Thixoforming: Eine zukünftige Alternative zur Herstellung komplex ...

B eim
Thixoforming erfolgt die
Formgebung des Werkstoffs im
Temperaturbereich zwischen der
Solidus-Temperatur und der Liquidus-
Temperatur, wobei das Prozeßfenster
nach Möglichkeit so gewählt wird, daß
der Anteil fester Phasen ca. 60 % und
der Anteil flüssiger Schmelze ca. 40 %
beträgt. Bei einem geeigneten, feinkörnigen
Gefüge sind im Verarbeitungszustand
flüssige und feste Phasen homogen
über den Bolzen verteilt.
In diesem Zustand kann der Bolzen
ähnlich wie ein Festkörper manipuliert
und in ein Formwerkzeug eingelegt
werden. Unter auftretender Scherbelastung
bricht die skelettartige Festkörperstruktur
auf, und es entsteht eine
sehr fließfähige Suspension fester Partikel
in flüssiger Matrixschmelze.
Die Formgebung erfolgt in einem einzigen
Formgebungsschritt entweder
durch Einpressen in ein geschlossenes
Formwerkzeug oder zwischen zwei bewegten
Formhälften.
Aus dieser Art der Formgebung ergeben
sich auch bei dem Werkstoff Stahl
prinzipiell folgende verfahrensbedingte
Vorteile:
Drastische Verkürzung der Prozeßkette,
da auch sehr komplexe Geometrien
ohne Zwischenstufen hergestellt
werden können.
Möglichkeit zur Herstellung nicht
schmiedbarer Geometrien wie z. B.
dünne Rippen mit langen Fließwegen,
dünnwandige und dickwandige Bereiche
in einem Bauteil und Hinterschneidungen
und Hohlstrukturen
durch ziehbare Kerne.
SCHMIEDE-JOURNALMÄRZ 1998
FACHBEITRÄGE
Thixoforming:
Eine zukünftige Alternative
zur Herstellung komplex
geformter Stahlschmiedeteile?
Dr.-Ing. Gerhard Hirt, Simmerath
Thixoforming von Stahl, d. h. die Formgebung im teilerstarrten Zustand, könnte
ähnlich wie bei Aluminium eine Kombination der Verfahrensvorteile von Schmie -
d e n und Gießen ermöglichen. Anläßlich des 13. ASK in Aachen (26./27.3.98)
wurde über die bisherigen Untersuchungen und über noch zu lösende Probleme
berichtet.
•
•
Ausgangsbolzen und thixogeformtes Pleuel aus C70S6 Bilder: EFU
•
•„Near Net Shape“-Fähigkeit.
•Bessere Werkstoffeigenschaften als in
gegossenen Bauteilen ähnlicher
Komplexität, da Erstarrungsporosität
und Einschlüsse vermindert werden.
Hohe Abbildegenauigkeit und enge
Toleranzen nicht formgebundener
Maße, da das Werkzeug vor dem Einpressen
ohne Grat geschlossen werden
kann.
•
Demgegenüber sind folgende Schwierigkeiten
zu überwinden:
Geeignete Stahlsorten (Gefüge, Zu-
•
sammensetzung) und Anwendungs-
bauteile müssen identifiziert und ggf.
entwickelt werden.
Die Erwärmung auf Verarbeitungstemperatur
erfordert die Einhaltung
eines sehr engen Prozeßfensters.
•
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•
•Die thermische Belastung der Formwerkzeuge
ist sehr hoch, da die Verarbeitungstemperatur
je nach Stahlsorte
in der Größenordnung von ca. 1 350 -
1 470 °C liegt.
•Zundereinschlüsse
im Bauteil müssen
sicher vermieden werden.
Geeignete Werkstoffe
Grundsätzlich sind nur solche Werkstoffe
verarbeitbar, die ein ausreichendes
Erstarrungsintervall bilden. Weiterhin
muß die bei der Formgebung feste
globulare Phase von einer niedrigschmelzenden
Flüssigphase umgeben
sein.
Dies kann entweder ein aufgeschmolzenes
Eutektikum sein, oder durch eine
gezielt eingestellte Kornseigerung
kann ein definiertes Aufschmelzen der
Primärphase erreicht werden.

Weitere Kriterien sind eine möglichst
niedrige Verarbeitungstemperatur und
ein feines globulares Korn der im Verarbeitungszustand
festen Phase. Nur
wenn im wiedererwärmten Bolzen die
globulare feste Phase mit einer Korngröße
kleiner 100 µm vorliegt, ist eine
seigerungsfreie Formgebung mit geringer
Preßkraft möglich.
