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Inhalt

1 Zielstellung ........................................................................................................................................... 1

2 Charakterisierung des Ausgangsmaterials ........................................................................................... 2

2.1 gegossenes Ausgangsmaterial ....................................................................................................... 2

2.2 stranggepresstes Ausgangsmaterial .............................................................................................. 3

2.2.1 Metallografische Untersuchungen ......................................................................................... 3

2.2.2 Zugversuche bei Raumtemperatur ......................................................................................... 4

2.2.3 Zylinderstauchversuche zur Bestimmung des Umformverhaltens ........................................ 5

3 Technologische Voruntersuchungen zum Drahtwalzen ....................................................................... 7

3.1 Ermittlung des Werkstoffflusses ................................................................................................... 8

3.2 Tribologische Untersuchungen zum Kaliberwalzen ...................................................................... 9

4 FEM-Simulation des Kaliberwalzens ................................................................................................... 10

5 Kalibrierungsentwurf .......................................................................................................................... 12

6 Technologieentwicklung und -optimierung ....................................................................................... 14

6.1 Test der Einführungen ................................................................................................................. 14

6.2 Drahtherstellung AZ31 ................................................................................................................ 15

6.3 Drahtherstellung AZ80 ................................................................................................................ 16

6.4 Fertigwalzen auf der Kontistraße ................................................................................................ 18

7 Technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse sowie ihr innovativer Beitrag ................... 20

8 Verwendung der Zuwendung ............................................................................................................. 22

8.1 Projektbezogene Ausgaben ......................................................................................................... 22

8.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit ...................................................... 22

9 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft ...................................................................................... 23

9.1 spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit des Forschungsvorhabens .................. 23

9.2 geplante Transfermaßnahmen nach der Laufzeit des Forschungsvorhabens ............................ 24

10 Zusammenfassung ............................................................................................................................ 25

1 Zielstellung

Zielstellung des Projektes ist es, einen technologischen Ablauf zur wirtschaftlichen Fertigung von Magnesium-Drahthalbzeugen in praktisch unbegrenzten Längen durch Walzen in Streckkaliberreihen zu entwickeln sowie die damit in Verbindung stehenden Problemstellungen zu analysieren. Das Ergebnis soll eine werkstoffgerechte Technologie zur Fertigung von qualitativ hochwertigen Drähten mit Enddurchmessern von 6,5 mm aus Magnesiumlegierungen sein. Die Entwicklung einer wirtschaftlicheren Alternative zur Verarbeitung durch Strangpressen soll dazu beitragen, kostengünstige Halbzeuge zur Fertigung hochwertiger Magnesiumbauteile bereitzustellen, um das hohe Anwendungspotential des Werkstoffs Magnesium künftig umfassender ausschöpfen zu können.

2

2 Charakterisierung des Ausgangsmaterials Die Untersuchungen werden an zwei weit verbreiteten Magnesiumlegierungen der Gruppe AZ (Magnesium-Aluminium-Zink) durchgeführt. Neben AZ31 kommt die höherfeste Legierung AZ80 zum Einsatz. Während sich AZ31 durch ein gutes Umformverhalten bei mäßiger Festigkeit auszeichnet, wird AZ80 vergleichend als höherfeste Legierung untersucht, die allerdings auch größere Anforderungen an die Umformung stellt. Die Bezeichnung der Legierungen folgt dabei den ASTM-Normen. Als Ausgangsmaterial für das Kaliberwalzen wurden sowohl stranggepresste Stäbe, als auch Gussproben untersucht und hinsichtlich ihrer potenziellen Eignung für das Kaliberwalzen analysiert.

2.1 gegossenes Ausgangsmaterial

Unter Laborbedingungen wurden in einem Schmelzofen des Gießerei-Institutes der TU Bergakademie Freiberg Proben der Legierung AZ31 gegossen. Der Gießversuch fand unter Schutzgasatmosphäre statt und lief wie folgt ab: (1) Schmelzen der AZ31-Masseln (ca. 10 kg) (2) Erhitzen auf Arbeitstemperatur (770 °C) (3) Halten und gleichmäßiges Rühren (von Hand) bei etwa 770 °C für 10 min (4) Abkühlen auf Gießtemperatur (720 °C) (5) Abguss Zur Charakterisierung des Ausgangsgefüges wurden lichtmikroskopische Aufnahmen von polierten und angeätzten Proben erstellt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Gefüge der AZ31-Legierung im Gusszustand mit Verunreinigungen; Vergrößerung: links: 100-fach rechts: 50-fach

Neben einer hinsichtlich des späteren Umformvermögens ungünstigen grobkörnigen Mikrostruktur mit ausgeprägten Seigerungen erweist sich als problematisch, dass die Oxidation der Oberfläche nach dem Abguss nicht vollständig vermieden werden konnte. Zudem kommt es zu einem Eintrag von Verunreinigungen besonders im Bodenbereich der Kokille. Diese Verunreinigungen sind rechts in der Abbildung 1 zu erkennen. Aufgrund dieser ungünstigen Eigenschaften kommt gegossenes Vormaterial als unmittelbarer Ausgangszustand für das Kaliberwalzen nicht infrage. Die Untersuchungen konzentrieren sich daher auf die Verwendung stranggepresster Ausgangsstäbe.

3

2.2 stranggepresstes Ausgangsmaterial

Das stranggepresste Material wurde von der Firma XI'AN YUECHEN METAL PRODUCTS CO., LTD. aus SHAANXI, China in Form von stranggepressten Stangen mit einem Durchmesser von ⌀ 12 mm und ⌀ 40 mm bezogen. Ihre chemische Zusammensetzung entsprach den Vorgaben der amerikanischen Norm ASTM B 107/B 107M – 07. Für die einzelnen Legierungselemente wurden Masseanteile ermittelt, die innerhalb der Normgrenzen liegen, im Vergleich der beiden Durchmesservarianten allerdings voneinander abweichen (siehe Abb. 1)

Abbildung 2: Anteil der Hauptlegierungselemente nach ASTM B 107/B 107M – 07, Vergleich mit dem Ausgangsmaterial

2.2.1 Metallografische Untersuchungen

Es wurden metallografische Analysen durchgeführt, um sowohl den Ausgangszustand (Abbildung 3) zu dokumentieren, als auch den Einfluss unterschiedlicher Wärmebehandlungsregime auf das Material zu untersuchen. Die Abbildung 4 zeigt Abhängigkeit der mittleren Korngröße von der Temperatur bei einer 15 minütigen Wärmebehandlung.

