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Formgebung im Solidus-Liquidus-Intervall ein neues Verfahren der Metallverarbeitung

Bauteile aus teils erstarrten, teils noch schmelzflüssigen Legierungen zu fertigen sollte die Vorteile von Gießen und Schmieden verbinden.

Die meisten metallischen Bauteile werden herkömmlich entweder gegossen oder geschmiedet. Zwar lassen sich im Guß bei hohen Drücken komplexe Formen herstellen, aber das erstarrte Material ist mitunter mechanisch nicht allzu belastbar. Demgegenüber zeichnet sich geschmiedetes Metall durch hohe Festigkeiten aus; anspruchsvolle Teile erfordern jedoch mehrere Arbeitsgänge.

Grund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften sind die verschiedenen Gefügestrukturen: Beim Erstarren wachsen die Kristalle dendritisch, einem Tannenbaum ähnelnd, und verhaken sich ineinander; Schmieden bricht diese Feinstruktur auf, und es entstehen in sich geschlossene Körner, die aneinander entlanggleiten können.

Seit einiger Zeit stellt man nun erste Bauteile mit einem Verfahren her, das die Vorteile von Gießen und Schmieden in sich vereint – mit Thixoforming. Der Begriff leitet sich von griechisch thixis für Berührung und tropos für Wechsel oder Änderung her und charakterisiert das Grundprinzip: Indem man eine bei bestimmten Temperaturen nur teilweise erstarrte Legierung einer Scherbelastung unterwirft, wird sie fließfähiger. Das Material läßt sich also gut in Form bringen, und das Teil ist nach dem Erstarren nicht spröde.


Grundlagen des Thixoformings

Wesentlich ist, daß das Vormaterial ein Gefüge aus möglichst kugelförmigen Metallkörnern und je nach Legierung einen Schmelzeanteil zwischen 30 und 60 Prozent hat. Es läßt sich dann beina-he wie ein festes Stück Metall handhaben und transportieren, aber – bildlich gesprochen – wie Butter mit einem Messer schneiden. Doch erst unter dem Scherdruck brechen zusammenhängende Kornstrukuren auf, und der Anteil an Flüssigkeit nimmt zu. Die Schmelze umschließt dann die festen Partikel, so daß diese sich leichter gegeneinander verdrehen, verschieben und aneinander entlanggleiten können.

Zwei unterschiedliche Verfahren bieten sich zur Bauteilfertigung an: Beim Thixogießen preßt man das Vormaterial durch eine Verengung in die Form; unter Füllgeschwindigkeiten bis 60 Meter pro Sekunde sind allerdings Turbulenzen in der Schmelze nicht auszuschließen, wodurch sich Gas- und Lufteinschlüsse bilden können. Zum Thixoschmieden benutzt man dagegen hydraulische Pressen, wobei eine Art Stempel – das Oberwerkzeug – mit gut kontrollierbarer Kraft das teilweise flüssige Material in das Gesenk drückt.

An der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen wurde nun ein Sonderforschungsbereich, den die Deutsche Forschungsgemeinschaft fördert, zu diesem Thema eingerichtet. Verschiedene Institute der Hochschule aus unterschiedlichen Fakultäten arbeiten dabei zusammen, koordiniert vom Institut für Bildsame Formgebung unter der Leitung von Reiner Kopp.


Vorbereitung des Materials und Verarbeitung

Einen Schwerpunkt der Forschung bilden die Vormaterialien. Verwendet werden meist Aluminiumlegierungen, doch sucht man auch Verfahren für höherschmelzende Legierungen – etwa von Kupfer – sowie gar für Stähle zur Praxisreife zu entwickeln.

Vorblöcke lassen sich mittels elektromagnetischer Induktion schnell und gleichmäßig auf die erforderliche Temperatur aufheizen. Eine Dispersion von globulären Kristalliten ist auf vier verschiedene Weisen herzustellen:

- durch Kornfeinungsmittel wie Titanbor, wie man es beim Strangguß – allerdings in geringeren Dosen – zugibt, um das Dendritenwachstum zu stören und so die Festigkeit zu erhöhen;

- durch intensives Rühren des erstarrenden Materials, indem man es elektromagnetisch umwälzt oder durch die Kammern eines röhrenförmigen Siebes preßt;

- indem man bereits erstarrtes Halbzeug schmiedet und nochmals erwärmt, wodurch auch Stähle zu nutzen sind, und

- durch Sprühkompaktieren, bei dem Metall in einem kalten Gasstrom zerstäubt wird und sich auf einem Drehteller niederschlägt (Spektrum der Wissenschaft, November 1995, Seite 108).

