DE2714127B2 - Verfahren zur Tieftemperaturformung von Metallblech - Google Patents
Verfahren zur Tieftemperaturformung von MetallblechInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturformung eines Bleches aus einem kubisch flächenzentrierten metallischen Werkstoff, bei dem das kaltgewalzte Blech unter Zugbeanspruchung bei einer
Tieftemperatur von ungefähr — 100"C bis ungefähr - 200° C verformt wird.
Allgemein gilt, daß kubisch flächenzentrierte Metalle
wie Aluminium und Aluminiumlegierungen unter den üblicherweise verarbeiteten Metallen zu den am
leichtsten formbaren Werkstoffen gehören. Infolgedessen wurden Aluminium und Aluminiumlegierungen
im Bau- und Transportwesen sowie in der Verpackungsindustrie in großem Umfang für Verkleidungen,
architektonische Bauelemente. Paneele, Behälter und dergleichen verwendet. Der extensive Einsatz von
Aluminium und Aluminiumlegierungen war jedoch, insbesondere in der Automobilindustrie, dadurch beschränkt, daß dünne Bleche aus Aluminium und
Aluminiumlegierungen, die zur Bildung von Kotflügeln, Hauben, Türen usw. von Fahrzeugen benutzt werden,
während des Formungsvorganges leicht brechen, reißen und/oder eine diskontinuierliche oder wellige Verformung erfahren. Außerdem zeigte es sich, daß aus
solchen Blechen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen hergestellte Teile schlechte Kratz- und Beulfestigkeitscigcnschaften haben. Die Oberflächen derartiger Teile werden infolgedessen leicht verkratzt und
eingebeult, wodurch sie ästhetisch unansprechend werden. Die Vorteile der Verwendung von Aluminium
und Ali'miniumlegierungcn bei der Herstellung von
Kraftfahrzeugen, die letztlich auf leichtere, leistungsfähigere Kraftfahrzeuge hinauslaufen würden, werden
daher durch die oben beschriebenen Probleme der Formbarkeit und der mangelnden Kratz- und Beulfestigkeit mehr als wettgemacht.
Es ist bekannt (Metal working production. 1955. Seite
2231), daß mit dem eingangs genannten Tieftemperalurformverfahren schwierige Uniform- und Biegearbeiten
an Hlech aus rostfreien austenitischen Chrom-Nickel-Stiihlen mit 18% Chrom und 81Vn Nickel durchgeführt
werden können. f:erncr ist es bekannt (Cryogenic
Materials Data Handbook AFMI.-TDR-64-280. Juli
1970). daß bei kubisch flächen/cntrierten Metallen und
Legierungen die (»ukiilität bei tiefen Temperaturen
25
zunimmt und beispielsweise die Duktilitftt von wSrmebehandelten, kubisch, flScbenzentrierten Metallen und
Legierungen, gemessen als Zugdebnung, bei minus 196°C in der Größenordnung von 50 bis 100% aber
derjenigen bei 25° C liegt Bekannt ist auch (US-PS 32 66 946), daß eine 100%ige Steigerung der Zugdehnung bei -196PC gegenober 25°C zu einer 100%igen
Zunahme der erreichbaren Wellungsttefe bei einem Metallbalgen führt, der aus einem Blech aus einer
Aluminium- oder Magnesiumlegierung gefertigt wird Schließlich ist es bekannt (US-PS 29 74 778), Aluminiumdraht bei Temperaturen unter — 600C1 vorzugsweise
bei —75"C, zu ziehen. Ein Verfahren zum problemlosen
Verformen von Blechen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen stand aber bisher nicht zur Verfügung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, Bleche aus
Aluminium und Aluminiumlegierungen ohne dir* Gefahr
eines Brechens oder Reißens zu verformen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei dem Verfahren der eingangs genannten Art ein
Blech aus Aluminium oder einer durch Feststoffiösung verfestigten Aluminiumlegierung verwendet wird.
Aluminium hat zwar ebenso wie Stahl ein kubisch flächenzcntriertes Gefüge. Gleichwohl sprechen beide
Metalle auf die gleiche Behandlung regelmäßig unterschiedlich an. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
rostfreie Stähle bei kryogenen Temperaturen eine für die Steigerung der Duktilität verantwortliche Phasenumwandlung von der austenitischen zur martensitischen
Phase erfahren, während Aluminium stabil ist.