4

Abbildung 3: Gefügezustand ohne Wärmebehandlung in Strangpressrichtung, geätzt, mittig, 200-fache Vergrößerung, ⌀ 12 mm ; links: AZ31 rechts AZ80

Abbildung 4: mittlere Korngröße für AZ31(blau) und AZ80 (orange )in Abhängigkeit von der Wärmebehandlungstemperatur (t=15min)

Bei der Magnesiumlegierung AZ31 ist nur ein geringer Einfluss der Wärmehandlung (WB) auf das Gefüge zu beobachten, die mittlere Korngröße nach dem Linienschnittverfahren D̅ steigt beim ⌀ 12-mm-Ausgangsmaterial von 11,8 μm auf 13,9 μm nach einer Wärmebehandlung bei 450 °C. Unter den gleichen Bedingungen erhöht sich D̅ bei AZ80 wesentlich stärker, von 14,8 μm auf 24,9 μm. Die Gefügeuntersuchungen für das ⌀ 40-mm-Ausgangsmaterial führten zu vergleichbaren Ergebnissen. Die mittlere Korngröße D̅ lag leicht über der des ⌀ 12-mm-Ausgangsmaterials.

2.2.2 Zugversuche bei Raumtemperatur

Um den Einfluss der Wärmebehandlung auf die mechanischen Kennwerte zu ermittelt wurden

Zugversuche durchgeführt. Dabei wurden Zugproben gemäß DIN 50125 – A 12 × 25

verwendet. Dies sind Rundproben mit einem Probendurchmesser von 12 mm, glatten

Zylinder-Köpfen und einem Prüfdurchmesser von 5 mm.

AZ80 zeigt höhere Festigkeitswerte im Vergleich zu AZ31 (Abbildung 5), was auf den größeren Anteil an Legierungselementen, speziell Aluminium, zurückzuführen ist. Die Bruchdehnung der Magnesiumlegierung AZ31 ist für beide Ausgangsdurchmesser gleich, die Festigkeitswerte der ⌀ 40-mm-Stäbe liegen etwas niedriger als die der ⌀ 12-mm-Stäbe,

0

5

10

15

20

25

ohne WBH WBH: 250 °C WBH: 350 °C WBH: 450 °CMittle

re lin

ea

re K

orn

grö

ße

in

µm

AZ31 (⌀ 12 mm) AZ80 (⌀ 12 mm)

5

siehe Abbildung 5 , links. Nach der Wärmebehandlung ist mit steigender WB-Temperatur eine sehr geringfügige Erhöhung der Bruchdehnung bei gleichzeitiger Absenkung der Festigkeitswerte zu beobachten. Bei dem AZ80-Ausgangsmaterial sind die 0,2 %-Dehngrenze Rp0,2 und die Bruchdehnung A der ⌀ 40-mm-Stäbe etwas niedriger als die Werte der ⌀ 12-mm-Stäbe, die Zugfestigkeit Rm hingegen etwas höher, siehe Abbildung 5, rechts.

Abbildung 5: Mechanische Kennwerte der Magnesiumlegierungen AZ31 und AZ80 im stranggepressten Ausgangszustand und nach Wärmebehandlung, Beschriftung: „Legierung-Ausgangsdurchmesser(-Wärmebehandlungstemperatur)“

Die geringen Änderungen der mechanischen Eigenschaften durch WB lassen nicht auf eine zu bevorzugende WBs-Temperatur für das Drahtwalzen schließen. Aber um das insbesondere bei hohen Temperaturen wie 450 °C zu beobachtende Kornwachstum bei AZ80 zu verhindern, sollte von dieser WB-Temperatur Abstand genommen werden.

2.2.3 Zylinderstauchversuche zur Bestimmung des Umformverhaltens

Zur Bestimmung von Fließkurven für das stranggepresste Ausgangsmaterial wurden Zylinderstauchversuche am Warmumformsimulator des Instituts für Metallformung durchgeführt. Die Erwärmung der Proben erfolgte dabei in Stauchbechern im Luftumwälzofen, wodurch zwischen Ofenentnahme und Stauchbeginn kein Temperaturverlust eintritt. Die Proben (⌀ 10 mm × 18 mm) wurden quer zur Strangpressrichtung aus ⌀ 40-mm-Stäben entnommen (siehe Abbildung 6), um die Umformrichtung im Stauchversuch der beim Drahtwalzen anzunähern.

Abbildung 6: Probenentnahme für Zylinderstauchversuche aus einem ⌀ 40-mm-Stab

6

Die erzielten temperatur- und reibwertkorrigierten Fließkurven sind in Abbildung 7 und Abbildung 8 in Abhängigkeit von der Umformtemperatur und der Umformgeschwindigkeit dargestellt. Bei niedrigen Temperaturen bis 300 °C sind die Proben bei der hohen Umformgeschwindigkeit 10/s vorzeitig gebrochen. Bei den Walzversuchen sollte dieser Temperaturbereich also vermieden werden. Generell zeigt AZ80 bei identischer Umformgeschwindigkeit und –temperatur eine höhere Fließspannung als AZ31. Die absolute Differenz der Fließspannungen sinkt dabei mit zunehmender Temperatur ab.

Abbildung 7: Fließkurven der Magnesiumlegierung AZ31 im strangepressten Ausgangszustand in Abhängigkeit der Umformtemperatur und der Umformgeschwindigkeit (in 1/s)

Abbildung 8: Fließkurven der Magnesiumlegierung AZ80 im strangepressten Ausgangszustand in Abhängigkeit der Umformtemperatur und der Umformgeschwindigkeit (in 1/s)

7

Für die FEM-Berechnung des Kaliberwalzens wird eine Fließkurvenfunktion benötigt, mit der

die Fließspannung kf in Abhängigkeit von Umformgrad φ, Temperatur ϑ und

Umformgeschwindigkeit �̇� berechnet werden kann.

Es zeigte sich, dass die Regression (Hensel-Spittel-Ansatz 10) für den gesamten Datensatz die

experimentellen Daten nicht gut abbilden kann (siehe Abbildung 9a): Eine verbesserte

Übereinstimmung mit den experimentellen Daten konnte durch eine Unterteilung in zwei

Teilbereiche φ = 0 … 0,2 und φ = 0,2 … 1,0 erreicht werden (siehe Abbildung 9b).

a) Regression für den gesamten Datensatz b) Regression für zwei Teilbereiche φ = 0 … 0,2 | φ = 0,2 … 1,0

Abbildung 9: Fließkurven von AZ31 bei 350 °C, experimentelle Daten und Regressionsansatz 10 (�̇� = 0,1/s, 1/s, 10/s)

Die beiden Fließkurvenfunktionen für AZ31 lauten:

kf (φ=0…0,2) = 16,2282 ∙ e –0,00587929∙ϑ ∙ ϑ 0,78798 ∙ φ 0,308978 ∙ e 0,00134449/φ ∙ (1 + φ) –0,0143501∙ϑ ∙ e 2,87933∙φ

∙ �̇� –0,109095 ∙ �̇� 0,000697557∙ϑ

kf (φ=0,2…1,0) = 1,03262 ∙ e –0,00899634∙ϑ ∙ ϑ 1,04106 ∙ φ –1,74602 ∙ e –0,316754/φ ∙ (1 + φ) –0,00119882∙ϑ ∙ e 1,86204∙φ

∙ �̇� –0,115098 ∙ �̇� 0,000722272∙ϑ

Insbesondere mit der Eingrenzung der WB- und Walztemperatur auf den Bereich zwischen 350 °C und 400 °C und der Ermittlung der Fließkurvenfunktionen für die FEM-Simulation konnte die Charakterisierung des Ausgangsmaterials und die mechanisch-technologische Kennwertermittlung erfolgreich abgeschlossen werden.

