DE102008033027B4

DE102008033027B4 - Verfahren zur Erhöhung von Festigkeit und Verformbarkeit von ausscheidungshärtbaren Werkstoffen

Info

Publication number: DE102008033027B4
Application number: DE200810033027
Authority: DE
Inventors: Matthias Hockauf; Lothar W. Meyer; Lutz Krüger
Original assignee: Technische Universitaet Chemnitz; Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: TECHNISCHE UNIVERSITAET CHEMNITZ, DE
Priority date: 2008-07-14
Filing date: 2008-07-14
Publication date: 2010-06-10
Anticipated expiration: 2028-07-15
Also published as: DE102008033027A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung von Festigkeit und Verformbarkeit von ausscheidungshärtbaren Werkstoffen, insbesondere Leichtmetalllegierungen und zeichnet sich dadurch aus, dass der ausscheidungshärtbare Werkstoff nach einer Lösungsglühbehandlung und einer sich an diese anschließenden Auskühlungs-, insbesondere Abschreckbehandlung, einer intensiven Scherverformung unterzogen wird, ehe der Werkstoff einer Ausscheidungshärtung in Form einer Warm- oder Kaltauslagerung zugeführt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung von Festigkeit und Verformbarkeit von ausscheidungshärtbaren Werkstoffen.
Ausscheidungsvorgänge in Legierungen können auftreten, wenn ein bei höherer Temperatur im Gleichgewicht befindlicher Mischkristall auf tiefe Temperaturen abgekühlt/abgeschreckt wird, so dass er dem Zustandsdiagramm entsprechend übersättigt ist, das heißt die Löslichkeit mindestens eines Legierungselementes mit sinkender Temperatur abnimmt. Bei den Werkstoffen nach der vorliegenden Erfindung kann es sich sowohl um Metallwerkstoffe, vorzugsweise Leichmetalllegierungen auf Aluminium-, Magnesium- oder Titanbasis in Form von Halbzeugen handeln, die anschließend noch einer endformgebenden Bearbeitung (spanend oder spanlos) unterzogen werden. Im Einzelfall kann durch das erfindungsgemäße Verfahren aber der Werkstoff auch sogleich der Endformgebung eines fertigen Werkstückes zugeführt werden.
Leichtmetalle auf der Basis von Aluminium, Magnesium oder Titan haben aufgrund ihres geringen spezifischen Gewichtes bereits eine weite Verbreitung erfahren und werden praktisch in allen Bereichen der Verkehrstechnik, im Maschinen- und Anlagenbau, in der Bauindustrie, aber auch in der Luft- und Raumfahrtindustrie eingesetzt. Am Häufigsten ist dies für Aluminium-Knetlegierungen der Fall, da dies Leichtmetalle mit den ausgewogensten Eigenschaften sind. Sie lassen sich aufgrund ihrer guten Verformbarkeit ausgezeichnet verarbeiten, besitzen eine gute Korrosionsbeständigkeit bei mittleren bis hohen Festigkeiten, gute Zeit- und Betriebsfestigkeitskennwerte und einen verhältnismäßig niedrigen Preis. Durch Anwendung werkstoffwissenschaftlicher Erkenntnisse und neuartiger Technologien ist man andererseits bestrebt, die Festigkeit von Halbzeugen und Endprodukten zu steigern, mit dem Ziel einer Gewichtsreduzierung. Andererseits muss eine Restverformungsfähigkeit vorhanden sein, damit ein gewisses Maß an Verformbarkeit zumindest als Schadenstoleranz sichergestellt ist. Beide Eigenschaften, d. h. Festigkeit einerseits und Verformbarkeit andererseits verhalten sich jedoch gegensätzlich, so dass eine Kombination aus bestimmter Festigkeit und sich ergebender Verformungsfähigkeit (oder umgekehrt) definiert werden muss.
Es ist bekannt, Festigkeitskennwerte von ausscheidungshärtenden Aluminium-Werkstoffen durch eine Wärmebehandlung, bei der nach einem Lösungsglühen und Abschrecken eine Auslagerung als Kalt- oder Warmauslagerung erfolgt, zu erhöhen. Auch durch Kaltumformung kann eine Erhöhung der Festigkeit erzielt werden. Weitere Möglichkeiten, die Festigkeit von Werkstoffen, insbesondere Metallwerkstoffen, zu erhöhen bestehen darin, diese zu legieren oder die Korngröße zu reduzieren.
Die vorgenannten, festigkeitserhöhenden Maßnahmen haben jedoch den Nachteil, dass mit der Steigerung der Festigkeit oft die Verformbarkeit/Schadenstoleranz drastisch vermindert wird.
Die DE 691 17 494 T2 offenbart, dass eine ultra-hochfeste Legierung auf Aluminiumbasis hergestellt werden kann, indem einem Lösungsglühen eine Kaltbearbeitung mit anschließender Alterung folgt. Als Kaltbearbeitung wird Strecken und/oder Walzen angegeben.
Die DE 603 10 354 T2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von Strangpressprodukten aus einer hochfesten Aluminium-Legierung. Die Bearbeitung kann unter Scherbelastung erfolgen, um die Festigkeit zu erhöhen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Erhöhung von Festigkeit und Verformbarkeit von ausscheidungshärtbaren Werkstoffen zu schaffen, durch das derartige Werkstoffe einerseits eine hohe Festigkeit gewinnen, während sie andererseits eine vorteilhaft hohe Verformbarkeit z. B. für nachfolgende Endformgebungen, behalten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Bisherige Verfahrensführungen zur Halbzeug- oder Endproduktherstellung bedingen nach erfolgter Lösungsglühbehandlung des vorzugsweise stranggepressten homogenisierten Rohteiles und anschließendem Abkühlen (Abschrecken) eine längere Auslagerung bei im allgemeinen über Raumtemperatur erhöhten Temperaturen. Demgegenüber besteht die Besonderheit des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, dass der Abkühl- bzw. Abschreckbehandlung vor der Auslagerung bei Raumtemperatur oder bei über Raumtemperatur er höhten Temperaturen eine intensive Scherverformung des Werkstoffes im übersättigten, mischkristallverfestigten Zustand vorangeht, während dessen eine Ausscheidung von Legierungselementen im Wesentlichen unterbunden ist. Dadurch wird ermöglicht, dass im Anschluss an diesen Zwischenschritt eine aushärtende Auslagerungsbehandlung, im allgemeinen ebenfalls bei erhöhten Temperaturen, unter deutlicher Festigkeitssteigerung bei guter Restformbarkeit erfolgen kann. Überraschend hat sich dabei gezeigt, dass die Aushärtungs-/Auslagerungszeit (in der Größenordnung von 15 min) drastisch und auf einen Bruchteil konventionell erforderlicher Zeiträume (viele Stunden bis mehrere Tage) verkürzt werden kann.
