oder/und Schmieden ist die Herstellung geeigneter Vormaterialien z.B. in Form von Blöcken, Bolzen oder Brammen. Ein üblicherweise gut geeignetes Verfahren ist die Herstellung der Bolzen oder Brammen durch Sand- oder Kokillenguß mit einer ausreichend großen Bearbeitungszugabe. Die gegossenen Bolzen bzw. Brammen können zunächst durch Wärmebehandlung bei z.B. 350 °C über 12 h homogenisiert werden, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen, das z.T. heterogene Gefüge zu verbessern und die Preßbarkeit zu erhöhen. Danach können die homogenisierten Bolzen bzw. Brammen mechanisch auf die erforderlichen Abmessungen bearbeitet werden. Das Strangpressen der Magnesiumlegierungen kann in den gleichen Strangpreßanlagen erfolgen, die für das Strangpressen von Aluminiumlegierungen eingesetzt werden, sowohl über das direkte, als auch über das indirekte Strangpressen. Nur bei der Werkzeuggestaltung (Matrize) ist das Verformungsverhalten spezifisch zu berücksichtigen. Scharfkantige Einlaufe, wie sie bei Aluminiumlegierungen zum Einsatz kommen, sind bei Magnesiumlegierungen zu vermeiden, da sonst die Gefahr von Oberflächenrissen auftritt. In vielen Fällen wird ein Einlaufwinkel von ca. 50 ° für die Matrize für Magnesiumlegierungen verwendet.
Mit den erfindungsgemäßen Legierungen können Voll- und Hohlprofile und andere Formkörper in einfachen oder komplizierten Querschnitten bzw. Formen ohne Probleme stranggepreßt oder in anderer Weise umgeformt werden. Vorzugsweise werden die umgeformten Halbzeuge anschließend einer Wärmebehandlung unterzogen, die beispielsweise im Bereich von 100 bis 200 °C liegen kann, insbesondere über 0,5 bis 24 h. Diese Wärmebehandlung wirkte sich bei den untersuchten Lithium-freien Magnesiumlegierungen jedoch weniger oder sogar fast nicht aus, während sie bei den Lithium-haltigen Magnesiumlegierungen, vor allem bei einem Gehalt von mindestens 0,5 Gew.-% Aluminium, eine deutliche Verbesserung der Energieaufnahme ergeben kann, da das Strangpressen oft noch nicht zu ausreichend stabilen Gefügezuständen führt und noch eine stärkere Bildung feinverteilter Ausscheidungen möglich ist. Danach können die Halbzeuge bei Bedarf gerichtet, wärmebehandelt, z.B. durch Biegen, Drücken, Drückwalzen, Streckziehen, Tiefziehen, Innenhochdruckumformen oder Walzprofilieren weiter verformt oder/und oberflächenbehandelt werden. Die Halbzeuge können auf die erforderlichen Abmessungen gebracht, entgratet und gesäubert werden. Sie können beispielsweise mit einer Schutzschicht oder einem Überzug versehen werden.
Das Deformationselement oder der Verbund mit mindestens einem Deformationselement kann verwendet werden als Crashabsorber, Crashrohr, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, als Element eines Geräte-, Anlagen-, Fahrzeug oder Flugzeugrahmens, als rahmenartige zwei- oder dreidimensionale Zelle, in der Automobil- und Bahntechnik, in Schiffen und Kaianlagen, im Apparate- und Maschinenbau, in transportablen Geräten und Anlagen, als Halbzeug oder Bauteil im Automobil oder Flugzeug. Als Halbzeuge im Sinne dieser Anmeldung werden Formkörper verstanden, die noch nicht für ihren jeweiligen Anwendungszweck fertiggestellt und einsatzfähig sind. Als Bauteile werden dagegen die für den beabsichtigten Einsatzzweck geeigneten Formkörper bezeichnet. Beide Begriffe gehen jedoch fließend ineinander über, da es sich bei dem gleichen Formkörper für den einen Einsatzzweck um ein Halbzeug, für den anderen aber bereits um ein Bauteil handeln kann. Ferner wird aus Gründen der sprachlichen Vereinfachung nicht überall im Text streng zwischen Halbzeug und Bauteil unterschieden bzw. beides gleichzeitig angeführt, obwohl beides gemeint sein kann.
