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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung stark verformter
Bauteile für
den Maschinenbau und insbesondere den Flugzeugbau, bei dem Bleche
aus der Aluminiumlegierung AlCuMg vom Typ 2024 gemäß der Nomenklatur
der Aluminium Association verwendet werden.
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Stand der
Technik
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Die
Legierung 2024 ist im Flugzeugbau weit verbreitet und ihre bei der
Aluminium Association registrierte Zusammensetzung ist wie folgt
(Gew.-%):
Si < 0,5
Fe < 0,5 Cu: 3,8–4,9 Mn:
0,3–0,9
Mg: 1,2–1,8
Zn < 0,25 Cr < 0,10 Ti < 0,15.
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Für bestimmte
Bauteile, die insbesondere durch Ziehformen (häufig wird der englische Begriff „stretch-forming" benutzt), Tiefziehen,
Drückwalzen,
Biegen oder Rollformen hergestellt werden, sind zusätzlich zu
den gewöhnlich
geforderten Eigenschaften wie hohe mechanische Festigkeit, Bruchzähigkeit,
Beständigkeit
gegen Rissaussbreitung, usw. Bleche notwendig, die eine gute Formbarkeit
aufweisen.
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Das
Patent
EP 0473122 beschreibt
ein Verfahren zur Herstellung von Blechen aus einer Legierung der Zusammensetzung
(Gew.-%): Cu: 4–4,5
Mg: 1,2–1,5
Mn: 0,4–0,6
Fe < 0,12 Si < 0,05, bei dem eine
Zwischenglühung
bei einer Temperatur > 488°C vorgesehen
ist. Dem Patente zufolge weisen diese Bleche gegenüber der
herkömmlichen
Legierung 2024 eine verbesserte Bruchzähigkeit und Rissausbreitungsbeständigkeit
auf.
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In
der Patentanmeldung
EP 0731185 sind
Bleche aus der modifizierten, bei der Aluminium Association später unter
der Bezeichnung 2024A registrierten Legierung 2024 beschrieben,
die ein reduziertes Maß an Restspannungen
und eine verbesserte Bruchzähigkeit
bei dicken Blechen sowie eine verbesserte Dehnung bei feinen Blechen
aufweisen. In dieser Anmeldung ist der Mn-Gehalt auf 0,55% und der
Fe-Gehalt auf 0,25% begrenzt, mit der Relation 0 < Mn – 2Fe < 0,2 (wobei die
Mn- und Fe-Gehalte in % ausgedrückt
sind).
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Die
Patentanmeldung WO 96/29440 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung
eines Erzeugnisses aus Aluminiumlegierung vom Typ 2024, umfassend
ein Warmwalzen, Glühen,
Kaltwalzen, Lösungsglühen, Abschrecken
sowie eine minimale Kaltumformung, zum Beispiel ein Recken, Geraderichten
oder Glätten,
welches Verfahren die Formbarkeit verbessern soll. Da die Anmelderin
feststellte, dass die Verwendung einer reinen Basis (sehr geringer
Gehalt an Eisen und Silicium) und eines Mangangehalts unterhalb
0,5% zu einer verbesserten Formbarkeit führt, empfiehlt sie eine bevorzugte
Zusammensetzung der Legierung: Cu: 4,0–4,4, Mg: 1,25–1,5, Mn:
0,35–0,5,
Si < 0,12, Fe < 0,08, Ti < 0,06. Die zwischengeschaltete
Glühung
zwischen Warmwalzen und Kaltwalzen soll dabei günstig für die mechanische Festigkeit
und die Bruchzähigkeit
sein. Dieser zusätzliche
und ungewöhnliche
Verfahrensschritt weist jedoch wirtschaftliche Nachteile auf. Er
löst auch
nicht die marktseitig gestellte Aufgabe, nämlich Bleche mit Eigenschaften
zur Verfügung
zu stellen, die eine vereinfachte Formgebung ermöglichen.
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Aufgabenstellung
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Um
die Herstellungskosten zu reduzieren, sind die Flugzeugbauer darauf
bedacht, die Zahl der Umformschritte für die Bleche möglichst
gering zu halten und Bleche zu verwenden, die mit Hilfe kurzer Verarbeitungsprogramme,
d.h. mit möglichst
wenigen Einzelschritten, kostengünstig
hergestellt werden können.
Die derzeitige Praxis der Flugzeugbauer bei Rumpfbeplankungen besteht
darin, je nach geforderter Dicke warm- oder kaltgewalzte Bleche im Herstellungszustand
(Zustand "F" gemäß Norm EN
515), im weichgeglühten
Zustand (Zustand "O") oder im abgeschreckten,
kaltausgelagerten Zustand (Zustand "T3" oder "T4") bereitzustellen,
sie einer Wärmebehandlung
zu unterziehen, bei der sie lösungsgeglüht und anschließend abgeschreckt werden,
sie dann zu formen und einer Kalt- oder Warmauslagerung zu unterwerfen,
um die geforderten Festigkeitseigenschaften zu erzielen.