Damit ist nicht nur eine verbesserte Duktilität der Werkstofflegierung bei erhöhter Festigkeit erreichbar, sondern zugleich eine wesentliche Produktivitätssteigerung bei der Herstellung derartiger Halbzeuge oder Endprodukte, einhergehend mit geringeren Belegungszeiten von Wärmebehandlungsöfen bzw. Auslagerungsstationen für die Warm- oder Kaltauslagerung.
Es wird angenommen, dass die extrem hohe und möglichst homogene Scherverformung des Werkstoffes, vorzugsweise durch die ECAP-Technologie, zu einer massiven Erhöhung der Dichte von Gitterfehlern (hauptsächlich Versetzungen und Leerstellen) führt. Diese Defekte sind einerseits als Keimstellen zur Bildung von Ausscheidungen wirksam und führen zu einer Beschleunigung des Ausscheidungsvorganges. Andererseits erhöhen sie die Diffusionsgeschwindigkeit, da im Zugspannungsbereich aller Gitterfehler das Matrixgitter gedehnt ist, auch hierdurch wird der Ausscheidungsvorgang beschleunigt. Zuletzt wird die Ausscheidungsverteilung durch den Defekteinfluss wohl homogener, und es entstehen durch die Vielzahl an Keimstellen deutlich mehr und dafür kleinere Ausscheidungen.
Es wird angenommen, dass diese Mechanismen zu der unerwartet beschleunigten Ausscheidungskinetik und der ebenso überraschend großen Festigkeitserhöhung führen. Hinsichtlich der überraschenden Verformungsfähigkeit geht diese wohl auf einen hohen, parallel zur Ausscheidung ablaufenden Abbau der Gitterdefekte zurück.
Vorzugsweise erfolgt die intensive Scherverformung durch ein querschnittshomogen induziertes Pressen oder Ziehen in einem gewinkelte, vorzugsweise rechtwinklig zueinander verlaufende Abschnitte aufweisenden Press- oder Ziehkanal (vorzugsweise ECAP-Technologie).
Nach einem weiteren, bevorzugten Ausführungsbeispiel erfolgt das vorzugsweise querschnittshomogen induzierte Pressen oder Ziehen in zueinander unter einem Winkel von 20° ≤ Φ ≤ 160° zueinander verlaufenden Abschnitten eines oder mehrerer miteinander verbundener Press- oder Ziehkanäle.
Als Werkstoffe kommen alle durch Ausscheidungsvorgänge härtbaren Werkstoffe bzw. Legierungssysteme, insbesondere aushärtbares Aluminium, in Betracht. Die Erfindung erstreckt sich daher auf alle schmelz- und/oder pulvermetallurgisch hergestellten, aus scheidungshärtbaren Werkstoffen mit oder ohne Verstärkungskomponenten und ist daher ebenfalls auf Verbundwerkstoffe anwendbar, die einen aushärtbaren Werkstoffe als Legierungselement enthalten.
Insbesondere sind als Werkstoffe Legierungen auf Aluminiumbasis vorgesehen, wie z. B. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Li-Mg, Al-Ag und Al-Sc.
Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren auch auf die bereits vorgenannten Verbundwerkstoffe auf Aluminiumbasis angewandt werden, wobei eine Matrixlegierung vorzugsweise aus einem der vorgenannten Legierungssysteme besteht, und die Matrixlegierung zumindest in einem Anteil von 50 Vol.-% in dem Verbundwerkstoff enthalten ist.
Eine Verstärkungskomponente des Verbundwerkstoffes kann dabei sowohl partikelförmig sein, als auch in Form von Kurz- oder Langfasern vorliegen, wobei hier sowohl mineralische, als auch Kunststoff-Werkstoffe wie auch Naturstoffe (z. B. Bambusfasern oder Flachs- oder Hanffasern) oder Partikel oder Fasern auf Karbonbasis verwendbar sind.
Vorzugsweise erfolgt die intensive Scherverformung unter Anwendung der ECAP-Technologie (Equal Channel Angular Pressing). Gleichermaßen können die Verfahren ECAE (Equal Channel Angular Extrusion) oder DCAP (Dissimilar Channel Angular Pressing), RCS (Repetitive Corrugation and Straightening), ARB (Accumulative Roll Bonding), ECAP Conform und Incremental ECAP angewandt werden.
Vorzugsweise erfolgt die intensive Scherverformung zur Unterdrückung von Ausscheidungen bei Raumtemperatur oder innerhalb eines Temperaturbereiches von ca. 50°C oberhalb Raumtemperatur.
Hinsichtlich der Metallwerkstoff-Legierungen eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders zur Behandlung von Aluminium-Knetlegierungen, die einen Ausscheidungshärte- oder Alterungseffekt zeigen, d. h. für alle Aluminium-Legierungen, bei denen die Löslichkeit zumindest eines Legierungselementes im festen Zustand mit abnehmender Temperatur abnimmt, insbesondere für Knetlegierungsreihen 2XXX, 6XXX, 7XXX, aushärtbare Gusslegierungen oder pulvermetallurgisch hergestellte Legierungen, oder die bereits vorher erwähnten Verbundwerkstoffe auf Aluminium-Legierungsbasis, die durch Teilchen- oder Fasermaterial verstärkt sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren beinhaltet daher vorzugsweise drei wesentliche Verfahrensstufen:

