CH639300A5

CH639300A5 - MOLDING METHOD FOR A PRODUCT TO BE MADE FROM A METAL ALLOY.

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: IT1122314B; CA1129624A; DE2929845C2; JPS585748B2; JPS5519498A; FR2433993B1; GB2026363B; FI792254A; DK311879A; NL7905471A; ES482797A1; BE877874A; GB2026363A; DE2929845A1; FR2433993A1; IT7924620A0

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fomgebungsver-fahren gemäss dem Oberbegriff des ersten Anspruchs. The present invention relates to a shaping method according to the preamble of the first claim.

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. Shaped parts from metal alloys are made using forging techniques from forging alloys to obtain optimal physical properties. If the part is of a relatively complicated shape, it usually has to be manufactured using cast alloys, which is usually associated with a loss of physical properties.

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. It would be desirable to be able to use alloys that would result in products with properties of forgings in a molding process suitable for producing complex shapes.

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. Certain alloys have recently been developed which have such a microstructure that they can be cast from a mixture of liquid and solid phases instead of from the liquid phase and therefore solidify from a lower temperature than conventional casting alloys. Such alloys and their manufacture are e.g. For example, see U.S. Patent Nos. 3,948,650 and 3,954,450. The partially solidified metal alloys described in the form of a slurry can be formed into alloy parts by a large number of metal forming processes, namely by injection molding, permanent mold casting, die forging with closed die, hot pressing and other known techniques.

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. It is now a first purpose of the present invention to provide a method for producing parts from metal alloys, which parts have complicated shapes, as can usually be produced with cast alloys, but at the same time have properties which approximate those which occur in products made from forged alloys be preserved.

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. Another purpose of the present invention is to manufacture parts with a complex shape and low tolerances from a metal alloy by a low pressure pressure forging process that has the economic advantages of casting techniques. Another purpose of the present invention is to provide a manufacturing process for such metal alloy parts which allows high production speeds.

Gelöst werden diese Aufgaben durch die im Kennzeichen des ersten Anspruchs genannten Merkmale. These tasks are solved by the features mentioned in the characterizing part of the first claim.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt: An embodiment of the invention will now be explained in more detail with reference to the drawing. The drawing shows:

Die Fig. 1 einen vertikalen Schnitt von Gesenken in der geschlossenen Stellung in einer Presse, die für die Verwendung im erfindungsgemässen Verfahren geeignet ist; 1 shows a vertical section of dies in the closed position in a press which is suitable for use in the method according to the invention;

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. FIG. 2 shows a side view of a rim for an automobile wheel, which is produced in the press according to FIG. 1; and FIG. 3 is a plan view of the wheel shown in FIG. 2. The metal batch or blank used in the process according to the invention is semi-solid - a mixture of a liquid and a solid part. The solid particles, which make up 30-90% of the total volume, have a round shape and usually have a diameter between 20 µm and 200 µm. This is the result of a previous treatment of the metal, in which the metal is melted and then stirred vigorously during solidification. This interrupts the grain formation and leads to the rounded particles. The resulting metal composition is characterized by discrete, degenerate dendritic solid particles which are homogeneously suspended in a liquid phase which has a lower melting point than the solid particles. Both the solid and the liquid phase are obtained from a metal alloy, which is stirred vigorously during cooling. The process and the resulting alloy are fully described in the aforementioned U.S. patents.

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. The generally round shape of the discrete dendritic particles allows the solid particles to flow in a viscous manner in a continuous liquid matrix. This enables the part to be shaped at comparatively low pressure. The pressures used in the process range from 0.196 x 10® to 34.3 x 10® Pa, which is the production of a part the size of a normal 14 "rim for a car wheel with a press with a pressure of 2.45 x 106 N. allowed, compared to an injection molding machine with a compressive force of 11.76 x 10® N or a press with a compressive force of 78.45 x 10® N in normal forging.