3 Technologische Voruntersuchungen zum Drahtwalzen

Mit Voruntersuchungen zum Drahtwalzen wurden experimentelle Daten zum Werkstofffluss

erhoben, die zur Kontrolle der FEM-Simulation des Kaliberwalzens benötigt werden. Die

gewonnenen Erkenntnisse zur Technologie, wie die realisierbare Streckung je Stich, und die

Ergebnisse von tribologischen Untersuchungen dienen dem Entwurf der Kalibrierung und der

Prozessmodellierung.

8

3.1 Ermittlung des Werkstoffflusses

Mit dem Ziel, eine Anlagenkonfiguration zu finden, die es ermöglicht, trotz der für Stahl

ausgelegten Walzenkalibrierung weitestgehend ohne Überfüllung (Walznähte) zu walzen,

wurden Walzversuche am Duo-Reversiergerüst der vorhandenen Konti-Walzanlage am

Institut für Metallformung durchgeführt. Der auf diese Weise erhaltene Datensatz wird einen

guten Vergleich mit der sich anschließenden FEM-Simulation ermöglichen.

Die Oval-Rund-Kalibrierung der Walzen umfasst acht Kaliber und ist so ausgelegt, dass die

ersten beiden Ovalkaliber doppelt genutzt werden und das Walzgut innerhalb von zehn

Stichen auf ⌀ 12 mm gewalzt wird. Der Walzspalt wird für jeden Stich einzeln festgelegt.

Es wurden Vorversuche an AZ31 mit unterschiedlichen Walzgeschwindigkeiten und

Walzspalteinstellungen durchgeführt. Durch die Erhöhung der Stichanzahl auf zwölf –

realisiert durch eine Doppelnutzung des sechsten und siebenten Kalibers – konnte die

Querschnittabnahme je Stich gesenkt und so der stärkeren Breitung der Mg-Legierungen

begegnet werden.

Die ermittelten experimentellen Ergebnisse sind in Abbildung 10 zusammengestellt: Trotz der

Erhöhung der Stichzahl kommt es im Kaliber 05, 06i, 08, 09 und 10 zu einer leichten

Überfüllung (siehe Abbildung 11).

a) Profilbreite bP und Kalibernutzbreite bK b) Oberflächentemperatur, Stichpause und Walzkraft

Abbildung 10: Walzversuch, Duo-Reversiergerüst, AZ31 ⌀ 40 mm, Walzgeschwindigkeit 2 m/s, Anstichtemperatur 350 °C

K 05: K 06i: K 08: K 09: K 10:

Abbildung 11: Profilquerschnittsfläche der überfüllten Kaliber (K 05 = Kaliber 05)

Die Oberflächentemperatur wurde jeweils nach dem Stich mit einem

Berührungsthermometer gemessen. Für die Ermittlung der Profilquerschnittsfläche und der

Streckung wurden nach jedem Stich Proben aus der Walzgutmitte genommen, deren Masse

und Länge ermittelt sowie die experimentell an einem Abschnitt des stranggepressten

9

⌀ 40 mm-Ausgangsmaterial ermittelte Dichte (1,775 g/cm³) genutzt. Die erzielten

Erkenntnisse zum Breitungsverhalten wurden anschließend zur Auslegung der Kalibrierung

(Kapitel 4) genutzt.

3.2 Tribologische Untersuchungen zum Kaliberwalzen

Tribologische Untersuchungen wurden am fünften Kaliber der Trio-Walzanlage mit ⌀ 32-mm-

Proben und der Anstichlage Rund-Oval durchgeführt.

Als Walzparameter wurden die Temperaturen 300 °C, 350 °C und 400 °C sowie für die

Walzendrehzahlen 5 min-1 und 60 min-1 gewählt. Dabei wurden drei tribologische Zustände

untersucht: ohne Schmiermittel, Schmierung mit Beruforge 150 D (1:3) und Schmierung mit

Condaforge 305 (1:4). Bei Beruforge 150 D handelt es sich ein phosphat- und graphitfreies

Schmiermittel, das für das Schmieden von Aluminiumlegierungen entwickelt und am IMF

bereits für das Flachwalzen von Mg-Legierungen eingesetzt wurde. Condaforge 305 ist

graphithaltiges Schmiermittel für das Gesenkschmieden. Beide Schmiermittel sind

wasserbasiert und wurden im angegebenen Verhältnis mit Wasser verdünnt. Sie wurden vor

jedem Walzstich manuell auf beide Walzen aufgebracht.

Die Walzversuche wurden hinsichtlich Walzkraft, Walzmoment, Oberflächentemperatur,

Profilbreite, Profilhöhe, Profilquerschnittsfläche, Breitung und Streckung ausgewertet. Für

den Walzversuch „300 °C, 5 min-1, Schmierung mit Beruforge 150 D (1:3)“ liegen keine Daten

vor, da das Walzgut von den Walzen nicht gegriffen und durchgezogen wurde.

Abbildung 12 zeigt Walzkraft und Profilbreite in Abhängigkeit von Drehzahl, Walztemperatur

und Schmiermittel. Den größten Einfluss auf die Walzkraft hat die Walztemperatur – bei der

Erhöhung von 300 °C auf 400 °C sinkt sie um fast 50 %. Sowohl eine Erhöhung der Drehzahl als

auch die Verwendung von Schmiermitteln führen zu einer geringen Senkung der Walzkraft um

< 20 kN. Bei der Profilbreite bP ist der größte Einflussfaktor die Erhöhung der Drehzahl von

5 min-1 auf 60 min-1, die zu einer um 1,3 mm bis 2,3 mm geringeren Profilbreite führt. Die

Absenkung der Walztemperatur und die Verwendung der Schmiermittel führt zu einer um bis

zu 1,3 mm geringeren Profilbreite. Im Vergleich der Schmiermittel werden mit

Condaforge 305 die geringeren Walzkräfte und größtenteils auch die geringeren Profilbreiten

erreicht. Die mittels Schmiermittel erreichten Effekte sind allerdings nur gering.