Figuren:
Figur 1 gibt im Längsschnitt den Aufbau der Deformationsanlage 1 des Instituts für Fahrzeugtechnik der Universität Braunschweig schematisch wieder. Auf einem Längsträger 2 ist eine hydraulische Presse 3 mit einer Meßeinrichtung 4 und 5 mit einem Wegaufnehmer, vier Kraftmeßelementen und einem Querkraftmeßelement 6 sowie einem Wegaufnehmer für kleine Deformationen 7 auf der einen Seite des Längsträgers 2 angeordnet. Auf der anderen Seite des Längsträgers 2 ist ein Stützbock 8 mit einer Halterung 9 für Profile und ähnliche Proben wie dem zu testenden Crashrohr 10 und mit nicht dargestellten Kraftmeßelementen sowie mit einer Kalibriereinheit 11 für den Wegaufnehmer 7 montiert.
Die Figuren 2a/b stellen die Meßergebnisse bei quasistatischen Deformationsversuchen an der Deformationsanlage im Kraft-Weg-Diagramm (f über s) und im Diagramm der spezifischen Deformationsarbeit über dem Weg (d über s) für die getesteten Werkstoffe dar. Die Figuren zeigen die Ergebnisse für die Magnesiumlegierungen MgAI3Zn1 (C) und Mgü15.5AI2.5Zn0.8 (D) sowie zum Vergleich für Stahl St35 (A) und für die Aluminiumlegierung AIMgSiO.5 (B). Die regelmäßigen dynamischen Kurvenverläufe in Figur 2a sprechen offensichtlich für die Ausbildung einer entsprechenden Zahl von Faltenbeulen.
Figur 3 gibt die Crashrohre aus der Legierung Mgü15.5AI2.5Zn0.8 nach dynamischen Versuchen im Fallwerk in Abhängigkeit von der Wärmebehandlung vor dem Crashversuch wieder. Links: Ohne Wärmebehandlung - ohne Faltenbeulen. Zweites Bild von links: Mit Wärmebehandlung bei 100 °C 2 h. Drittes Bild von links: Mit Wärmebehandlung bei 150 °C 4 h bei leicht asymmetrischer Belastung. Rechts: Mit Wärmebehandlung bei 150 °C 4 h bei symmetrischer Belastung. Figur 4 zeigt ein im dynamischen Crashversuch deformiertes Crashrohr aus der Legierung MgLi15.5AI2.5Zn0.8 mit Faltenbeulen.
Beispiele:
Die folgenden erfindungsgemäßen Beispiele stellen ausgewählte Ausführungsformen dar, ohne die Erfindung einzuschränken.
Bei den im folgenden benutzten Legierungsbezeichnungen kennzeichnet A AI, E mindestens ein Seltenerdelement SE, wobei Y auch zu den Seltenerdelementen gerechnet wird, M oder MN Mn, S Si und Z Zn mit Gehaltsangaben in Gew.-% Zn - üblicherweise mit Gehaltsangaben in Gew.-%, soweit nichts anderes vermerkt ist. Bei allgemein gebräuchlichen Legierungsangaben wie z.B. AZ31 werden durch die Zahlen wie für die jeweilige Legierung üblich nur größenordnungsmäßige Gehalte angegeben, die in relativ breitem Maß branchenüblich variieren können.
Die Legierungen wurden als hochreine kommerziell erhältliche Legierungen oder üblicherweise aus hochreinen Ausgangslegierungen wie z.B. AM-, AZ- oder AS- Legierungen durch Zugabe von Reinstmagnesium bzw. hochreinem Lithium auflegiert. Die Legierungen wurden in einem Stahltiegel unter der Schutzgasatmosphäre eines Ar- SF6-Gemisches erschmolzen. Der Abguß der für das nachfolgende Strangpressen erforderlichen Rohlinge erfolgte in eine zylindrische Stahlkokille mit Bearbeitungszugabe. Die erzielten Elementgehalte wurden spektroskopisch überprüft. Bei allen Legierungen ist darauf geachtet worden, daß das Gefüge der Gußkörper möglichst homogen ist, da dies die Duktilitat empfindlich beeinflussen kann.
