Materialien für das Kaltfließpressen: Ein umfassender Leitfaden

Die für das Kaltfließpressen verwendeten Werkstoffe sollten eine gute Plastizität, eine geringe Verformungsbeständigkeit und eine Empfindlichkeit gegenüber Kaltverfestigung aufweisen. Die Auswahl der Werkstoffe für das Kaltfließpressen ist eine der wichtigsten Überlegungen bei der Strangpressproduktion. Sie wirkt sich nicht nur auf die Qualität und Leistung des Produkts aus, sondern hat auch direkte Auswirkungen auf die Lebensdauer der Form und damit in gewissem Maße auch auf die Komplexität des Kaltfließpressverfahrens.

Mit dem Fortschritt der modernen Industrie und dem Aufkommen spezialisierter Strangpressen für große Tonnagen und neuer Formmaterialien hat sich die Palette der für das Kaltfließpressen verfügbaren Materialien erweitert und die Vielfalt der Materialien hat sich allmählich vergrößert.

Viele Werkstoffe mit geringer Plastizität und hoher Festigkeit können heute im Kaltfließpressverfahren bis zu einem gewissen Grad verformt werden. Die derzeit im In- und Ausland für das Kaltfließpressen verwendeten Metallwerkstoffe sind in Tabelle 2-3 aufgeführt.

Tabelle 2-3: Metalle Für das Kaltfließpressen

Darüber hinaus kann das Kaltfließpressen von Titan und bestimmten Titanlegierungen, Tantal, Zirkonium sowie Präzisions- und Bimssteinlegierungen durchgeführt werden.

Für das Kaltfließpressen werden in erster Linie Nichteisenmetalle und ihre Legierungen, kohlenstoffarme Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt von weniger als 0,2% und niedrig legierte Stähle verwendet.

Nichteisen-Metalle

Das Kaltfließpressen begann mit Nichteisenmetallen, da das Kaltfließpressen dieser Metalle weniger komplex ist als das von Stahl und die Einheit Extrusionskraft ist ebenfalls geringer. Mit steigendem Gehalt an Legierungselementen verschlechtert sich jedoch die Kaltfließpressleistung. Daher sollte die Kaltfließpressbarkeit des Werkstoffs auf der Grundlage des unterschiedlichen Gehalts an Legierungselementen bestimmt werden.

1. Reines Aluminium

Industrielles Reinaluminium wie 1070A, 1060, 1050A, 1035, 1200, 8A06 usw. mit einem hohen Aluminiumgehalt (w(Al)) von über 99% ist ein flächenzentriertes kubisches Reinmetall mit 4×3=12 Gleitsystemen, was es zu einem idealen Werkstoff für das Kaltfließpressen macht.

Es hat nicht nur einen geringen Verformungswiderstand und eine gute Plastizität, sondern verhärtet sich auch kaum während der Verformung, wodurch die Lebensdauer der Form verlängert wird. Es ist ein Material mit guten Kaltfließpress-Eigenschaften. Die wichtigsten chemischen Zusammensetzungen und mechanischen Eigenschaften von industriellem Reinaluminium, das üblicherweise für das Kaltfließpressen verwendet wird, sind in Tabelle 2-4 aufgeführt.

2. Verformte Aluminium-Legierungen

Zu den verformten Aluminiumlegierungen, die für das Kaltfließpressen verwendet werden, gehören hauptsächlich rostfreies Aluminium, Hartaluminium und Knetaluminium.

Tabelle 2-4: Chemische Grundzusammensetzung und mechanische Eigenschaften von industriellem Reinaluminium, das üblicherweise beim Kaltfließpressen verwendet wird

(1) Rostbeständiges Aluminium

5A02, 5A05 und 3A21 gehören zu den Al-Mn- und Al-Mg-Serien rostbeständiger Aluminiumlegierungen und sind aufgrund ihrer geringen Festigkeit, ihrer hohen Plastizität und ihrer ausgezeichneten Kaltfließpressleistung ideale Werkstoffe für das Kaltfließpressen.

Sie neigen jedoch stark zur Aushärtung und können nicht wärmebehandelt werden, so dass sie zur Verbesserung der Festigkeit hauptsächlich durch Kaltverformung gehärtet werden. Die beim Kaltfließpressen üblicherweise verwendeten rostbeständigen Aluminiumlegierungen sind 5A02 und 3A21. Ihre chemische Zusammensetzung und mechanischen Eigenschaften sind in Tabelle 2-5 aufgeführt.

Tabelle 2-5: Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften von 5A02 und 3A21

(2) Hart-Aluminium

Legierungen wie 2A01 bis 2A11 und 2A12 gehören zur Al-Cu-Mg-Reihe von Hartaluminium, wobei 2A11 das Standardhartaluminium und 2A12 das hochfeste Hartaluminium ist. Diese beiden Arten von Hartaluminium werden derzeit am häufigsten verwendet. Im Vergleich zu reinem Aluminium und Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt hat Hartaluminium eine geringere Plastizität, eine weniger ausgeprägte Verfestigung durch Strangpressen und ist sehr anfällig für Rissbildung.

