DE2714127A1 - Verfahren zur tieftemperaturformung von metallblechen - Google Patents

Verfahren zur tieftemperaturformung von metallblechen

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Description

PATENTANWALT ü:PL.-INC. CtRHAiU) SCHWAN
') 7 1 L 1 7 7
800;) MÜNCHEN SJ ELIENSTRASSE 32
L-9671-G
UNION CARBIDE CORPORATION 270 Park Avenue, New York, N.Y. 10017, V.St.A.
Verfahren zur Tieftemperaturformung von Metallblech
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturformung von Metallblechen zu Formungen von gewünschter Gestalt.
Allgemein gilt, daß kubisch flächenzentrierte Metalle wie Aluminium und Aluminiumlegierungen unter den üblicherweise verarbeiteten Metallen zu den am leichtesten formbaren Werkstoffen gehören. Infolgedessen wurden Aluminium und Aluminiumlegierungen im Bau- und Transportwesen sowie in der Verpackungsindustrie in großem Umfang für Verkleidungen, architektonische Bauelemente, Paneele , Behälter und dergleichen verwendet. Der extensive Einsatz von Aluminium und Aluminiumlegierungen war jedoch, insbesondere in der Automobilindustrie, dadurch beschränkt, daß dünne Bleche aus Aluminium und Aluminiumlegierungen, die zur Bildung von Kotflügeln, Hauben, Türen usw. von Fahrzeugen benutzt werden, während des Formungsvorganges leicht brechen, reißen und/oder eine diskontinuierliche oder wellige Verformung erfahren. Außerdem zeigte es sich, daß aus solchen Blechen aus Aluminium
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FERNSPRtCHER: 089/6012039 · KABE L: ELECl RlCPATENT Mti NC H EN
und Aluminiumlegierungen hergestellte Teile schlechte Kratz- und Beul festigkeitseigenschaften haben. Die Oberflächen derartiger Teile werden infolgedessen leicht verkratzt und eingebeult, wodurch sie ästhetisch unansprechend werden. Die Vorteile der Verwendung von Aluminium und Aluminiumlegierungen bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen, die letztlich auf leichtere, leistungsfähigere Kraftfahrzeuge hinauslaufen würden, werden daher durch die oben beschriebenen Probleme der Formbarkeit und der mangelnden Kratz- und Beulfestigkeit mehr als wettgemacht.
Es ist bekannt, daß bei kubisch flächenzentrierten Metallen und Legierungen allgemein die Duktilität bei tiefen Temperaturen zunimmt. Beispielsweise zeigen Daten, die sich in dem "Cryogenic Materials Data Handbook" - AFML-TDR-64-280, Juli 1970 finden, daß die Duktilität von wärmebehandelten, kubisch flächenzentrierten Metallen und Legierungen, gemessen als Zugdehnung, bei -196 C in der Größenordnung von 50 bis 1OO % über derjenigen bei 25°C liegt. Dieses Verhalten läßt erwarten, daß solche kubisch flächenzentrierten Werkstoffe bei -196°C eine erhöhte Verformbarkeit im Vergleich zu dem Verhalten bei 25°C haben. Aus der US-PS 3 266 946 folgt, daß eine 1OO %ige Steigerung der Zugdehnung bei -196°C gegenüber 25°C zu einer 100 %igen Zunahme der erreichbaren Wellungstiefe bei einem Metallbalgen führt, der aus einem Blech aus einer Aluminium- oder Magnesiumlegierung gefertigt wird.
