CH639300A5

CH639300A5 - Formgebungsverfahren fuer ein aus einer metallegierung herzustellendes erzeugnis.

Info

Publication number: CH639300A5
Application number: CH659479A
Authority: CH
Inventors: Malachi Patrick Kenney
Original assignee: Itt
Priority date: 1978-07-25
Filing date: 1979-07-16
Publication date: 1983-11-15
Also published as: FR2433993B1; GB2026363A; CA1129624A; GB2026363B; DE2929845A1; JPS5519498A; DE2929845C2; DK311879A; FR2433993A1; ES482797A1; IT1122314B; JPS585748B2; IT7924620A0; NL7905471A; FI792254A; BE877874A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fomgebungsver-fahren gemäss dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Geformte Teile aus Metallegierungen werden unter Verwendung von Schmiedetechniken aus Schmiedelegierungen hergestellt, um optimale physikalische Eigenschaften zu erhalten. Wenn der Teile eine relativ komplizierte Form aufweist, muss er normalerweise unter Verwendung von Gusslegierungen hergestellt werden, was meistens mit einer Ein-busse der physikalischen Eigenschaften verbunden ist.

Es wäre wünschenswert, Legierungen verwenden zu können, die bei einem Formprozess, der für die Erzeugung von komplizierten Formen geeignet ist, Erzeugnisse mit Eigenschaften von Schmiedeteilen ergeben würden.

Es wurden in neuerer Zeit gewisse Legierungen entwik-kelt, welche eine solche Mikrostruktur aufweisen, dass sie aus einer Mischung aus flüssiger und fester Phase statt aus der flüssigen Phase gegossen werden können und daher von einer tieferen Temperatur aus als übliche Gusslegierungen fest werden. Solche Legierungen und deren Herstellung sind z. B. in den US-Patenten Nr. 3 948 650 und 3 954 450 beschrieben. Die dort beschrieben, teilweise verfestigten Metalllegierungen in der Form eines Breies können durch eine Vielzahl von Metallumformprozessen in Legierungsteile geformt werden und zwar durch Spritzgiessen, Kokillenguss, Gesenkschmieden mit geschlossenem Gesenk, Warmpressen und andere bekannte Techniken.

Es ist nun ein erster Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Erzeugung von Teilen aus Metallegierungen vorzusehen, welche Teile komplizierte Formen aufweisen, wie sie üblicherweise mit Gusslegierungen hergestellt werden können, jedoch gleichzeitig Eigenschaften aufweisen, die sich jenen annähern, welche bei Erzeugnissen aus Schmiedelegierungen erhalten werden.

Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von Teilen mit komplizierter Form und geringen Toleranzen aus einer Metallegierung durch ein Druckschmiedeverfahren mit geringem Druck, das die ökonomischen Vorteile von Gusstechniken aufweist. Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Herstellungsverfahren für solche Teile aus Metallegierungen vorzusehen, das hohe Produktionsgeschwindigkeiten erlaubt.

Gelöst werden diese Aufgaben durch die im Kennzeichen des ersten Anspruchs genannten Merkmale.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Die Fig. 1 einen vertikalen Schnitt von Gesenken in der geschlossenen Stellung in einer Presse, die für die Verwendung im erfindungsgemässen Verfahren geeignet ist;

die Fig. 2 eine Seitenansicht einer Felge für ein Automobilrad, welche in der Presse nach Fig. 1 hergestellt ist; und die Fig. 3 einen Grundriss des in Fig. 2 gezeigten Rades. Die Metallcharge oder der Rohling, welche(r) im erfindungsgemässen Verfahren verwendet wird, ist halbfest - eine Mischung eines flüssigen und eines festen Teiles. Die festen Partikeln, welche 30-90% des gesamten Volumens ausmachen, haben eine rundeForm und üblicherweise einen Durchmesser zwischen 20 um und 200 um. Dies ist das Ergebnis einer vorherigen Behandlung des Metalles, bei welcher das Metall geschmolzen und dann während des Erstarrens kräftig gerührt wird. Dies unterbricht die Kornbildung und führt zu den gerundeten Partikeln. Die resultierende Metallzusammensetzung zeichnet sich aus durch diskrete, entartete dendritische Festpartikeln, die homogen in einer flüssigen Phase suspendiert sind, welche einen tieferen Schmelzpunkt hat als die Festpartikeln. Sowohl die feste als auch die flüssige Phase werden aus einer Metallegierung erhalten, welche während des Kühlens kräftig gerührt wird. Das Verfahren und die resultierende Legierung sind in den erwähnten US-Patenten vollständig beschrieben.

