Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Thixo-Schmieden
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Homepage: www.cct-bw.de Koordination: Dipl.-Ing. (FH) Peter Unseld Tel.: 0711 / 121 - 3843 Fax: 0711 / 121 - 3839 Center of Competence for Casting and Thixoforging c/o Institut für Umformtechnik Holzgartenstrasse 17 70174 Stuttgart Center of Competence for Casting and Thixoforging Kompetenzzentrum Gießen und Thixo-Schmieden Stuttgart - Aalen Institut für Fertigungstechnologie keramischer Bauteile Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Thixo-Schmieden Innerhalb des CCT- Projekts `Leichtbau durch den Einsatz von MMC- Werkstoffen´ wurde das Verfahren zur Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matix-Verbundwerkstoffen aus der semi-solid Phase entwickelt und zum Patent angemeldet. Durch Kombination einer Grund- oder Matrixkomponente mit Hilfe einer einzubettenden Verstärkungskomponente können über den Volumengehalt dieses textilen Halbzeugs spezifische Werte (Rule of Mixture) an E-Modul, Zugfestigkeit und Streckgrenze, Dauerfestigkeit, sowie thermischer Expansion eingestellt werden. Gegenüber bisherigen Verfahren zur Herstellung von Metall-Matrix- Verbundwerkstoffen zeichnet sich die Prozessroute aus der teilflüssigen Phase vorallem durch kurze Taktzeiten, geringe Umformkräfte und lange Fließwege aus. Besonderer Dank gilt dem Land Baden-Württemberg für die Einrichtung des Center of Competence for Casting and Thixoforging Soliduslin ie Liquidu sli nie Liquidusli nie Knetlegierung: AlMgSi1 Gusslegierung: AlSi7Mg U = 577°C O = 586°C O = 642°C Temperaturbereiche für das Thixo-Schmieden AL + Si L + Si AL L Siliziumgehalt in Gew% Temperatur in °C 25 20 15 10 5 0 500 600 700 Thixo-Schmieden Thixotropes Verhalten bedeutet die Verringerung der Strukturstärke während einer Scherbelastungsphase und ihren mehr oder weniger schnellen, aber vollständigen Wiederaufbau während der nachfolgenden Ruhephase. Thixo-Schmieden ist Schmieden bei Temperaturen zwischen Solidus- und Liquidus- temperatur. Der Werkstoff besteht dabei aus ca. 20-50% Flüssigphase und weist ein thixotropes Fließverhalten auf. U = 638°C AL + L argon argon Erwärmung Erwärmung Composite- Composite- Herstellung Herstellung Wärme- Wärme- behandlung behandlung Route A Route A + + Route B Route B Thermische Spritzschicht Kohlenstofffaser Blech-Halbzeug Matrix Matrix Thermische Thermische Beschichtung Beschichtung Blech- Blech- Halbzeug Halbzeug Kohlenstoff- Kohlenstoff- Faser Faser Kohlenstoff- Kohlenstoff- Faser Faser Verstärku Verstärku ng ng Prepreg Prepreg Prozessrouten Presse mit Speicherantrieb ▪ ▪ Stößeldruckkraft: Stößeldruckkraft: 5000 kN 5000 kN ▪ ▪ Auswerferdruckkraft: Auswerferdruckkraft: 1000 1000 kN kN ▪ ▪ Stößelgeschwindigkeit: Stößelgeschwindigkeit: 800 800 mm/ mm/ s ▪ ▪ nutzbarer Stößelhub: nutzbarer Stößelhub: 300mm 300mm ▪ ▪ Pumpenleistung: Pumpenleistung: 55 + 75 kW 55 + 75 kW ▪ ▪ Pressentisch: Pressentisch: 900 mm x 900 mm 900 mm x 900 mm N 2 Öl Öl Kolbenspeicher Kolbenspeicher Hydraulikzylind Hydraulikzylind er er Stößel Stößel Stickstoffspeic Stickstoffspeic her her Bauteilgeometrie: Bauteilgeometrie: angepasste an begrenzte angepasste an begrenzte Umformbarkeit Umformbarkeit der Verstärkungskomponente der Verstärkungskomponente Flottierung Flottierung Knickbereiche Knickbereiche Formgebung Herstellung des Werkstoffverbundes + Formgebung auf der Hochgeschwindigkeits- Thixo-Schmiedepresse des Instituts für Umformtechnik (IFU) Matrix: Matrix: AlSi6 – APS 120 AlSi6 – APS 120μ m pro Seite m pro Seite Verstärkung: Verstärkung: Gewebe 2/2-Köperbindung Gewebe 2/2-Köperbindung 18 Lagen 