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Erfindungsgemäß werden Formteile von gewünschter Gestalt aus durch Kalt formung verfestigten Blechen aus kubisch flächenzentriertem Metall in einem FormungsVorgang gefertigt, bei dem das zu formende Blech weder bricht noch reißt. Auf die erfindungsgemäße Weise hergestellte Formteile zeichnen sich ferner durch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Oberflächenkratzerbildung und Einbeulen sowie durch eine wesentlich erhöhte Zugfestigkeit aus, die ihrerseits eine höhere Belastung erlaubt. Grundlage dafür ist der Umstand, daß die Zugdehnung von durch Kaltformung verfestigtem Blech aus kubisch flächenzentrierten Metallen und Legierungen bei -196 C um bis zu 1OOO % höher als bei 25°C sein kann. Dies steht im Gegensatz zu der wesentlich kleineren 50- bis 100 %igen Steigerung der Zugdehnung innerhalb des gleichen Temperaturbereichs, die bei wärmebehandelten kubisch flächenzentrierten Werkstoffen erhalten wird. Infolgedessen ergeben sich bei der Formung von durch Kaltformung verfestigtem Blech aus kubisch flächenzentrierten Metallen und Legierungen zu Formteilen von gewünschter Gestalt bei Tieftemperaturen anstelle von Raumtemperatur unerwartet große Steigerungen der Verformbarkeit, die den Einsatz von solchen Formteilen in Anwendungsfällen gestatten, wo eine erhöhte Festigkeit, Kratz— festigkeit und Beul festigkeit der Formteile wünschenswert sind. Außerdem werden erfindungsgemäß Formteile erhalten, die hervorragende Oberflächeneigenschaften haben, was darauf zurückzuführen ist, daß bei Tieftemperaturen die unerwünschte diskontinuierliche oder wellige Verformung vermieden wird,
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die für zahlreiche kubisch flächenzentrierte Metalle und Legierungen bei Raumtemperatur charakteristisch ist. Bei Tieftemperatur ausgebildete Formteile erfordern daher keinen anschließenden Schleif- oder Schwabbelvorgang, um für eine glatte Außenfläche zu sorgen.
Erfindungsgemaß werden durch Kaltformung verfestigte Bleche aus kubisch flächenzentrierten Metallen zu Formungen von gewünschter Gestalt verarbeitet, indem die Metallbleche unter Zugbeanspruchungen bei Temperaturen in der Größenordnung von ungefähr -1OO°C bis ungefähr -2OO°C verformt werden.
Kubisch flächenzentrierte Metalle sind bekanntlich Metalle als solche oder Legierungen, die ein dichtgepacktes Kristallgefüge haben, wobei die Bezeichnung kubisch flächenzentriert entsprechend dem Hauptbestandteil des Mikrogefüges verwendet wird, Beispiele von kubisch flächenzentrierten Metallen sind die Metalle Aluminium, Kupfer, Nickel, Blei und dergleichen sowie die durch Feststoff lösung verfestigten Legierungen solcher Metalle, wie beispielsweise die Reihen 3OOO und 5OOO von Aluminiumlegierungen; Kupferbasislegierungen, wie Messing und Bronze; Kupfer-Nickel-Legierungen und dergleichen sowie ausscheidungsgehärtete Legierungen dieser Metalle, zu denen unter anderem die Aluminiumlegierungen der Reihen 2OOO, 6OOO und 7OOO, Kupfer-Beryllium-Legierungen und dergleichen gehören. Vorliegend kommen jedoch nur diejenigen kubisch flächenzentrierten Metalle und Legierungen in Betracht, die stabil sind und wäh-
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rend der Verformung bei Tieftemperaturen keine Umwandlung erfahren. Diese Einschränkung schließt beispielsweise die kubisch flächenzentrierten rostfreien Stähle der Reihe 3OO aus, die ungefähr 18,0 % Chrom und 8,0 % Nickel als Hauptlegierungselemente enthalten.
Unter dem Begriff "Metallbleche" sollen vorliegend Metallbleche verstanden werden, die eine maximale Dicke von ungefähr 5 mm und vorzugsweise eine größte Dicke von ungefähr 1,3 mm haben.
Unter "durch Kaltformung verfestigte Metallbleche" sollen vorliegend Metallbleche verstanden werden, die mindestens ungefähr 5O % der maximalen Härte und vorzugsweise mindestens ungefähr 75 % der größten Härte erreicht haben, wobei die betreffenden Härtewerte zweckmäßig mittels eines Rockwell-Härteprüfgerätes bestimmt werden.