10

a) Drehzahl = 5 min-1 b) Drehzahl = 60 min-1

Abbildung 12: Walzkraft und Profilbreite in Abhängigkeit von Drehzahl, Walztemperatur und Schmiermittel

4 FEM-Simulation des Kaliberwalzens

Zum Aufbau der FEM-Simulation wurden die Kaliberkonturen des Duo-Reversiergerüsts in der

CAD-Anwendung SolidWorks nachgebildet und in simufact.forming 13.0 importiert (siehe

Abbildung 13).

Die Anfangsgeometrie des Walzguts wurde in gleicher Weise erstellt und auf ein Viertel des

Querschnitts reduziert, um durch Ausnutzung der vorhandenen Symmetrien Rechenzeit zu

sparen.

Da die Materialdatenbank „simufact.material 2015“ keine Informationen zu den

experimentell verwendeten Mg-Legierungen AZ31 und AZ80“ enthält, wurde eine

Literaturrecherche durchgeführt, um die für die FEM-Simulation erforderlichen Daten zu

erhalten. Querkontraktion und Wärmeausdehnung konnten als Konstanten hinterlegt

werden, E-Modul, Dichte, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität wurden

tabellarisch in Abhängigkeit der Temperatur angegeben. Die in Abschnitt 2.4 beschriebene

experimentell bestimmte Fließkurvenfunktion (Hensel-Spittel, Ansatz 10) konnte nicht über

die Benutzeroberfläche von simufact.forming eingegeben werden, da die Unterscheidung

11

nach zwei Umformgradbereichen gegenwärtig nicht vorgesehen ist. Um dies trotzdem

umzusetzen, war es notwendig, eine Usersubroutine zu programmieren.

Zur Kontrolle und Korrektur der mit der FEM-Simulation berechneten Temperaturverläufe (in

der Stichpause) wurden Versuche mit Walzproben durchgeführt, die mit Thermoelementen

bestückt waren und die Temperatur im Probeninneren während und insbesondere nach dem

Walzstich aufzeichneten. Die mittels Finiten Elemente Methode berechneten Abkühlkurven

verlaufen parallel zu den experimentellen (Abbildung 14). Die auftretenden Abweichungen

liegen unter 5 K.

Abbildung 13: FEM-Simulation mit simufact.forming, Duo-Reversiergerüst, AZ31 ⌀ 40 mm, Walzgeschwindigkeit 2 m/s, Anstichtemperatur 350 °C, 1. Stich

Abbildung 14: mittels FEM und experimentell ermittelte Abkühlkurven im Vergleich

12

Die Ergebnisse der FEM-Simulation hinsichtlich Profilbreite und Walzkraft sind in Abbildung

15 im Vergleich mit den experimentellen Daten der beschriebenen Walzversuche dargestellt.

a) Profilbreite (Experiment; FEM) b) Walzkraft (farbige Linien: ± 10 % exp. Wert)

Abbildung 15: Vergleich der Ergebnisse der FEM-Simulation mit dem Experiment, Duo-Reversiergerüst, AZ31 ⌀ 40 mm, Walzgeschwindigkeit 2 m/s, Anstichtemperatur 350 °C

Die Werte der Profilbreite werden in allen Stichen zu gering berechnet. Die berechneten

Walzkräfte (Abbildung 15 b), liegen überwiegend innerhalb eines Fehlerbereichs von ± 10 %

der experimentellen Werte. Die durch die Simulation gewonnenen Erkenntnisse gingen direkt

in den Kalibrierungsentwurf ein.

5 Kalibrierungsentwurf

Aus den unter 2.1 beschriebenen Walzversuchen konnten einige Erkenntnissen zum

Fließverhaltens der verwendeten Magnesiumlegierungen gewonnen werden. Diese wurden

zur Festlegung von Zielgrößen der Kalibrierung genutzt. So wird, aufgrund des starken Breitens

von Magnesiumlegierungen, eine maximale Streckung λ von 1,20 je Stich zur Entwicklung

einer magnesiumgerechten Kalibrierung für die Fertigstaffel der Konti-Walzanlage festgelegt.

Diese Zielgrößen sind:

- Kaliberfolge Rund-Oval-Rund

- 12 Stiche auf dem Vorgerüst der Kontistraße

- Durchmesserreduktion von ⌀ 20 mm auf ⌀ 8 mm

- dabei ⌀ 12 mm als Zwischenabmessung angestrebt

- Streckung in allen Stichen kleiner/gleich 1,20

Anhand dieser Zielgrößen wurden verschiedene Varianten der Kalibernutzung aufgestellt.

Dabei ist auch die doppelte Nutzung von Kalibern für mehrere Stiche vorgesehen. Diese

Varianten sind in der Tabelle 1 aufgeführt.

13

Tabelle 1: mögliche Varianten für die Kalibrierung

Variante A 4x Oval 6x Rund

B 3x Oval 6x Rund

C 4x Oval 5x (Falsch-)Rund

D 3x Oval 5x (Falsch-)Rund

E 3x Oval 4x (Falsch-)Rund

Unter Zuhilfenahme der im Antrag beschriebenen Software, welche eine schnelle

Stichplanberechnung/Kontrolle ermöglicht und Freiberger Ansätze wie das Breitungsmodell

nutzt, sowie den Aussagen der Voruntersuchungen (Kapitel 2.1) und der Simulation

verschiedener Kalibergeometrien (Kapitel 4) wurde sich für die Variante D entschieden. Der

Entwurf und die Zeichnung des zugehörigen Walzensatzes befinden sich in der Tabelle 2.

Die genauen Abmaße der einzelnen Kaliber können der Abbildung 16 entnommen werden. Die

Kalibrierung ist so gestaltet, dass Ausgangsmaterial sowohl mit 20 mm als auch 12 mm

Durchmesser verwendet werden kann. Mit 12 mm als Ausgangsdurchmesser wird bereits mit

dem 7. Stich begonnen.

Tabelle 2: Vorentwurf Kalibrierung (links) und Zeichnung des Walzensatzes (rechts)

14

Abbildung 16: Detailzeichnungen der einzelnen Kaliber des Entwurfes

6 Technologieentwicklung und -optimierung

Entsprechend den Vorgaben (Kapitel 5) wurde ein Walzensatz für das Reversiergerüst, sowie passend dazu noch die erforderlichen Ein- und Ausführungen am Walzgerüst entworfen und gefertigt. Anschließend wurden alle bisherigen Erkenntnisse unter Einbeziehung der Ergebnisse aus den Voruntersuchungen (Kapitel 1-3) verwendet um eine optimale Walztechnologie zu erzielen.

