Von R. Schneider1,2,4), B. Heine2), R. J. Grant1), N. Sotirov3), R. Kelsch4) und T. Hägele4)
1) Glyndŵr University, Department of Engineering and Applied Physics, Wales, UK
2) Hochschule Aalen, Institut für Oberflächen- und Werkstofftechnik, Aalen, DE
3) LKR Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH, Ranshofen, AT
4) Voestalpine Polynorm GmbH & Co. KG, Schwäbisch Gmünd, DE
Im Hinblick auf die Umformeigenschaften ist das Prozessfenster bei Aluminiumblechlegierungen immer noch stark eingeschränkt. Im Automobilbau werden primär Legierungen der 5000er und 6000er Serie eingesetzt. Dem zunehmenden Trend, immer komplexere Geometrien an einem Automobil darzustellen, ist bei diesen Legierungsgruppen, ohne neue Technologien, nur schwer zu folgen. Mit einer starken Absenkung der Umformtemperatur soll das Eigenschaftsspektrum von Aluminiumblechlegierungen erweitert werden.
Lower Temperatures to Improve Formability of Aluminium Alloy Sheet
The operational process window for deformation of aluminium alloy sheet is somewhat limited. In the automotive industry, aluminium alloys of the 5000 and 6000 series are mainly used. However given the trend to increasingly complex geometric shaped components in the automotive industry, the use of these alloys with existing technology is proving very difficult. However with a significant reduction in the temperature of the deformation process, the operational window for deformation of aluminium alloy sheets can be significantly expanded.
1 Einleitung
Blechwerkstoffe aus Aluminium überzeugen nicht nur durch ihre geringe Dichte, sondern auch durch eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit durch Ausbildung einer stabilen Passivschicht [1]. Diese Eigenschaften führen zu besonderem Interesse bei der blechbearbeitenden Industrie.
Trotz dieser Vorzüge haben viele Aluminiumlegierungen im Wettbewerb mit modernen Stahlblechlegierungen aber bisher wegen ihrer geringeren Festigkeit, trotz optimal festigkeitsgesteigertem Gefügezustand und ihrer geringeren plastischen Verformbarkeit selbst im weichgeglühten Zustand, das Nachsehen. Um keine Einbußen bei der Festigkeitssteigerung durch zum Beispiel Kaltverfestigung (5000er Legierungen) oder eine zu früh eintretende Aushärtung (6000er Legierungen) zu verursachen, muss der Einsatz von thermisch geführten Umformoperationen bedacht werden.
Eine Möglichkeit, gute Umformeigenschaften bei gleichbleibender Festigkeit zu erzielen, verspricht eine Umformung bei Temperaturen unterhalb Raumtemperatur. Hier besteht keine Gefahr einer festigkeitsabbauenden Erholung und Rekristallisation sowie Überalterung, wie sie eine Warmumformung in vielen Fällen mit sich bringt. Basierend auf [2] wurde die Übertragbarkeit von Zugversuchen des AA5182-H111 Werkstoffs auf Napfzugversuche bei Temperaturen von +25 °C und -196 °C gegenübergestellt.
2 Verbesserte Fließeigenschaften
Die verbesserten Fließeigenschaften resultieren von einem erhöhten Verfestigungsexponenten n, welcher unmittelbar angibt, inwieweit ein Werkstoff plastisch verformt werden kann, ohne sich einzuschnüren. Während die Zugprobe der Legierung AA5182-H111 bei Raumtemperatur bei rund 23 % Gleichmaßdehnung einschnürt, kann der aufgrund der tiefen Temperatur auftretende Verfestigungsmechanismus [3] die Querschnittsreduktion der Probe bis cirka 47 % Gleichmaßdehnung kompensieren (Abb. 1).
Abb. 1: Spannungs-Dehnungsdiagramm von AA5182-H111 bei 25 °C und -196 °C
Neben den Werkstoffeigenschaften entscheiden zusätzlich die tribologischen Randbedingungen über den Umformprozess. Bei Temperaturen weit unter Raumtemperatur können die klassischen ölbasierten Schmierstoffe nicht angewendet werden. Eine Alternative zu flüssigen Schmierstoffen bieten Trockenfilmschmierstoffe (TFSS), mit speziellen Additiven.
Streifenziehversuche bei Temperaturen T < 0 °C zeigten die schmierstoffabhängigen Reibzahlen auf. Während der Reibkoeffizient der ölbasierten Schmierstoffe mit abnehmender Temperatur steigt, bleiben die Gleiteigenschaften unter Einsatz eines TFSS erhalten – analog zur Umformkraft wie in Abbildung 2a dargestellt.
3 Erhöhtes Grenzziehverhältnis durch Temperaturreduktion
Um die Schmierwirkung des TFSS näher zu betrachten, wurden Napfzugversuche bei Raumtemperatur und bei -196 °C durchgeführt. Die Kraft-Weg-Verläufe der Napfzugversuche zeigt Abbildung 2b. Abbildung 3 zeigt die bei verschiedenen Temperaturen hergestellten Näpfe. Das Grenzziehverhältnis bei Raumtemperatur von β = 2,1 erhöht sich bei einer Unterkühlung der Ronde auf β = 2,3.
Abb. 2: Ziehkraft beim Napfziehversuch bei T = -196 °C und ß = 2.3 mit Schmierstoffvariation (a) und Kraftverlauf (Schema) bei verschiedenen Temperaturen und Grenzziehverhältnissen (b)
Abb. 3: Näpfe aus AA5182-H111 mit verschiedenem Grenzziehverhältnis
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass die Aluminiumblechlegierungen der 5000er Serie eine gesteigerte Umformbarkeit bei tiefen Temperaturen aufweisen. Bei der untersuchten Legierung AA5182-H111 konnte mittels der Tieftemperaturbehandlung die Napfhöhe um 24 % erhöht werden.
Literatur
[1] W. S. Miller, L. Zhuang, J. Bottema, A. J. Wittebrood, P. De Smet, A. Haszler, A. Vieregge: Recent development in aluminium alloys for the automotive industry; Mat. Sci. Eng. A280 (2000), 37–49
[2] R. Schneider, B. Heine, R. J. Grant, Z. Zouaoui: Mechanical behaviour of aircraft relevant aluminium wrought alloys at low temperatures, Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L; Journal of Materials Design and Applications 2013, DOI: 10.1177/1464420713501734
[3] S. Fritsch, M. Scholze, M. F.-X. Wagner: Cryogenic forming of AA7075 by Equal-Channel Angular pressing; Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2012, 43, No. 7
DOI: 10.7395/2014/Schneider1