Die Metallbleche können auf die gewünschte Temperatur im Bereich von ungefähr -1OO C bis ungefähr -2OO C durch Eintauchen in ein zweckentsprechendes kryogenes Medium, beispielsweise flüssigen Stickstoff, oder auf eine Reihe von anderen bekannten Weisen gebracht werden, beispielsweise indem ein kryogenes Gas oder eine kryogene Flüssigkeit auf die Metallbleche aufgesprüht werden.
Der Begriff "Verformen unter Zugbeanspruchungen" bezieht sich
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auf Prozesse, bei denen mindestens ein Teil des Werkstoffes auf Grund eines lokalen Beanspruchungsfeldes verformt wird, bei dem die größte Beanspruchungskomponente eine Zugbeanspruchung ist. An solchen Stellen kommt es leicht zu einem vorzeitigen Ausfall, wenn versucht wird, den Formling herzustellen. Ein Beispiel eines Arbeitsvorganges, bei dem eine "Verformung unter Zugbeanspruchungen" auftritt, ist das Preßformen. Bei diesem Prozeß nimmt das Werkstück die Gestalt an, die ihm von einem Stempel und einer Matrize aufgezwungen werden; die aufgebrachten Kräfte können Zug-, Druck-, Biegeoder Scherkräfte oder verschiedene Kombinationen dieser Kräfte sein. Die Anfangsstellen, an denen ein frühzeitiger Ausfall erwartet v/erden muß, sind jedoch die speziellen Bereiche, bei denen große Verformungen durch ein lokales Beanspruchungsfeld ausgelöst werden müssen, innerhalb dessen die größte Beansprurhung eine Zugbeanspruchung ist. Ein Beispiel für einen Arbeitsvorgang, bei dem kein "Verformen unter Zugbeanspruchungen" eintritt, ist das Prägen. Beim Prägen handelt es sich um einen in einer geschlossenen Form durchgeführten Quetschvorgang, bei dem alle Außenflächen des Werkstückes umschlossen oder festgehalten sind und bei dem die Verformung durch ein örtliches Spannungsfeld ausgelöst wird, bei dem die größte Beanspruchung eine Druckbeanspruchung ist.
Weitere Beispiele für Verfahren, bei denen die Formung von Metallblechen in die gewünschte Gestalt ein Verformen unter Zugbeanspruchungen beinhaltet, sind das Preßbiegen, Preßbrems-
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formen, Tiefziehen, Streckziehen, die Formung mit Gummikissen, das hydrostatische Formen, das Explosions formen, das elektromagnetische Dehnen, das Konturformen und dergleichen.
Bei den folgenden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden die Versuchsergebnisse entsprechend den untenstehenden Methoden bestimmt:
Zugversuch: Prozentuale Dehnung auf 51 mm bei der angegebenen Dehnungsgeschwindigkeit (t) - ASTM E8. Die genannten Dehnungswerte sind die Mittelwerte sowohl für Längs- als auch für Querausrichtung, basierend auf Messungen bei 4 Versuchsproben .
Hydrostatischer Ausbauchversuch: Bestimmung der Ausbauchhöhe beim Bruch und prozentuale zweiachsige Formänderung beim Bruch. Die Proben für den hydrostatischen Ausbauchversuch bestanden aus Scheiben mit einem Durchmesser von 15 cm. Die Versuchseinspannung beschränkte den tatsächlichen Versuchsabschnitt jedoch auf einen mittleren Teil von 10 cm Durchmesser.
