Umformbarkeit von 6xxx- legierungen
Wie messen wir die Umformbarkeit unserer Produkte?
Ob als Motorhaube, Tür, Kotflügel oder Heckklappe - AMAG-Automobilbleche kommen überall zum Einsatz und erfüllen eine Vielzahl an Anforderungen. Dazu zählen neben den mechanischen und umformtechnischen Eigenschaften eine herausragende Korrosionsbeständigkeit, prozessstabile Schweißbarkeit und Klebefähigkeit gepaart mit ausgezeichneter Oberflächenqualität zur defektfreien Lackierung.Eine hohe und gleichmäßige Performance der Einsatzmaterialien sind in der modernen Automobilindustrie unverzichtbar. Um als Blechlieferant von einem Automobil-OEM berücksichtigt zu werden, muss eine aufwendige Homologierungsprozedur durchlaufen werden. Alle oben genannten und weitere Materialeigenschaften werden dabei unter Labor- und Industriebedingungen auf Herz und Nieren geprüft. Vor allem an die Umformbarkeit werden höchste Ansprüche gestellt. Moderne Fahrzeugdesigns fordern immer schärfere Kanten, engere Biegeradien und enorme Ziehtiefen. Dafür müssen unterschiedlichste Umformoperationen gemeistert werden, ohne dass es zu Materialeinschnürungen oder Bauteilrissen kommt. Kann in einem Presswerk aufgrund mangelnder Umformbarkeit der Bleche kein fehlerfreies Karosserieteil hergestellt werden, wird meist die Umformbarkeit des vorliegenden Materials in Frage gestellt. Dabei stellen sich einem Materiallieferanten wie der AMAG vor allem drei wesentliche Fragen:
- Wie „misst“ man gute Umformbarkeit und was sind die wichtigsten Kenngrößen?
- Wie ändert sich die Umformbarkeit mit steigender Lagerzeit des Materials beim Kunden?
- Wie kann man durch die chemische Zusammensetzung und die Prozessführung die Umformeigenschaften positiv beeinflussen?
In der Praxis beinhalten Umformoperationen oft mehrere Schritte und komplexe Spannungs- und Dehnungszustände. Dabei stellt eine Falzkante, die unter anderem für die Verbindung von Innen- und Außenteil einer Motorhaube benötigt wird, andere Anforderungen an das Material als eine Tiefziehoperation. Für eine erste Einschätzung des Materialverhaltens hat sich jedoch der schnell durchführbare und nach DIN EN ISO 6892-1 normierte Zugversuch als geeignet erwiesen.Dieser liefert Kenngrößen wie Streckgrenze, Zugfestigkeit, Gleichmaßdehnung, Bruchdehnung, Verfestigungsexponent und senkrechte Anisotropie, die erste Aussagen über das Umformverhalten erlauben. So sollte beispielsweise ein hoher Verfestigungsexponent vorteilhaft für Streckziehoperationen sein [1]. Neben dem Zugversuch können im Center for Material Innovation (CMI) unter anderem noch folgende Prüfungen durchgeführt werden, die für die Umformcharakterisierung von Automobilprodukten relevant sind:
| Testverfahren | Aussage über: |
|---|---|
| Grenzformänderungsanalyse | Einschnürbeginn für verschiedene Dehnungszustände |
| Bulge-Test | Fließkurve bei höheren Dehnungen als der Zugversuch für den biaxialen Spannungszustand |
| Biegeversuch | Biegefähigkeit / Falzbarkeit |
| Erichsentiefung | Streckziehbarkeit |
| Lochaufweitung | Kantenrissempfindlichkeit |
