Kaltverfestigung von Aluminium

 

Der Prozess der Kaltverfestigung von Aluminiumlegierungen ist sowohl im Hinblick auf das Verständnis der Entwicklung der Mikrostruktur während der plastischen Verformung wichtig, und aus praktischer Sicht die Optimierung der Umformbarkeit von Aluminiumlegierungen für eine Vielzahl von Anwendungen. Außerdem, Kaltverfestigung ist eine effektive Methode zur Verstärkung von Aluminiumlegierungen und ist wichtig für das Verständnis der Prozesse der Aluminiumumformungsverarbeitung unter Verwendung großer Verformungen., wie Kaltfließpressen, Zeichnen und Rollen.

Verformungsbearbeitung von Aluminium

Die Verformungsbearbeitung von Aluminium ist die Verarbeitung eines gegossenen Barrens zu einem Produkt durch metallische Druckbehandlungsverfahren durch plastische Heiß- und / oder Kaltverformung (Abb.. 1).

Feige. 1 – Prozesskette der Aluminiumblechherstellung [1]

Zwei wichtige Aspekte der Aluminium-Verformungsverarbeitung
• sich verändernde Form und
• Veränderung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften.

Formänderung

Die Formänderung wird durch die Messung der Nenn- oder wahren Dehnung ausgedrückt [2]:

• Nennverformung = ((Anfangsdicke – Enddicke)/Anfangsdicke) x 100 %
• Echte Dehnung = ln (Anfangsdicke/Enddicke).

Hinweis: ln – natürlicher Logarithmus.

beispielsweise, beim Walzen Foliendicke 7 µm von der Plattendicke 300 mm Verformung ist [2]:

• Nennverformung = 99,98 %
• Wahre Verformung = 10,7

Änderung der Mikrostruktur und der mechanischen Eigenschaften

Aluminium als Metall besteht aus einer Vielzahl einzelner Körner oder Kristalle; d.h. sie sind polykristallin. beispielsweise, ein typisches Korn oder Kristall hat nach Warmumformung plus Kaltumformung und Glühen einen Durchmesser von ca 40 Mikron. So, Dieses typische Korn enthält viele Millionen Einheitszellen – Befehl 10¹⁵ Stücke [2] (Feige. 2).

Feige. 2 – Ein typisches Aluminiumkorn hat einen Durchmesser von 40 μm und
enthält viele Millionen Einheitszellen [2]

Im gegossenen Zustand wachsen Primärkristalle aus der flüssigen Phase. Die resultierende Mikrostruktur ist normalerweise grob. Wenn Metall verformt wird, Jedes Korn wird aufgrund der Bewegung von linearen Defekten im Kristallgitter deformiert. Die Verformung erfolgt durch Gleiten entlang der Gleitflächen entlang der Scherrichtung (Abb.. 3). Diese Defekte werden als Versetzungen bezeichnet (Abb.. 4). In Kristallen bewegen sich Versetzungen entlang bestimmter kristallographischer Ebenen (flachgepackte Ebenen), bekannt als Gleitebenen [2].

Feige. 3 – Jedes Korn verformt sich durch die Bewegung von Liniendefekten im Kristallgitter;
Verformung ist durch Unterhose An Gleitflugzeuge entlang der Scherrichtung [2]

Feige. 4 – Verformung durch Gleiten einer Versetzung [2]

Härtungsmechanismen für Aluminium

Aluminium ist duktil und duktil, da sich Versetzungen relativ leicht durch sein Kristallgitter bewegen können.. Industrielle Aluminiumlegierungen werden absichtlich verstärkt, indem verschiedene Arten von Hindernissen für die Bewegung von Versetzungen geschaffen werden., wie zum Beispiel:

• Korngrenzen
• Sonstige Versetzungen (Strain Hardening)
• Gelöste Atome (Lösungshärtung)
• Ausscheidung sekundärer Phasen (SP) (Härtung durch Alterung)
• Dispergierte Partikel (Dispersoidhärtung).
  

Einige oder alle von ihnen können dazu beitragen, die Festigkeit von Aluminium und Aluminiumlegierungen zu erhöhen (Abb.. 5).

