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Leistungsstarkes Halbzeug für Leichtbauzwecke

Strangpreß- und Schmiedeprodukte aus Magnesium
Leistungsstarkes Halbzeug für Leichtbauzwecke

Beim Strangpressen von Magnesium-Knetlegierungen werden zylindrische Gußblöcke bei Temperaturen von 300 bis 400 °C durch eine Matrize zu Strängen mit vielfältigen Querschnittsformen in Längen bis zu 50 m verpreßt
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Aus Magnesium-Legierungen läßt sich durch Strangpressen und Schmieden sicheres und leistungsfähiges Halbzeug für den Leichtbau herstellen. Dieses bietet sich an für die Produktion von Teilen, die besonderen statischen und dynamischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.

Dr.-Ing. Gernot Fischer leitet das Ressort Werkstoffe und Qualitätswesen der Otto Fuchs Metallwerke KG in Meinerzhagen, Dr.-Ing. Joachim Becker ist dort im Bereich Werkstoffentwicklung und Metallurgie tätig

Magnesium, das fast 30 % leichter ist als Aluminium, konnte im Rahmen der Leichtbaubestrebungen der Automobilindustrie in den letzten Jahren bereits verschiedene Anwendungsbereiche erobern. Typische Produktbeispiele sind Getriebegehäuse, Zylinderkopfhauben, Instrumententafeln sowie Lenkräder im Automobilbereich.
Beim Herstellen entsprechender Teile dominieren Druckgußverfahren, in denen die guten Fließ- und Formfülleigenschaften des Magnesiums genutzt werden. Produkte aus anderen Herstellverfahren wie Strangpressen und Schmieden finden bisher im Automobilbau kaum Anwendung. Mögliche Gründe sind
die höheren Kosten von Magnesium-Knethalbzeug im Vergleich zu Formguß,
unzureichende Kenntnisse und Erfahrungen der Konstrukteure hinsichtlich des zusätzlichen Potentials an Leistung und Sicherheit bei Knethalbzeug.
Wenn aber in puncto Sicherheit, Schwingfestigkeit oder Crashverhalten besondere Anforderungen vorliegen, lassen gerade die letztgenannten Vorzüge Magnesium-Knethalbzeug zu einer idealen Ergänzung von Formguß werden: Das Warmumformen beim Strangpressen und beim Schmieden sorgt für dichte Teile ohne Poren und Lunker. Gleichzeitig führt es zu verbesserten mechanischen Eigenschaften durch die Möglichkeiten einer thermomechanischen Behandlung mit gezielter Gefügeausbildung.
Erst die Zugabe von Legierungselementen, die eine Festigkeitssteigerung bewirken, macht Magnesium als Konstruktionswerkstoff interessant. Bei heutigen Knetlegierungen haben sich im wesentlichen die Elemente Aluminium (A), Mangan (M), seltene Erden (E), Yttrium (W), Zirkon (K) sowie Zink (Z) bewährt. Die Legierungen werden jeweils mit den Kennbuchstaben ihrer Hauptlegierungselemente bezeichnet.
Die Gruppe der AZ-Legierungen zeichnet sich durch günstige Festigkeitswerte und gute Duktilität aus. Als High-Purity-Qualität mit niedrigen Eisen-, Nickel- und Kupfer-Gehalten weisen diese Legierungen zusätzlich eine gesteigerte Beständigkeit gegen allgemeine Korrosion auf. Aus umformtechnischen Gründen eignen sie sich insbesondere für Strangpreßprodukte, aber auch für einfachere Schmiedestücke. Aufgrund von Kostenvorteilen in der Vormaterialherstellung und ihrer attraktiven Eigenschaftskombination werden die AZ-Legierungen weitaus häufiger eingesetzt als die anderen Gruppen.
