DE102011003415A1 - A method for producing a metallic component - Google Patents

A method for producing a metallic component

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    • B21J5/004Thixotropic process, i.e. forging at semi-solid state

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils, bei. A method is presented for producing a metallic component, in. dem ein metallisches Faservlies (11) auf den thixotropischen Zustand aufgeheizt und in diesem Zustand unter Druckeinwirkung zu einer kompakten Metallstruktur umgeformt wird, mit dem sich erfindungsgemäß durch die Thixoumformung des Metallfaservlieses problemlos auch ausgedehntere Bauteile (8) auf baulich und steuerungsmäßig einfache Weise mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften dadurch herstellen lassen. is the a metallic nonwoven fabric (11) heated to the thixotropic state and converted in this state under pressure to form a compact metal structure with which the present invention problems even broader parts by Thixoumformung the metal fiber fleece (8) in a structurally and in terms of control easily mechanical high-quality properties can be produced thereby. dass das Metallfaservlies in den jeweiligen Grenzen des Kontaktbereichs mindestens einer oberflächenseitig über dieses geführten Druckwalze (15) im thixotropen Zustand gehalten und gleichzeitig unter der Wirkung des Walzenandrucks zu einer homogenen Metallstruktur (16) verdichtet wird. that the metal fiber fleece held in the respective boundaries of the contact region at least one surface-side via this out platen roller (15) in the thixotropic state and at the same is compressed under the effect of Walzenandrucks to a homogeneous metal structure (16).

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils durch Umformen eines auf den thixotropen Zustand erwärmten, metallischen Faservlieses, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bzw. 2. The invention relates to a method for producing a metallic component by shaping a heated on the thixotropic state, metallic nonwoven fabric according to the preamble of patent claim 1 and 2 respectively.
  • Es ist bekannt, dass metallische Werkstoffe in einem engen Temperaturintervall kurz unterhalb der Liquidustemperatur in den thixotropen Zustand gelangen und sich dann mit geringem Energieaufwand zu Bauteilen mit hohen mechanischen Kennwerten umformen lassen. It is known that metallic materials arrive in a narrow temperature range just below the liquidus in the thixotropic state and then can convert with little energy to components with high mechanical characteristics. Nach dem in der After the DE 10 2009 015 418 A1 DE 10 2009 015 418 A1 offenbarten Verfahren der eingangs genannten Art wird als in dieser Hinsicht besonders vorteilhaftes Ausgangsmaterial ein Metallfaservlies verwendet, welches in einem Pressenwerkzeug in den thixotropen Zustand aufgeheizt und zu einem homogen strukturierten Bauteil verpresst wird, wobei sich die mechanischen Eigenschaften noch dadurch deutlich verbessern lassen, dass in das Faservlies eine Armierung eingelegt wird, die dann bei der thixotropen Faservliesumformung im Pressenwerkzeug anders als bei Verbundbauteilen, die aus einer hochfesten Zwischenschicht und auf diese lediglich aufplattierten Deckschichten bestehen – vollständig mit dem metallischen Vliesmaterial als Matrix durchtränkt wird. disclosed methods of the type mentioned will be particularly advantageous in this regard, the starting material used is a metal fiber fleece which is heated in a press tool in the thixotropic state and pressed to form a homogeneous structured component, can still be the mechanical properties thereby significantly improve, that in the is completely impregnated with the metallic non-woven material as the matrix - non-woven fabric a reinforcement which then during the thixotropic non-woven fabric forming in the press tool, unlike composite components, consisting of a high-strength intermediate layer and to this only plated cover layers is placed. Problematisch bei einer solchen thixotropen Faservliesumformung ist jedoch, dass beim Verpressen des Faservlieses Lufteinschlüsse im Thixomaterial verbleiben können, die sich dann im fertigen Bauteil als festigkeits- und steifigkeitsmindernde Lunkerstellen zeigen. However, problematic with such a thixotropic non-woven fabric forming is that may remain in the Thixomaterial during the pressing of the nonwoven fabric air pockets, which then show up in the finished part as strength and stiffness-reducing blowholes. Hinzukommt, dass sich die Einstellung einer homogenen Temperaturverteilung bei gleichzeitig engem Temperaturfenster vor allem bei ausgedehnteren Bauteilen äußerst aufwändig und kostenintensiv gestaltet. Add to this that the setting of a homogeneous temperature distribution at the same time narrow temperature window especially for broader components made extremely complex and costly.
  • Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art so auszubilden, dass sich durch eine Thixoumformung eines Metallfaservlieses problemlos auch ausgedehntere Bauteile auf baulich und steuerungsmäßig einfache Weise mit hochwertigen mechanischen Eigenschaften herstellen lassen. In contrast, it is an object of the invention to provide a method of the aforementioned type so as to form that can be produced with high mechanical properties by a Thixoumformung a metal fiber fleece problems even broader components in a structurally and in terms of control in a simple manner.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 bzw. 2 gekennzeichnete Herstellungsverfahren gelöst. This object is achieved by the designated in claim 1 or 2 manufacturing process.
  • Erfindungsgemäß wird aufgrund der beanspruchten Druckwalzenumformung sichergestellt, dass die Lufteinschlüsse beim Verpressen des thixotrop erwärmten Metallfaservlieses gezielt in Rollrichtung der Druckwalze ausgetrieben werden und aus dem dort noch unverpressten und luftdurchlässigen Faservllesmaterial frei entweichen können, so dass eine Blasen- oder Lunkerbildung im fertigen Bauteil wirksam unterbunden wird, mit dem weiteren Effekt, dass die Einhaltung des engen thixotropen Temperaturfensters auf den relativ schmalen Kontaktbereich der Druckwalze beschränkt ist und daher im Umformzeitpunkt nicht homogen über die gesamte Bauteilfläche verteilt sein muss, wodurch sich die prozessbedingt enge Temperatursteuerung erheblich vereinfacht. According to the invention it is ensured due to the claimed print roll forming, that air inclusions be selectively driven in the rolling direction of the pressure roller during the pressing of the thixotropic heated metal fiber fleece and can freely escape from the there still unpressed and air-permeable Faservllesmaterial so that a bubble or void formation is effectively prevented in the finished component , with the further effect that the compliance of the narrow thixotropic temperature window is limited to the relatively narrow contact area of ​​the pressure roller, and must therefore be distributed in Umformzeitpunkt not homogeneous over the entire component surface, whereby the process-related close temperature control greatly simplified. Darüberhinaus lassen sich mit der Erfindungsvariante nach Anspruch 2 im Wege der Thixoumformung eines Metallfaservlieses sogar metallische Blechbänder in beliebiger Länge auf fertigungstechnisch einfache Weise herstellen. Moreover, they can be prepared even metallic sheet-metal strips in any desired length to manufacture a technically simple manner with the variant of the invention according to claim 2 by way of Thixoumformung a metal fiber fleece.
  • Eine deutliche Verbesserung der mechanischen Bauteileigenschaften wird in besonders bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung dadurch erzielt, dass in das Metallfaservlies vor der Thixoumformung eine Armierung eingelegt und diese unter der Einwirkung der Druckwalze(n) mit dem metallischen Faservliesmaterial als Matrix durchtränkt wird, wobei die Druckwalzenumformung des Faservlieses ganz wesentlich zu einer blasenfreien, stoff- oder zumindest formschlüssigen Einbindung der Armierung in die Metallmatrix beiträgt. A significant improvement in mechanical component characteristics is achieved in a particularly preferred embodiment of the invention in that inserted in the metal fiber fleece in front of the Thixoumformung a reinforcement and this under the effect of the pressure roller (s) is impregnated with the metallic fiber nonwoven material as a matrix, wherein the pressure roller forming the nonwoven fabric contributes significantly to a bubble-free, fabric or at least positive integration of the reinforcement in the metal matrix. Als Armierung werden je nach Richtung der für das Bauteil vorgesehenen Betriebslasten vorzugsweise uni- oder multidirektional oder auch quasi-isotrop orientierte metallische, aber auch nicht-metallische Verstärkungsfasern verwendet, und zwar mit besonderem Vorteil Carbonfasern, die bezüglich der Thixotemperatur des Vliesmaterials temperaturbeständig sind. As a reinforcement oriented metallic but also non-metallic reinforcing fibers are according to the direction of intended for the component operating loads preferably uni- or multi-directional or quasi-isotropic used, with particular advantage Carbon fibers with respect to the Thixotemperatur of the nonwoven material temperature resistant.
  • Um die Aufheizzeit des Metallfaservlieses im Kontaktbereich der Druckwalze(n) zu verkürzen, wird das Metallvlies vor dem Druckwalzenkontakt zweckmäßigerweise bis nahe an den Thixozustand vorgewärmt, und im Hinblick auf eine rasche vollvolumetrische Aufheizung wird eine induktive Erwärmung des Metallvlieses bevorzugt. To the heating of the metal fiber fleece in the contact area of ​​the pressure roller (s) to shorten the metal web prior to the pressure roll contact is advantageously preheated to near the Thixozustand, and in view of a rapid vollvolumetrische heating is an inductive heating of the metal non-woven fabric is preferred.