Daher ist es notwendig, die Erweichungs- und Schmierbehandlungen zu verbessern und die vernünftigsten Verformungsbedingungen und Prozesspläne festzulegen, die keine Zugspannungen erzeugen. Hartes Aluminium 2A12 enthält sowohl Cu als auch Mg und bildet eine große Anzahl von spröden Verbindungen Al2CuMg (s-Phase) und CuAl2 (0-Phase). Daher ist 2A12 schwieriger kalt zu strangpressen als 3A21.

Die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von 2A11 und 2A12 sind in Tabelle 2-6 aufgeführt.

Tabelle 2: Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften von 2A11 und 2A12

(3) Geschmiedetes Aluminium

2A14 gehört zum Al-Cu-Mg-Si-System der geschmiedeten Aluminiumlegierungen und ist eine hochfeste Aluminiumlegierung. Im Vergleich zu Hartaluminium enthält sie einen höheren Siliziumgehalt, mit einem Massenanteil von 0,6% bis 1,2%. Silizium kann die Festigkeit der Legierung 2A14 im wärmebehandelten Zustand erhöhen. Nach dem Abschrecken und der künstlichen Alterung kann die Festigkeit 470MPa erreichen, über 50MPa höher als 2A11.

Seine Plastizität ist jedoch nicht so gut wie die von 2A11, insbesondere im kalten Zustand, was es anfällig für Risse macht. Daher sollte bei der Verarbeitung von geschmiedeten Aluminiumlegierungen besonders auf den Erweichungseffekt und die Verformungsbedingungen geachtet werden. Die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von 2A14 sind in Tabelle 2-7 aufgeführt.

Tabelle 2-7: Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften von 2A14

3. Reines Kupfer und sauerstofffreies Kupfer

Reines Kupfer und sauerstofffreies Kupfer sind reine Metalle mit kubisch-flächenzentrierten Gittern, ähnlich wie reines Aluminium, und eignen sich hervorragend für die Kaltfließpressverarbeitung. Die Festigkeit im erweichten Zustand beträgt nur etwa 210 MPa.

4. Kupferlegierung

Da die Festigkeit von reinem Kupfer in der Industrie nicht sehr hoch ist, ist seine Verwendung als Konstruktionsmaterial begrenzt. Um Kupfer eine gewisse Festigkeit, Zähigkeit, Verschleißfestigkeit, elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit zu verleihen, werden verschiedene Legierungselemente wie Zink, Zinn, Mangan, Aluminium und Silizium hinzugefügt. Kupferlegierungen mit Zink als Hauptlegierungselement werden als Messing und solche mit Zinn als Hauptlegierungselement als Bronze bezeichnet.

(1) Messing

Messing kann in gewöhnliches Messing und Sondermessing unterteilt werden.

Gewöhnliches Messing ist eine binäre Legierung aus Kupfer und Zink. Der Zusatz von Zn zu Cu hat einen erheblichen Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften von Cu, wie in Abbildung 2-4 dargestellt. Die Abbildung zeigt, dass, wenn der Zinkgehalt w(Zn) in Messing weniger als 39% beträgt, sich Zn in Cu auflöst und einen kubisch-flächenzentrierten Gitterersatzmischkristall α bildet, der sehr weich und hochplastisch ist.

Wenn die zugesetzte Zinkmenge w(Zn) in Messing 39% übersteigt, tritt eine harte und spröde β-Phase mit einem kubisch-raumzentrierten Gitter auf, bei der es sich um einen kubisch-raumzentrierten Gitter-Mischkristall auf der Basis der Verbindung CuZn handelt, wodurch die Dehnungsrate A stark abnimmt, die Zugfestigkeit R jedoch weiter steigt. Wenn der Zinkgehalt w(Zn) etwa 45% beträgt, erreicht Rm seinen Höchstwert.

Wird der Zinkgehalt weiter erhöht, entsteht im Messing eine härtere und sprödere γ-Phase. Es handelt sich um einen Mischkristall mit einem komplexen kubischen Gitter auf der Grundlage der Verbindung Cu5Zn8. An diesem Punkt sinkt der Rm des Messings stark ab, so dass Kupfer-Zink-Legierungen mit einem Zinkgehalt w(Zn) von mehr als 45% keinen praktischen Wert mehr haben.

Aus der obigen Analyse geht hervor, dass Messing wie H62, H68, H70 usw. mit einem Zinkgehalt w(Zn) von höchstens 39% für das Kaltfließpressen geeignet sind. Die chemische Zusammensetzung und die mechanischen Eigenschaften von Kupfer und seinen Legierungen, die für das Kaltfließpressen verwendet werden, sind in Tabelle 2-8 aufgeführt.

(2) Bronze

Es gibt viele Arten von Bronze, die im Allgemeinen nach den im Kupfer enthaltenen Legierungselementen benannt werden. So wird zum Beispiel Bronze, die Al enthält, Aluminiumbronze und Bronze, die Sn enthält, Zinnbronze genannt.

