AnalyseQuerfliesspressensAnalogieversuchStrangpressenBesondererBerücksichtungenVerbundbildungAluUndMagnesium...

www.utfscience.de IV/2009 Awiszus et al. : Analyse des Querfliepressens1/18 Verlag Meisenbach GmbH, Franz-Ludwig-Str. 7a, 96047 Bamberg, www.umformtechnik.net

Analyse des Querfliepressens als Analogieversuch zum Strangpressen unter besonderer Bercksichtigung der Verbundbildung zwischen Aluminium und Magnesium

B. Awiszus1, R. Neugebauer2, K. Kittner1,a, M. Popp2,b

1 Technische Universitt Chemnitz, Institut fr Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, - Professur Virtuelle Fertigungstechnik -,

Reichenhainer Str. 70, 09126 Chemnitz, Deutschland 2 Fraunhofer-Institut fr Werkzeugmaschinen und Umformtechnik IWU Chemnitz,

Reichenhainer Strae 88, 09126 Chemnitz, Deutschland [email protected], [email protected]

Schlsselwrter: Aluminium-Magnesium-Verbunde, Simulation, Querfliepressen, Interface, Haftfestigkeit 1 Einleitung Im Rahmen des Sonderforschungsbereiches 692 HALS erfolgen Untersuchungen an hochfesten Aluminiumwerkstoffen. Einen Schwerpunkt bildet unter anderem die Untersuchung von Aluminium-Magnesium-Werkstoffverbunden. Insbesondere die sich ausbildende Grenzschicht bei der Halbzeugerstellung ist von Interesse und im Speziellen die Festigkeit dieser. Fr die Halbzeugerstellung wurden das Bohrungsdrcken, das hydrostatische Strangpressen und das indirekte Strangpressen gewhlt. Aus den Ergebnissen ergab sich ein breites Feld an Einflussgren auf die Verbundbildung. Um den Ablauf der Verbundbildung besser analysieren und Parametereinflsse voneinander trennen zu knnen, wurde das Querfliepressen als Analogieversuch entwickelt. Dieses Verfahren ermglicht bei relativ geringem Aufwand die Untersuchung eines breiten Parameterspektrums, wie zum Beispiel Umformgrad, Temperatur, Reibbedingungen und eingesetzte Werkstoffe.

Im Folgenden werden Ergebnisse aus den Teilprojekten A3 und B3 vorgestellt, die sich bei der Analyse des Querflieprozesses herausgestellt haben. 2 Wissenschaftliche Fragestellungen und abgeleitete Zielstellungen Wie bisherige Forschungsergebnisse besttigen, sind die chemischen Vorraussetzungen fr eine Diffusion in der festen Phase fr eine Aluminium-Magnesium-Paarung erfllt. Ein Stofftransport ber die Phasengrenzen ist in der Regel nur dann mglich, wenn das System, wie hier vorliegend, eine Mischkristallreihe aufweist. Neben dieser elementaren Voraussetzung wird der Diffusionsprozess von einer Vielzahl uerer Faktoren beeinflusst, deren Quantifizierung unabdingbar zur zielgerichteten Beeinflussung der Bindemechanismen ist. Mglich wird dies nur dann, wenn es gelingt prozessspezifische Parameterfelder in differenzierte quantitative Modelle zu berfhren. Der grte Vorteil gegenber der hufig verwendeten prozessorientierten Betrachtung ist die allgemeine Anwendbarkeit der gewonnenen Erkenntnisse. Solch eine Herangehensweise erfordert eine differenzierte Beschreibung der lokal in der Grenzschicht wirkenden Faktoren mit Hilfe messbarer Gren. Ziel war es daher, einen Versuchsaufbau zu entwickeln, der die Schaffung eines Werkstoffverbundes auf eine Weise umsetzt, die eine Variation definierter Parameter ermglicht und somit die Interpretation von mikrostrukturellen Vernderungen in der Grenzschicht zulsst. Weiterhin ist durch geeignete Methoden zu untersuchen, welche


mechanischen Eigenschaften der Al/Mg-Verbund in Abhngigkeit der Grenzschichtmikrostruktur aufweist. Auf der Grundlage der gewonnenen Erkenntnisse sind die weiteren Halbzeugverfahren wie der Bohrungsdrckprozess und das Strangpressen weiterzuentwickeln, so dass eine Verbundherstellung ermglicht wird.

3 Versuchsaufbau zur definierten Erzeugung von Al/Mg-Werkstoffverbunde durch Initiierung eines Diffusionsprozesses

Mit dem Einsatz des nachfolgend beschriebenen Analogieversuches wurden die Vorraussetzungen geschaffen, Grenzschichtreaktionen zwischen Aluminium und Magnesium unter Umformbedingungen nachzuweisen. Weiterhin besteht die Mglichkeit eine Vielzahl von Parametern gezielt auf ihre verbundfrdernde Wirkung hin zu untersuchen [1, 2, 3]. Im Vergleich zum Bohrungsdrcken zeichnen sich die verwendeten Proben durch eine kostengnstig herzustellende Geometrie aus, so dass eine wirtschaftliche und statistisch abgesicherte Parameteruntersuchung durchgefhrt werden kann.