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Im
Allgemeinen befinden sich die Bleche nach erfolgtem Lösungsglühen und
Abschrecken in einem Zustand, der sich durch eine gute Formbarkeit
auszeichnet, dieser Zustand ist jedoch instabil (Zustand "W") und die Formgebung muss unmittelbar
nach dem Abschrecken erfolgen, d.h. innerhalb kurzer Zeit nach dem Abschrecken
in einem Zeitraum von einigen Dutzend Minuten bis einigen Stunden.
Wenn dies aus Gründen der
Produktionssteuerung nicht möglich
ist, muss das Blech in einem Kälteraum
aufbewahrt werden, und zwar bei genügend niedriger Temperatur und
für genügend kurze
Dauer, um Kaltauslagerung zu vermeiden. Bei voluminösen und
stark geformten Bauteilen erfordert diese Lösungsglühbehandlung große Öfen, was
diesen Vorgang aufwendig macht, auch in Bezug auf den gleichen Vorgang,
der an einem ebenen Blech durchgeführt wird. Der eventuell notwendige
Kälteraum
kommt zu den Kosten und Nachteilen des Stands der Technik noch hinzu.
Bei stark verformten Bauteilen muss dieser Vorgang eventuell dann
wiederholt werden, wenn der Werkstoff in dem metallurgischen Zustand,
in dem er sich befindet, nicht eine Formbarkeit aufweist, die ausreicht, um
die gewünschte
Form in einem einzigen Arbeitsgang zu erzielen.
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Ausgehend
vom Zustand F kann als Formgebung nur das Rollformen in Betracht
kommen. Dabei wird das gerollte Blech lösungsgeglüht und abgeschreckt, und es
wird eine zweite Formgebung vorgenommen, entweder unmittelbar nach
dem Abschrecken oder nach der Lagerung in einem Kälteraum.
In allen anderen Fällen wird
das Blech direkt lösungsgeglüht und abgeschreckt,
bevor es in Form gebracht wird. Liegt ein Blech im Zustand O zugrunde,
wird eine erste Formgebung ausgehend von diesem Zustand und eine
zweite Formgebung nach Lösungsglühen und
Abschrecken durchgeführt.
Diese Variante wird dann verwendet, wenn die beabsichtigte Formgebung
zu stark ist, um in einem einzigen Arbeitsgang ausgehend von einem
Zustand W durchgeführt
werden zu können,
jedoch in zwei Arbeitsgängen
ausgehend vom Zustand O ausgeführt
werden kann. In diesem Zustand ist das Blech zwar weniger gut formbar,
aber der Zustand O ist leichter zu verwenden als der Zustand W,
der instabil ist und eine zusätzliche
Wärmebehandlung
erfordert. Allerdings findet bei der Herstellung des Blechs im Zustand
O eine Endglühung
des Blechs im Walzzustand und somit ein zusätzlicher Herstellungsschritt
statt, was dem von der vorliegenden Erfindung bezweckten Ziel der
Vereinfachung entgegensteht.
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In
bestimmten Fällen,
selbst ausgehend von einem Blech im Zustand W, das in der Regel
die beste Formbarkeit aufweist, lässt sich ein zweiter Formgebungsschritt
nach Lösungsglühen und
Abschrecken nicht vermeiden; dies stellt die dritte Variante des
Verfahrens nach dem Stand der Technik dar.
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Diese
Art der Bearbeitung von Blechen aus der Legierung 2024 durch starke,
gegebenenfalls unmittelbar nach dem Abschrecken erfolgende Formgebung
findet insofern zunehmende Verbreitung, als die Tendenz in Richtung
größere Einzelteile
geht, um die Zahl der Verbindungen zu reduzieren, was sowohl technische
Zielsetzungen (Verbindungen sind Stellen, an denen Korrosion und
Ermüdungsrisse
auftreten) als auch wirtschaftliche Zielsetzungen (Montagearbeiten
machen einen großen
Teil der Herstellungskosten eines Flugzeugs aus) erfüllt. Zudem
kann durch den Einsatz größerer Bauteile
das Gewicht des Flugzeugs reduziert werden.
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In
allen Fällen
verschlechtern sich während
der letzten Bearbeitung die Schadentoleranzeigenschaften unter der
Einwirkung der Kaltverfestigung, die mit dieser Umformung verbunden
ist.
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Ziel
der Erfindung ist es daher, das Verfahren zur Herstellung von Formteilen
und insbesondere von Teilen, die durch ein oder mehrere Verfahren
wie Ziehformen, Tiefziehen, Drückwalzen
oder Biegen stark umgeformt werden, zu vereinfachen, und zwar durch
die Kombination einer optimierten chemischen Zusammensetzung und
besonderer Herstellungsverfahren, die es ermöglicht, das Lösungsglühen von
Formblechen so weit wie möglich
zu vermeiden.
