Dipl.-Ing. Andreas Wolf; Dipl.-Ing. Jens Baur Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart

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1 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 1 Thixo-Schmieden Dipl.-Ing. Andreas Wolf; Dipl.-Ing. Jens Baur Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart Dipl.-Ing. Gian-Carlo Gullo Institut für Metallforschung der ETH Zürich Abstrakt Unter Thixo-Schmieden versteht man allgemein die Formgebung teilflüssiger Metalle von globularem feinkörnigem Gefüge. Das Thixo-Schmieden von Werkstücken mit einer reproduzierbaren einwandfreien Produktgüte erfordert beim Thixo-Schmieden die Optimierung von Werkzeug- und Pressentechnik sowie die Sicherstellung vorgebbarer Gefügezustände, vorgebbarer Rohteilerwärmung und gezielter Abkühlungs- und Auslagerungsbedingungen nach dem Umformen. Im folgenden werden eine optimierte induktive Erwärmung mit integrierter Temperaturregelung und die Grundlagen für eine Thixo-Schmiedepresse vorgestellt. Weiter wird auf unterschiedliche Fertigungsbeispiele eingegangen, die mit dem Verfahren des Thixo-Schmiedens hergestellt wurden. Anhand dieser Fertigungsbeispiele werden die Formfüllsimulation verdeutlicht, metallographische Auswertungen dargestellt, der Einfluß einer Nachverdichtungsoperation untersucht und die mechanischen Kennwerte bei unterschiedlichen Auslagerungsparametern ermittelt. 1 Induktive Erwärmung beim Thixo-Schmieden Um die Rohteile für das Thixo-Schmieden in den gewünschten Temperaturbereich zu erwärmen, werden zur Zeit in Industrie und Forschung ausschließlich induktive Erwärmungsanlagen eingesetzt. Hiermit läßt sich eine hohe Leistung erzeugen, die es ermöglicht, in kurzer Zeit die Rohteile auf die erforderliche Temperatur zu erwärmen. Die Erwärmungszeit ist unter dem Gesichtspunkt der Produktivität von großer Bedeutung. Außerdem ist die Erwärmungszeit von Einfluß auf das Gefüge. Ziel der Erwärmung muß es sein, den gesamten Querschnitt des Werkstücks gleichmäßig auf eine vorgesehene Temperatur zwischen Liquidus- und Solidustemperatur zu bringen, bei der gleichzeitig feste und flüssige Gefügebestandteile im Werkstück vorliegen.

2 2 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo Abhängig von der Legierung ist das Temperaturfenster, in dem dieser Zustand vorliegt, äußerst eng, teilweise nur wenige Kelvin. Beim Erwärmen von Rohteilen für das Thixo-Schmieden muß das gesamte Rohteil auf die geeignete Temperatur erwärmt werden. Hierbei ist zu beachten, daß bei der induktiven Erwärmung die Wärme frequenzabhängig in den äußeren Randschichten des Rohteils erzeugt wird. Der notwendige Temperaturausgleich über das Volumen des Rohteils findet über Wärmeleitung statt. Dafür ist eine Mindestzeit notwendig. Auch dann ist jedoch verfahrensbedingt ein radialer Temperaturgradient vorhanden. Dieser kann durch geeignete Wahl der Erwärmungsparameter in vorgebbaren Grenzen gehalten werden. Zu beachten ist, daß bei der Erwärmung von Messing und Stahl die Mantelflächen der Rohteile durch Strahlung und Konvektion stark abkühlen. Hierdurch wird die Temperaturdifferenz zwischen äußeren und inneren Rohteilzonen verringert. Da die induktive Erwärmung des Rohteils beachtlich mehr Zeit benötigt als der Schmiedeprozeß, ist es erforderlich, dem Schmiedeprozeß mehrere induktive Erwärmungsanlagen voranzustellen. 1.1 Anlagentechnik am IFU Am Institut für Umformtechnik wird im Gegensatz zu den üblicherweise in Forschung und Industrie eingesetzten Schwingkreis-Anlagen /1/ eine Anlage eingesetzt, bei der eine über einen Thyristor gepulste Gleichspannung an der Induktionsspule anliegt. Der Schaltplan ist in Bild 1 dargestellt. Wie zu erkennen ist, wird die dem Netz entnommene Spannung zunächst gleichgerichtet. Über einen Transistor-Wechselrichter (Thyristor) wird dann eine gepulste Gleichspannung an die Induktionsspule (Induktor) angelegt, wobei ein Mittelfrequenz- Transformator zwischengeschaltet wird. Auf das im Bild eingezeichnete Meßsystem wird im nachfolgenden Abschnitt eingegangen. Im Gegensatz zu der am IFU eingesetzten Thyristor-Anlage arbeiten Schwingkreis- Anlagen mit einer Frequenz in Nähe der Resonanzfrequenz. Die Abstimmung der Anlagen-Frequenz erfolgt dabei über das Zuschalten von Kondensatoren und spulen, was schaltungstechnisch aufwendig ist und bei einer neuen Spulengeometrie Abstimm- Maßnahmen erfordert /2/. Bei der am IFU eingesetzten Anlage läßt sich hingegen die Frequenz der Pulse in einem Bereich von 1 bis 4 khz über die Frequenz, mit der am Thyristorausgang Nennspannung anliegt, einstellen. Über die Frequenz f wird in einfacher Weise gemäß Beziehung