18 Lagen Werkzeug Werkzeug : 250°C Ausscheidungen an Interfaceschicht C- Faser Ausscheidungen: Ausscheidungen: l= l= 20- 250nm 20- 250nm Beugungsbild Beugungsbild a* b* c* 0,2,10 0,2,7 0,2,4 0,2,1 0,2,-2 0,2,-5 0,2,-8 0,2,-11 0,1,11 0,1,8 0,1,5 0,1,2 0,1,-1 0,1,-4 0,1,-7 0,1,-10 0,0,12 0,0,9 0,0,6 0,0,3 0,0,-3 0,0,-6 0,0,-9 0,0,-12 0,-1,10 0,-1,7 0,-1,4 0,-1,1 0,-1,-2 0,-1,-5 0,-1,-8 0,-1,-11 0,-2,11 0,-2,8 0,-2,5 0,-2,2 0,-2,-1 0,-2,-4 0,-2,-7 0,-2,-10 a* b* c* a b c x y z Al Al 4 C 3 in [100] in [100] Prepregherstellung Mikrostruktur Rastelektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie TEM- Lamelle: TEM- Lamelle: d=100 – 200nm d=100 – 200nm Abbildung Abbildung Ausblick Ansprechpartner: Peter Unseld Dr. Viola Küstner Tel.: +49 711 – 121 3843 Tel.: +49(0)711/689-3417 [email protected] [email protected] Konstantin von Niessen Tel.: +49 711 – 685 8235 [email protected] ▪ ▪ kinematisches Verhalten der kinematisches Verhalten der Verstärkungskomponente während der Verstärkungskomponente während der Umformung Umformung ▪ ▪ Verifikation der Vorgänge in der Verifikation der Vorgänge in der Interfaceschicht Interfaceschicht ▪ ▪ Einsatz von Schutz- und Einsatz von Schutz- und Haftvermittlerschichten Haftvermittlerschichten ▪ ▪ Untersuchungen bezüglich mechanischer Untersuchungen bezüglich mechanischer Kennwerte, Eigenspannungen, Kennwerte, Eigenspannungen, Spannungsüberhöhungen, etc. Spannungsüberhöhungen, etc. ▪ ▪ FEM-Simulation mit ANSYS LS-DYNA, Flow3D, FEM-Simulation mit ANSYS LS-DYNA, Flow3D, Deform 3D Deform 3D
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c. Öl. argon. z. x. y. argon. b. a. C- Faser. Ausscheidungen an Interfaceschicht. Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Thixo-Schmieden. - PowerPoint PPT Presentation
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Homepage:www.cct-bw.de
Koordination:Dipl.-Ing. (FH) Peter UnseldTel.: 0711 / 121 - 3843Fax: 0711 / 121 - 3839
Center of Competence for Casting and Thixoforgingc/o Institut für UmformtechnikHolzgartenstrasse 1770174 Stuttgart
Center of Competence for Casting and ThixoforgingKompetenzzentrum Gießen und Thixo-Schmieden Stuttgart - Aalen
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Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Thixo-Schmieden
Innerhalb des CCT- Projekts `Leichtbau durch den Einsatz von MMC- Werkstoffen´ wurde das Verfahren zur Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matix-Verbundwerkstoffen aus der semi-solid Phase entwickelt und zum Patent angemeldet. Durch Kombination einer Grund- oder Matrixkomponente mit Hilfe einer einzubettenden Verstärkungskomponente können über den Volumengehalt dieses textilen Halbzeugs spezifische Werte (Rule of Mixture) an E-Modul, Zugfestigkeit und Streckgrenze, Dauerfestigkeit, sowie thermischer Expansion eingestellt werden. Gegenüber bisherigen Verfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen zeichnet sich die Prozessroute aus der teilflüssigen Phase vorallem durch kurze Taktzeiten, geringe Umformkräfte und lange Fließwege aus.
Besonderer Dank gilt dem Land Baden-Württemberg für die Einrichtung des Center of Competence for Casting and Thixoforging
Soliduslinie
Liquiduslinie
Liquiduslinie
Knetlegierung: AlMgSi1
Gusslegierung: AlSi7Mg
U = 577°C
O = 586°C
O = 642°C
Temperaturbereiche für das Thixo-Schmieden
AL + Si
L + Si
AL
L
Siliziumgehalt in Gew%
Tem
pera
tur i
n °C
2520151050500
600
700
Thixo-SchmiedenThixotropes Verhalten bedeutet die Verringerung der Strukturstärke während einerScherbelastungsphase und ihren mehr oder weniger schnellen, aber vollständigen Wiederaufbau während der nachfolgenden Ruhephase.