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Es
versteht sich von selbst, dass jedes neue Verfahren zur Herstellung
stark umgeformter Teile zu Teilen führen muss, deren Festigkeits-
und Gebrauchseigenschaften im Vergleich zu existierenden Erzeugnissen mindestens
ebenso gut sind.
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Ein
weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung von Teilen, deren
Schadentoleranzeigenschaften sich nach erfolgter Umformung nicht
verschlechtern.
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Gegenstand
der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung stark verformter
Teile aus AlCuMg-Legierung vom Typ 2024 mit folgenden Schritten:
- a) Gießen
einer Platte der Zusammensetzung (Gew.-%): Cu: 3,8–4,5, Mg:
1,2–1,5,
Mn: 0,3–0,5,
Si < 0,10, Fe < 0,20, Zn < 0,20, Cr < 0,05, Zr < 0,03, Ti < 0,05, Rest Al und
Verunreinigungen,
- b) Homogenisierung dieser Platte bei einer Temperatur von 460
bis 510°C
und vorzugsweise 470 bis 500°C während 3
bis 6 h,
- c) Warmwalzen mit einer Eingangstemperatur von 430 bis 470°C, vorzugsweise
440 bis 460°C,
und einer Ausgangstemperatur von mehr als 300°C zur Gewinnung eines Bandes,
- d) Zuschneiden des Bandes zu Blechen,
- e) Formgebung durch Ziehformen, Tiefziehen, Drückwalzen
und/oder Biegen,
- f) Lösungsglühen zwischen
480 und 500°C
für eine
Dauer von 5 min bis 1 h,
- g) Abschrecken.
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Die
Legierung hat vorzugsweise einen Kupfergehalt von 3,9 bis 4,3% (besonders
bevorzugt von 3,9 bis 4,2%), einen Magnesiumgehalt von 1,2 bis 1,4%
(besonders bevorzugt von 1,25 bis 1,35%), einen Mangangehalt von
0,3 bis 0,45%, einen Eisengehalt < 0,10%,
einen Siliciumgehalt < 0,10
(bevorzugt < 0,08%), einen
Gehalt an Titan, Chrom und Zirkon < 0,07%
(bevorzugt < 0,05%).
Durch das erfindungsgemäße Verfahren
können
eventuell plattierte Bleche verwendet werden, zum Beispiel Bleche,
die mit einer Plattierung aus einer korrosionsbeständigeren
Legierung versehen sind, wie dies gewöhnlich bei Blechen für die Rumpfbeplankung
von Flugzeugen der Fall ist.
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Beschreibung
der Erfindung
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Ein
erstes Merkmal der Erfindung besteht in der Verwendung einer modifizierten
Legierung im Vergleich zur herkömmlichen
Legierung 2024. Bei der ersten Legierungsmodifikation werden die
Gehalte an Si und Fe auf weniger als 0,25 bzw. 0,20% und vorzugsweise
weniger als 0,10% reduziert. Andererseits wird auch der Mn-Gehalt auf weniger
als 0,5% und vorzugsweise weniger als 0,45% reduziert. Schließlich wird
noch der Cu-Gehalt geringfügig
reduziert und auf weniger als 4,5% und vorzugsweise weniger als
4,3% oder sogar 4,2% gehalten. Der Mg-Gehalt wird ebenfalls etwas
reduziert und auf weniger als 1,5%, vorzugsweise zwischen 1,2 und
1,4% oder sogar 1,25 bis 1,35% gehalten.
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Die
Anmelderin stellte dabei fest, dass diese aus dem Stand der Technik
bekannte Zusammensetzung allein nicht ausreicht, die geforderte
Formbarkeit zu erzielen.
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Die
Legierung wird zu Platten vergossen, die bei einer Temperatur zwischen
460 und 510°C
(bevorzugt zwischen 470 und 500°C)
während
2 bis 12 h (bevorzugt 3 bis 6 h) homogenisiert werden. Diese Platten werden
eventuell gefräst.
Das Warmwalzen erfolgt mit einer Eintrittstemperatur von 430 bis
470°C und
vorzugsweise 440 bis 460°C.
Der Austritt der Bänder
erfolgt bei einer höheren
Temperatur als üblich, > 300°C und vorzugsweise > 310°C.
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Nach
dem Warmwalzen werden die Bänder
aufgehaspelt. Sie weisen in diesem Stadium eine Dehnung von mehr
als 13,5% und zumeist mehr als 15% in Längs- und Längs-Querrichtung auf. Anschließend werden
die Bänder
zu Blechen geschnitten.
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Bei
einer ersten Ausführungsvariante
der Erfindung wird die Formgebung mittels Ziehformen, Tiefziehen,
Drückwalzen
oder Biegen direkt an diesem Werkstoffzustand F durchgeführt, ohne
vorherige Glühung oder
andere Vorbehandlung. Das partiell geformte Blech wird anschließend bei
einer Temperatur zwischen 480 und 500°C während 5 min bis 1 h lösungsgeglüht und dann
abgeschreckt, gewöhnlich
mit kaltem Wasser.