Abbildung 1: Versuchsaufbau zur Erzeugung und Untersuchung der Grenzschicht zwischen

Aluminium und Magnesium

Der in der Abbildung 1 dargestellte Versuchsaufbau basiert auf dem Verfahrensprinzip des Querfliepressens, d.h. der Werkstofffluss erfolgt hier quer zur Stempelbewegung. Die formgebende Werkzeugffnung bleibt whrend der Umformung unverndert. Die in den


beheizbaren Werkzeughlften befindliche Aluminium- bzw. Magnesiumprobe wird durch zwei mit gleicher Geschwindigkeit aufeinander zu bewegte Stempel umgeformt, so dass sich ein zur Teilungsebene symmetrischer Pressvorgang ergibt und infolge des querflieenden Werkstoffes eine Verbundprobe mit um 180 versetzten Zapfen entsteht (Abbildung 2). Die Grenzschicht der miteinander zu verbindenden Werkstoffe befindet sich dabei in der Teilungsebene. Die relative Grenzflchenvergrerung, als Ma fr den Anteil der neugebildeten Oberflche, lsst sich oftmals nur global erfassen. Dabei wird die relative Vergrerung der betrachteten Oberflche nach der Umformung im Vergleich zur Anfangsgre herangezogen. Bei der hier vorgestellten Verfahrensvariante kann die Oberflchenvergrerung durch die Lnge der ausgeformten Zapfen beeinflusst und somit ber den Stelweg variiert werden. Zur Initiierung unterschiedlicher Druckspannungen in der Grenzschicht wurde die Versuchseinrichtung fr drei unterschiedliche Zapfenquerschnitte ausgelegt (Abbildung 2, rechts).

Abbildung 2: Al/Mg-Verbund mit um 180 versetzte Zapfen; rechts:

Variationsmglichkeiten der Zapfenquerschnitte zur Initiierung unterschiedlicher Druckspannungen

Fr die Verwendung des Werkzeuges auf einer einfach wirkenden Presse wurde es notwendig, ein Schliesystem vorzusehen, welches die Matrizenkinematik einer vierfachwirkenden Presse ermglicht. Das heit, es war ein Bewegungsablauf zu realisieren, der die Pressstempel symmetrisch zur Werkzeugteilungsebene aufeinander zu bewegt. Erreicht wurde dies durch im Unter- und Oberwerkzeug angeordnete Federpakete. Durch das Einfedern des oberen und unteren Schliewerkzeuges bewegen sich die, durch die Federkraft geschlossen gehaltenen, Werkzeughlften, wie bei einer vierfachwirkenden Presse, mit halber Stelgeschwindigkeit auf den unteren feststehenden Stempel zu. Die Schlievorrichtung stellt eine Anfangsschliekraft von 30 kN zu Verfgung und erreicht bei einem maximalen Stelweg von 50 mm eine Schliekraft von 200 kN. Zur Aufrechterhaltung der Matrizentemperatur verfgt das Werkzeug ber eine Temperaturregelung, mit einer Gesamtheizleistung von 1500 W. Neben der Matrizentemperatur M ermglicht der Versuchsaufbau eine definierte Variation der relativen Oberflchenneubildungsrate A, der Druckspannung in der Grenzschicht sowie der Umformgeschwindigkeit d/dt. Die aufgewendete Stelkraft in Abhngigkeit vom Umformweg kann mit Hilfe einer Piezokristallkraftmessdose sowie einem Seilzugaufnehmer gemessen werden. Die wichtigsten technischen Parameter der Versuchseinrichtung sind in der Tabelle 1 zusammengefasst.


Tabelle 1: Technische Parameter der Versuchseinrichtung

Herstellung von Al/Mg-Verbunden zur Untersuchung der Grenzschichteigenschaften Die Herstellung der Verbundproben erfolgte mit dem beschriebenen Analogieversuch unter folgenden Versuchsbedingungen: Werkstoffpaarung: AZ31 / AlMgSi1 Probengeometrie: 19,7 mm x 42 mm Oberflchenvorbehandlung: aufgesprhtes Graphit Probentemperatur P: 450C Matrizentemperatur M: 300C Zapfenquerschnitt am Fertigteil: 14x15 mm Stelgeschwindigkeit: 5 mms-1

Um Abweichungen in den technologischen Versuchsbedingungen feststellen zu knnen, wurden innerhalb der Versuchsreihe fr jeden fnften Versuch die Stelkrfte ausgewertet. Die Kraft-Weg Kurven weisen in ihrem Verlauf nur geringfgige Unterschiede auf, so dass starke Abweichungen in den Versuchsbedingungen ausgeschlossen werden knnen (Abbildung 3).

