DE2714127C3

DE2714127C3 - Verfahren zur Tieftemperaturformung von Metallblech

Info

Publication number: DE2714127C3
Application number: DE2714127A
Authority: DE
Inventors: Ronald Joseph Yorktown Heights N.Y. Selines; Jaak Stefaan van den Scarsdale N.Y. Sype
Original assignee: Union Carbide Corp
Current assignee: Union Carbide Corp
Priority date: 1976-03-31
Filing date: 1977-03-30
Publication date: 1981-03-26
Also published as: AT353075B; AU2376377A; FR2346069A1; ATA220077A; ES457350A1; AU504132B2; FI770988A; NO771128L; PH12251A; CA1083019A; NL7703472A; GB1572552A; BE853054A; US4159217A; DE2714127A1; DK140977A; JPS52120263A; DE2714127B2; SE7702015L; CH619271A5

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Tieftemperaturformung eines Bleches aus einem kubisch flächenzentrierten metallischen Werkstoff, bei dem das kaltgewalzte Blech unter Zugbeanspruchung bei einer Tief temperatur von ungefähr - 100°C bis ungefähr - 200° C verformt wird.

Allgemein gilt, daß kubisch flächenzentrierte Metalle wie Aluminium und Aluminiumlegierungen unter den üblicherweise verarbeiteten Metallen zu den am leichivsten 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, -to 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 und Aluminiumlegierungen hergestellte Teile schlechte Kratz- und Beulfestigkeitseigenschaften haben. Die Oberflächen derarti- ger Teile werden infolgedessen leicht verkratzt und eingebeult, wodurch sie ästhetisch unansprechend werden. Die Vorteile der Verwendung von Aluminium und Alu.niniumlegierungen bei der Herstellung von Kraftfahrzeugen, die letztlich auf leichtere, leistungsfä- '>'. higere Kraftfahrzeuge hinauslaufen würden, werden daher durch die oben beschriebenen Probleme der Formbarkeit und der mangelnden Kratz- und Beulfe stigkeit mehr als wettgemacht.

Es ist bekannt (Metal working production, 1955. Seite f>o 2231), daß mit dem eingangs genannten Tieftemperaturformverfahren schwierige Umform- und Biegearbeiten an Blech aus rostfreien austenitischen Chrom-Nickel-Stählen mit 18% Chrom und 8% Nickel durchgeführt werden können. Ferner ist es bekannt (Cryogenic *' Materials Data Handbook - AFML-TDR-64-280, Juli 1970), daß bei kubisch flächenzentrierten Metallen und Legierungen die Duktilität bei tiefen Temperaturen zunimmt und beispielsweise die Duktilität von wärmebehandelten, kubisch flächenzentrierten Metallen und Legierungen, gemessen als Zugdehnung, bei minus 196° C in der Größenordnung von 50 bis 100% über derjenigen bei 25° C liegt Bekannt ist auch (US-PS 32 66 946), daß eine 100%ige Steigerung der Zugdehnung bei -196⁰C 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. Schließlich ist es bekannt (US-PS 29 74 778), Aluminiumdraht bei Temperaturen unter -60⁰C, vorzugsweise bei — 75⁰C, zu ziehen. Ein Verfahren zum problemlosen Verformen von Blechen aus Aluminium und Aluminiumlegierungen stand aber bisher nicht zur Verfügung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, das es erlaubt, Bleche aus Aluminium und Aluminiumlegierungen ohne i t Gefahr eines Brechens oder Reißens zu verformen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß bei dem Verfahren der eingangs genannten Art ein Blech aus Aluminium oder einer durch Feststofflösung verfestigten Aluminiumlegierung verwendet wird.

Aluminium hat zwar ebenso wie rostfreier Stahl ein kubisch flächenzentriertes Gefüge. Gleichwohl sprechen beide Metalle auf die gleiche Behandlung regelmäßig unterschiedlich an. Dies ist darauf zurückzuführen, daß rostfreie Stähle bei kryogenen Temperaturen eine für die Steigerung der Duktilität verantwortliche Phasenumwandlung von der austenitischen /ur martensitischen Phase erfahren, während Aluminium stabil ist

Insbesondere kommt es bei Aluminium zu keiner Phasentransformation, die zu einem Ansprechverhalten führen könnte, wie es bei rostfreiem Stahl der Fall ist Jedenfalls wurde eine Anwendung des seit Jahrzehnten für die Tieftemperaturformung von kaltgewalzten Stahlblechen bekannten Verfahrens auf Aluminiumbleche trotz des Bedürfnisses an einem verbesserten Verformungsverfahren für solche Bleche nicht vorgeschlagen.

Das Verfahren nach der Erfindung erlaubt es. Formteile von gewünschter Gestalt aus durch Kaltformung verfestigten Blechen aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen in einem Formungsvorgang zu fertigen, 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 Zjgdehnung von durch Kaltformung verfestigtem Blech aus Aluminium und Aluminiumlegierungen bei - 196° C um bis zu 1000% 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 flächen/entrierten Werkstoffen erhalten wird. Infolgedessen ergeben sich bei der Formung von durch Kaltformung verfestigtem Blech aus Aluminium und Aluminiumlegierungef. zu Fonmeilen 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, Kratzfestigkeit und Beulfestigkeit 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, die für zahlreiche kubisch flächenzentrierte Metalle und Legierungen bei Raumtemperatur charakteristisch ist Bei Tieftemperatur ausgebildete Formteile erfordern daher keinen anschließenden Schleifoder Scbwabbelvorgang, um für eine glatte Außenfläche zu sorgen.