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Die
Formgebung erfolgt in zwei oder mehreren Arbeitsgängen. Das
frisch abgeschreckte Teil (weniger als eine Stunde) kann unmittelbar
anschließend
erneut geformt werden, oder aber es wird in einen Kälteraum mit
einer Temperatur unterhalb 10°C
und vorzugsweise unterhalb 0°C überführt und
bei Austritt aus dem Kälteraum
geformt. Man kann Bleche verwenden, die auf einer oder auf beiden
Seiten plattiert sind, was bei der Rumpfbeplankung von Flugzeugen
zumeist der Fall ist, wo die Bleche mit einer Legierung der Serie
1000 plattiert sind, beispielsweise der Legierung 1050, 1100, 1200,
1135, 1145, 1170, 1175, 1180, 1185, 1188, 1199, 1230, 1235, 1250,
1285, 1350 oder 1435.
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Bei
einer zweiten Ausführungsvariante
wird die Formgebung an lösungsgeglühten und
abgeschreckten Blechen fortgeführt.
Die Formgebung kann im Zustand T3 oder T4 (abgeschreckt und ausgelagert
mit oder ohne spätere
Kaltumformung) oder bei stärker
umgeformten Teilen im Zustand W erfolgen, d.h. weniger als 1 Stunde
nach dem Abschrecken oder bei einem in einem Kälteraum aufbewahrten Blech
sofort nach dem Abschrecken.
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Bei
der Verwendung von Blechen im Zustand T3 oder T4 weisen diese Bleche
einen Kompromiss zwischen ihrer mechanischen Festigkeit und ihrer
Formbarkeit auf, der mindestens einer der folgenden Eigenschaftsgruppen
entspricht:
- a) – ein Mittelwert der drei in
Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte der Bruchdehnung A von mehr als 20% und vorzugsweise mehr
als 22%, und
- – ein
Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte Rp0,2 von mehr als 305 MPa und
- – ein
LDH-Wert von mehr als 72 mm bei 1,6 mm Dicke bzw. ein LDH-Wert von
mehr als 76 mm bei 3,2 mm Dicke bzw. ein LDH-Wert von mehr als 80
mm bei 4 bis 7 mm Dicke.
- b) – ein
Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte Rp0,2 von mehr als 305 MPa und
- – ein
Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte Ag von mehr als 18%.
- c) – ein
Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte der Bruchdehnung A von mehr als 22%, und
- – ein
Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte Rp0,2 von mehr als 305 MPa und
- – ein
Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte Ag von mehr als 18%.
- d) – ein
Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte Rp0,2 von mehr als 305 MPa, und
- – ein
Mittelwert der drei in Längs-Querrichtung,
Längsrichtung
und bei 45° gemessenen
Werte im ebenen Spannungszustand Atp von mehr als 18%,
- – ein
LDH-Wert von mehr als 72 mm bei 1,6 mm Dicke bzw. ein LDH-Wert von
mehr als 76 mm bei 3,2 mm Dicke bzw. ein LDH-Wert von mehr als 80
mm bei 4 bis 7 mm Dicke.
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Diese
Bleche im Zustand T3 oder T4 weisen eine Formbarkeit auf, die durch
mindestens eine der folgenden drei Eigenschaften gekennzeichnet
ist:
- (a) der LDH-Wert ist größer als
40 mm bei einer Dicke kleiner als 4 mm oder größer als 74 mm bei einer Dicke
größer als
4 mm,
- (b) die Grenzformänderungskurve
zeigt einen Koeffizienten ε1 > 0,18
für L =
500 mm bei 1,4 mm bis 2 mm Dicke,
- (c) die Grenzformänderungskurve
zeigt einen Koeffizienten ε1 > 0,35
für L =
500 mm bei 5,5 mm bis 8 mm Dicke.
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Sie
weisen zudem verbesserte Schadentoleranzeigenschaften auf, gekennzeichnet
durch mindestens eine der folgenden Eigenschaften:
- (a) Kc (längs/quer) > 120 MPa√m
- (b) Kc0 (längs/quer) > 90 MPa√m
- (c) Kc (quer/längs) > 125 MPa√m
- (d) Kc0 (quer/längs) > 80 MPa√m
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Die
Teile, die mit den Blechen im Zustand T3 oder T4 sowie im Zustand
W hergestellt werden, zeigen nur eine sehr geringe Verschlechterung
der Schadentoleranz nach der letzten Umformoperation, wenn deren Amplitude
kleiner als 6% ist.