Die im allgemeinen runde Form der diskreten dendritischen Partikeln erlaubt den Festpartikeln, in einer zähflüssigen Art in einer kontinuierlichen flüssigen Matrix zu flies-sen. Dies ermöglicht die Formgebung des Teiles bei vergleichsweise geringem Druck. Die im Verfahren verwendeten Drücke reichen von 0,196 x 10® bis 34,3 x 10® Pa, was die Herstellung eines Teiles in der Grösse einer normalen 14"-Felge für ein Autorad mit einer Presse mit einer Druckkraft von 2,45 x 106 N erlaubt, verglichen mit einer Spritzgiessma-schine mit einer Druckkraft von 11,76 x 10® N oder einer Presse mit einer Druckkraft von 78,45 x 10® N beim üblichen Schmieden.

Die überwiegend feste Natur der Charge, welche von 30-90 Volumenprozenten reicht, vorzugsweise aber bei 70 Volumenprozenten liegt, erlaubt eine sehr rasche Verfestigung mit einer minimalen Schrumpfung zwischen der flüssigen und der festen Phase. Dies wiederum erlaubt die Herstellung von Teilen ohne grosse Speiser oder Steiger und da5

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her eine sehr kurze Verweilzeit in den Gesenken. Der letzte Punkt ist von grossem Interesse bei den mit diesem Verfahren erreichbaren hohen Stückzahlen, so können beispielsweise 240 Felgen in einer Stunde oder 500 kleinere Teile leicht erreicht werden.

Die rasche Verfestigung bedeutet, dass praktisch alle Abschnitte des Teiles von gleicher Abschnittsdicke gleichzeitig verfestigen und daher sehr rasch ausgeworfen werden können, d.h bei Legierungen mit hoher Leitfähigkeit, wie Aluminium und Kupfer, nach weniger als vier Sekunden nach dem Formen. Für eisenhaltige Legierungen oder Teile mit relativ grossem Querschnitt kann die Verfestigungszeit bis auf 15-20s ansteigen, sie ist jedoch immer kleiner als eine Minute und üblicherweise wesentlich kleiner. Das rasche Auswerfen befreit die Teile von vielen Spannungen der Schrumpfung im festen Zustand, welche normalerweise mit sinkender Temperatur auftreten. Eine solche Schrumpfung kann sonst zu dem Punkt fortschreiten, an welchem die Bindung an das Gesenk hohe Spannungen und als Folge davon Schwundrisse im fertigen Teil bewirkt.

Die gemäss der Erfindung erzeugten Produkte besitzen viele Eigenschaften eines Schmiedeerzeugnisses, können aber die komplizierten Formen und Toleranzen eines Gusserzeugnisses aufweisen. Die Erzeugnisse können unter Verwendung von Schmiedelegierungen erzeugt werden und weisen Werte für die Zugfestigkeit, für die Ermüdungsfertigkeit, für die Duktilität und für die Wiederstandsfähigkeit gegen Korrosion auf, welche Werte vergleichbar sind mit jenen geschmiedeter Produkte, welche aus diesen Legierungen hergestellt sind. Weiter eignet sich das Verfahren zur Herstellung von relativ grossen Teilen. So wurden z.B. Felgen für Autoräder hergestellt, welche viele Eigenschaften von geschmiedeten Felgen aufweisen, wobei jedoch eine beträchtlich vereinfachte Pressausrüstung in erheblich wirkungsvollerer Weise verwendet werden konnte verglichen mit üblichen geschmiedeten Felgen.