3 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 3 ρ 7 δ = 1 1 2π f µ die Strom-Eindringtiefe δ variiert - je niedriger die Frequenz, um so größer die Strom- Eindringtiefe. Bild 1: Elektrischer Schaltplan der induktiven Erwärmungsanlage Bei der am IFU verwendeten Thyristor-Anlage ist es außerdem möglich, bei konstanter Frequenz die in das Werkstück induzierte Leistung über eine Modulation der Pulsbreite zu verändern. Diese Variation erfolgt derart, daß bei voller Pulsbreite am Ausgang des Thyristors die volle Nennspannung über eine halbe Periode der Erwärmungsfrequenz anliegt. In der anderen Halbperiode ist die Spannung "Null". Zur Variation der Leistung wird der Anteil einer Periode, während der am Thyristor Spannung anliegt, verkürzt. Um die Frequenz konstant zu halten, wird dafür der Periodenanteil, in dem die Spannung "Null" ist, um die gleiche Zeit verlängert. In Bild 2 ist dieses beispielhaft für die Pulsweiten 154 und 254 dargestellt. Diese Werte sind relative Angaben, wobei die Pulsweite "" die minimale Dauer eines Pulses ist, der Wert "254" steht für die maximal mögliche Pulsdauer.

4 4 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo 1 PWM 254 PWM 154 Auf die Nennspannung bezogene Thyristorausgangsspannung U/U nenn bezogene Thyristorfrequenz f/t in 1/s² Bild 2: Pulsweitenmodulation Mit der Variation der Erwärmungsfrequenz und -leistung ist eine Optimierung des Erwärmungsvorgangs in einfacher Weise realisierbar. Abhängig von Legierung und Geometrie des zu erwärmenden Rohteils liegt die Dauer für das Erwärmen und Durchwärmen eines zylindrischen Rohteils zwischen 6 s für kleine Rohteile (,2 kg) aus Messing und 9 s für das Erwärmen eines großen Rohteils (,55 kg) aus Aluminium. Aus der Taktzeit des Umformprozesses (Zeit für Einlegen des Rohteils, Schließen des Werkzeugs, Umformen, Öffnen des Werkzeugs, Entnahme des Werkstücks) und der zur Erwärmung und Durchwärmung des Rohteils erforderlichen Zeit ergibt sich die Anzahl der Induktionsspulen. 1.2 Regelung der induktiven Erwärmung Da das Thixo-Schmieden in einem meist sehr engen Temperaturfenster zwischen Solidusund Liquidustemperatur erfolgt, ist eine hinreichend genaue Kontrolle des Erwärmungsvorgangs erforderlich, wobei verschiedene Strategien verfolgt werden. Allen

5 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 5 gemeinsam ist die Messung der Rohteiltemperatur als Größe für die Ermittlung der Phasenanteile im Gefüge. Am weitesten verbreitet ist die Messung der Induktivitätsänderung im Rohteil. Dabei wird die Veränderung der magnetischen Eigenschaften des Rohteils während der Erwärmung mittels einer Sekundärspule erfaßt. Systembedingt muß diese Sekundärspule hinreichend nahe zum Rohteil angebracht werden. In der Praxis wird dies meist durch Integration der Spule in die Rohteilaufnahme realisiert. Die Folge ist allerdings eine hohe thermische Belastung der Meßspule. Außerdem ist es notwendig, bei jeder Geometrieänderung des Rohteils und jeder Änderung der Induktionsspule auch eine neue Meßspule einzusetzen, damit diese möglichst die gesamte Stirnfläche der zylindrischen Rohteile erfassen kann. Alternativ hierzu kann über einen Leistungscontroller die in das Werkstück eingebrachte Leistung erfaßt werden. Diese Art der Erwärmungsüberwachung ist jedoch insofern problematisch, als der Wärmeverlust über Abstrahlung und Konvektion meßtechnisch schwer zu erfassen ist /3/. Am IFU wurde ein gänzlich neuer Weg zur Erfassung des Flüssigphasenanteils des Rohteils beschritten /4/. Hierbei wird von der Veränderung der Induktivität aufgrund der Gefügeänderung ausgegangen. Das neu entwickelte Meßprinzip beruht darauf, daß sich die magnetischen und elektrischen Eigenschaften von Metallen beim Erwärmen und beim Übergang vom festen in den teilflüssigen Zustand deutlich ändern. Bei einer konstanten Spannung an der Spule ändert sich somit infolge der sich ändernden induktiven Last auch der Effektivstrom in der Induktionsspule. Diese Änderung kann bei Vorabversuchen zusammen mit der gleichzeitig über Thermoelemente gemessenen Temperatur experimentell ermittelt werden. Anhand des so ermittelten Zusammenhangs kann dann während des Erwärmungsvorgangs online die Temperatur über die Strom-Messung ermittelt werden. Deutlich erfaßbar ist der Beginn des Aufschmelzens. Im weiteren Verlauf der Erwärmung läßt sich relativ einfach das Verhältnis von flüssiger zu fester Phase im Rohteil ermitteln, da sich der Spulenstrom auch nach dem Eintritt des Werkstoffgefüges ins Zweiphasengebiet mit wachsendem Anteil der flüssigen Phase ändert. Werden die Flüssigphasenanteile, die bei bestimmten Temperaturen gegeben sind, anhand metallographischer Schliffe ermittelt, so kann ein direkter Zusammenhang zwischen Gefüge und Spulenstrom aufgestellt werden. Dazu werden Schliffe aus Rohteilen, die erwärmt und dann in Wasser abgeschreckt werden, auf ihr Phasenverhältnis hin untersucht. Die so ermittelten Anteile an Flüssigphase werden über den Werten für den