Der ungewöhnliche Zustand, in dem feste und flüssige Phase gleichzeitig existieren, heißt Solidus-Liquidus-Intervall. Er stellt sich nur in einem Temperaturbereich von wenigen Grad ein, der entsprechend genau geregelt werden muß.

Auf welche Temperatur das Vormaterial für wie lange zu bringen ist, hängt einerseits von der Legierung, andererseits von der Wahl der Vorbehandlung ab. So entstand in einer mit Kornfeinungsmittel versetzten Aluminiumknetlegierung bei 635 Grad Celsius nach fünf Minuten ein geeignetes Gefüge mit mittleren Korndurchmessern von 90 Mikrometern (tausendstel Millimetern). Bei weiterer Erwärmung um fünf Grad und Halten dieser Temperatur für zwanzig Minuten nahm der Anteil an Schmelze zu, und kugelige Körner reiften heran, die allerdings mit 130 Mikrometern im Mittel deutlich dicker waren (Bild).

Diese Befunde ließen sich auf verschiedene Rührverfahren übertragen, wenngleich dabei mehr Energie zugeführt werden mußte, weil im Ausgangsmaterial eine dendritische Struktur vorhanden war. Sprühkompaktiertes Metall erwies sich hingegen als weniger geeignet, denn in dem chemisch sehr homogenen Material schmolzen weite Bereiche auf, in denen die festen Bestandteile verklumpten.

Anschließendes Formen einer tellerförmigen Probe bestätigte diese Resultate: Lediglich das sprühkompaktierte Vormaterial neigte zur Entmischung der festen und flüssigen Bestandteile. Interessant war, daß in dünneren Bereichen die Körner länglich verformt waren – vermutlich weil das Material dort schnel-ler erstarrte; deshalb mußten höhere Schmiedekräfte aufgebracht werden.

Erste Prinzip- und Serienbauteile zeigten im Vergleich zum traditionellen Druckguß eine geringere Porenbildung und die erwartete höhere Festigkeit. Auch Knetlegierungen lassen sich recht gut verarbeiten. Bisher konnte man sie nur schmieden, aber nicht gießen, weil sie beim Erstarren viel Flüssigkeit verlieren und dementsprechend stark schrumpfen. Bei bereits halberstarrten Metallen ist dieser Effekt naturgemäß nicht so gravierend. Zudem sind die Erstarrungzeiten im Vergleich zur Gußtechnik kürzer und die Werkzeuge geringeren Temperaturen ausgesetzt. Im Vergleich zum Schmieden erspart das Verfahren bei komplexeren Bauteilen Prozeßstufen.

Noch sind nicht alle chemisch-physikalischen Vorgänge im Ausgangsmaterial grundlegend geklärt, und auch die Methoden des Erwärmens und Formens bedürfen der Weiterentwicklung. Beispielsweise muß das Material bis zum völligen Erstarren unter hohem Druck stehen, damit sich kaum Poren bilden; das erfordert geeignete Werkzeuge und eine besondere Verfahrenssteuerung. Des weiteren fehlt es noch an grundlegenden Kriterien der Formgebung. Letztlich benötigt man auch sehr genaue Modelle aller Vorgänge, um sie simulieren und damit Prozeßparameter wie Temperatur und Druck mit der erforderlichen Genauigkeit regeln zu können.

Nach den Forschungsaktivitäten in Europa, Japan und den USA zu urteilen, dürfte das neue Verfahren in etwa zwei bis drei Jahren in der Industrie etabliert sein. Einzelne Teile für Automobile wie Bremszylinder sowie Komponenten von Anti-Blockier-Systemen und der Benzineinspritzung werden bereits jetzt per Thixoforming produziert.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 1997, Seite 22
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 1997

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 1997

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