Feige. 5 – Hindernisse für die Versetzungsbewegung können zur Festigkeit der Legierung beitragen.
Modifizierte Hall-Petch-Beziehung (hier ist d die Korngröße) [2]

Kalt- und Warmumformung von Aluminium

Verformung von Aluminium und seinen Legierungen bei Temperaturen darunter 100 ⁰С gilt als Kaltverformung [4]. Für diesen Temperaturbereich eignen sich thermisch aktivierte Prozesse, die charakteristisch für die Warmverformung sind, spielen keine nennenswerte Rolle.

Bei Temperaturen über 100 ⁰С Die plastische Verformung von Aluminium hängt stark von thermisch aktivierten Prozessen ab. Daher hängt die Streckgrenze von Temperatur und Dehnungsrate ab (Viskoplastizität). Warmverformungsprozesse zeichnen sich durch eine starke dynamische Erholung der Versetzungsstrukturen und geringe Fließspannungen aus.

Kaltumformung von Aluminium

Verformung

Bei der plastischen Verformung von Aluminium und Aluminiumlegierungen bei Temperaturen darunter 100 ⁰ Kriecherscheinungen können vernachlässigt werden. Das heisst, dass der Prozess der plastischen Verformung nicht von der Dehnungsrate abhängt. In diesem Fall ist die Streckgrenze bei einer gegebenen Temperatur annähernd konstant. Auf dem Bild 6 zeigt typische Spannungs-Dehnungs-Kurven bei Raumtemperatur für Al-Mg-Legierungen. Es wird gesehen, dass diese Legierungen eine hohe Kaltverfestigungsrate bei Fließspannungen von ca 100 zu 400 MPa.

Feige. 6 – Typische Spannungs-Dehnungs-Kurven von Al-Mg-Legierungen [4]

Kaltverformbare Mikrostruktur

Während der Kaltverformung nimmt die Anzahl der Versetzungen zu, und es wird für Versetzungen immer schwieriger, sich durch das Gitter zu bewegen. Als Ergebnis tritt eine Metallhärtung oder Kaltverfestigung auf.. Das heisst, dass höhere Belastungen erforderlich sind, um die Verformung fortzusetzen, und das Metall verliert seine Duktilität.

Kaltplastische Verformung wird durch die Bewegung von Versetzungen im Kristallgitter gesteuert. Mit fortschreitender Verformung nimmt die Versetzungsdichte im Kristall zu, und die Spannung zur Fortsetzung der Verformung steigt aufgrund der Wechselwirkung beweglicher Versetzungen mit einem immer dichter werdenden Versetzungsnetzwerk und sogar einer Versetzungsstruktur (Abb.. 7).

Feige. 7 – In Aluminiumlegierungen nach mäßiger Kaltverformung,
die Versetzungen sind nicht gleichmäßig verteilt, sondern bilden Zellen,
mit Wänden aus verschlungenen Versetzungen und Innenbereichen geringer Versetzungsdichte [2]

Rückgewinnung und Rekristallisation von hartbearbeitetem Aluminium

Versetzungen können durch Erhitzen von kaltverformtem Metall auf eine mäßig hohe Temperatur (Glühen) entfernt werden., was zu einer Erweichung des Metalls und Wiederherstellung seiner Duktilität führt. Mikrostrukturelle Veränderungen, beim Glühen auftreten, Reduktion und Rekristallisation genannt.

Bei der Warmverformung von Aluminium treten aktive dynamische Erholungsprozesse auf: dynamische Erholung oder dynamische Rekristallisation. Als Ergebnis dieser Prozesse wird das Metall nicht so stark gehärtet, wie bei Zimmertemperatur, und, daher, kleinere Belastungen sind erforderlich, um das Material zu verformen (Abb.. 8).

Die treibende Kraft hinter der Rekristallisation ist die gespeicherte Energie, aufgrund von Verrenkungen (Abb.. 9).

Die Versetzungsdichte kann als Gesamtlänge der Versetzungslinien pro Volumeneinheit des Materials ausgedrückt werden:

• für geglühtes Aluminium kann die Versetzungsdichte etwa sein 10¹⁰ ich^-2
• bei stark kaltumgeformtem Aluminium steigt die Versetzungsdichte auf ca 10¹⁵ ich^-2.