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Die
einzelnen Parameter, die oben und in den nachfolgenden Beispielen
zur Kennzeichnung der Formbarkeit – Oberbegriff, der die relative
Fähigkeit
eines Metalls angibt, sich umzuformen – verwendet werden, sind wie
folgt definiert:
Aus einem einachsigen Zugversuch gemäß Norm EN
10002-1, der für
eine Blechdicke größer oder
gleich 3 mm mit einer proportionalen Probe durchgeführt wird,
deren Anfangslänge
zwischen Bezugspunkten Lo proportional zur Anfangsquerschnittsfläche So gemäß der Relation
Lo = 5,65√So
ist, und für
eine Blechdicke kleiner als 3 mm mit einer nichtproportionalen Probe
vom Typ 1 gemäß EN 10002-1,
Tabelle 4 durchgeführt
wird, ergeben sich folgende Parameter:
- – Rp0,2: Konventionelle Dehngrenze bei 0,2%
bleibender Dehnung (in MPa)
- – Rm: Zugfestigkeit (in MPa)
- – A:
Bruchdehnung (in %), zuweilen durch das Symbol "A%" dargestellt
- – Ag: Nichtproportionale Dehnung bei Höchstkraft,
auch Gleichmaßdehnung
genannt (in %).
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Pro
Blech werden generell drei verschiedene Proben entnommen: in Walzrichtung
(längs),
in Längs-Querrichtung
(längs/quer)
und bei 45° zwischen
Längs-
und Längs-Querrichtung.
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Alle
sich aus einem einachsigen Zugversuch ergebenden Werte sind Mittelwerte
aus zwei an der gleichen Stelle entnommenen Proben.
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Die
Gleichmaßdehnung
ist die Dehnungsdifferenz zwischen Anfang und Ende des plastischen
Verformungsbereichs, d.h. des bleibenden Verformungsbereichs vor
Einschnürung,
der Verformungskurve.
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Die
Dehnung im ebenen Spannungszustand Atp entspricht
der Bruchdehnung in einem Zugversuch bei ebener Spannung, bei dem
im Gegensatz zum einachsigen Zugversuch dafür gesorgt wird, dass die Verformung
zweidimensional, also in einer Ebene, und nicht dreidimensional
ist, d.h. dass ε2 = 0 anstatt ε2 = ε1/2.
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Der
LDH-Parameter (limit dome height) wird üblicherweise bei der Bewertung
der Tiefziehbarkeit von 0,5 bis 2 mm dicken Blechen eingesetzt.
Er war Gegenstand zahlreicher Publikationen, insbesondere:
- R.
Thompson, "The LDH
test to evaluate sheet metal formabiblity – Final report of the LDH committee
of the North American Deep Drawing Research Group", SAE conference,
Detroit, 1993, SAE paper no. 930815;
- R. A. Ayres, W. G. Brazier and V. F. Sajewski, "Evaluating the GMR
limiting dome height test as a new measure of press formability
near plane strain",
J. Appl. Metalworking, 1979, vol. 1, p. 41–49;
- J. M. Story, "Comparison
of Correlations between Press performance and Dome tests results
using two dome test procedures",
J. Appl. Metalworking, 1984, vol. 3, p. 292–300.
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Der
LDH-Test ist ein Tiefziehversuch an einem Zuschnitt, der randseitig
durch einen Ring fixiert ist. Der Niederhalterdruck, der diese Fixierung
bewirkt, beträgt
240 MPa. Der 500 × 500
mm große
Zuschnitt wird mit einer zweistufigen, gleichachsigen Dehnung beaufschlagt.
Für die
Schmierung zwischen Ziehstempel und Blech sorgt ein Plastikfilm
und Schmierfett. Der LDH-Wert ist der Weg des Ziehstempels bis zum
Bruch, d.h. die höchstzulässige Tiefe
beim Ziehvorgang. Dabei wird der Mittelwert zwischen drei Versuchen
berechnet.
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Die
gleiche Methode kann auch zur Bestimmung der Formbarkeit der dickeren
Bleche (3 bis 9 mm) verwendet werden, allerdings muss dann ein größeres Werkzeug
eingesetzt werden (Stempeldurchmesser 250 mm).
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Die
elastische Rückfederung
Re wird durch einen Biegeversuch unter Belastung
bestimmt, mit dem bei gegebener Verformung die Rückfederung verschiedener Blechsorten
(Bleche gleicher Dicke) verglichen werden kann.
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Dabei
wird eine flache Probe mit der Länge
L = 250 mm, der Breite λ =
12 mm und der Dicke 0,1 mm < e < 5 mm zwischen zwei
selbstklemmende Spannbacken eingeklemmt und mit einem Hydraulikzylinder,
der mit der Versuchsvorrichtung fest verbunden ist, unter Zugspannung
gehalten. Die vorgegebene Zugspannung wird während des gesamten Biegevorgangs
durch die hydraulische Servoventilsteuerung des Zugzylinders konstant
gehalten. Die Streckspannung wird durch Messung mit einem piezoelektrischen
Sensor (Kistler-Sensor) in der Regelschleife aufgenommen. Die Streckspannung
hängt von
der Legierung und der Dicke der Probe ab.