  • Die Fertigungsqualität der Bauteile lässt sich dadurch weiter verbessern, dass das Metallvlies vor der thixotropen Druckwalzenumformung vorverdichtet und im Anschluss an diese durch eine Drucknachspeisung nachkalibriert wird. The fabrication quality of the components can be further improved in that the metal fleece is precompressed before the thixotropic printing roll forming and is re-calibrated, following this by a Drucknachspeisung.
  • Bei Verwendung eines Faservlieses, welches, wie bevorzugt, als Hauptbestandteil Aluminium enthält, zeigt sich ein weiterer Vorteil des beanspruchten Verfahrens. When using a nonwoven fabric, which, like preferably contains, as the main component aluminum, is a further advantage of the claimed method. Anders nämlich als bei einem massiven Aluminiumblech, welches unter Umgebungsluft auf der Außenseite bekanntlich eine dünne Oxidhaut bildet, die sich nur aufwändig entfernen lässt und dann bei einer thixotropen Blechumformung die Gefügestruktur des Aluminiumteils signifikant verschlechtert, wird bei der Thixoumformung eines Aluminium-Faservlieses die Oxidschicht bei der Verdichtung der Aluminiumfasern aufgebrochen, so dass die Gefügestruktur im fertigen Aluminiumteil von der Oxidbildung des Ausgangsmaterials weitgehend unbeeinträchtigt bleibt. Otherwise namely, as in a solid aluminum sheet metal which is known to form under ambient air on the outside of a thin oxide skin, which can only be removed consuming and then the microstructure of the aluminum part is significantly deteriorated at a thixotropic metal forming the oxide layer is at in the Thixoumformung an aluminum nonwoven fabric the compression of the aluminum fibers broken, so that the grain structure in the finished aluminum part of the oxide formation of the starting material remains largely unaffected.
  • Die Erfindung wird nunmehr an Hand mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. The invention will now be further explained with reference to several embodiments thereof in conjunction with the drawings. Es zeigen in stark schematisierter Darstellung: These show, in highly schematic representations:
  • 1 1 die Herstellung eines durchgehend materialreinen Bauteils aus einem Metallfaservlies mittels einer thixotropen Druckwalzenumformung nach der Erfindung; the production of a continuous pure-material component made of a metal fiber fleece by means of a thixotropic platen deformation according to the invention;
  • 2 2 eine der one of the 1 1 entsprechende Darstellung einer thixotropen Druckwalzenumformung eines Metallfaservlieses mit eingelegter Armierung; representation corresponding to a thixotropic pressure roll forming a metal fiber fleece with inlaid reinforcement; und and
  • 3 3 die Herstellung eines armierten Endlos–Blechbandes nach der Erfindung. the preparation of a reinforced endless steel strip according to the invention.
  • Gemäß According to 1 1 wird ein Metallfaservlies is a metal fiber fleece 1 1 aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung auf ein Umformbett of aluminum or an aluminum alloy on a Umformbett 2 2 aufgelegt und dabei örtlich durch eine zusätzliche Vliesauflage placed and thereby locally by an additional batt 3 3 gedoppelt, um so eine Aluminiumteil doubled, so an aluminum part 4 4 mit einer sich ändernden Wandstärke zu erzeugen. to produce at a varying wall thickness. Mittels einer beheizten und in Pfeilrichtung über das Faservlies By means of a heated and in the arrow direction through the non-woven fabric 1 1 gerollten Druckwalze rolled platen 5 5 wird das Faservlies is the nonwoven fabric 1 1 im Kontaktbereich der Druckwalze in the contact region of the pressure roller 5 5 in den thixotropen Zustand erwärmt und so zusammengepresst, dass aus dem Fasermaterial ein homogenes Aluminiumteil heated in the thixotropic state and pressed together so that the fiber material from a homogeneous aluminum part 4 4 entsteht, wobei die Lufteinschlüsse im Faservlies arises, the air trapped in the fiber fleece 1 1 unter der Wirkung der Druckwalze under the action of the pressure roller 5 5 in deren Laufrichtung nach vorne ausgequetscht werden und aus dem dort noch luftdurchlässigen Faservlies are squeezed in their running direction to the front and from there still air-permeable non-woven fabric 1 1 frei entweichen können. can escape freely.
