Herstellung komplexer Bauteile hoher Festigkeit durch Thixo

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THIXOFORMING
Beispiele zum Thixo-Schmieden:
Teilfüllungsversuche an einem
Mäander (links, Bild 6) und an
einem Pralltopf (rechts, Bild 4)
Herstellung komplexer Bauteile hoher
Festigkeit durch Thixo-Schmieden
Am Institut für Umformtechnik der
Universität Stuttgart wird seit 1994
das Thixo-Schmieden von Aluminium,
Messing und Stahl untersucht. Neben
der Entwicklung der Pressentechnologie und der Anlagen zur induktiven
Erwärmung zielen die Forschungsaktivitäten auf seriennahe Musterbauteile aus einer breiten Werkstoffpalette. Der Artikel stellt die Möglichkeiten dar, mit denen sich verschiedene
Werkstücke aus Aluminium, Messing
und Stahl fertigen lassen. Die dazu
notwendige Anlagentechnik wurde
teilweise am Institut entwickelt und
ist für die Fertigung von Kleinserien
ausreichend. Die Qualität der mit
Thixoforging gefertigten Bauteile ist
bei deutlich erweitertem Formgebungsspektrum der von konventionellen Schmiedeteilen annähernd gleichzusetzen.
Beim Thixoforming findet die Formgebung des Werkstoffs im Temperaturbereich zwischen Liquidus- und
Solidustemperatur statt. Das Werkstück befindet sich somit in einem
teilflüssigen Zustand. Verfahren des
Thixoformings sind Thixo-Gießen
(Thixocasting) und Thixo-Schmieden (Thixoforging). Das ThixoGießen ist anlagentechnisch dem
Druckguss zuzuordnen, das ThixoSchmieden dem Gesenkschmieden.
Besonders hervorzuheben ist, dass
beim Thixo-Schmieden die zur Umformung erforderlichen Stempelkräfte verglichen mit denen des Schmiedens äußerst gering sind. Das ThixoSchmieden zielt auf die Kombination
der Vorteile des Druckgießens (komplizierte Bauteilgeometrien, dünne
Wandstärken) und des Schmiedens
(druckdichtes Gefüge, hohe Bruchdehnung, hohe Festigkeit und gute
Oberflächen).
Bild 1:
Hydraulische
einfachwirkende
5000 kN-Presse
für das Thixoforging
Das Thixo-Schmieden lässt sich in
die Teilschritte Vormaterialbehandlung, Erwärmung und eigentliche
Umformung sowie Abkühlung mit gegebenenfalls nachfolgender Wärmebehandlung untergliedern. Die Vormaterialbehandlung soll ein Werkstoffgefüge einstellen, das nach der
Erwärmung auf Prozesstemperatur
aus festen globularen Gefügebestandteilen in einer flüssigen Matrix besteht. Industriell wird dies meist
durch elektromagnetisches Rühren
beim Stranggießen des Rohmaterials
erreicht. Bezüglich weiterer Verfahren
wird auf die Literatur [1] verwiesen.
Bei der Erwärmung ist eine sehr genaue Temperaturführung notwendig, um einen definierten homogenen Flüssiganteil über dem gesamten
Querschnitt des Rohteilbolzens zu
erhalten. Dieses wird durch eine geregelte induktive Erwärmungsanlage
erreicht. Die Umformung erfolgt im
offenen oder geschlossenen Gesenk
mit einer speziell für das ThixoSchmieden ausgelegten Presse. Nach
dem Umformprozess kann eine kontrollierte Abkühlung, gegebenenfalls
mit nachfolgender Wärmebehand-
Zu den Autoren: Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. Klaus Siegert ist seit 1988 Leiter des Instituts für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart. Dipl.-Ing.
Jens Baur (Leiter der Abteilung Lehre und Thixoforging), Dipl.-Ing. Günther Meßmer und Dipl.Ing. Andreas Wolf sind wissenschaftliche Mitarbeiter am gleichen Institut.
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lung, zur Optimierung der Produkteigenschaften erfolgen.