Unter den derzeitigen technischen Bedingungen ist das Kaltfließpressen von Bronze eher schwierig. Die Zinn-Phosphor-Bronze QSn6,5-0,15 wurde jedoch erfolgreich im Kaltfließpressverfahren hergestellt.

Das liegt daran, dass der Phosphor in dieser Zinn-Phosphor-Bronze desoxidieren kann, wodurch die schädlichen Auswirkungen der extrem harten und spröden Verbindung SnO₂Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften und die Verarbeitungsleistung dieser Zinn-Phosphor-Bronze verbessert, so dass sie sich für das Kaltfließpressverfahren eignet.

Tabelle 2-8: Chemische Zusammensetzung und mechanische Eigenschaften von Kupfer und seinen Legierungen für das Kaltfließpressen

5. Andere Nichteisenmetalle

Reines Nickel kann kalt gepresst werden, neigt aber dazu, an der Matrize zu haften. Daher ist es am besten, die Nickeloberfläche vor dem Kaltfließpressen mit Kupfer zu beschichten, und zwar mit einer Schichtdicke von etwa 0,02 mm, und als Schmiermittel chloriertes Paraffin zu verwenden. Beim mehrstufigen Kaltfließpressen sollte ein Zwischenglühen in einem Elektroofen mit Schutzgas durchgeführt werden. Nach jedem Glühen muss eine neue Verkupferung vorgenommen werden.

Die Nickel-Kupfer-Legierung NiCu70-30 kann auch kalt gepresst werden.

Reines Titan kann kalt stranggepresst werden, aber die erforderliche Strangpresskraft ist hoch. Vor dem Kaltfließpressen muss der Rohling einer Fluorid-Phosphat-Oberflächenbehandlung unterzogen und anschließend mit Graphit, Molybdändisulfid oder Kunstharz geschmiert werden.

Zinklegierungen wie Cadmium-Zink-Legierungen werden in großem Umfang für die Herstellung von Trockenbatterien verwendet. Sie sind jedoch nicht für das Kaltfließpressen bei Raumtemperatur geeignet. Es ist zweckmäßiger, die Cadmium-Zink-Legierung vor dem Strangpressen auf etwa 100 °C zu erhitzen und 30-60 Minuten lang zu halten. Lanolin oder Zinkstearat wird häufig als Schmiermittel beim Strangpressen verwendet.

Magnesium und seine Legierungen sind für das Strangpressen bei Raumtemperatur nicht geeignet. Der Rohling muss auf 230-370 °C erwärmt werden, bevor er extrudiert werden kann.

Stahl

In der heutigen Kaltfließpressproduktion lassen sich die verwendeten Stahlsorten grob in die folgenden drei Kategorien einteilen:

(1) Verformbarer Stahl

Die Hauptanforderung an diese Stahlsorte ist die Umformbarkeit, ohne dass eine hervorragende Verfestigung durch Strangpressen erforderlich ist. Diese Kategorie bezieht sich hauptsächlich auf gewöhnlichen Kohlenstoffstahl mit einem Kohlenstoffgehalt (w(C)) unter 0,1%.

(2) Stahl, bei dem die mechanischen Eigenschaften durch Umformverfahren verbessert werden müssen

Fast alle Qualitätsbaustähle mit niedrigem und mittlerem Kohlenstoffgehalt sowie legierte Baustähle mit einem Kohlenstoffgehalt (w(C)) über 0,2% können diesen Zweck durch Kaltverfestigung erreichen.

(3) Stahl, bei dem die mechanischen Eigenschaften durch Wärmebehandlung verbessert werden müssen

Wenn die Festigkeitsanforderungen an Produktteile die durch Kaltfließpressen erreichbare Festigkeit übersteigen oder wenn strenge Festigkeitsanforderungen an den gesamten Querschnitt gestellt werden, ist eine Wärmebehandlung erforderlich.

So müssen z. B. Teile wie verzahnte Hülsen in Fahrradschaltachsen und Motorradmotoren, für die häufig niedrig legierte Baustähle wie 20Cr und 40Cr verwendet werden, nach dem Strangpressen weiter wärmebehandelt werden, um die Leistungsanforderungen zu erfüllen. Solche Werkstoffe müssen bei der Wärmebehandlung eine hohe Härtbarkeit aufweisen, sollten aber auch entsprechend erweicht werden können, um die Strangpresskräfte zu verringern.

Fast alle Stähle, die warmgeschmiedet werden können, lassen sich auch kaltstrangpressen. Aufgrund der Beschränkungen von Werkzeugen und Anlagen sind die Stahlsorten, die für das Kaltfließpressen verwendet werden können, jedoch im Allgemeinen auf Stähle mit mittlerem und niedrigem Kohlenstoffgehalt (w(C)) unter 0,5% sowie auf niedrig legierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt (w(C)) unter 0,5% beschränkt.

In der Praxis werden häufig kohlenstoffarme Stähle und niedrig legierte Stähle mit einem Kohlenstoffgehalt (w(C)) unter 0,2% verwendet. In Tabelle 2-9 sind die Güten, chemischen Zusammensetzungen und mechanischen Eigenschaften einiger derzeit für das Kaltfließpressen verfügbarer Stähle aufgeführt.