Abbildung 3: Stelkraft in Abhngigkeit des Stelweges fr das Querfliepressen eines

Al/Mg-Verbundes (AZ31-AlMgSi1; Stelgeschwindigkeit: 5 mms-1, Probentemperatur: 450C, Matrizentemperatur: 300C)


In der Abbildung 4 (oben) ist exemplarisch fr die Versuchsreihe eine Verbundprobe dargestellt. Unter den genannten Versuchsbedingungen zeigt diese eine fr die Werkstoffkombination typische unsymmetrische Ausformung der Zapfen. Ursache hierfr sind die unterschiedlichen Fliespannungen der beiden Werkstoffe zu Prozessbeginn, was zu einem vorzeitigen Plastifizieren der Aluminiumknetlegierung und damit zum Vorrauseilen des Werkstoffes fhrt. Deutlich wird dies in der Abbildung 4 (unten), in der zum Vergleich zwei Referenzproben (AZ31-AZ31; AlMgSi1-AlMgSi1) dargestellt sind. Hier war aufgrund der bereinstimmung in der Fliespannung eine symmetrische Ausformung der Zapfen zu beobachten.

Abbildung 4: Verbundproben mit unterschiedlicher Werkstoffpaarung; oben: AlMgSi1-

AZ31; unten links: AZ31-AZ31; unten rechts: AlMgSi1-AlMgSi1 5 Mikrostruktur der Grenzschicht Zur bildlichen Darstellung der Grenzschicht wurde ein Feldemissions-rasterelektronenmikroskop (REM) Zeiss Neon 40 genutzt. Die Untersuchung erfolgte im Zentrum der Verbundprobe, in einer orthogonal zur Grenzschicht liegenden Ebene (Querschliff). Die chemische Zusammensetzung des untersuchten Bereiches wurde mit einer Energiedispersiven-Rntgenmikrobereichsanalyse (EDXS) im Mapping Modus ermittelt. Eine Rntgenbeugungsanalyse (RBA) mit dem Diffraktometer (SIEMENS D 5000) ermglichte eine genaue Identifizierung der kristallinen Phasen in der Grenzschicht. Die mikrostrukturelle Untersuchung der Grenzschicht zeigt, dass sich unter den genannten Versuchsbedingungen eine homogene Grenzschicht zwischen Magnesium und Aluminium ausbildet [2] [3]. In der Abbildung 5 (links) ist eine REM-Aufnahme der Grenzschicht dargestellt. Im untersuchten Bereich wurden keine Defekte, wie Risse oder Poren festgestellt. Der Elektronenkontrast im Rckstreuungsmodus lsst erkennen, dass die Grenzschicht mit einer Breite von weniger als 2 m durch zwei Phasen gebildet wird. Mit Hilfe eines berlagerten Mappings (zweidimensionale Elementkonzentrationsverteilung) der Elemente Aluminium und Magnesium konnte die unterschiedliche Zusammensetzung der Grenzschicht besttigt werden (Abbildung 5, rechts).


Abbildung 5: Mikrostruktur der Grenzschicht; links: REM-Aufnahme der Grenzschicht mit

Angabe der gewichtsprozentualen Verteilung der Elemente Aluminium und Magnesium; rechts: EDXS-Analyse im Mapping Modus

Diese besteht aus einer aluminiumreichen und einer magnesiumreichen Phase, mit einem Breitenverhltnis von zwei zu eins. Zur eindeutigen Identifizierung der Phasen wurden die Gitterparameter mit Hilfe der Rntgenbeugungsanalyse (RBA) bestimmt. Die Grenzschicht besteht demnach aus den intermetallischen Phasen Al12Mg17 und Al3Mg2 (Abbildung 6).

Abbildung 6: Rntgenbeugungsanalyse (RBA) der magnesiumseitigen Grenzflche mit den

magnesiumseitigen Grenzflche mit den identifizierten Grenzschichtphasen Mg12Al17 und Al3Mg2

6 Ermittlung der Verbundfestigkeit Zur Ermittlung der mechanischen Eigenschaften des Al/Mg-Verbundes wurde eine spezielle Versuchseinrichtung entwickelt, welche eine tangentiale Belastung der Grenzschicht durch eine uere Kraft Fa ermglicht (Abbildung 7). Die dabei dominierende Beanspruchung entspricht der Forderung nach DIN EN ISO 14273 fr Scherzugprfung. Kennzeichnend fr die mechanischen Eigenschaften des Verbundes ist demnach die experimentell ermittelte Festigkeit. Dieser als Verbundfestigkeit v bezeichnete Kennwert entspricht der ueren


Kraft, die pro Einheit geometrischer Grenzflche Ag aufgebracht werden muss, um ein Versagen des Verbundes herbeizufhren (Gleichung 1).

g

aV A

F= (Gl. 1) Die Entnahme der Scherproben erfolgte wie in Abbildung 7 (links, mittig) dargestellt achssymmetrisch, so dass sich die Grenzflche in der Symmetrieebene der Scherproben befand (Abbildung 7, rechts).

