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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils durch Verbundstrangpressen gemäß dem Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Herstellung eines solchen metallischen Bauteils gemäß Anspruch 7.
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Allgemein betrifft die Erfindung das Gebiet des Verbundstrangpressens. Dabei wird ein strangpressbares Basismaterial zusammen mit oder unter Hinzufügung von einem Zusatzmaterial zu einem Verbundbauteil gepresst. Durch das Verbundstrangpressen lassen sich besonders leichte und zugleich stabile Bauteile realisieren. Hierdurch lassen sich Leichtbaustrategien z. B. im Bereich der Straßenfahrzeuge, der Schienenfahrzeuge und der Luftfahrt realisieren.
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Ein Vorschlag zum Verbundstrangpressen geht z. B. aus der
DE 23 38 707 A1 hervor. Nachteilig an bekannten Verfahren und den dabei verwendeten Vorrichtungen ist der relativ große Aufwand, der zu betreiben ist. So ist es z. B. notwendig, Heizelemente in dem Kammerwerkzeug vorzusehen, um die Bauteile auf die entsprechende notwendige Temperatur für den Verbundstrangpressprozess zu bringen. Zur Abkühlung sind nachgeordnete Kühlvorrichtungen notwendig.
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Aus der
DE 19 44 013 A1 geht ein Verfahren zum Herstellen von Bimetallstreifen hervor. Aus der
DE 693 25 367 T2 geht ein Verfahren zum Strangpressen von Metall- oder Kunststoffprofilen und eine Vorrichtung dafür hervor. Aus der
EP 2 289 641 B1 geht ein Verfahren zur Koextrusion von Metallprodukten und eine Matrize zur Durchführung des Verfahrens hervor. Aus der
JP S55- 130 329 A geht die Herstellung eines Materials mit einer hohen spezifischen Festigkeit hervor. Aus der
DE 10 2004 029 588 B4 geht ein Verfahren zur Herstellung von Profilen aus Magnesiumwerkstoffen hervor.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Bauteils durch Verbundstrangpressen anzugeben, bei denen der zu betreibende Aufwand verringert ist. Ferner soll ein metallisches Bauteil in Form eines stranggepressten Verbundbauteils angegeben werden, das eine verbesserte Verbindung zwischen den Materialien, zumindest zwischen dem Basismaterial und dem Zusatzmaterial, aufweist.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines metallischen Bauteils gemäß Anspruch 1. Die Erfindung hat den Vorteil, dass die beim Strangpressvorgang entstehende intrinsische Umformwärme, die wegen möglicher Heißrissbildung bisher als unerwünscht angesehen wurde, im Gegensatz zum herkömmlichen Strangpressen nun aktiv für den Verbundstrangprozess und damit für die Entstehung eines Verbundes genutzt wird. Es ist damit möglich, auf eine zusätzliche Beheizungseinrichtung zu verzichten oder, wenn erforderlich, auf andere Art äußere Energie zur Erwärmung zuzuführen. Auch der Bedarf an späterer Abkühlung wird hierdurch verringert. Durch entsprechende Formgebung der Strangpressvorrichtung und Einstellung der Betriebsparameter wie Pressgeschwindigkeit kann dabei gerade die gewünschte Umformwärme erzeugt werden. Ein weiterer Vorteil ist, dass der gesamte Verbundstrangpressvorgang effizienter durchgeführt werden.
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Zusätzlich zu dem Wärmeeintrag durch die Umformwärme kann, wenn erforderlich, auch mittels einer Beheizungseinrichtung ein zusätzlicher, exogener Wärmeeintrag erfolgen. Im Unterschied zum Stand der Technik sind die hierfür erforderliche Energie und der Aufwand für eine Beheizungseinrichtung deutlich geringer.
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Als metallisches Bauteil wird dabei jedes Bauteil verstanden, dass zumindest zu einem bestimmten Anteil aus einem Metallmaterial besteht. In vielen Fällen wird als Basismaterial ein Metallmaterial verwendet.