Die ZK- heben sich von den AZ-Legierungen bei einem fertigungsbedingt höheren Vormaterialpreis durch eine bessere Warmumformfähigkeit ab und spielen damit eine bedeutende Rolle beim Herstellen komplexer Schmiedestücke. WE-Legierungen haben ihre Berechtigung, wenn in der Anwendung eine erhöhte Warmfestigkeit und Duktilität gefordert wird, wobei der Vormaterialpreis legierungsbedingt etwa zehnmal höher liegt als bei AZ-Legierungen.
Beim Strangpressen entstehen saubere metallische Oberflächen
Magnesium-Knetlegierungen können in einem ähnlichen Ablauf wie Aluminium-Werkstoffe zu Strangpreßprodukten verarbeitet werden. In der Praxis findet durchweg das direkte Strangpreßverfahren ohne Schmiermittel mit Schale Anwendung. Dabei werden zylindrische Gußblöcke bei Temperaturen von 300 bis 400 °C – je nach Legierung – durch eine Matrize zu Strängen mit vielfältigen Querschnittsformen in Längen bis zu 50 m verpreßt.
Das Verfahren ermöglicht saubere metallische Oberflächen und porenfreie Gefügestrukturen, wie sie für hohe werkstoffliche und sicherheitsrelevante Anforderungen unabdingbar sind. Die Querschnitte der Magnesium-Profile sind in weiten Grenzen frei zu gestalten und können direkt an die Funktion angepaßt werden. Wo hohe Belastungen auftreten, empfehlen sich aufgedickte Wandstärken. An Stellen mit niedriger Beanspruchung läßt sich durch reduzierte Wandstärken und Hohlräume Gewicht sparen.
Der Übergang von gepreßten Profilen zu einbaufertigen Komponenten in der gewünschten Festigkeit erfolgt durch Weiterverarbeitungsstufen wie Recken, Wärmebehandeln, Aufsägen, Biegen und Zerspanen. Zum Fügen von Magnesium-Profilen untereinander oder mit Guß- und Schmiedekomponenten eignen sich die Verfahren Schrauben, Nieten und Kleben sowie MIG-, WIG- und Laserschweißen.
Magnesium-Profile bieten ein hohes Leichtbaupotential für ein breites Anwendungsspektrum. Zu nennen sind
schnellaufende Komponenten mit wechselnder Bewegungsrichtung in Computerhardware sowie in Textil-, Druck- und Verpackungsmaschinen,
Strukturprofile in Luft- und Raumfahrtgeräten,
Aggregategehäuse im Automobil- und Flugzeugbau sowie
Rahmenprofile für Koffer und Gepäckbehälter.
Nicht nur als Einzel-, sondern auch als Systemkomponenten besitzen Magnesium-Profile gute Perspektiven. Ein Beispiel sind Profilrahmenstrukturen im Automobilbau, die mit schweißbaren Guß- und Schmiedeteilen verbunden werden.
Durch den Einsatz der Schmiedetechnologie bei Magnesiumlegierungen ergeben sich gerade in sicherheitsrelevanten Bereichen eine Reihe von Vorteilen gegenüber der verbreitet eingesetzten Druckgußtechnik: Zu nennen sind
sehr gute statische und dynamische Festigkeitseigenschaften, insbesondere, wenn die Hauptbeanspruchungsrichtung der Faserorientierung folgt, sowie
günstige Eigenschaften für druckdichte Komponenten aufgrund der durch den Schmiedeprozeß erzielten porenfreien Gefüge.
Zum Herstellen geschmiedeter Magnesium-Halbzeuge eignen sich nur Legierungen mit ausreichender Verformungsfähigkeit. Sofern gute Festigkeitseigenschaften bei erhöhten Einsatztemperaturen gefordert sind, spielen WE-Legierungen die bedeutendste Rolle.
