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EFB-Forschungsbericht Nr. 034

Umformen von Aluminiumblechen bei erhöhten Temperaturen

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Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Dieter Schmoeckel, Dipl.-Ing. Carlo Heller, Institut für Umformtechnik der Technischen Hochschule Darmstadt

142 Seiten (Sw 65 Abb., 1 Tab)

ISBN: 978-3-86776-050-8

Preis (Digital) EUR 62,00

Preis (Print) EUR 69,60

Schlagwörter: Diffusion, Aluminiumblechen, Legierung

Zusammenfassung

Die Festigkeitseigenschaften von Aluminium können durch Hinzulegieren anderer Elemente erheblich gesteigert werden, so daß die gewichtssparenende und wertbeständigkeitssteigernde Substitution von Stahlwerkstoffen möglich wird. In diesem Zusammenhang haben sich in erster Linie Knetlegierungen des Typs AIMg und AIMgSi durchgesetzt.

Nachteilig ist jedoch, daß diese Aluminiumlegierungen bei Raumtemperatur ein gegenüber Tiefziehstahl geringeres Umformvermögen aufweisen. Dadurch sind kompliziertere Erzeugnisteile, die aus Stahl umformtechnisch ohne weiteres gefertigt werden können, nur mit erhöhten Werkzeugaufwand oder gar nicht aus Aluminium herstellbar.

Eine aussichtsreiche Möglichkeit, das Formänderungsvermögen von Aluminium zu verbessern, liegt in der Anhebung der Verarbeitungstemperatur in den sogenannten halbwarmen Bereich unterhalb der Rekristallisation des Werkstoffes. Bei gleichzeitiger Abnahme der Festigkeit ist eine beträchtliche Steigerung der Dehnrarugkeit der Al Mg-Legierungen mit steigender Temperatur möglich.

Die Untersuchungen befassen sich mit dem Temperaturverhalten der Werkstoffe AIMg5Mn, AIMg3 und AIMgO,4Sit,2 in Hinblick auf eine optimale Nutzung der Formänderungssteigerung im halbwarmen Bereich (150°C – 300°C) unter besonderen Berücksichtigung der Ver- und Entfestigungsvorgänge, die für die anzuwendenen Umformverfahren (Tief- und Streckziehen) von entscheidender Bedeutung sind.

Zur Untersuchung des Fließverhalten der betrachteten AIMg-Legierungen wurde ein universeller Versuchs stand entwickelt, der die Durchführung des hydraulischen Tiefungsversuch und des Zugversuchs bei Temperaturen bis zu 300°C ermöglicht. Der hydraulische Tiefungsversuch (engl. Bulgetest) ist den Streckzieh- Prüfverfahren für Feinbleche zuzuordnen. Er dient in erster Linie zur Aufnahme von Fließkurven.

Der Zugversuch, der zur Fließkurvenaufnahme nur bedingt geeignet ist, liefert ergänzend standardisierte und genormte Kennwerte, die zur Beschreibung der Umformeigenschaften metallischer Werkstoffe üblich sind.

Der Einfluß der Temperatur auf das Fließverhalten der AIMg-Legierungen ist sehr ausgeprägt. Mit zunehmender Temperatur nimmt die Spannung, die dem plastischen Fließen entgegengesetzt wird, stetig ab. Auch die Verfestigungneigung, d.h. die Zunahme der Fließspannung mit dem Umformgrad, wird deutlich herabgesetzt. Dagegen wird das Formänderungsvermögen durch die Temperaturerhöhung gesteigert.

Da die entfestigenden Vorgänge im Metallgitter im Temperaturbereich der Kristallerholung zeitabhängig sind, spielt die Umformgeschwindigkeit eine wichtige Rolle im Wechselspiel der Umformverfestigung und dem entfestigenden Temperatureinfluß. Die Geschwindigkeitserhöhung hat prinzipiell folgende Auswirkungen auf das Umformverhalten:

  • Das Fließspannungsniveau wird erhöht. Bei demselben Umformgrad nimmt die Spannung, die dem Werkstoff während der Umformung entgegengesetzt wird, bei höheren Formänderungsgeschwindigkeiten zu.
  • Die Festigkeitszunahme durch die Formänderung (Umformverfestigung), die durch die Temperaturerhöhung zurück geht, wird durch Anheben der Umformgeschwindigkeit gesteigert.
  • Die erreichbare maximale Umformung geht zurück. Dies wird besonders in den Spannungs-Dehnungs-Schaubildern am Rückgang der Bruchdehnung ersichtlich.

Es sind damit zwei gegenläufige Auswirkungen der Umformgeschwindigkeitserhöhung auf das Umformverhalten zu verzeichnen, ein Zugewinn an Festigkeit hat stets eine Abnahme der Duktilität zur Folge.

In der Praxis der Halbwarmumformung wird es darauf ankommen, das gesteigerte Umformvermögen durch die Temperaturerhöhung und die Umformgeschwindigkeitsverfestigung zur Stabilisierung des Werkstoffflusses möglichst optimal zu nutzen.

Die Verfestigung des Werkstoffes spielt im Tiefziehprozeß eine entscheidende Rolle, man versteht darunter die Fähigkeit des Werkstoffes auf ein lokal einsetzendes, plastisches Fließen mit einer Erhöhung der örtlichen Fließspannung zu reagieren und so ein Einschnüren zu vermeiden; es werden somit Spannungsspitzen abgebaut und größere Werkstoffbereiche gleichförmig verformt. Dadurch können auch völlig unverformte Zonen, die in der Praxis zu fehlerhaften Teilen führen, weitgehend vermieden werden. Es wird also zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Umformung eine hohe Verfestigung angestrebt.

