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Page 1: Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Thixo-Schmieden

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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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Bau

teile

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

Knetlegierung: AlMgSi1

Gusslegierung: AlSi7Mg

U = 577°C

O = 586°C

O = 642°C

Temperaturbereiche für das Thixo-Schmieden

AL + Si

L + Si

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

ErwärmungErwärmungComposite-Composite-HerstellungHerstellung

Wärme-Wärme-behandlungbehandlung

Rou

te A

Rou

te A

+Rou

te B

Rou

te B

Thermische SpritzschichtKohlenstofffaserBlech-Halbzeug

MatrixMatrixThermischeThermische

BeschichtungBeschichtung

Blech-Blech-HalbzeugHalbzeug

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

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

idun

gen

Inte

rfac

esch

icht

C- F

aser

Ausscheidungen:Ausscheidungen: l= 20- l= 20- 250nm250nm

BeugungsbildBeugungsbild

Zone axis : [0,1,0]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

Zone axis : [1,0,0]

a b

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

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