Presse für das Thixoforging
Die Herstellung der Bauteile erfolgt
auf einer hydraulischen Presse mit einer Stößelgeschwindigkeit von bis zu
800 mm/s. Die Geschwindigkeit, mit
der die Umformung beginnt, sollte
sehr gering sein, damit das Werkstück nicht durch den Auftreffstoß
zerstört wird. Nach einem „sanften“
Anpressen sollte dann aber das Umformgut mit hoher Geschwindigkeit
in die Kavitäten des Gesenks gepresst werden. Nach der Umformung
sollte dann das Umformgut unter
hohem Druck unter die Solidustemperatur abkühlen, um beim Übergang zum festen Zustand schrumpfungsbedingte Lunker zu vermeiden.
Hierzu ist die Presse auf eine geforderte Stößelkraft umzusteuern. Die
Geschwindigkeit des Stößels sollte
somit über dem gesamten Hub frei
programmierbar sein.
Die relativ hohe maximale Geschwindigkeit von 800 mm/s wurde
am IFU in Zusammenarbeit mit der
Firma SMG durch Ergänzung eines
entsprechend dimensionierten Stickstoffspeichers als Energiespeicher
realisiert (Bild 1). Die Geschwindigkeit des Stößels wird über ein Stromregelventil zwischen Kolbenspeicher
und Pressenzylinder gesteuert [2].
Ein typischer Thixoforging-Prozess
läuft wie folgt ab:
– Das auf die vorgegebene Temperatur erwärmte Rohteil wird in das
Werkzeug eingelegt. Anschließend
wird die Stößelbewegung zum
Schließen des Gesenks eingeleitet.
Typische Schließgeschwindigkeiten liegen im Bereich von 600 bis
800 mm/s. Zum Aufsetzen des
Oberwerkzeugs oder des Stempels
muss die Stempelgeschwindigkeit
jedoch stark verringert werden, um
ein Auseinanderspritzen des teilflüssigen Rohteils zu vermeiden.
– Beim eigentlichen Umformvorgang
ist eine hohe Stempelgeschwindigkeit notwendig, um ein vorzeitiges
Erstarren des Werkstücks zu verhindern. Abhängig von der Werkstückgeometrie liegen dabei die
Stößelgeschwindigkeiten zwischen
400 und 800 mm/s. Sie sind so zu
wählen, dass eine laminare Strö-
Bild 2:
Elektrischer Schaltplan der induktiven
Erwärmungsanlage
mung zur Füllung der Werkzeugkavitäten erzielt wird.
– Nach der Umformung kühlt das
Umformgut unter die Solidustemperatur ab, so dass das Werkstück
vollständig erstarrt. Dabei sollte ein
Innendruck von mindestens 1000
bar herrschen, der durch eine entsprechende Stößelkraft realisiert
wird. Die Erstarrung dauert – abhängig vom Werkstoff und von der
Werkstückgeometrie – 3 bis 8 s. Im
Anschluss an die Erstarrung kann
das Werkzeug geöffnet und das
Werkstück entnommen werden.
Induktive Erwärmung
Um ein unerwünschtes Kornwachstum während der Erwärmung zu verhindern, muss die Zeit bis zum Erreichen der gewünschten Werkstücktemperatur kurz sein. Dies ist nur
durch die Verwendung einer induktiven Erwärmung möglich.
Das IFU nutzt im Gegensatz zu üblicherweise in Forschung und Industrie
eingesetzten Schwingkreis-Anlagen
eine Anlage, bei der eine über einen
Thyristor gepulste Gleichspannung
an der Induktionsspule anliegt (Bild
2). Die Frequenz der Pulse lässt sich
im Bereich von 1 bis 4 kHz einstellen.
Über die Frequenz lässt sich die Eindringtiefe variieren. Außerdem ist es
möglich, bei konstanter Frequenz die
in das Werkstück induzierte Leistung
über eine Modulation der Pulsbreite
zu verändern. Mit diesen beiden Parametervariationen ist eine Optimierung der Erwärmung möglich.