Abbildung 7: Lage der Scherprobe im querfliegepressten Al/MgVerbund (links, mittig);

prparierte Scherprobe (rechts) Zur Ermittlung der Verbundfestigkeit wurden die Proben mit Hilfe der beschriebenen Schervorrichtung bis zum Bruch durch eine kontinuierlich anwachsende Prfkraft F belastet. Die Kraftsteigerung erfolgte unter der Magabe einer konstanten Prfgeschwindigkeit von 1 mm s-1. Ergebnis des Schertestes ist ein fr die mechanischen Eigenschaften des Werkstoffverbundes kennzeichnender Kraft-Weg-Verlauf (Abbildung 8). Die Auswertung des beim Bruch erreichten Schwerweges sB sowie der maximalen Prfkraft Fmax ermglichte Aussagen zur Verformbarkeit und der Verbundfestigkeit v des Werkstoffverbundes.

Abbildung 8: Kraft-Weg-Verlufe des Schertestes


Hinsichtlich der mechanischen Verbundeigenschaften zeigte die Untersuchung ein stark differenziertes Ergebnis [2, 3]. Es wurden Scherkrfte Fmax bis zu 20 kN bei einem gleichzeitig hohen Scherweg sB von 2,0 mm ermittelt. Im Gegensatz hierzu steht eine Gruppe von Versuchen, welche sich durch ein vergleichsweise sprdes Bruchverhalten bei geringen Scherkrften Fmax von bis zu 2,2 kN auszeichnen. In der Abbildung 9 sind die nach Gleichung 1 berechneten Verbundfestigkeiten v dargestellt.

Abbildung 9: Nach Gleichung 1 experimentell ermittelte Verbundfestigkeit Das unterschiedliche Verformungsverhalten spiegelt sich auch in der Bruchflche der Proben wider. Beispielhaft sind in der Abbildung 10 die Bruchflchen fr die Versuche mit der geringsten und mit der hchsten ermittelten Verbundfestigkeit dargestellt. Kennzeichnend fr die in der Abbildung 10 (links) dargestellten Probe war ein vergleichsweise duktiles Bruchverhalten. Zurckzufhren ist dies auf die Tatsache, dass sich die Bruchflche teilweise im Grundwerkstoff befindet und somit das Verformungsverhalten durch die mechanischen Eigenschaften des Grundwerkstoffes bestimmt wird. In der Abbildung 10 (rechts) erfolgte die Trennung der Probe entlang der Grenzflche. Das Bruchverhalten wurde hier im Wesentlichen durch die mechanischen Eigenschaften der Grenzschicht bestimmt.

Abbildung 10: Bruchflchen der Scherproben; links: Scherprobe mit duktilen

Bruchverhalten; rechts: Scherprobe mit sprden Bruchverhalten


Die Ursache fr die Streuung der Ergebnisse liegt in der sich umformtechnisch frei ausbildenden Grenzflche. Es kommt dabei zu geringfgigen Abweichungen in Ebenheit und Parallelitt. Bei der hier verwendeten Probengre ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass sich die Scherebene nicht vollstndig in der Grenzflche befindet. Dies fhrt zu probenspezifischen Spannungsverteilungen und somit zu Unterschieden in den Versuchsbedingungen fr den Schertest. Eine zusammenfassende Interpretation der Ergebnisse fhrt zu dem Schluss, dass die Grenzflche durch ein sprdes Verformungsverhalten gekennzeichnet ist. Weiterhin wurden sehr hohe Verbundfestigkeiten v von bis zu 93 N/mm ermittelt. Diese liegen aber unter der theoretischen Scherfestigkeit von AlMgSi1 mit B = 210 N/mm und AZ31 mit B = 130 N/mm [4,5]. 7 Simulationsaufbau/ -modell

Entsprechend der Konstruktionsdaten der Versuchseinrichtung wird das Simulationsmodell mit starren Werkzeugen aufgebaut. Das heit, es werden nur die Werkzeugaktivflchen der Werkzeuge bercksichtigt. Damit findet die elastische Deformation der Werkzeuge, sowie die Ausbildung des Temperaturfeldes innerhalb der Werkzeuge keine Bercksichtigung. Obwohl die Temperaturentwicklung whrend des Prozesses mageblich die Fliespannung der Werkstoffe beeinflusst, kann eine entsprechend aufwendige Modellierung auer Acht gelassen werden, da die Werkzeuge quivalent zu den Werkstcken vorgeheizt werden. Ergnzend dazu ist festzustellen, dass die Proben nur ein relativ geringes Volumen und eine groe Kontaktoberflche zu den Werkzeugen besitzen. Damit ist die entstehende Wrmemenge whrend der Umformung gering.