Danach wurden die Bolzen für die Herstellung von Strangpreßprofilen auf 70 mm Durchmesser abgedreht und auf 120 mm Länge gebracht bzw. für die Herstellung von Crashrohren durch Strangpressen auf 218 mm Durchmesser abgedreht und auf die erforderliche Länge gebracht. Die Bolzen wurden anschließend einer Homogenisierungsbehandlung bei z.B. 350 °C über 12 h ausgesetzt, um Seigerungen im Gefüge zu beseitigen und die Preßbarkeit zu erhöhen. Seigerungen können zu einer ungleichmäßigen Verformung und bei kritischen Strangpreßbedingungen zu Rissen bzw. zu lokalen Aufschmelzungen führen, was schlechte Oberflächenqualitäten bedingen kann. Bei weniger gut homogenisierten Bolzen ist ein unnötig hoher Preßdruck beim Strangpressen erforderlich. A) In einer Technikumsaniaqe stranggepreßte Profile und Untersuchung ihrer mechanischen Eigenschaften:
Danach wurden die homogenisierten Bolzen auf die jeweilige Strangpreßtempertur, die "Temperatur des Bolzens", aufgeheizt, durchgewärmt und in einer 400 t- Horizontalpresse stranggepreßt. Die Temperatur des Bolzens ist dabei jene Temperatur, die der Bolzen bei Eintritt in die Strangpresse aufweist. Es wurden etliche der Herstellparameter systematisch variiert. Die Verfahren zur Herstellung von Strangpreßprofilen aus den erfindungsgemäßen Legierungen werden in einer am gleichen Tag vom gleichen Anmelder beim Deutschen Patent- und Markenamt eingereichten Patentanmeldung im Detail beschrieben; jene Anmeldung gilt durch ihre Benennung als in vollem Umfang in diese Anmeldung einbezogen.
Je nach Probe wurde bei den Lithium-haltigen Legierungen und deren Lithium-freien Ausgangslegierungen eine Strangpreßtemperatur im Bereich von 150 bis 300 °C und für das Aufheizen des Bolzens eine Aufheizzeit im Bereich von 50 bis 110 min eingestellt. Je nach Probe wurde bei einem Rezipientendurchmesser von 74 mm eine Rezipiententemperatur im Bereich von 180 bis 259 °C, ein Matrizendurchmesser im Bereich von 15 bis 18 mm, ein Preßverhältnis A/A0 im Bereich von 16,9 bis 24,3, ein Umformgrad φ = ln(Ao/A) im Bereich von 2,8 bis 3,2, eine Stempelgeschwindigkeit im Bereich von 191 bis 419 mm/min, eine Strangpreßgeschwindigkeit v im Bereich von 3,2 bis 9,0 m/min, ein Preßdruck zu Beginn des Strangpressens im Bereich von 15,2 bis 24,3 MPa und ein Preßdruck zum Ende des Strangpressens im Bereich von 10,0 bis 14,8 MPa gewählt.
Die stranggepreßten Profile wurden durch Fräsen und Drehen bearbeitet zu Rundzugproben (d0 = 5 mm, l0 = 5 • d0, kleiner Proportionalitätsstab, nach DIN 50 125), Druckproben (d0 = 10 mm, l0 = 2 • d0, nach DIN 50 106), Schlagbiegeproben (10 x 10 x 55 mm, nach DIN 50 116) und Kerbschlagbiegeproben (nach DIN 50 115). Pro Legierung und Versuch wurden jeweils 5 dieser Proben hergestellt und getestet. Bei allen Proben wurde die Längsrichtung so gewählt, daß sie mit der Richtung des Strangpressens übereinstimmt. Beim Zugversuch wurden Zugfestigkeit Rm, Dehngrenze = Streckgrenze RP0,2 und
Bruchdehnung A bei einer Zuggeschwindigkeit von 0,5 mm/min bestimmt. Beim
Druckversuch wurden Werte der Druckfestigkeit R m> Stauchgrenze RDo,2 und
Stauchung AD bei einer Druckgeschwindigkeit von 0,5 mm/min gewonnen. Der Beginn der plastischen Verformung (Dehn- bzw. Stauchgrenze) wurde graphisch ermittelt. Die maximal anwendbare Schlagenergie betrug 150 J. Alle Messungen fanden bei
Raumtemperatur statt.
