Komplexe Bauteile durch Thixo-Schmieden

Die Thixo-Technologie gilt als verfahrenstechnische Zwischenlösung von Druckguss und Gesenkschmieden. Das Thixo-Schmieden gewinnt in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. So wird bereits am...

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Die Thixo-Technologie gilt als verfahrenstechnische Zwischenlösung von Druckguss und Gesenkschmieden. Das Thixo-Schmieden gewinnt in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung. So wird bereits am Institut für Umformtechnik (IFU) der Universität Stuttgart seit 1994 das Thixo-Schmieden von Aluminium, Messing, PM-Legierungen und Stahl untersucht. Neben der Entwicklung einer geeigneten Pressentechnologie und Anlagen zur induktiven Erwärmung zielen die Entwicklungen auf seriennahe Musterbauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen.Unter dem Thixo-Schmieden versteht man die Formgebung von Metallen innerhalb des Solidus- Liquidus-Intervalls. Der Ausgangswerkstoff wird dabei für den Formgebungsprozess durch Erwärmung in einen Gefügezustand überführt, in dem ein Teil des Werkstoffes bereits flüssig und der andere Teil noch fest ist. Zu Prozessbeginn besitzt das Rohteil somit noch eine ausreichende Festigkeit, um in das Werkzeug eingelegt zu werden. Wirkt die bei der Formgebung auftretende Scherbelastung auf das erwärmte Rohteil ein, so entsteht eine fließfähige Suspension aus fes-ten Partikeln und Schmelze. Dieses scherratenentfestigende Werkstoffverhalten nennt man Thixotropie. Das Thixo-Schmieden ist verfahrenstechnisch zwischen dem Druckguss und dem Gesenkschmieden einzuordnen. Bauteile, die durch das Thixo-Schmieden hergestellt werden, können die Vorteile dieser beiden konventionellen Verfahren kombinieren. So können beispielsweise komplizierte Bauteilgeometrien und dünne Wanddicken realisiert werden, wie sie vom Druckgießen bekannt sind. Gleichzeitig können Bauteileigenschaften wie hohe Festigkeiten, hohe Bruchdehnung, gute Oberflächen und druckdichte Gefüge, wie sie bei gesenkgeschmiedeten Bauteilen auftreten, eingestellt werden. Die für die Umformung benötigte Stempelkraft ist beim Thixo-Schmieden im Vergleich zum konventionellen Schmieden deutlich geringer.Der Prozess des Thixo-Schmiedens lässt sich in die Teilschritte Vormaterialbehandlung, Erwärmung und eigentliche Umformung sowie Abkühlung mit gegebenenfalls nachfolgender Wärmebehandlung untergliedern. Durch die Vormaterialbehandlung soll ein Werkstoffgefüge eingestellt werden, das bei der Erwärmung auf Prozesstemperatur feste globulare Gefügebestandteile in einer flüssigen Matrix enthält. Dieses gewünschte Gefüge kann beispielsweise beim Stranggießen des Vormaterials durch elektromagnetisches Rühren eingestellt werden.Die Erwärmung der Rohteile in das Solidus-Liquidus-Intervall erfolgt in der Regel induktiv. Um über den gesamten Rohteilquerschnitt einen definierten homogenen Flüssiganteil zu erhalten, ist hierfür eine sehr genaue Temperaturführung notwendig. Die Umformung erfolgt in einem offenen oder geschlossenen Gesenk auf einer speziell auf das Thixo-Schmieden ausgelegten Presse. Nach der Umformung können die Produkteigenschaften durch eine kontrollierte Abkühlung und gegebenenfalls mit einer nachfolgenden Wärmebehandlung optimiert werden.Die Erwärmung der Teile erfordert FeingefühlBei der Erwärmung auf die gewünschte Rohteiltemperatur ist auf eine kurze Erwärmungszeit zu achten, damit kein unerwünschtes Kornwachstum eintritt. Diese Forderung lässt sich am besten durch eine induktive Erwärmung umsetzen. Zum Einsatz kommen Schwingkreis-Anlagen oder die am IFU eingesetzte Induktionsanlage, an der eine über einen Thyristor gepulste Gleichspannung anliegt. Die Pulsfrequenz ist dabei zwischen 1 und 4 kHz einstellbar. Die Eindringtiefe läßt sich über die einstellbare Frequenz variieren. Durch eine Pulsbreitenmodulation ist es zudem möglich, die in das Rohteil induzierte Leistung bei konstanter Frequenz zu verändern. Die Optimierung der Erwärmung ist mit diesen beiden Parametervariationen realisierbar.Beim Thixo-Schmieden muß die Umformung der Rohteile meist in einem sehr engen Temperaturbereich zwischen Solidus- und Liquidustemperatur erfolgen. Daraus ergibt sich die Forderung nach einer genauen Überwachung des Erwärmungsprozesses. Zum Einsatz kommen bei der Überwachung in der Praxis zum einen Leistungscontroller, die die in das Rohteil eingebrachte Leistung erfassen. Zum anderen erfolgt eine Kontrolle über die Messung der Induktivitätsänderung im Rohteil. Am IFU wird die Temperatur über