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Das Basismaterial kann z. B. das Mantelmaterial des Strangpressvorgangs sein, und das Zusatzmaterial ein im Mantelmaterial anzuordnendes Material. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der für die vorab festgelegten Materialien benötigte Wärmeeintrag ermittelt werden. Anschließend wird der Strangpressprozess im Hinblick auf seine Parameter so ausgelegt, dass die Umformwärme während des Strangpressprozesses exakt so erzeugt wird, wie sie für den späteren Wärmeeintrag, d. h. die Erzeugung der gewünschten Umformwärme, benötigt wird. Die Umformwärme setzt sich zusammen aus der materialimmanenten werkstoffspezifischen Umformfließwärme und der Umformprozesswärme. Die Umformfließwärme ist die Wärme, die durch das Verformen der Körner im Werkstoff während des Umformprozesses verursacht wird und insbesondere vom Umformgrad und der Umformgeschwindigkeit abhängig ist. Die Umformprozesswärme wird durch die Reibung verursacht, die zwischen Werkzeug und Werkstück erzeugt wird. Dementsprechend ist die Umformwärme von den Reibkoeffizienten zwischen Werkzeug und Werkstück sowie dem Werkstoff (innere Reibung der Körner untereinander) und von der Press- und/oder Umformgeschwindigkeit abhängig. Unter Berücksichtigung eines oder mehrerer solcher Prozessparameter kann ein optimaler Verbundstrangprozess mit gezieltem Wärmeeintrag realisiert werden. Dies hat den Vorteil, dass ein Wärmeeintrag erzeugt werden kann. Hiermit ist es z. B. möglich, Lötprozesse oder Aufschäumprozesse von Schäumen innerhalb des Mantels durch den Wärmeeintrag durchzuführen und dadurch Verbindungen oder Schäume im Inneren des Werkstücks zu erzeugen, ohne diese vorher oder im Nachhinein auf eine Aufschäum- oder Schmelztemperatur zu bringen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Nutzung der Umformwärme zum Verbinden des Zusatzmaterials mit dem Basismaterial kontrolliert durchgeführt, indem die dabei auftretende Temperatur in einem für das Basismaterial und das Zusatzmaterial zulässigen Temperaturbereich gehalten wird. Hierzu kann z. B. die auftretende Temperatur durch Einstellung und/oder Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit (Pressgeschwindigkeit) des Strangpressvorgangs und/oder anderer Pressparameter, wie z. B. die Werkzeuggeometrie (z. B. Vorkammer, Reibflächen, Finnen), Rauhigkeitswerte der Reibflächen und das Umformverhalten der verpressten Materialien, in dem zulässigen Temperaturbereich gehalten werden.
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In vielen Fällen ist es vorteilhaft, die Prozessparameter so auszulegen, dass kritische Temperaturen wie z. B. die Solidustemperaturen niedrig schmelzender Phasen der verwendeten Werkstoffe nicht überschritten werden, um einer Heißrissbildung vorzubeugen. Bei Schäumprozessen muss die Temperatur des zu schäumenden Materials dagegen über der Solidustemperatur liegen.
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Bei Lötprozessen soll die Solidustemperatur der Fügepartner nicht überschritten werden. Die Arbeitstemperatur eines Lotes ist dabei immer höher als seine Solidustemperatur.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Nutzung der Umformwärme zum Verbinden des Zusatzmaterials mit dem Basismaterial kontrolliert durchgeführt, indem die dabei auftretende Temperatur durch Beeinflussung und/oder Auswahl von die Umformfließwärme und/oder die Umformprozesswärme beeinflussenden Parametern in dem zulässigen Temperaturbereich gehalten wird.
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Zur Kontrolle der Temperatur kann ein Temperatursensor vorgesehen sein, der z. B. am oder im Strangpresswerkzeug angeordnet ist. Durch Erfassung der Temperatur kann eine Temperaturregelung durch Beeinflussung der erzeugten Umformwärme realisiert werden, z. B. indem die Pressgeschwindigkeit reduziert wird, wenn die Temperatur zu hoch wird, und die Pressgeschwindigkeit erhöht wird, wenn die Temperatur zu niedrig wird.