6 6 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo Spulenstrom, die im Moment des Abbruchs der Erwärmung zu verzeichnen waren, aufgetragen. Damit ist es dann möglich, während der Erwärmung den momentanen Anteil der Flüssigphase online anzugeben. Bild 3 zeigt die gemessenen Spulenströme über den gemessenen Temperaturen bei der Erwärmung von 4 Rohteilen derselben Abmessung aus AlSi7Mg. Bei allen 4 Versuchen betrug die Differenz der gemessenen Ströme nur wenige Ampere. Verglichen mit der absoluten Größe des Stromes ist dieser Fehler sehr gering. Es ist ersichtlich, daß die Reproduzierbarkeit der Messung gegeben ist. Effektivstrom in A Versuch 1 Versuch 2 Versuch 3 Versuch 4 y = -.13x Rohteil - AlSi7Mg - Durchmesser = 59 - Länge = 24,5 y = -.74x Temperatur in C Bild 3: Effektivstrom über Rohteiltemperatur bei Erwärmung von 4 Rohteilen aus AlSi7Mg ( 59mm, Höhe 24,5mm) 2 Presse für das Thixo-Schmieden 2.1 Kraftbedarf beim Thixo-Schmieden Die beiden in Bild 4 abgebildeten Stößelkraft-Stößelweg-Verläufe für das konventionelle Schmieden und das Thixo-Schmieden wurden auf derselben Presse beim Schmieden eines Messing-Bauteils aus CuZn4Al2 mit demselben Werkzeug, jedoch bei unterschiedlichen Rohteiltemperaturen aufgenommen. Beim konventionellen Schmieden betrug die

7 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 7 Rohteiltemperatur 82 C. Die Werkzeugtemperatur betrug in beiden Fällen 55 C und die Stößelgeschwindigkeit 1 mm/s konstant über dem Stößelweg. Beim Thixo- Schmieden betrug die Rohteiltemperatur 87 C. Aufgrund des scherraten-entfestigenden Verhaltens des Werkstoffes ist beim Thixo-Schmieden der Kraftbedarf zu Beginn des Umformweges extrem niedrig. Erst gegen Ende der Formgebung steigt er an, was sich sowohl auf die Abkühlung des Umformgutes auf Temperaturen unterhalb der Solidustemperatur als auch auf die größer werdende gedrückte Fläche zurückführen läßt. Im Gegensatz zu diesem Stößelkraft-Stößelweg-Verlauf steigt die Umformkraft beim konventionellen Schmieden über dem Umformweg kontinuierlich an. Beim Thixo- Schmieden wird nach Ausfüllen der Werkzeugkavität mit Umformgut auf eine Kraft-Zeit- Steuerung übergegangen. Die hierbei vorgegebene Druckhaltekraft soll während der vollständigen Erstarrung der Werkstücks im Umformgut einen Druckspannungszustand zur Vermeidung von Lunkern aufbringen. Diese könnten durch die Schwindung des Materials beim Übergang von flüssiger zu fester Phase enstehen. 6 Thixoforging bei 87 C Schmieden bei 82 C Stößelkraft in kn Auftreffpunkt Schmieden mit vorgegebenem Stößelgeschw.-Stößelweg- Verlauf Umsteuern auf Kraft- Zeit-Verlauf Unterer Umkehrpunkt Bild 4: Stößelkraft-Stößelweg-Verlauf beim konventionellen Gesenkschmieden und beim Thixo- Gesenkschmieden 2.2 Anforderungen des Thixo-Schmiede-Prozesses an die Presse Nach Einlegen des erwärmten Rohteils in das Schmiedegesenk erfolgt das Abwärtsfahren des Stößels bis zum Auftreffen des Werkzeugoberteils auf das Rohteil mit möglichst hoher Geschwindigkeit. Dies ist notwendig, da aufgrund der Differenz zwischen Werkstücktemperatur und Werkzeugtemperatur das Umformgut abkühlt. Als Richtwert

