DE10026795C2 - Verfahren zur Herstellung endformnaher Bauteile aus metallischen Werkstoffen und aus Verbundwerkstoffen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung endformnaher Bauteile aus metallischen Werkstoffen und aus Verbundwerkstoffen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für die Herstellung von endformnahen Bauteilen mittels Thixoforming-Verfahren werden Bolzen mit einer geeigneten Gefügestruktur in der Regel durch elektromagnetische Induktion derart in das Zweiphasengebiet erwärmt, dass das Material thixotrop wird und vergossen oder verpresst werden kann. Dabei entsteht eine thixotrope Gefügestruktur, bei der globulitische feste Gefügebestandteile in eine schmelzflüssige Matrix eingebettet sind. Ein Verfahren zur Herstellung von Bauteilen mittels Thixoforming offenbaren beispielsweise die US 6,068,043 und die DE 196 05 839 A1.

Bei der Durchführung von derartigen Thixoforming-Verfahren ist die Temperaturkontrolle und die Haltezeit bei dieser Temperatur von entscheidender Bedeutung. Ist die Temperatur oder die Haltezeit zu hoch gewählt, verlieren die Bolzen ihre Formstabilität und sind nicht mehr handhabbar. Insbesondere bei Verfahren, bei welchen die Bolzen in einer senkrechten Position erwärmt werden, wird der einstellbare Flüssigkeitsanteil des Bolzens durch seine Stabilität gegenüber seinem eigenen Gewicht eingeschränkt.

Weiterhin kann während des Aufheiz- und Halteprozesses teilweise eine Segregation der schmelzflüssigen Gefügebestandeile entstehen. Hierdurch kommt es zur unerwünschten inhomogenen Verteilung der Gefügebestandteile im Bolzen.

Aus den Bolzen austretende schmelzflüssige Phase führt zum Abtropfen von Material, welches nach dem Stand der Technik in speziellen Schalen aufgefangen wird.

Dies führt zu unerwünschten Verschiebungen der chemischen Gesamtzusammensetzung der Bolzen und zu Abweichungen der Volumen verschiedener Bolzen beim Gießprozess, wodurch die genaue und reproduzierbare Regelung des Gießprozesses eingeschränkt wird. Das abgetropfte Material muss nach dem Aufheizprozess und der Entnahme des Bolzens umständlich mit Hand oder maschinell aus den Schalen entfernt werden.

Die Schalen bestehen aus Keramiken, höherschmelzenden Metallen, z. B. Stahl, oder Verbundkonstruktionen aus Keramik und Metall. Keramische Schalen für das Thixoforming sind beispielsweise beschrieben in Prof Dr. rer. nat. Telle: "Keramische Werkzeugmaterialien für das Thixoforming", Werbeblatt der RWTH Aachen, verteilt auf der Messe "Materialica" am 30.09.1999 in München. Durch die thermischen und mechanischen Belastungen und die Wechselwirkung mit Bolzenmaterial während des Aufheizprozesses werden Schalen aus Keramik schnell rissig, es kommt zu Ausbrechungen und zur Zerstörung der Schafe. Schalenmaterialien aus höherschmelzendem Metall, z. B. Stahl, haben den Nachteil, dass sie mit einer Beschichtung (Schlichte) versehen werden müssen, welche regelmäßig nach wenigen Prozessdurchläufen erneuert werden muss. Außerdem wird die Energiebilanz der induktiven Bolzenerwärmung durch die hohe Einkopplung und Erwärmung des Schalenmaterials bei Metallschalen erheblich verschlechtert.

Aufgabe der Erfindung ist es, das gattungsgemäße Verfahren so weiterzubilden, dass die oben beschriebenen Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen dar.

Gemäß der Erfindung werden die aufzuheizenden Bolzen in eine Hülle aus einem höherschmelzenden Werkstoff vollständig oder teilweise eingehüllt. Der Hüllenwerkstoff kann Metall oder eine metallische Legierung sein. Die Bolzen bleiben in dieser Umhüllung während des gesamten Prozesses des Aufheizens und Haltens bei hohen Temperaturen und werden so in die Gießkammer einer Gießanlage oder in das Gesenk einer Presse gegeben. Auf diese Weise wird das Austreten und Abtropfen von schmelzflüssiger Phase aus dem Bolzen verhindert.

