Verfahren zum Warmverformen einer besonders leicht verformbaren Zink-Legierung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Warmverformen einer besonders leicht verformbaren Zink-Legierung, die 78% Zink und 22% Aluminium enthält.
In der amerikanischen Patentschrift 3 340 101 wird ein Verfahren beschrieben, mit dem solche dehnungsgeschwindigkeitsempfindliche Werkstoffe ausserordentlich stark gestreckt werden können und zwar in einem Ausmass, das sonst nur bei Verarbeitung von Glas oder von Polymeren erreicht werden kann.
In der genannten Patentschrift wird die Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit dlna m = d In ± definiert, wobei 6 die Spannung in kg/cm2 und E die Dehnungsgeschwindigkeit in min-l ist. Ein Material, das diese Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit aufweist, ist die eutektoide Legierung aus 78% Zink und 22% Aluminium. Dieses Material wird durch Homogenisierung bei 31 50C vorbehandelt, um eine einheitliche Me tallstruktur sicherzustellen. Im Zustandsdiagramm liegt diese Temperatur oberhalb der eutektoiden Temperatur, aber unterhalb der Soliduslinie. Das Material wird anschliessend unter Umrühren in Wasser abgeschreckt.
Die Verformung erfolgt mittels einer Form bei etwa 273au, auf jeden Fall aber unterhalb des Haltepunktes der eutektoiden Temperatur. Unter diesen Randbedingungen weist das Material während der Verformung eine ausserordentlich geringe Festigkeit auf. Darüberhinaus kann das Material ausserordentlich weitgehend verformt werden, ohne dass die bei den bekannten Werkstoffen auftretenden Einschnürungen auftreten. Mit diesen als superplastische oder hyperverfonnbare bekannten Materialien wurden Oberflächenvergrösserungen bis zu 2000% erreicht.
Die Erfindung geht von der Aufgabenstellung aus, das in der oben genannten Patentschrift angegebene Verfahren zu verbessern, insbesondere die Zeit zur Durchführung der Verformungsvorgänge wesentlich herabzusetzen.
Die oben angegebene Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit m ist die exponentielle Veränderliche im Ausdruck o=K = K ± wobei a die Spannung in kg/cm2, a die Dehnungsgeschwindigkeit in Längenänderung je Einheitslänge und Zeiteinheit, und K eine Proportionalitätskonstante angibt, die als Verformungsgeschwindigkeitskoeffizient bezeichnet werden kann. Der numerische Wert von K hängt von den gewählten Grössen der anderen Variablen ab.
Während das Vorliegen einer stark ausgeprägten Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit m für das Vorliegen von superplastischen oder hyperdehnbaren Materialien charakteristisch ist, und ein Mass für die grösstmögliche Verformung darstellt, wurde festgestellt, dass der Verformungsgeschwindigkeitskoeffizient K einen Hinweis auf die Festigkeit bzw. Erreichung des Materials gibt und somit bestimmend ist für die zur Durchführung der Verformung erforderliche Zeit und der dazu benötigten Kräfte.
Aufgabe der Erfindung ist es, den Dehnungsgeschwindigkeitskoeffizienten K bei der beim Verformungsvorgang herrschenden Temperatur möglichst weitgehend herabzusetzen.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäss der Erfindung ein Verfahren zum Warmverformen einer besonders leicht verformbaren Zink-Legierung angegeben, die 78% Zink und 22% Aluminium enthält, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die Legierung bei einer Temperatur oberhalb der eutektoiden Haltepunktes, aber unterhalb der Soliduslinie im Zn-Al-Zustandsdiagramm bis zum Erreichen einer einheitlichen Struktur einem Lösungsglühvorgang unterzogen wird, dass die Legierung anschliessend abgeschreckt wird, dass die Legierung bei einer Temperatur unterhalb 2040C mechanisch durch spanlose Verformung bearbeitet wird, und dass die Warmverformung der so vorbehandelten Legierung knapp unterhalb der eutektoiden Temperatur vorgenommen wird.
Die Erfindung wird anschliessend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung der wichtigsten
Schritte des Verfahrens,
Fig. 2 ein Schaubild, in dem die Belastung 5 (kg/cm') über der Dehnungsgeschwindigkeit t(min-l) für verschieden vorbehandelte Materialien aufgetragen ist,
Fig. 3 ein Schaubild, in dem die Verformungstiefe (mm) über der Verformungszeit (min) für verschieden vorbehandelte Materialien aufgetragen ist, wenn diese einer standardisierten Teilverformung mit biaxialer Span nung unterworfen werden.