8 8 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo für das Abwärtsfahren des Stößels ist von 8 mm/s Stößelgeschwindigkeit auszugehen. Der Weg, den der Stößel in dieser Phase zurücklegt, sollte zur Minimierung der Rohteilabkühlung und der Zykluszeit möglichst kurz sein. Die Grenze nach unten setzt jedoch die Höhe, die zwischen den Gesenkhälften zum Einlegen des Rohteils und zur Entnahme des Werkstücks notwendig ist. Das Aufsetzen des Werkzeugoberteils auf das Rohteil sollte dann anschließend mit möglichst stark verringerter Geschwindigkeit erfolgen, um ein Auseinanderspritzen des teilflüssigen Werkstoffs zu verhindern. Beim Einsatz von Schließwerkzeugen ist darüber hinaus ein Aufsetzen des Werkzeugoberteils auf das Werkzeugunterteil mit geringer Geschwindigkeit zur Verringerung des Druckstoßes im Federsystem im Moment des Aufsetzens angebracht. Die Aufsetzgeschwindigkeit beträgt je nach Werkstückgeometrie ca. 5 2 mm/s. Das anschließende Umformen erfolgt mit einer von Umformgut und Werkzeuggeometrie abhängigen Geschwindigkeit. Hierbei ist zu beachten, daß - je nach dem Verhältnis der Oberfläche zum Werkstückvolumen - das Werkstück bei Kontakt mit dem deutlich kälteren Werkzeug schnell abkühlt. Um ein "Einfrieren" während des Prozesses zu verhindern, muß die Stößelgeschwindigkeit so gewählt werden, daß der Umformvorgang beendet ist, bevor das gesamte Gefüge in die feste Phase übergegangen ist. Eine einfache Möglichkeit, die Zeit bis zum Einfrieren des Werkstücks zu verlängern, wäre eine Erhöhung der Werkzeugtemperatur. Dieses würde jedoch prozessverlängernd wirken, weil nach dem Umformen das Werkstück möglichst schnell abgekühlt werden sollte und hierfür die Differenz zwischen Werkstück- und Werkzeugtemperatur möglichst hoch sein sollte. Außerdem sind Grenzbelastungen (Temperatur, Kontaktzeit) der Schmierstoffe zu beachten. Zum anderen muß - je nach Bauteilgeometrie - die Stößelgeschwindigkeit so eingestellt werden, daß eine laminare Strömung beim Füllen des Bauteils möglich ist. Im Fall starker Querschnittsänderungen bedeutet dies, daß die Stößelgeschwindigkeit während der Formfüllung entsprechend den Fließquerschnitten variiert werden muß. Nach Beendigung des Füllvorgangs sollte das Werkstück, wie bereits ausgeführt, unter Druck vollständig erstarren. Als Erstarrungsdruck kann ein Innendruck im Werkstück von 1. bar als Richtwert angesehen werden. Durch diesen Druck werden schwindungsbedingte Lunker im Schmiedeteil vermieden und somit die Güte des Schmiedeteils positiv beeinflußt.

9 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 9 Im Anschluß an die Erstarrung erfolgt dann das Ausstoßen des Werkstücks. Dazu muß die Werkstücktemperatur mindestens soweit abgesunken ist, daß das Umformgut ohne Verformungen ausgeworfen werden kann. Bild 5 zeigt einen typischen Stößelkraft-Stößelweg-Verlauf für das Thixo-Schmieden ohne Grat. 1 1 Werkzeug schließen Umformen Stößelgeschwindigkeit in mm/s Stößelgeschwindigkeit Aufsetzen des Werkzeugoberteils auf das -unterteil Stößelkraft Stößelkraft in kn... Umsteuerpunkte Stößelweg in mm Bild 5: Stößelgeschwindigkeits- und Stößelkraftverlauf über Stößelweg Das folgende Bild 6 zeigt typische Werte für die Zykluszeitanteile beim Thixo- Schmieden. Ein Arbeitsspiel dauert in diesem Fall ca. 25 s. Dieses gilt für das Thixo- Schmieden von Messing mit Werkstückmassen bis ca.,8 kg/teil. Die Werte für die Stößelgeschwindigkeit und den Kraftbedarf sind in der Größenordnung weitgehend bauteilunabhängig. Ausnahme sind Teile mit einem extrem ungünstigen Verhältnis von Bauteiloberfläche zu volumen. Je nach Verhältnis von Oberfläche zu Volumen kühlen die Werkstücke außerdem unterschiedlich schnell aus. Dementsprechend kann auch ein Erstarren unter Druck über einen Zeitraum von bis zu 8 Sekunden notwendig sein. Dies ist jedoch für die Qualität des Werkstücks mit entscheidend.

10 1 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo Die Dauer des Öffnungsvorgangs ist unter dem Gesichtspunkt der Produktivität unkritisch, da das Werkstück bereits während der Bewegung des Stößels in den OT von den Auswerfern angehoben werden kann. Rohteilerwärmung 85 Trennmittel auftragen 5 Einlegen des Rohteils Hubauslösen Beschleunigen Verzögern Werkzeug schließen Aufsetzen auf Rohteil Umformen Verzögern.1 Zuhalten 2 Öffnen 3 Ausstossen 4 Bauteilentnahme Zeit in s Bild 6: Typische Werte für die Zykluszeitanteile beim Thixo-Schmieden 2.3 Presse für das Thixo-Schmieden am IFU Wie unter 2.2 ausgeführt, erfordert der Prozeß des Thixo-Schmiedens teilweise hohe Geschwindigkeiten bei niedrigen Umformkräften und gegen Ende des Umformwegs relativ hohe Kräfte. Die am IFU für das Verfahren eingesetzte hydraulische einfachwirkende Presse verfügt über einen Speicherantrieb. Dieser Antrieb erlaubt über den Stößelweg steuerbare Stößelgeschwindigkeiten von bis zu

11 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 11 8 mm/s. Der Druck des Stickstoffspeichers wirkt über einen Speicher auf eine Ölsäule, die geschwindigkeitsgesteuert über den Hauptzylinder auf den Stößel wirkt. Die Geschwindigkeitssteuerung des Stößels erfolgt über ein Stromregelventil zwischen Kolbenspeicher und Pressenzylinder. Am IFU wurde das notwendige Ölvolumen von 7 l für einen Pressenhub von 3 mm dadurch realisiert, daß auf dem Pressenkopf ein Kolbenspeicher angeordnet ist, dessen Stickstoffvolumen durch im Pressenkeller befindliche Stickstoffspeicher erweitert wurde. Der Kolbenspeicher ist direkt auf den Hauptventilblock montiert, der unmittelbar auf dem Zylinder angeordnet ist. Dadurch ist es möglich, die trägheitsbehaftete Ölsäule im Volumen so gering wie möglich zu halten und rohrleitungsbedingte Verluste aufgrund der hohen Geschwindigkeiten zu minimieren Behälter 5... Hydrospeicher 2... Pumpe mit Motor /3-Wegeventil 3... Druckbegrenzungsventil 7... Drosselventil, verstellbar 4... Rückschlagventil 8... Hydrozylinder der Presse Bild 7: Schema einer hydraulischen einfachwirkenden Presse mit Speicherantrieb