eine Effektivstrommessung erfasst. Dabei wird der Strom in der Zuleitung der Induktionsspule gemessen. Bei konstanter Spannung ändert sich der Strom beim Übergang vom festen zum teilflüssigen Zustand. Durch eine auf diesem Prinzip beruhenden Messung lässt sich der Aufschmelzzeitpunkt erkennen (Bild 1). Auf den zugehörigen Flüssigphasenanteil kann mit Hilfe von Referenzversuchen geschlossen werden.Formgebung erfolgt mit einer hydraulischen PresseFür die Umformung beim Thixo-Schmieden wird am IFU eine hydraulische Presse mit Stößelgeschwindigkeiten von bis zu 800 mm/s eingesetzt. Zu Beginn der Umformung wird eine geringe Stößelgeschwindigkeit bevorzugt, um durch ein ,,sanftes" Anpressen ein Auseinanderspritzen des Werkstoffes zu verhindern. Anschließend erfolgt die Füllung der Gesenkkavität mit einer hohen Umformgeschwindigkeit. Während der Erstarrung des Umformgutes wird eine hohe Druckkraft gefordert, um die Bildung von schrumpfungsbedingten Poren zu vermeiden.Durch den Einsatz des am IFU entwickelten Schließwerkzeuges ist die Umformung auch auf einfachwirkenden Pressen möglich. Durch eine Verkettung der Presse mit zwei Induktionserwärmungseinrichtungen, zwei Robotern und einem Schmierstofffeeder wurde der Prozess für den vollautomatisierten Betrieb ausgelegt (Bild 2). Den vorhandenen Komponenten und Anlagen wurde dabei eine Automatisierungssteuerung übergeordnet. Diese Siemens SPS S7-Steuerung überwacht den gesamten Ablauf und dient den einzelnen Komponenten als zentrale Komunikationsschnittstelle (Bild 3). Die in einem eigenen Bedienpult mit mehrzeiligem LC-Display integrierte Steuerung lässt sich flexibel umprogrammieren und ermöglicht jederzeit eine Erweiterung der Anlage.Für das Thixo-Schmieden ist es erforderlich, dass der Werkstoff ein globulares und feinkörniges Gefüge sowie ein Schmelzintervall aufweist. Die Korngröße sollte kleiner als 100 mm sein. Am IFU werden Aluminium, Messing, PM-Legierungen und Stahl umgeformt. Hauptsächlich werden die Aluminium-Gusslegierung AlSi7Mg, die Aluminium-Knetlegierung AlMgSi1, die Messinglegierung CuZn40Al2 sowie weitere Legierungen untersucht. Diese thixotropen Werkstoffe ergeben aufgrund der hohen Fließfähigkeit sowie der Möglichkeit des Verschweißens zweier Materialflüsse eine große Vielfalt an Formgebungsmöglichkeiten.Durch Thixo-Schmieden hergestellte BauteileDas in Bild 4 gezeigte Bauteil ,,Pralltopf" aus AlMgSi1 stellt den Abschluss eines PKW-Längsträgers dar. Er dient zur Befestigung des Stoßfängers und wird an den Längsträger angeschweißt. Der korrosionsbeständige Werkstoff AlMgSi1 ist mit anderen Legierungen des AlMgSi1-Typs gut verschweißbar. Das Thixo-Schmieden erlaubt es, die Gewindebohrungen für die Stoßfängerbefestigung direkt bei der Umformung zu berücksichtigen und gleich mit einzuformen. Erkennbar sind im äußeren Bereich des Bauteils die verschiedenen Materialanhäufungen für die Gewindebohrungen. Übergänge von dünnwandigen Bereichen zu dickwandigen Bereichen beziehungsweise Materialanhäufungen insbesondere lassen sich mit dem Thixo-Schmieden sehr gut realisieren.Der Flaschenöffner, als Beispiel in Bild 5 dargestellt, wurde neben der Aluminium-Legierung AlSi7Mg auch mit anderen Legierungen, und zwar mit CuZn40Al2 und PM CuSn13,5+Al0,3 thixogeschmiedet. Das Bauteil muss dabei vorgegebene mechanische Eigenschaften erfüllen und eine gute Oberfläche aufweisen. Das Thixo-Schmieden ermöglicht mit Hilfe der Verschweißung zweier Materialflüsse die vollständige Ausformung der Öffnung für den Kronkorken.Anhand des im Aufmacherbild unter b dargestellten Querlenkers aus dem Fahrwerkbereich eines PKW lässt sich die Fertigung einer Durchgangsbohrung bei der Umformung mit Hilfe von Thixo-Schmieden verdeutlichen. Die Bohrungen werden durch den Einsatz von ziehbaren Kernen gefertigt. Das Thixo-Schmieden besitzt das Potenzial, die Vorteile des Druckgießens sowie des konventionellen Schmiedens zu vereinen. Mit diesem Verfahren sind hochwertige und äußerst komplexe Bauteile wie zum Beispiel aus dem Antriebs- und Fahrwerksbereich zu realisieren. Neben der entsprechenden Pressen-, Anlagen- und Werkzeugtechnik stehen verschiedene Simulationsprogramme zur verbesserten Prozess- auslegung zur Verfügung.Trotz der bisher guten Ergebnisse, die im Forschungsbereich beim Thixoschmieden erreicht wurden, ist die Entwicklung noch nicht vollständig abgeschlossen. Der derzeitige Stand ist durch erste industrielle Anwendungen gekennzeichnet, die wohl in nächster Zeit weitere Anwendungsmöglichkeiten und Erkenntnisse hervorbringen werden.