Da die Umformung der Rohteile in
dem meist sehr engen Fenster zwischen Solidus- und Liquidustemperatur erfolgen soll, ist die genaue
Kontrolle der Erwärmung erforder-
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Bild 3:
Vergleich des Effektivstroms über die Rohteiltemperatur bei der Erwärmung eines Rohteils
aus AlSi7Mg (∅ 59 mm, Höhe 24,5 mm)
lich. Am weitesten verbreitet ist
dafür die Messung der Induktivitätsänderung im Rohteil sowie der
Einsatz eines Leistungscontrollers,
der die in das Werkstück eingebrachte Leistung erfasst.
Am IFU wird die Temperatur über
eine Messung des Stroms in der Zuleitung zur Induktionsspule erfasst.
Das Messprinzip beruht dabei darauf, dass sich bei konstanter Spannung der Strom an der Induktionsspule beim Übergang vom festen
zum teilflüssigen Zustand ändert,
Bild 3. Damit lässt sich der Moment
des Aufschmelzens erkennen. Mit
Hilfe von Referenzversuchen kann
anhand einer Temperaturmessung
am Ende der Erwärmung – begleitet
durch Schliffbilder des abgeschreckten Gefüges –auf den Flüssigphasenanteil geschlossen werden.
Thixoforging von Aluminium
Gute mechanische Eigenschaften von
sicherheitsrelevanten Fahrzeugkomponenten aus Aluminium sind unab-
Bild 5:
Thixoforging Werkstück
„Mäander“
dingbar für eine Herstellung durch
Thixo-Schmieden. Ein gleichmäßig
hoher Druck auf die gesamte Bauteilfläche während der vollständigen
Erstarrung des Materials vermeidet
weitgehend Schrumpfungsporen
und schrumpfungsbedingte Fehler.
Daraus ergibt sich im Vergleich zu
Gussverfahren eine größere Freiheit
bezüglich stark differierender Wandstärken.
Thixogeschmiedete Bauteile besitzen eine hohe mechanische Festigkeit bei hohen Dehnungswerten, vergleichbar mit den mechanischen Eigenschaften gesenkgeschmiedeter
Werkstücke. Ergänzend dazu steigt
die Freiheit bei der Formgebung, so
dass Bauteile mit komplexeren Geometrien als beim konventionellen
Schmieden hergestellt werden können. Im Vergleich zum Schmieden
entfallen außerdem eventuell notwendige Prozessschritte oder spezielle stranggepresste Profile zur Massevorverteilung bei Gesenkschmiedestücken und die Prozesskette wird
verkürzt.
Bild 7:
Mechanische Kennwerte
des Mäanders an
verschiedenen Stellen
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Das Werkzeug für das Schmieden
im offenen Gesenk kann einem gratarmen Schmiedewerkzeug vergleichbar gestaltet werden. Dadurch verbessert sich im Vergleich zu konventionellen Schmiedewerkzeugen mit
Gratbahn bzw. im Vergleich zu
Druckgussformen mit Anguss das
Verhältnis von Bauteilmasse zu Rohteilmasse. Durch die Einsparung der
Aufbereitungskosten dieses Kreislaufmaterials lassen sich die Mehrkosten für das elektromagnetisch
gerührte Vormaterial weitgehend
kompensieren.
Bild 4 zeigt Teilfüllungsversuche eines seriennahen Bauteils aus AlMgSi1.
Die gewählte Legierung AlMgSi1 ist
gut mit anderen Legierungen dieses
Typs verschweißbar und weist gute
Korrosionsbeständigkeit auf. Sie wird
daher verbreitet im PKW-Bau eingesetzt. Das gezeigte Beispiel „Pralltopf“
stellt den Abschluss eines PKW-Längsträgers dar, an dem der Stoßfänger
angeschweißt wird.
Thixoforging von Messing
Ein wesentlicher Vorteil thixogeschmiedeter Messingbauteile liegt in
der hochwertigen Oberfläche, die dieses Verfahren ermöglicht. Das dabei
verwendete Material ist eine bleifreie,
chemisch korngefeinte Legierung, die
sich für die Herstellung von Trinkwasserarmaturen eignet. Durch die guten
mechanischen Festigkeiten lassen sich
aus dieser Legierung auch Ventilführungen und Lager herzustellen.
