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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmieden eines Bauteils, das
aus einer Titan als Hauptbestandteil aufweisenden Titanlegierung
besteht.
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Die
in den letzten Jahren zu beobachtenden Anstrengungen, primäre Energieträger einzusparen und
Emissionen zu reduzieren, haben für eine zunehmende Bedeutung
von Leichtmetallwerkstoffen sowohl im Automobilbau als auch in der
Luft- und Raumfahrttechnologie geführt, da leichtere Konstruktionen
zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch führen. Insbesondere in der Luft-
und Raumfahrttechnologie werden zunehmend Titanwerkstoffe, insbesondere
Titanlegierungen, eingesetzt. Der Grund hierfür sind die bezogen auf die
Dichte sehr hohen Steifigkeits- und Festigkeitswerte von Titanwerkstof fen,
die dieses Material gegenüber
sämtlichen
anderen Werkstoffen hervorheben.
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Zum
Schmieden von Titanwerkstoffen sind aus dem Stand der Technik das α-β-Schmieden
sowie das β-Schmieden
bekannt.
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Bei
dem beispielsweise in der
EP
1 127 949 A2 beschriebenen α-β-Schmieden erfolgt vor der Umformung
der aus der Titanlegierung bestehenden Bauteile eine Erwärmung derselben
auf eine Temperatur von 30 bis 100°C unterhalb der β-Transus-Linie, die
für Reintitan
ca. 882°C
beträgt.
Auf diese Weise soll ein gesteigertes Umformvermögen mit Hilfe der Temperaturabhängigkeit
der Fließspannung
erreicht werden, wodurch sich letztlich eine rissfreie Umformung
mit einem möglichst
hohen Umformgrad ergeben soll. Allerdings ist es beim α-β-Schmieden
erforderlich, ein Überhitzen
des Gefüges über die β-Transus-Linie
zu vermeiden, was das Verfahren erheblich verkompliziert. Außerdem muss
beachtet werden, dass der Umformgrad und die Umformgeschwindigkeit
so auszuwählen
sind, dass es zu einer definierten Gefügeumwandlung kommt, nämlich zu
einer Rekristallisation als globulare Ausprägung der α-Phase. Dieses konventionelle Gesenkschmieden
von Titanwerkstoffen erfolgt, je nach Legierung, allgemein bei einer
Temperatur zwischen 840 und 1050°C,
also 30 bis 100°C
unterhalb der β-Transus-Linie.
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Das β-Schmieden
wird bei Temperaturen oberhalb der β-Transus-Linie durchgeführt. Hierbei muss
die Umformung vor der α-β-Umwandlung
abgeschlossen werden. Des weiteren ist die Haltezeit des Werkstoffs
auf der Umformtemperatur vor dem Schmiedevorgang von erheblicher
Bedeutung, da eventuell erhöhte
Temperaturen zu einer Kornvergröberung
und zu einer gesteigerten Aufnahme von Sauerstoff und Wasserstoff
führen,
wodurch sich die Sprödigkeit
und die Härte
des Werkstoffs in unerwünschter
und meist unkontrollierbarer Art und Weise erhöhen. Des weiteren ist nach
dem Schmieden eine definierte Abkühlung erforderlich, um eine
nachteilige Gefügeausbildung,
insbesondere eine Belegung der Korngrenzen mit der α-Phase, zu
vermeiden.
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Bei
diesen beiden konventionellen Verfahren der Warmumformung oberhalb
der Rekristallisationstemperatur mittels Gesenkschmieden sind zusätzlich zu
den oben genannten Problemen die sehr häufig erforderlichen Zwischenumformstufen
sowie die hohen Umformkräfte
und die sich hieraus ergebenden nachteiligen Auswirkungen auf die
einzusetzenden Schmiedepressen von Nachteil. Des weiteren lassen sich
mit den bekannten Verfahren nur begrenzte Bauteilformen erzeugen.
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Ein
weiteres Problem beim konventionellen Schmieden ergibt sich aus
dem hohen Temperaturgradienten zwischen dem Werkstück und dem
Werkzeug, was zu schlechteren Umformeigenschaften führt.