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 The predominantly solid nature of the batch, which ranges from 30-90 percent by volume, but is preferably 70 percent by volume, allows very rapid solidification with minimal shrinkage between the liquid and solid phases. This in turn allows the production of parts without large feeders or risers and so on

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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. a very short dwell time in the dies. The last point is of great interest given the high number of pieces that can be achieved with this method, for example 240 rims in an hour or 500 smaller parts can be easily reached.

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. The rapid solidification means that practically all sections of the part of the same section thickness can be solidified at the same time and can therefore be ejected very quickly, i.e. with alloys with high conductivity such as aluminum and copper, less than four seconds after molding. For iron-containing alloys or parts with a relatively large cross-section, the hardening time can increase to 15-20s, but it is always less than one minute and usually much shorter. The rapid ejection frees the parts from many stresses of shrinkage in the solid state, which normally occur with falling temperature. Such shrinkage can otherwise progress to the point at which the bond to the die causes high stresses and, as a result, shrinkage cracks in the finished part.

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. The products produced according to the invention have many properties of a forged product, but can have the complicated shapes and tolerances of a cast product. The products can be produced using forged alloys and have values for tensile strength, fatigue, ductility and resistance to corrosion, which values are comparable to those of forged products made from these alloys. The process is also suitable for producing relatively large parts. For example, Manufactured rims for car wheels that have many properties of forged rims, but a considerably simplified press equipment could be used in a much more effective manner compared to conventional forged rims.

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. In the method according to the invention, a blank is heated until 10 to 70% of its volume becomes liquid. As previously mentioned, the blank or batch was previously made by vigorously stirring a liquid-solid mixture of the selected alloy, which was then rapidly cooled. The temperature to which the blank is heated lies between the liquidus and solidus temperature of the corresponding alloy and varies with a certain alloy system depending on the chemical composition. Since there is no specific temperature at which the metal can be correctly shaped, the viscosity, as measured by the resistance to penetration of a probe into the semi-solid mixture, can be used as an indicator of the presence of a corresponding proportion of liquid in the mixture. A range of 35 x 103-118 x 103 Pa is usually used, the exact pressure being selected to match the part to be manufactured. It is possible to avoid cooling and reheating the blank by using the vigorously stirred slurry directly as a batch, i.e. before it cools down to form a ingot or blank.

Für die Formgebung des vorgeheizten Rohlings können niedere Drücke verwendet werden, vorausgesetzt, es tritt keine nennenswerte zusätzliche Verfestigung während des Umformvorganges auf. Lower pressures can be used for shaping the preheated blank, provided that no significant additional hardening occurs during the forming process.

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 In order to ensure the use of low pressures, a die forming time of less than one second is necessary. The die is preheated to a temperature of 100 to 400 ° C, mainly depending on the configuration of the part to be manufactured, in order to solidify it during the forming process

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. Avoid step. If the temperatures are too high, there is a tendency for the blank to stick to the die. During the deformation stroke, the pressure rises from zero to the pressure used for the hardening. At the end of the molding stroke, the pressure has increased approximately from 1.77 x 105 to 343 x 105 Pa, usually from 24 x 105 to 172 x 105 Pa, and the solidification of the liquid phase begins. The pressure increases gradually during the deformation stroke and remains at a peak value between 1.77 x 105 to 343 x 10s Pa during hardening. The pressure applied increases the heat transfer from the metal alloy to the die and promotes shrinkage during solidification. If the pressure is too low, the porosity can become unacceptable or complicated shapes can only be filled incompletely. Pressures above 343 x 105 Pa can be used, but are not necessary. Furthermore, high pressures can create a venting problem. For reasons of process economy, the simplicity of the press equipment and the life of the die, it is desirable to produce a part with the lowest possible pressure. The dwell time in the die after the forming step should be short enough, less than one minute, advantageously less than four seconds, in order to avoid hot-tearing of the molded part due to thermal shrinkage stresses, but long enough to fully solidify the liquid phase of the alloy allow. The actual times depend on the thickness of a part. The tendency for hot cracks to occur is a function of the alloy composition, the proportion of solid particles, the die temperature and the configuration of the part to be manufactured. Of course, within the range of possible forming and hardening times, these should be kept as short as possible in order to optimize productivity. From the above it can be seen that the times, pressures, temperatures and solid content of the alloy are a combination of critical variables which must work together to achieve the significant process and product improvement mentioned above.