Der Prozess wurde in den FEM- Simulationssystemen FORGE, Version 2008 und simufact.formingSFM, Version 8.1 als 3D- Modelle modelliert. Wesentliche Unterschiede bestehen in der Elementauswahl und Elementformulierung. Dahingehend sind Unterschiede hauptschlich in der Berechung der Umformkraft zu erwarten. Das Modell muss auf Grund der geometrischen Vorgaben als 3-dimensionales Modell aufgebaut werden. Es besteht aber die Mglichkeit der Bercksichtigung von Symmetrien. Es erfolgte eine Betrachtung mglicher Unterschiede hinsichtlich des Modells mit Symmetrien und einem Vollmodell. Prinzipiell ist ein Modell unter Ausnutzung der Symmetrie zu bevorzugen, da damit eine erhebliche Einsparung an Elementen und damit an Rechenzeit erfolgt. Die Kinematik des Versuches wurde bereits eingangs erlutert. Es werden Stempel und Matrize gleichzeitig verfahren, wobei die Verfahrrichtung dieselbe ist und die Geschwindigkeit der Matrize den halben Wert des Stempels annimmt.

Als Vergleichsversuch zwischen dem Experiment und der numerischen Simulation werden die Versuche 5-1, 5-6, und 5-11 mit den Prozessparametern 5mm/s Stempelgeschwindigkeit, 450C Vorwrmtemperatur fr die Werkstcke, 350C fr die Werkzeuge und der Materialpaarung AZ31/AlMgSi1 gewhlt. Als zweiter Vergleichsversuch wird Versuch 7 genutzt. Dieser unterscheidet sich dahingehend, dass das Probenmaterial lediglich eine Vorwrmtemperatur von 350C aufweist und damit genau so hoch ist, wie die der Werkzeuge. In Abbildung 11 ist das Simulationsmodell im Simulationssystem FORGE 2008 dargestellt. Hierbei ist unter Bercksichtung der Symmetrien ein Viertelmodell abgebildet.


Abbildung 11: Simulationsmodell in FORGE 7.1 Materialbeschreibung Fr die Modellierung der Werkstoffe, AlMgSi1 und AZ31, wurde eine Materialbeschreibung nach dem Modell von Hensel und Spittel gewhlt. Mit dem gewhlten Modell besteht die Mglichkeit, das Flieverhalten der Werkstoffe unter Bercksichtigung der Temperatur, des Umformgrades und der Umformgeschwindigkeit analytisch zu beschreiben. Besonders bei Prozessen mit sehr hohen Umformgraden zeigt sich eine Notwendigkeit einer analytischen Beschreibung der Fliespannung ber das Ma der experimentell aufnehmbaren Umformgrade hinaus. Des Weiteren mssen innerhalb des Simulationssystems nicht fr jeden Temperaturbereich und Geschwindigkeitsbereich separat Fliekurven definiert werden. Fr die Simulation wurde ein vereinfachter Ansatz gewhlt, bei dem lediglich die Exponenten m1-m4 bercksichtigt werden. Beide Programme, sowohl FORGE als auch simufact, bieten die Mglichkeit in Materialdatenbanken Werkstoffkennwerte fr die Simulation aufzubereiten und dann ber eine Exportfunktion die Materialdatei in das Simulationsmodell zu integrieren. Die Parameter fr die gewhlten Werkstoffe gelten innerhalb eines Temperaturbereiches von 250-500 C. Die Umformgrade im Prozess sind sehr gro, deutlich oberhalb von = 1,5. Die Umformgeschwindigkeiten sind als gering zu erwarten, nahe dem quasistatischen Bereich. Nachfolgend sind die Fliekurvenbeschreibung nach Hensel-Spittel und deren vereinfachte, in der Simulation genutzte Form dargestellt.

TmmmTmmmmTmf eeTAe 83754291 )1(

/ &&+= (Gl.2) 3421 / mmmTm

f eAe &= (Gl.3)

Stempel: v = 5 mm/s

Matrize: v = 2,5 mm/s Aluminium

Magnesium


Abbildung 12: Fliekurven nach dem Modell von Hensel-Spittel von AlMgSi1 und AZ31 bei

unterschiedlichen Temperaturen 7.2 Ergebnisse Fr die Analyse der Prozesse wurde eine Kalibrierung durchgefhrt, damit von einer bereinstimmung der Praxis und der Simulation ausgegangen werden kann. Dahingehend wurden Auswertegren ausgewhlt, die den kalibrierten Zustand wiedergeben. Fr den Querflieprozess wurden die Gren Austrittslnge, Pressrestlnge, Vorauseilen des Aluminiums und die Stempelkraft herangezogen. Ein kalibrierter Zustand wurde in beiden Simulationssystemen erreicht. Ausgehend von der kalibrierten Simulation knnen folgende Ergebnisse festgehalten werden.

