Aluminiumverzug

Warping ist das, was häufig bei der Bearbeitung von Teilen aus warmgehärteten Aluminiumlegierungen der Fall ist. Der Grund für den Verzug dieser Teile sind Eigenspannungen., die beim Abschrecken im Prozess des thermischen Härtens entstanden sind.

übrigens, berühmte einteilige iPhone-Hüllen aus Aluminium 5 und iPhone 6 hergestellt von Apple. Einteiliges Aluminium-Strangpressprofil wird auf einer ausgeklügelten computergesteuerten Maschine mit konstant starker Kühlung zahlreichen Fräsoperationen unterzogen, um ein Verziehen zu vermeiden.

(Cm. genauer: Aluminiumlegierungen in Smartphones und Laptops).

Härten von Aluminiumlegierungen

Der Vorgang des Härtens von Aluminiumlegierungen besteht aus zwei Schritten:

• Der erste Schritt ist das Erhitzen auf die Härtetemperatur: von 450 ºС für Legierungen der Serie 7xxx bis 520 ºС für Legierungen der Serie 6xxx.
• Nach einiger Einwirkung auf die Abschrecktemperatur folgt eine schnelle Abkühlung - unterschiedlich für verschiedene Legierungen.

Die zum Durchhärten erforderliche Abkühlgeschwindigkeit variiert bei verschiedenen Aluminiumlegierungen erheblich., z.B:

• Eintauchen in kaltes oder warmes Wasser für hochfeste Legierungen 7075,
• Wasserstrahlkühlung für Legierung 6061,
• Kühlung durch Ventilatoren oder Druckluft für Legierung 6060.

Der Zweck des Härtens besteht darin, gelöste Legierungselemente in einer festen Lösung von Aluminium zu halten - unterschiedlich für verschiedene Legierungen. Nach dem Abschrecken folgt eine Alterungsphase - natürlich oder künstlich (bei erhöhten Temperaturen). Während der Alterung durch Freisetzung von Verstärkungskomponenten aus dem Mischkristall, mit Legierungselementen, es kommt zu einer Erhöhung der Festigkeit der Aluminiumlegierung.

Verzug während der Bearbeitung

Dieses unangenehme Phänomen - das Verziehen - ist für die besonders "unangenehm", die Einhaltung der engen Maßtoleranzen von Aluminiumprodukten erschweren oder unmöglich machen, die bearbeitet werden, z.B, Mahlen. Dies gilt insbesondere für große und/oder komplexe Produkte.. Daher ist ein hoher Ausschuss von Aluminium-Frästeilen aus warmhärtenden Legierungen aufgrund von Abweichungen von den angegebenen Maßen durch Verzug üblich..

Die Abbildung unten zeigt Verzug, die ihren Ursprung im Legierungsblech haben 7075 im Zustand T6 (Härten und künstliche Alterung) Dicke 25 mm und Länge 250 mm nach dem Schneiden auf einer Elektroerosionsmaschine entlang der Mittelebene in zwei Hälften. Die maximale Größe der gebildeten Lücke erreicht 4,3 mm.

Bild 1 - Verziehen von 7075-T6-Legierungsblechen
nach dem Schneiden entlang der Mittelebene

Eigenspannungen in Aluminium

Eigenspannungsniveau in einem gehärteten Aluminiumprodukt, zum Beispiel im gleichen dicken Blech, nimmt mit zunehmender Dicke zu, Tschüss, schließlich, erreicht im gehärteten Zustand nicht die Streckgrenze einer Aluminiumlegierung.

Berühmt - Luft- und Raumfahrt – Legierung 7075 hat eine deutlich höhere Abschreckstreckgrenze im Vergleich zu anderen Legierungen, einschließlich, mit so beliebt in der branche, als Legierung 6061. Daher die Legierung 7075 ist am anfälligsten für die Bildung von Eigenspannungen und, daher, Verzug während der Bearbeitung. Eigenspannungen in gehärteten Legierungsblechen 7075 dicker als 33 mm erreichen können 230 MPa. In gehärteten Legierungsblechen 6061 dick über 15 mm Eigenspannungen können "nur" 90 MPa.

Warum treten Eigenspannungen auf?