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Gemäß der Erfindung wird durch die Umformwärme eine Temperaturerhöhung erzeugt, durch die das Zusatzmaterial, aufgeschmolzen, verflüssigt und/oder aufgeschäumt wird. Allgemein wird durch die Temperaturerhöhung wenigstens ein Phasenübergang des Zusatzmaterials bewirkt, wobei damit auch, aber nicht nur, eine Überschreitung der Liquiduslinie gemeint ist. Insbesondere dies erlaubt weitere Freiheitsgrade bei der Herstellung von Strangpress-Bauteilen. So kann z. B. ein Einspritzen von Kunststoff durchgeführt werden, um ein von innen beschichtetes Metallrohr herstellen zu können.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Zusatzmaterial ein Metallmaterial, ein Keramikmaterial oder ein Kunststoffmaterial. Das Metallmaterial kann z. B. das erwähnte Magnesiumschaumhalbzeug sein.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Zusatzmaterial in Form eines Kunststoffs flüssig in ein Strangpresswerkzeug eingeführt und über das Strangpresswerkzeug in das Basismaterial eingeführt. Dies kann insbesondere durch das Vorsehen von Zuführkanälen für den flüssigen Kunststoff realisiert werden. Durch den Strangpressprozess kann dann ein Verbund zwischen dem Kunststoff und dem Basismaterial, z. B. einem Metallmantel, erzeugt werden, sodass ein von innen beschichtetes Rohr entsteht.
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Z. B. kann in einem Mantelprofil aus einer Aluminiumlegierung (Basismateial, z. B. AlMg4,5Zn) ein Magnesiumschaumhalbzeug (Zusatzmaterial, z. B. MgZn3Sn3) vorgesehen werden, das mit einem Treibmittel (z. B. TiH2) beaufschlagt wird. Dabei wird das gesamte Strangpresswerkzeug auf z. B. 500°C exogen erhitzt und durch die zusätzliche, endogene Umformwärme wird das Magnesiumschaumhalbzeug per Treibmittel aufgeschäumt. Durch das beschriebene Verfahren können verschiedenste Verbundwerkstoffe hergestellt werden. So können neben Metall/Metall-Verbunden auch Metall/Kunststoff-Verbunde erzeugt werden. Von innen mit Kunststoff beschichtete Rohre können auf diese Weise im Strangpressverfahren erzeugt werden.
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Ein metallisches Bauteil in Form eines stranggepressten Verbundbauteils mit einem aus einem Basismaterial bestehenden äußeren Strangpressprofil und einem in dem Basismaterial angeordneten, mit dem Basismaterial stoffschlüssig verbundenen Zusatzmaterial kann insbesondere mit einem der Verfahren der zuvor genannten Art hergestellt werden. Durch die stoffschlüssige Verbindung wird eine besonders hohe Haftung des Zusatzmaterials am Basismaterial erreicht, die bei bekannten stranggepressten Verbundbauteilen nicht zu erreichen war.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Zusatzmaterial über eine Diffusionsverbindung mit dem Basismaterial stoffschlüssig verbunden. Durch die Diffusionsverbindung geht das Zusatzmaterial in einem gewissen Diffusionsbereich in das Basismaterial über, sodass es damit besonders fest stoffschlüssig verbunden ist.
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Die eingangs genannte Aufgabe wird außerdem gelöst durch eine Vorrichtung zur Herstellung eines metallischen Bauteils gemäß Anspruch 7. Es können auch mehrere Zusatzmaterialien zum Einsatz kommen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Erwärmungszone ganz oder wenigstens zum Teil in dem Strangpresswerkzeug angeordnet. Mit einer solchen Vorrichtung lassen sich die eingangs bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens erläuterten Vorteile erzielen. Die Erwärmungszone ist insbesondere der Bereich der Vorrichtung, in dem die Umformwärme während des Strangpressens entsteht. Die Erwärmungszone dient auch zum Aufschmelzen, Verflüssigen und/oder Aufschäumen des Zusatzmaterials.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen
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1 – eine erste Ausführungsform eines Strangpresswerkzeugs und
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2 – eine zweite Ausführungsform eines Strangpresswerkzeugs in Verbindung mit einem Temperaturverlauf und
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3 – verschiedene Betriebszustände des Strangpresswerkzeugs gemäß 2 während eines Strangpressvorgangs und
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4 – den Verlauf von Presskräften und Stempelgeschwindigkeiten beim Strangpressvorgang gemäß 3.