1. Glühen des z. B. stranggepressten Werkstoffes bei einer relativ hohen Temperatur nahe des Erstarrungspunktes der jeweiligen Legierung, um deren Legierungselemente aufzulösen, gefolgt von anschließendem raschem Abkühlen oder Abschrecken, z. B. in kaltem Wasser, um die gelösten Legierungselemente in einer übersättigten festen Lösung zu halten;
2. Hindurchführen, vorzugsweise einmaliges Hindurchführen, des Werkstoffmaterials (bzw. der Legierung) bei Temperaturen T ≤ 120°C durch zwei sich in einem Winkel von 20° bis 160° schneidende Durchgänge (Kanäle) mit vorzugsweise identischem, Schnittbild/Querschnitt, entsprechend des Werkstoff-Querschnittes, wobei im Werkstoff beim Durchtreten desselben durch den Kanal-Schnittwinkelbereich eine winkelabhängige, intensive Scherverformung, vorzugsweise homogen, induziert wird;
3. Aushärten des Werkstoffes (der Legierung) durch Halten auf einer ersten und/oder zweiten Temperatur, um ein Aushärten sowie eine Erholung von der vorangegangenen starken Kalt- (oder mäßigen) Warmverformung, d. h. der intensiven Scherung, zu erzielen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren, das zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften von kommerziell verfügbaren Legierungswerkstoffen mit herkömmlicher chemischer Zusammensetzung verwendet werden kann, ist eine drastische Steigerung der Energieaufnahmefähigkeit des Werkstoffmaterials, d. h. einer Kombination aus Festigkeit und Verformungsfähigkeit, erreichbar, wobei die ursprünglichen Abmessungen aufgrund der bevorzugten Charakteristik der Scherverformung als querschnittshomogen unverändert bleiben können und das Verfahren praktisch unabhängig von den Ausgangs-Halbzeugen ist, so dass die ausscheidungshärtenden, vorzugsweise auf Aluminium basierenden Legierungen z. B. in Form von Platten, Blechen, Profilen, Stangen, Rohren oder Knüppeln, verwendet werden können und die Verfahrensführung nicht nur in Stufe 2, d. h. der intensiven Scherverformung, sondern auch während der Auslagerung vorzugsweise im Bereich normaler Behandlung bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen, wodurch wiederum der operative und verfahrenstechnische Aufwand sinkt und das Verfahren mit hoher Wirtschaftlichkeit durchführbar ist.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 eine Matrize in schematischer Teil-Schnittdarstellung während des Verfahrensschrittes einer intensiven Scherverformung einer Metallwerkstoff-Legierung;
2 einen Vergleich des Verfahrens nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung (rechte Spalte „scherverformt”) mit einem konventionellen Ausscheidungs-Härteverfahren (linke Spalte „konventionell”);
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vergleichsdarstellung wie in 2; und
4 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer Vergleichsdarstellung wie in 2 (erstes Ausführungsbeispiel) bzw. 3 (zweites Ausführungsbeispiel).
1 beschränkt sich auf eine schematische Darstellung des neuen zweiten Verfahrensschrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens zur gleichzeitigen Erhöhung von Festigkeit und Verformbarkeit von ausscheidungshärtenden Werkstoffen in Kombination von starker plastischer Scherverformung und Wärmebehandlung und zeigt den Schritt einer intensiven Scherverformung des Werkstoffmateriales in einer Matrize 1 mit einem ersten Kanal 2 und einem zweiten Kanal 3, wobei der erste Kanal 2 und der zweite Kanal 3 einen Winkel Φ von ca. 90° einschließen. Über einen Eckabschnitt 7 geht der erste Kanal 2 in den zweiten Kanal 3 über. Dieser Eckabschnitt stellt einen Übergangsbereich dar und kann, wie in 1 dargestellt, einen kantigen Übergang vom ersten Kanal 2 zum zweiten Kanal 3 bilden, kann jedoch auch als abgerundeter oder kurviger Übergang realisiert werden, ohne dass dies hier dargestellt wäre. Wesentlich ist, dass es auf diese Weise in einer Technologie nach dem ECAP-Verfahren (Equal Channel Angular Pressing) auch bekannt als „Severe Plastic Deformation”, zu einer intensiven Scherverformung des Werkstoffmateriales 4 während des Überganges vom ersten Kanal 2 in den zweiten Kanal 3 kommt.
