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Gesenkschmieden koaxial angeordneter Hybridhalbzeuge

Laufzeit:2015-2019
Förderung:DFG
Kontakt:bonhageifum.uni-hannover.de

Für die Herstellung der koaxial gefügten Hybridbauteile werden zunächst die Bauteilgeometrien definiert. Als Demonstratorbauteile sind ein hybrides Kegelrad aus unterschiedlichen Stahllegierungen (Halbzeug hergestellt durch Auftragschweißen) und eine hybride Lagerbuchse aus Aluminium und Stahl (Halbzeug hergestellt durch Strangpressen) vorgesehen (Abbildung 1).

Abbildung 1: Demonstratorbauteile

Aufbauend auf den definierten Bauteilgeometrien werden, unter Berücksichtigung der Volumenkonstanz, die Halbzeuggeometrien (Vollzylinder für Kegelrad; Hohlzylinder für Lagergehäuse) abgeleitet und geometrische Grenzen für die Randschicht definiert. Zur numerischen Abbildung und Modellierung des Umformverhaltens der zu untersuchenden Halbzeugmaterialien erfolgt die Aufnahme von Fließkurven in definierten Umformtemperatur- sowie Formänderungsgeschwindigkeitsbereichen. Die Fließkurven dienen zudem zur Definition geeigneter Umformtemperaturbereiche, bei denen die jeweiligen Werkstoffe identische bzw. ähnliche Fließspannungen aufweisen. Im Anschluss erfolgt die simulationsgestützte Auslegung der Umformwerkzeuge.

Zur Realisierung gleicher bzw. ähnlicher Fließspannungen müssen werkstoffspezifische Erwärmungskonzepte entwickelt werden. Bei der Kombination aus unterschiedlichen Stahllegierungen sind nur geringe Fließspannungsunterschiede bei gleicher Umformtemperatur zu erwarten. Für die Kombination aus Aluminium und Stahl muss hingegen zum Ausgleich der Fließspannung eine inhomogene Erwärmung des Hybridhalbzeugs erfolgen. Dies wird durch die Ausnutzung des Skin-Effekts bei der induktiven Erwärmung durch die Wahl hoher Arbeitsfrequenzen erreicht. Für die Auslegung des Erwärmungskonzeptes werden Prozessfenster in Abhängigkeit zur Halbzeuggeometrie sowie der werkstoffspezifischen Eigenschaften definiert und die Einflüsse der Erwärmungsparameter auf den stoffschlüssigen Verbund mit Hilfe der numerischen Berechnungen, beispielsweise auf das Wachstum von intermetallischen Phasen, ermittelt.

Beim Gesenkschmieden der beiden Demonstratorbauteile erfolgen Untersuchungen zum Materialfluss (in Abhängigkeit zu den Prozessparametern und der Schichtgeometrie) und zum Einfluss der intermetallischen Phasensaumdicke auf den Schmiedeprozess. Bei der Herstellung der Kegelräder werden voll- sowie teilummantelte Stahl-Stahl Halbzeuge eingesetzt, wobei hier insbesondere die Materialverteilung in den Zähnen von Interesse ist (Abbildung 2).

Abbildung 2: Querschnittsskizzen der voll- sowie teilummantelten Hybridhalbzeuge

Im Anschluss an das Gesenkschmieden wird der innere bzw. äußere Bauteilbereich gezielt wärmebehandelt. Des Weiteren werden die Fügezonen der Bauteile nach dem Halbzeugherstellprozess, nach dem Gesenkschmieden sowie nach der Wärmebehandlung metallographisch charakterisiert und miteinander verglichen. Hierdurch ist es möglich, den Einfluss der einzelnen Prozessschritte auf die Fügezonenqualität zu ermitteln.

Abschließend erfolgt die Bestimmung der Bauteilqualitäten. Hierfür werden zunächst die lokalen Verbundfestigkeiten vor und nach dem Gesenkschmiedeprozess mittels Scherversuchen und nachfolgend die globalen Bauteilqualitäten durch mechanische Belastungstests (z.B. Funktionstests mittels Torsionsversuche) ermittelt und Abhängigkeiten identifiziert. Im Anschluss erfolgt die Bestimmung der Prozessgrenzen (bezogen auf Halbzeuggeometrie, Prozessparameter des Umformprozesses, Wärmebehandlung, Fügezonenqualität) und der Abgleich von Gestaltungs- und Verfahrensrichtlinien.

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