Compound forging of hybrid powder-solid-parts made of steel and aluminum
Final Report Abstract
In dem durchgeführten Forschungsvorhaben wurde Alumix 123 Pulver mit 5 m.-% und 10 m.-% an Cu, Zn, Si oder Ni mechanisch legiert und neun unterschiedliche Aluminiumkerne mittels Pulverpressen und Sintern gefertigt. Diese wurden in den experimentellen Versuchen mit einem Stahlmantel aus C60 in zwei separaten Versuchsreihen im Temperaturbereich der Halbwarm- und Warmumformung verbundgeschmiedet und somit ein konturiertes Stahl-Aluminium Bauteil hergestellt. Im Zuge der metallografischen Untersuchungen konnte infolge der Zugabe von Cu und Ni eine Längenzunahme der Fügezonenlinie im Vergleich zur Referenzkombination festgestellt werden. Allerdings führte das Legieren gleichzeitig zu einer reduzierten Solidus- und Liquidustemperatur, Veränderung der Wärmeausdehnungs- und Wärmeleitungskoeffizienten, was unter Umständen zu starken Anschmelzungen im Aluminiumhalbzeug oder innerhalb der Kontaktzone zu thermischen Schrumpfung und kombiniert zur Zerstörung des Werkstoffverbundes führen kann. Zusammen mit der Notwendigkeit ein vergleichbares Fließverhalten einzustellen resultieren diese Problemstellungen in diverse Herausforderungen beim Verbundschmieden radial angeordneter Halbzeuge und erschweren die genaue Quantifizierung des Legierungseinflusses auf die intermetallische Phasenbildung. Gleichzeitig ist die Erhaltung dieser, während des Verbundschmiedens, eingestellten Werkstoffverbunde eine weitere Herausforderung für die numerische Prozessauslegung sowie -führung und erfordert Methoden, welche gegenwärtig noch nicht erforscht sind und zum Stand der Technik gehören. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens konnte eine hinreichende Charakterisierung infolge der thermischen Schrumpfung nicht erfolgen. Dennoch konnten im Zuge der Forschungsarbeiten wichtige Grundlagenkenntnisse und werkstoffliche sowie prozesstechnische Grenzen identifiziert werden, welche fundamental für eine grundlegende Verbundcharakterisierung sind. In diesem Zuge könnte in weiteren Untersuchungen, welche nicht Gegenstand der ersten Förderperiode waren, die Verwendung anderer Umformverfahren mit deutlich höherem Abstraktionsgrad zielführend sein. Hierdurch könnten Stellgrößen genauer eingestellt und sich sonst überlagernde Einflussgrößen (z. B. Temperatur, Oberflächenvergrößerung, Kontaktspannung) voneinander separiert werden. Zusätzlich wird für jede Legierungsvariante eine eigene werkstoffspezifische thermomechanische Prozessführung – idealerweise im Halbwarmbereich und unter Berücksichtung der jeweiligen Materialtemperaturen zum Ende der Umformung – empfohlen. Ferner wäre bei der Verbundanalyse die Verwendung einer Methode, welche eine Zuordnung der Phasen erlaubt, um mehr Informationen über die Verbundart zu gewinnen, sinnvoll.
Publications
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Numerical Process Design for Compound Forging of Powder – Metallurgical and Solid Dissimilar Workpieces, Advances in Production Research, Proceedings of 8th Congress of the German Academic Association for Production Technology (WGP), 2018
Behrens, B.-A.; Kuwert, P.; Hootak, M.
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Pulvermetallurgie und Verbundschmieden – Erprobung der Verfahrenskombination zur Herstellung festigkeitskonsistenter hybrider Bauteile, wt Werkstatttechnik online Jahrgang 108, 2018
Behrens, B.-A.; Kuwert, P.
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Leichtbau durch Massivumformung, Hannover Messe Industrie 2019, 2019
Behrens, B.-A.; Diefenbach, J., Kuwert, P., Otto, M., Felde, A.; Dahnke, C.
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Analysis of Alloy Influence on the Joint Formation in the Compound Forging of Geared Steel Aluminium Components, METAL 2020: 29th International Conference on Metallurgy and Materials, 2020
Behrens, B.-A.; Brunotte, K.; Kuwert, P.