Bei den Tabellen bedeuten "Guß" = Material im Gußzustand und "extr." = Gußmaterial, das anschließend durch Homogenisieren und Strangpressen (Extrudieren) umgeformt wurde, "B" = erfindungsgemäßes Beispiel und "VB" = Vergleichsbeispiel nach dem Stand der Technik.
Tabelle 1a: Mittelwerte der Meßergebnisse der mechanischen Versuche an Lithium- haltigen Magnesiumlegierungen und deren Ausgangslegierungen
Figure imgf000017_0001
Tabelle 1b: Mittelwerte der aus dem Spannungs-Dehnungs-Diagramm errechenbaren
Werte der Zugversuche für Lithium-haltige Magnesiumlegierungen und für deren
Ausgangslegierungen
Figure imgf000018_0001
Beispielhaft sollen die Magnesiumlegierungen auf Basis AZ31 und ZE angesprochen werden:
Bei dem mit Lithium auflegierten Werkstoff AZ31 wurden deutlich höhere Zähigkeiten an ungekerbten Schlagproben sowie deutlich höhere Bruchdehnungen ermittelt als an undotierten Proben, wobei die höchste Duktilitat bei der im wesentlichen zweiphasigen Legierung AZ31U15.5 auftrat. Dagegen fiel die Zugfestigkeit mit dem Lithium-Gehalt ab. Die Druckfestigkeit ist bei Proben im Gußzustand proportional mit dem Lithium-Gehalt, bei extrudierten Proben jedoch bei mittleren Lithium-Gehalten am höchsten. Bei den Legierungen ZE10 und ZE10U3.7 stiegen alle mechanischen Eigenschaften bei Proben im Gußzustand mit dem Lithium-Gehalt drastisch an. Bei den entsprechenden stranggepreßten Proben nahmen die mechanischen Eigenschaften mit Ausnahme von Zugfestigkeit und Streckgrenze mit dem Lithium-Gehalt deutlich zu. Die Legierung ZE10U3.7 zeigte sehr hohe Werte der Schlagarbeit: An einzelnen Proben wurden bis zu 140 J gemessen; andere Proben wurden durch das Widerlager der Prüfmaschine gezogen, ohne komplett zu brechen: Dann konnte kein Meßwert der Schlagarbeit ermittelt werden.
Die an den gegossenen und stranggepreßten Proben ermittelten Festigkeitswerte waren weitaus höher als erwartet. Überraschenderweise war auch das Verformungsvermögen dieser Legierungen sehr hoch. Ferner war es überraschend, daß die Werkstoffeigenschaften der modifizierten Legierungen erstaunlich wenig in Abhängigkeit von den Strangpreßbedingungen variierten, was für eine Fertigung vorteilhaft ist. Ferner war es überraschend, daß die Schlagarbeit der Legierung ZE10 derart hoch lag.
B) In einer großtechnischen Anlage stranggepreßte Rohre und Crashversuche an den daraus hergestellten Crashrohren:
Es wurden zylindrische Hohlprofile in einer großtechnischen Anlage durch Abgießen in Kokillen auf 230 mm Durchmesser, Abdrehen auf 218 mm Durchmesser, Homogenisieren bei 150 °C über 4 h, Strangpressen im Temperaturbereich von 200 °C bis 350 °C - und bei Lithium-haltigen Legierungen daran anschließende Wärmebehandlung - hergestellt in Form von zylindrischen Rohren mit einem Außendurchmesser von 100 mm, einer Wandstärke von 2 mm und einer Länge von 500 mm bzw. 200 mm. Hierzu wurden die in Tabelle 3 angeführten Legierungen eingesetzt.