Insbesondere kommt es bei Aluminium zu keiner Phasentransformation, die zu einem Ansprechverhalten
führen könnte, wie es bei rostfreiem Stahl der Fall ist. Jedenfalls wurde eine Anwendung des seit Jahrzehnten
für die Tieftemperaturformung von kaltgewalzten Stahlblechen bekann'cn Verfahrens auf Aluminiumbleche trotz des Bedürfnisses an einem verbesserten
Verformungsverfahren für solche Bleche nicht vorgeschlagen.
Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt es, Formteile von gewünschter Gestalt aus durch Kaltformung verfestigten Blechen 'aus Aluminium oder
Aluminiumlegierungen in einem Formungsvorgang zu fertigen, bei dem das zu formende Blech weder bricht
noch reißt. Auf die erfindungsgemäße Weise hergestellte Formteile zeichnen sich ferner durch eine verbesserte
Widerstandsfähigkeit gegenüber Oberflächenkratzerbildung und Einbeulen sowie durch eine wesentlich
erhöhte Zugfestigkeit aus, die ihrerseits eine höhere Belastung erlaubt. Grundlage dafür ist der Umstand, daß
die Zngdehnung von durch Kaltformung verfestigtem Blech aus Aluminium und Aluminiumlegierungen bei
- 196°C um bis zu 1000% höher als bei 25°C sein kann. Dies steht im Gegensatz zu der wesentlich kleineren 50-bis 100%igen Steigerung der Zugdehnung innerhalb des
gleichen Temperaturbereichs, die bei wärmebehandelten kubisch flächenzentrierten Werkstoffen erhalten
wird. Infolgedessen ergeben sich bei der Formung von durch Kaltformung verfestigtem Blech aus Aluminium
und Aluminiumlegierungen zu Formteilcn von gewünschter Gestalt bei Tieftemperaturen anstelle von
Raumtemperatur unerwartet große Steigerungen der Verformbarkeit, die den Einsat/ von solchen Formteilcn
in Anwcndungsfiillcn gestatten, wo eine erhöhte
Festigkeit, Kratzfestigkeit und Beulfestigkcit der Form
teile wünschenswert sind. Außerdem werden crfindungsgcmäß Formteile erhalten, die hervorragende
Oberflächeneigenschaften haben, was darauf zurückzuführen ist, daß bei Tieftemperaturen die unerwünschte
diskontinuierliche oder wejjige Verformung vermieden
wird, die für zahlreiche kubisch flächenzentrierte Metalle und Legierungen bei Raumtemperatur charakteristisch ist Bei Tieftemperatur ausgebildete Formteile erfordern daher keinen anschließenden Schleifoder Schwabbelvorgang, um für eine glatte Außenfläche
zu sorgen.
Unter kubisch flächenzentrierten Werkstoffen werden vorliegend Aluminium als solches oder Legierungen
verstanden, die ein dichtgepacktes Kristallgefüge haben,
wobei die Bezeichnung kubisch flächenzentriert entsprechend dem Hauptbestandteil des Mikrogefüges
verwendet wird. Beispiele von kubisch flächenzentrierten,
durch Feststofflösung verfestigten Legierungen sind nicht wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen
mit Mangan und/oder Magnesium als Hauptlegierungselement
sowie ausscheidungsgehärtete, wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen mit Kupfer, Silizium,
Magnesium und Zink als Hauptlegierungselementen. Vorliegend kommen nur diejenigen kubisch fiächenxentrierten
Legierungen in Betracht, die stabil sind und während der Verformung bei Tieftemperaturen keine
Umwandlung erfahren.
Die vorliegend verwendeten Bleche haben zweckmäßig eine größte Dicke von 5 mm und verzugsweise eine
größte Dicke von 13 mm.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Blech durch Kaltformung auf mindestens 50% und
vorzugsweise mindestens 75% der größten Härte verfestigt, wobei die : streifenden Härtewerte zweckmäßig
mittels eines Rockwell-Härtenrüfgerätes bestimmt werden.
Die Metallbleche können au: die gewünschte Temperatur im Bereich von ungefähr — 1000C bis
ungefähr — 200"C durch Eintauchen in ein zweckentsprechendes
kryogenes Medium, beispielsweise flüssigen Stickstoff, oder auf eine Reihe von anderen
bekannten Weisen gebracht werden, beispielsweise indem ein kryogenes Gas oder eine kryogene
Flüssigkeit auf die Mctallbleche aufgesprüht werden.