Vorzugsweise entspricht der Querschnitt des ersten Kanals 2 im Wesentlichen dem Querschnitt des zweiten Kanals 3, insbesondere ist es vorteilhaft, wenn die Querschnitte der beiden Kanäle 2, 3 identisch sind und dem Materialquerschnitt des Ausgangsmaterials entsprechen. Eine intensive Scherverformung und die Vorteile der Erfindung können aber auch erreicht werden, wenn unterschiedliche Querschnitte verwandt werden oder wenn z. B. der erste Kanal 2 und/oder der zweite Kanal 3 aus einer Mehrzahl von Teilkanälen bestehen.
In Abhängigkeit von der gewünschten Querschnittsform des stangenförmigen Halbzeuges oder Endproduktes, kann der Querschnitt unterschiedliche Geometrien haben, z. B. rund, rechteckig oder quadratisch sein. Vorzugsweise sind der erste und der zweite Kanal 2, 3 sowie der diese verbindende Übergangsbereich 7 derart ausgebildet, dass Werkstoffmaterialien z. B. in Form von Platten, Blechen, Profilen, Stangen, Rohren oder Knüppeln beim Richtungswechsel im Übergangsbereich 7 zwischen den beiden Kanälen 2, 3 mittels intensiver Scherverformung umgeformt werden, wobei vorzugsweise der Ausgangsquerschnitt des umzuformenden Werkstoffmateriales erhalten bleibt.
Das Verfahren wird nachstehend noch genauer anhand des Blockdiagramms in 2 erläutert.
Das Werkstoffmaterial 4 kann eine Vielzahl von Werkstofflegierungen darstellen, die ausscheidungshärtbar sind, d. h. die sich zunächst im übersättigten, mischkristallverfestigten Zustand befinden, worauf anschließend ein Ausscheidungshärten durch Ausscheiden von Legierungselementen folgt. Im Rahmen der Erfindung können daher alle schmelz- oder pulvermetallurgisch hergestellten, ausscheidungshärtbaren Werkstoffe mit oder ohne Verstärkungskomponenten, also auch Verbundwerkstoffe auf der Basis der aushärtenden Werkstofflegierung verwendet werden, vorzugsweise aber Leichtmetalllegierungen auf Aluminium-, Magnesium- oder Titan-Basis. Vorzugsweise wird das Verfahren auf aushärtbare Legierungssysteme auf Aluminiumbasis angewandt, z. B. Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Li-Mg, Al-Ag oder Al-Sc.
Wie im in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, schließen die beiden Kanäle 2, 3 vorzugsweise einen Winkel Φ (Kanalwinkel) von 90° ein. Wie in 1 gezeigt ist, weist die Matrize 1 somit einen L-förmigen, durchgehenden Kanal auf, jedoch können die Kanäle 2, 3 auch unter einem spitzen oder einem stumpfen Winkel miteinander ver bunden sein. Es ist vorteilhaft, wenn die beiden Kanäle 2, 3 einen Winkel Φ in einem Bereich von 20° bis 160° einschließen, um eine intensive Scherung des durch die Kanäle 2, 3 gedrückten oder gezogenen Werkstoffmateriales 4 zu erreichen.
Nachfolgend wird das erste Ausführungsbeispiel des Verfahrens zur Erhöhung von Festigkeit und Verformbarkeit eines ausscheidungshärtbaren Werkstoffmateriales 4, insbesondere einer Leichtmetalllegierung, beschrieben, wobei das Werkstoffmaterial 4 im lösungsgeglühten, übersättigten Mischkristall vorliegenden Zustand einer intensiven Scherverformung mit hohem Umformgrad gem. 1, vorzugsweise nach der ECAP-Technologie, unterzogen wird. Vorzugsweise kommt ein ausscheidungshärtbarer Werkstoff/Material 4 zum Einsatz, das z. B. als Strangpressteil mit einem Stangenquerschnitt 15 × 15 mm² aus einem Rohmaterial (Rohteil meist als homogenisierter Gussblock) hergestellt wird. Das Material kann daher vor der Lösungsglühbehandlung bereits einen Querschnitt aufweisen, der demjenigen des als Endprodukt des vorliegenden Verfahrens gewünschten, stangenförmigen Halbzeuges oder Endproduktes entspricht (vgl. 2). Das Strangpressmaterial (Rohteil) wird bei einer Temperatur nahe seines Schmelzpunktes geglüht (Lösungsglühen), um bei dieser Temperatur ein Gleichgewicht der mischkristallbefindlichen Lösungselemente zu erzeugen. Während des Lösungsglühens bei hohen Temperaturen werden intermetallische Ausscheidungsphasen aufgelöst. D. h. die Legierungsatome substituieren, statistisch verteilt, Al-Matrixatome. Diese feste Lösung ist bei den hohen Lösungsglühtemperaturen stabil. Anschließend wird das lösungsglühbehandelte Material rasch abgekühlt