Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Thixo-Schmieden

1. c Öl argon z x y argon b a C- Faser Ausscheidungen an Interfaceschicht Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen durch Thixo-Schmieden Innerhalb des CCT- Projekts `Leichtbau durch den Einsatz von MMC- Werkstoffen´ wurde das Verfahren zur Herstellung von kontinuierlich verstärkten Metall-Matix-Verbundwerkstoffen aus der semi-solid Phase entwickelt und zum Patent angemeldet. Durch Kombination einer Grund- oder Matrixkomponente mit Hilfe einer einzubettenden Verstärkungskomponente können über den Volumengehalt dieses textilen Halbzeugs spezifische Werte (Rule of Mixture) an E-Modul, Zugfestigkeit und Streckgrenze, Dauerfestigkeit, sowie thermischer Expansion eingestellt werden. Gegenüber bisherigen Verfahren zur Herstellung von Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen zeichnet sich die Prozessroute aus der teilflüssigen Phase vorallem durch kurze Taktzeiten, geringe Umformkräfte und lange Fließwege aus. Besonderer Dank gilt dem Land Baden-Württemberg für die Einrichtung des Center of Competence for Casting and Thixoforging Prozessrouten • Thixo-Schmieden • Thixotropes Verhalten bedeutet die Verringerung der Strukturstärke während einerScherbelastungsphase und ihren mehr oder weniger schnellen, aber vollständigen Wiederaufbau während der nachfolgenden Ruhephase. • Thixo-Schmieden ist Schmieden bei Temperaturen zwischen Solidus- und Liquidus-temperatur. • Der Werkstoff besteht dabei aus ca. 20-50% Flüssigphase und weist ein thixotropes Fließverhalten auf. Verstärkung Matrix Prepreg + Route A ThermischeBeschichtung Kohlenstoff-Faser Thermische Spritzschicht Kohlenstofffaser Blech-Halbzeug + Blech-Halbzeug Kohlenstoff-Faser Route B Temperaturbereiche für das Thixo-Schmieden Knetlegierung: AlMgSi1 700 Gusslegierung: AlSi7Mg Wärme-behandlung Composite-Herstellung O = 642°C Liquiduslinie Erwärmung L U = 638°C Temperatur in °C Liquiduslinie L + Si AL + L 600 O = 586°C Soliduslinie AL U = 577°C AL + Si 500 5 20 25 10 15 0 Siliziumgehalt in Gew% • Prepregherstellung • Formgebung • Herstellung des Werkstoffverbundes + Formgebung auf der Hochgeschwindigkeits-Thixo-Schmiedepresse des Instituts für Umformtechnik (IFU) Kolbenspeicher Hydraulikzylinder Stößel Stickstoffspeicher Presse mit Speicherantrieb ▪ Stößeldruckkraft: 5000 kN ▪ Auswerferdruckkraft: 1000 kN ▪ Stößelgeschwindigkeit: 800 mm/s ▪ nutzbarer Stößelhub: 300mm ▪ Pumpenleistung: 55 + 75 kW ▪ Pressentisch: 900 mm x 900 mm Bauteilgeometrie: angepasste an begrenzte Umformbarkeit der Verstärkungskomponente Flottierung Knickbereiche Mikrostruktur Rastelektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie Ausblick ▪ kinematisches Verhalten der Verstärkungskomponente während der Umformung ▪ Verifikation der Vorgänge in der Interfaceschicht ▪ Einsatz von Schutz- und Haftvermittlerschichten ▪ Untersuchungen bezüglich mechanischer Kennwerte, Eigenspannungen, Spannungsüberhöhungen, etc. ▪ FEM-Simulation mit ANSYS LS-DYNA, Flow3D, Deform 3D Abbildung TEM- Lamelle: d=100 – 200nm Matrix: AlSi6 – APS 120μm pro Seite Verstärkung: Gewebe 2/2-Köperbindung 18 Lagen Werkzeug: 250°C Ausscheidungen:l= 20- 250nm Beugungsbild Al4C3 in [100] Ansprechpartner: Peter Unseld Dr. Viola Küstner Tel.: +49 711 – 121 3843 Tel.: +49(0)711/689-3417 unseld@ifu.uni-stuttgart.dekuestner@mf.mpg.de Konstantin von Niessen Tel.: +49 711 – 685 8235 konstantin.von-niessen@po.uni-stuttgart.de