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Ein
mit dem Erfassungsrechner verbundener Wegsensor ermöglicht die
kontinuierliche Kontrolle der Versuchsparameter und berechnet den
Biegewinkel der Probe. Ein mit dem Obergestell der Ziehmaschine
fest verbundener Formstempel dient als Auflage für die Probe. Der bei den Versuchen
verwendete Biegewinkel betrug 140° bei
einem Stempel mit einem Radius r = 70 mm. Jede gebogene Probe wird
nach Ausbau mit einem Profilometer mit Messkopf geprüft. Mit
diesem Messgerät
kann der Endwinkel sowie der erhaltene Biegeradius bewertet werden.
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Die
auf die Probe ausgeübte
Zugspannung, die der gewünschten
plastischen Formänderung
entspricht, wird mit Hilfe der rationellen Spannungskurve bestimmt,
indem die dem angestrebten Umformgrad entsprechende Spannung grafisch
aufgenommen wird. Der anfängliche
Umformgrad, der die Biegekraft definiert, wurde während des
Versuchs konstant auf 0,2% gehalten.
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Die
Rückfederung
wird durch folgende Formel gegeben:
mit
- αg
- mit dem Profilometer
gemessener Winkel (in °)
- αo
- mit dem Rechner beim
Biegen gemessener Winkel (in °)
- Re
- Rückfederung (0 für Nullrückfederung
und 1 für
volle Rückfederung)
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Die
Berechnung des Biegeradius ergibt weniger gestreute Werte und wird
wie folgt durchgeführt:
mit
- Ro
- Stempelradius
- Rf
- mit dem Profilometer
gemessener Radius
- Re
- Rückfederung (0 für Nullrückfederung
und 1 für
volle Rückfederung).
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In
der Praxis wird im Hinblick auf den unkomplizierten Ablauf und die
Zuverlässigkeit
der Umformoperationen eine Rückfederung
Re angestrebt, die so gering wie möglich und
im Idealfall gleich Null ist.
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Die
Grenzformänderungskurven
werden nach der Norm ISO 12004 (1987) bestimmt. Rechteckige Formate
mit den Maßen
500 × L
(L gleich 300 oder 500 mm) werden gemäß dem LDH-Test tiefgezogen,
nachdem sie vorher mit einem Gitter (Gitterzelle 2 × 2 mm2) versehen wurden. Der Versuch mit L = 500
mm führt nach
Tiefziehen zu ε1 ≅ ε2 (biaxiale
Verformung); der Versuch mit L = 300 mm führt nach Tiefziehen zu ε2 ≅ 0 (ebene
Verformung).
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Nach
erfolgtem Bruch werden die Formate mit Hilfe des automatischen Messsystems
CamSys in der Nähe
der Rissbildungszone analysiert. Mit der Software Asame-CamSys kann
eine Kartographie der Formänderungen
in den analysierten Zonen angefertigt werden, wie dies von J. H.
Vogel and D. Lee beschrieben wird: "The automated measurement of strains
from three dimensional deformed surfaces", J. O. M., vol. 42, 1990, p. 8–13. Die
Grenzformänderungen
vor Einschnürung
werden auf diese Weise analysiert und in einem Formänderungsschaubild
mit den Koordinaten ε1 und ε2 dargestellt.
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Die
Schadentoleranz wird gemäß Norm ASTM
E561 bestimmt (R-Kurven-Verfahren). Der Versuch wurde an Proben
mit zentralem Riss mit der Breite W = 400 mm bei einer Risslänge 2a0 = 133 mm durchgeführt. Dabei wird sowohl der
kritische Spannungsintensitätsfaktor
im ebenen Spannungszustand Kc als auch der
scheinbare Spannungsintensitätsfaktor
Kc0 (zuweilen auch mit dem Kurzzeichen Kapp benannt) gemessen.
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Beispiele
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Beispiel 1
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Es
wurden verschiedene Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzungen
in Tabelle 1 angegeben sind. Walzbarren wurden gegossen, gefräst und bei
einer Temperatur zwischen 460 und 510°C während 2 bis 12 h homogenisiert.
Nach Plattierung mit einer Legierung 1050 wurden die Barren auf
eine Enddicke von größer oder
gleich 4 mm warmgewalzt; für
geringere Dicken wurden die Bänder
kaltgewalzt. Die Bleche wurden in der Enddicke charakterisiert;
die Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
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Die
Beispiele 1k, 1L, 1m, 1n, 1p und 1q entsprechen dabei der vorliegenden
Erfindung. Die Beispiele 1c, 1d, 1e, 1f, 1g, 1h, 1i und 1j entsprechen
dem Stand der Technik.