Beim erfindungsgemässen Verfahren wird ein Rohling erhitzt, bis 10 bis 70% seines Volumens flüssig werden. Wie bereits erwähnt wurde, wurde der Rohling oder die Charge vorher durch kräftiges Rühren einer flüssig-festen Mischung der ausgewählten Legierung hergestellt, welche dann rasch abgekühlt wurde. Die Temperatur, auf welche der Rohling erhitzt wird, liegt zwischen der Liquidus- und Solidustem-peratur der entsprechenden Legierung und variiert bei einem bestimmten Legierungssystem in Abhängigkeit der chemischen Zusammensetzung. Da keine spezifische Temperatur vorhanden ist, bei welcher das Metall richtig geformt werden kann, kann die Viskosität, wie sie gemessen wird anhand des Eindringwiderstandes eine Sonde in die halbfeste Mischung, als Indikator für das Vorhandensein eines entsprechenden Flüssiganteiles in der Mischung benützt werden. Üblicherweise wird ein Bereich von 35 x 103—118 x 103 Pa verwendet, wobei der genaue Druck ausgewählt wird in Anpassung an den herzustellenden Teil. Es ist möglich, das Abkühlen und Wiedererwärmen des Rohlings zu vermeiden, indem der kräftig gerührte Brei direkt als Charge verwendet wird, d.h. bevor dieser abgekühlt ist, um eine Massel oder einen Rohling zu bilden.

Für die Formgebung des vorgeheizten Rohlings können niedere Drücke verwendet werden, vorausgesetzt, es tritt keine nennenswerte zusätzliche Verfestigung während des Umformvorganges auf.

Um also die Verwendung von niederen Drücken sicherzustellen, ist eine Umformzeit im Gesenk von weniger als einer Sekunde notwendig. Das Gesenk wird auf eine Temperatur von 100 bis 400 °C vorgewärmt, hauptsächlich abhängig von der Konfiguration des herzustellenden Teiles, um eine nennenswerte Verfestigung während des formgebenden

Schrittes zu vermeiden. Wenn die Temepraturen zu hoch sind, besteht eine Tendenz zum Ankleben des Rohlings am Gesenk. Während des Verformungshubes steigt der Druck von Null auf den für die Verfestigung verwendeten Druck. Am Ende des Formhubes ist also der Druck ungefähr von 1,77 x 105 auf 343 x 105 Pa, üblicherweise auf 24 x 105 bis 172 x 105 Pa angestiegen und die Verfestigung der flüssigen Phase beginnt. Der Druck steigt also graduell während des Verformungshubes und bleibt während der Verfestigung auf einem Spitzenwert zwischen 1,77 x 105 bis 343 x 10s Pa. Der angewendete Druck steigert den Wärmeübergang von der Metallegierung zum Gesenk und fördert die Schrumpfung bei der Verfestigung. Wenn der Druck zu nieder ist, kann die Porosität einen unannehmbaren Wert annehmen oder komplizierte Formen werden nur mehr unvollständig gefüllt. Drücke oberhalb 343 x 105 Pa können verwendet werden, sind aber nicht nötig. Weiter können hohe Drücke ein Entlüftungsproblem schaffen. Aus Gründen der Prozessökonomie, der Einfachheit der Pressausrüstung und der Lebensdauer des Gesenkes ist es wünschenswert, einen Teil mit dem niedrigst möglichen Druck herzustellen. Die Verweilzeit im Gesenk nach dem Umformschritt sollte kurz genug sein, weniger als eine Minute, mit Vorteil weniger als vier Sekunden, um das Warmreissen des geformten Teiles wegen thermischer Schrumpfspannungen zu vermeiden, jedoch lang genug, um eine vollständige Verfestigung der flüssigen Phase der Legierung zu erlauben. Die tatsächlichen Zeiten sind abhängig von der Dicke eines Teiles. Die Tendenz für das Auftreten von Warmrissen ist eine Funktion der Legierungszusammensetzung, des Anteils von festen Partikeln, der Gesenktemperatur undder Konfiguration des herzustellenden Teiles. Innerhalb des Bereiches von möglichen Umform- und Verfestigungszeiten sollten diese natürlich so kurz als möglich gehalten werden, um die Produktivität zu optimalisie-ren. Aus dem obigen ist ersichtlich, dass die Zeiten, die Drücke, die Temperaturen und der Festanteil der Legierung eine Kombination von kritischen Variablen sind, welche zusammenspielen müssen, um die beträchtliche Prozessverbesserung und Produktverbesserung zu erreichen, wie sie oben erwähnt wurden.