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In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende Elemente verwendet.
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Die 1 zeigt in der Ansicht b) ein Strangpresswerkzeug 1 in einer Draufsicht auf eine Zuführseite, an der das durch Strangpressen umzuformende Material dem Strangpresswerkzeug 1 zuzuführen ist. Die Ansicht a) zeigt einen Schnitt durch das Strangpresswerkzeug 1 entlang der Schnittlinie A-A. Das Strangpresswerkzeug 1 weist eine Matrize 2 auf, durch die das zugeführte umzuformende Material gepresst und durch Strangpressen umgeformt wird. Hierzu ist im Inneren der Matrize 2 eine Schweißkammer 9 vorhanden, in der die zugeführten Materialien miteinander verbunden werden, z. B. durch Festkörperschweißen. Die zugeführten Materialien werden über Reibflächen 3 geführt, die Engstellen darstellen und an denen durch Reibflächen eine gezielte intrinsische Erwärmung durchgeführt werden kann. Durch die durch die Reibflächen 3 gebildete Auslassöffnung für das stranggepresste Material ist ein Dorn 5 geführt. Der Dorn 5 ist innen hohl und weist einen durchgehenden Hohlkanal auf. An einer Zuführstelle 6 des Hohlkanals kann ein Zusatzmaterial, wie z. B. ein Kunststoffmaterial, zugeführt werden, das dann über eine Auslassstelle 7 in das Innere eines bereits stranggepressten Hohlprofils eingeführt wird. Auf diese Weise kann das Hohlprofil von innen mit dem Zusatzmaterial beschichtet werden. Das Basismaterial des Strangpressvorgangs wird über Zuführöffnungen 8 zugeführt.
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Die 2 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Strangpresswerkzeugs 1, wobei wie bei der 1 die weiteren Elemente einer Strangpressanlage nicht mit dargestellt sind. Diese sind konventionell auszuführen, d. h. wie bei bekannten Strangpressanlagen. Die Ausführungsform gemäß 2 weist einen Dorn 5 ohne inneren Hohlkanal auf. Erkennbar ist in der seitlichen Schnittansicht der 2, dass zwischen der Matrize 2 und einer Pressscheibe 10 zwei zu pressende Materialien 11, 12 im Halbzeugzustand vorhanden sind, z. B. ein Basismaterial 12 als Mantelmaterial sowie ein inneres Zusatzmaterial 11. Anhand einer unter dem Strangpresswerkzeug 1 abgebildeten Temperaturkurve, die den Verlauf der Temperatur in dem Strangpresswerkzeug 1 über den Weg in Längsrichtung des Strangpresswerkzeugs 1 zeigt, wird erkennbar, dass an derjenigen Stelle, an der die Materialien 11, 12 verdichtet und dann über die Reibflächen 3 geführt werden, ausgehend von einer Anfangstemperatur (TEinsatz) eine deutliche Temperaturerhöhung auftritt (TUmform). Die Erwärmung 14 findet dabei hauptsächlich in der Umformzone vor und im Werkzeug sowie an den verschiedenen inneren und äußeren Reibflächen statt. Diese Temperaturerhöhung resultiert aus der durch die spezielle Formgebung des Werkzeugs und dessen Reibflächen und gegebenenfalls durch die Außenkontur des Dorns 5 sowie weiterer noch genannter Prozessparameter erzeugten Umformwärme. Eine zusätzliche Beheizung zur Erzeugung dieses Temperaturanstiegs ist nicht erforderlich.
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Die 3 zeigt in vier Schritten A, B, C und D einen Strangpressvorgang mittels des Strangpresswerkzeugs der 2, von dem jeweils nur die obere Hälfte dargestellt ist. Gemäß Abbildung A befindet sich der Strangpressvorgang noch in einem Grundzustand. Sodann wird die Pressscheibe 10 aus ihrer Anfangsposition nach rechts verschoben, wie in der Abbildung B dargestellt. Dieser Verfahrensabschnitt wird als Anstauchen bezeichnet. Sodann erfolgt das Pressen, wie in Abbildung C dargestellt. Auf der rechten Seite tritt das stranggepresste Verbundbauteil 13 aus dem Strangpresswerkzeug 1 aus. Die Abbildung D zeigt das Pressende, d. h. das zugeführte Material 11, 12 ist im Wesentlichen aufgebraucht.