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Es
wird festgestellt, dass die sinnvolle Wahl der chemischen Zusammensetzung,
die von WO 96/29440 vorgeschlagen wird, allein nicht ausreicht,
um die Formbarkeit entsprechend dem Ziel der vorliegenden Erfindung
zu verbessern. Dagegen wurde von der Anmelderin beobachtet, dass
der Wahl einer hohen Austrittstemperatur im Walzwerk eine Verbesserung
der Formbarkeit bewirkt, ausgedrückt
durch die Bruchdehnung A. Die Wirkung der chemischen Zusammensetzung
(insbesondere Cu < 4,3
und vorzugsweise < 4,2; Si < 0,10; Fe < 0,10) ist nur von
untergeordneter Bedeutung.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gewährleistet
somit im Vergleich zum Verfahren älterer Technik eine bessere
Formbarkeit im Zustand F, ausgedrückt durch A%, LDH oder FLC.
Insbesondere hat ein kaltgewalztes Band einen LDH-Wert größer als
42 mm und vorzugsweise größer als
44 mm, während
ein warmgewalztes Band einen LDH-Wert
größer als
73 mm und vorzugsweise größer als
75 mm hat. Ebenso wird deutlich, dass bei einer gegebenen Dicke
die bevorzugte Zusammensetzung eine bessere Formbarkeit ergibt als
die herkömmliche
Zusammensetzung.
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Die
Festigkeitseigenschaften des Zwischenerzeugnisses (Rm,
Rp0,2, etc.) haben hier keine Bedeutung, vorausgesetzt,
dass das Fertigerzeugnis nach dem gesamten Verfahren mindestens
genauso hohe Festigkeitseigenschaften besitzt wie das aus dem Verfahren älterer Technik
hervorgehende Erzeugnis. Im Zustand T42, so wie er im Normvorschlag
prEN 4211 vom Juli 1995 definiert ist, haben die beiden Erzeugnisse
bei 6 mm Dicke und gleichem Fertigungsprogramm gleichartige Festigkeitseigenschaften.
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Beim
erfindungsgemäßen Verfahren
wird auch eine kumulierte Wirkung der Austrittstemperatur des Warmwalzwerks
(Beisp. 1e und 1j verglichen mit 1k und 1n) und der chemischen Zusammensetzung
(Beisp. 1p und 1q verglichen 1k und 1n) festgestellt.
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Der
LDH-Wert und das Niveau der FLC-Kurven sind bei einem kaltumgeformten
Blech geringer als bei einem Blech, das nur warmgewalzt wurde; diese
Wirkung ist bekannt. Überraschenderweise
wurde jedoch von der Anmelderin festgestellt, dass der LDH-Wert, der einer der
relevantesten Parameter bei der Bestimmung der Formbarkeit ist,
bei einem gegebenen Verfahren (Warmwalzen) und vergleichbarer Dicke
deutlich steigt, wenn die chemische Zusammensetzung in einem bevorzugten
Zusammensetzungsbereich liegt: Cu 3,9–4,3 und vorzugsweise 3,9–4,2, Mg
1,2–1,4
und vorzugsweise 1,25–1,35,
Mn 0,30–0,45,
Si < 0,10 und vorzugsweise < 0,08, Fe < 0,10. Außerdem fand
die Anmelderin heraus, dass die Formbarkeit noch weiter verbessert
wird, wenn bestimmte Legierungselemente und Verunreinigungen streng
kontrolliert werden, nämlich:
Zn < 0,20%, Cr < 0,07% und vorzugsweise < 0,05%, Zr < 0,07% und vorzugsweise < 0,05%, Ti 0,07%
und vorzugsweise < 0,05%.
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Beispiel 2 (zum Vergleich)
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Es
wurden verschiedene Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzungen
in Tabelle 3 angegeben sind. Walzbarren wurden gegossen, gefräst und bei
einer Temperatur zwischen 470 und 510°C während 2 bis 12 h homogenisiert.
Nach Plattierung mit einer Legierung 1050 wurden die Barren auf
eine Enddicke von größer oder
gleich 4 mm warmgewalzt; für
geringere Dicken wurden die Bänder
kaltgewalzt. Nach erfolgtem Schneiden der Bänder zu Blechen wurden diese
einer für
diese Art von Legierung typischen Lösungsglühung unterzogen (siehe prEN
4211 vom Juli 95), abgeschreckt und 30 Minuten nach dem Abschrecken
charakterisiert. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 zusammengestellt.
Um die Proben genau vergleichen zu können, wurden die Operationen
Lösungsglühen und
Abschrecken an gebrauchsfertigen, bearbeiteten Proben durchgeführt, und
für jede
Bestimmung der Festigkeitseigenschaften setzte die Formänderung
genau 30 Minuten nach Ende des Abschreckvorgangs ein. Die Beispiele
2h, 2L, 2m, 2p entsprechen dabei dem Stand der Technik.