Aus einem Versuchsbauteil, dem
sog. Mäander (Bild 5), können 4
Zugproben und 2 Torsionsproben
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Bild 8 und 9:
Gefügestruktur von in
den Bereich zwischen
Solidus- und Liquidustemperatur erwärmten
Bolzenabschnitten.
entnommen werden. Die Zugproben
Z1 und Z4 haben dabei längere
Fließwege als die Zugproben Z2 und
Z3. Somit kann der Einfluss des
Fließwegs ermittelt werden. Der Einfluss eines Werkstoffüberlaufs zeigt
sich im Vergleich der Zugproben Z1
und Z4.
Bild 6 zeigt das Formfüllungsverhalten, das über Teilfüllungsversuche, sogenannte Step-Shootings, ermittelt wurde, bis hin zum fertigen
Mäander. Gemäß einer Berechnung
tritt nach vollständiger Füllung der
Torsionsproben-Kavitäten aufgrund
der Stempelgeschwindigkeit von 500
mm/s eine Fließgeschwindigkeit von
bis zu 5000 mm/s im Bereich der
Zugproben auf.
Die für den Mäander ermittelten
Werkstückkennwerte sind in Bild 7
abgebildet. Wegen der beim Thixoforging von Messing auftretenden
großen inneren Spannungen im GeBild 10:
Gratausbildung in
Abhängigkeit der
Stößelgeschwindigkeit
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füge ist ein Glühprozess nach der
Umformung unumgänglich. Die
Glühdauer beträgt 4 Stunden bei einer Temperatur von 550 °C. Deutlich
erkennbar sind die guten Werte der
Zugproben Z2 und Z3 mit den kürzeren Fließwegen, deren Festigkeiten
dabei annähernd der des stranggepressten Ausgangsmaterials entsprechen. Außerdem kann durch den
Vergleich der Zugproben Z1 und Z4
die Notwendigkeit eines Werkstoffüberlaufs, in dem sich mit Trennstoffen und Oxiden verunreinigtes Material sammelt, belegt werden.
Thixoforging von Stahl
Seit kurzem wird das Umformverhalten teilflüssiger Stahllegierungen untersucht. In einer ersten Projektstufe
wurden zwei unterschiedliche Werkzeugstähle, der Schnellarbeitsstahl
1.3343 und der Chromstahl 1.2363
auf ihre Eignung für den ThixoSchmiedeprozess hin untersucht.
Diese Stähle zeichnen sich durch ein
großes Aufschmelzintervall und eine
vergleichsweise niedrige Verarbeitungstemperatur aus [6]. Die Gefügestruktur von in den Bereich zwischen
Solidus- und Liquidustemperatur
erwärmten Bolzenabschnitten ist
in Bild 8 und Bild 9 dargestellt.
Während beim Schnellarbeitsstahl
im Gefügebild die aufgeschmolzene
Flüssigphase deutlich sichtbar ist, ist
eine Unterscheidung beim Chromstahl schwierig. Durch die Martensitumwandlung sind die Austenitkorngrenzen nur noch schwer zu erkennen. Dies erschwert die metallographische Nachweisbarkeit des Flüssigphasenanteils.
Durch die Wärmeenthalpie und die
bei der Erstarrung frei werdende Erstarrungsenthalpie ist es trotz der hohen Wärmestrahlungsverluste mög-
lich, die verwendeten Bolzenabschnitte homogen aufzuschmelzen und
thixotrop umzuformen. Entgegen den
Erfahrungen mit Aluminium- und
Messinglegierungen ist es bei hochschmelzenden Legierungen möglich,
mit konstanter Induktionsfrequenz
und -leistung zu erwärmen. Durch die
mit vierter Potenz der absoluten Temperatur steigende Wärmestrahlung
wird die hohe Energieeinbringung gegen Ende der Erwärmung kompensiert. Durch die starke Temperaturabhängigkeit dieser Strahlung wird der
Prozess stabiler und unempfindlicher
gegenüber Störgrößen, wie die initiale
Rohteiltemperatur oder Leistungsschwankungen der Induktionsanlage,
die die Erwärmung bei Aluminiumund Messinglegierungen stark beeinflussen. Es ist daher möglich, die Erwärmung rein zeitgesteuert durchzuführen.