Der Vergleichsumformgrad betrgt am Ende des Prozesses 4,6. Dieser nimmt kontinuierlich ber den Prozess zu und wrde weiter anwachsen, wenn der Prozess fortschreiten wrde. Hinsichtlich der Simulationssysteme zeigen sich Abweichungen. Bei simufact wird ein hherer Umformgrad, =6, errechnet. Fr die Betrachtung der Interfacefestigkeit mittels Haftfestigkeitsmodellen spielt der zustzlich hhere Wert allerdings nur noch eine ungeordnete Rolle, so dass die weiteren Betrachtungen mit den Ergebniswerten von FORGE erfolgen (Abbildung 12b). Auf den nachlassenden Einfluss einer zustzlich erhhten Oberflchenvergrerung wird spter bei der Modellerklrung noch mal detailliert eingegangen. Diese signifikanten Unterschiede ergeben sich im Wesentlichen aus den in beiden Systemen unterschiedlich definierten Elementkantenlngen. Je kleiner die Elementkantenlnge wird, umso grer wird der berechnete Umformgrad.

Die Temperaturerhhung betrgt bei gleichen Anfangstemperaturen der Werkzeuge (350 C) und der Proben (350 C) ungefhr 10 C bei einer Stempelverfahr-geschwindigkeit von 2,5 mm/s. Bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 1mm/s betrgt die Temperaturerhhung ca. 5 C. Damit knnen die eingangs getroffenen Annahmen als besttigt angesehen werden. (Abbildung 12 a). Ist die Anfangstemperatur der Proben


(450 C) deutlich hher als die der Werkzeuge (350 C), dann nimmt die Temperatur insgesamt ab und hat am Ende des Prozesses einen Wert von ca. 420 C.

a) b)

Abbildung 13: a) Temperaturverteilung (FORGE); b) Vergleichumformgrad (FORGE) Entsprechend der unterschiedlichen Fliespannungen beider Werkstoffe tritt Aluminium

eher aus.

Die Normalspannungen zwischen den Verbundpartnern liegen in der Umformzone im Bereich von 130 N/mm bis 180 N/mm.

Die Austrittsgeschwindigkeit betrgt 3,8 mm/s. Die Stempelkrfte beider Simulationssysteme erreichen das Niveau des Praxisprozesses,

sowohl bei gleichen als auch bei unterschiedlichen Vorwrmtemperaturen der Werkzeuge und der Versuchsproben. Abweichungen in der Anfangsphase des Prozesses sind im Wesentlichen auf die Werkzeugelastizitten und die Spiele in Fhrungen und Lagern der Versuchspresse zurckzufhren, die in der Simulation nicht mit betrachtet werden. Die Ergebnisse von simufact sind tendenziell genauer und zeigen auch den degressiven Verlauf der Kraft ber den Umformweg analog zum Praxisprozess. Diese Entfestigung kann in FORGE nicht erkannt werden (Abbildung 13). Fr die im Folgenden erklrten Haftfestigkeitsmodelle ist die Oberflchenvergrerung

zwischen den beiden Verbundpartnern relevant. Bezglich der Koordinaten im System FORGE bilden die Umformgrade in den Raumrichtungen y und z den Oberflchenumformgrad.


Abbildung 14: Vergleich der Kraft-Weg-Kurven zwischen dem Experiment und den

Simulationssystemen bei 350 C Proben- und 350 C Werkzeugvorwrmtemperatur

Abbildung 15: Vergleich der Kraft-Weg-Kurven zwischen dem Experiment und den

Simulationssystemen bei 450 C Proben- und 350 C Werkzeugvorwrmtemperatur


Um die Interfacefestigkeit zwischen den beiden Verbundpartnern beschreiben zu knnen, werden Haftfestigkeitsmodelle angewendet. Diese Modelle wurden fr Walzprozesse entwickelt. Ausgehend von Prozessparametern, wie Kontaktnormalspannung und Oberflchenvergerung, lassen sich in Abhngigkeit des gewhlten Modells Festigkeiten fr einen Verbund berechnen. Ziel ist es, diese Modelle fr den Strangpressprozess im Besonderen, aber auch auf den Querflieprozess zu bertragen, an die Prozesse anzupassen und weiterzuentwickeln. Es wurden die Modelle nach Vaidyanath [6] und Bay [7] gewhlt. Diese Modelle lassen sich mittels User-Subroutinen in die Simulation integrieren und berechnen entsprechend der Eingangsgren eine Interfacefestigkeit. Diese kann in verschiedenen Experimenten, bspw. Schertest, validiert werden. Im Weiteren soll detailliert auf das Modell von Vaidyanath eingegangen und exemplarisch eine Berechnung dargestellt werden. Entsprechend der Verffentlichung [6] stellt sich das Modell wie folgt dar.

solidweld RR = )2( ; 1

01

lllR = (Gl.4)