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Die 4 zeigt für zwei durchgeführte Versuche V1 und V2 den Verlauf der Presskraft und der Stempelgeschwindigkeit über die Zeit in Sekunden. An der linken Ordinatenachse ist die Presskraft in MN dargestellt. An der rechten Ordinatenachse ist die Stempelgeschwindigkeit in mm/s dargestellt. Durch die Pfeile werden Zwischenzustände, die den anhand der 3 erläuterten Schritten A, B, C und D entsprechen, markiert.
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In den Versuchen wurden zwei Varianten erprobt:
- V1: Mantelmaterial (Basismaterial) Aluminium (EN AW-6082), im weiteren als Aluminium bezeichnet, als stranggegossener, gelochter Block und Kernmaterial (Zusatzmaterial) Magnesium (MgTiH), im weiteren als Magnesium bezeichnet, als zuvor kaltisostatisch verdichtetes und zu Einzeldrähten von 6 mm Durchmesser stranggepresstes Pulver. Die Zusammensetzung der Drähte variiert dabei in ihren TiH-Anteilen. Diese wurden dabei um den Dorn 5 verteilt.
- V2: Mantelmaterial (Basismaterial) Aluminium (EN AW-6060) als stranggegossener, gelochter Block und Kernmaterial (Zusatzmaterial) Magnesium (MgTiH) als zuvor kaltisostatisch verdichteter und gelochter Pulver-Block.
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Bei beiden Versuchen wurde der gleiche Aluminiumblockdurchmesser und Werkzeugsatz, jedoch unterschiedliche Magnesium-Halbzeuge (Drähte o. Block), Blockeinsatztemperaturen und Pressgeschwindigkeit gefahren. Beide Varianten wurden in unterschiedlichen Pressparametern gefahren, die zugehörigen Presskraft und Stempelgeschwindigkeitsverläufe sind in 4 dargestellt.
- V1: Blocktemperatur 515°C, Stempelgeschwindigkeit 1 mm/s
- V2: Blocktemperatur 450°C, Stempelgeschwindigkeit 3 mm/s
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In Versuch V1 befand sich das Magnesium bedingt durch die erhöhte Temperatur gerade an der Grenztemperatur, an der ein Ausgasen erfolgt. Bei Versuch V2 befand sich das Magnesium noch unterhalb dieser Temperatur. In beiden Fällen konnte ein strangförmiges Rohrerzeugnis, bestehend aus einer äußeren Aluminium-Deckschicht mit einer innenliegenden Schicht aus Magnesiumschaum hergestellt werden.
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Wie in den obigen Ergebnissen beschrieben, ist die Steuerung des Verbundstrangpressprozesses unter anderem durch die verwendeten Materialien, die Materialeinsatztemperaturen sowie die Pressgeschwindigkeit beeinflussbar.
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Im Folgenden werden beispielhaft wesentliche Einflussfaktoren zur Beeinflussung der maximal erreichbaren Temperaturerhöhung durch die Umformwärme während der Umformung in den Materialien genannt, die sonstigen Bedingungen werden dabei jeweils als konstant angenommen. Dabei können keine Richtwerte angegeben werden, da diese für jedes Material bzw. jede Materialkombination angepasst werden müssen.
- – Einsatztemperatur der Materialien (vor Umformung), diese können auch unterschiedlich sein.
- – Pressgeschwindigkeit
- – Pressverhältnis
- – Einlaufgeometrie der Matrizen und/oder Vorkammergeometrie
- – Reibflächengeometrie
- – Containertemperatur
- – Werkzeugtemperatur, beim Rohrpressen oder Hohlprofilpressen können z. B. auch der Dorn oder die Matrize anders beheizt oder gekühlt sein
- – Zudem das Massenverhältnis der zugeführten bzw. zu verpressenden Materialien zur Einstellung der unterschiedlichen Materialstärken im Endprodukt.