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Ein
weiteres, aus dem allgemeinen Stand der Technik bekanntes Verfahren
zum Schmieden von Titan ist das sogenannte isotherme Schmieden. Hierbei
wird der Temperaturgradient zwischen dem umzuformenden Bauteil und
dem Werkzeug minimiert und die Umformkraft wird deutlich reduziert. Nachteiligerweise
ist bei diesem Verfahren jedoch ein hochwarmfester Werkzeugwerkstoff
erforderlich und es muss ein geeignetes Werkzeugkonzept zur homogenen
Temperierung desselben bereitgestellt werden.
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Titanwerkstoffe
zeigen bei isothermen Bedingungen bei definierten, geringen Umformgeschwindigkeiten
ein superplastisches Verhalten, wobei der Effekt des Korngrenzengleitens
ausgenutzt wird und ein pseudoviskoses Fließen entsteht. Hierbei sind
jedoch die relativ geringen erreichbaren Umformgeschwindigkeiten,
die komplexe Werkzeugtechnik sowie das zur Umformung erforderliche
feine, globulare Gefüge
nachteilig.
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Aus
der WO 03/008655 A2 ist ein Formteil aus einem intermetallischen γ-TiAl-Werkstoff
bekannt, dessen Herstellung das Fertigen eines Halbzeugs unter Einbeziehung
eines Warmumformprozesses und das Ausformen des Halbzeugs im Solidus-Liquidus-Phasenzustand
der Legierung umfasst. Die Legierung befindet sich beim Ausformen
im thixotropen Zustand, was einen sehr hohen Aufwand hinsichtlich
der Verfahrenssteuerung erforderlich macht und sehr häufig zu
nicht vorhersehbaren Ergebnissen führt. Ein weiterer Nachteil
des dort beschriebenen Formteils ist, dass dieses aus einer intermetallischen γ-TiAl-Legierung
bestehen muss.
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Ein
Verfahren zur Herstellung eines aus einer Metalllegierung gebildeten
Werkstoffes ist in der
EP
1 230 409 B1 beschrieben. Allerdings enthält die Metalllegierung
als Hauptbestandteil Aluminium und es wird Barium als Zusatzmaterial
eingesetzt.
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In
der
EP 0 554 808 A1 ist
ein Verfahren zur Herstellung von Formteilen aus Metalllegierungen beschrieben,
bei dem die Metalllegierungen in einen schmelzflüssigen Zustand gebracht und
nach konventionellen Gießverfahren
zu geometrisch einfachen Formen vergossen werden.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Schmieden
eines Bauteils aus einer Titanlegierung zu schaffen, welches einfach
zu beherrschen ist und eine Verringerung der Umformkräfte ermöglicht.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
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Dadurch,
dass sich erfindungsgemäß beim Schmieden
ein Teil der Titanlegierung in einer flüssigen und ein Teil der Titanlegierung
in einer festen Phase befin det, also ein teilflüssiges Material vorliegt, verringert
sich die Fließspannung
des Materials erheblich, wodurch bereits mit sehr geringen Umformkräften ein
sehr hohes Formänderungsvermögen erreicht
werden kann. Dies hat sowohl für
die herstellbaren Bauteile als auch für die zum Einsatz kommenden
Schmiedepressen große
Vorteile, da diese bei geringeren erforderlichen Umformkräften gegebenenfalls
kleiner und damit kostengünstiger ausgeführt werden
können.
Erfindungsgemäß können somit
die Vorteile des Urformens, nämlich
dünne erreichbare
Wandstärken
bei komplexer Bauteilgeometrie sowie kurze Taktzeiten, mit denen
des Umformens, nämlich
eine Erhöhung
der Festigkeit und ein dichtes erreichbares Gefüge, verbunden werden. Insbesondere
die mögliche
Verkürzung
der Taktzeiten kann vorteilhafterweise zu einer Verringerung der Kosten
eines mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten
Bauteils führen.