Die horizontale gestrichelte
Linie stellt die Koordinaten des Bodens der Form dar, Fig. 4 ein Schaubild, in dem die Verformungstiefe (mm) über der Verformungszeit (min) ähnlich der Dar stellung in Fig. 3 gezeichnet ist als Ergebnis von Versu chen an Materialien, die bei verschiedenen Temperaturen vorbehandelt wurden. Aus diesem Schaubild ist die optimale Temperatur sowie die Wirkung von Abwei chungen von dieser Temperatur zu entnehmen. Die waagrechte gestrichelte Linie stellt auch in diesem Schau bild die Koordinaten des Bodens der Form dar,
Fig. 5 ein Schaubild, in dem die Zeit zur Verformung bis zum Boden (min) über der Walztemperatur in OC aufgetragen ist. Diese Darstellung wertet die Endpunkte der Kurven nach Fig. 4 aus.
Die waagrechte gestrichelte
Linie entspricht der Verformungszeit für eine in vorbe handelte Kontroll-Probe,
Fig. 6 ist ein vergleichendes Diagramm der augen blicklichen Belastung für eine bestimmte Dehnungsge schwindigkeit bei Zugversuchs-Proben mit verschiede nem Zink-Aluminium-Gehalt. Die Koordinaten sind die
Kraft in kg über dem Aluminiumgehalt in Gewichtspro zenten. Die vertikale gestrichelte Linie markiert die
Werte für eine Probe mit eutektoider Zusammensetzung,
Fig. 7, 8 sind Schaubilder, in denen die Verformungs tiefe in mm über der Verformungszeit in min ähnlich der Darstellung in Fig. 3 aufgetragen ist. Es handelt sich um die Ergebnisse von Versuchen mit Legierungen, die von der eutektoiden Zusammensetzung abweichen.
Wie aus der Darstellung gemäss Fig. 1 hervorgeht, besteht das Verfahren im wesentlichen aus den folgenden
Schritten:
1. Ein homogener Körper 10, der aus einer eutektoi den Legierung aus 78 Gewichtsprozenten Zink und 22
Gewichtsprozenten Aluminium besteht, wird in einem
Ofen 11 lösungsgeglüht bzw. oberhalb der invarianten eutektoiden Temperatur von etwa 2770C während eines
Zeitraumes gehalten, der genügt, eine einheitliche flä chenzentrierte kubische Struktur zu gewährleisten, ent sprechend dem Zustand gemäss der höheren Temperatur zwischen dem eutektoiden Haltepunkt und der Solidusli nie. Bezüglich des Aluminium-Zink-Phasendiagrammes wird auf die Handbücher wie metalls handbooko Copy right 1948 durch die American Society of Metals, Seite
1167, hingewiesen.
2. Der Körper 10 wird auf eine wesentlich unter der eutektoiden Invariante liegende Temperatur mit einer
Geschwindigkeit abgekühlt, die genügt, dass das Material superplastisch wird, wenn es anschliessend auf die Ver formungstemperatur gebracht wird. Das kann beispiels weise durch Abschrecken des Körpers in einem umge rührten Wasserbad 12 erfolgen.
3. Der Körper wird einer mechanischen Bearbeitung, beispielsweise mit Hilfe der Rollen 13 einem Walzvor gang unterworfen, der unterhalb einer Temperatur von 2040, vorzugsweise bei einer Temperatur von 1480C durchgeführt wird. Trotz der nach dem Abschrecken bzw. Härten auftretenden exothermen Reaktion hat es sich herausgestellt, dass dann bei der wieder erhöhten Verformungstemperatur ein deutliches Weicherwerden des Materials eintritt, gleichgültig, ob dieser mechanische Bearbeitungsschritt bei niederer Temperatur vor oder nach dieser Reaktion durchgeführt wurde.
Nach diesem Verfahren ist es gelungen, einen Werkstoff herzustellen, der bei der superplastischen Verformungstemperatur im Vergleich zu Materialien, die ohne diesen Bearbeitungsschritt hergestellt wurden, eine sehr wünschenswerte aber unerwartet niedrige Festigkeit aufweist. Das so behandelte Material ist durch den sehr stark herabgesetzten Dehnungsgeschwindigkeitskoeffizienten K bei der Verformungstemperatur gekennzeichnet. Die herabgesetzte Festigkeit des Materials erlaubt Verbesserungen beim endgültigen Verformungsprozess, sei es durch Verringerung der erforderlichen Kräfte, durch Herabsetzung der erforderlichen Zeit oder durch eine Kombination dieser beiden in besonders hohem Masse kostenverursachenden Faktoren.