Eigenspannungen entstehen durch ungleichmäßige Abkühlung des Produkts beim Abschrecken und die damit verbundene ungleichmäßige Reduzierung seiner Abmessungen, was zu Verzug führt. Wenn relativ dicke Produkte in ein Abschreckwasserbad getaucht werden, dann werden die Oberflächenschichten des Produkts zuerst abgekühlt und schrumpfen daher viel schneller, als sein Kern. Gleichzeitig hat der heiße Kern zu Beginn der Abkühlung wenig Widerstand gegen die Kontraktion der Deckschichten - der weiche Kern wird unter dem Einfluss der Kompression der Deckschichten plastisch verformt.. Später beim Härten, aber, der Kern kühlt auch und "will" auch seine Größe reduzieren. Diese Reduzierung wird jedoch durch die bereits kalten und relativ festen Außenschichten des Produkts verhindert..

Auf diese Weise, Zugeigenspannungen im Produkt entstehen, weil, das Material hier möchte seine Größe reduzieren, kann dies aber aufgrund des Widerstands der äußeren Schichten nicht. Diese Zugspannungen in den Innenschichten des Produkts werden durch Druckspannungen in der Nähe seiner Oberfläche ausgeglichen..

Eigenspannungen in Aluminiumblechen

Auf dem Bild 2 zeigt die Verteilung ausgeglichener Eigenspannungen über die Dicke des gehärteten Blechs. Die maximalen (negativen) Druckspannungen werden an beiden Außenflächen des Blechs erreicht, und die maximalen Zugeigenspannungen entstehen im Blech – entlang der Mittelebene. Diese Verteilung der Eigenspannungen ist typisch für den einfachen Fall einer halbunendlichen Platte (Platte). Bei weniger gut geformten Teilen wird die Verteilung der Eigenspannungen viel komplexer..

Bild 2 – Ein Beispiel für ausgeglichene Eigenspannungen
in Alu-Dickblech

Die Höhe der Druck- und Zugeigenspannungen in einem gehärteten Aluminiumblech hängt von der Intensität der Härtung ab, Blechdicke und Streckgrenze der Legierung im gehärteten Zustand.

Normalerweise Eigenspannungen:

• sind bei relativ dünnen Blechen nicht sehr hoch;
• nehmen mit der Dicke zu und erreichen bei sehr dicken Blechen die Streckgrenze im abgeschreckten Zustand.

Mit zunehmender Dicke nimmt die Differenz zwischen der Temperatur an der Oberfläche des Blechs und der Temperatur in seinem Kern zu.. Dies führt zu höheren Eigenspannungen.

Wenn bei der anschließenden Bearbeitung eines gehärteten und gealterten Blechs Material asymmetrisch bezüglich der Eigenspannungsverteilung abgetragen wird, dann kommt es zu einer Verwerfung des Bleches in Form seiner spontanen Auslenkung.

Wie vermeidet man Verzug?

Um das Niveau der Eigenspannungen in Aluminiumprodukten zu reduzieren und den Verzug von Teilen während der Bearbeitung zu verhindern, können vier Ansätze in unterschiedlichem Maße angewendet werden..

• Temperieren ist nicht normal, und im warmen wasser. Reduziert das Niveau der Eigenspannungen, die beim Abschrecken entstehen. Diese Technologie kann jedoch verhindern, dass die Aluminiumlegierung vollständig ausgehärtet wird und die Festigkeit nach anschließender künstlicher Alterung reduziert wird..
• Mechanischer Abbau von Eigenspannungen, z.B, durch Dehnen, gehärtet, vor dem Altern. Reduziert das Niveau der Eigenspannungen, ohne die Festigkeitseigenschaften zu beeinträchtigen. Bei Produkten mit komplexer Form ist es jedoch schwierig zu implementieren.
• Thermischer Abbau von Eigenspannungen (bei normaler künstlicher Alterung oder geringer als normaler Alterung). Bei künstlicher Alterung (T6) tritt ein relativ unbedeutender Abfall der Eigenspannungen auf. Bei Alterung im Überalterungsmodus (zum Beispiel, T73) wird eine deutlichere Reduzierung der Eigenspannungen erreicht, aber aufgrund einer unerwünschten Abnahme der Festigkeitseigenschaften.
• Kaltplastische Verformung (nach Alterung). Dieser Vorgang verringert nicht den Wert der Restspannungen., kann aber ihre Verteilung ändern. Kaltumformung kann jedoch bei der nachfolgenden Bearbeitung zu zusätzlichem Verzug führen..

Eine Quelle: http://prod.sandia.gov