Neben einem Stahl und einer Aluminiumlegierung wurden Magnesiumlegierungen unterschiedlichen Lithiumgehalts geprüft und die Magnesiumlegierung AZ31 = MgAI3Zn1 als Referenzlegierung verwendet. Bei einem Lithiumgehalt von 12 at% bzw. entsprechend gemessen von 3,6 Gew.-% lag die MgLi-reiche Phase in der hexagonalen Kristallstruktur vor, bei einem Lithiumgehalt von 40 at% bzw. entsprechend gemessen von 15,5 Gew.-% in der kubischen Kristallstruktur und bei einem Lithiumgehalt von 21at% bzw. entsprechend gemessen von 6,8 Gew.-% teilweise in der hexagonalen und teilweise in der kubischen Kristallstruktur.
Die Crashrohre können auch als Crashabsorber bezeichnet werden, weil sie in diesen Versuchen die gesamte eingebrachte Energie aufgenommen haben. Die Crashrohre aus den verschiedenen Legierungen wurden in einer Versuchsreihe durch quasistatische Belastung und in einer anderen Versuchsreihe durch dynamische Belastung getestet. Die Belastung der Crashrohre erfolgte in deren Längsrichtung durch möglichst lineare Belastung gegen die vordere Stirnfläche des Crashrohres. Die Prüfung der Hohlprofile in Form dieser zylindrischen Rohre aus verschiedenen Legierungen erfolgte in der Deformationsanlage des Instituts für Fahrzeugtechnik der Universität Braunschweig im quasistatischen Druckversuch bei Raumtemperatur. Die hydraulische Presse wurde mit einer Geschwindigkeit von bis zu 2 mm/s, die dann auch der Deformationsgeschwindigkeit entsprach, in Richtung auf das Crashrohr ausgefahren. Ihre maximale Druckkraft konnte 900 kN betragen. Die Deformationsarbeit wurde unter Berücksichtigung der Dichte auf die spezifische Deformationsarbeit umgerechnet. Die ursprünglich 500 mm langen Crashrohre wurden um bis zu etwa 400 mm gestaucht, und dann wurden die Versuche abgebrochen, so daß eine Verkürzung auf bis zu etwa 100 mm erreicht wurde.
Die dynamische Prüfung dieser Hohlprofile erfolgte im Fallwerk des Instituts für Mechanik der Universität Hannover bei Raumtemperatur. Ein Fallgewicht von 120 kg wurde als geführter quaderförmiger Stempel über 4 m Fallhöhe auf das unten auf einer Basisfläche stehende Crashrohr senkrecht fallen gelassen. Die Wegmessung wurde mit einem Lasertriangulometer durchgeführt. Die Fallgeschwindigkeit beim Auftreffen des Fallgewichtes auf die Stirnfläche des Crashrohres betrug 8,7 m/s.
Tabelle 2a: Meßergebnisse der quasistatischen Deformationsversuche
Figure imgf000021_0001
je nach Wärmebehandlung
Tabelle 2b: Meßergebnisse der dynamischen Deformationsversuche
Figure imgf000021_0002
je nach Wärmebehandlung
Manche der Lithium-haltigen Legierungen zeigten bei hohem Lithiumgehalt eine unerwartet starke Abhängigkeit der Werkstoffeigenschaften von der Art der Wärmebehandlung. So war die Legierung AZ31Li40at% = MgLi15.5AI2.5Zn0.8 einerseits ohne eine Wärmebehandlung nach dem Strangpressen in einem vergleichsweise spröden Zustand, so daß ein derartiges im Crashversuch getestetes Crashrohr mehrfach in Längsrichtung des Rohres in der Nähe der durch den Aufprall belasteten Stirnseite aufriß und in Abschnitten nach außen umgebogen wurde. Wenn jedoch ein derartiges Rohr bei einer Wärmebehandlung nach dem Strangpressen bei z.B. 150 °C über 4 h in einen hochplastischen Zustand überführt war, so ergab sich ein noch stärkeres Zusammenstauchen und die Ausbildung von unter günstigen Bedingungen erstaunlich regelmäßig ausgebildeten Faltenbeulen (Figuren 3 und 4).