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In
diesem Zusammenhang wurde sogar festgestellt, dass sich aufgrund
der weiten möglichen Fließwege und
der damit verbundenen guten Formfüllung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
in dem Schmiedewerkzeug enthaltene Kerne umfließen lassen, was mit üblichen
Schmiedeverfahren unmöglich
ist. Die sich durch das erfindungsgemäße Verfahren ergebende gute
Formfüllung
führt des
weiteren zu einer erheblichen Verringerung von Gaseinschlüssen, wodurch
nachfolgende Wärmebehandlun gen wie
Warmauslagern oder Lösungsglühen möglich werden.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren
erschließt
sich somit ein vollkommen neues Feld von mit demselben herstellbaren
Bauteilen, die bislang durch Gießen hergestellt wurden und
unter den dabei auftretenden Nachteilen, wie insbesondere dem bezüglich Festigkeit
schlechteren Gefüge,
leiden mussten.
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Erfindungsgemäß wird das
Bauteil induktiv erwärmt.
Durch die beim induktiven Erwärmen
mögliche
Steuerung der in das Bauteil induzierten Wirbelströme ist es
möglich,
die Temperatur des erwärmten Bauteils
bzw. die in dem Bauteil vorliegenden festen und flüssigen Phasen
sehr genau einzustellen, was zu einer entsprechend exakten Einstellung
der Werkstoffkennwerte führt.
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Da
Titanwerkstoffe eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit aufweisen und es daher
problematisch sein kann, eine gleichmäßige Erwärmung des gesamten Bauteils
zu erreichen, ist es besonders vorteilhaft, dass die Frequenz und/oder die
Pulsweite des das Bauteil erwärmenden
Wirbelstroms derart moduliert wird, dass die Eindringtiefe des Wirbelstroms
in das Bauteil während
der Erwärmung
verändert
wird. Eine derartige Veränderung
der Eindringtiefe des Stroms in das Bauteil kann zu einer sehr homogenen,
gleichmäßigen Er wärmung des
gesamten Bauteils führen,
wodurch zum einen beim nachfolgenden Schmieden die erforderlichen
Umformkräfte
verringert und zum anderen gleichmäßige Werkstoffeigenschaften
erreicht werden können.
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Besonders
vorteilhaft hinsichtlich der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
erreichbaren Werkstoffkennwerte ist es, wenn in einer vorteilhaften Weiterbildung
der Erfindung sich während
des Schmiedens ein Teil des in der Titanlegierung enthaltenen Titans
in einer flüssigen
und ein Teil des in der Titanlegierung enthaltenen Titans in einer
festen Phase befindet. Des weiteren können selbstverständlich auch
intermetallische Phasen und/oder Phasen, die sich durch Phasenumwandlungen
sowie Erholungs- und Rekristallisationsprozesse gebildet haben,
in der Titanlegierung vorliegen.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass besonders hohe Umformgrade bei
gleichzeitig besonders niedrigen Umformkräften erreicht werden können, wenn
sich während
des Schmiedens 20–50%
der Titanlegierung in einer flüssigen
Phase befinden.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, dass das Bauteil innerhalb eines
Temperaturbereichs von ΔT
= 100K geschmiedet wird. Dieser Temperaturbereich hat sich bezüglich der
oben angegebenen, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erreichbaren Vorteile
als besonders geeignet erwiesen, da in diesem Bereich das Verhältnis zwischen
der flüssigen und
der festen Phase für
die Umformung besonders vorteilhaft ist.
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Üblicherweise
wird das Bauteil auf die Schmiedetemperatur erwärmt und unmittelbar nach dem
Erreichen der Schmiedetemperatur geschmiedet, wodurch ein einfach
beherrschbares Verfahren erreicht wird.
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Alternativ
kann jedoch auch vorgesehen sein, dass das Bauteil derart erwärmt wird,
dass es einen zumindest annähernd
vollständig
flüssigen
Zustand erreicht, und dass das Bauteil anschließend auf die Schmiedetemperatur
abgekühlt
wird. Ein solches Umformen unmittelbar nach dem Verlassen der vollständig flüssigen Phase
kann für
bestimmte, mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
herzustellende Bauteile vorteilhaft sein.