Die vorteilhafte Wirkung des Verfahrens auf das Zink-Aluminium-Eutektoid geht aus den Diagrammen der Fig. 2 und 3 hervor. Fig. 2 ist ein Diagramm in doppelt logarithmischem Massstab der bei einem einachsigen Dehnungsversuch bei der Verformungstemperatur von etwa 2710C erhaltenen Daten für Proben, die bei verschiedenen niedrigen Temperaturen durch mechanische Bearbeitung vorbehandelt waren. Die Untersuchung erstreckte sich über einen grossen Bereich von Dehnungsgeschwindigkeiten t. Die Kurve 20 gibt das Verhalten bei der Dehnung eines Standardprobekörpers, der keiner mechanischen Bearbeitung bei niederer Temperatur nach dem Abschreckvorgang im Behälter 12 unterzogen wurde.
Die Kurven 21, 22, 23 stellen die Werte von Standardprobekörpern dar, die nach dem Abschrecken eine Herabsetzung ihrer Dicke von 25, 50 bzw. 75% durch mechanische Bearbeitung bei niedriger Temperatur gemäss dem beschriebenen Verfahren erfahren haben. Die Bedeutung der in Fig. 2 dargestellten Werte kann durch Vergleich mit einer Linie konstanter Zugspannung, beispielsweise durch die Linie 24 verdeutlicht werden. Es ist ersichtlich, dass für eine bestimmte Spannung a die Dehnungsgeschwindigkeit ± steigt und die Verformungszeit bei nachhaltig bearbeiteten Probekörpern (Kurve 23) um nahezu den Faktor 5 kleiner wird als bei nicht bearbeiteten Probekörpern (Kurve 20).
In gleicher Weise wird durch eine Linie konstanter Dehnungsgeschwindig keit 25 der Bereich der Zugspannungswerte verdeutlicht, der zur Erzeugung einer bestimmten Dehnungsgeschwindigkeit in verschieden vorbehandelten Materialien erforderlich ist. Für nicht bearbeitetes Material (Kurve 20) wird eine wesentlich höhere Spannung zur Erzeugung einer bestimmten Dehnungsgeschwindigkeit erforderlich sein als bei der Verformung eines nachhaltig bearbeiteten Materials (Kurve 23).
Der parallele Verlauf der Kurven 20 bis 23 ist ein Hinweis für die gute Vorhersehbarkeit der mittels des Verfahrens erzielbaren Ergebnisse. Aus diesem parallelen Verlauf der besagten Kurven geht auch hervor, dass durch das Verfahren der praktisch Konstante exponentielle Faktor der Dehnungsgeschwindigkeitsempfindlichkeit m, der durch die Neigung der Kurven dargestellt wird, nicht wesentlich beeinflusst wird.
In Fig. 3 wird der nachfolgende Verformungsvorgang für verschiedene vorbehandelte Probekörper veranschau licht. Es wurden vier Probekörper aus dem gleichen Teil einer gemeinsamen Schmelze in Form von Nachwalzma- terial aus einer Legierung genommen, die aus 78 Gewichtsprozenten Zink und aus 22 Gewichtsprozenten Aluminium von einer Reinheit von 99% bestand. Das Material für jedes Blech wurde bei 326,60C auf eine solche Dicke ausgerollt, dass eine spätere mehrfache Bearbeitung bei niedriger Temperatur bis auf eine Dicke von 1,27 mm möglich ist. Alle Bleche wurden bei 31 5,50C einem annähernd eine Stunde dauernden Lösungsglühvorgang unterzogen und dann im Wasser unter Umrühren abgeschreckt, um einen einheitlichen metallurgischen Zustand zu erzeugen.
Eines der Bleche wurde als Kontrollblech verwendet und daher nach dem Abschrekken keiner weiteren Verarbeitung unterzogen. Jedes der verbleibenden Bleche wurde bei Raumtemperatur so gewalzt, dass seine Dicke um 25,50 bzw. 75% verringert wurde. Die sich ergebenden Proben hatten eine Dicke von 1,27 mm. Jeder dieser Probekörper wurde in eine standardisierte Form gemäss der genannten amerikanischen Patentschrift und der unten zitierten Literaturstelle eingespannt und innerhalb eines einheitlichen Zeitraumes auf eine Temperatur von 271 0C erwärmt. Anschliessend wurde jeder der Probekörper mit Hilfe eines Unterdrukkes von 1,033 kg/cm2 belastet. Das Schaubild nach Fig. 3 ist eine Aufzeichnung der Verschiebung des Mittelpunktes des eingespannten Bleches beim pneumatischen Tiefziehen über der Zeit bei den einzelnen Versuchen.