Die Grenzformänderungsanalyse ist im Vergleich zu den anderen in Tabelle 1 genannten Prüfverfahren zeitaufwendiger. Um vom Streckziehen bis zum Tiefziehen die wesentlichen Dehnungszustände abzudecken, müssen im Vorfeld eine Vielzahl an verschiedenen Probengeometrien hergestellt werden und umgeformt werden. Jeder Prüfkörper stellt einen Datenpunkt im Grenzformänderungsdiagramm (Forming Limit Diagram FLD) dar. Das FLD dient als Bestandteil von Materialkarten, die für Umformsimulationen neu entwickelter Fahrzeugteile verwendet werden. Das FLD bildet generelle Unterschiede zwischen verschiedenen Legierungen oder Zuständen gut ab, reagiert aber wenig sensibel auf kleinere Änderungen an Werkstoff und Prozess. Für den Einsatz als Automobillegierung sind vor allem Tiefziehbarkeit und Falzbarkeit von Bedeutung. Die Falzbarkeit eines Materials lässt sich dabei im Labor exakt und schnell evaluieren. Eine Blechprobe wird dafür zunächst um 10 % in Walzrichtung vorgedehnt (Simulation der Blechumformung) und anschließend um 180° gebogen mit der Biegelinie senkrecht zur Walzrichtung. Der Radius, um den das Material gebogen wird, wird dabei schrittweise abgesenkt, bis es zur Rissbildung kommt. Der sogenannte Hemmingfaktor f, mit dem die Falzbarkeit bewertet wird, wird bestimmt von der Blechdicke t bezogen auf den Radius r, um den das Material gefalzt werden kann, ohne dass es zur Rissbildung kommt:
Der Falztest bildet das Falzverhalten am Realbauteil sehr gut ab. Um auch die Tiefziehbarkeit des Materials unter möglichst industrienahen Bedingungen testen zu können, hat die AMAG ein eigenes Versuchswerkzeug in Betrieb genommen. Das Design des komplexen Werkzeuges stammt von der AUDI AG und wurde zur Bestimmung der Umformbarkeit im Zuge von Materialqualifikationen entwickelt. Das Werkzeug enthält wesentliche Elemente von Außenhautbauteilen, wie komplexe Eckenradien, scharfe Designkanten, Türgriffmulden und Ziehsicken. Die Arbeitsgruppe für Leichtbau- und Umformtechnologien der TU Graz übernahm den Werkzeugbau und unterstützt bei der Durchführung der Versuche. Die Umformversuche werden an einer 400 t-Presse durchgeführt, die industrienahe Ziehgeschwindigkeiten von bis zu 150 mm/s und Niederhaltekräfte bis 1600 kN erlaubt. Für die Versuche werden industriell gefertigte Platinen benötigt mit den Abmessungen 1,0 mm x 435 mm x 472 mm. Die Oberflächentextur (Mill-Finish, EDT) sowie Auftragsart und -menge des Trockenschmiermediums können variiert werden. Das Trockenschmiermedium wird dabei mittels elektrostatischer Beölung industriell aufgetragen. Dadurch wird eine gleichmäßige Verteilung des Trockenschmiermittels erreicht. Bei dem Tiefziehwerkzeug handelt es sich um ein Werkzeug mit geschlossener Geometrie und damit fester Ziehtiefe. Das Umformvermögen wird mit der Höhe der Blechhaltekraft bewertet, bei der noch ein fehlerfreies Bauteil umgeformt werden kann. Als fehlerfrei beziehungsweise als Gutbauteil wird ein Bauteil dann bewertet, wenn weder eine Einschnürung noch eine Rissbildung erkennbar ist (Abbildung 2).
Durch die Erhöhung der Blechhaltekraft wird das Nachfließen des Materials erschwert, wodurch die Anforderung an die Umformbarkeit schrittweise gesteigert werden kann. Abbildung 3 verdeutlich die Vorgehensweise bei der Umformcharakterisierung: mindestens 3 Bauteile je Klassifizierung werden benötigt, um die Grenzen bezüglich Gutbauteilen und gerissenen Bauteilen zu validieren. Der Bereich dazwischen stellt den Übergangsbereich dar und kann Bauteile aller Klassifizierungen enthalten.