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. The forming process according to the invention can e.g. in a hydraulic press with a compressive force of 1.47 • 10® to 2.45 x 10® N, which is equipped with dies or molds according to FIG. 1. The mold set shown in Fig. 1 is designed to produce a relatively large, complicated shape, in the present case a rim for a car wheel. The mold set has an upper die 1, two side parts 2 and 3 and a bottom part 4. The mold set is shown in the closed position, the alloy metal 5 being brought into the contour of a rim for a car wheel.

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 Another feature of the invention relates to the manner in which the mold set is vented. The length and the diameter of the ventilation ducts must be such that there is sufficient ventilation. On the other hand, the channels must normally be sufficiently narrow and long to prevent the molten metal from escaping outside. It has been shown that ventilation channels of customary dimensions, with a diameter such as z. B. is used for injection molding, are too narrow to avoid air pockets in the present forming process. However, it was found that the high proportion of solid particles during the pressing cycle enables the use of wider and shorter ventilation channels. The result is not only the absence of air pockets in the finished product, but also fewer restrictions on the design of the shape, the latter because less cross-section is necessary to achieve one

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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. adequate ventilation. In Fig. 1 four such ventilation channels 6, 7, 8 and 9 are shown. From Fig. 1 it can be seen that the forming process actually a simultaneous forward extrusion of semi-solid metal into the narrow channels opening into the vent channels 6 and 7, a backward extrusion of semi-solid metal into the channels leading to the vent 8 and 9 and a forging stroke embrace the central part of the metal in phase. When referring to complicated shapes in this specification, we mean parts that include such simultaneous forward and backward extrusion along with a forging step.

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: The following example shows the practice of the invention. Unless otherwise stated, all parts refer to parts by weight. Example: A 8.2 kg blank of 6061 aluminum alloy, as described in U.S. Patent 3,948,650, was cast as a semi-solid slurry with approximately 50 volume percent of degenerate dendrites. The roughly 15 cm diameter blank had the following composition:

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 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 balance

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. The blank contained in a stainless steel container was placed in a resistance furnace set at a temperature of 677 ° C. This temperature, which was approximately 28 ° C above the liquidus temperature of the alloy, was sufficient to cause the alloy to partially melt without causing significant changes in the liquid phase content in the blank. At a temperature of 632 ° C, corresponding to a solids content of approximately 0.8, as determined by the penetration of a weight-loaded probe, the blank was placed in its container in the lower half of a cast iron mold set as shown in FIG , introduced which mold set was kept at 315 ° C, and then ejected from the container into the bottom of the mold. The mold set was coated with a graphite-based lubricant. The upper mold part, the surface temperature of which was kept at approximately 315 ° C., was then closed at a speed of 0.5 ms-1, which resulted in a forming time of 0.2 s, with a maximum pressure of 14.56 × 106 Pa being reached , filling the mold with alloy metal. After a holding time under pressure of 2.4 seconds, during which the liquid phase solidified, the mold set was opened and the molded part was removed.

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, The molded part, an aluminum rim, was cut and samples were taken for the measurement of mechanical properties, which were measured at room temperature. The tensile strength was 32.6 x 103 N / cm2, the yield strength was 29.8 x 103 N / cm2 and the elongation measured over a length of 25.4 mm was 7%. The minimum specifications for die forgings with a closed die made of aluminum alloy 6061, as specified in "Aluminum Standards and Data 1976", fifth edition, are 26.3 x 103 N / cm2 for the tensile strength limit,

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. 24.3 x 103 N / cm2 for the yield strength and 7% for the elongation. Representative minimum specifications of a car manufacturer for cast aluminum rims are 21.5 x 103 N / cm2 for the tensile strength limit, 11.4 x IO3 N / cm2 for the yield strength and 7% for the elongation.