bzw. abgeschreckt, z. B. in einem kalten Wasser- oder Ölbad, wobei die feste Lösung, in der die löslichen Legierungselemente in einer nunmehr metastabilen, übersättigten, festen Lösung zwangsweise gehalten werden, „eingefroren” wird. Die Mischkristalle des lösungsglühbehandelten und ausscheidungshärtbaren Materiales sind dem Zustandsdiagramm entsprechend übersättigt, d. h. die Löslichkeit mindestens eines Legierungselementes nimmt bei sinkender Temperatur ab. Die Legierung bleibt nach dem raschen Abkühlen/Abschrecken deutlich weicher bzw. weniger fest, als nach einer darauffolgenden Ausscheidungshärtung (Unterschied zu Stahl).
Anschließend wird das so lösungsgeglühte Halbzeug der vorbeschriebenen Scherverformung in der Matrize 1 unterzogen, wie dies beispielhaft in 1 dargestellt ist, wobei aber die Neigung des Werkstoffmaterials 4 zur Ausscheidung durch eine kühle Umgebung unterdrückt wird.
Das Halbzeugmaterial 4 wird hierbei z. B. durch einen aufsitzenden Stempel 6 vom oberen vertikalen Kanal 2 durch den Winkel Φ (= 90°) in den unteren, horizontalen Kanal 3 gepresst. Dabei wird beim Durchqueren des Kanalwinkels Φ die Bewegungsrichtung geändert und eine Scherverformung induziert (siehe skizziertes Flächenelement 4a).
Aufgrund der Geometrien der Kanäle 2, 3 bleibt der Halbzeugquerschnitt dabei unverändert.
Um während der Scherverformung eine Ausscheidungsdiffusion zu vermeiden, wird der Schervorgang mit dem lösungsgeglühten und abgeschreckten Werkzeugmaterial 4 bei einer Temperatur von T ≤ 120°C (vorzugsweise bei Raumtemperatur, ggf. auch unter Kühlung) durchgeführt.
Das Halbzeugmaterial 4 wird in den ersten Kanal 2 der Matrize 3 eingebracht und mit dem Stempel 6 vorwärtsgepresst. Dabei ist es einerseits möglich, das Halbzeugmaterial 4 vor seinem Einbringen in die Matrize auf die vorgenannte Temperatur T ≤ 120°C zu erwärmen, eine solche Temperaturführung kann jedoch auch erst innerhalb der Matrize 1 erfolgen.
Vorzugsweise liegt diese Temperatur T in einem Temperaturbereich zwischen der Raumtemperatur und 120°C. Raumtemperatur bezeichnet dabei einen Temperaturbereich der im Wesentlichen zwischen 18°C und 25°C liegt. Insbesondere ist es überdies zur Einsparung von Energie vorteilhaft, die Scherverformung im Wesentlichen bei Raumtemperatur durchzuführen. Um die gewünschte Temperatur bei der Scherverformung zu halten, ist es möglich diese Temperatur T mittels eines Regelkreises zu regeln, d. h. unabhängig vom momentanen Durchsatz der Matrize 1 und einer damit verbundenen Erwärmung bzw. Abkühlung bei Nichtbenutzung, diese Matrize in einem gleichbleibenden Temperaturbereich bzw. auf einem konstanten Temperaturniveau T ≤ 120°C, vorzugsweise Raumtemperatur, zu halten.
Nachdem das Halbzeugmaterial 4 in den ersten Kanal 2 eingebracht worden ist, wird es mit einer Kraft F durch den Stempel 6 beaufschlagt, so dass das Halbzeugmaterial 4 durch die Matrize 1 aus dem vertikalen Kanal 2 in den horizontal Kanal 3 über den Eck- oder Umlenkbereich 7 gedrückt wird, wobei in einer anderen Ausführungsform das Material auch extrudiert bzw. gezogen werden kann oder eine Kombination aus Pressen und Ziehen vorgesehen sein kann.
Zum Induzieren einer möglichst vollkommenen Scherverformung im Eckbereich 7 entsprechen der Querschnitt des Kanals 2 und des Halbzeugmateriales 4 sowie der Querschnitt des zweiten Kanals 3 einander. Die durch die Matrize 1 bewirkte Scherung im Eckbereich 7 die einem ECAP-Werkzeugdurchgang entspricht, beträgt abhängig vom Kanalwinkel Φ und dem Winkel der äußeren Kanalkontur ψ
Der äußere Winkel ψ kann zwischen 0° und 90° liegen.
Obwohl die intensive Scherverformung vorzugsweise unter Ausschluss von Ausscheidungsdiffusion bei niedriger Temperatur erfolgt, so dass der nach dem Lösungsglühen vorhandene übersättigte Mischkristallzustand der Legierung in fester Lösung während der Scherverformung beibehalten wird, sind diese Bedingungen/Anforderungen nicht im strengen, Ausschließlichkeit beanspruchenden Sinne zu verstehen und eine gewisse Ausscheidung am Beginn des Verformungsvorganges kann im Halbzeugmaterial 4 durchaus bereits vorliegen bzw. zugelassen werden, soll aber als eine verfestigende Erscheinung keinesfalls befördert, sondern unterdrückt werden, um das Werkstoffmaterial nicht zu verfestigen.