6.1 Test der Einführungen

Zunächst wurden die in diesem Projekt konstruierten und hergestellten Einführungen für die zu untersuchenden Kaliber getestet. Als nachteilig erwies sich dabei die Doppelnutzung der Kaliber, da bei der zweiten Nutzung durch die nun geringeren Probenabmessungen die Führung nur unzureichend gewährleistet werden konnte. Dies führt zum horizontalem Ausschwenken des Materials während des Einführens. Infolgedessen weist das umgeformte Material eine leicht mäandrierende Form auf (Abbildung 17).

Abbildung 17: Durch die Doppelnutzung der Kaliber bewirkte Formänderung

Ebenso kommt es zur Ausbildung von Walznähten jeweils an der nach Außen geschwungenen

Seite. Dieser Prozess konnte auch durch Variation der Walzparameter (beispielsweise durch

Verringerung der Walzgeschwindigkeit) nicht vermieden werden. In den darauffolgenden

Stichen wird die Form wieder begradigt, es kommt allerdings zu leichten Überwalzungen,

welche durch den statistischen Charakter der Schwingungen und daraus resultierenden

Nahtbildungen letztendlich die Reproduzierbarkeit vermindern.

15

6.2 Drahtherstellung AZ31

Das angestrebte Ziel war es, eine Walzstrategie zu ermitteln, die es ermöglicht mit der in

Kapitel 5 beschriebenem Kalibrierung Drähte hoher Güte hinsichtlich Maßhaltigkeit und

Oberflächenqualität herzustellen. Dazu wurden Versuche mit unterschiedlichen

Walzgeschwindigkeiten und Walzspalteinstellungen sowie Temperaturführung durchgeführt

und dabei die in Kapitel 1 und 2 dargelegten Erkenntnisse verwendet. Es wurden Stabproben

mit den Abmaßen l=250 mm und ⌀ 20 mm genutzt.

Als geeignetste Umformtemperatur hat sich 350°C (bei 15 min Glühdauer) für diese Legierung

erwiesen, als geeignetste Walzgeschwindigkeit v=2m/s. Die ermittelten experimentellen

Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengestellt.

Tabelle 3: experimentelle Ergebnisse für AZ31;Walzgeschindigkeit v=2m/s ; Ausgangstemperatur T=350°C

Stich Walzspalt [mm] Höhe [mm]

Breite [mm]

Länge [cm]

Fläche [mm²]

Temperatur

nach Stich [°C]

1 3,8 10,6 31,5 32,4 247,2 350

2 6,6 14,4 17,7 37,5 216,3 360

3 2,0 8,8 26,2 43,3 179,8 346

4 2,2 13,3 14,4 52,3 151,7 340

5 3,2 7,25 23,1 63,7 126,4 362

6 2,3 11,2 11,9 73,0 109,6 355

7 2,3 6,4 19,0 81,0 98,3 318

8 2,5 10,5 10,4 92,5 87,1 322

9 3,6 6,2 15,1 102,9 78,7 315

10 2,6 9,3 10,6 113,0 73,0 302

11 2,5 5,3 15,1 126,2 64,6 300

12 3,3 8,8 8,8 137,0 59,0 278

13 2,2 5,1 13,0 150,5 53,4 280

14 2,5 7,8 8,0 161,8 50,6 273

Obwohl sich das Material gut umformen lies, erfuhr es eine gegenüber der Planung zu geringe

Querschnittsverminderung (vgl. Tabelle 2 und Tabelle 3). So hatte der Draht nach 12 Stichen

einen Durchmesser von 8,8 mm statt der geforderten 8,0 mm. Deshalb mussten zusätzlich die

beiden letzten Kaliber doppelt verwendet werden, sodass die Querschnittsreduktion von 20

auf 8 mm nun in 14 statt 12 Stichen erfolgt. Dies steht dem Ziel, einen prozessstufenarmen

Umformprozess zu finden, entgegen. Ein Bild des nach 14 Stichen erzielten Drahtes (AZ31)

zeigt die Abbildung 18.

16

Abbildung 18: hergestellter AZ31 Draht nach 14 Stichen ; links: Überblicksbild rechts: Querschnitt

Es wird ein Draht von annähernd rundem Durchmesser erzielt. Starke Überfüllungen wie sie

in den Vorversuchen auftraten (Abbildung 11) sind nicht mehr ersichtlich. Leichte

Oberflächenfehler resultieren aus den bereits beschriebenen Ausschwenkungen. Die

Ergebnisse der Mikrostrukturanalyse zeigt die Abbildung 19. Die mittlere Korngröße sinkt mit

jedem Umformschritt kontinuierlich ab. Während sie nach 10 Stichen im Bereich der des

Ausgangsmaterials liegt, ist sie nach 14 Stichen wesentlich feiner (ca. 5 µm).

Abbildung 19: Gefüge AZ31 nach 10 (links) und 14 Stichen (rechts); Vergrößerung: 500-fach

6.3 Drahtherstellung AZ80

Auch für diese Legierung wurde eine geeignete Walzstrategie ermittelt, indem Versuche mit

unterschiedlichen Walzgeschwindigkeiten und Walzspalteinstellungen durchgeführt wurden.

Es wurden Stabproben mit den Abmaßen l=250 mm und ⌀ 12 mm und eine

Walzgeschwindigkeit von 2m/s verwendet. Als Umformtemperatur wurde zunächst 350°C

(mit 60 min Glühdauer) gewählt, weil sie sich in den Zylinderstauchversuchen als geeignet

darstellt hat. Während sich AZ31 bei dieser Temperatur, abgesehen von gelegentlichen

Überwalzungen, gut umformen lies, zeigte AZ80 ein wesentlich schlechteres

Umformvermögen. Eine starke Rissbildung perpendikular zur Drahtachse war die Folge (siehe

Abbildung 20, links). Bei weiterer Stichabnahme erweiterten sich diese Risse kontinuierlich,

bis es zu ersten Materialabplatzungen kam (Abbildung 20, rechts).

17

Abbildung 20: Risse nach dem 10. Stich (links) und 14. Stich (rechts)

Ursache ist zum einen die durch die Wärmedissipation während des Umformens bewirkte

Anschmelzung der an den Korngrenzen anliegenden γ-Phase (Mg17Al12). Dies führt zur Bildung

von Heißrissen. Zum anderem ist die Legierung sehr anfällig für die Umformbarkeit

verringerndes Kornwachstum (siehe Kapitel 2.2.1.) und für die lange Erwärmungsdauer

deshalb nicht geeignet.