Thixo-Schmieden ist Schmieden bei Temperaturen zwischen Solidus- und Liquidus-temperatur.Der Werkstoff besteht dabei aus ca. 20-50% Flüssigphase und weist ein thixotropes Fließverhalten auf.
U = 638°C
AL + L
argo
n
argo
n
ErwärmungErwärmungComposite-Composite-HerstellungHerstellung
Wärme-Wärme-behandlungbehandlung
Rou
te A
Rou
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Thermische SpritzschichtKohlenstofffaserBlech-Halbzeug
MatrixMatrixThermischeThermische
BeschichtungBeschichtung
Blech-Blech-HalbzeugHalbzeug
Kohlenstoff-Kohlenstoff-FaserFaser
Kohlenstoff-Kohlenstoff-FaserFaser
VerstärkungVerstärkung PrepregPrepreg
Prozessrouten
Presse mit Speicherantrieb▪ ▪ Stößeldruckkraft:Stößeldruckkraft: 5000 kN5000 kN
▪ ▪ Auswerferdruckkraft: Auswerferdruckkraft: 1000 kN1000 kN
▪ ▪ Stößelgeschwindigkeit: Stößelgeschwindigkeit: 800 800 mm/mm/ss
▪ ▪ nutzbarer Stößelhub: nutzbarer Stößelhub: 300mm300mm
▪ ▪ Pumpenleistung: Pumpenleistung: 55 + 75 kW55 + 75 kW
▪ ▪ Pressentisch: Pressentisch: 900 mm x 900 mm900 mm x 900 mm
N2
Öl
Öl
KolbenspeicherKolbenspeicher
HydraulikzylinderHydraulikzylinder
StößelStößel
StickstoffspeicherStickstoffspeicher
Bauteilgeometrie:Bauteilgeometrie:angepasste an begrenzte Umformbarkeit angepasste an begrenzte Umformbarkeit der Verstärkungskomponenteder VerstärkungskomponenteFlottierung Flottierung Knickbereiche Knickbereiche
FormgebungHerstellung des Werkstoffverbundes + Formgebung auf der Hochgeschwindigkeits-Thixo-Schmiedepresse des Instituts für Umformtechnik (IFU)
Matrix:Matrix: AlSi6 – APS 120AlSi6 – APS 120μμm pro Seitem pro SeiteVerstärkung:Verstärkung:
Gewebe 2/2-KöperbindungGewebe 2/2-Köperbindung 18 Lagen18 LagenWerkzeugWerkzeug:: 250°C
Aus
sche
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gen
an
Inte
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C- F
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Ausscheidungen:Ausscheidungen: l= 20- l= 20- 250nm250nm
BeugungsbildBeugungsbild
a*
b*
c*
Zone axis : [0,1,0]0,2,10
0,2,7
0,2,4
0,2,1
0,2,-2
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0,0,-3
0,0,-6
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0,-2,-7
0,-2,-10
a*
b*
c*
Zone axis : [1,0,0]
a b
c
xyz
AlAl44CC33 in [100] in [100]
Prepregherstellung
MikrostrukturRastelektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie
TEM- Lamelle:TEM- Lamelle: d=100 – 200nmd=100 – 200nm
AbbildungAbbildung
Ausblick
Ansprechpartner:Peter Unseld Dr. Viola KüstnerTel.: +49 711 – 121 3843 Tel.: +49(0)711/689-3417 [email protected] [email protected]
Konstantin von NiessenTel.: +49 711 – 685 8235 [email protected]
▪ ▪ kinematisches Verhalten der kinematisches Verhalten der Verstärkungskomponente während der UmformungVerstärkungskomponente während der Umformung
▪ ▪ Verifikation der Vorgänge in der InterfaceschichtVerifikation der Vorgänge in der Interfaceschicht
▪ ▪ Einsatz von Schutz- und HaftvermittlerschichtenEinsatz von Schutz- und Haftvermittlerschichten
▪ ▪ Untersuchungen bezüglich mechanischer Kennwerte, Untersuchungen bezüglich mechanischer Kennwerte, Eigenspannungen, Spannungsüberhöhungen, etc.Eigenspannungen, Spannungsüberhöhungen, etc.
▪ ▪ FEM-Simulation mit ANSYS LS-DYNA, Flow3D, FEM-Simulation mit ANSYS LS-DYNA, Flow3D, Deform 3DDeform 3D
Homepage:www.cct-bw.de
Koordination:Dipl.-Ing. (FH) Peter UnseldTel.: 0711 / 121 - 3843Fax: 0711 / 121 - 3839
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Center of Competence for Casting and ThixoforgingKompetenzzentrum Gießen und Thixo-Schmieden Stuttgart - Aalen
Inst
itut f
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kera
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Bau
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