12 12 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo Die technischen Daten der am IFU installierten hydaulischen einfachwirkenden Presse mit Speicherantrieb sind Bild 8 zu entnehmen. Nennkraft 4.4 kn max. Stößelgeschwindigkeit 8 mm/s Hub 3 mm Pressentischabmessungen 9 x 9 mm max. Einbauhöhe 1. mm Bild 8: Hydraulische einfachwirkende 5.kN-Presse für das Thixo-Schmieden

13 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 13 3 Fertigungsbeispiel Dreieckslenker Das Bauteil Dreieckslenker ist ein Serienbauteil, welches durch konventionelles Schmieden hergestellt wird und anschließend einer starken Nacharbeit unterliegt. Dieses Bauteil wurde in enger Zusammenarbeit mit der Firma TRW und der Firma Schuler Hydrap als Thixo-Schmiedebauteil realisiert. Durch das Thixo-Schmieden lassen sich Vorteile bzgl. den Nachbearbeitungsschritten verwirklichen. So werden die Bohrungen durch ziehbare Kerne ähnlich wie beim Druckgießen hergestellt. Der Werkstoff fließt dann während der Umformung beidseitig um diese Kerne herum. Um zu vermeiden, daß dort wo die Materialfronten zusammentreffen, Oxidhäute und Verunreinigungen eingeschmiedet werden, ist es notwendig an dieser Stelle einen Materialüberlauf anzubringen. Der Übergang vom Bauteil in diesen Materialüberlauf wird als Anschnitt bezeichnet und ist gewöhnlich als dünnwandiger Kanal ausgelegt. An diesen schließt sich eine Materialanhäufung an, die zur Aufnahme des gesamten verunreinigten Materials dient. Die Geometrie des Anschnitts beeinflußt dabei maßgeblich die Gravurfüllung. 3.1 Formfüllung und Umformparameter Die Simulation der Formfüllung zeigt (Bild 9 links), daß das Rohteil zuerst angestaucht und gebreitet wird. Im Anschluß daran beginnt sich im Bereich des hinteren Schiebers das Werkzeug zu füllen. In diesem Bereich ist das Auge fast vollständig ausgeformt, wenn im Bereich des vorderen Schiebers die Ausbildung des zweiten Auges einsetzt. Man erkennt, daß sich die Materialfronten nicht exakt in der Mitte der Augen treffen, wo sich der Anschnitt zum Überlauf befindet. Vielmehr läßt die Simulation vermuten, daß sich die Überläufe zuerst durch den Materialfluß, der von unten kommt, vollständig füllen, bevor der Materialfluß von oben den Bereich des Überlauft trifft. Ist dies der Fall, dann wären die Überläufe zur Aufnahme von Verunreinigungen und Oxidhäuten an der Materialfront völlig ungeeignet.

14 14 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Stufe 4 Stufe 5 bar 3 bar 6 bar 9 bar 12 bar 15 bar 18 bar Bild 9: Vergleich der Formfüllung des Dreiecklenkers (links: Simulation mit Simulationssoftware Flow 3D /5/, dargestellt ist der Werkzeuginnendruck in bar; rechts: Step-Shootings).

15 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 15 Bild 1: Geometrie des Anschnitts zum Überlauf (links: Anschmnittsgeometrie der Simulation; rechts: abgeänderte Anschnittsgeometrie der Bauteile). Aus diesem Grund wurde die Geometrie des Anschnitts zum Überlauf geringfügig verändert (Bild 1). Der Anschnitt wurde nicht symmetrisch ausgelegt, sondern so, daß die Füllung des Überlaufs durch den Materialfluß von oben begünstigt und durch den Materialfluß von unten erschwert wird. Anhand der Step-Shootings läßt sich dies jedoch nur bedingt nachvollziehen (Bild 9 rechts), da die Füllung in diesem Bereich der Umformung derart schnell erfolgt, daß ein vorzeitiges Abbrechen des Umformvorgangs zu einem exakten Zeitpunkt praktisch nicht möglich ist. Die 4. Stufe der Step-Shooting- Versuche zeigt jedoch deutlich am vorderen Auge, daß der Überlauf noch nicht vollständig gefüllt ist, obwohl das Auge bereits vollständig ausgeformt ist. Die Simulation im Bereich der Kugelkopfaufnahme ist in Bild 11 links dargestellt. Man erkennt ein laminares Füllen der Werkzeuggravur in diesem Bereich. Ein Vergleich mit den Step-Shooting-Versuchen in Bild 11 rechts zeigt eines sehr gute Übereinstimmung der Formfüllung in diesem Bauteilbereich Stufe 1 Stufe 2

16 16 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo Stufe 3 Stufe 4 Stufe 5 Bild 11: Vergleich der Formfüllung des Dreieckslenkers im Bereich der Kugelkopfaufnahme (links: Simulation mit der Simulationssoftware Flow 3D /5/, dargestellt ist die Viskosität in Pas; rechts: Step-Shootings). 3.2 Metallkundliche Untersuchungen Die Abänderung der Anschnittsgeometrie des Überlaufs führt zu einer gleichmäßigen Füllung durch den oberen und unteren Materialfluß um das Auge herum. Im metallographische Schliff dieses Bereichs (Bild 12 rechts) erkennt man deutlich die in der Mitte miteinander verschweißten Materialfronten.