Als Vormaterial für die Produktion von Schmiedeteilen werden vorwiegend hochreine Magnesiumlegierungen verwendet. Der direkte Einsatz abgelängter Stranggußstutzen im Schmiedeprozeß ist nur möglich, wenn das Gußvormaterial über eine ausreichende Feinkörnigkeit verfügt, um die notwendige Verformungsfähigkeit sicherzustellen. Diese Voraussetzung ist derzeit nur bei ZK-Legierungen erfüllt, bei denen unter Verwendung spezieller Schmelz- und Gießtechniken die erforderliche Korngröße reproduzierbar eingestellt werden kann. Hieraus resultiert allerdings ein vergleichsweise hoher Vormaterialpreis, der diese Werkstoffe auf spezielle Anwendungsbereiche beschränkt. Weit häufiger als ZK- werden AZ-Legierungen eingesetzt, die durch vorgeschaltetes Strangpressen auf die geforderte Feinkörnigkeit eingestellt werden. Sie zeichnen sich durch relativ geringe Werkstoffkosten sowie ausreichende Verfügbarkeit aus.
Hydraulische Pressen erlauben kontrollierte Prozeßführung
Die schmiedetechnische Verarbeitung von Magnesium erfolgt im wesentlichen auf hydraulischen Pressen, da diese gegenüber mechanischen Pressen eine kontrolliertere Prozeßführung hinsichtlich Umformgrad und -temperatur zulassen. Zudem bieten sie die Möglichkeit des definierten Haltens bei Maximalkraft, was das Auspressen komplexer Gravuren erheblich verbessert. Die Darstellung komplexer Bauteilgeometrien wird üblicherweise in mehreren Schmiedestufen realisiert.
Geschmiedete Komponenten aus Magnesiumlegierungen werden bereits in Hubschraubern und Rennmotoren eingesetzt. Dabei handelt es sich um Teile wie etwa Gehäuse, die besonderen statischen, dynamischen oder thermischen Beanspruchungen ausgesetzt sind.
Ein Beispiel für eine Komponente, die hohe Ansprüche in puncto Sicherheit und Leistungsfähigkeit erfüllt, ist ein Magnesium-Schmiederad, das die Otto Fuchs Metallwerke KG, Meinerzhagen, als Prototyp aus einer ZK-Legierung herstellte. Gefertigt wurde es in Werkzeugen eines bereits auf dem Markt befindlichen Aluminium-Schmiederades.
Bauteilversuche und FEM-Berechnungen ergaben, daß sich mit dem Magnesium-Schmiederad gegenüber dem Alu-Rad 10 bis 15 % Gewicht einsparen läßt. Die Streubreite ergibt sich dabei in Abhängigkeit vom jeweiligen Raddesign.
Die Beispiele zeigen, daß mit der Schmiedetechnik komplexe Bauteile dargestellt werden können. Das technische Potential geschmiedeter Magnesiumteile ist zwar vielversprechend, doch wird deren Einsatz kurz- bis mittelfristig auf Einzelanwendungen beschränkt bleiben. Ursächlich ist insbesondere der hohe Preis schmiedegerechter Magnesiumlegierungen. Es bleibt zu hoffen, daß preiswertere Legierungen mit adäquaten Eigenschaften entwickelt werden, so daß durch steigende Losgrößen das damit verbundene Kostensenkungspotential voll genutzt werden kann.
Günstiger stellt sich die Situation bei den Strangpreßprofilen dar. Hier lassen sich zum Teil sehr komplexe Geometrien als Voll- oder Hohlprofile umsetzen, die in Kombination mit den attraktiven Eigenschaften der Werkstoffe entscheidend zum Leichtbau beitragen.
Magnesium-Schmiederäder
Vor- und Nachteile gegenüber Magnesium-Gußrädern
5 bis 10 % Gewichtreduzierungspotential (bei identischem Design)
bessere Mißbrauchseigenschaften aufgrund höherer Festigkeit und Zähigkeit
Druckdichtheit durch poren- und lunkerfreies Gefüge
höhere Kosten
Vor- und Nachteile gegenüber Aluminium-Schmiederädern
10 bis 15 % Gewichtsreduzierungspotential (bei identischem Design)
schlechtere Mißbrauchseigenschaften aufgrund geringerer Festigkeit und Zähigkeit
ausgeprägte Neigung zu Kontaktkorrosion
geringere Flächenpressung und anderer Reibkoeffizient
deutlich höhere Kosten
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