Untersuchung der Prozessparameter für den Drahtzugprozesses mit Nickel-Titan

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1 Untersuchung der Prozessparameter für den Drahtzugprozesses mit Nickel-Titan, Deutschland Dipl.-Ing. Dennis Otibar

2 INHALT 1. Übersicht zur Drahtherstellung 2. Einfluss von Nickel in NiTi-Legierungen 3. Kaltumformung von FGL 4. Gegenüberstellung der Drahtzugverfahren 5. Bildung der Oxidschicht 6. Prozessketten aus Literatur 2

3 ÜBERSICHT ZUR DRAHTHERSTELLUNG Quelle: K. Yamauchi, I. Ohkata, K. Tsuchiya, S. Miyazaki 3

4 KALTUMFORMUNG VON FGL Ausgewählte Einflussgrößen Ziehtemperatur etwa M S = mechanische Spannungen Umformgrad ϕ = Spannung und Härte im Draht a) einmal gezogen b) mehrmals gezogen mit Zwischenglühbehandlung c) Härte über Kaltverformung Quelle: S.K. Wu, H.C. Lin, Y.C. Yen 4

5 KALTUMFORMUNG VON FGL Ausgewählte Einflussgrößen T G und t G des Zwischenglühens = Defekte und mech. Spannung Schmiermitteleinsatz = mech. Spannung Quelle: S.K. Wu, H.C. Lin, Y.C. Yen 5

6 GEGENÜBERSTELLUNG DER DRAHTZUGVERFAHREN Warmziehen: + Geringe Umformkräfte + Große Umformbarkeit + Hohe Verformungsgeschwindigkeit Keine endmaßnahe Halbzeugfertigung möglich Versprödung des Materials Drahtzug unter Schutzgas/ Vakuum zur Vermeidung von Oxidschichtbildung Zwischenglühen nach jedem Ziehschritt erforderlich Kaltziehen: + Geringe Umformkräfte nahe M S + Stabiler Prozess + Gleichmäßige Produktion + Endmaßnahe Halbzeugfertigung möglich + Kein Schutzgas/Vakuum notwendig + Erhöhung der Festigkeit und Verringerung der Duktilität Eingeschränkte Umformbarkeit Zwischenglühen nach jedem Ziehschritt erforderlich 6

7 BILDUNG DER OXIDSCHICHT Entsteht durch die Oxidation von Titan mit Sauerstoff zu TiO2 Schichtdicken können bis zu 0,5mm betragen Quelle: ZhFi+03 7

8 BILDUNG DER OXIDSCHICHT Dicke nimmt mit zunehmender Glühdauer und -temperatur zu Dünne Oxidschicht: - Kann als Schmierträger genutzt werden - Wird durch kalten Drahtzug entfernt Dicke Oxidschicht: - Gefahr von Rissen und Abplatzungen - Beeinträchtigung des Formgedächtniseffekts Zwischenglühen unter Vakuum verhindert die Entstehung einer Oxidschicht 8

9 PROZESSKETTEN AUS LITERATUR Prozesskette PK1 nach Burow (Bu10) Umformgrad beim Drahtziehen: φ = 2ln d 0 d 1 d 0 Draht-Ø vor dem Drahtzugzyklus d 1 Draht-Ø vor dem Drahtzugzyklus Quelle:[Ya+11] K. Yamauchi, I. Ohkata, K. Tsuchiya, S. Miyazaki 9

10 PROZESSKETTEN AUS LITERATUR Prozesskette PK1 nach Burow (Bu10) Quelle:[Ya+11] K. Yamauchi, I. Ohkata, K. Tsuchiya, S. Miyazaki 10

11 PROZESSKETTEN AUS LITERATUR Prozesskette nach Nakahata (Ya+11) Quelle:[Ya+11] K. Yamauchi, I. Ohkata, K. Tsuchiya, S. Miyazaki 11

12 PROZESSKETTEN AUS LITERATUR Mehrfach-Ziehen (multi-pass drawing) Quelle: Wu et al.96 - A study on the wire drawing of TiNi shape memory alloys 12

13 PROZESSKETTEN AUS LITERATUR Analyse verschiedener Drahtzugprozesse von FG-Drähten wurde durchgeführt Wichtige Parameter des Drahtzugprozesses wurden erfasst Parameter Wert Einheit Umformgrad 1000,00 - Zwischenglühen ja - Zwischenglühtemperatur 600 C Zwischenglühdauer 10 Min Ziehgeschwindigkeit k. A. m/s Schmiermittel k. A. - Abschrecken Wasser - Darstellung des Vorgehens einer Prozessanalyse anhand der Prozesskette nach Wagner 13

