DE10245896A1

DE10245896A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Metalllegierungskörpern mit lokalisierten kleinen Korngrößen

Info

Publication number: DE10245896A1
Application number: DE10245896A
Authority: DE
Inventors: Lothar Prof. Dr. Wagner; Jiulai Dr. Zhang
Original assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Current assignee: Brandenburgische Technische Universitaet Cottbus
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-08
Also published as: DE50308081D1; WO2004031431A3; WO2004031431A2; DE10393888D2; ATE371753T1; EP1546428B1; EP1546428A2; AU2003275934A1; AU2003275934A8

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metalllegierungen, insbesondere Magnesiumlegierungen, mit geringen Korngrößen innerhalb eines nicht-extrudierten Metalllegierungskörpers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens und ein Erzeugnis, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist. Durch eine zyklische, ortsabhängig alternierende Belastung von Teilflächen der Oberfläche des nicht-extrudierten Metalllegierungskörpers werden diese lokal komprimiert und dekomprimiert. Dies führt, in Verbindung mit einer Prozesstemperatur von bis zu 600 DEG C des Metalllegierungskörpers, zu einer Verringerung der Korngrößen der Metalllegierung an der Oberfläche, was eine deutliche Verbesserung der Walzfähigkeit des Metalllegierungskörpers zur Folge hat.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Metalllegierungen, insbesondere Magnesiumlegierungen, mit geringen Korngrößen innerhalb eines nichtextrudierten Metalllegierungskörpers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.
Die Verwendung von Leichtmetallwerkstoffen, insbesondere im Automobil- und Flugzeugbau, dient vor allem der Gewichtsreduzierung der verwendeten Bauteile. Die Verwendung von vorgefertigten Körpern aus Leichtmetallwerkstoffen, wie z.B. Aluminium-, Metall- und Titanlegierungen, bereitet jedoch insbesondere bei der weiteren Verarbeitung wie z.B. beim Walzen, Schmieden oder Rollen, Fertigungsprobleme, da aufgrund der zumeist großen Korngrößen der Ausgangswerkstoffen Risse und Brüche zumeist entlang der Korngrenzen an den Ecken der Körper aus Leichtmetallwerkstoffen entstehen. Dies beeinflusst und reduziert die mechanischen und optischen Eigenschaften der Bauteile.
Im Stand der Technik wird daher zum einen versucht, die mechanischen Eigenschaften der entsprechenden Ausgangslegierungen zu verbessern. Die DE 199 37 184 A1 betrifft z.B. eine Metalllegierung für die Verwendung bei erhöhten Temperaturen, die sich besonders zur Verwendung beim Druckgießverfahren eignet. Nachteilig hierbei ist, dass bisher bekannte und häufig verwendete Leichtmetalllegierungen nicht verwendet werden können und für jede Anwendung und jedes Anwendungsverfahren eine spezielle Leichtmetalllegierung entwickelt werden müsste.
Weiterhin sind im Stand der Technik spezielle Bearbeitungs- und Fertigungsverfahren von häufig verwendeten Leichtmetalllegierungen bekannt. Die DE 199 17 175 A1 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils, sowie das erfindungsgemäße Bauteil. Das Bauteil wird in einer Druckgussform mittels eines keramischen Grünkörpers in der Druckgussform dadurch hergestellt, dass dieser Grünkörper mit einem Metall oder einer Metalllegierung befällt wird, wobei der Grünkörper als keramischer Grundkörper mittels einer keramischen Pulvermischung durch ein Heiz- und Pressverfahren hergestellt wird. Nachteilig ist hierbei, dass dieses Verfahren nur im Druckgussverfahren anwendbar ist. Die DE 100 33 768 A1 beschreibt ein Verfahren zum Falzen von dünnwandigen Halbzeugen oder Bauteilen aus mindestens einem metallischen Werkstoffen, wobei der Werkstoff bei Raumtemperatur schwer oder spröde verformbar ist und im zum falzenden Bereich erhitzt wird. Nachteilig ist hierbei jedoch, dass die Sprödeigenschaften der bearbeitenden Metallwerkstoffe während der Falzung nicht verändert werden und daher die Bauteile weiterhin bruch- und rissanfällig in nachfolgenden Fertigungsabschnitten sind.
Ebenfalls ist bekannt, dass insbesondere bei der Weiterumformung von herkömmlichen Metallwerkstoffen, wie z.B. dem Walzen oder Schmieden, die Verteilung und die Größe von Korngrößen in einem herkömmlichen Metallwerkstoffkörper, insbesondere bei der Walzbearbeitung, einen entscheidenden Einfluss auf während der Fertigung entstehende Bruch- und Rissstellen der Bauteile hat. Die 25 21 330 C2 beschreibt ein Verfahren zur Induzierung einer gleichzeitig mit der Wärmeverformung verlaufenden dynamischen Rekristallisation in einer Metalllegierung mit einem nichtausreichenden feinkörnigen Gefüge, wobei zur Gefügebeeinflussung einer Metalllegierung der Metalllegierungsrohling zusätzliche Elemente, wie z.B. Kupfer oder Zink, enthält und diese als Mischkristalle vorliegen, wobei das feinkörnige Gefüge sich aufgrund einer vorgegebenen Verformtemperatur und einer vorgegebenen Dehnungsgeschwindigkeit im Rohling aufgrund einer fortschreitenden Rekristallisation ausbildet. Nachteilig ist hierbei, dass die Veränderung des Gefüges von der Rekristallisationsgeschwindigkeit innerhalb des Rohlings abhängt und daher im