Unter kubisch flächeiuentrierten Werkstoffen werden vorliegend Aluminium als solches oder Legierungen verstanden, die ein dichtgepacktes Kristallgefüge haben, wobei die Bezeichnung kubisch flächenzentriert entsprechend dem Hauptbestandteil des Mikrogefflges verwendet wird. Beispiele von kubisch flächenzentrierten, duich Feststofflösung verfestigten Legierungen sind nicht wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen mit Mangan und/oder Magnesium als Hauptlegierungselement sowie ausscheidungsgehärtete, wärmebehandelbare Aluminiuir'egierungen mit Kupfer. Silizium, Magnesium und Zink als Hauptlegierungselementen. Vorliegend kommen nur diejenigen kubisch flächenzentrierten Legierungen in Betracht, die stabil sind und während der Verformung bei Tieftemperaturen keine Umwandlung erfahren.

Die vorliegend verwendeten Bleche haben zweckmäßig eine größte Dicke von 5 mm und vorzugsweise eine größte Dicke von 13 mm.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird das Blech durch Kaltformung auf mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 75% der größten Härte verfestigt, wobei die oetreffenden Härtewerte zweckmäßig mittels eines Rockwe".I-Härti Prüfgerätes bestimmt werden.

Die Metallbleche können auf ά gewünschte Temperatur im Bereich von ungefähr -100° C bis ungefähr -200⁰C 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 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 Formstanzen. 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-, Biege- oder Scherkräfte oder verschiedene Kombinationen dieser Kräfte sein. Die Anfangsstellen, an denen ein frühzeitiger Ausfall erwartet werden muß, sind jedoch die speziellen Bereiche, bei denen große Verformungen durch ein lokales Beanspruchungsfeld ausgelöst werden müssen, innerhalb dessen die größte Beanspruchung 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 Biegeumformen, Gesenkbiegen, Tiefziehen, Streckziehen, die Formung mit Gummikissen, das hydrostatische Formen, das Explosionsformen, das elektromagnetische Dehnen, das Konturformen und

ίο dergleichen.

Bei den folgenden Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Verfahrens wurden die Versuchsergebnisse entsprechend den untenstehenden Methoden bestimmt:

Zrgversuch: Prozentuale Dehnung auf 51 mm bei der angegebenen Dehnungsgeschwindigkeit (έ) — ASTM E8. Die genannten Dehnungswerte sind die Mittelwerte sowohl für Längs- als auch für Querausnchtung, 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 handbetätig· ten Pumpe vorgenommen, wobei Wasser als Druckmedium benutzt wurde. Dre Ausbauchhöhe und der Druck wurden während der Versuche ko itinuierlich überwacht Ein Gerät Hewlett-Packard N odell 24 DCDT-3000 LVDT wurde verwendet, um die Verlagerung des Mittelpunktes der Scheibe zu messen. Zur Bestimmung des aufgebrachten Druckes wurde ein Druckwandler Modell Dynisco PT310B-10M 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 dt-r 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 Kolbens betrug 8,3 cm²:

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, 0,2 mm dickes Blech aus einer mit Aluminium plattierten, durch Feststofflösung verfestigten Aluminiumlegierung verwendet, die als Hauptlegierungselement 1,2 Cew.-% Mangan enthält und die bei Raumtemperatur auf 75% der maximalen Härte kaltgewalzt war. Die Oberfläche des Blechs war mit

einer 0,01 mm dicken Lage aus einer Aluminiumlegierung mit 1,0% Zink plattiert

Versuchsproben wurden auf die angegebenen Temperaturen gebracht und dem Zugversuch bei diesen Temperaturen und der genannten Dehnungsgeschwindigkeit (έ) unterzogen.

Tempe- Dehnung auf
ratur 51mm(%)

Versuchsprobe 1
(Versuchsprobe in Stickstoff eingetaucht)

Versuchsprobe 2
(Versuchsprobe in ein
Gemisch aus Trockeneis
lind Alkohol eingetaucht)

Versuchsprobe 3

-196 C 20,7

-79C

+ 25 C

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 Legierung mit 99 Gew.-% Aluminium und 0,12% Cu benutzt wurde, die bei Raumtemperatur auf maximale Härte kaltgewalzt wurde. 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 Dehnungsgeschwindigkeit (έ) von 3,6 s -' durchgeführt

Temperatur

Dehnungauf 51 mm (%)

Dehnung auf 5lmm(%)

Sx)(T⁴S ' f=3,6s

Versuchsprobe 6

+ 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.

Temperatur

Ausbauchhöhe beim Bruch

Zweiachsige Formänderung beim Bruch

Versuchsprobe 7

Ve/iuchsprobe 8

-196 C
+ 25 C

24 mm 15mm

21,« 9,6

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.

	Tempe ratur	Dehnungauf 51mm(%)	Dehnung auf 51 mm (%) f=3,6s~'	40	Tempe ratur	Ausbauch höhe beim Bruch	Zw: "iachsige Formänderung beim Bruch
	-196'C -79 C	28,0 2,8	22,5	Versuchs- ₄₅ probe 9 Versuchs probe 10	-196'C + 25 C	17mm 10mm	11,6 5,1
Versuchs probe 4 Versuchs probe 5

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Tieftemperaturformung eines Bleches aus einem kubisch flächenzentrierten metallischen Werkstoff, bei dem das kaltgewalzte Blech unter Zugbeanspruchung bei einer Tieftemperatur von ungefähr -100⁰C bis ungefähr -200⁰C verformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech aus Aluminium oder einer durch ι ο Feststofflösung verfestigten Aluminiumlegierung verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Blech mit einer größten Dicke von 5 mm und vorzugsweise einer größten Dicke von 13 mm verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Blech durch Kaltformung auf mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 75% der größten Härte verfestigt wird.