Vaidyanath betrachtet nur einen Plain-Strain-Dehnungszustand, so dass nur die Lngennderung im betrachteten Element eingeht. Fr den Querflieprozess muss allerdings nicht nur die Lngennderung sondern auch die Oberflchennderung herangezogen werden. Oberflche vor dem Querfliepressen: A0 = 314 mm Oberflche nach dem Querfliepressen: A1= 1120 mm Festigkeit des weicheren Werkstoffes(AlMgSi1): solid = 150 N/mm

/137

)2(

1

01

mmNA

AAR

RR

weld

solidweld

=

==

(Gl.5)

Es ergibt sich laut gewhltem Modell eine Festigkeit von ca. 137 N/mm. Diese kann jedoch nur als ein berschlagswert, eine mittlere Festigkeit, angesehen werden. Wenn man sich die Gleichung 5 anschaut, so ist ersichtlich, dass das Verhltnis R mit zunehmender Oberflchenvergrerung dem Wert 1 entgegenstrebt. Ab einem Umformgrad von 3 betrgt der Faktor der Oberflchenvergrerung bereits 20. Setzt man entsprechend der Oberflchenvergrerung Zahlenwerte fr die Oberflchen in die Gleichung ein, dann erkennt man, dass das Verhltnis R bereits 0,95 betrgt. Steigert sich der Umformgrad weiter so, ndern sich lediglich die Nachkommastellen und damit ndert sich der berechnete Festigkeitswert nur noch marginal. Deshalb ist es mglich die weiteren Betrachtungen auf Basis der Ergebnisse von FORGE durchzufhren, obwohl in simufact hhere Umformgrade berechnet wurden. Diese nominell anderen Ergebnisse liefern in letzter Konsequenz keine anderen Ergebnisse als die folgenden. Wie im Weiteren dargestellt, verndert sich die Oberflche ber den gesamten Prozess hinweg. Dem entsprechend ist am Beginn des Austritts die Oberflchenvergrerung nahezu 0; zur Mitte hin und mit fortschreitenden Prozess steigt diese sukzessive an. Damit ist auch die Interfacefestigkeit am Anfang nahezu 0 und wird gegen Ende des Prozesses ihre maximale Festigkeit erreichen, wobei diese entsprechend der Modellformulierung dem Grenzwert der Festigkeit des Grundwerkstoffes entgegenstrebt. Fr eine differenzierte Analyse muss die plastische Dehnung im Verlauf des Prozesses detailliert betrachtet werden.


Oberflchezzyy

zzyyxx

zz

yy

xx

=+=

+

+

=++0lnlnln

0

0

1

0

1

0

1

Abbildung 16: Darstellung der Umformgrade am Querflieprozess Die Oberflchenvergrerung stellt fr die ausgewhlten Haftfestigkeitsmodelle den wesentlichsten Einflussparameter dar. Fr die Analyse wird die Umformzone in einer Eulerschen betrachtungsweise heran gezogen. Diese ist im Wesentlichen die Zone, die der Kontaktflche der Ausgangskrper entspricht. Da numerisch die Randbereiche durch Kontaktprobleme nicht immer einwandfrei auswertbar sind, werden mageblich die Punkte bis zu einem Umkreis von 18 Millimetern, 9 Millimeter Radius, ausgewertet. In der oben stehenden Abbildung sind die Raumkoordinaten innerhalb des Systems FORGE und die Auswertezone mit dem Umkreis 18 Millimeter dargestellt. In Abbildung 16 sind die Umformgrade in den Raumrichtungen (y, z = 0) und (y = 0, z) in Abhngigkeit der Verfahrzeit bei 4 und bei 10 Sekunden dargestellt.

Abbildung 17: Darstellung der Umformgrade in y- und z-Richtung bei 4 s und 10 s

Verfahrzeit Aus den Umformgraden lsst sich dann ein Faktor fr die Oberflchenvergrerung (OFV) in der jeweiligen Raumrichtung ableiten. Dies ist in den folgenden Diagrammen zu sehen.


a) b) Abbildung 18: a) Verlauf des Faktors OFV (Messwerte und Trendlinie) in y-Richtung (z=0)

in Abhngigkeit der Verfahrzeit bei 4 s und 10 s; b) Verlauf des Faktors OFV(Messwerte und Trendlinie) in z-Richtung (y=0) in Abhngigkeit der Verfahrzeit bei 4 s und 10 s

Die Oberflchenvergrerungen (OFV) in den Raumrichtungen lassen sich dann zu der Oberflchenvergrerung in der Umformzone zusammenfassen. Dies ist in der folgenden Gleichung dargestellt. Der Vergleich der analytischen Berechnung und Ergebniswerte der Simualtion zeigen eine gute bereinstimmung.

zzesOFVss

y = 1009,1

10007,1

222,1

2/2

2/09.0

(Gl.6)

a) b) Abbildung 19: a) Verlauf des Faktors OFV (Messwerte und Approximation) im

Symmetriemodell bei 4 s Verfahrzeit; b) des Faktors OFV (Messwerte und Approximation) im Symmetriemodell bei 10 s Verfahrzeit

z


Aus dem Faktor der Oberflchenvergerung lsst sich dann die Interfacefestigkeit fr den Querflieprozess mit den nachfolgend aufgefhrten berechnen.

