Abstract:

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine mit dem Kühlmedium Druckluft betriebene Abkühleinrichtung für den speziellen Einsatz im Bereich der Erforschung des „Rundens beim Strangpressen“ von Leichtmetallwerkstoffen entwickelt und im Anschluss erprobt. Die Abkühleinrichtung bildet dabei einen Teil der, für die Einstellung der gewünschten Strangpressprodukteigenschaft notwendigen, Wärmebehandlung in einem neuen Konzept einer verkürzten und flexibleren Prozesskette.
Aus dem Zusammenhang zwischen metallischem Kristallaufbau und den daraus resultierenden Werkstoffeigenschaften, konnten, in Verbindung mit dem Einfluss der Wärmebehandlung und Mechanismen plastischer Verformung in der Umformtechnik, die thermodynamischen Anforderungen an die Profilkühlung erarbeitet werden. Informationen über die Eigenschaften der verwendeten aushärtbaren Legierungssysteme, wie die Abschreckempfindlichkeit, und deren Verarbeitung in der Strangpresse, Blocktemperatur, Pressgeschwindigkeit und Profilgeometrie, bildeten die Eingangsgrößen auf der Produktseite der Wärmebehandlungsstufe. Aufbauend auf den Grundlagen zur konvektiven Wärmeübertragung und einem Überblick über konventionelle Kühlsysteme und deren Komponenten konnte ein Konzept für die Entwicklung, Konstruktion und Fertigung einer auf das System angepassten Abkühleinrichtung entworfen und umgesetzt werden. Ausgeführtes Ergebnis der Entwicklung ist eine mit Druckluft betriebenen Prallstrahlkühleinrichtung, bestehend aus einem durch eine Vorrichtung gehaltenen Düsensystem in ringförmige Anordnung um das Strangpressprodukt, in unmittelbarer Nähe zum Matrizenaustritt. Anhand metallographischer Untersuchung der in der experimentellen Erprobung gepressten Profile konnte die Wirkung der Abkühleinrichtung auf die Korngröße und deren Verteilung im Gefüge nachgewiesen werden. Für die gewählte Versuchsgeometrie mit einer Wandstärke von 2 mm kann, im Bereich niedriger Stempelgeschwindigkeiten, vs=0,25 mm/m, die Ausbildung der grobkörnigen Randzone auf sehr schmale Bereiche in der Größenordnung von 100 µm reduziert werden. Unter Zunahme der Pressgeschwindigkeit ist jedoch eine deutliche Ausweitung der durch grobes Korn gekennzeichneten Randzone zu beobachten und hier die Kühlvorrichtung, hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Gefügeausbildung für hohe Geschwindigkeiten, als verbesserungsbedürftig zu bewerten.
Durch weitere Untersuchung des Gefügeaufbaus konnte durch den Vergleich mehrerer Gefügeaufnahmen einzelner Versuchsprofilquerschnitte gezeigt werden, dass mit aus Einzeldüsen zusammengesetzten Kühlfeldern eine homogene Einstellung der Korngrößenverteilung möglich ist. Das auch bei einseitiger Profilanströmung keine Gradienten im Gefügeaufbau festzustellen waren, muss jedoch auf die spezielle, strömungsgünstige Geometrie des Versuchsprofils zurückgeführt werden und kann grundsätzlich nicht auf andere Querschnitte übertragen werden.
Die Untersuchungen zu den Härtewerten zeigten bei fast allen Proben ein über den jeweiligen Profilquerschnitt einheitliches Härteniveau, das zum Teil mit deutlichem Abstand unterhalb der gewünschten Zielwerte lag und diese nur bei den am langsamsten gepressten Profilen erreichte.
Geometrische Untersuchungen der in den Experimenten zum Verzug gepressten Profile zeigten, dass die Fertigung gerader Profile unter Wirkung der Kühleinrichtung in einem schmalen Toleranzbereich möglich und unproblematisch ist. Durch Strangpressversuche unter der Wirkung eines absichtlich gestörten Kühlfeldes konnten durch Vermessung der Profilgeometrien reproduzierbarer Verzug festgestellt werden. Darauf aufbauend konnte unter Ausnutzung des „Rundens beim Strangpressens“ eine Strategie zur Verzugskompensation entwickelt und im Experiment überprüft werden. Dabei zeigte sich, dass durch Runden entgegen der Verzugsrichtung die Kompensation des thermisch bedingten Verzugs möglich ist. Für den im Bereich der Profilkühlung herrschende Zielkonflikt zwischen Geometriegenauigkeit und Werkstoffeigenschaft, dem in der Vergangenheit nur durch einen Kompromiss zwischen mechanischen Eigenschaften und Geometrietoleranzen des Strangpressproduktes entgegengewirkt werden konnte, wurden in dieser Arbeit die theoretischen und technischen Voraussetzungen entwickelt um diesem entgegenzuwirken und im Experiment verifiziert.
Im Ausblick auf zukünftige Forschungsarbeiten muss insbesondere die Kühlleistung der Abkühleinrichtung, als derzeit Prozesseinschränkender Faktor, verbessert werden. Ansätze hierfür sind eine leistungsstärkere Druckluftversorgung und die Optimierung der Düsenanordnung. Unter Ausnutzung der geometrischen und strömungstechnischen Variabilität der Abkühleinrichtung könnten die Grenzen für andere Profilgeometrien erarbeitet werden. Darauf aufbauend ist in einem weiteren Schritt, durch die Abstimmung zwischen dem „Runden beim Strangpressen“ und der Kühlstrategie, die Entwicklung industriell und wirtschaftlich einsetzbare Konzepte zur Fertigung unterschiedlichster Strangpressprofilgeometrien denkbar.