Eine Optimierung der Glühtemperatur und -dauer führte zur Verwendung von 300°C (bei 15

min Glühdauer), obwohl AZ80 in Zylinderstauchversuchen bei dieser Temperatur vorzeitig

gebrochen ist. Bei dieser geringeren Temperatur zeigte das Material jedoch ein wesentlich

besseres Umformvermögen und die Rissbildung konnte völlig vermieden werden. Die

erzielten Ergebnisse gibt die Tabelle 4 wieder. Auch für diese Legierung konnten Überfüllungen

vermieden werden, wie die Profilquerschnitte (Abbildung 21) zeigen. Die Mehrfachnutzung des

6. Kalibers führt allerdings teilweise zur Bildung einer leichten einseitigen Naht des

Endproduktes (Abbildung 21, rechts).

Tabelle 4: experimentelle Ergebnisse für AZ 80; v=2m/s T=300°C

Stich Walzspalt [mm]

Höhe [mm]

Breite [mm]

Länge [mm]

Temperatur [°C]

7 2,2 6,35 19,5 39,4 295

8 2,4 10,3 10,65 44,7 305

9 3,5 6,1 15 51,4 312

10 2,6 9,4 9,65 56,8 311

11 2,6 5,3 14,5 62,2 315

12 3,3 8,8 8,1 65,8 292

13 2,4 5,3 11,78 64,5 280

14 2,3 7,85 8,2 79,2 293

18

Abbildung 21: Profilquerschnitte von AZ80 nach 10 Stichen (links), 13 Stichen (Mitte) und 14 Stichen (rechts)

Das Gefüge nach 10 und 14 Stichen ist in der Abbildung 22 vergleichend gegenübergestellt.

Die Vergrößerung beträgt jeweils 500x. Auffallend ist eine im Vergleich zum

Ausgangsmaterial (Abbildung 3) wesentlich feinere Mikrostruktur. Das Ausgangsgefüge weist

Körner bis Größen von über 50 µm auf, nach 14 Stichen sind es weniger als 10 µm. Es zeigt

sich also, dass die Umformung auf AZ80 stärker kornfeinend als auf AZ31 wirkt.

Abbildung 22: Gefüge AZ80 nach 10 und 14 Stichen; Vergrößerung: 500-fach

6.4 Fertigwalzen auf der Kontistraße

Das Fertigwalzen auf Endabmessungen ist hier exemplarisch für AZ31 erläutert, für AZ80

wurde analog verfahren.

Um die endgültige Abmessung ⌀ 6,5 mm zu erhalten wurden nach einer 15-minütigen

Zwischenglühung von 300°C noch weitere 4 Stiche an der Fertigstaffel der Kontistraße

angeschlossen. Dies geschah in der Stichabfolge Oval→ Quadrat→ Schlichtoval →Rund. Dazu

wurden die in Kapitel 5 beschriebenen Drähte mit Nenndurchmesser 8 mm in Stücke der Länge

von 30 mm zerteilt. Die genauen Kaliberabmessungen sowie wichtige Eigenschaften sind in

der Tabelle 5 und Abbildung 23 zusammengetragen.

19

Tabelle 5: Querschnitt und Streckung der einzelnen Kaliber

Stich A in [mm²] λ

1 54,1 1,19

2 40,64 1,33

3 34,24 1,18

4 33,16 1,03

Abbildung 23: Kalibergeometrie auf der Fertigstaffel; Skizze nicht maßstäblich

Die aus der Doppelnutzung der vorherigen Stiche resultierenden Überwalzungen führen auch

hier zu einer verbesserungswürdigen Reproduzierbarkeit. Teilweise kommt es zu leichten

Oberflächenfehlern (siehe Abbildung 24). Das Gefüge des fertig umgeformten Materials zeigt

die Abbildung 25. Es ergeben sich Körner im Bereich von 10 µm. Ein feinkörniges Gefüge bietet

gute Gebrauchseigenschaften: hohe Duktilität und Festigkeit, da einerseits die

Wahrscheinlichkeit steigt, dass Gleitebenen günstig zur Richtung der Schubbeanspruchung

liegen und andererseits eine große Anzahl an Hindernissen der Versetzungsbewegung

vorliegen. Auffällig ist, dass die Korngröße des Zwischenproduktes (Abbildung 19, rechts)

kleiner ist als jene des Endproduktes (Abbildung 25). Dies lässt sich durch die

fünfzehnminütige Zwischenglühung bei 300 °C erklären. Wie die Wärmebehandlungsversuche

ergaben (Abbildung 4) wirkt diese auf AZ80 deutlich kornvergröbernd.

Abbildung 24: gefertigtes Endprodukt (⌀ 6,5 mm) AZ 31

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Abbildung 25: Gefüge des gefertigten AZ31-Drahtes mit ⌀ 6,5 mm (Endprodukt)

7 Technischer und wirtschaftlicher Nutzen der Ergebnisse sowie ihr

innovativer Beitrag

In den nächsten fünf bis zehn Jahren wird für den Leichtbau mit Magnesium ein signifikantes Marktwachstum, insbesondere im Bereich der Struktur- und Konstruktionsanwendungen, prognostiziert. Neben neuen Anwendungsfeldern für Gusslegierungen werden dabei insbesondere Mg-Knetlegierungen vermehrt zum Einsatz kommen und somit auch der Bedarf an Drähten aus diesen Materialien steigen. Entsprechend werden die Produktpalette und somit der Bedarf an kostengünstigen Verarbeitungsmöglichkeiten steigen. Der industrielle Leichtbau und der Einsatz innovativer Leichtbauwerkstoffe sind in vielen Bereichen der industriellen Fertigung von hoher Relevanz. KMU übernehmen bei der Entwicklung neuer Produkt- und Leichtbaukonzepte regelmäßig eine Vorreiterstellung ein, so dass gerade sie von neuentwickelten Produktionsmöglichkeiten in besonderem Maße profitieren.

Durch dieses Forschungsprojekt wurden erstmals die wissenschaftlichen und technischen Grundlagen für die Herstellung von Drähten aus verschiedenen Magnesiumlegierungen durch Kaliberwalzen geschaffen. Aufbauend auf den Ergebnissen können spezialisierte Industrieunternehmen aus der Drahtherstellungsbranche die Prozessparameter den Gegebenheiten bei der Magnesiumdrahtherstellung anpassen, wodurch sich ein nur geringer Investitionsbedarf ergibt. Voraussetzung ist es allerdings das Problem der mangelnden Reproduzierbarkeit der Endabmessungen zu lösen. Der erarbeitete Lösungsvorschlag besteht in der Vermeidung von doppelt belegten Kalibern. Hierzu sind weitere ergänzende Forschungsarbeiten zu leisten.

