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EFB-Forschungsbericht Nr. 501

Warmumformung von 7xxx-Aluminiumlegierungen

efb501

Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Hendrik Vogt, Dipl.-Ing. Masood Jalanesh, Dr.-Ing. Christian Bonk, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover - Prof. Dr.-Ing. Hans Jürgen Maier, Dr.-Ing. Sabine Behrens, Institut für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover

128 Seiten (sw, 120 teils farbige Abb., 6 Tab.)

ISBN: 978-3-86776-554-1

Preis (Digital) EUR 59,00

Preis (Print) EUR 67,00

Zusammenfassung

Höchstfeste Aluminiumlegierungen der 7xxx-Reihe haben, aufgrund ihrer im Vergleich zu formgehärteten Stählen ähnlichen spezifischen Festigkeit, ein hohes Leichtbaupotenzial. Durch die Kombination der spezifischen Festigkeit mit einer zugleich höheren Duktilität ist es möglich, Strukturbauteile für Kraftfahrzeuge herzustellen, die bei gleichbleibender oder steigender Crashperformance ein geringeres Gewicht aufweisen.

Allerdings werden diese Legierungen bisher kaum im Karosseriebau eingesetzt. Der Grund hierfür ist die geringe Umformbarkeit der Werkstoffe im höchstfesten Zustand bei Raumtemperatur.

Daher ist es nicht möglich Bauteile mittels konventioneller Kaltumformverfahren herzustellen. Ein Ansatz zur Steigerung der Umformbarkeit bietet die Halbwarm- und Warmumformung. Dabei wird die mit der Temperatur steigende Formbarkeit der Legierungen ausgenutzt. In der Halbwarmumformung werden dabei bereits höchstfeste Bleche bei Temperaturen unterhalb der Rekristallisationstemperatur umgeformt.

In der Warmumformung hingegen werden die Platinen oberhalb der Rekristallisationstemperatur lösungsgeglüht und anschließend, vergleichbar mit dem Formhärten, in einem gekühlten Werkzeug zeitgleich umgeformt und auf Raumtemperatur abgeschreckt.

Das Ziel des Projektes bestand darin, die beiden Prozessrouten der Halbwarm- und Warmumformung hinsichtlich geeigneter Umformparameter, Einflüssen der Wärmebehandlung im Hinblick auf mechanische Eigenschaften sowie die Korrosionsbeständigkeit der Werkstoffe zu qualifizieren.

Zu Beginn wurde dazu der Einfluss der Erwärmungsparameter auf die Umformbarkeit der ausgewählten Aluminiumlegierungen untersucht. Des Weiteren wurde ermittelt, welchen Einfluss die Umformtemperatur, die Abschreckbedingungen im Werkzeug sowie eine kathodische Tauchlackierung auf die mechanischen Eigenschaften der Legierungen hat. Anschließend wurden geeignete Wärmebehandlungsparameter ermittelt, mit denen eine Prozesszeitverkürzung bei Erhalt des erforderlichen Leichtbaupotenzials möglich ist.

Im Anschluss daran wurden Demonstratorbauteile mittels des Tiefziehens hergestellt. An diesen wurde die Umformbarkeit der Legierungen, der Einfluss der Umformtemperatur auf die Formänderung sowie die Maßhaltigkeit und Rückfederung untersucht. Zudem wurden die Bauteile im Prozess einer kathodischen Tauchlackierung wärmebehandelt. Die erreichten mechanischen Eigenschaften wurden anschließend im Zugversuch ermittelt.

Neben den mechanischen Eigenschaften müssen die untersuchten Legierungen ebenfalls eine ausreichende Korrosionsbeständigkeit aufweisen. Daher wurde der Einfluss der unterschiedlichen Prozessrouten und Wärmebehandlungsparameter auf die Beständigkeit bei zyklischen Korrosionsbedingungen untersucht. Des Weiteren wurde die Spannungsrisskorrosionsbeständigkeit der verwendeten Aluminiumlegierungen ermittelt. Dazu wurden zunächst Untersuchungen hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit und anschließend Versuche unter statischer Zugbelastung durchgeführt.

Abschließend wurde eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung der untersuchten Prozessrouten durchgeführt.
Das Ziel des Vorhabens wurde erreicht.