17 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 17 Tote Zone Bereich zweier Materialfronten im Bereich des Überlaufs Bild 12: Vergleich des Simulationsdetail Auge mit einem metallographischen Schliff in dieses Bereichs bei abgeändertem Überlaufanschnitt. Lediglich nahe des Schiebers ergibt sich zwangsläufig eine tote Zone, die eventuell mit Oxidhäuten verunreinigt ist. Die dunkleren Bereiche im Schliff sind keine Poren oder Oxidhäute sondern Bereiche mit höherem eutektischem Phasenanteil. Dieser tritt dort auf, wo unterschiedliche Materialflußgeschwindigkeiten auftreten. Dies ist zum einen im Bereich der Werkzeugoberfläche der Fall, wo Material erstarrt und teilflüssiges Material nachgeschoben wird. Ferner ist dies auch im Bereich des Anschnitts und des Überlaufs zu beobachten, wo nicht gewährleistet ist, daß die Materialflußgeschwindigkeit des Materialflusses von oben und unten identisch sind. Im eigentlichen Überlauf ist erkennbar, daß mehr Material durch den oberen Materialfluß in den Überlauf gepreßt wurde und somit scheint auch die Materialflußgeschwindigkeit dort höher gewesen zu sein. 25 mm

18 18 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo 25 mm Poren 15 mm 15 mm Poren Bild 13: Einfluß der Stößelgeschwindigkeit auf unterschiedliche Bauteilbereiche (links: 4 mm/s; rechts 2 mm/s). So ist allgemein eine starke Abhängigkeit der Formfüllung des Bauteils - und damit verbunden der Bauteilqualität - von der Materialfluß- bzw. Stößelgeschwindigkeitgeschwindigkeit zu beobachten. Bauteile, die mit einer hohen Stößelgeschwindigkeit von 4 mm/s thixogeschmiedet wurden, zeigen große Poren am Übergang der Kugelkopfaufnahme zum Überlauf (Bild 13 links oben) in Folge eines turbolenten Materialflusses. Diese Poren lassen sich durch langsameres Umformen bei 2 mm/s, was zu einem laminaren Materialfluß führt, vermeiden (Bild 13 oben rechts). Im Bereich der Schieber wirkt sich eine Änderung der Stößelgeschwindigkeit nur unwesentlich aus. Es sind sowohl bei hohen Stößelgeschwindigkeiten von 4 mm/s als auch bei niedrigen Stößelgeschwindigkeiten von 2 mm/s keine Poren im Bauteil zu beobachten. Lediglich im Überlauf, der sowieso abgetrennt werden muß, zeigt sich bei der höheren Stößelgeschwindigkeit eine höhere Porosität (Bild 13 unten links).

19 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 19 4 Mechanische Kennwerte Es wurden folgende Zustände untersucht: I. Kaltausgelagert ohne gesonderte Lösungsglühung (T1) /6/: Der Werkstoff wird direkt im Anschluß an die Umformung 2 Tage bei Raumtemperatur auf einen weitgehend stabilen Zustand ausgelagert. II. Lösungsgeglüht, abgeschreckt und kaltausgelagert (T4) /6/: Der Werkstoff wird direkt im Anschluß an die Umformung eine Stunde lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und anschließend bei Raumtemperatur 2 Tage kaltausgelagert. III. Lösungsgeglüht, abgeschreckt und warmausgelagert (T6) /6/: Der Werkstoff wird direkt im Anschluß an die Umformung eine Stunde lösungsgeglüht, in Wasser abgeschreckt und anschließend bei 18 C warmausgelagert. 4.1 Mechanische Kennwerte der Gußlegierung AlSi7Mg Um eine homogene Durchwärmung und einen gleichmäßig verteilten Flüssigphasenanteil im zylindrischen Rohteil zu erzielen, wird dieses bei der induktiven Erwärmung eine bestimmte Zeit isotherm auf der Thixoschmiedetemperatur (578 C) gehalten. Dabei ist zu klären, ob sich eine Änderung der Haltezeit dieses isothermen Glühens auf die mechanischen Kennwerte des Bauteils auswirkt. Aus diesem Grund wurden Bauteile untersucht, die bei der Erwärmung einer variierenden, Haltezeit zwischen 12 Sekunden und 39 Sekunden unterworfen wurden. Wie Bild 14 zeigt, ergibt sich kein Einfluß der Haltezeit auf die Zugfestigkeit, die Streckgrenze und die Bruchdehnung. Festigkeit in N/mm Rp,2 Rm A Bruchdehnung A 5 in % Bild 14: Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte von der Haltezeit bei der Erwärmung (Legierung: AlSi7Mg; Zustand T1; Thixoschmiedetemperatur 578 C). 13 Sekunden 295 Sekunden 315 Sekunden

