Stahl-Aluminium-Hybridteile mittels Massivumformung herstellen

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Leibniz Universität Inst. für Umformtechnik und Umformmaschinen (IFUM)

Die Höhe des Aluminiumkernzylinders wurde in Abhängigkeit vom Luftspalt zwischen den beiden Werkstoffverbundpartnern sowie der Einfluss der Umformtemperaturen von Stahl und Aluminium aufgrund unterschiedlicher mittlerer Wärmeausdehnungskoeffizienten dargestellt. Die Ausgangshöhe des Aluminiumkernzylinders sowie die Umformtemperaturen der Verbundpartner beeinflussen die mögliche Entstehung eines Schrumpfspaltes im Übergangsbereich der Werkstoffe während des Abkühlprozesses deutlich.

Hierbei wird über die Höhendifferenz zum einen das freie Luftspaltvolumen auf Basis der Volumenkonstanz mit Aluminium aufgefüllt und zum anderen der Wärmeeinfluss aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten kompensiert. Eine Steigerung der Stahlmanteltemperatur erfordert eine Erhöhung der Aluminiumkernzylinderhöhe, wohingegen eine höhere Umformtemperatur des Aluminiums eine Verminderung der Höhe notwendig macht (Bild 3). Bei Vernachlässigung des Temperatureinflusses liegt die Kernzylinderhöhe auf der Kurve 1.

Grenzen der minimalen Umformtemperatur von Aluminium

Zur Ermittlung eines spaltfreien Prozessfensters für das Verbundschmieden sind Temperaturgrenzen von entscheidender Bedeutung (Bild 4). Als Randbedingungen werden hierbei minimale beziehungsweise maximale Umformtemperaturen der Verbundpartner festgelegt.

Aluminium wird für ein ausreichendes Formänderungsvermögen bei einer Temperatur von mindestens Tmin,Al = 350 °C umgeformt. Die optimale Schmiedetemperatur von Aluminium beträgt in Abhängigkeit von der Legierung 450 °C [3].

Um Phasenanschmelzungen zu vermeiden, sollte die Temperatur des Aluminiums vor der Umformung maximal 500 °C betragen [4]. Die maximale Temperatur von Aluminium wird infolgedessen auf Tmax,Al = 450 °C gesetzt. Für die obere und untere Temperaturgrenze von Stahl werden Tmin,St = 800 °C und Tmax,St = 1200 °C angenommen, um ein ausreichendes Formänderungsvermögen zu gewährleisten.

Umformtemperatur des Aluminiumkernzylinders zur Schrumpfspaltvermeidung begrenzen

Die Gerade in Bild 4 stellt näherungsweise den Verlauf der maximalen Umformtemperatur des Aluminiumkernzylinders in Abhängigkeit von der eingestellten Umformtemperatur des Stahlhohlzylinders dar, bei der rechnerisch kein Schrumpfspalt zwischen dem Werkstoffverbund zu erwarten ist.

Aus den Grenzen der minimalen Umformtemperatur von Aluminium sowie der sich aus der Geraden ergebenden Aluminiumtemperatur, ergibt sich das Prozessfenster für die Temperaturgrenzen des Aluminiums zur Schrumpfspaltvermeidung (Fall A).

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