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Fließpressen von Magnesiumlegierungen jetzt bei Raumtemperatur möglich

| Autor/ Redakteur: Maria Kühlein und Franz Bruck /

Magnesiumlegierungen sind aufgrund ihrer hexagonalen Gitterstruktur bei Temperaturen unter 225°C nur bedingt umformbar. Die Herstellung von Großserienteilen aus Magnesium im Fließpressverfahren wäre wegen der Aufheizung des Vormaterials auf die nötige Umformtemperatur unrentabel. Ein Forschungsprojekt zeigt jetzt, wie es gelingt, Magnesiumfließpressteile bei Raumtemperatur umzuformen.

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Die vom LKR verwendete Laborpresse.
Die vom LKR verwendete Laborpresse.
( Archiv: Vogel Business Media )

Bauteile aus Magnesium werden heute in der Automobilindustrie und anderen Industrien in großem Maße eingesetzt, da sie 75% leichter als Stahl, 33% leichter als Aluminium und außerdem sehr stoßfest sind. Die Kosten von Magnesium sind in den vergangenen Jahren gesunken, da sich die Rohstoffversorgung erhöht hat. Die geringen Kosten, das hohe Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und die technischen Möglichkeiten zum Herstellen komplexer Magnesiumkomponenten haben zu einem breiten Einsatz von Magnesium in der Automobilindustrie geführt.

Umformen von Magnesium bei Raumtemperatur für rentablen Einsatz notwendig

Die schlechte Umformbarkeit von Magnesium bei Raumtemperatur hat jedoch zur Folge, dass beispielsweise die österreichische Neuman Aluminium GmbH bisher keine Großserienteile aus Magnesium im Fließpressverfahren hergestellt hat. Erst die Perspektive, Magnesiumfließpressteile auch bei Raumtemperatur auf bestehenden konventionellen Fließpressanlagen produzieren zu können, war für das Unternehmen der entscheidende Ausgangspunkt, gemeinsam mit dem ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH (LKR) ein Entwicklungsprojekt zu diesem Thema durchzuführen.

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Durch thermomechanische Verfahren wie Strangpressen und eine anschließende Wärmebehandlung wurde mit handelsüblichen ZM21- und ZK31-Legierungen versucht, ein Gefüge mit einer Korngröße kleiner 20 μm herzustellen. Mit den so optimierten Legierungen wurden bei Temperaturen von kleiner 150°C becherartige Bauteile mit unterschiedlicher Wandstärke fließgepresst. Durch weitere Optimierung der Umformparameter und der Werkzeuggeometrie ist es schließlich gelungen, dünnwandige Fließpressteile bei Raumtemperatur herzustellen.

Übliche Magnesiumlegierungen sind zu inhomogen

Herkömmliche Magnesiumlegierungen (AZ31, ZM21 und ZK31) wurden durch thermomechanische Verfahren wie Strangpressen oder Walzen modifiziert. Mit diesen Prozessen konnte bei AZ31 kein homogenes, feinkörniges Gefüge eingestellt werden. Die Legierung ZM21 zeigt nach der Umformung zwar nicht die Inhomogenitäten wie die AZ31, konnte aber nicht hinreichend optimiert werden, um bei Raumtemperatur Fließpressteile mit einer Wandstärke kleiner als 1,5 mm herzustellen.

Stranggepresstes ZK31 dagegen zeigte das Potenzial, Bauteile mit einer Wanddicke von 0,5 mm herzustellen. Stranggussbolzen aus ZM21 (Korngröße zirka 1–2 mm) und aus ZK31 (Korngröße zirka 80 μm) wurden mit unterschiedlichen Pressverhältnissen stranggepresst.

Strangpressen mit Pressverhältnis größer als 1:9 notwendig

Die metallographische Untersuchung des stranggepressten Vormaterials ergab, dass die Pressverhältnisse 1:5 und 1:9 zu gering sind, um eine vollständige Durchknetung zu erreichen. Strangpressen mit einem Pressverhältnis größer als 1:9 führt hingegen zu einer deutlichen Reduzierung der Korngröße.

Mit einer hydraulischen 100-t-Presse wurden zunächst im Temperaturbereich 300–120°C aus den optimierten ZM21 und ZK31 becherartige Teile mit einer Wandstärke von 3,6 mm und einer Schenkellänge von 20 mm fließgepresst.

Vorversuche für Fließpressen

Der Aufbau des dabei verwendeten Fließpresswerkzeugs ist in Bild 1 dargestellt. Man erkennt die Fließpress-Matrize, die aus dem außen liegenden Fassungsring (1), dem nach innen anschließenden Verschleißring (3) sowie dem Einsatz (2) besteht. In der Bohrung des Einsatzes befindet sich das Ausstoßerventil (4), das das fertiggepresste Teil aus der Matrize auswirft. Dieses Ventil wird durch eine sich weiter hinten im Einspannstock befindliche, im Bild nicht dargestellte Ausstoßerstange nach vorne bewegt.

