Simulation und experimentelle Untersuchung verzugsarmer Abschrecktechnologien beim Ausscheidungshärten stranggepresster Aluminiumlegierungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ausscheidungshärten als einer der letzten Fertigungsschritte in Prozessketten ist häufig das entscheidende Verfahren, um erforderliche Gebrauchseigenschaften einzustellen. Die dabei erforderlichen hohen Abkühlgeschwindigkeiten können zu Eigenspannungen und Verzug führen, die durch Anpassung der Wärmebehandlungsparameter zu minimieren sind. Hierzu erfolgten im Arbeitspaket 1 systematische Untersuchungen zur Eignung von Gasdüsenfeldern zum Abschrecken von Bauteilen aus den Aluminiumknetlegierungen EN AW-6082 und EN AW-7020 nach dem Lösungsglühen. Die Ergebnisse belegen, dass hierdurch geforderte mechanische Eigenschaften erzielt werden können, ohne nennenswerte Verzüge und Eigenspannungen zu erzeugen. Einen entscheidenden Beitrag zur Verkürzung der Prozesskette liefert die Integration des Abschreckens in das Strangpressen, das in Zusammenarbeit mit dem Teilprojekt 5 im Arbeitspaket 2 realisiert und bewertet wurde. Für experimentelle Untersuchungen zum Strangpressen von Aluminiumlegierungen mit integriertem Gasabschrecken wurde das Gasdüsenfeld des Lehrstuhls für Werkstofftechnik, Universität Rostock, an der Strangpressanlage des Instituts für Werkstoffkunde, Leibniz Universität Hannover, installiert. Zur Festlegung der Strangpress- und Düsenfeldparameter konnte einerseits auf die Ergebnisse vorausgehender Experimente zum separaten Ausscheidungshärten zurückgegriffen werden. Andererseits waren zusätzliche Untersuchungen notwendig, um den Einfluss der von den üblichen Lösungsglühtemperaturen der Aluminiumlegierungen abweichenden Strangpresstemperaturen auf das Ausscheidungsverhalten zu klären. Durch die Strangpressversuche mit integriertem Gasabschrecken und anschließender Auswertung der mechanischen Eigenschaften der gepressten Profile konnte dessen Machbarkeit nachgewiesen werden. Durch die Wärmebehandlungssimulation (Arbeitspaket 3) können Gefüge, Eigenschaften, Verzug und Eigenspannungen rechnerisch vorhergesagt werden. Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse hängt wesentlich von der Gültigkeit des formulierten elasto-plastischen Materialmodells und von der Genauigkeit der thermo-physikalischen Werkstoffkennwerte ab. Umfangreiche Beanspruchungsuntersuchungen im Abschreck- und Umform-Dilatometer an Proben mit unterschiedlich unterkühlten Gefügezuständen ermöglichen eine genaue Erfassung der mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Temperatur und der Abkühlgeschwindigkeit. Da es im Verlauf des Abkühlens massiver Bauteile zu einer Spannungsumkehr kommt, ist zur Vorhersage von Eigenspannungen und Verzügen durch eine numerische Simulation der so genannte Bauschinger Effekt zu berücksichtigen. Dazu sind Wechselbeanspruchungsversuche an EN AW-6082 im unterkühlten Zustand vorgenommen und der hieraus ermittelte Bauschinger Effekt in Abhängigkeit von der Temperatur und der plastischen Vordehnung in das elasto-plastische Materialmodell implementiert worden. Die anschließenden FE-Analysen treffen für unterschiedliche Strangpressprofile und Abschreckmethoden eine gute Vorhersage der sich ausbildenden Eigenspannungen und Verzüge.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Similarities and differences in heat treatment simulation of aluminium alloys and steels. In: Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, 40 (2009) 5-6, S. 473-478
Kessler, O.; Reich M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/mawe.200900479) - Simulation of gas and spray quenching during extrusion of aluminium alloys. In: Key Engineering Materials, 424 (2010), S. 57-64
Reich, M.; Schöne, S.; Kessler, O.; Nowak, M.; Grydin .O.; Nürnberger F.; Schaper M.
(Siehe online unter https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.424.57) - A Study of the Bauschinger Effect in Undercooled Aluminium Alloys. Proc. 3 Int. Conf. on Distortion Engineering, 14.-16.11, Bremen, Germany, 2011, p. 203-210
Reich, M.; Kessler, O.
- Die Bedeutung des Bauschinger-Effekts bei der Simulation des Ausscheidungshärtens von Aluminiumlegierungen, SYSWELD-Forum 2011, Weimar, 2011, Tagungsband, Bauhaus-Universität Weimar, S. 91-103
Reich, M.; Glumm, Ch.; Kessler, O.
- Gas Nozzle Field Quenching of L-Shaped Aluminium Extrusion Profiles. Proc. 3 Int. Conf. on Distortion Engineering, 14.-16.11, Bremen, Germany, 2011, p. 75-82
Schöne, S.; Reich, M.; Keßler, O.
- Integration des Gasabschreckens in das Strangpressen von Aluminiumlegierungen – eine Machbarkeitsstudie, HTM - J. Heat Treatm. Mat., Vol. 66, 3 / 2011, p. 175-181
Schöne, S.; Reich, M.; Keßler, O.
(Siehe online unter https://doi.org/10.3139/105.110101) - Mechanical Properties of Undercooled Aluminium Alloys and Their Implementation in Quenching Simulation. Materials Science and Technology, 2011
Reich, M.; Kessler, O.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1179/1743284711Y.0000000085)