Der erfindungsgemässe Umformprozess kann z.B. in einer hydraulischen Presse mit einer Druckkraft von 1,47 • 10® bis 2,45 x 10® N ausgeführt werden, welche mit Gesenken oder Formen gemäss Fig. 1 ausgerüstet ist. Der in Fig. 1 gezeigte Formsatz ist ausgelegt zur Herstellung einer relativ grossen, komplizierten Form, im vorliegenden Fall einer Felge für ein Autorad. Der Formsatz weist ein oberes Gesenk 1, zwei Seitenteile 2 und 3 und einen Bodenteil 4 auf. Der Formsatz ist in geschlossener Stellung gezeigt, wobei das Legierungsmetall 5 in die Kontur einer Felge für ein Autorad gebracht wurde.

Ein anderes Merkmal der Erfindung betrifft die Art und Weise, wie der Formsatz entlüftet wird. Die Länge und der Durchmesser der Entlüftungskanäle müssen so sein, dass eine genügende Entlüftung erfolgt. Anderseits müssen die Kanäle normalerweise hinreichend eng und lang sein, um zu verhindern, dass das geschmolzene Metall nach aussen dringen kann. Es hat sich gezeigt, dass Entlüftungskanäle von üblichen Abmessungen, mit einem Durchmesser, wie er z. B. für Spritzgiessen verwendet wird, zu eng sind, um Lufttaschen beim vorliegenden Umformprozess zu vermeiden. Es wurde jedoch gefunden, dass der hohe Anteil von Festpartikeln während des Presszyklus die Verwendung von breiteren und kürzeren Entlüftungskanälen ermöglicht. Das Ergebnis besteht nicht nur im Nichtvorhandensein von Lufttaschen im fertigen Erzeugnis, sondern auch in weniger Einschränkungen für die Auslegung der Form, letzteres, weil weniger Querschnitt notwendig ist für die Erreichung einer

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hinreichenden Entlüftung. In Fig. 1 sind vier solche Entlüftungskanäle 6, 7, 8 und 9 gezeigt. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass der Umformvorgang tatsächlich einer gleichzeitig Vor-wärtsextrusion von halbfestem Metall in die in die Entlüftungskanäle 6 und 7 mündenden schmalen Kanäle, eine Rückwärtsextrusion von halbfestem Metall in die zu den Entlüftungen 8 und 9 führenden Kanäle und einen Schmiedehub gegen den zentralen Teil des Metalles in der Phase umfassen. Wenn in dieser Beschreibung von komplizierten Formen die Rede ist, dann sind Teile gemeint, welche solches gleichzeitiges Vorwärts- und Rückwärtsextrudieren zusammen mit einem Schmiedeschritt umfassen.