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. In contrast to forged products, the properties of which are directed, the products according to the present invention are isotropic, i.e. their properties are the same in all directions. The metallic rim structure according to the example consists of a randomly oriented, coaxial grain structure without the texture found in forged components that have similar properties.

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. A finished rim designated 10 is shown in FIGS. 2 and 3. The floor plan of FIG. 3 shows the rim as seen from the lower part of the shape of FIG. 1. The rim contains a number of approximately rectangular contours 11 along the periphery, each of these contours having a punched or machined hole 12. A hub part 13 has four drilled threaded holes 14 and four larger punched or drilled holes 15. A rim of this complexity is usually made by chill casting or injection molding techniques and their properties are narrowed due to the poor properties of casting alloys. Material properties are therefore a limiting factor in rim weight. Worse properties have to be compensated for by a larger mass on a cast wheel. Furthermore, larger cross-sections are normally necessary when casting due to the limitations associated with casting techniques, e.g. difficult to properly fill a mold with small cross sections. The rims which are produced according to the present method thus have the important advantage of a lower weight compared to comparable rims of a known type.

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. Alloys that can be used in the pressure forging process are, in addition to the aluminum alloys, also ferrous alloys, e.g. Stainless steel, tool steel, low alloy steels and iron / copper alloys of the type normally used in casting and forging.

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. It should be noted that within the process parameters mentioned above, various changes can be made to adapt to the geometry or to the specific property goals of the product to be manufactured. Changes in the chemical composition of the alloy, in the temperature, in the speed and pressure of the pressing process and in the dwell time can influence the grain structure, avoid shrinkage errors and impart certain properties to certain parts of the product. Furthermore, the method can be used to produce a variety of shaped metal parts other than rims, e.g. for hand tools, valve and pump bodies and parts, fan and pump blades, car and household parts and electrical components.

4 4th

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

S S

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

639 300

1. A shaping process for a product to be produced from a metal alloy, in which a batch of a metal alloy consisting of a mixture of a liquid and a solid phase is formed in a closed mold, the solid phase consisting of discrete, degenerate dendritic solid particles in a concentration of 30 to 90 Volume percent of the volume of the metal alloy consists of which solid particles are homogeneously suspended in the liquid phase and the liquid phase has a lower melting point than the solid particles, characterized in that the charge of the metal alloy under pressure in the mold in a time of less than one second is deformed, that the mold is preheated to a temperature between 100 and 400 C and that the liquid phase of the deformed alloy in the mold under a pressure between 0.17 x 106 Pa and 34.3 x 106 Pa in a time of less than one minute is solidified.

2. The method according to claim 1, characterized in that the liquid phase of the metal alloy is solidified under a pressure between 3.42 x 10® Pa and 17.15 x 10® Pa.

2nd

PATENT CLAIMS

3. The method according to claim 1, characterized in that the mold cavity is kept at a temperature between 200 and 300 ° C.

4. The method according to claim 1, characterized in that the metal alloy is formed in the mold cavity under pressure for a time between 0.1 and 0.5 s.

5. The method according to claim 1, characterized in that the solidification of the liquid phase of the alloy formed under pressure in the mold cavity takes place in a time of less than four seconds.

6. The method according to claim 1, characterized in that the metal alloy is an aluminum alloy.

7. The method according to claim 1, characterized in that the metal alloy is a copper alloy.

8. The method according to claim 1, characterized in that the metal alloy is an iron-containing alloy.

9. The method according to claim 1, characterized in that the concentration of the discrete, degenerate dendritic solid particles is between 70 and 90 percent by volume, based on the volume of the alloy.