Rissbildung beim Treiben einer Kesselhaube aus Cu-DHP
In einer Werkstatt soll eine halbkugelförmige Kesselhaube mit 620 mm Durchmesser und 3 mm Wanddicke aus Blech Cu-DHP (halbhart, 0,06 % Phosphor) getrieben werden. Nach dem ersten Treibzug auf etwa 40 % der Endtiefe zeigen sich am Rand der Aufspannfläche zwei feine, radial verlaufende Anrisse von 8 bis 12 mm Länge. Die Werkstatt hat das Blech kalt bei Raumtemperatur verformt und zwischen den Zügen nicht geglüht. Die Blechdicke im Kuppenbereich wurde nicht gemessen, im Randbereich ist sie optisch deutlich dünner als im Ausgangszustand. Der Auftraggeber verlangt eine druckdichte Haube mit gleichmäßiger Wanddicke von mindestens 2,4 mm im fertigen Bauteil. Ein zweites Blech derselben Charge liegt noch unverarbeitet vor.
1. Analysieren Sie die Ursachen der Rissbildung und leiten Sie die werkstoffkundlich richtige Vorgehensweise für den zweiten Versuch ab.
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Die Risse sind ein typisches Zeichen für Verfestigung und örtliche Überdehnung. Cu-DHP in halbhartem Zustand hat bereits eine Kaltverfestigung aus dem Walzprozess. Wird kalt weiter getrieben, steigt die Festigkeit, die Bruchdehnung sinkt, und an Kerben oder am Übergang zur Aufspannung entstehen Spannungsspitzen. Der Randbereich ist zudem am stärksten umgeformt und wird dünner; ohne Zwischenglühen kann der Werkstoff die Umformung nicht mehr aufnehmen.
Vorgehen beim zweiten Blech:
- Weichglühen des Rohlings (bei Kupfer etwa 400 bis 650 °C, Schutzgas oder schnelle Abkühlung, um Zunder zu vermeiden), danach langsam oder an Luft abkühlen.
- Treiben in mehreren Zügen mit Zwischenglühen, sobald der Verformungsgrad kritisch wird; grobe Orientierung: nach etwa 30 bis 50 % Umformgrad glühen.
- Randbereich entlasten: ausreichend große Aufspannzugabe, keine scharfen Kerben, saubere Werkzeugkanten, gleichmäßiger Druck.
- Wanddicke messen (Ultraschall oder Messuhr) und Treibplan so anpassen, dass im Fertigmaß mindestens 2,4 mm verbleiben; ggf. Ausgangsdicke erhöhen.
- Nach dem letzten Zug Spannungsarmglühen, wenn Maßhaltigkeit gefordert ist.
2. Berechnen Sie überschlägig, ob eine Ausgangsdicke von 3 mm für die geforderte Mindestwanddicke genügt, und begründen Sie Ihre Annahme.
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Beim Treiben einer Halbkugel nimmt die Wanddicke zur Kuppe hin ab. Bei einer Halbkugel mit 620 mm Durchmesser und 3 mm Ausgangsdicke ist der Umformgrad erheblich. Eine überschlägige Abschätzung: Bei starkem Treiben können 15 bis 25 % Dickenabnahme auftreten, bei ungünstiger Führung mehr.
Bei 20 % Abnahme: 3 mm × 0,8 = 2,4 mm. Das liegt genau an der Grenze, also ohne Sicherheitsreserve. Bei 25 % Abnahme: 3 mm × 0,75 = 2,25 mm, also zu dünn.
Ergebnis: 3 mm genügt nur bei sehr gleichmäßiger Führung und mehreren Zügen mit Zwischenglühen; sicherer ist eine Ausgangsdicke von 3,5 bis 4 mm oder eine Fertigung mit Nachmessung und Nacharbeit. Die Wanddicke muss an mehreren Punkten (Kuppe, Flanke, Rand) gemessen und dokumentiert werden. Eine bloße Rechnung ersetzt die Messung nicht, weil die örtliche Verteilung stark von Werkzeug und Technik abhängt.