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Des
weiteren kann vorgesehen sein, dass das Bauteil unter einer Schutzatmosphäre, insbesondere
unter einer Argonatmosphäre
geschmiedet wird. Da bei den oben angegebenen, relativ hohen Temperaturen
mit der Aufnahme von Stickstoff und Sauerstoff aus der Umgebungsluft
in das Bauteil gerechnet werden muss, kann durch eine derartige Schutzatmosphäre eine
verbesserte Reinheit der Zusammensetzung des durch das erfindungsgemäße Verfahren
hergestellten Bauteils erzielt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann des weiteren
vorgesehen sein, dass die mechani schen Eigenschaften des Bauteils
nach dem Schmieden durch gesteuertes Abkühlen des Bauteils beeinflusst
werden. Wenn bereits beim Abkühlen
des Bauteils Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften desselben
genommen wird, so kann gegebenenfalls auf ansonsten vorgesehene,
dem Schmieden nachgeschaltete Vergütungsverfahren verzichtet werden
und es kann in einfacher Weise ein Bauteil mit den gewünschten
Eigenschaften hergestellt werden.
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Besonders
vorteilhaft ist es in diesem Zusammenhang, wenn das Bauteil nach
dem Schmieden derart abgekühlt
wird, dass ein lamellares Gefüge
entsteht.
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In
einfacher Weise kann des weiteren eine Gefügeumwandlung innerhalb des
Bauteils dadurch stattfinden, dass das Bauteil in zwei Schritten
geschmiedet wird, wobei der zweite Schritt einen erheblich geringeren
Umformgrad aufweist als der erste Schritt, und wobei während des
zweiten Schritts eine Gefügeumwandlung
stattfindet.
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Als
für das
erfindungsgemäße Verfahren
besonders geeigneter Werkstoff hat sich TiAl6V4 erwiesen. Das erfindungsgemäße Verfahren
ist jedoch nicht auf diesen Werkstoff beschränkt sondern kann für die verschiedensten
anderen Titanlegierungen eingesetzt werden.
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Nachfolgend
wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig beschrieben.
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Es
zeigt:
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1 eine
sehr schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine
beispielhafte Erwärmungskurve für eine beispielhafte
Titanlegierung;
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3 ein
DTA-Diagramm für
eine beispielhafte Titanlegierung; und
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4 einen
vergrößerten Ausschnitt
aus dem Diagramm von 3.
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1 zeigt
auf sehr schematische Weise eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung, mit
der das erfindungsgemäße Verfahren
zum Schmieden eines Bauteils, das aus einer Titan als Hauptbestandteil
aufweisenden Titanlegierung besteht, durchgeführt werden kann.
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Hierzu
wird ein beispielsweise durch Gießen hergestelltes Bauteil 1 in
seiner Rohform mittels einer beispielsweise als Roboter ausgeführten Handhabungseinrichtung 2 in
eine Heizeinrichtung 3 eingebracht. Die Heizeinrichtung 3 weist
neben einer Bauteilauflage 4 eine Induktionsspule 5 auf,
mit der das Bauteil 1 erwärmt wird. Alternativ könnte das
Aufheizen des Bauteils 1 auch mittels Infrarot oder gegebenenfalls
auch durch Konvexion in einem dafür geeigneten Ofen erfolgen.
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Eine
beispielhafte Erwärmungskurve
für das Bauteil 1,
das im nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel aus der Titanlegierung
TiAl6V4 besteht, ist in 2 dargestellt. Allgemein ist
für das hierin
beschriebene Verfahren jedoch prinzipiell jede Titanlegierung geeignet,
die Titan als Hauptbestandteil aufweist. Aus dem Diagramm wird deutlich,
dass das Bauteil 1 in einer Zeit von ca. 640 Sekunden auf eine
Temperatur von ca. 1620° erwärmt wird.
Die Zeit von ca. 640 Sekunden ist jedoch, wie auch die angegebene
Temperatur, als rein beispielhaft anzusehen, da mit anderen Heizeinrichtungen
vollkommen andere Zeiten erreicht werden können.
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Entscheidend
bei der Temperatur, auf die das Bauteil 1 erwärmt wird,
ist, dass diese in einem Bereich liegt, bei der sich ein Teil der
Titanlegierung in einer flüssigen
und ein Teil der Titanlegierung in einer festen Phase befindet.