Gleichzeitig muß gewährleistet sein,
daß die festen Partikel zunächst noch
untereinander verbunden sind, da sonst
der Bolzen während der Erwärmung
seine zylindrische Form verliert und
nicht mehr in das Werkzeug eingelegt
werden kann.
Zur Herstellung dieses Ausgangsgefüges
bietet sich bei Stählen eine thermomechanische
Behandlung an.
Durch die feinkörnige Rekristallisation
wird ein Aufschmelzen entlang der
Großwinkelkorngrenzen und damit die
Einstellung des geforderten Verarbeitungszustands
ermöglicht.
Entsprechend dieser Kriterien sind
nach eigenen Erfahrungen und Literaturangaben
zumindest folgende Stähle
durch Thixoforming verarbeitbar:
Stahlsorte Verarbeitungstemperatur
S 6-5-2 1350 °C
S 2-9-2 1300 °C
X5 CrNi 18 9 1450 °C
X5 CrNiMo 1810 1425 °C
C70S6 1430 °C
Mögliche Anwendung
Eine Bauteilfertigung durch Thixoforming
erscheint aufgrund der erwarteten
hohen Werkzeugkosten und der erforderlichen
Automatisierung nur bei der
Herstellung von Massenteilen wirtschaftlich.
Auch kommen nur solche
Bauteile in Frage, deren Geometrie so
komplex ist, so daß durch Thixoforming
aufwendige Umformschritte eingespart
werden können.
Typische Bauteile dieser Art wären
z. B. Fahrwerkskomponenten wie A c h sschenkel
o. ä., aber auch Motorenkomponenten
wie z. B. eine Pleuelstange.
Beim Pleuel bestünde neben dem erhöhten
Gestaltungsspielraum zusätzlich
die Chance, infolge der engen geometrischen
Toleranzen bei der Formgebung
mit geschlossenen We r k z e u g e n
die Gewichtsunterschiede von Pleuel
zu Pleuel zu minimieren.
Hierdurch könnte die Einteilung in Gewichtsklassen
reduziert werden.
Aktuelle Ergebnisse
zurFormgebung
Nach Grundlagenuntersuchungen an
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FACHBEITRÄGE
kleinen Proben wurde zunächst die Verarbeitbarkeit
größerer Bolzen untersucht.
Bei diesen Vorversuchen mit einfachem
Werkzeugaufbau konnten Zundereinschlüsse
nicht vermieden werden.
Für den Hauptteil der Untersuchungen
wurde daher ein spezielles Formwerkzeug
mit Oxydhautrückhaltung gebaut.
Die Auslegung des Werkzeugs und die
Optimierung der Formgebungsparameter
erfolgte unter Einbeziehung numerischer
Simulationsverfahren für die
Formgebung und Erstarrung (siehe
Bild Seite 30).
Das gewählte Bauteil (Pleuel) beinhaltet
eine Reihe typischer Problemstellungen
(Umfließen von Kernen, dicke
Querschnitte nach Durchfließen dünner
Kanäle, Zusammentreffen von
Fließfronten) und bietet gleichzeitig
ein erhebliches wirtschaftliches Potential,
da etwa 90 % aller Pleuel aus Stahl
gefertigt werden.
Für die an diesem Bauteil durchgeführten
Untersuchungen wurden als Vormaterial
zunächst gewalzte Stangen aus
dem hochkohlenstoffhaltigen Stahl
C70S6 ausgewählt, da dieser bruchtrennbare
Werkstoff für diese Anwendung
besonders interessant erschien.
Gleichzeitig erleichtert der hohe Kohlenstoffgehalt
die Prozeßführung. Die
induktive Erwärmung der Bolzen erfolgte
im Hinblick auf eine spätere Serienfertigung
ohne Schutzgas in einer
entsprechend modifizierten Erwärmungsanlage.
In dieser wurden die Bolzen freistehend
nach einer vorgegebenen Leistungs-Zeitkurve
energiegebunden erwärmt.
Zur Formgebung wurde eine
servohydraulische Presse mit mehreren
unabhängig voneinander bewegbaren
Kolben verwendet.
Als wesentliche Ergebnisse dieser Untersuchungen
ist festzuhalten:
•Trotz
der komplexen Geometrie (lange
Fließwege, dünne Querschnitte,
Kerne) konnte das Bauteil in einem
Formgebungsschritt vollständig gefüllt
werden.