Ferner wird der Bolzen durch die Umhüllung mechanisch stabilisiert. In der Gießkammer der Druckgießanlage erfolgt durch den Druck des Gießkolbens ein Herauspressen des thixotropen Bolzenmaterials aus der Umhüllung. Das Umhüllungsmaterial verbleibt im Pressrest und wird vom Bauteil abgetrennt. Aufgrund der geringen Dicke des Umhüllungsmaterials, insbesondere bei Verwendung von Folien, sind die Energieverluste bei der induktiven Erwärmung des Bolzens sehr gering.

Teilweise Umhüllung des Bolzens eignet sich insbesondere für vertikale Aufheizverfahren.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Umhüllungsmaterial, insbesondere eine Umhüllungsfolie, ein- oder beidseitig mit einer Beschichtung versehen wird, welche eventuell stattfindende Diffusionsprozesse (zu denen es bei hohen Presstemperaturen kommen kann, wodurch die Schmelztemperatur der Folie verringert wird) einschränkt oder ganz verhindert. Hierfür sind insbesondere Oxidschichten, aber auch Nitrid- oder Karbidschichten, geeignet. Diese sind auch bei hohen Prozesstemperaturen beständig und können bei einem späteren Wiedereinschmelzen des Pressrestes einfach aus der Schmelze entfernt werden. Durch die Verwendung von Folien auf Aluminiumbasis für Bolzen aus Aluminiumlegierungen und Magnesiumlegierungen bleibt das anfallende Kreislaufmaterial sortenrein bzw. enthält keine metallurgisch bedenklichen Legierungsbestandteile. Durch die Schutzschicht und die Aluminiumfolie wird der Kontakt des teilflüssigen thixotropen Materials mit der Gießkammer stark reduziert, wodurch eine Verminderung des Trennmittelauftrages in der Gießkammer möglich wird. Durch die Folienhülle wird der Bolzen von der Umgebungsatmosphäre abgeschlossen, brennbare Materialien können sich nicht entzünden. Bei einer Kombination von mehreren beschichteten bzw. unbeschichteten Umhüllungsmaterialien ist es vorteilhaft, wenn die dem Bolzen zugewandte Seite mit einer Schicht versehen ist, welche Diffusionsprozesse unterbindet oder verlangsamt, und die außenliegende Seite mit einer Schicht versehen ist, welche die Reibung mit der Gießkammerwand oder der entsprechenden Gesenkwand verringern soll.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung endformnaher Bauteile mittels Thixoforming- Prozesses, bei dem ein Bolzen aus einem metallischen Werkstoffen oder aus einem Verbundwerkstoffen erwärmt wird, so dass das Material thixotrop wird und anschließend vergossen wird, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzuheizenden Bolzen durch eine Hülle aus einem Metall oder einer metallischen Legierung mit einer höheren Schmelztemperatur als die Verarbeitungstemperatur des aufzuheizenden Bolzens mindestens teilweise umhüllt werden und dass der Bolzen nach Erreichen der thixotropen Struktur mit der Umhüllung in eine Gießkammer eingebracht und das Bolzenmaterial aus der Umhüllung herausgedrückt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle eine Folie, Dose oder ein Blech ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien oder Bleche ein- oder beidseitig mit einer Schutzschicht versehen werden.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Umhüllung eine Kombination aus beschichteten Folien oder Blechen, oder aus unbeschichteten und beschichteten Materialien verwendet wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folien oder Bleche aus Aluminium bestehen.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht eine Oxid-, Nitrid- oder Karbidschicht ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht durch Oxidation erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht durch anodische Oxidation erzeugt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht durch Sol-Gel-Reaktion erzeugt wird.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die aufzuheizenden Bolzen durch die Hülle aus einem Metall oder einer metallischen Legierung vollständig umhüllt werden.