Hot Forging of partially particle-reinforced sintered components
Final Report Abstract
Innerhalb des hier beschriebenen Förderzeitraums wurden Untersuchungen zu rotationssymmetrischen partiell partikelverstärkten Halbzeugen mit einer konzentrischen Schichtanordnung durchgeführt. Hierzu wurden zylindrische Halbzeuge (Ø = 36 mm) aus einem Aluminiumpulver mit radialer MMC-Verstärkung (Aluminium und TiC-Pulver) mittels zweiseitig wirkendem Werkzeugsystem gepresst und 20 min bei einer Sintertemperatur von 600 °C gesintert. Anschließend wurden diese Halbzeuge mit ausgeprägtem Materialfluss umgeformt. Als Modellverfahren wurden die Prozesse des Stauchens und des Voll-Vorwärtsfließpressens gewählt. Hierbei wurden folgende Versuchsparameter vollfaktoriell variiert. Der Temperaturbereich wurde auf 25 °C, 300 °C und 400 °C festgesetzt. Die Rohteile wurden mit einem Umformgrad von 0,6 und 1,0 umgeformt. Es wurden drei unterschiedliche Dehnraten beim Stauchen und Stößelgeschwindigkeiten beim Voll-Vorwärtsfließpressen eingestellt. Zudem wurde der Anteil des TiC in der Verstärkungsphase mit 0, 5 und 20 Gew.-% variiert. Bei Raumtemperatur umgeformte Proben wiesen bei nahezu allen Stauchprozessen und beim Fließpressen mit einem Umformgrad von 0,6 zu spröde Eigenschaften auf, wodurch eine Absprengung des Randbereichs erfolgte. Die Bauteilanalyse erfolgte durch die Ermittlung der Bauteildichten und Fehlstellen mit Hilfe des µ-CT, metallographischer Analysen sowie durch die Dichtemessung mittels Gammastrahlenanalyse. Die Dichtemessungen konnten nachweisen, dass mit den eingesetzten Sinterschmiedeverfahren bei allen Versuchsparametern eine Steigerung der relativen Dichtewerte erzielt werden konnte. Zur Auswertung der gestauchten und fließgepressten Proben wurden die Haupteffekte untersucht. Dabei erfolgte eine Gegenüberstellung der relativen Dichte über die jeweiligen Einflussfaktoren. Gegenüber dem Fließpressen weisen die gestauchten Proben neben einer höheren Dichte auch eine geringere Abweichung infolge der Umformparameter auf. Die gestauchten Proben zeigen eine geringe Abnahme der relativen Dichte infolge höherer Dehnraten, sowie eine höhere relative Dichte mit Zunahme des Umformgrads. Der TiC-Anteil, die Temperatur sowie die Messposition haben keinen nachweisbaren Einfluss auf die relative Dichte der Proben nach dem Stauchprozess. Relevante Faktoren auf die relative Dichte beim Fließpressen der Proben sind die Stößelgeschwindigkeit, der Umformgrad sowie die Position. Dabei führen eine höhere Stößelgeschwindigkeit sowie ein steigender Umformgrad zu einer höheren Verdichtung innerhalb der Proben. Allgemein ist im Kernbereich der fließgepressten Proben eine geringere relative Dichte nachweisbar. Dies resultiert aus Zugspannungen die infolge des Fließpressens auftreten. Bezüglich der Härtewerte konnten bei der Umformung bei Raumtemperatur beim Stauchen und auch beim Fließpressen die höchsten Härtewerte erreicht werden. Aufgrund der umformgradabhängigen Kaltverfestigung liegen diese beim Fließpressen deutlich über denen der gestauchten Proben. Diese weisen einen deutlichen Unterschied zwischen Kern- und Randbereich auf, der ebenfalls durch den lokalen Umformgrad erklärt werden kann. Beim Fließpressen ist der Umformgrad über den Querschnitt konstant und entsprechend sind hier die Unterschiede zwischen Kern- und Randbereich gering. Mit zunehmender Umformtemperatur nehmen die Härtewerte aufgrund von Rekristallisationseffekten ab. Der Einfluss der TiC-Partikel ist nicht klar von anderen Einflüssen zu trennen. Bei der Härtemessung weichen diese in die Aluminiummatrix aus, sodass deren Härte den Messwert dominiert. Parallel zu den experimentellen Versuchen wurde zwecks numerischer Prozessauslegung eine Materialcharakterisierung durchgeführt. Hierfür wurden Halbzeuge mit und ohne Partikelverstärkung unter Variation der Presskraft hergestellt. Um die Materialeigenschaften der betrachteten Werkstoffmischungen bei drei verschiedenen Temperaturen zu charakterisieren, wurden vollfaktoriell Zugversuche durchgeführt. Aus den gewonnenen Daten wurden anschließend Fließkurven erstellt und mittels eines Swift-Hockett-Sherby Ansatzes geeignet extrapoliert, sodass diese im Rahmen von numerischen Untersuchungen für die Berechnung der plastischen Dehnungs- und Spannungsdaten verwendet werden konnten. Dabei wurden die experimentell betrachteten Prozesse, Stauchen und Voll-Vorwärtsfließpressen simulativ realitätsnah abgebildet und durch einen Vergleich der Porosität und relativen Dichte im Werkstück bewertet. Dabei konnte eine gute Übereinstimmung erzielt werden. Alle vorgesehenen Arbeitspunkte konnten gemäß Antrag durchgeführt und bewertet werden.
Publications
- (2018): Numerical Investigation of A Hot Forging Process For Partially Particle-Reinforced Sintered Components, Conference Proceedings of the 27th International Conference on Metallurgy and Materials (METAL2018), 23- 25 May, 2018, Brno, Czech Republic
Behrens B.-A., Bonhage M., Chugreev A., Ross I., Malik I. Y,
- (2019): Investigation of a Sinterforging Process for radially particle reinforced sintered MMC-Components, Conference Proceedings of the 28th International Conference on Metallurgy and Materials (METAL2019), 22-24 May, 2019, Brno, Czech Republic
Behrens, B.-A.; Malik I. Y.; Ross, I.
(See online at https://doi.org/10.37904/metal.2019.758)