  • Um den für den Thixozustand erforderlichen Wärmeeintrag der Druckwalze To required for the Thixozustand heat input to the platen 5 5 zu reduzieren, wird das Fasermaterial in Laufrichtung vor der Druckwalze to reduce the fiber material in the running direction before the pressure roller is 5 5 durch eine zwischen Umformbett by between Umformbett 2 2 und Vliesoberseite wirksame Induktionsheizung and fleece top effective induction heating 6 6 bis nahe an die Thixotemperatur vorgewärmt. to near pre-heated to the Thixotemperatur.
  • Die Ausführungsform nach The embodiment of 2 2 , wo die dem ersten Ausführungsbeispiel entsprechenden Komponenten durch das gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet sind, unterscheidet sich von diesem hauptsächlich dadurch, dass in das Metallfaservlies Where the respective components of the first embodiment are indicated by the same reference numeral, differs from it mainly in that in the metal fiber fleece 1 1 eine – in diesem Fall mehrlagige – Armierung one - layered in this case - Reinforcement 7 7 eingelegt ist, welche aus einem metallischen Fadengeflecht oder einem dicht perforierten Lochblech, aber auch aus nicht-metallischen, uni- oder multidirektional bis hin zu quasi-isotrop orientierten Verstärkungsfasern, etwa aus Carbon bestehen kann. is inserted, which may consist of a metallic filament mesh or a densely perforated perforated plate, but also from non-metallic, uni- or multi-directionally to quasi-isotropically oriented reinforcing fibers, such as carbon. Bei der Thixoumformung des Metallvlieses When Thixoumformung the metal fleece 1 1 wird die Armierung is the reinforcement 7 7 mit dem thixotropen Vliesmaterial durchtränkt, so dass das Bauteil impregnated with the thixotropic non-woven material, so that the component 4 4 eine homogene Metallstruktur mit einer in diese zumindest form- und bei einer metallischen Armierung a homogeneous metal structure having a in this at least in form-fitting and a metallic reinforcement 7 7 je nach Vlies- und Armierungsmaterial auch stoffschlüssig eingebundenen Armierung depending on the nonwoven and reinforcing material also cohesively integrated reinforcement 7 7 aufweist, durch welche die Materialeigenschaften gegenüber einem reinen Einstoff-Bauteil deutlich verbessert werden. , through which significantly improves the material properties compared to a pure single-material component.
  • Gemäß According to 3 3 werden zur Herstellung eines armierten Blechbandes To prepare a reinforced sheet metal strip 8 8th mehrere Schichten, bestehend aus einer oberen und einer unteren, metallischen Faservliesschicht a plurality of layers consisting of an upper and a lower, metallic nonwoven fabric layer 9.1 9.1 , . 9.2 9.2 und einer dazwischen liegenden Armierung and a reinforcement intermediate 10 10 , etwa eines Carbonfasergeleges, jeweils von einer Vorratsrolle , Such as a carbon fiber fabric, in each case from a supply roll 11.1 11.1 , . 11.2 11.2 bzw. or. 12 12 abgezogen und zwischen zwei Vorpresswalzen withdrawn and between two compression rollers 13 13 zusammengeführt und zu einem dichteren Materialverbund vorverdichtet. brought together and pre-compacted to a dense composite material. Im nächsten Schritt durchläuft der vorverdichtete, aber noch flexible Materialverbund In the next step of the pre-compressed, but still flexible material composite passes 9 9 , . 10 10 eine Heizeinrichtung a heating device 14 14 , an der er auf ein Temperaturniveau noch unterhalb des thixotropen Zustandes der Metallfasern der Faservliesschichten Where it to a temperature level is still below the thixotropic state of the metal fibers of the nonwoven fabric layers 9 9 vorgeheizt wird. is preheated. Der so vorgeheizte, aber noch inhomogene Materialverbund The composite material so preheated, but still inhomogeneous 9 9 , . 10 10 wird anschließend im Walzenspalt zweier Druckwalzen is then in the nip of two pressure rollers 15.1 15.1 , . 15.2 15.2 auf den thixotropen Zustand erwärmt und gleichzeitig werden die Faservliesschichten heated to the thixotropic state and simultaneously, the nonwoven layers are 9 9 in diesem Zustand durch den Walzenandruck zu einem Endlos-Blechband in this state by the nip pressure to an endless sheet metal strip 8 8th mit einer homogenen Metallstruktur with a homogeneous metal structure 16 16 und in diese als Matrix eingebetteten Armierung and in these embedded as matrix reinforcement 10 10 verpresst. pressed.