Das folgende Beispiel zeigt die praktische Ausübung der Erfindung. Soweit nicht anders gesagt, beziehen sich alle Teile auf Gewichtsteile. Beispiel: Ein 8,2 kg schwerer Rohling aus einer Aluminiumschmiedelegierung 6061, wie sie im US-Patent 3 948 650 beschrieben wurde, wurde als halbfester Brei mit ungefähr 50 Volumenprozenten von degenierten Dendriten gegossen. Der Rohling mit ungefähr 15 cm Durchmesser hatte die folgende Zusammensetzung:

Si Cr Mn Fe Mg Ti Cu B Al 0,63 0,06 0,06 0,22 0,90 0,012 0,24 0,002 Rest

Der in einem Behäter aus rostfreiem Stahl enthaltene Rohling wurde in einen auf einer Temperatur von 677 °C eingestellten Widerstandsofen eingesetzt. Diese Temperatur, welche ungefähr 28 °C oberhalb der Liquidustemperatur der Legierung lag, war hinreichend, um ein teilweises Schmelzen der Legierung zu bewirken ohne beträchtliche Änderungen im Anteil der flüssigen Phase im Rohling zu erzeugen. Bei einer Temperatur von 632 °C, entsprechend einem Festanteil von ungefähr 0,8, wie dies durch Eindringen einer gewichtsbelasteten Sonde festgestellt wurde, wurde der Rohling in seinem Behälter in die untere Hälfte eines Formsatzes aus Gusseisen, wie er in Fig. I gezeigt ist, eingeführt, welcher Formsatz auf 315 °C gehalten wurde, und dann aus dem Behälter in den Boden der Form ausgeworfen. Der Formsatz war mit einem Schmiermittel auf Graphitbasis überzogen. Der obere Formteil, dessen Oberflächentemperatur auf ungefähr 315 °C gehalten wurde, wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ms-1 geschlossen, was eine Umformzeit von 0,2s ergab, wobei ein maximaler Druck von 14,56 x 106 Pa erreicht wurde, wodurch die Form mit Legierungsmetall gefüllt wurde. Nach einer Haltezeit unter Druck von 2,4s, während welcher die flüssige Phase sich verfestigte, wurde der Formsatz geöffnet und der geformte Teil entnommen.

Der geformte Teil, eine Aluminiumfelge, wurde zerteilt und es wurden Muster für die Messung der mechanischen Eigenschaften entnommen, welche bei Raumtemperatur gemessen wurden. Die Zugfestigkeit war 32,6 x 103 N/cm2, die Streckgrenze war 29,8 x 103 N/cm2 und die Dehnung über 25,4 mm Länge gemessen war 7%. Die minimalen Spezifikationen für Gesenkschmiedestücke mit geschlossenem Gesenk aus Aluminiumlegierungen 6061, wie sie in «Aluminium Standards and Data 1976», fünfte Ausgabe, angegeben sind, liegen auf 26,3 x 103 N/cm2 für die Zugfestigkeitsgrenze,

24,3 x 103 N/cm2 für die Streckgrenze und 7% für die Dehnung. Repräsentive Minimalspezifikationen eines Automobilherstellers für gegossene Aluminiumfelgen lauten auf 21,5 x 103 N/cm2 für die Zugfestigkeitsgrenze, 11,4 x IO3 N/ cm2 für die Streckgrenze und 7% für die Dehnung.

Im Gegensatz zu Schmiedeerzeugnissen, deren Eigenschaften gerichtet sind, sind die Erzeugnisse gemäss der vorliegenden Erfindung isotrop, d.h. deren Eigenschaften sind in allen Richtungen gleich. Die metalurgische Struktur Felge gemäss dem Beispiel besteht aus einer zufallig orientierten gleichachsigen Kornstruktur ohne die bei geschmiedeten Komponenten, welche ähnliche Eigenschaften haben, anzutreffende Textur.