Vorzugsweise befindet sich ein Teil des in der Titanlegierung enthaltenen
Titans in einer flüssigen
und ein Teil des in der Titanlegierung enthaltenen Titans in einer
festen Phase. Nach Erreichen dieser Temperatur bzw. dieses Zustandes
wird das Bauteil 1 mittels der Handhabungseinrichtung 2 von
der Heizeinrichtung 3 in ein Gesenk 6 eingelegt,
welches ein Gesenkoberteil 6a und ein Gesenkunterteil 6b aufweist
und welches Teil einer in 1 dargestellten
Schmiedepresse 7 ist. Dort wird das Bauteil 1 durch
Verfahren des Gesenkoberteils 6a gegenüber dem Gesenkunterteil 6b bei
der Temperatur geschmiedet, bei der sich ein Teil der Titanlegierung
in einer flüssigen
und ein Teil der Titanlegierung in einer festen Phase befindet.
Besonders zu bevorzugen ist eine Temperatur, bei der sich 20 bis 50%
der Titanlegierung während
des Schmiedens in einer flüssigen
Phase befinden. Auf die hierfür
erforderlichen bzw. geeigneten Temperaturen wird zu einem späteren Zeitpunkt
detaillierter eingegangen. Das Schmieden findet in jedem Fall oberhalb
der Solidustemperatur der verwendeten Titanlegierung statt.
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Als
Werkstoffe für
das Gesenkoberteil 6a und/oder das Gesenkunterteil 6b sind
Molybdänlegierungen
oder keramische Werkstoffe, beispielsweise in Form von massiver
Keramik oder keramischen Schichten geeignet. Selbstverständlich können auch andere,
für den
in 1 angedeuteten Temperaturbereich geeignete Werkstoffe
verwendet werden.
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Durch
den teilflüssigen
Zustand des Bauteils 1 während der Umformung ergeben
sich innerhalb des Bauteils 1 sehr geringe Fließspannungen,
wodurch sehr geringe Um formkräfte
erforderlich sind, um sehr hohe Formänderungen erreichen zu können. Da
das Material innerhalb des Gesenks 6 fließt, kann
es vorteilhaft sein, das Gesenk 6 mit Überläufen auszustatten, wie dies
ansonsten bei Gießformen vorgesehen
ist. Des weiteren ist es möglich,
nicht dargestellte Kerne in das Gesenk 6 einzubringen,
die dann von dem Material umflossen werden.
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Diese
geringen Fließspannungen
innerhalb des Bauteils 1 sind insbesondere auf das bei
diesen Temperaturen vorliegende Gemisch aus festen, globularen Gefügebestandteilen
mit flüssiger
Schmelze zurückzuführen. Dadurch
erfolgt die Umformung nicht über
Versetzungsbewegungen im Gleitsystem sondern über eine Bewegung der festen
Gefügebestandteile
in der flüssigen
Matrix. Dabei behält
das Bauteil 1 während
des Transports von der Heizeinrichtung 3 zu dem Gesenk 6 seine
Form im wesentlichen bei, wohingegen es bereits bei geringer Kraftaufbringung
seitens des Gesenks 6 fließt. Hierbei ergibt sich innerhalb
des Bauteils 1 ein Viskositätssprung. Die aufgeschmolzenen
Legierungsbestandteile bilden in diesem Temperaturbereich die flüssige Phase
der Titanlegierung.
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Um
zu verhindern, dass das Bauteil 1 Sauerstoff und Stickstoff
aus der Luft aufnimmt, kann sich das Gesenk 6 oder die
gesamte Schmiedepresse 7 innerhalb einer Schutzatmosphäre befinden,
die vorzugsweise durch Ar gon oder ein anderes geeignetes Schutzgas
gebildet wird.
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Des
weiteren kann beim Aufheizen des Bauteils 1 innerhalb der
Heizeinrichtung 3 der in das Bauteil 1 induzierte
Wirbelstrom mittels nicht dargestellter Einrichtungen moduliert
werden, um während
der Erwärmung
die Eindringtiefe des Wirbelstroms zu verändern und somit eine ständige Änderung
der Eindringtiefe zu erreichen. Auf diese Weise lässt sich eine
gleichmäßige, homogene
Erwärmung
des Bauteils 1 über
seinen gesamten Querschnitt erreichen, wobei bezüglich der Art und Weise der
Modulation der Wirbelstromfrequenz Erfahrungswerte aus vorhergegangenen
Erwärmungen
verwendet werden können.