Bei einer Temperatur von 25 C ausgeführte Versuche wurden unter Verwendung einer einfachen handbetätigten Pumpe vorgenommen, wobei Wasser als Druckmedium benutzt wurde. Die Ausbauchhöhe und der Druck wurden während der Versuche kontinuierlich überwacht. Ein Gerät Hewlett-Packard Modell 24 DCDT-
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- Jgr-
30OO LVDT wurde verwendet, um die Verlagerung des Mittelpunktes der Scheibe zu messen. Zur Bestimmung des aufgebrachten Druckes wurde ein Druckwandler Modell Dynisco PT31OB-1OM verwendet. Die maximalen zweiachsigen Formänderungen beim Bruch wurden an Hand eines Gitters von sich schneidenden Kreisen mit 6,4 mm Durchmesser bestimmt; das Gitter wurde auf jede Versuchsprobe durch fotografische Verfahren aufgebracht. Bei -196 C durchgeführte Versuche wurden unter Verwendung einer Tieftemperatur-Pumpeinrichtung vorgenommen, wobei als Druckmittel flüssiger Stickstoff verwendet wurde. Die Versuchsproben wurden in ein Bad aus flüssigem Stickstoff vollständig eingetaucht, um eine konstante Versuchstemperatur von -196 C sicherzustellen. Die Ausbauchungshöhe wurde mit der gleichen Vorrichtung ständig überwacht wie im Falle der Versuche bei einer Temperatur von 25°C. Der Ausbauchdruck wurde ständig überwacht, indem die auf den Kolben der Tieftemperaturpumpe ausgeübte Kraft gemessen wurde. Die Querschnittsfläche des
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Kolbens betrug 8,3 cm ; der Druck wurde berechnet, indem die aufgebrachte Kraft durch diese Fläche dividiert wurde. Die maximale zweiachsige Formänderung beim Bruch bei -196 C wurde in der zuvor beschriebenen Weise gemessen.
BEISPIEL 1
Bei diesem Beispiel wurde ein durch Kaltformung verfestigtes Blech aus einer mit Aluminium plattierten 3OO3-H16-Legierung mit einer Dicke von 0,2 mm verwendet. Eine 3OO3-H16-Legierung ist eine durch Feststoff lösung verfestigte Aluminiumlegierung,
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die als Hauptlegierungselement 1,2 Gew.% Mangan enthält und die bei Raumtemperatur auf 75 % der maximalen Hurte kaltgewalzt war. Die Oberfläche des Blechs war mit einer O,01 mm dicken Lage aus einer 7072-Aluminiumlegierung plattiert, die 1,0 % Zink enthält.
Versuchsproben wurden auf die angegebenen Temperaturen gebracht und dem Zugversuch bei diesen Temperaturen und der genannten Dehnungsgeschwindigkeit (c) unterzogen.
Dehnung auf 51 mm (%)
Versuchsprobe 1 (Versuchsprobe in Stickstoff eingetaucht)
Versuchsprobe 2 (Versuchsprobe in ein Gemisch aus Trockeneis und Alkohol eingetaucht)
Versuchsprobe 3
Temperatur £ = 5 χ 1O s
-196°C
-79°C
+25°C
20,7
3,6
1,5
BEISPIEL 2
Die Versuche dieses Beispiels wurden in der für das Beispiel 1 beschriebenen Weise durchgeführt, wobei ein 0,18 mm starkes Blech aus einer 11OO-H18-Legierung benutzt wurde. Eine 110O-H18-Legierung besteht zu 99 Gew.% aus reinem Aluminium; sie wurde bei Raumtemperatur auf maximale Härte kaltgewalzt.
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Dieses Beispiel demonstriert, daß die mit der vorliegend erläuterten Tieftemperaturformung verbundenen Vorteile insbesondere auch bei Arbeitsvorgängen mit charakteristischerweise hohen Verformungsgeschwindigkeiten verwirklicht werden; der Zugversuch wurde nämlich auch bei einer Dehnungsgeschwin digkeit (c) von 3,6 s durchgeführt.