Feige. 8 – Wenn auf eine umfangreiche Kaltbearbeitung ein Glühen folgt,
neue Körner werden durch den Prozess gebildet Rekristallisation [2]

Feige. 9 – Die treibende Kraft für die Rekristallisation ist die gespeicherte Energie
verursacht durch das Vorhandensein von Versetzungen [2]

Kaltverfestigung von nicht aushärtbaren Legierungen

Spannungs-Dehnungs-Kurven

Aluminiumlegierungen der 1xxx-Serie, 3xxx und 5xxx werden durch Zugabe von Legierungselementen gehärtet, die typischerweise keine klassische Aushärtung aufweisen. Die Mikrostrukturen dieser Legierungen bestehen üblicherweise aus [3]:
• Aluminiumkörner mit Legierungszusätzen in Lösung
• zusammengesetzte Partikel mit einer Größe von 1–5 µm, die beim Erstarren und Homogenisieren entstanden sind (Al(Fe,Mn), Al(Mn,Fe)Si è äð.) è
• Dispersoide mit einer Größe von 50–250 nm, in Aluminiumkörnern verteilt.

Abbildung. 10 zeigt Spannungs-Dehnungs-Kurven von hochreinem Aluminium, Aluminium 1100 und Aluminiumlegierungen 5005 und 5754, bei Umgebungstemperatur getestet. Wie Du vielleicht erwartest, die Streckgrenze steigt mit dem Gehalt an gelösten Legierungselementen [3].

Feige. 10 – Ein Vergleich von (a) der Stress-Dehnungs-Reaktion und
(b) das Kaltverfestigungsverhalten für eine Reihe kommerzieller Mischkristalllegierungen [3]

Kaltverfestigte Temperamente

Kaltverfestigung als technologischer Vorgang

Kaltverfestigung ist wichtig für die Entwicklung von hochfestem Aluminium und Aluminiumlegierungen im kaltverfestigten Zustand.. Viele Legierungen werden im kaltverfestigten Zustand H-Zustand verwendet, z.B. Serienlegierungen 1000 bei der Folienherstellung, Rohlinge für Bierdosenkörper aus Serienlegierungen 3000 und Rohlinge für einen Deckel einer Bierdose aus Serienlegierungen 5000. Der Zweck dieser Behandlungen besteht darin, hohe Festigkeitsniveaus zu erreichen, indem die Legierung im kaltgewalzten Zustand oder nach dem Kaltwalzen und teilweisen Glühen verwendet wird..

Aufgrund der sehr hohen gespeicherten Energie, durch Kaltwalzen erreicht, Versetzungsstruktur kann thermisch instabil sein, während das Legierungsblech mit der Zeit bei Raumtemperatur erweicht. Um es zu umgehen, kaltgewalztes Blech wird oft einem teilweisen Glühen bei einer niedrigen Temperatur unterzogen, um eine gewisse Erweichung zu erhalten, aber mit Kraftstabilisierung.

Notationssystem für kaltverfestigte Zustände

Urlaubsbezeichnungen für gefälschte Produkte, durch Kaltverfestigung gehärtet, bestehen aus dem Buchstaben H, gefolgt von zwei oder mehr Ziffern. Die erste Ziffer nach H gab eine bestimmte Abfolge von Grundoperationen an.

H1, nur kaltverfestigt

Dies gilt für Produkte, Knöchelgehärtet, um die erforderliche Festigkeit ohne zusätzliche Wärmebehandlung zu erreichen. Die Zahl hinter H1 gibt den Grad der Kaltverfestigung an.

H2, kaltverfestigt und teilweise geglüht

Dies gilt für Produkte, die stärker einer Kaltverfestigung ausgesetzt waren, als für das fertige Produkt angegeben. Dies “übertrieben” Die Festigkeit wird dann durch teilweises Glühen auf das gewünschte Niveau reduziert. Die Zahl nach H2 gibt den Grad der Kaltverfestigung an, die nach teilweisem Glühen des Produkts zurückbleibt.

Das Verhältnis der kaltverfestigten Zustände H1X und H2X ist in der Abbildung dargestellt 11.

Feige. 11 – Das Verhältnis der kaltverfestigten Zustände H1X und H2X [5]

H3, kaltverfestigt und stabilisiert

Dies gilt für Produkte, Kaltverfestigung ausgesetzt, deren mechanische Eigenschaften durch Niedertemperatur-Wärmebehandlung oder durch Hitze stabilisiert werden, während des Herstellungsprozesses eingebracht. Die Stabilisierung verbessert normalerweise die Duktilität. Diese Bezeichnung gilt nur für diese Legierungen, welche, wenn sie nicht stabilisiert sind, beim Altern bei Raumtemperatur allmählich erweichen. Die Zahl hinter H3 gibt den Grad der Kaltverfestigung an, verbleiben nach der Stabilisierung.