Der Begriff »Verformen unter Zugbeanspruchungen« bezieht sich auf Prozesse, bei denen mindestens ein Teil
des Werkstoffes auf Grund eines lokalen Beanspruchungsfeldes verformt wird, bei dem die größte
Beanspruchungskomponente eine Zugbeanspruchung ist. An solchen Steilen kommt es leicht zu einem
vorzeitigen Ausfall, wenn versucht wird, den Formling herzustellen. Ein Beispiel eines Arbeitsvorganges, bei
dem eine Verformung unter Zugbeanspruchungen auftritt, ist das Formstanzen. Bei diesem Prozeß nimmt
das Werkstück die Gestalt an. die ihm von einem Stempel und einer Matrize aufgezwungen werden; die
aufgebrachten Kräfte können Zug-. Druck-, Biege- oder Scherkräfte oder verschiedene Kombinationen dieser
Kräfte sein. Die Anfangsstellen, an denen ein frühzeitiger
Ausfall erwartet werden muß, sind jedoch die speziellen Bereiche, bei denen große Verformungen
durch ein lokales Beanspruchungsfeld ausgelöst werden müssen, innerhalb dessen die größte Beanspruchung
fine Zugbeanspruchung ist. E-in Iteispicl für einen
Arbeitsvorgang, bei dem kein Verformen unter
Zugbeanspruchungen einIrin, ist da· ('rügen. Heim
Plagen handelt es sich um einen in einer geschlossenen
Form durchgeführten Quctschvorgang. hei Jem ;illc
Außenflächen des Werkstückes umschlossen oder festgehalten sind und bei dem die Verformung durch ein
örtliches Spannungsfeld ausgelöst wird, bei dem die größte Beanspruchung eine Druckbeanspruchung ist.
Weitere Beispiele for Verfahren, bei denen die
Formung von Metallblechen in die gewünschte Gestalt ein Verformen unter Zugbeanspruchungen beinhaltet,
sind das Biegeumformen, Gesenkbiegen, Tierziehen,
Streckziehen, die Formung mit Gummikissen, das hydrostatische Formen, das Explosionsformen, das
elektromagnetische Dehnen, das Konturformen und dergleichen.
Bei den folgenden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden die Versuchsergebnisse entsprechend den untenstehenden Methoden
bestimmt:
Zugversuch: Prozentuale Dehnung auf 51 mm bei der angegebenen Dehnungsgeschwindigkeit (έ) —
ASTM E8. Die genannten Dehnungswerte sind die Mittelwerte sowohl für Längs- als auch für Querausrichtung,
basierend auf Messungen bei 4 Versuchsproben.
Hydrostatischer Ausbauch versuch: Bestimmung der Ausbauchhöhe beim Bruch und prozentuale zweiachsige
Formänderung beim Bruch. Die Proben für den hydrostatischen Ausbauchversuch bestanden aus Scheiben
mit einem Durchmesser von 15 cm. Die Versuchseinspannung beschränkte den tatsächlichen Versuchsabschnitt jedoch auf einen mittleren Teil von 10 cm
Durchmesser.
Bei einer Temperatur von 25°C ausgeführte Versuche wurden unter Verwendung einer einfachen handbetätig-
M) ten Pumpe vorgenommen, wobei Wasser als Druckmedium
benutzt wurde. Die Ausbauchhöhe und der Druck wurden während der Versuche kontinuierlich überwacht.
Ein Gerät Hewlett-Packard Modell 24 DCDT-3000 LVDT wurde verwendet, um die Verlagerung des
ij Mittelpunktes der Scheibe zu messen. Zur Bestimmung
des aufgebrachten Druckes wurde ein Druckwandler Modell Dynisco PT310B-10M verwendet. Die maximalen
zweiachsigen Formänderungen beim Bruch wurden an Hand eines Gitters von sich schneidenden Kreisen
•tu mit 6.4 mm Durchmesser bestimmt; das Gitter wurde
auf jede Versuchsprobe durch fotografische Verfahren aufgebracht. Bei -1960C durchgeführte Versuche
wurden unter Verwendung einer Tieftemperatur-Pumpeinrichtung vorgenommen, wobei als Druckmittel
4Ί flüssiger Stickstoff verwendet wurde. Die Versuchsproben
wurden in ein Bad aus flüssigem Stickstoff vollständig eingetaucht, um eine konstante Versuchstemperatur von -I96°C sicherzustellen. Die Ausbauchungshöhe
wurde mit der gleichen Vorrichtung ständig
-.ο überwacht wie im Fa(Ie der Versuche bei einer
Temperatur von 250C. Der Ausbauchdruck wurde ständig überwacht, indem die auf den Kolben der
Tiefterrperaturpumpe ausgeübte Kraft gemessen wurde. Die Querschnittsfläche des Kolbens betrug 83 cm';
v> der Druck wurde berechnet, indem die aufgebrachte Kraft durch diese Fläche dividiert wurde. Die maximale
zweiachsige Formänderung beim Bruch bei -1960C
wurde in der zuvor beschriebenen Weise gemessen.