(Vgl. auch IBM Journal of Research and Development, Band 9, Heft 2, März 1965, Seiten 134 bis 136.)
Das Verhalten der Kontrollprobe ist in der Fig. 3 durch die Kurve 30 veranschaulicht. Das Verhalten der bearbeiteten Probekörper, deren Dicke um 25, 50 bzw.
75% herabgesetzt wurde, wird durch die Kurven 31, 32 bzw. 33 dargestellt. Es sei darauf hingewiesen, dass der Mittelpunkt der Kontrollprobe eine Zeit von 3,4 min benötigte, um den Boden der Form zu erreichen, dessen Koordinaten durch die am oberen Rand der Figur liegende gestrichelte Linie dargestellt wird. Der Probekörper, dessen Dicke um 50% verringert wurde (Kurve 32), benötigte eine Zeit von 1,2 min, um die grösste Auslenkung zu erreichen.
Die Probe, deren Dicke um 75% verringert wurde (Kurve 33) benötigte nur 1,1 min, um die volle Auslenkung zu erreichen. Es wird darauf hingewiesen, dass zwischen den Aussagen der Fig. 2 und 3 eine gute Übereinstimmung besteht. Es wurde auch gezeigt, dass die günstige Wirkung des Bearbeitungsschrittes der mechanischen Vorverformung bezüglich der Herabsetzung der Festigkeit bei der Verformungstemperatur mit wachsendem Ausmass der vorherigen Bearbeitung nicht mehr so stark zunimmt.
Aus den Fig. 4 und 5 ist der Einfluss von Temperaturabweichungen auf die durch das Verfahren erreichte Erweichung der Legierung bei der Verformung zu ersehen.
Die in Fig. 4 dargestellten Kurven wurden mit Hilfe von sechs Probeblechen aus einem Zink-Aluminiumeutektoid aufgenommen, die mit einer Dicke von 2,54 mm aus Barren von der gleichen Stelle der gleichen Schmelze durch Heisswalzen bei einer Temperatur von über 3150C hergestellt wurden, und die anschliessend eine Stunde lang bei einer Temperatur von 3150C einen Lösungsglühvorgang unterzogen und anschliessend in Wasser unter Umrühren abgeschreckt wurden. Die Proben wurden einzeln auf die Temperaturen 37, 93, 150, 204, 260 und 3 150C erwärmt und zu einer Dicke von 1,27 mm, d.h., auf eine um 50% geringere Dicke gewalzt.
Nach dem Walzen wurde jede einzelne Probe abgeschreckt. Das Walzen erforderte mehrere Durchläufe und die einzelnen Proben wurden zwischendurch in den Heizofen zurückgebracht, um eine möglichst konstante Temperatur sicherzustellen. Die bei 3150C gewalzte Probe wird als Kontrollprobe betrachtet, da diese Temperatur oberhalb der eutektoiden Invarianten liegt. Der Probekörper wurde in der gleichen Weise wie die anderen Proben gewalzt, es zeigte sich jedoch, dass er die gleichen Eigenschaften wie ein ausschliesslich vor dem ersten Abschrecken gewalzter Körper aufwies. Die einzelnen Proben wurden in der in Zusammenhang mit Fig. 3 angegebenen Art und Weise untersucht, wobei sich Verformungskurven ergaben, die denen in Fig. 3 ähnlich sind. Die einzelnen Kurven sind im Schaubild gemäss Fig. 4 durch ihre Walztemperaturen gekennzeichnet.
Noch aufschlussreicher ist die Darstellung nach Fig. 5, in der die Endpunktverformungszeiten gemäss Fig. 4 über der vorherigen Bearbeitungstemperatur aufgetragen sind. Im Vergleich zu den Werten der Kontrollprobe, dargestellt durch die waagrecht gestrichelte Linie, kann festgestellt werden, dass eine vorteilhafte Wirkung über einen weiten Temperaturbereich erzielt wurde, und dass für die untersuchte Legierung ein maximales Ergebnis in der Nähe einer Temperatur von 1500C erzielt wurde. Abgesehen davon, dass die mechanische Bearbeitung, im vorliegenden Falle durch Walzen, ohne Schaden auch oberhalb der Raumtemperatur durchgeführt werden kann, ist es auch in solchen Fällen von Wichtigkeit, in denen der Walzvorgang nur schwer oder überhaupt nicht bei Zimmertemperatur durchführbar ist.