20 2 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo Ein vergleichbares Verhalten zeigt die Auswertung der Proben im Zustand T4 (Bild 15). Auch hier ist keine Auswirkung von der Haltezeit zwischen 13 Sekunden und 315 Sekunden zu erkennen. Auffallend ist jedoch die höhere Bruchdehnung des Zustandes T4 im Vergleich zum Zustand T1. Ursache sind wahrscheinlich mechanische Spannungen bei den Proben im Zustand T1. Diese führen zu einem vorzeitigem Versagen bei Einwirkung äußerer Spannungen, wie sie beim Zugversuch gegeben sind. Durch die Lösungsglühung im Zustand T4 werden diese Spannungen abgebaut und die Bruchdehnungswerte steigen trotz einer deutlichen Festigkeitszunahme. Festigkeit in N/mm Rp,2 Rm A Bruchdehnung A 5 in % Bild 15: Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte von der Haltezeit bei der Erwärmung (Legierung: AlSi7Mg; Zustand T4; Thixoschmiedetemperatur 578 C). 13 Sekunden 295 Sekunden 315 Sekunden Für eine Warmauslagerung im Zustand T6 ist es erforderlich, die Auslagerungsdauer zu kennen, um eine Überalterung des Werkstoffs zu vermeiden. Dazu wird eine Probe eine Stunde bei 53 C lösungsgeglüht, in Wasser abschrecken und anschließend bei 18 C warmausgelagert. Zur Bestimmung des Festigkeitsmaximums wird die Probe im Verlauf der Warmauslagerung ständig Brinellhärtemessungen unterzogen. Das Ergebnis dieser Messungen zeigt, daß das Härtemaximum und somit auch das Festigkeitsmaximum nach einer Warmauslagerungsdauer von 5 Stunden erreicht ist. Zugproben, die einer Warmauslagerung von 5 Stunden bei 18 C unterzogen wurden (T6-Behandlung), zeigen wie bei einer T1-Behandlung und T4-Behandlung keine Abhängigkeit von der Haltezeit bei der Erwärmung auf die Thixoschmiedetemperatur von 578 C (Bild 16).

21 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 21 Festigkeit in N/mm Rp,2 Rm A Bruchdehnung A 5 in % Bild 16: Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte von der Haltezeit bei der Erwärmung (Legierung: AlSi7Mg; Zustand T6; Thixoschmiedetemperatur 578 C). 12 Sekunden 285 Sekunden 39 Sekunden Zusammenfassend ist für die Gußlegierung AlSi7Mg zu sagen, daß es bei der induktiven Erwärmung sicher vorteilhaft ist, die zylindrischen Rohteile ausreichend lange auf Thixoschmiedetemperatur zu halten, um eine homogene Durchwärmung zu erzielen. 4.2 Mechanische Kennwerte der Knetlegierung AlMgSi1 Vergleichbar mit dem Vorgehen bei der Gußlegierung AlSi7Mg wird auch die Knetlegierung AlMgSi1 bei der induktiven Erwärmung eine bestimmte Zeit bei der Thixoschmiedetemperatur (635 C) gehalten, um eine homogene Durchwärmung und einen gleichmäßig verteilten Flüssigphasenanteil im zylindrischen Rohteil zu erzielen. Die Haltezeit beträgt dabei zwischen 12 Sekunden und 6 Sekunden. Bild 17 zeigt die Ergebnisse der mechanischen Untersuchungen bei Bauteilen im Zustand T1. Die ermittelten mechanischen Kennwerte zeigen dabei im Gegensatz zur Gußlegierung eine Abhängigkeit von der Haltezeit. So nimmt mit zunehmender Haltezeit die Festigkeit ab und die Bruchdehnung zu. Festigkeit in N/mm Rp,2 Rm A Bruchdehnung A 5 in % Bild 17: Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte von der Haltezeit der Erwärmung (Legierung: AlMgSi1; Zustand T1; Thixoschmiedetemperatur 635 C). 12 Sekunden 3 Sekunden 6 Sekunden

22 22 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo Auch beim Zustand T4 ist eine Abhängigkeit von der Haltezeit zwischen 12 Sekunden und 6 Sekunden erkennbar (Bild 18). Die Festigkeit nimmt ebenfalls ab und die Bruchdehnung ist nach der längsten Haltezeit am größten. Festigkeit in N/mm Rp,2 Rm A Bruchdehnung A 5 in % Bild 18: Abhängigkeit der mechanischen Kennwerte von der Haltezeit bei der Erwärmung (Legierung: AlMgSi1; Zustand T4; Thixoschmiedetemperatur 635 C). 12 Sekunden 3 Sekunden 6 Sekunden Wie für die Gußlegierung AlSi7Mg wurde auch für die Knetlegierung AlMgSi1 zunächst die optimale Auslagerungsdauer für eine Auslagerungstemperatur von 18 C ermittelt. Das Härte- bzw. Festigkeitsmaximum ergibt sich nach einer Auslagerungsdauer von 8 Stunden bei 18 C. Zugproben, die einer Warmauslagerung von 8 Stunden für den Zustand T6 unterzogen wurden, zeigen wie die Ergebnisse im Zustand T1 und T4 eine starke Abhängigkeit von der Haltezeit. In Bild 19 sind die gemittelten mechanischen Kennwerte der untersuchten Zugproben dargestellt. Festigkeit in N/mm Rp,2 Rm A5 Bild 19: Abhängigkeit der 3 mechanischen Kennwerte 25 von der Haltezeit bei der 2 Erwärmung (Legierung: AlMgSi1; Zustand T6; 15 Thixoschmiedetemperatur C) Bruchdehnung A5 in % 12 Sekunden 3 Sekunden 6 Sekunden Die ermittelten mechanischen Kennwerte zeigen im Zustand T1, T4 sowie T6 eine starke Abhängigkeit von der Haltezeit bei der Erwärmung. Bei der hohen Temperatur, bei der das isotherme Glühen erfolgt (Thixoschmiedetemperatur = 635 C), scheint im untersuchten Haltezeitbereich zwischen 12 Sekunden und 6 Sekunden deutliches Kornwachstum zu erfolgen. Aus diesem Grund wurde die Korngröße in Abhängigkeit von