·>«> Beispiel!
Uci diesem Beispiel wurde ein durch Kaltformung
verfestigtes, 0.2 mm dickes Blech aus einer mit Aluminium plattierten, durch Feststofflösung verfestigh-i
ten Aluminiumlegierung verwendet, die als Hauptlcgierungsclement 1,2 C)ew.-% Mangan enthält und die bei
Raumtemperatur auf 75% der maximalen Härte kaltgewalzt war. Die Oberfläche des Blechs war mit
einer 0,01 mm dicken Lage bus einer Aluminiumlegierung mit 1,0% Zink plattiert
Versuchsproben wurden auf die angegebenen Temperaturen gebracht und dem Zugversuch bei diesen
Temperaturen und der genannten Dehnungsgeschwindigkeit (έ) unterzogen.
Temperatur
Dehnung auf
51mm (%)
51mm (%)
Versuchsprobe 1
(Versuchsprobe in Stickstoff eingetaucht)
(Versuchsprobe in Stickstoff eingetaucht)
Versuchsprobe 2
(Versuchsprobe in ein
Gemisch aus Trockeneis
und Alkohol eingetaucht)
(Versuchsprobe in ein
Gemisch aus Trockeneis
und Alkohol eingetaucht)
Versuchsprobe 3
-196°C 20,7
- 79°C 3,6
- 79°C 3,6
+ 250C 1,5
Die Versuche dieses Beispiels wurden in der für das Beispiel I beschriebenen Weise durchgeführt, wobei ein
0,18 mm starkes Blech aus einer Legierung mit 99 Gew.-% Aluminium und 0,12% Cu benutzt wurde, die
bei Raumtemperatur auf maximale Härte kaltgewalzt wurde. Dieses Beispiel demonstriert, daß die mit der
vorliegend erläuterten Tieftemperaturformung verbundenen Vorteile insbesondere auch bei Arbeitsvorgängen
mit charakteristischerweise hohen Verformungsgeschwindigkeiten verwirklicht werden; der Zugversuch
wurde nämlich auch bei einer Dehnungsgeschwindigkeit (έ) von 3,6 s -' durchgeführt
Temperatur
Dehnungauf
51mm (%)
51mm (%)
Dehnung auf 51 mm (%)
c= 3,6s"1
Versuchs- -196 C 28,0
probe 4
probe 4
Versuchs- - 79 C 2,8
probe 5
22,5
Temperatur
Dehnungauf 51 mm (%)
Dehnung auf 51 rom (%)
r=3,6sH
Versuchsprobe 6
+250C
2,0
Die Versuche dieses Beispiels wurden mit dem in Beispiel 2 genannten Metallblech durchgeführt Die
Versuchsproben wurden auf die angegebenen Temperaturen gebracht und dem hydrostatischen Ausbauchversuch
bei diesen Temperaturen unterzogen.
Temperatur
Ausbauchhöhe beim Bruch
Zweiachsige Formänderung beim Bruch
Versuchs- -196 C 24mm 21,9
probe 7
Versuchs- +25 C 15 mm 9,6
probe 8
Bei den Versuchen dieses Beispiels wurde das in Beispiel 2 erläuterte Metallblech verwendet Die
Versuchsproben wurden auf die genannten Temperaturen gebracht und dann dem hydrostatischen Ausbauchversuch
unterzogen.
Temperatur
Ausbauchhöhe beirr Bruch
Zweiachsige Formänderung beim Brucn
Versuchs- -196 C 17 mm 11,6
probe 9
Versuchs- +25 C 10mm 5,1
probe 10
Claims (3)
1. Verfahren zur Tieftemperaturformung eines
Bleches aus einem kubisch flachenzentrierten metallischen Werkstoff, bei dem das kaltgewalzte
Blech unter Zugbeanspruchung bei einer Tieftemperatur von ungefähr -1000C bis ungefähr —200*C
verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech aus Aluminium oder einer durch ι ο
Feststofflösung verfestigten Aluminiumlegierung verwendet wird.
2.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech mit einer größten Dicke von
5 mm und vorzugsweise einer größten Dicke von is
1,3 mm verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech durch Kaltformung
auf mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 75% der größten Härte verfestigt wird.
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