Im Rahmen der Versuche wurde
das Bauteil „Sicherungsflansch“ hergestellt. Durch den einfachen und robusten Aufbau des Werkzeugs, kombiniert mit filigranen Zapfen, eignet
es sich gut für erste Untersuchungen
zum Formänderungsverhalten der
Stähle. Im Verlauf der Untersuchungen zeigte die Variation der Umformgeschwindigkeit, dass diese einen großen Einfluss auf die Werkstückeigenschaften hat. Entgegen der
Annahme, dass hohe Temperaturdifferenzen auch hohe Umformgeschwindigkeiten zur Verhinderung
einer vorzeitigen Erstarrung bedingen, zeigte sich, wie in Bild 10 zu sehen, dass bei zu hohen Geschwindigkeiten flüssiges Material in den Gratspalt gedrückt wurde. Dadurch war
es nicht möglich, einen ausreichend
hohen Erstarrungsdruck aufzubauen. Erst bei niedrigeren Stößelgeschwindigkeiten zeigten sich gute Resultate. Durch die Abkühlung und
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beginnende Erstarrung im Gratspalt
konnte offensichtlich der notwendige Erstarrungsdruck auf das Werkstück aufgebracht werden.
Beim Thixo-Schmieden wird das
Rohteil in den Bereich zwischen
Schmiede- und Gießtemperatur erwärmt. Die thermische und mechanische Belastung des Werkzeugs liegt
folglich ebenso zwischen den entsprechenden Belastungen eines Schmiedegesenks und einer Druckgussform,
Bild 11. Für die Verarbeitung von
Stahl resultiert daraus, dass die thermische Belastung des Gesenks höher
ist als bei Gesenkschmiedewerkzeugen. Dies führt zu einem hohen
Werkzeugverschleiß. Neben einem
Erweichen der Gravuroberfläche
zeigt sich dies vor allem in daraus resultierenden abrasiven Auswaschungen der Oberfläche.
Um das Thixoforging höherschmelzender Legierungen wirtschaftlich zu
gestalten, ist die Standzeit der Werkzeuge beträchtlich zu erhöhen. Untersuchungen hierzu werden am IFU
vorangetrieben. Vielversprechende
Lösungsansätze werden auch in [4]
Bild 11:
Anforderungen an ein
Thixoforging-Werkzeug
diskutiert. Durch Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit lassen sich
die Temperaturen und Spannungen
an der Werkzeugoberfläche reduzieren. Werkzeuge aus hochfesten Kupferlegierungen werden am IFU zur
Zeit untersucht und mit Werkzeugen
aus konventionellem Werkzeugstahl
verglichen.
Literatur
[1] Kaufmann, H.; Wabusseg, H.; Uggowitzer, P.J.:
Metallurgical and processing aspects of the
NRC semi-solid casting technology. Aluminium
76 (2000), 1/2, S. 70-75
[2] Fritz, W.; Gräbner, L.; Rösner, S.: Machine
Concept of a hydraulic Thixoforging Press. In:
Proceedings of the 5th International Conference
on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Colorado, 1998
[3] Gablathuler, J.P.: Thixoforming: Ein neues
Verfahren für die Produktion von Near-Net-Shape
Formteilen. In: Tagungsband zur Internationalen
Konferenz: „Neuere Entwicklungen in der
Massivumformung“, Hrsg.: K. Siegert, 1997
[4] Hirt, G.; Nohn, B.: Untersuchungen zum
Thixoforming als Alternative zur Herstellung
komplex geformter Stahlschmiedeteile,
Forschungsbericht P322, Studiengesellschaft
Stahlanwendung, 1999
[5] Kopp, R.; Neudenberger, D.; Winning, G.;
Möller, T.: Thixoforging and Thixoextrusion –
Benefits of innovative forming technologies.
In: Proceedings of the 6th ICTP, 1999
[6] A Guide to the Solidification of Steels,
Tagungsband, Stockholm, 1977
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