Die Verfahrensführung kann auch vorzugsweise mit dem Werkstoffmaterial 4 in einem unteralterten Zustand des Werkstoffes erfolgen und dieser kann der intensiven Scherverformung in einem noch nicht vollständig ausgehärteten Zustand unterzogen werden (Alternative).
Das Halbzeugmaterial 4 gelangt in den Übergangsbereich (Eckbereich 7) vom ersten Kanal 2 zum zweiten Kanal 3 und wird beim Durchqueren des Winkelbereiches mit dem Kanalwinkel Φ der intensiven, insbesondere querschnittshomogenen Scherverformung unterzogen. In 1 ist dies im Bereich des Halbzeugmateriales 4 durch die Flächenelemente 4a im Kanal 2 und im Kanal 3 versinnbildlicht. Das zunächst rechteckige Flä chenelement 4a im Kanal 2 wird im Kanal 3 nach Durchlaufen der Scherumformzone zu einem Parallelogramm.
Durch die Scherverformung im Übergangs- bzw. Eckbereich 7 zwischen den beiden Kanälen 2, 3 wird das rechteckige Flächenelement 4a einer Scherung unterzogen, die vom zwischen den Kanälen 2, 3 eingeschlossenen Winkel Φ und dem äußeren Winkel ψ bestimmt wird. Die Scherung γ berechnet sich nach der oben angegebenen Formel (1).
In dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wird das Halbzeugmaterial 4 unter einem Scherwinkel Φ ca. 90° scherverformt. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Halbzeugmaterial nur einmal durch die Matrize 1, d. h. einmal von dem ersten Kanal 2 in den zweiten Kanal 3 gepresst und/oder gezogen wird, um die Scherverformung durchzuführen; es können jedoch auch mehrere Durchgänge/Umlenkungen seriell oder parallel vorgesehen werden.
Es ist vorteilhaft, wenn der Verfahrensschritt der Scherverformung derart erfolgt, dass ein Ausgangsquerschnitt des Halbzeugmateriales 4, der mit demjenigen des stranggepressten Vormateriales übereinstimmt und ein Querschnitt des durch die Scherverformung umgeformten Halbzeuges 5 im Wesentlichen gleich, vorzugsweise identisch ist. Wird der Querschnitt des Halbzeugmateriales 4 durch den Scherumformungsprozess praktisch unverändert beigehalten, ist es möglich, bereits sehr früh im Gesamt-Herstellungsprozess, nämlich vorzugsweise bereits bei dem stranggepressten Rohmaterial den Querschnitt des späteren, fertigen Halbzeuges bzw. Endproduktes am Ende des Verfahrens zu wählen.
Nach erfolgter Scherverformung wird das umgeformte Halbzeug 5 durch eine Erholungsbehandlung d. h. durch eine nachfolgende Temperaturbehandlung auf einem ersten oder zweiten Temperaturniveau, ausgehärtet, wobei auch scherungsbedingte und abschreckungsbedingte Spannungen wieder abgebaut werden.
Überraschend hat sich herausgestellt, dass durch Zwischenschaltung der intensiven Scherverformung vor dem Alterungs- bzw. Aushärtungsprozess (Warm- oder Kaltauslagerung) dieser Prozess von mehreren Stunden auf vergleichsweise wenige Minuten verkürzt werden kann (siehe 2) bei gleichzeitiger erheblicher Härtezunahme sowie Er höhung der Zugfestigkeit und der Fließgrenze und deutlich verbesserter, verbleibender Verformungsfähigkeit.
Der abschließende Verfahrensschritt der Aushärtungs- und Erholungsbehandlung kann dabei im Wesentlichen bei konstanter Temperatur, vorzugsweise bei Raumtemperatur oder auch bei erhöhter Temperatur, z. B. bei einer vergleichbaren Temperatur wie auch während der Scherverformung angewandt wird, erfolgen. Durch die intensive Scherverformung wird also die Aushärtekinetik bei der im Anschluss an die Scherverformung erfolgenden Aushärte- und Auslagerungsbehandlung (Kalt- oder Warmauslagerung) sehr positiv beeinflusst bei gleichzeitiger extremer Verkürzung der Prozesszeit.
Das vorerläuterte Verfahren ist nicht auf Legierungen auf Aluminiumbasis beschränkt. Wie bereits eingangs erläutert, sind auch andere Metalllegierungen, beispielsweise auf Magnesium-, Titan-, Eisen- oder Nickelbasis als ausscheidungshärtbare Legierungen verwendbar. Nachfolgend ist die chemische Zusammensetzung des Halbzeugmateriales 4 für das erste Ausführungsbeispiel in Gewichtsprozent angegeben.