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Die 3 und 4 zeigen
ein Diagramm einer für
die im vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendete
Titanlegierung TiAl6V4 durchgeführten Differenz-Thermoanalyse,
kurz DTA. Dabei wird über der
in °C angegebenen
Temperatur des Bauteils 1 eine Spannung in mV bzw. μV gemessen,
um das Aufschmelzverhalten der zum Einsatz kommenden Titanlegierung
feststellen zu können.
In 3 ist der Abschnitt der Kurve vom Aufheizen des
Bauteils 1 aus Zimmertemperatur bis zu einer Temperatur
von ca. 1.700°C
mit dem Bezugszeichen 8 und der Bereich des Erstarrens
des Bauteils 1 von der Temperatur von 1.700°C bis zu
einer Temperatur von ca. 500°C
mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet.
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Bei
einer DTA werden die zu untersuchende Probensubstanz und eine inerte
Referenzsubstanz aufgeheizt. In dem zu messenden Temperaturbereich
darf die Referenzsubstanz keine Phasenumwandlung zeigen. Bei Eintreten
einer exothermen oder endothermen Reaktion ist die Temperaturdifferenz
zwischen der Probensubstanz und der Referenzsubstanz messbar. Mit
diesem Verfahren lassen sich neben der Solidus- und der Liquidustemperatur auch
die Schmelzenthalpie und die Wärmekapazität metallischer
Werkstoffe bestimmen.
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Aus
der vergrößerten Darstellung
des Abschnitts 8 in 4 geht hervor,
dass in einem Temperaturbereich von ca. 1.530°C bis 1.660°C eine endotherme Reaktion beim
Erwärmen
der Titanlegierung stattfindet, was darauf hindeutet, dass in diesem
Bereich die zur Erwärmung
des Bauteils 1 aufgewendete Energie zum Aufschmelzen der
festen Phase erforderlich war. Daraus wird deutlich, dass gerade
dieser Temperaturbereich zwischen 1.530°C bis 1.660°C für das Schmieden der Titanlegierung TiAl6V4
besonders gut geeignet ist, da in diesem Bereich der oben beschriebene
Effekt, nämlich
sehr hohe Formänderungen
bei sehr geringen Umformkräften
aufgrund der geänderten
Formänderungsmechanismen,
auftritt.
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Hierbei
entspricht die Fläche
unterhalb einer mit dem Bezugszeichen 10 bezeichneten Linie,
welche eine In terpolation des Messwerts bei einer Temperatur von
ca. 1.530°C
zu dem Messwert bei einer Temperatur von ca. 1.660°C darstellt,
dem Anteil der flüssigen
Phase innerhalb des gesamten Werkstoffs. Der Zusammenhang zwischen
der Flüssigphase
und der Temperatur ergibt sich also aus einer Zerlegung des Schmelzpeaks
in äquidistante
Abschnitte und einer schrittweisen Integration. Im vorliegenden
Fall ist bei einer Temperatur von 1.530°C noch das gesamte Material
fest, bei einer Temperatur von 1.660°C dasselbe jedoch vollständig flüssig. Auf
diese Weise kann anhand des Diagramms von der Temperatur auf den
Anteil der flüssigen
Phase innerhalb des Bauteils 1 und umgekehrt geschlossen
werden. Somit kann aus diesem Diagramm die erforderliche Temperatur entnommen
werden, wenn das Bauteil 1 auf einen bestimmten Anteil
der flüssigen
Phase gebracht werden soll.
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Dabei
gilt, dass, je größer die
Fläche
zwischen dem Abschnitt 8 und der Linie 10 ist,
eine um so feinere Möglichkeit
vorliegt, den Anteil der flüssigen
und der festen Phase innerhalb des Materials des Bauteils 1 einzustellen.
Die in den 3 und 4 dargestellte
Differentialthermoanalyse lässt also
den Schluss zu, dass bei Titanlegierungen ein ausgeprägtes Erstarrungsintervall
(exotherm) bzw. Schmelzintervall (endotherm) vorliegt, welches die beschriebene
Umformung des Bauteils 1 in einem teilflüssigen Zustand
ermöglicht.
Aus diesem Grund muss es sich bei dem für das Bauteil 1 verwendeten Material
um eine Legierung handeln, da reines Titan keinen derartigen Schmelz-
und Erstarrungsbereich aufweist.