Eine mit 10 bezeichnete fertige Felge ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Der Grundriss der Fig. 3 zeigt die Felge, wie sie vom Unterteil der Form von Fig. 1 aus gesehen wird. Die Felge enthält eine Anzahl von ungefähr rechteckigen Konturen 11 längs der Peripherie, wobei jede dieser Konturen ein gestanztes oder bearbeitetes Loch 12 aufweist. Ein Nabenteil 13 weist vier gebohrte Gewindelöcher 14 und vier grössere gestanzte oder gebohrte Löcher 15 auf. Eine Felge dieser Komplexität wird normalerweise durch Kokillenguss- oder Spritzgusstechniken hergestellt und deren Eigenschaften sind entsprechend eingeengt wegen der schlechten Eigenschaften von Gusslegierungen. Materialeigenschaften sind also ein begrenzender Faktor beim Felgengewicht. Schlechtere Eigenschaften müssen durch grössere Masse bei einem gegossenen Rad kompensiert werden. Weiter sind normalerweise beim Giessen grössere Querschnitte notwendig wegen den zu Giesstechniken gehörenden Begrenzungen, so ist es z.B. schwierig, eine Kokille mit geringen Querschnitten richtig zu füllen. Die Felgen, welche gemäss dem vorliegenden Verfahren hergestellt werden, weisen also den wichtigen Vorteil eines geringeren Gewichtes gegenüber vergleichbaren Felgen bekannter Art auf.

Beim Druckschmiedeprozess verwendbare Legierungen sind neben den Aluminiumlegierungen auch eisenhaltige Legierungen, wie z.B. rostfreier Stahl, Werkzeugstahl, niedrig legierte Stähle und Eisen/Kupferlegierungen von der Art, wie sie normalerweise beim Giessen und Schmieden verwendet werden.

Es ist zu bemerken, dass innerhalb der oben erwähnten Prozessparameter verschiedene Änderungen gemacht werden können, um sich an die Geometrie oder an die speziellen Eigenschaftsziele des herzustellenden Erzeugnisses anzupassen. Änderungen in der chemischen Zusammensetzung der Legierung, in der Temperatur, in der Geschwindigkeit und dem Druck des Pressvorganges und in der Verweilzeit können die Kornstruktur beeinflussen, Schrumpffehler vermeiden und bestimmten Teilen des Erzeugnisses bestimmte Eigenschaften verleihen. Weiter kann das Verfahren zur Erzeugung von einer Vielzahl von geformten Metallteilen ausser Felgen verwendet werden, z.B. für Handwerkzeuge, Ven-til- und Pumpenkörper und -teile, Ventilator- und Pumpenflügel, Auto- und Haushaltteile und elektrische Komponenten.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Formgebungsverfahren für ein aus einer Metallegierung herzustellendes Erzeugnis, bei welchem eine Charge einer aus einer Mischung aus flüssiger und fester Phase bestehende Metallegierung in einer geschlossenen Form umgeformt wird, wobei die feste Phase aus diskreten, entarteten dendritischen Festpartikeln in einer Konzentration von 30 bis 90 Volumenprozenten des Volumens der Metallegierung besteht, welche Festpartikeln in der flüssigen Phase homogen suspendiert sind, und die flüssige Phase einen tieferen Schmelzpunkt als die Festpartikeln aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Charge der Metallegierung unter Druck in der Form in einer Zeit von weniger als einer Sekunde umgeformt wird, dass die Form auf eine Temperatur zwischen 100 und 400 C vorgewärmt wird und dass die flüssige Phase der umgeformten Legierung in der Form unter einem Druck zwischen 0,17 x 106 Pa und 34,3 x 106 Pa in einer Zeit von weniger als einer Minute verfestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die flüssige Phase der Metallegierung unter einem Druck zwischen 3,42 x 10® Pa und 17,15 x 10® Pa verfestigt wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Formhohlraum auf einer Temperatur zwischen 200 und 300 °C gehalten wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung im Formhohlraum unter Druck während einer Zeit zwischen 0,1 und 0,5s umgeformt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigung der flüssigen Phase der unter Druck im Formhohlraum umgeformten Legierung in einer Zeit von weniger als vier Sekunden erfolgt.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung eine Aluminiumlegierung ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung eine Kupferlegierung ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallegierung eine eisenhaltige Legierung ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentration der diskreten, entarteten dendritischen Festpartikeln zwischen 70 und 90 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen der Legierung ist.