•Die
eingesetzten Verfahren zur Oxydhautrückhaltung
funktionieren so gut,
daß auf Schutzgas oder Vakuum bei
der Erwärmung verzichtet werden
konnte.
•Die
Abbildegenauigkeit und Oberfläche
ist sehr gut (siehe Bild).
Die Formgebungskraft und die Umformbarkeit
liegen deutlich unter den
Werten des Gesenkschmiedens.
•Obwohl
das Werkzeug auch nach ca.
100 Versuchen noch einwandfrei
funktionierte, ist hoher Werkzeugverschleiß
absehbar.
Bauteileigenschaften
Die mechanischen Eigenschaften, besonders
die Bruchdehnung der thixogeformten
Pleuel, erreichen noch nicht
die Werte geschmiedeter Bauteile.
In metallographischen Untersuchungen
des thixogeformten Gefüges wurden
Gefügeinhomogenitäten beobachtet,
die im wesentlichen auf die prozeßbedingte
Temperaturführung zurückzuführen
sind.
Temperaturverteilung im Unterwerkzeug nach der Bauteilentnahme
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Durch die Erwärmung in das 2-Phasen-
Gebiet reichert sich die Flüssigphase
mit Kohlenstoff an, der bei der anschlie-ßenden
schnellen Abkühlung nicht
mehr vollständig in die bei der Formgebung
festen Bestandteile diffundiert.
Durch eine an das Verfahren angepaßte
Wärmebehandlung, aber besonders
durch eine prozeßgerechte Werkstoffentwicklung
könnte die Bauteilqualität
daher wesentlich verbessert werden.
Zielsetzung muß hier neben einem feinkörnigen
Ausgangsgefüge auch eine
Verbesserung der Heißrißneigung im
teilflüssigen Zustand und vor allem eine
Herabsetzung der Verarbeitungstemperatur
sein.
Durch den hohen Schwefelgehalt des
verwendeten bruchtrennbaren Stahlsorte
C70S6 traten außerdem Heißrisse
auf, die eine wesentliche Ursache für
die geringe Bruchdehnung und Zugfestigkeit
waren.
Weitere Entwicklungsarbeit
notwendig
Die durchgeführten Untersuchungen
haben gezeigt, daß die Verarbeitung
von Stählen durch Thixoforming prinzipiell
möglich ist.
FACHBEITRÄGE
Durch die bei der Herstellung von
Stahlhalbzeug übliche thermomechanische
Behandlung kann das für Thixoforming
erforderliche Gefüge im Vormaterial
eingestellt werden.
Die Herstellung komplex geformter
Bauteile ist in einem Formgebungsschritt
möglich.
Dabei kann der auftretende Zunder
durch ähnliche Maßnahmen wie beim
Thixoforming von Aluminium zurückgehalten
werden.
Wie die bisherigen Bauteiluntersuchungen
zeigen, erreichen thixogeformte
Pleuel noch nicht die mechanischen
Kennwerte geschmiedeter Bauteile.
Neben der Optimierung der Prozeßparameter
und der Temperaturführung
nach der Bauteilentnahme kann hier die
Verwendung von verfahrensgerechten
Werkstoffen wesentliche Verbesserungen
bewirken.
Ein entscheidendes Problem stellen die
mit den hohen Verarbeitungstemperaturen
verbundenen thermischen Werkzeugbelastungen
dar.
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Ziel laufender Untersuchungen ist hier
die Verwendung alternativer Werkzeugwerkstoffe,
die eine ausreichende
Temperaturbeständigkeit besitzen und
den mechanischen Belastungen
während der Formfüllung und der
anschließenden Druckphase standhalten.
Die anhand der durchgeführten Untersuchungen
erkennbare Möglichkeit zur
Herstellung komplex geformter Bauteile
in einem Arbeitsgang bietet
grundsätzlich ein hohes technisches
und wirtschaftliches Potential des Verfahrens.
Zu deren Erschließung ist jedoch die
Entwicklung einer Werkzeugtechnologie
erforderlich, bei der die Werkzeugkosten
und Werkzeugstandzeiten in ein
angemessenes Verhältnis gesetzt werden.
Die hier vorgestellten Arbeiten erfolgten in Zusammenarbeit mit
der Krupp Gerlach GmbH und dem Institut für Bildsame Formgebung
der RWTH Aachen. Sie wurden von der Studiengesellschaft
Stahlanwendung e.V., Düsseldorf, finanziell gefördert.
SCHMIEDE-JOURNALMÄRZ 1998