Mit der im FuE-Projekt realisierten Technologieentwicklung können sich somit deutsche KMU einen entscheidenden Wettbewerbsvorteil – auch im internationalen Maßstab – sichern und ihre führenden Marktpositionen auf dem Gebiet der Drahtherstellung, des Werkzeugbaus und der Walzlagentechnik weiter ausbauen. Der Innovationsgehalt dieses Forschungsvorhabens wird insbesondere durch die Übertragung des Kaliberwalzens auf Magnesium und Magnesiumlegierungen bestimmt, was bislang nicht praktiziert wird. Das erfordert eine auf das Drahtmaterial und ihre spezifischen Eigenschaften zugeschnittene Technologie, welche in

21

diesem Projekt ermittelt wurde, und eine entsprechende Anlagentechnik, einschließlich der zugehörigen Werkzeuge.

Grundsätzlich bietet die Herstellung von Stäben und Draht durch das Walzen in Kalibern auf kontinuierlichen arbeitenden Anlagen die Möglichkeit, den Fertigungsprozess gegenüber dem Strangpressen zu rationalisieren und ermöglicht somit erst eine wirtschaftliche Massenproduktion von Halbzeugen. Neben einer kontinuierlichen Prozessführung, wie sie bereits zur Herstellung von Langprodukten aus Stahl und z. T. auch Aluminium erfolgreich eingesetzt wird, bietet das Walzen im Gegensatz zum Strangpressen vor allem die Möglichkeit, Halbzeuge mit praktisch unbegrenzter Länge herzustellen. Walzgeschwindigkeiten von mehr als 30 m/s können außerdem erheblich dazu beitragen, die Produktionsleistung zu erhöhen und somit die Herstellungskosten beträchtlich zu senken.

Darüber hinaus können die erzielten Erkenntnisse zur Drahtherstellung auf die Produktion weiterer Profilgeometrien für Magnesiumlegierungen übertragen werden. Die Entwicklung einer kostengünstigen und prozesssicheren Technologie zur Herstellung von Profilen ein-facher Querschnittformen bietet für KMU große Potenziale, denn teils völlig neuartige innovative Anwendungen könnten sich realisieren lassen.

Als potenzielle Einsatzgebiete für Magnesiumlangprodukte können u.a. genannt werden:

- Federn und Schweißdraht

- schnell laufende Komponenten mit wechselnder Bewegungsrichtung, z.B. in Textil-, Druck- und Verpackungsmaschinen

- Biege- und Formteile für Strukturkomponenten in Automobilbau, Luft- und Raumfahrttechnik, Militärtechnik und Aggregatbau u.a.

- Verbindungstechnik bzw. Fertigung von Verbindungselementen

- medizinische Anwendungen (resorbierbare Implantate u.a.)

- Komponenten für die Elektronik und Kommunikationstechnik

- Sport- und Freizeitausrüstung

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8 Verwendung der Zuwendung

8.1 Projektbezogene Ausgaben

Innerhalb der gesamten Laufzeit wurden projektbezogene Ausgaben in Höhe von 182.486,10 EUR getätigt, die sich wie folgt zusammensetzen:

Sachmittel (aus Pauschale): 29.016,35 für Verbrauchsmaterial/Ersatzteilbedarf Ausgaben für Leistungen Dritter: 8.388,00 EUR (für Bearbeitung Draht-Kalibrierwerkzeuge und Walzen durch Seidel Werkzeugbau GmbH) Ausgaben für Gerätebeschaffung wurden keine getätigt Personalausgaben: 145.081,75 EUR (darunter Bruttoentgelte 116.148,51 wiss.-techn.

Personal, 19.441,91 übriges Fachpersonal und 9.491,33 Pauschale für Personalausgaben)

Als wissenschaftliche Mitarbeiter (A.1 HPA A) waren Herr Mattias Helbig (Einsatz im Projekt mit 11 Personenmonaten in 2015 und 9 in 2016) Frau Joanna Dembinska (Einsatz mit 1,5 Personenmonaten in 2015 und 0,25 in 2016) und Herr Frank Hoffmann (Einsatz im Projekt mit einem Personenmonat in 2014) Projekt tätig. Als technische Mitarbeiter wurden eingesetzt: Für die Durchführung der Walzversuche, Herr Erik Müller (A.2 HPA E) im Umfang von 4,5 Personenmonaten in 2015 und 2,5 in 2016, sowie für Werkstoffuntersuchungen, Frau Diane Hübgen (A.1 HPA B), im Umfang von 2,5 Personenmonaten in 2015 und 0,5 in 2016. Mit der Bewilligung von 205.650,00 EUR ergibt sich ein Restbetrag von 23.164,90 EUR. Dieser wird der industriellen Gemeinschaftsforschung wieder zur Verfügung gestellt.

8.2 Notwendigkeit und Angemessenheit der geleisteten Arbeit Innerhalb des Berichtszeitraums wurden ausschließlich Arbeiten durchgeführt, die innerhalb des Projektarbeitsplans unbedingt erforderlich sind, um die formulierten Projektziele zu erreichen. Der dabei erbrachte Arbeitsaufwand war angemessen und liegt im Rahmen der Vorplanung. Ungeplante Mehrausgaben gegenüber der ursprünglichen Planung sind nicht entstanden.

23

9 Plan zum Ergebnistransfer in die Wirtschaft

9.1 spezifische Transfermaßnahmen während der Laufzeit des Forschungsvorhabens

Tabelle 6: durchgeführte Transfermaßnahmen während der Laufzeit des Forschungsvorhabens

Maßnahme Erläuterung Zeitraum

Wissenstransfer durch Vorträge / Vorstellung auf verschiedenen

Fachkonferenzen und Tagungen

IMA World Magnesium Conference Vancouver, Canada

DGM Werkstoffwoche Dresden

10th International Conference on Magnesium Alloys and Their Applications Jeju, Südkorea

17.-19. 05. 2015

27.-29.09.2015

11.-16. 10. 2015

wissenschaftliche Publikationen unter Nutzung der Ergebnisse

"Extension of the Freiberger Model of Spread for the Calculation of Material Flow during Rolling of Long

Products to a New Material Group of Mg Alloys" Key Engineering Materials. Vol. 716. Trans Tech

Publications

Oktober 2016

Initiierung weiterer Forschungsvorhaben auf

Grundlage/ unter Einbeziehung der im Projekt erzielten

Technologie

ZIM-Verbundprojekt Herstellung hybrider Draht-Kunststoff-Verbunde mittels der in diesem Projekt erzielten Walzstrategie

ZIM-Projekt mit 2 PA-Partnern Nachweis der Eignung von Magnesiumdraht zur Herstellung von Schrauben und anderer Verbindungselemente

Von EU und Freistaat Sachsen gefördertes Projekt zum kombinierten Gießwalz- und Kaliberwalzverfahren zur kontinuierlichen Erzeugung von Magnesiumdraht

04/15 bis 03/18

02/13 –01/15 (abgeschlossen)