1

01

AAAYR ==

zzyyeOFVA +== 111

solidVay OFVOFV

= 11211 (Gl.7)

Fr die Modelle nach Vaidyanath ist die berechnete nterfacefestigkeit in Bezug auf die erzeugte Flche in der folgenden Abbildung dargestellt.

Abbildung 20: Verlauf der Haftfestigkeit nach Vaidyanath im Symmetriemodell 8 Fazit Die Haftfestigkeitsmodelle haben einen Weg aufgezeigt, um die Interfacefestigkeit sowohl im Strangpressprozess als auch im Querflieprozess zu berechnen. Die berechneten Festigkeiten liegen in den Bereichen der experimentell bestimmten Werte. Es zeigen sich jedoch auch Unzulnglichkeiten der Modelle bei der bertragung auf die Prozesse, die eine Weiterentwicklung notwendig machen. Folgende Aspekte mssen innerhalb der nchsten Arbeitsschritte untersucht und bei der Modellbildung bercksichtigt werden.


Die betrachteten Modelle bercksichtigen im Augenblick explizit keinen Temperatureinfluss. In Anbetracht der Prozesstemperaturen und der im Experiment untersuchten Temperaturbereiche sollte die Temperatur ercksichtigung finden.

In unmittelbarem Zusammenhang damit ist eine genaue Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Grenzschicht, im Speziellen der entstehenden Phasen notwendig. Das Modell nach Vaidyanath zeigt eine Unzulnglichkeit in Bezug auf die Einbeziehung

der Werkstoffgrundfestigkeit. Aus der Modellformulierung heraus ist eine Festigkeit ber den Wert der Grundfestigkeit des weicheren Werkstoffes nicht mglich. Allerdings liegen die experimentell ermittelten Festigkeiten ber den berechneten Wert von 150 N/mm bei Verbunden aus AlMgSi1/AZ31. Dahingehend ist eine genauere Analyse notwendig.

9 Zusammenfassung Es hat sich gezeigt, dass das Querfliepressen einen adquaten Versuch darstellt, um eine Verbindung zwischen Aluminium und Magnesium zu erzeugen. Mittels des Querfliepressens lassen sich im Weiteren breite Parameterfelder zur Verbundausbildung untersuchen. Es hat sich ebenso herausgestellt, dass im Falle einer Bindung sich whrend des Prozesses intermetallische Phasen des Zweistoffsystems Aluminium und Magnesium ausbilden. Die Ausbildung dieser Phasen gezielt ber die Parametervariierung zu verndern und so eine optimale Grenzschicht zu erzielen, wird die Aufgabe in den nchsten Schritten sein.

Darber hinaus ist die Simulation ein ergnzendes Werkzeug, mit deren Hilfe es mglich ist genaue Spannungszustnde, Umformgrade und Temperaturen zu analysieren. Im Weiteren sind die Haftfestigkeitsmodelle geeignet, um die Festigkeit des Verbundes nherungsweise zu berechnen. Defizite der derzeitigen Modelle wurden diskutiert und werden im Weiteren modifiziert. Somit soll es zuknftig mglich sein die Interfacefestigkeit ohne einen entsprechenden Test, wie dem Scherversuch, zu quantifizieren.

10 Literatur [1] R. Gla, M. Popp, C. John, R. Frster, D. Kitta: Untersuchung und Nachweis von

Bindungsvorgngen - Diffusion in Al/Mg-Werkstoffverbunden. Transfer, Das Steinbeis Magazin 2008, 3, 9

[2] R. Neugebauer, R. Gla, M. Popp, Th. Lampke, G. Alisch, D. Nickel, Investigation of Mechanical and Micro-Structural Characteristics of Al-Mg Compounds Created by Forming, Advanced Engineering Materials 2009, 7, 568

[3] R. Neugebauer, R. Gla, M. Popp, D. Nickel: Umformende Herstellung von Al/Mg-Werkstoffverbunden. Materialwissenschaften und Werkstofftechnik 2009, 7, 506

[4] Aluminium Taschenbuch (Ed. Aluminium-Zentrale), Aluminium-Verlag, Dsseldorf 2002

[5] Magnesium Taschenbuch (Ed. Aluminium-Zentrale), Aluminium-Verlag, Dsseldorf, 2000

[6] Vaidyanath, L.R.; Nicholas, M.G.; Milner, D.R.: Pressure Welding by Rolling. British Welding Journal 1, 1959, S.13-28

[7] Bay, N.: Bond Strength in Cold Roll Bonding. Annals of the CIRP, 34 1985 N.1 S.221-224

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