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In
dem bislang beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird davon ausgegangen, dass das Bauteil 1 auf die Schmiedetemperatur
erwärmt
und unmittelbar nach dem Erreichen derselben geschmiedet wird. Es
ist jedoch auch möglich,
das Bauteil 1 so zu erwärmen,
dass es einen zumindest annähernd
vollständig
flüssigen
Zustand erreicht, das Bauteil 1 anschließend auf
die Schmiedetemperatur abzukühlen und
erst dann umzuformen. Aus dem sehr hohen Ausschlag der Kurve 9 in 3 ist
erkennbar, dass die bei einer Temperatur von knapp unterhalb von 1.600°C stattfindende
exotherme Reaktion für
eine solche Umformung sehr gute Voraussetzungen bietet.
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Wie
bereits oben erwähnt,
handelt es sich bei der Legierung TiAl6V4 um ein für das hierin
beschriebene Verfahren sehr gut verwendbares Material, welches auch
in verschiedenen praktischen Anwendungen zum Einsatz kommen kann.
Es sind jedoch selbstverständlich
auch andere Legierungsbestandteile denkbar, wenn hierdurch die Eigenschaften
des Bauteils 1 sowohl hinsichtlich seiner Verarbeitbarkeit
als auch hinsichtlich der späteren
Verwendung desselben verändert
werden sollen. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass
stets damit gerechnet werden muss, dass sich der Legierung andere
als die vorgesehenen Elemente zusetzen, wodurch sich die Eigenschaften
des Werkstoffs entsprechend ändern
können.
Insbesondere gilt dies auch für
den Schmelzbereich der jeweiligen Titanlegierung.
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Nach
dem Schmieden können
durch eine Wärmebehandlung
des Bauteils 1, insbesondere ein gesteuertes Abkühlen, die
mechanischen Eigenschaften desselben beeinflusst werden. Beispielsweise
kann das Bauteil 1 so abgekühlt werden, dass nach dem Schmieden
eine lamellenartige Struktur bzw. ein lamellares Gefüge der α-Lamellen
entsteht. Zwar gilt prinzipiell der Grundsatz, dass eine schnellere
Abkühlung
aus der Schmiedetemperatur zu einem härteren und spröderen Gefüge des Bauteils 1 führt, jedoch
sind auch noch andere Effekte zu beachten, auf die hierin jedoch
nicht näher
eingegangen wird. Selbstverständlich
kann auch ein globulares oder ein Mischgefüge eingestellt werden, beispielsweise
ein Gefüge
mit 20–30%
globularen α-Kristalliten,
was zu sehr guten Bauteileigenschaften führt.
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Prinzipiell
ist jedoch durch die oben angegebene, sehr hohe Schmiedetemperatur
mehr Spielraum bei der Abkühlung
des Bauteils 1 gegeben, wodurch Werkstoffeigenschaften
erreicht werden können,
die sich mit üblichen
Wärmebehandlungen
nicht erreichen lassen. Je genauer das Verhalten des jeweiligen
Werkstoffs durch entsprechende Versuche erforscht wird, desto exakter
lassen sich bestimmte mechanische Eigenschaften bzw. Kennwer te des Bauteils 1,
wie z.B. dessen Zugfestigkeit, dessen Bruchdehnung, dessen Korrosionsbeständigkeit oder
dessen Schweißbarkeit,
einstellen.
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Hierbei
ist eine Besonderheit von Titanlegierungen zu beachten, die beim
Abkühlen
in einem Bereich zwischen 900°C
und 1.000°C
eine dynamische Rekristallisation, also eine Kornneubildung, aufweisen.
Bei dem oben genannten Werkstoff TiAl6V4 ergibt sich zwischen 950
und 990°C
bei Umformgeschwindigkeiten zwischen 1–10 l/s eine dynamische Rekristallisation
der α-Phase.
Diese dynamische Rekristallisation lässt sich bei der Umformung
dadurch ausnutzen, dass das Bauteil 1 beispielsweise in
zwei Schritten geschmiedet wird, wobei der zweite Umformschritt
als Kalibrierungsschritt ausgeführt
ist und einen erheblich geringeren Umformgrad aufweist als der erste
Umformschritt. Hierzu wird der zweite Umformschritt im Bereich dieser
bekannten Gefügeumwandlung
durchgeführt.