Es war erstaunlich, daß ein recht gleichmäßiges starkes Faltenbeulen im dynamischen Crashversuch bei der Legierung Mgü15.5AI2.5Zn0.8 erzeugt werden konnte. Leicht angedeutete Faltenbeulen ließen sich im dynamischen Crashversuch mit den Legierungen MgLi6.8AI2.8ZnO.9 und
MgLi3.7Zn1.3SE1 gewinnen. Es ist vorteilhaft, Faltenbeulen zu erzeugen, weil dadurch das Aufreißen und scharfkantige Ecken und Kanten vermieden werden und die Verletzungsgefahr deutlich verringert wird. Die Deformationsarbeit bzw. die spezifische Deformationsarbeit unterschieden sich je nach Wärmebehandlung jedoch nur geringfügig.
Ferner ist es vorteilhaft, Sicken, kleine Aussparungen, Kerben oder andere Schwächungen im Bereich der belasteten Stirnfläche der Crashrohre oder besser dicht unterhalb einzubringen, um dort eine Schwächung des Halbzeugs und somit einen definierten Verformungsbeginn und eine Senkung der anfänglich maximalen Trägerkraft zu erreichen. Hierbei ist es insbesonders das Ziel gewesen, den Anfangspeak der Belastung, der im Kraft-Weg-Diagramm erkennbar ist, so abzusenken, daß das anfängliche Maximum und die späteren Maxima dieser Kurve möglichst ähnlich hoch zu liegen kommen, so daß die Hüllkurve über diese Maxima sich einer Rechteckkurve annähert. Das ergibt dann z.B. für einen Verbund aus Fahrzeugrahmen und Deformationselement(en) eine auf den Rahmen übertragbare mittlere Kraft, die nicht zu hoch ist und die auch die Insassen nicht mehr so stark belastet wie bei einem sehr hohen Anfangspeak. Von daher ist es auch gut, hohe Grade der Stauchung zu erzielen, da die Energieaufnahme das Integral aus Kraft und Stauchung ist, bei der die auf den Rahmen übertragene und nicht aufgrund der Energieaufnahme aufgenommene Kraft nicht zu hoch liegen darf. Die Legierungen AZ31 und MgLi15.5AI2.5Zn0.8 ließen sich auf etwa 20 % der Ausgangslänge zusammenstauchen, wobei die Versuche dort abgebrochen wurden. Ein Teil der bei diesen Versuchen eingesetzten Crashrohren wies dabei 6 Sicken unterhalb der vorderen Stirnfläche auf.
Mit einzelnen der erfindungsgemäßen Crashrohre konnte ein Versagensbild wie bei Aluminiumlegierungen und Stählen erzielt werden. Sowohl bei quasistatischer, als auch bei dynamischer Beanspruchung konnten bei einem Teil der Magnesiumlegierungen erste oder viele gut ausgebildete Faltenbeulen erzeugt werden. Relativ spröde Magnesiumlegierungen wie AZ31 zeigten kein Faltenbeulen und nur eine relativ geringe Energieaufnahme. Je nach Legierung und Wärmebehandlung konnte die Ausscheidungsstruktur der Legierung und damit die Kraft-Weg-Kennlinie sowie die spezifische Deformationsarbeit beeinflußt werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Deformationselement aus einem metallischen Werkstoff mit einer Dichte von nicht mehr als 2,5 g/cm3 sowie von hoher Duktilitat und Energieaufnahme, insbesondere aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einem Leichtwerkstoff besteht, dessen Schlagarbeit gemessen an ungekerbten Proben bei Raumtemperatur mindestens 33 J beträgt.