Das IGF-Vorhaben „Warmumformung von 7xxx-Aluminiumlegierungen" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18944N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 501 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.

Summary

Highest-strength aluminium alloys of the 7xxx series have a high potential for lightweight construction due to their specific strength, which is similar to press-hardened steels. By combining specific strength with higher ductility, it is possible to produce structural compo-nents for automobiles that have a lower weight while maintaining or increasing crash performance. However, these alloys have so far hardly been used in body construction. The reason for this is the low formability of the materials in a high-strength state at room temperature.

It is therefore not possible to produce components using conventional cold forming processes. Warm and hot forming offers an approach to increasing formability. In doing so, the formability of the alloys, which increases with temperature, is exploited. In warm forming, high-strength sheets are already formed at temperatures below the recrystallisation temperature. In hot forming, on the other hand, the blanks are solution annealed above the recrystallisation temperature and then, comparable to die hardening, simultaneously formed in a cooled die and quenched to room temperature.

The aim of the project was to qualify the two process routes of warm and hot forming with regard to suitable forming parameters, influences of heat treatment on mechanical properties and corrosion resistance of the materials.

At the beginning, the influence of the heating parameters on the formability of the aluminium alloys examined was investigated. Furthermore, the influence of the forming temperature, the quenching conditions in the tool and a cathodic dip coating on the mechanical properties of the alloys was determined. Subsequently, suitable heat treatment parameters were determined with which a process time reduction is possible while maintaining the required lightweight design potential.

Subsequently, demonstrator components were produced by deep-drawing. These were used to examine the formability of the alloys, the influence of the forming temperature on the change in deformation as well as the dimensional stability and springback. In addition, the components were heat-treated in a cathodic dip coating process. The mechanical properties achieved were then determined in a tensile test.

In addition to the mechanical properties, the alloys examined must also have sufficient corrosion resistance. Therefore, the influence of the different process routes and heat treatment parameters on the resistance under cyclic corrosion conditions was investigated. Furthermore, the stress corrosion cracking resistance of the aluminium alloys used was determined. For this purpose, first electrical conductivity tests were carried out, followed by cyclical tests.

Finally, a cost effectiveness analysis of the investigated process routes was carried out.
The aim of the project was achieved.

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Formelzeichen und Abkürzungen
Formelzeichen
Abkürzungen
Zusammenfassung
1 Anlass für das Forschungsvorhaben
2 Stand der Technik
2.1 Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen
2.2 Umformung von 7xxx-Aluminiumlegierungen
2.2.1 Halbwarmumformung
2.2.2 Warmumformung
2.2.3 Kaltumformung und Sonderverfahren
2.3 Korrosion von Aluminiumlegierungen
2.3.1 Spalt- und Filiformkorrosion
2.3.2 Spannungsrisskorrosion
3 Zielsetzung und Vorgehensweise
4 Bearbeitung des Forschungsprojektes
4.1 Untersuchungswerkstoffe
4.2 Auslegung des Umformprozesses sowie der Wärmebehandlung
4.2.1 Parameterermittlung für den Umformprozess
4.3 Wärmebehandlung der Aluminiumlegierungen
4.3.1 Einfluss der Umformtemperatur und des Lackeinbrennprozesses
4.3.2 Ermittlung einer Wärmebehandlungsstrategie für die Warmumformung
4.3.3 Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit
4.4 Umformung und Analyse von Demonstratorbauteilen
4.4.1 Tiefziehen der Bauteile und Bestimmung der maximalen Ziehtiefe
4.4.2 Formänderungsanalyse
4.4.3 Maßhaltigkeits- und Rückfederungsermittlung
4.4.4 Mechanische Eigenschaften der Bauteile
4.5 Korrosionsuntersuchungen
4.5.1 Beständigkeit bei zyklischen Korrosionsbedingungen
4.5.2 Spannungsrisskorrosionsuntersuchungen
4.6 Wirtschaftlichkeitsbetrachtung
5 Ergebnisse und Ausblick
5.1 Einschätzung zur industriellen Umsetzbarkeit
5.2 Wissenschaftlich-technischer Nutzen der Ergebnisse für KMU
5.3 Veröffentlichungen
6 Literatur
7 Anhang
Formänderungsanalyse
Maßhaltigkeit