Legierung Si Mg Fe Mn, Zn, Cu Al Entsprechung

EN AW-6060 0,43 0,52 0,16 < 0,01 98,85 Rest AlMg0,5Si
Bei der ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung nach dem ersten Ausführungsbei spiel handelt es sich um eine Knetlegierung der 6XXX-Legierungsreihe, d. h. mit Magnesium und Silizium als Hauptlegierungselementen. Jedoch sind auch andere, insbesondere aushärtbare Aluminium-Knetlegierungen vorteilhaft, beispielsweise die 2XXX-Legierungsreihe mit Kupfer als Hauptlegierungselement oder die 7XXX-Legierungsreihe mit Zink als Hauptlegierungselement. Die vorgenannten Legierungen können auch mit zusätzlichen Elementen oder Partikeln oder Fasern verstärkt werden.
Durch das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist es möglich, konventionell verfügbare Halbzeugmaterialien bzw. ausscheidungshärtbare Vormaterialien (Legierungen mit konventioneller chemischer Zusammensetzung) zu verwenden und gleichzeitig deren Festigkeit und Restformungsfähigkeit zu verbessern. In 2 ist für das erste Ausführungsbeispiel ein Verfahrensvergleich einer konventionellen Ausscheidungshärtung im gegenüberstellenden Vergleich mit dem Verfahren nach dem ersten Ausführungsbei spiel, das den Schritt der intensiven Scherverformung enthält, gezeigt. Diese Fig. verdeutlicht jeweils die Verfahrensschritte zur Herstellung eines stangenförmigen Halbzeuges oder Endproduktes mit einem Querschnitt von 15 × 15 mm².
Wie die Gegenüberstellung zeigt, verkürzt sich überraschend durch den Schritt der zusätzlichen Scherverformung die Zeitdauer für die Wärmeauslagerung bei 170°C von 10 Stunden auf 18 Minuten. Die entsprechende Erhöhung der Durchlaufgeschwindigkeit von derartigen Verfahren unter drastischer Verkürzung der Belegungszeiten für Wärmebehandlungsöfen zum Aushärten ist augenfällig.
Somit ermöglicht die Erfindung eine deutliche Verkürzung des Herstellungsprozesses für die Halbzeuge bzw. Fertigprodukte. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass eine ausscheidungshärtende Aluminium-Legierung bei Raumtemperatur scherverformt wird und anschließend bei 170°C der Warmauslagerung unter Spannungsabbau und Ausscheidungshärtung/Alterung unterzogen wird.

Nachfolgend ist ein Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines konventionell ausscheidungsgehärteten Werkstückes mit einem erfindungsgemäßen zusätzlich scherver formten Legierungsmaterial gezeigt.

Herstellung	Fließgrenze [MPa]	Zugfestigkeit [MPa]	Gleichmaßdehnung [%]	Bruchdehnung [%]	Härte [HB2,5/62,5]	verbrauchte Arbeit [J]
konventionell	177	213	7,7	38	79,6	1,7
scherverformt	204	291	10,3	31	95	2,9

Hieraus ist deutlich, dass der zwischengeschaltete, intensive Scherverformungsschritt für das Halbzeugmaterial zu einer überraschend erheblichen, drastischen Steigerung der Festigkeit bei gleichzeitiger erhöhter Gleichmaßdehnung, d. h. Verformungsfähigkeit bei nur leicht verminderter Bruchdehnung führt, wobei die verbrauchte Verformungsarbeit signifikant erhöht werden kann, so dass dermaßen hergestellte Materialien besonders auch für Crash-aufnehmende Teile, z. B. für Kraftfahrzeuge geeignet sind.
Anhand der 3 ist, korrespondierend zu der Darstellung der 2 für das erste Ausführungsbeispiel ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung erläutert, wobei als Legierung hier eine Legierung der Al-Mg-Si-Serie aufgrund der Herstellung mittels intensiver Scherverformung im Rahmen des Herstellungsverfahrens nach der vorliegenden Erfindung zu deutlich verbesserter Zugfestigkeit, erhöhter Fliessgrenze und Gleichmaßdehnung führt (vgl. die entsprechenden Erläuterungen im Blockdiagramm der 3).
Die chemische Zusammensetzung ergibt sich aus der folgenden Tabelle.

Legierung Si Mg Fe Mn Zn, Cu Al Entsprechung

EN AW-6082 0,87 0,62 0,19 0,52 < 0,03 97,74 Rest AlSi1MgMn
Nachfolgend ist ein Vergleich der mechanischen Eigenschaften eines konventionell ausscheidungsgehärteten Werkstückes mit einem scherverformten Legierungsmaterial gemäß dem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt.

Herstellung Fließgrenze [MPa] Zugfestigkeit [MPa] Gleichmaßdehnung [%] Bruchdehnung [%] verbrauchte Arbeit [J]

konventionell 228 269 8,7 24,5 6,5

scherverformt 310 344 9,5 19,6 7,0
Schließlich verdeutlicht die 4 ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei hier eine Leichtmetalllegierung der Al-Cu-Serie verwendet wird, wie aus der nachfolgenden chemischen Zusammensetzung der Legierung deutlich wird.