Einfluss der Kaltauslagerung auf die Umformbarkeit
Die AMAG Automobilprodukte BIW 6FO-100 und BIW 6ED-110 werden beide als Innenstrukturanwendungen eingesetzt und basieren auf dem Legierungssystem EN AW-6016. Die Produktnamen setzen sich zusammen aus dem Anwendungsbereich (BIW = Body in White), der Kenntlichmachung der Legierungsreihe (6 für 6xxx-Aluminiumlegierungen) und einem Kürzel zur Verdeutlichung des Anwendungsbezuges (FO für Forming Optimized und ED für Electric Drive). Die abschließende Zahl beschreibt die typische Rp0,2-Dehngrenze des Materials im Lieferzustand T4 [MPa]. Die typischen mechanischen Kennwerte der beiden Produkte sind in Tabelle 2 und Tabelle 3 zusammengefasst. Das Produkt BIW 6ED-110 zeichnet sich durch eine sehr gute Warmaushärtbarkeit aus, bei gleichzeitig guter Umformbarkeit im Lieferzustand T4.
| Produkt | Rp0,2 [MPa] | Rm [MPa] | Rp0,2/Rm | AG [%] | A80 [%] | n4-6 | r2-20/(Ag-1) | Δr |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| BIW 6FO-100 | 95 | 208 | 0,46 | 23 | 27 | 0,31 | 0,66 | 0,31 |
| BIW 6ED-110 | 113 | 239 | 0,47 | 22 | 26 | 0,29 | 0,63 | 0,20 |
Das Produkt BIW 6FO-100 besitzt durch seine niedrige T4-Festigkeit ein ausgewogenes Profil aus Festigkeit, Umformbarkeit und Falzbarkeit.
| Produkt | Rp0,2 [MPa] | Rm [MPa] | A80 [%] | σ0 [MPa] | k [MPa] |
|---|---|---|---|---|---|
| BIW 6FO-100 | 205 | 262 | 19 | 53,4 | 15,9 |
| BIW 6ED-110 | 235 | 295 | 19 | 66,7 | 17,7 |
Einfluss der Kaltauslagerungszeit auf die Umformbarkeit
Beide Produkte wurden über einen Zeitraum von 18 Monaten mit dem Tiefziehwerkzeug getestet [2, 3]. Gleichzeitig wurden durch Zugversuche die mechanischen Kennwerte aufgenommen. In Abbildung 4 ist die Streckgrenze σy logarithmisch über Kaltauslagerungszeit aufgetragen und folgt dabei einem linearen Verlauf, der sich mit folgender Formel beschreiben lässt [4]: σy= σ0+k logt.
Hier ist t die Kaltauslagerungszeit, σ0 ist die Streckgrenze nach 1 h Kaltauslagerungszeit und der Parameter k charakterisiert die Kinetik der Kaltauslagerung. Für die beiden Materialien lassen sich damit die folgenden Parameter bestimmen: Das Produkt BIW 6ED-110 ist etwas höher legiert an Si und Mg als das Produkt BIW 6FO-100 und weist dadurch sowohl eine höhere Anfangsfestigkeit als auch eine schnelle Kinetik auf. In Abbildung 5 sind die Ergebnisse aus dem Tiefziehversuch für beide Produkte zusammengefasst. Getestet wurden immer zwei verschiedene Ziehgeschwindigkeiten. Man erkennt, dass die Umformbarkeit, die durch die maximale Niederhaltekraft für Gutteile charakterisiert wird, über die gesamte Kaltauslagerungszeit nahezu konstant bleibt.
Die lange Kaltauslagerungszeit und die um ca. 20-25 % höhere Streckgrenze scheinen sich kaum negativ auszuwirken. Die mechanischen Kennwerte werden für 6xxx-Automobilprodukte über einen Zeitraum von 6 Monaten garantiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Material auch über diesen Zeitraum hinaus noch gut tiefziehbar ist. Trotz der höheren Festigkeit zeigt das Produkt BIW 6ED-110 eine bessere Performance am Tiefziehwerkzeug im Vergleich zum Produkt BIW 6FO-100. Das Versagen durch Einschnürung oder Riss tritt dabei immer an der gleichen Stelle am Bauteil auf (Abbildung 3).
Simulationen zeigen, dass bei diesem Bereich ein ebener Dehnungszustand vorliegt. Das Versagen des Materials wird durch eine geometrische Instabilität induziert. Um die unterschiedliche Performance der Produkte am Werkzeug erklären zu können, sollten die folgenden drei Faktoren näher betrachtet werden:
- ein hoher und gleichmäßiger r-Wert (senkrechte Anisotropie)
Der mittlere r-Wert rm ist bei beiden Materialien ähnlich, das Produkt 6ED-110 besitzt aber eine geringere planare Anisotropie Δr (siehe Tabelle 2), was für die Tiefziehbarkeit positiv sein sollte [1].