Gießwalzanlage derzeit im Bau

Projektbegleitender Ausschuss (PA),

Fortlaufende Diskussion der Forschungsergebnisse

einmalige Tagung des projektbegleitenden Ausschusses am 5.11.2015,

anschließend Diskussion der Ergebnisse in etlichen bilateralen Gesprächen mit PA-Mitgliedern

laufend

Übernahme in die akademische Lehre

Vermittlung des besonderen Breitungsverhaltens von Magnesium beim Kaliberwalzen in Vorlesungen zur

Umformtechnik laufend

Herstellung von Demonstratoren zum Nachweis der Machbarkeit

der Ergebnisse

Herstellung verschiedener Drähte für Demonstrationszwecke (z.B. für Präsentationen

und Messebeteiligungen) Ende 2016

In einem Forschungsvorhaben konnte in Zusammenarbeit mit zwei KMU-Partnern aus dem projektbegleitenden Ausschuss (KIESELSTEIN International GmbH und ESKA Automotive GmbH) erfolgreich die Eignung von Magnesiumdraht zur Herstellung von Schrauben und anderen Verbindungselementen demonstriert werden. Gegenüber den als Referenz verwendeten Aluminiumschrauben wiesen die Magnesiumschrauben sehr attraktive Eigenschaften auf. Mit der Verfügbarkeit einer geeigneten Kaliberwalztechnologie, die im Rahmen des vorliegenden Projektes entwickelt wird, ergeben sich in diesem Bereich gute Verwertungspotentiale, unter anderem für gießgewalzte Drähte. Somit ist die Realisierbarkeit des Transfervorhabens bereits jetzt gegeben.

24

9.2 geplante Transfermaßnahmen nach der Laufzeit des Forschungsvorhabens

Tabelle 7: geplante Transfermaßnahmen nach der Laufzeit des Forschungsvorhabens

Maßnahme Erläuterung Zeitraum

Beratung interessierter Unternehmen,

Weiterbildung von Mitarbeitern kleiner und mittlerer Unternehmen

Schulungen, Weiterbildungen, sowie Beratung von Industrieunternehmen ohne eigene Forschungskapazitäten

nach Bedarf

es sind weitere Publikationen in Fachzeitschriften sowie im Rahmen von

Konferenzen vorgesehen

“Development of a suitable calibration for high quality rolled magnesium alloy wire” CabWire, Düsseldorf

“Development of a caliber rolling technology for cast and extruded magnesium alloy AZ31” TMS 2018 Phoenix, USA

7.11.2017

11.-15.03.2018

Online-Veröffentlichung, schnelle und umfassende Informations-

verbreitung im Internet

Veröffentlichung der

Forschungsergebnisse auf der derzeit im Aufbau befindlichen Website

„Zentrum Magnesiumwerkstoffe“

März 2017

Weitergabe des Abschlussberichtes in Print-Form

an die Mitglieder des PA

an die staatlich initiierten Fachinformationszentren WTI Frankfurt und TIB Hannover

März 2017

Diskussion des weiteren Vorgehens

mit Mitgliedern des PA sowie neu hinzugekommenen Interessenten

laufend

Übernahme in die akademische Lehre

Heranführung von Studenten

an die Problemstellung und Lösung im Rahmen der Vorlesung „Umformwerkzeuge“

ab Sommersemester 2017

Präsentation der Forschungsergebnisse sowie der gefertigten Demonstratoren

Bspw. bei Konferenz „Meform 2017“ (Schwerpunkthema Draht)

15./16.03.2017

25

10 Zusammenfassung

Im Rahmen des Forschungsvorhabens wurde erstmalig das Kaliberwalzen auf Magnesium-

legierungen angewendet.

Für die Untersuchungen wurden zunächst die vielfach eingesetzten Knetwerkstoffe AZ31 und

AZ80 hinsichtlich ihres Gefügezustandes und Umformverhaltens analysiert. Als

Ausgangsmaterial standen dabei kommerziell erhältliche stranggepresste Ausgangsstäbe und

unter Laborbedingungen abgegossene Proben zur Verfügung. Während erster eine für die

Warmumformung geeignete Mikrostruktur aufwiesen zeigten die gegossenen Proben eine

ungünstige grobkörnige Mikrostruktur, ausgeprägte Seigerungen sowie Verunreinigungen

und wurden daher für die weiteren Untersuchungen ausgeschlossen. Mit dem

stranggegossenem Ausgangsmaterial wurden dann Fließkurven aufgenommen und

Zugversuche durchgeführt um die mechanischen Eigenschaften zu evaluieren.

In Vorversuchen mit einer für Stahl ausgelegten Kalibrierung wurden anschließend charakteristischen Größen (wie Breitung und Streckung) in Abhängigkeit von den wesentlichen Prozessparametern (z.B. Stichabnahme, Walztemperatur, Walzgeschwindigkeit) und den tribologischen Bedingungen bestimmt. Mit diesen Versuchen wurden durchgeführte FEM-Modellrechnungen verglichen. Diese sind im Wesentlichen im Einklang mit den gemessenen Ergebnissen. Die Profilbreite wird jedoch in allen Stichen als zu gering berechnet. Mithilfe der institutseigenen Kalibrierungssoftware wurde aus den experimentellen und

simulativen Ergebnissen eine Kaliberreihe mit 12 Stichen für das Walzen von 20 auf 8 mm

Durchmesser der zu untersuchenden Magnesiumlegierungen entwickelt. Die Planung sah

dabei die Mehrfachbenutzung einzelner Kaliber vor.

In anschließenden Versuchen mit der neu entworfenen Kalibrierung wurde für beide

Legierungen eine Strategie zur Erzeugung von Drähten mit guter Oberflächengüte, in 14

Stichen, entwickelt. Dabei konnten gegenüber den Vorversuchen die Überfüllungen stark

reduziert werden. Allerdings führte die Doppelbelegung einzelner Kaliber zu ungewollter

horizontaler Bewegungsfreiheit des Drahtes beim Einführen. Infolgedessen weisen

Zwischenprodukte eine mäandrierende statt gerader Form auf und es kommt zu einer

Nahtbildung, was die Oberflächengüte nach nachfolgenden Stichen leicht verringert. Auch ist

dadurch die Reproduzierbarkeit der Drahtabmessungen verringert. Schlussendlich wurde auf

der Fertigstaffel der Enddurchmesser von 6,5 mm in 4 Stichen erzielt.

In zukünftigen Forschungsvorhaben sollte, auf der Grundlage der im Projekt ausgearbeiteten

Kalibrierung, eine neue erstellt werden. Allerdings ohne erneute Verwendung von mehrfach

genutzten Kalibern. Diese Technik hatte sich für Stahllegierungen bewährt, ist aber wie die

vorliegenden Ergebnisse erstmalig für Magnesium zeigen ungeeignet.