2. Deformationselement aus einem metallischen Werkstoff von hoher Duktilitat und Energieaufnahme, insbesondere aus einer Lithium- oder/und Magnesium-haltigen Legierung, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff bei einer Messung der Energieaufnahme im quasistatischen Deformationsversuch oder/und dynamischen Crashversuch bei Raumtemperatur an zylindrischen Rohren von 100 mm Außendurchmesser und 2 mm Wandstärke bei einem Deformationsweg von 200 mm eine spezifische Deformationsarbeit von mindestens 5.000 Nm/kg oder/und eine Deformationsarbeit von mindestens 3.000 Nm aufnimmt.
3. Deformationselement aus einer Lithium- oder Magnesiumlegierung.
4. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Werkstoff eine Bruchdehnung gemessen an Zugproben von mindestens 18 % aufweist.
5. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einer Legierung besteht, die ausgewählt ist aus der Gruppe von Legierungen auf Basis AM, AZ oder ZE, ggf. mit einem Lithiumzusatz.
6. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Werkstoff eine Zugfestigkeit von mindestens 100 MPa und eine Bruchdehnung von mindestens 15 % aufweist.
. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Werkstoff einen Magnesiumgehalt von mindestens 60 Gew.-% aufweist.
8. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Werkstoff eine Magnesiumlegierung ist mit einem Gehalt an Li von mindestens 1 Gew.-%, insbesondere eine solche mit 1 bis 6 Gew.-% AI und jeweils 0 bis 4 Gew.-% Mn, Si, Zn oder/und bis zu 1 Gew.-% mindestens eines Seltenerdelements SE einschließlich Y.
9. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sein Werkstoff eine Magnesiumlegierung ist, die einen Anteil von mindestens 10 Vol.-% einer kubisch raumzentrierten Mg-reichen Phase enthält.
10. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei der Herstellung stranggepreßt, geschmiedet oder/und gewalzt wurde und ein deutlich rekristallisiertes Gefüge aufweist.
11. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es im wesentlichen aus einem länglichen, rohrförmigen oder/und gewinkelten Formkörper besteht, insbesondere aus einem linearen, gewinkelten oder gebogenen Profilelement.
12. Deformationselement nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, daß es einen rohrförmigen - insbesondere kreisrunden oder polygonalen, T-förmigen oder U- förmigen Profilquerschnitt aufweist.
13. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem Träger, insbesondere mit einem Längsoder/und Querträger, verbunden ist.
14. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer schnellen oder sehr schnellen mechanischen Belastung ohne scharfkantigen Bruch oder/und ohne Risse deformiert.
15. Deformationselement nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es bei einer schnellen oder sehr schnellen mechanischen Belastung zu einem gebogenen oder/und gefalteten Element deformiert, bevorzugt mit einer oder mehreren Faltenbeulen.
16. Verbund aus Tragelementen und Deformationselementen, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens ein Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 15 enthält.
17. Verbund nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Deformationselement durch mindestens ein wärmearmes oder wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Kleben, Nieten, Stecken, Anpressen, Einpressen, Clinchen, Falzen, Schrumpfen oder Schrauben oder/und mindestens ein wärmeeinbringendes Fügeverfahren wie z.B. Verbundgießen, Verbundschmieden, Verbundstrangpressen, Verbundwalzen, Löten oder Schweißen, insbesondere Strahlschweißen oder Schmelzschweißen, mit mindestens einem Tragelement oder Deformationselement verbunden wurde.
18. Verwendung eines Deformationselementes oder eines Verbundes mit mindestens einem Deformationselement nach einem der Ansprüche 1 bis 17 als Crashabsorber, Crashrohr, Pralldämpfer, Prallschild, Prallträger, als Element eines Geräte-, Anlagen-, Fahrzeug oder Flugzeugrahmens, als rahmenartige zwei- oder dreidimensionale Zelle, in der Automobil- und Bahntechnik, in Schiffen oder Kaianlagen, im Apparate- und Maschinenbau, in transportablen Geräten und Anlagen, als Halbzeug oder Bauteil im Automobil oder Flugzeug.
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