Herstellung von UFG-Werkstoffen durch Rundkneten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Durch Severe Plastic Deformation hergestellte UFG Werkstoffe weisen herausragende Eigenschaftsprofile auf, die z.B. durch eine Kombination aus hoher Festigkeit und guter Zähigkeit gekennzeichnet sind, was sie für vielfältige technische Anwendungen interessant macht. Aufgrund des hohen Herstellungsaufwands der mit den etablierten SPD Verfahren einhergeht, ist die kommerzielle Nutzung dieser Werkstoffe bislang auf wenige Anwendungen begrenzt. Eine kommerzielle Nutzung von UFG Werkstoffen in einem breiten Anwendungsspektrum setzt eine signifikante Reduzierung der Herstellungskosten voraus, weshalb ein großer Bedarf Weiterentwicklung vorhandener SPD Prozesse bzw. zur Entwicklung neuer, kosteneffizienterer Verfahren besteht. Im Rahmen des Forschungsvorhabens „Herstellung von UFG-Werkstoffen durch Rundkneten“ wurde ein neues SPD Verfahren entwickelt, das auf einer Kombination der Konzepte des Equal-Channel Angular Pressing (ECAP) und des Vorschubrundknetens basiert. Das als Equal-Channel Angular Swaging (ECAS) bezeichnete Verfahren verwendet zwei oszillierende Knetbacken deren Kontur einen Kanal mit konstantem Querschnitt und mehreren Scherzonen bildet. Der neuentwickelte ECAS-Prozess zeichnet sich durch geringe Axialkräfte in der Vorschubrichtung aus, die auf einer weitgehenden Entkoppelung der axialen Vorschubkräfte von den radialen Umformkräften basiert. Geringe Vorschubkräfte sind eine Grundvoraussetzung für eine Übertragung des Prozesses in eine kontinuierliche Fertigung und stellen einen wesentlichen Vorteil gegenüber dem etablierten ECAP-Prozess dar. Die grundsätzliche Machbarkeit des ECAS-Prozesses wurde anhand eines Werkzeugsatzes gezeigt dessen Knetbacken vier Umformbereiche bzw. Scherzonen mit einem Kanalwinkel von jeweils 150° abbildeten. Anhand dieses Werkzeugsatzes konnte die Möglichkeit der Einbringung sehr hoher Dehnungen durch mehrere Prozessdurchläufe gezeigt werden. Die dabei ablaufenden mikrostrukturellen Prozesse sind durch eine Bildung von ultrafeinen Subkornstrukturen gekennzeichnet, die mit zunehmender Dehnung in Großwinkelkorngrenzen umgewandelt werden, was dem Mechanismus bei etablierten SPD Verfahren entspricht. Die Untersuchungen an Kupfer (99,9%) und kohlenstoffarmen Stählen (C15, C4C) zeigten jedoch, dass die Effizienz der Kornfeinung bei diesem Werkzeug, bedingt durch die hohen Kanalwinkel bzw. geringe Scherdehnung pro Scherzone sehr gering ist. Auf Basis dieser Ergebnisse wurde ein Werkzeugsatz mit zwei Scherzonen und einem Kanalwinkel von jeweils 120° entwickelt. Die Effizienz der Kornfeinung konnte dadurch wesentlich erhöht werden was sich einerseits in einer geringeren Subkorngröße im stationären Zustand sowie einer geringeren Dehnung bis zum Erreichen einer stationären Subkorngröße zeigt. Für beide Werkzeugkonzepte konnte anhand von Simulationen und experimentellen Untersuchungen belegt werden, dass eine homogene Scherverformung über das gesamte Probenvolumen eingebracht wird. Eine Herausforderung stellen beim ECAS-Prozess die hohe Wärmeeinbringung und die geringe Wärmeabfuhr über das Werkzeug dar, die aus der inkrementellen Umformung und den kurzen Kontaktzeiten zwischen Werkzeug und Werkstück resultieren. Dies stellt für die Bearbeitung von temperaturempfindlichen Werkstoffen wie ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierungen einen kritischen Aspekt dar. So konnte eine Übertragbarkeit des bekannten positiven Effekts von ECAP für eine nachfolgende Ausscheidungshärtung bei Legierungen der 6xxx-Serie auf den ECAS Prozess nicht nachgewiesen werden. Ursache hierfür ist eine dynamische Überalterung im ECAS Prozess die auch bei Vorschubrundkneten auftritt und auf die starke Erwärmung des Materials im Prozess zurückgeführt wird. Ein potentieller Ansatz um dieser Herausforderung zu begegnen und die Palette an bearbeitbaren Werkstoffen zu erweitern stellt die Verwendung eines Kühl-Schmiersystems dar, das im Rahmen des Forschungsvorhabens bereits erfolgreich in die Versuchsanlage integriert werden konnte. Da alle SPD Verfahren primär der Steigerung der mechanischen Eigenschaften von Halbzeugen dienen, stellte die nachträgliche Umformbarkeit der mittels ECAS hochgradig verformten Zustände einen weiteren wesentlichen Aspekt dar der ebenfalls untersucht wurde. Zugversuche zeigen, dass ECAS zu einer Steigerung der Streckgrenze und Zugfestigkeit sowie zu einer Abnahme der Gleichmaßdehnung führt, wobei eine ausgeprägte Verformung im Bereich der Einschnürung duktiles Materialverhalten zeigt. Dies deckt sich mit den aus der Literatur bekannten Ergebnissen zu UFG Werkstoffen die durch etablierte SPD Verfahren erzeugt wurden. Des Weiteren wurden gezeigt, dass mittels ECAS bearbeitete Proben in mehreren Stufen durch Kaltfließpressen ohne Rissbildung umgeformt werden können. Die Härtemessungen an ECAS-Proben nach Fließpressen zeigen nicht nur höhere Härtewerte sondern auch eine homogenere Härteverteilung gegenüber dem grobkörnigen Ausgangszustand, was das große Potential dieser Werkstoffzustände für Leichtbauanwendungen verdeutlicht. Der Fokus der Weiterentwicklung des ECAS-Prozesses liegt im Bereich der kontinuierlichen Fertigung z.B. durch Zuführung des Ausgangsmaterials über eine Haspel und Führungsrollen. Somit könnten längere Werkstücke kontinuierlich bearbeitet werden. Durch eine automatische Aufwicklung nach der Umformung könnten die durch die Neupositionierung des Werkstücks entstehenden Kosten vermieden werden. Die Umsetzbarkeit derartiger Konzepte wird aufgrund der geringen Vorschubkräfte als sehr hoch angesehen, weshalb ein großes wirtschaftliches Verwertungspotential des ECAS Prozesses zu erwarten ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- A New Severe Plastic Deformation Process to Produce Ultrafine Grained Materials, Steel Research International, 81-9 (2010), 478-481
Görtan, M.O.; Bruder, E.; Groche, P.; Müller, C.
- Severe Plastic Deformation by Equal Channel Angular Swaging, Materials Science Forum, Vols. 667-669 (2010), 103-107
Bruder, E.; Görtan, M.O.; Groche, P.; Müller, C.
- Equal Channel Angular Swaging (ECAS) – A new process for the production of high-strength lightweight materials, International Symposium on Plasticity and Its Current Applications, 3-8 Januar 2012, San Juan, USA
Görtan, M.O.; Bruder, E.; Groche, P.; Müller, C.
- Impact of severe pre-straining via different routes on the age hardening behavior of Al-Mg-Si alloys, International Conference on Strength of Materials (ICSMA) 16, 19.-24. August 2012, Bengaluru, Indien
Bruder, E.; Görtan, M.O.; Müller, C.
- Recent Developments in Incremental Bulk Forming, 6th International Seminar on Precision Forging, 11-14 März 2013, Kyoto, Japan
Groche, P.; Brenneis, M.; Görtan, M.O.; Schmitt, S.O.