  • Durch die injizierte Scherrate des Druckwalzenpaares By the injected shear rate of pressure roller pair 15 15 wird das thixotrope Faservliesmaterial gleichförmig zum Fließen gebracht, so dass selbst feinste Strukturen der Armierungsfasern the thixotropic non-woven fabric material is brought to flow uniformly, so that even the finest structures of reinforcing fibers 10 10 von diesem umschlossen und dabei Hohlräume gefüllt werden. surrounded by it and thereby voids are filled. Hierbei bildet sich ein Formschluss und je nach Beschaffenheit des Armierungsmaterials entsteht auch ein lokaler Stoffschluss. Here, a positive connection and depending on the nature of the reinforcing material is produced also a local material connection. Anschließend erfolgt noch an einem Walzenpaar Subsequently, still on a roll pair 17 17 eine Nachkalibrierung, um eine Erstarrungsporosität zu unterbinden. recalibration to prevent a solidification porosity. Mit dieser Erfindungsvariante ist es möglich, Blechbänder With this variant of the invention it is possible to sheet metal strips 16 16 beliebiger Länge anzufertigen und dabei die eingelegte Armierung to make any length while the inserted reinforcement 10 10 absolut lagestabil in das metallische Vliesmaterial einzubetten. absolutely stable position embedded in the metallic nonwoven material. Erreicht wird dies durch die charakteristische Eigenschaft, dass das Faservlies This is achieved by the characteristic that the fiber fleece 9 9 im thixotropen Zustand eine stark reduzierte Viskosität aufweist und auch die Druckbeaufschlagung im Walzenspalt des Druckwalzenpaares has a greatly reduced viscosity in the thixotropic state and the pressure in the nip of the pressure roller pair 15 15 keine unkontrollierte Positionsverschiebung der Armierung no uncontrolled shift in position of the reinforcement 10 10 verursacht. caused.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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  • Zitierte Patentliteratur Cited patent literature
    • DE 102009015418 A1 [0002] DE 102009015418 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Verfahren zum Herstellen eines metallischen Bauteils, bei dem ein metallisches Faservlies auf den thixotropischen Zustand aufgeheizt und in diesem Zustand unter Druckeinwirkung zu einer kompakten Metallstruktur umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet , dass das Metallfaservlies in den jeweiligen Grenzen des Kontaktbereichs mindestens einer oberflächenseitig über dieses geführten Druckwalze im thixotropen Zustand gehalten und gleichzeitig unter der Wirkung des Walzenandrucks zu einer homogenen Metallstruktur verdichtet wird. A method for producing a metallic component, in which heated a metallic nonwoven fabric to the thixotropic state and is deformed in this state under pressure to form a compact metal structure, characterized in that the metal fiber fleece in the respective boundaries of the contact region at least one surface-side via this out platen roller in held thixotropic state and is compressed at the same time under the effect of Walzenandrucks to a homogeneous metal structure.
  2. Verfahren zur Herstellung eines fortlaufenden Blechbandes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endlos-Metallfaservlies im Walzenspalt zweier Druckwalzen im thixotrop erwärmten Zustand zu einem homogen strukturierten Blechband umgeformt wird. A process for producing a continuous sheet-metal strip, characterized in that an endless metal fiber fleece in the nip of two pressure rollers is converted in the heated state to a homogeneous thixotropic structured sheet-metal strip.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in das Metallfaservlies vor der Thixoumformung eine Armierung eingelegt und diese im Wirkbereich der Druckwalze(n) mit dem metallischen Faservliesmaterial als Matrix durchtränkt wird. The method of claim 1 or 2, characterized in that inserted in the metal fiber fleece in front of the Thixoumformung a reinforcement and this in the effective range of the pressure roller (s) is impregnated with the metallic non-woven material as the matrix.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Armierung aus uni- oder multidirektional verlaufenden Verstärkungs-, vorzugsweise Carbonfasern besteht. A method according to claim 3, characterized in that the reinforcement consists of unidirectional or multidirectional reinforcement extending, preferably of carbon fibers.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies vor dem Druckwalzendurchlauf bis nahe an den thixotropen Zustand vorgewärmt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece is preheated prior to the printing roll barrel to near the thixotropic state.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies induktiv erwärmt wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece is heated inductively.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies im Anschluss an die thixotrope Druckwalzenumformung durch eine Drucknachspeisung nachkalibriert wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece is recalibrated following the thixotropic printing roll forming by a Drucknachspeisung.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies vor der Thixoumformung vorverdichtet wird. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece is precompressed before the Thixoumformung.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallfaservlies als Hauptbestandteil Aluminium enthält. Method according to one of the preceding claims, characterized in that the metal fiber fleece contains as a main component aluminum.
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