4 Temperatur Dehnung auf
51 mm (%)
i = 5x1O~4 s"1 		Dehnung auf
51 mm (%)
έ= 3,6 s'1
Versuchsprobe 5 -196°C 28,0 22,5
Versuchsprobe 6 -79°C 2,8 —
Versuchsprobe +25°C 2,0
BEISPIEL 3
Die Versuche dieses Beispiels wurden mit dem in Beispiel 2 genannten Metallblech durchgeführt. Die Versuchsproben wurden auf die angegebenen Temperaturen gebracht und dem hydrostatischen Ausbauchversuch bei diesen Temperaturen unterzogen .
zweiachsige Form-Ausbauchhöhe änderung beim Temperatur beim Bruch Bruch (%)
Versuchsprobe 7 -196°C 24 mm 21,9
Versuchsprobe 8 +25°C 15 mm 9,6
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BEISPIEL 4
Bei den Versuchen dieses Beispiels wurde das in Beispiel 2 erläuterte Metallblech verwendet. Die Versuchsproben wurden auf die genannten Temperaturen gebracht und dann dem hydrostatischen Ausbauchversuch unterzogen.
zweiachsige Form-Ausbauchhöhe änderung beim Temperatur beim Bruch Bruch (%)
Versuchsprobe 9 -196°C 17 mm 11,6
Versuchsprobe 10 +250C 10 mm 5,1
BEISPIEL 5
Die Versuche dieses Eeispiels wurden entsprechend dem in Beispiel 1 erläuterten Verfahren unter Verwendung eines durch Kaltformung verfestigten Bleches aus im wesentlichen reinem, Sauerstoff freiem Kupfer hoher Leitfähigkeit durchgeführt. Das Kupferblech war 0,25 mm dick und war auf maximale Härte kaltgewalzt .
Dehnung auf 51 mm (%)
Versuchsprobe 11
Versuchsprobe 12
Versuchsprobe 13
Temperatur i= 5 χ 10 -4 -1
-196°C 8
-79°C 3, 5
+25°C 1 , 3
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BEISPIEL 6
Die Versuche dieses Beispiels wurden entsprechend dem in Beispiel 1 erläuterten Vorgehen durchgeführt; es wurde ein durch Kaltformung verfestigtes Messingblech (7O Gew.% Kupfer, 3O Gew.% Zink) benutzt. Das Messingblech war 0,3 mm dick und war auf maximale Harte kaltgewalzt.
Versuchsprobe 14
Versuchsprobe 15
Versuchsprobe 16
Dehnung 7 au f 51 mm (%)
Temperatur C= 5 χ 2 10 -4
-196°C 2 ,7
-79°C
+25°C
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Claims (9)

  1. Ansprüche
    . !Verfahren zur Tieftemperatur formung von Metallblech, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Kaltformung verfestigtes Blech aus kubisch flächenzentriertem Metall zu einem Formling von gewünschter Gestalt verarbeitet wird, indem das Blech unter Zugbeanspruchungen bei Temperaturen von ungefähr -1OO C bis ungefähr -200 C verformt wird,
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech mit einer größten Dicke von ungefähr 5 mm verwendet wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech mit einer größten Dicke von ungefähr 1,3 mm verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech durch Kaltformung auf mindestens ungefähr 50 % der maximalen Härte verfestigt wird.
  5. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech durch Kaltformung auf mindestens ungefähr 75 % der maximalen Härte verfestigt wird.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
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    ORIGINAL INSPECTED
    27 U
    verwendet wird.
  7. 7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung verwendet wird und das Blech durch Kaltformung auf mindestens ungefähr 50 % der maximalen Härte verfestigt wird,
  8. 8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech aus Kupfer oder einer Kupferlegierung verwendet wird.
  9. 9. Verfahren zur Tieftemperaturformung von Metallblech, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch Kaltformung verfestigtes Blech aus kubisch flächenzentriertem Metall mit mindestens ungefähr 50 % der maximalen Härte und einer größten Dicke von ungefähr 5 mm zu einem Formling von gewünschter Gestalt verarbeitet wird, indem das Blech unter Zugbeanspruchungen bei Temperaturen von ungefähr -1OO°C bis ungefähr -200°C verformt wird.
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DE2714127A 1976-03-31 1977-03-30 Verfahren zur Tieftemperaturformung von Metallblech Expired DE2714127C3 (de)

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