14 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT Der Autor bedankt sich für die Förderung des Projektes hyprofga bei der NRW.BANK durch das Ziel2.NRW-Programm Automotive+Produktion.NRW. Kontakt Lehrstuhl für Produktionssysteme Ruhr-Universität Bochum Gebäude IC 02/677 Universitätsstr Bochum Dipl.-Ing. Dennis Otibar Wissenschaftlicher Mitarbeiter +49 (234)

15 REFERENZEN UND WEITERFÜHRENDE LITERATUR Barrie, Fatmata Haja (2009): Effects of constrained aging on the shape memory response of Nickel rich NiTi shape memory alloys, master thesis, Texas A&M University Burow, Juri (2010): Herstellung, Eigenschaften und Mikrostruktur von ultrafeinkörnigen NiTi-Formgedächtnislegierungen, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum Chang, Wu & Chang (2006): Transformation sequence in severely cold-rolled and annealed Ti50Ni50 alloy, Materials Science and Engineering A , Donner, Petra (1992): Die Herstellung von Bändern und Drähten aus Legierungen mit Formgedächtnis, VDI-Verlag, Düsseldorf, ISBN: (BIB) Eggeler et. al. (2004): Structural and functional fatigue of NiTi shape memory alloys, Materials Science and Engineering A 378 (2004) Ehrenstein, Heinrich (1985): Die Herstellung und das Formgedächtnisvermögen von NITi, Dissertation, Technische Universität Berlin Gall et. al. (2008): Effect of microstructure on the fatigue of hot-rolled and cold-drawn NiTi shape memory alloys; Materials Science and Engineering A 486, Großmann, Christian (2007): Werkstoffwissenschaftliche Untersuchungen zum Aktivierungsverhalten unterschiedlich thermomechanisch behandelter NiTiCu-Federaktoren mit Hilfe eines optimierten Prüfstandes, Diplomarbeit, Ruhr- Universität Bochum Gümpel, Paul (2005): Formgedächtnislegierungen Einsatzmöglichkeiten in Maschinenbau, Medizintechnik und Aktuatorik, Expert Verlag, Renningen, ISBN: He, Liu, Qin & Xie (2012): Rectifying control of wire diameter during dieless drawing by a deformation measuring method of interframe displacement, International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials Volume 19, Number 7,

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17 REFERENZEN UND WEITERFÜHRENDE LITERATUR Treppmann, Dirk (1996): Thermomechanische Behandlung von NiTi mit Lösungsansätzen für Qualitätssicherung und Normung von Formgedächtnislegierungen, VDI Fortschrittberichte Reihe 5 Grund- und Werkstoffe Nr. 462, VID Verlag, Düsseldorf, ISBN Tsuchiya et. al. (2009): Production of TiNi amorphous/nanocrystalline wires with high strength and elastic modulus by severe cold drawing, Scripta Materialia Volume 60, Tuissi et. al. (2004): Fabrication Process and Characterization of NiTi Wires for Actuators, im Internet Wagner, Martin Franz-Xavier (2005): Ein Beitrag zur strukturellen und funktionalen Ermüdung von Drähten und Federn aus NiTi-Formgedächtnislegierungen, Dissertation, Ruhr-Universität Bochum, Bochumer Universitätsverlag, Bochum, ISBN Wu S.K. & Lin H.C. (2000): Recent development of TiNi-based shapememory alloys in Taiwan, Materials Chemistry and Physics Volume 64, Issue 2, 14 April 2000, Pages Wu, Ming H. (2001): Fabrication of Nitinol Materials and Components, Proceedings of the International Conference on Shape Memory and Superelastic Technologies, Kunming, China, Wu, Lin & Yen (1996): A study on the wire drawing of TiNi shape memory alloys, Materials Science and Engineering A215, Xu, Wang & Liu (2010): The optimization of annealing and cold-drawing in the manufacture of the Ni Ti shape memory alloy ultra-thin wire, International Journal of Advanced Manufacturing Technology A55, Yamauchi et. al. (2011): Shape Memory and Superelastic Alloys: Technologies and Applications, Woodhead Publishing in Materials, Philadelphia, ISBN