- ein hohes Verfestigungsvermögen (engl.: strain hardening) vor allem bei hohen Dehnungen
Die Verfestigungsrate dσ/dε wird bestimmt durch die Art und Weise, wie Versetzungen bei der plastischen Verformung gebildet, umgeordnet und ausgelöscht werden. Trägt man die Verfestigungsrate dσ/dε über den Anstieg der Fließspannung (σ - σy) auf, erhält man einen sogenannten Kocks-Mecking-Plot (KM-Plot). Der Anstieg des KM-Plots liefert eine Aussage über die dynamische Erholung, die zum Beispiel durch gelöste Fremdatome beeinflusst wird [5]. Generell beeinflussen Gefügebestandteile wie Dispersoide, Ausscheidungen und gelöste Atome durch ihre Wechselwirkung mit Versetzungen die Verfestigungsrate und den Verlauf des KM-Plots [6 bis 8]. Anhand von Abbildung 6 wird deutlich, dass das Produkt BIW 6ED-110 eine deutlich höhere Verfestigungsrate über den gesamten Dehnungsbereich aufweist.
Dadurch wird die diffuse Einschnürung des Materials (Abbildung 7) verzögert, die sich nach dem Considère-Kriterium bildet, wenn die sinkende Verfestigungsrate den Wert der Fließspannung erreicht.
- eine positive Dehnratenabhängigkeit (engl.: strain-rate sensitivity)
Eine positive Dehnratenabhängigkeit m bedeutet, dass die Fließspannung mit steigender Dehnrate ansteigt. Bezüglich der Ausbildung einer Einschnürung bei der Umformung, spielt der m-Wert erst nach der diffusen Einschnürung (dσ/dε = σ) eine Rolle, indem ein positiver m-Wert die Ausbildung einer lokalen Einschnürung (dσ/dε = σ/2) verzögert [9]. Im Gegensatz zu Stahl ist die Dehnratenabhängigkeit bei Aluminium gering, jedoch zeigt unter anderem die Arbeit von Langille [10], dass diese durchaus einen positiven Effekt auf das Umformvermögen haben kann. Der m-Wert wurde für die beiden Produkte nicht bestimmt, vergleicht man jedoch die Ergebnisse für die verschiedenen Ziehgeschwindigkeiten, so bewirkt eine Erhöhung der Ziehgeschwindigkeit von 10 mm/s auf 100 mm/s bei dem Produkt BIW 6FO-100 eine Reduktion der erreichten Niederhaltekraft für Gutbauteile um 22 %. Bei dem Produkt BIW 6ED-110 reduziert sich die erreichte Niederhaltekraft um nur 15 %. Ob dieser Effekt mit Unterschieden bezüglich der Dehnratenabhängigkeit erklärt werden kann, müsste noch genauer untersucht werden. Es wurde jedoch bei Laboruntersuchungen ein positiver Einfluss von Si auf den m-Wert festgestellt, was eine bessere Performance des höher an Si legierten Produktes BIW 6ED-110 unterstützen würde.
Bezüglich der Tiefziehperformance ist das Produkt BIW 6ED-110 dem Produkt BIW 6FO-100 überlegen, betrachtet man jedoch die Falzbarkeit, so weist das Produkt BIW 6FO-100 nach 6 Monaten Kaltauslagerungszeit eine deutlich bessere Falzkante auf. Die Unterschiede zwischen Falzbarkeit und Tiefziehbarkeit liegen in unterschiedlichen Versagensmechanismen begründet.Während die Tiefziehbarkeit in erster Linie durch die bereits beschriebenen Faktoren bestimmt wird, die sich auf die Instabilität des Materials (diffuse bzw. lokale Einschnürung) auswirken, wird die Falzbarkeit vor allem durch das Bruchverhalten beeinflusst, d.h. von der Entstehung, vom Wachstum und der Koaleszenz von Poren in der Mikrostruktur [11, 12]. Eine gute Tiefziehbarkeit bedingt also keine gute Falzbarkeit und umgekehrt. Zusammenfassend kann man sagen, dass die Umformbarkeit eines Materials immer von vielen Seiten betrachtet werden sollte. Die AMAG verfügt über einen großen Methodenschatz der Materialcharakterisierung, wobei das Versuchswerkzeug eine wichtige Ergänzung darstellt. Die Grenzen des Umformvermögens können damit gut bestimmt werden und es bietet die Möglichkeit eine Vielzahl von verschiedenen Einflussfaktoren (chemische Zusammensetzung, Lagerzeit, Tribologie) auf die Umformbarkeit des breiten Spektrums an Automobilprodukten zu untersuchen.