Nach dem Ausstoßvorgang wird das Ventil durch die Druckfeder (5), die sich zwischen Matrizeneinsatz und Nietscheibe (6) befindet, wieder in seine Ausgangslage zurückbewegt. Man erkennt auch eine geteilte Ausführung des Fließpress-Stempels, bestehend aus Stempelkopf und Stempelschaft, die mit einem Verbindungsbolzen verschraubt werden.

Gutteile aus Magnesium-Fließpressen bei Temperaturen über 150°C

Bis zu einer Temperatur von 150°C konnten durchweg Gutteile hergestellt werden, Fließpressversuche bei 100°C waren bei keiner Legierung erfolgreich. Die metallographische Untersuchung der Fließpressteile ergab, dass im kritischen Umformungsbereich am Becherboden bei höheren Temperaturen (T > 150°C) und einem hohen Pressverhältnis der Fließlinienverlauf nahezu parallel zur Fließpressrichtung verläuft. Bei niedrigeren Temperaturen beziehungsweise geringerem Pressverhältnis des Vormaterials kommt es in dieser Zone zu einer Verwerfung und infolge dessen zur Rissbildung.

Die Fließpressversuche mit einer Wandstärke von 1,5 mm und 90 mm Schenkellänge wurden an einer 600-t-Kniehebelpresse durchgeführt. Mit der Legierung ZK31 konnten durchweg intakte Teile gepresst werden. Bei ZM21 traten am Becherrand vereinzelt kleine Risse auf. Die folgenden Versuche wurden deshalb mit ZK31 durchgeführt.

Um die weiteren Grenzen der Umformbarkeit zu ermitteln, wurden, aufbauend auf den Erkenntnissen dieser ersten Versuche, die Geometrien der Fließpresswerkzeuge modifiziert. Die nächsten Versuche wurden mit Wandstärken von 1,5 mm, 0,7 mm, 0,5 mm und 0,35 mm geplant. Das Werkzeug und auch das Vormaterial (Butzen aus ZK31) wurden vorgewärmt.

Anfangs konnten lediglich mit den Wandstärken 1,5 mm und 0,7 mm intakte Becher hergestellt werden, wobei erkannt wurde, dass die Abstimmung der Butzengeometrie zur Matrize einen wesentlichen Einfluss auf die Stabilität des Produktionsprozesses hat. Nach einem weiteren Optimierungsschritt ist es in aktuellen Versuchen gelungen, auch Wandstärken von 0,5 mm mit entsprechenden Stückzahlen herzustellen. Die erreichten Qualitätseigenschaften (Wandschwankung, Oberfläche) waren sehr gut.

Umformen von Magnesium bei Raumtemperatur bleibt das Ziel

Da der Prozess des stabilen Butzenvorwärmens in der Serienproduktion eine technische Herausforderung darstellt und zusätzliche Prozesskosten bedeuten würde, gilt es als Ziel, Magnesium wie Aluminium bei Raumtemperatur umformen zu können. Hierzu wurde bei den Versuchen mit 0,5 mm Wandstärke die Butzenvorwärmtemperatur kontinuierlich gesenkt, bis es gelang, die Legierung ZK31 auch bei Raumtemperatur, mit vorgeheizten Werkzeugen, zu verpressen (siehe Bild 2).

In der letzten Versuchsreihe ist bei Einzelteilen die Herstellung von Bechern mit einer Wandstärke von0,35 mm möglich gewesen. Das zeigt, dass die fehlerfreie Umformung bei Raumtemperatur möglich ist. Für eine Serienproduktion von Magne-siumbechern mit dieser Wandstärke sind aber vor allem werkzeugseitig noch Modifikationen bezüglich der Standzeiterhöhung erforderlich.

Als Ergebnis hat sich gezeigt, dass es bei der Verarbeitung der Legierung ZK31 durch Fließpressen ein optimales Verhältnis von Umformgrad und Umformgeschwindigkeit gibt, welches durch weitere Versuche noch genauer beschrieben und definiert werden soll. MM

Dr. Maria Kühlein ist Mitarbeiterin am ARC Leichtmetallkompetenzzentrum Ranshofen GmbH (LKR). Sie leitete das Projekt zum Kaltumformen von Magnesium. Weitere Informationen: LKR, Postfach 26, A-5282 Ranshofen

Dr. Franz Bruck ist Mitarbeiter der Neuman Aluminium Fließpresswerk GmbH. Weitere Informationen: Werkstraße 1, A-3182 Marktl

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