Die Umformverfestigung der betrachteten AIMg-Legierungen nimmt mit zunehmender Temperatur ab. Jedoch ist die plastische Stabilität des Umformvorgangs bei erhöhten Temperaturen trotzdem gewährleistet, da der für die Halbwarmumformung charakteristische Verfestigungsmechanismus, die Umformgeschwindigkeitsverfestigung (strain rate hardening) m, ihren Platz einnimmt.
Es sind dabei zwei sich gegenseitig unterstützende Effekte beteiligt:

  • Instabilitäten im Werkstofffluß (beginnende Einschnürungen) sind stets mit einer Erhöhung der Umformgeschwindigkeit und der daraus resultierenden Verfestigung verbunden, so daß die Umformung gestoppt und an anderer weniger verformten Stelle fortgeführt wird.
  • Gebiete geringer Formänderungen führen zu niedrigen lokalen Umformgeschwindigkeiten, das Fließspannungsniveau liegt dementsprechend niedriger als das der sich im Fluß befindlichen Werkstoffbereiche, so daß die Umformung an dieser Stelle gefördert wird.

Damit wird trotz der mangelnden Kaltverfestigung im erhöhten Temperaturbereich für eine homogene Verteilung der Umformung gesorgt.

Mit Hilfe einer mehrdimensionalen Näherungsrechnung ist es möglich, das Umformverhalten der Al Mg-Legierungen im halbwarmen Temperaturbereich in einer geschlossenen Form zu beschreiben, da dieses viskoplastische Verhalten einer physikalischen Gesetzmäßigkeit folgt.

Auf diese Weise wird es möglich, die Fließspannung, die Umformkraft und Umformarbeit in Abhängigkeit jeder Parameterkonfiguration zu berechnen, ohne dabei auf Tabellen oder Diagramme zurückgreifen zu müssen. Der Anwendung für rechnergestützte Auslegung von Umformprozessen in der Halbwarmumformung wird damit Tor und Riegel geöffnet.

In den tribologischen Untersuchungen, die auf einem Streifenziehgerät unter definierten Randbedingungen durchgeführt wurden, konnte ein linearer Zusammenhang zwischen der Flächenpressung und der Reibzahl festgestellt werden. Bei erhöhten Temperaturen nehmen die Reibzahlen drastisch zu und die ertragbaren Flächenpressungen ab. In dem angeschlossenen Fortsetzungsvorhaben sind weitere Untersuchungen in Hinblick auf eine Verbesserung der Systemeigenschaften und Anpassung der Reibpartner an die besonderen Bedingungen bei erhöhten Temperaturen notwendig.

Das Forschungsvorhaben "Umformen von Aluminiumblechen bei erhöhten Temperaturen" enthält die Ergebnisse des Gemeinschaftsforschungsvorhabens DFB/ AiF-Nr: 6054. Das Vorhaben wurde von der Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen e.V., Köln, (AiF) aus Mitteln des Bundeswirtschaftsministeriums über die DFB gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 34 erschienen und ist bei der EFB-Geschäftsstelle erhältlich.

Inhalt

1 Einleitung
2 Metallkundliche Grundlagen der Umformung von Aluminium
2.1 Verformung im Bereich der Gleichmaßdehnung
2.1.1 Umformung und Verfestigung
2.1.2 Fließfiguren
2.2 Versagensablauf
2.3 Umformen bei erhöhten Temperaturen
2.3.1 Werkstoffverhalten im Bereich der Erholung
2.3.2 Werkstoffverhalten im Bereich der Rekristallisation.
3 Versuchswerkstoffe
3.1 Blechwerkstoffe
3.2 Werkzeugwerkstoffe
3.3 Schmierstoffe
4. Untersuchung des Fließverhaltens
4.1 Versuchsmethodik
4.1.1 Hydraulischer Tiefungsversuch
4.1.1.1 Versuchsaufbau
4.1.1.2 Berechnungsgrundlage
4.1.1.2.1 Schalengeometrie
4.1.1.2.2 Vergleichsumformgrad
4.1.1.2.3 Spannungen im Kuppenpol und Fließspannung.
4.1.1.2.4 Approximation der Fließkurve
4.1.1.2.5 Mehrdimensionale Näherungsrechnung
4.1.2 Zugversuch
4.1.2.1 Versuchsaufbau
4.1.2.2 Versuchsauswertung
4.1.3 Backofen-step-change Method
4.2 Versuchsergebnisse
4.2.1 Temperatureinfluß auf das Umformverhalten von AIMg-Legierungen
4.2.2 Temperatureinfluß auf die Vorgänge im Metallgitter
4.2.3 Einfluß der Umformgeschwindigkeit auf das Umformverhalten bei erhöhten Temperaturen
4.2.4 Die Ver- und Entfestigungsmechanismen in der Halbwarmumformung
4.2.4.1 Umformverfestigung
4.2.4.2 Umformgeschwindigkeitsverfestigung
4.2.5 Das Prinzip der Halbwarmumformung
4.2.6 Beschreibung des Umformverhaltens der AIMg-legierungen in Form einer Näherungsgleichung
5. Untersuchung des tribologischen Verhalten
5.1 Versuchsmethodik
5.1.1 Streifenziehversuch
5.1.1.1 Versuchsaufbau
5.1.1.2 Versuchsauswertung
5.2 Versuchsergebnisse
5.2.1 Reibkraft - Weg - Verlauf
5.2.2 Einfluß der Rächenpressung auf die Einebnung der Ziehoberfläche
5.2.3 Einfluß der Einebnung auf die Reibzahl
5.2.4 Einfluß der Rächenpressung auf die Reibzahl
5.2.5 Einfluß der Versuchstemperatur auf die Reibzahl
6. Zusammenfassung
Schriftum
Bildteil
Tabellen