H4, kaltverfestigt und lackiert oder lackiert

Bezogen auf Produkte, die eine Kaltverfestigung erhielten und währenddessen einer Erwärmung unterzogen wurden
nachträgliches Streichen oder Lackieren. Nummer, zu H4 hinzugefügt, gibt den Grad der Kaltverfestigung an, nach dem Streichen oder Lackieren zurückbleibt

Zusätzliche Ziffern nach H1, H2, H3, H4

Geben Sie den Grad der Kaltverfestigung an:

• HX8 – härtester Zustand. Nummer hinzufügen 8
• HX4 – Härtegrad, entspricht etwa der Hälfte des Zustands von HX8
• HX2 – Härtegrad in der Mitte zwischen dem O-Zustand und dem HX4-Zustand
• HX6 – Härtegrad in der Mitte zwischen HX4 und HX8
• Zahlen 1, 3, 5 und 7, ebenfalls, geben Zwischenzustände zwischen den oben genannten an
• Ziffer 9 verwendet, um einen Zustand anzuzeigen, Überschreitung des HX8-Zustands um 14 MPa oder mehr.

Anhang

“Kaltverformt” Operationen in Wärmebehandlung T Temperamente

• T1 – Von einem Formungsprozess bei erhöhter Temperatur abgekühlt und auf natürliche Weise zu einem im Wesentlichen stabilen Zustand gealtert.
• T2 – Gekühlt von einem Formungsprozess bei erhöhter Temperatur, kalt gearbeitet, und natürlich gealtert zu einem im wesentlichen stabilen Zustand.
• T3 – Lösungsgeglüht, kalt gearbeitet, und natürlich gealtert zu einem im wesentlichen stabilen Zustand.
• T4 – Lösungsgeglüht, und natürlich gealtert zu einem im wesentlichen stabilen Zustand.
• Der Materialzustand eines Aluminiumprodukts – der Zustand der Aluminiumlegierung – wird mit einem Bindestrich (kein Bindestrich) nach der Bezeichnung der Aluminiumlegierung angegeben – Nach einem Formgebungsprozess bei erhöhter Temperatur gekühlt und dann künstlich gealtert.
• Verhinderung von Erosionskorrosion – Lösungsgeglüht und dann warmausgelagert.
• T7 – Lösungsgeglüht, dann überaltert/stabilisiert.
• Q8 – Lösungsgeglüht, kalt gearbeitet, dann künstlich gealtert.
• T9 – Lösungsgeglüht, künstlich gealtert, Dann kalt gearbeitet.
• T10 – Gekühlt von einem Formungsprozess bei erhöhter Temperatur, kalt gearbeitet, dann künstlich gealtert.

Für Temperamente T2, T3, Die T8- und T9-Kaltumformung wird auf aushärtbare Legierungen in der folgenden Reihenfolge angewendet:

• um die Festigkeit nach dem Abkühlen von einem Warmumformungsprozess oder Lösungsglühen zu verbessern und deren mechanische Eigenschaften durch Raumtemperatur oder künstliches Altern stabilisiert wurden.

Dies gilt auch für Produkte, bei denen Kälteeinwirkungen wirken, durch Glätten oder Richten verliehen, werden in bestimmten Eigentumsgrenzen berücksichtigt.

Quellen: :

1. Herstellung und Verarbeitung von Aluminiumblechen / J. Hirsch // Grundlagen der Aluminiummetallurgie – Ed. Roger Lumley – 2011
2. TALAT-Lesung 1251 – Mechanische Bearbeitung und Formgebung /M.H. Jacobs – Europäischer Aluminiumverband, 1999
3. Kaltverfestigung in Aluminiumlegierungen / J. Poolet al // Grundlagen der Aluminiummetallurgie – Ed. Roger Lumley – 2011
4. Design von Aluminiumwalzprozessen für Folien, Blatt, und Platte /J.H. Treiber, Ö. Engler //Encyclopedia of Aluminium and Its Alloys – Eds. J.E. Totten, M. Tiryakioglu, Ö. Kessler – 2019
5. Design von Aluminiumkonstruktionen – Einführung in den Eurocode 9 mit ausgearbeiteten Beispielen – Europäischer Aluminiumverband – 2020
6. Einführung in Aluminiumlegierungen und Härter /J. Gilbert Kaufmann – ASM International, 2000