23 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 23 der isothermen Haltezeit untersucht. Als mittlere Korngröße wurde der Mittelwert der Korngrößenverteilung bestimmt. Diese Messungen der Korngröße an metallographischen Schliffen und der Vergleich mit dem Verhalten der mechanischen Kennwerte belegen (Bild 2), daß innerhalb des Haltezeitbereichs, der für die thixogeschmiedeten Bauteile zutrifft, Kornwachstum auftritt. So nimmt die Korngröße bei Minuten Haltezeit von 89µm auf 132µm bei einer zehnminütigen Haltezeit zu. Dies entspricht einem Kornwachstum um 48%. mittlere Korngröße in µm R p,2 R m A Festigkeit in N/mm Bruchdehnung in % Haltezeit in Minuten Bild 2: Vergleich der mechanischen Kennwerte im Zustand T6 bei unterschiedlichen Haltezeiten bei der Erwärmung und der metallographisch ermittelten mittleren Korngröße des Gefüges. Zusammenfassend ist für die Knetlegierung AlMgSi1 zu sagen, daß bei der induktiven Erwärmung und isothermen Glühen bei der Thixoschmiedetemperatur starkes Kornwachstum in den zylindrischen Rohteilen auftritt. Aus diesem Grund sollte die Haltezeit so kurz als möglich gehalten werden, um im ausgelagerten Werkstoff einen Zustand mit hoher Festigkeit zu erzielen. Diese Ergebnisse stimmen mit den Untersuchungen der ETH Zürich überein /7/. 5 Zusammenfassung Die Untersuchungen haben gezeigt, daß es möglich ist, Rohteile für das Thixo-Schmieden induktiv zu erwärmen und dabei berührungslos die Temperatur zu erfassen. Unter dem Einsatz der vorgestellten Pressentechnologie sind dadurch Fertigungsbeispiele möglich,

24 24 Thixo-Schmieden Wolf, Baur, Gullo die sehr komplexe Geometrie besitzen. Die Formfüllung des vorgestellten Fertigungsbeispiels Dreieckslenker wurde simuliert und die Ergebnisse in die Auslegung des Werkzeugs mit eingebracht. Das Fertigungsbeispiel wurden metallographisch untersucht. Dabei stellt sich heraus, daß beim Zusammentreffen von Materialfronten im Bereich von Schiebern und Kernen eine Verschweißung zweier Materialströme möglich ist, wenn ein Überlauf zur Aufnahme von Verunreinigungen integriert ist. Trotzdem ist auch dann eine Bildung von kleinen toten Zonen mit Verunreinigungen nicht vollständig auszuschließen. Die Untersuchung der mechanischen Kennwerte thixogeschmiedeter Bauteile aus AlSi7Mg und AlMgSi1 haben gezeigt, daß abhängig vom Auslagerungszustand gute Ergebnisse erzielt werden können, wobei die Knetlegierung der Gußlegierung vorzuziehen ist. Allerdings hat sich gezeigt, daß die Knetlegierung AlMgSi1 aufgrund von Kornwachstum eine starke Abhängigkeit von der isothermen Glühung bei der Thixo-Schmiedetemperatur aufweist. So sollte die Haltezeit zur homogenen Durchwärmung bei der Gußlegierung AlSi7Mg länger gewählt werden als bei der Knetlegierung AlMgSi1, die starkes Kornwachstum zeigt. Literatur /1/ Niu, X. P. et al. : Semi-Solid Forming of Cast and Wrought Aluminium Alloys. In: Proc. of the 5 th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Golden (Colorado)/USA, Juni 1998, Editors: Bhasin, A. K. et al, S /2/ Hirt, G. et al Experience with Sensor Controlled Induction Heating for Semi-Solid Forming. In: Proc. of the 5 th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Golden (Colorado)/USA, Juni 1998, Editors: Bhasin, A. K. et al, S /3/ Gräf, T. et al. Controlled inductive heating for thixotropic materials into the semi-solid state. In: Proc. of the 6 th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Turin/Italien, September 2, Editors: Chiarmetta, G. L., Rosso, M., S

25 Wolf, Baur, Gullo Thixo-Schmieden 25 /4/ Baur, J. Thixoforging of a CuZn-Alloy. In: Proc. of the 6 th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Composites, Turin/Italien, September 2, Editors: Chiarmetta, G. L., Rosso, M., S /5/ Meßmer, G. Simulation des Thixo-Schmiedens von Aluminiumlegierungen mit Flow 3D; Neuere Entwicklungen in der Massivumformung; Mai 21; Fellbach /6/ Europäische Norm DIN EN 515; Seite 5 /7/ Gullo, G.-C. Steinhoff, K. Uggowitzer, P. J. Microstructural Changes During Reheating of Semi-Solid Alloy AA682, Modified with Barium; 6 th International Conference on Semi-Solid Processing of Alloys and Components; September 2; Turin; Italien