Kundennutzen
- Die AMAG besitzt einen großen Methodenschatz zur umfangreichen Charakterisierung der Umformbarkeit, um für den entsprechenden Kundenbedarf die geeigneten Produkte auszuwählen und den optimalen Einsatzbereich zu definieren.
- Das Versuchswerkzeug erlaubt es, Entwicklungen unter Industriebedingungen zu testen, bevor diese beim Kunden zum Einsatz kommen.
- Die enge Zusammenarbeit mit Universitätspartnern wie dem IMAT - Institut für Werkstoffkunde, Fügetechnik und Umformtechnik der TU Graz - hilft dabei, das eigene Know-how ständig zu erweitern, um bei umformtechnischen Fragestellungen auf Kundenseite bestmöglich unterstützen zu können
Referenzen:
[1] Ostermann, F.: Blechumformung. In: Ostermann, F. (Hrsg.): Anwendungstechnologie Aluminium. VDI-Buch. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg; Imprint: Springer Vieweg 2014, S. 505–546[2] Hodžić, E., Domitner, J., Thum, A., Shafiee Sabet, A., Müllner, N., Fragner, W. u. Sommitsch, C.: Influence of alloy composition and lubrication on the formability of Al-Mg-Si alloy blanks. Journal of Manufacturing Processes 85 (2023), S. 109–121[3] Hodžić, E., Domitner, J., Thum, A., Sabet, A. S., Müllner, N., Fragner, W. u. Sommitsch, C.: Influence of natural aging on the formability of Al-Mg-Si alloy blanks. Journal of Manufacturing Processes 94 (2023), S. 228–239[4] Esmaeili, S.: Effect of composition on clustering reactions in AlMgSi(Cu) alloys. Scripta Materialia 50 (2004) 1, S. 155–158[5] Embury, J. D., Poole, W. J. u. Lloyd, D. J.: The Work Hardening of Single Phase and Multi-Phase Aluminium Alloys. Materials Science Forum 519-521 (2006), S. 71–78[6] Chen, Y., Weyland, M. u. Hutchinson, C. R.: The effect of interrupted aging on the yield strength and uniform elongation of precipitation-hardened Al alloys. Acta Materialia 61 (2013) 15, S. 5877–5894[7] Cheng, L. M., Poole, W. J., Embury, J. D. u. Lloyd, D. J.: The influence of precipitation on the work-hardening behavior of the aluminum alloys AA6111 and AA7030. Metallurgical and Materials Transactions A 34 (2003) 11, S. 2473–2481[8] Poole, W. J., Embury, J. D. u. Lloyd, D. J.: Work hardening in aluminium alloys. In: Fundamentals of Aluminium Metallurgy. Elsevier 2011, S. 307–344[9] Ghosh, A. K.: The Influence of Strain Hardening and Strain-Rate Sensitivity on Sheet Metal Forming. Journal of Engineering Materials and Technology 99 (1977) 3, S. 264–274[10] Michael Langille: The Influence of Microstructural Components on the Formability of Aluminium Alloy Sheets, Thesis. Université Grenoble Alpes 2019[11] Zubeil, M.: Versagensprognose bei der Prozesssimulation von Biegeumform- und Falzverfahren, Meisenbach Zugl.: Erlangen-Nürnberg, Univ., Diss., 2014. Bamberg 2019[12] Le Maoût, N., Thuillier, S. u. Manach, P. Y.: Aluminum alloy damage evolution for different strain paths – Application to hemming process. Engineering Fracture Mechanics 76 (2009) 9, S. 1202–1214