Legierung Cu Si Mg Fe Mn Zn Al Entsprechung

ähnlich EN AW-2017 4,1 0,1 0,7 0,2 0,8 < 0,01 94,1 Rest AlCu4MgSi

In diesem Fall profitiert von dem nach Lösungsglühen und Abschrecken eingeschalteten intensiven Scherverformungsschritt vorrangig die Fliessgrenze und Härte des Halbzeu ges 5, zudem kann die Eigenschaft zur Einstellung wesentlich schneller erfolgen als herkömmliche Verfahrensführung. Die 4 entspricht in ihrer Darstellung den 2 und 3, während die nachfolgende Tabelle die Eigenschaften des vorgenannten Materials bei erfindungsgemäßer Verfahrensführung im Unterschied zur herkömmlichen Verfahrensführung verdeutlicht.

Herstellung	Fließgrenze [MPa]	Zugfestigkeit [MPa]	Gleichmaßdehnung [%]	Bruchdehnung [%]	Härte [HB2,5/62,5]	verbrauchte Arbeit [J]
konventionell	370	510	19,0	20,8	127	11,5
scherverformt	431	511	9	13	158	7,9

Der Scherverformungsprozess kann ohne weiteres in einen herkömmlichen Produktionsprozess zur Herstellung von Platten, Blechen, Profilen, Stangen, Rohren oder Knüppeln eingegliedert werden, indem das Material direkt vor dem Strangpressen lösungsgeglüht wird und eine Strangpresse das abgewinkelte Matrizen-Werkzeug nach 1 mit vorzugsweise gleichen Kanalquerschnitten enthält.

Claims

Verfahren zur Erhöhung von Festigkeit und Verformbarkeit von ausscheidungshärtbaren Werkstoffen, mit den Verfahrensschritten: – Überführen des Werkstoffes in einen Zustand fester Lösung, – rasches Abkühlen/Abschrecken des Werkstoffes, wobei die gelösten Legierungselemente in einer übersättigten, festen Lösung gehalten werden, – intensive Scherverformung des Werkstoffes im übersättigten, mischkristallverfestigten Zustand bei einer Temperatur T ≤ 120°C im wesentlichen ohne oder ohne zusätzliche Ausscheidung von Legierungselementen, und – Ausscheidungshärten durch Kalt- oder Warmauslagerung (Altern) des Werkstoffes zu einem Halbzeug oder Endprodukt.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Überführen des Werkstoffes in den Zustand fester Lösung durch Lösungsglühen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die intensive Scherverformung durch induziertes Pressen oder Ziehen in einem gewinkelten Press- und/oder Ziehkanal (2, 3) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei die intensive Schwerverformung durch querschnittshomogenes, induziertes Pressen oder Ziehen erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, wobei der Werkstoff für die intensive Scherverformung ein- oder mehrmalig durch Kanalabschnitte einer Matrize (1) gepresst und/oder gezogen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die intensive Scherverformung im wesentlichen bei Raumtemperatur erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, wobei der Werkstoff unter einem Umlenkwinkel (Φ) zwischen 20° ≤ Φ ≤ 160° scherverformt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Werkstoff unter einem Umlenkwinkel (Φ) von 90° scherverformt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei ein Querschnitt des Werkstoffes während der intensiven Scherverformung im wesentlichen unverändert bleibt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei der Werkstoff eine ausscheidungshärtbare Metalllegierung ist, die bei einer Temperatur nahe ihres Erstarrungspunktes lösungsgeglüht und anschließend abgeschreckt wird, ehe die intensive Scherverformung durchgeführt wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, wobei als ausscheidungshärtbarer Werkstoff eine Knetlegierung, eine Gusslegierung oder eine pulvermetallurgisch hergestellte Legierung verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 11, wobei als ausscheidungshärtbarer Werkstoff eine Legierung auf Aluminium-, Magnesium-, Titan-, Nickel- oder Eisenbasis verwendet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12, wobei der Werkstoff mit Aluminium als Matrixmaterial aus einer der Legierungen Al-Cu, Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, Al-Zn-Mg, Al-Li-Mg, Al-Ag und Al-Sc gebildet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei nach dem Verfahrensschritt der intensiven Scherverformung ein Aushärten bzw. Auslagern für einen Zeitraum von ca. 15 Minuten bei Raumtemperatur, erhöhter Raumtemperatur oder einer Temperatur von ca. 170°C erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 14, wobei vor dem Lösungsglühen ein Roh-Ausgangsmaterial als homogenisierter Gussblock einem Formgebungsvorgang zur Ausbildung eines Eingangsquerschnittes für das nachfolgende Lösungsglühen unterzogen wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 15, wobei die intensive Scherverformung nach dem ECAP-Verfahren, dem ECAE-Verfahren, dem DCAP-Verfahren, dem RCS-Verfahren, dem ARB-Verfahren, dem ECAP Conform-Verfahren oder dem Incremental ECAP-Verfahren erfolgt.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 16, wobei die Temperatur während der intensiven Scherverformung des Werkstoffes niedriger ist als während der anschließenden Ausscheidungshärtung und/oder Kalt- oder Warmauslagerung des ausscheidungsgehärteten Werkstoffes.
Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 17, wobei die Ausscheidungshärtung und/oder Kalt- oder Warmauslagerung auf einem variablen Temperaturniveau erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Ausscheidungshärtung und/oder Kalt- oder Warmauslagerung zunächst auf einem ersten und abschließend auf einem zweiten Temperaturniveau erfolgt.