Investigation of mechanical properties of forged iron-aluminium alloys
Final Report Abstract
Innerhalb der zweiten Förderperiode wurde untersucht, inwiefern die Ausgangsmikrostruktur von Eisen-Aluminium-Legierungen das Umformvermögen, sowie die mechanischen Eigenschaften beeinflusst. Das Ziel war es mittels isothermen Freiformschmiedens gegossener Eisen-Aluminium-Legierungen und anschließender Kombination aus ECAP Umformung und Wärmebehandlung unterschiedliche Korngrößen einzustellen. Es sollte die besondere Eigenschaft des Verfahrens genutzt werden, die Proben mehrmals der Umformung zu unterziehen, um das Gefüge weiter verfeinern zu können. Mittels metallographischer und mechanischer Untersuchungen sollte untersucht werden, ob ein feineres Gefüge die Materialeigenschaften der spröden Legierungen Fe28Al und Fe38Al verbessert. Abschließende Umformversuche unter konventionellen Bedingungen der Warmmassivumformung sollten zusätzlich das Formänderungsvermögen der mittels ECAP eingestellten Mikrostrukturen untersuchen. Gegossene, binäre Eisen-Aluminium-Legierungen mit den nominalen Zusammensetzungen Fe9Al, Fe28Al und Fe38Al (alle Angaben in At. %) wurden unter simulationsgestützten Umformparametern isotherm Freiformgeschmiedet. Dabei konnte eine Verfeinerung und Homogenisierung des Gefüges von Fe28Al und Fe38Al gegenüber dem Gusszustand erreicht werden. Für die anschließende ECAP Umformung wurde ein Werkzeug simulativ ausgelegt. Dabei wurden der Krümmungs-, Kanalwinkel, der Außen- und der Innenradius variiert, um ein spannungsarmes Umformen der rissanfälligen und spröden Werkstoffe zu ermöglichen. Dabei zeigte sich, dass je größer die Geometrieparameter ausgelegt wurden, desto geringer fiel die Spannung infolge der Umformung aus. Nach der Herstellung des Werkzeuges wurden die Umformparameter für die Umformung der Eisen-Aluminium-Legierungen untersucht. Es wurde ein relativ kleines Prozessfenster ermittelt in dem eine Kornverfeinerung ohne Rissbildung der Legierungen stattfinden kann. Nach der Umformung wurde der Einfluss der Wärmebehandlung auf die Mikrostruktur untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Haltedauer der Wärmebehandlung keinen signifikanten Einfluss auf die statische Rekristallisation oder Kornwachstum hat. Des Weiteren wurde untersucht, wie die Anzahl der Umformvorgänge auf die Mikrostrukturausprägung sich auswirkt. Die Ergebnisse zeigten, dass ein zweiter Umformvorgang keine weitere Kornfeinung bewirkt. Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften der eingestellten Mikrostrukturen wurden metallographische Aufnahmen der ECAP-Proben sowie mechanische Untersuchungen bestehend aus Zug-, Schlagbiege- und Stauchversuchen durchgeführt. Die Ergebnisse der Zug- und Schlagbiegeuntersuchungen wiesen keine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Gefüges gegenüber den Ergebnissen aus der ersten Förderperiode auf (Umformung durch Stauchen). Ein Vergleich der Stauchversuche zwischen dem mittels ECAP eingestellten Korngefüge und dem Gusszustand aus der ersten Förderperiode zeigte, dass die Rissbildung der ECAP Proben reduziert und die Fließspannungen verbessert wurden. Zusätzlich wurden Untersuchungen zum Einfluss der Aufheizrate und -dauer der Proben durchgeführt. Hier wurde bei hohen Temperaturen und niedrigen Aufheizraten eine statische Rekristallisation der verformten Körner der Legierungen Fe9Al und Fe28Al identifiziert. Um das Formänderungsvermögen in Abhängigkeit der Korngröße zu untersuchen wurden ECAP umgeformte Proben und Gussproben den Fließpress- und Gesenkschmiedeversuchen unterzogen. Die Ergebnisse haben gezeigt, dass das feinere Gefüge das Formänderungsvermögen der spröden Materialien, wie bei den Stauchversuchen verbesserte. Abschließend wurden die fließgepressten und geschmiedeten Proben metallographisch untersucht, ihre mechanischen Eigenschaften bestimmt und mit den Ergebnissen der massivumgeformten Proben aus der ersten Förderperiode verglichen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse zeigten keine Verbesserung der Materialeigenschaften der untersuchten Eisen-Aluminium-Legierungen infolge der ECAP-Prozesse gegenüber der konventionellen Umformung. Zur Verbesserung der ECAP Umformung könnte ein größerer Kanalwinkel Φ > 120° eingesetzt werden. Dadurch könnten die Spannungen während der Umformung weiter abgesenkt werden, sodass eventuell bei niedrigeren Temperaturen umgeformt werden kann. Hierfür musste das Werkzeugsystem konstruktiv angepasst und dabei alle weiteren Randbedingungen berücksichtigt werden. Darüber hinaus finden sich in der Literatur keine ECAP Untersuchungen mit einem größeren Kanalwinkel als Φ = 120°. Ein kleinerer Kanalwinkel würde zwar eine Erhöhung des Umformgrades bewirken, doch kommt es laut Simulationen zu einer Erhöhung der Spannungen im Werkstück, sodass es vermehrt zu Rissbildung kommen kann.
Publications
- Untersuchungen zum Werkstoffverhalten bei der Massivumformung von Eisen-Aluminium- Legierungen, Dissertation, Leibniz Universität Hannover (IFUM), (2017)
Huskic, A.
- Verbesserung der Duktilität durch Kornfeinung, Werkstattstechnik online, 109, (2019), S. 770-776
Behrens, B.-A.; Relge, R.
- Investigation on Microstructure of ECAP Processed Iron-Aluminium Alloys, Materials
Behrens, B.-A.; Relge, R.
(See online at https://doi.org/10.3390/ma14010219)