In der Praxis kann eine Veränderung der Materialzusammensetzung erfolgen durch zufällige Verunreinigungen, durch ins Gewicht fallende Legierungszusätze oder durch eine nicht mehr eutektoide Zusammensetzung, ohne dass die mit dem beschriebenen Verfahren erreichbare Erreichung der Legierung beim Warmverformen verschwindet.
Diese Tatsache geht aus den folgenden Figuren hervor, bei denen die Messergebnisse an Probekörpern mit verschiedenen Zusammensetzungen festgehalten sind. Jede Legierung wurde jeweils mit und ohne einem die Dicke des Materials um 50% verringernden und vor dem eigentlichen Verformungsvorgang liegenden Walzvorgang behandelt.
Aus der Fig. 6 ergeben sich die vorteilhaften Wirkungen des Verfahrens auch bei relativ grossen Abweichungen vom eutektoiden Zink-Aluminiumgehalt von 78 bzw.
22 Gewichtsprozenten. Die Kurve 60 stellt die momentane Belastung einer Zugversuchs-Probe bei einer standardisierten Dehnungsgeschwindigkeit für verschiedene Zusammensetzungen der Legierung, jedoch ohne vorherige mechanische Bearbeitung bei niedrigen Temperaturen dar. Die Kurve 61 zeigt die Verformungsbelastung für gleichartige Proben, jedoch mit einer nach dem Abschrecken durchgeführten spanlosen Verformung bei niedriger Temperatur dar. Die senkrechte gestrichelte Linie zeigt die dem Eutektoid entsprechende Zusammensetzung. Aus dieser Abbildung geht hervor, dass die mit dem beschriebenen Verfahren erzielten Vorteile auch noch bei relativ starken Abweichungen von der als besonders vorteilhaft angegebenen eutektoiden Zusammensetzung vorhanden sind.
In den Fig. 7 und 8 wird die Wirkung von kleinen, aber nicht unerheblichen Zusätzen von Magnesium und Mangan veranschaulicht. In Fig. 7 werden die Verhältnis se bei einem Probekörper mit einem Mg-Zusatz von 0,02mg Gewicht wiedergegeben, wobei die Kurve 70 das Verhalten einer Probe wiedergibt, die durch mechanische Bearbeitung bei niedriger Temperatur auf eine um 50% geringere Dicke gebracht wurde, während die Kurve 71 das Verhalten einer vorher nicht bearbeiteten Probe wiedergibt. In Fig. 8 stellt die Kurve 80 das Verhalten eines einen Zusatz von 0,050% Gewicht Mn enthaltenden Probekörpers dar, dessen Durchmesser durch Bearbeitung bei niedriger Temperatur um 50% verringert wurde, während die Kurve 81 das Verhalten eines Probekörpers gleicher Zusammensetzung, jedoch ohne vorhergegangene Bearbeitung bei niedriger Temperatur darstellt.
Aus den genannten beiden Beispielen geht hervor, dass die günstigen Wirkungen des beschriebenen Verfahrens sich auch auf abweichende Zusammensetzungen erstrecken, insbesondere da in den letzten beiden Fällen Zusätze gewählt wurden, die in grossem Umfang die Kinetik der Phasenumwandlung in Zink-Aluminium-Legierungen beeinflussen.
Aus den oben angeführten Beispielen ergibt sich, dass mit Hilfe des beschriebenen Verfahrens die wirtschaftlich wichtigen Eigenschaften eines Zink-Aluminium-Eutektoides in seiner Eigenschaft als superplastisches Material wesentlich verbessert werden. Die Versuche haben weiterhin gezeigt, dass wesentliche Gesichtspunkte in der niedrigen mechanischen Bearbeitungstemperatur zur Erreichung eines maximalen Nutzens und in der weitgehenden Unabhängigkeit der günstigen Wirkung des Verfahrens von fast allen störenden Faktoren zu erblicken sind.
Die einzelnen Versuche haben weiterhin gezeigt, dass durch Veränderung jedes einzelnen Faktors eine vorherschbare Veränderung der Ergebnisse von verschiedenem Umfang erzielt werden kann. Bei Abweichungen von der für die spanlose Verformung als optimal erkannten Temperatur von 150 C ist z.B. zu erwarten, dass die Wirkung des beschriebenen Verfahrens im reinen Zink.
Aluminium-Eutektoid beeinträchtigt wird.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass anstelle des Walzens auch Ziehen, Schmieden oder jede andere Art von nichtspanabhebender Formänderung verwendet werden kann.