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Es
zeigt sich, dass das Verfahren bei den Beispielen 2a, 2b, 2l, 2j,
2k, 2n bei vergleichbarer Dicke zu einer besseren Formbarkeit im
Zustand W führt,
wie dies in den folgenden Eigenschaften zum Ausdruck kommt: Gesamtdehnung
A%, Gleichmaßdehnung
Ag, Dehnung im ebenen Spannungszustand Atp, LDH, FLC. Was die Grenzformänderungskurve
betrifft, so wird festgestellt, dass sich bei einem Blech von 5
mm Dicke (Beispiel 2n), im Gegensatz zu einem Blech älterer Technik
von praktisch gleicher Dicke (Beispiel 2p), ein Koeffizient ε1 von
0,22 für
L = 500 mm und ε2 > 0,18
für L =
500 mm ergibt.
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Der
Vorteil des vorstehenden Verfahrens im Vergleich zum Stand der Technik
besteht somit darin, dass tiefgehendere Formoperationen im Zustand
W durchgeführt
werden können
und bei sehr tiefgehenden Formoperationen sogar auf eine zwischengeschaltete
Lösungsglühung verzichtet
werden kann.
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Es
war daher möglich,
Bauteile in einem Arbeitsgang herzustellen, während nach älterer Technik zwei Arbeitsgänge dafür notwendig
waren.
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Beispiel 3 (zum Vergleich)
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Es
wurden verschiedene Legierungen hergestellt, deren Zusammensetzungen
in Tabelle 5 angegeben sind. Walzbarren wurden gegossen, gefräst und bei
einer Temperatur zwischen 460 und 510°C während 3 bis 6 h homogenisiert.
Nach Plattierung mit einer Legierung 1050 wurden die Barren auf
eine Enddicke von größer oder
gleich 4 mm warmgewalzt; für
geringere Dicken wurden die Bänder
kaltgewalzt. Die aus diesen Bändern ausgeschnittenen
Bleche wurden einer für
diese Art von Legierungen typischen, in Tabelle 6 angegebenen Lösungsglühung unterzogen
(siehe prEN 4211 vom Juli 95), abgeschreckt und kaltausgelagert
(mindestens 48 h bei Raumtemperatur). Danach wurde eine glättende Kaltumformung
durchgeführt,
an die sich ein kontrolliertes Recken mit einer gewünschten
bleibenden Verformung von 1,5% anschloß. Die Ergebnisse sind in Tabelle
6 zusammengestellt.
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Die
Beispiele 3s, 3t, 3u, 3v, 3w entsprechen dabei dem Stand der Technik.
Die Beispiele 3a, 3c, 3d entsprechen den Beispielen 2h, 2L und 2m
des Beispiels 2; sie sind hier zum Vergleich aufgeführt, um
eine Legierung 2024 im Zustand W nach dem Stand der Technik darzustellen.
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Vergleicht
man die Bleche mit der optimierten Zusammensetzung im Zustand T3
mit den Blechen, die in den Verfahren älterer Technik verwendet werden,
d.h. eine Legierung 2024 im Zustand T3 (Beispiele 3s, 3t, 3u, 3v,
3w) oder W (Beispiele 3a, 3b, 3c, 3d), so stellt man fest, dass
das Verfahren bei einer gegebenen Dicke zu einer besseren Formbarkeit
führt,
wie sich dies aus der Bruchdehnung und vor allem aus den LDH- und FLC-Werten
ergibt. Die elastische Rückfederung
ist geringer als bei der älteren
Technik.
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Insbesondere
dann, wenn die chemische Zusammensetzung im Vorzugsbereich liegt,
bewirkt das Verfahren eine Verbesserung der Formbarkeit, so wie
sie durch die vorstehend aufgezählten
Parameter gekennzeichnet ist. Es können viel strengere Formoperationen
als im Zustand T3 älterer
Technik durchgeführt
werden oder sogar auf das Lösungsglühen verzichtet
werden, da das Verfahren zu einem Erzeugnis führt, dessen Formbarkeitseigenschaften
mindestens genauso gut sind wie das Erzeugnis im Zustand W aus dem
Verfahren älterer
Technik.
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Weiterhin
wurde an zwei Blechen eine Ziehoperation durchgeführt, die
zu einer Gesamtdehnung von 3% bzw. 5% führte, wobei vor und nach dem
Ziehen die Schadentoleranzeigenschaften bestimmt wurden, d.h. die
Bruchzähigkeit
KC0 und KC in den
Richtungen quer/längs
und längs/quer.
Es wurden auch die Festigkeitseigenschaften in Quer-Längsrichtung
bestimmt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengestellt.
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Es
wird festgestellt, dass das Verfahren nach erfolgtem Ziehformen
nicht zu einer nennenswerten Verminderung der Schadentoleranzeigenschaften
führt,
im Gegensatz zum Verfahren nach dem Stand der Technik. Es wird sogar
festgestellt, dass das Verfahren die Schadentoleranz im gezogenen
Zustand, d.h. im Zustand, in dem sich das fertige Bauteil befindet,
verbessert.
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