Rahmen eines Bearbeitungs- und Fertigungsverfahrens nur eingeschränkt einsetzbar ist. Weiterhin beschreibt die DE 695 05 327 T2 ein Verfahren zur Herstellung eines lokalisierten Feinkornmikrogefüges auf ausgewählten Oberflächen aus Aluminiumlegierungen. Die Oberfläche eines Aluminiumbleches mit einer Grobkornmikrostruktur mit allgemein parallel zur Längsebene liegenden langen Korngrenzen wird durch eine Kugelfinnenbearbeitung innerhalb von vorhandenen Bohrungen lokal bearbeitet, indem die grobkörnige Mikrostruktur aufgebrochen und anschließend durch eine lokalisierte Wärmebehandlung eine Rekristallisation initiiert wird. Nachteilig ist hierbei, dass das Verfahren nur für Bohrung innerhalb einer Aluminiumlegierung eines Flugzeugbleches anwendbar ist. Weiterhin ist die Deformationstiefe dieses Verfahrens in die Oberfläche nur sehr gering, so dass hiermit lediglich die Oberflächenkorrosion der behandelten Flächen nicht jedoch eine Bruch- und Rissbildung beim Walzen verhindert wird.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Gefüge von vorhandenen Metalllegierungen derart zu beeinflussen, dass die Bruch- und Rissneigung von nicht-extrudierten Metalllegierungskörpern in Bearbeitungs- und Fertigungsverfahren, insbesondere beim Walzen, reduziert wird und damit eine kostengünstige Herstellung von walzfähigen Metalllegierungskörpern bereitgestellt wird.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, dass die Oberflächen eines nicht-extrudierten Metalllegierungskörpers mit einer Korngröße größer als 200μm durch eine zyklische, ortsabhängig alternierende Belastung der Oberfläche des nicht-extrudierten Metalllegierungskörpers alternierend lokal komprimiert und dekomprimiert, sowie permanent auf einen Prozesstemperaturbereich von bis 600°C erhitzt werden. Die zyklische, ortsabhängig alternierende Belastung der Oberfläche des Metalllegierungskörpers erfolgt durch temporären Druck mittels druckausübender Elemente auf einzelne definierte Flächensegmente der Oberfläche des Metalllegierungskörpers.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird Oberfläche als eine Oberflächenschicht des Metalllegierungskörpers verstanden, die durch die zyklische, ortsabhängige Belastung beeinflusst und verändert wird. Die Tiefe dieser Oberflächenschicht ist abhängig von der verwendeten Metalllegierung, der Temperatur und der Deformationsrate der Metalllegierung aufgrund der zyklischen, ortsabhängig alternierenden Belastung entlang der Außenseiten des Metalllegierungskörpers.
In einem Flächensegment der Oberfläche wird in einem ersten Presszyklus zuerst eine von zwei Teilflächen des Flächensegments mittels druckausübender Elemente belastet und in einem zweiten Presszyklus anschließend die zweite Teilfläche des Flächensegments mittels anderer druckausübender Elemente komprimiert, wobei im zweiten Presszyklus die erste Teilfläche nicht belastet wird. Die Form des jeweiligen Flächensegments ist dabei bevorzugt symmetrisch, insbesondere kreisförmig oder rechteckig, ausgestaltet. Innerhalb eines Flächensegments wird während des zweiten Presszyklusses die nicht belastete erste Teilfläche aufgrund volumetrischer Kräfte innerhalb des Metalllegierungskörpers und/oder mittels zugausübender Elemente dekomprimiert. Weiterhin ist die Verwendung von Feder-rückstellenden Elementen vorgesehen, die als ortsabhängige Gegenkraft zur ersten Teilfläche eine Steuerung der Deformationshöhe und -rate der dekomprimierenden ersten Teilfläche insbesondere zu Beginn des zweiten Presszyklusses erlauben. Gerade zu Beginn des zweiten Presszyklusses kann es aufgrund von wirkenden Reibungskräften zu einer ruckartigen Bewegung der dekomprimierenden ersten Teilfläche kommen, die die Materialeigenschaften der dekomprimierenden ersten Teilfläche negativ beeinflussen kann. Nach Abschluss des zweiten Presszyklusses hat der Metalllegierungskörper die Ausgangsvolumenform wie vor den zwei Presszyklen angenommen. Diese Presszyklenabfolge kann beliebig oft innerhalb eines Flächensegments mit einer weitere Anzahl von ganzzahligen Presszyklen durchgeführt werden. Nach Abschluss der zwei Presszyklen wird der Metalllegierungskörper unbelastet für einen Zeitraum auf eine Temperatur bis 600°C erwärmt, falls eine hohe Wärmeverlustrate innerhalb des Flächensegmentes gegeben ist. Weiterhin ist die Form der ersten Teilfläche bevorzugt als Ringfläche oder eine Halbkreisfläche innerhalb des Flächensegments und die zweite Teilfläche korrespondierend zur ersten Teilfläche innerhalb des Flächensegments ausgebildet. Ebenfalls werden auf der Oberfläche des Metalllegierungskörpers eine Vielzahl von Flächensegmenten definiert, wobei die Flächensegmente aneinander anschließen und die Oberfläche des Metalllegierungskörpers bezüglich mindestens einer Ausrichtung vollständig mit Flächensegmenten bedeckt ist. Während der Prozesszyklen ist innerhalb des gesamten Metalllegierungskörpers eine konstante Temperatur in einem Temperaturbereich von bis 600°C gegeben. Während des Verfahrens wird das Volumen des Metalllegierungskörpers nicht verändert. Das Verfahren ist nicht nur auf ein Flächensegment auf der Oberfläche eines Metalllegierungskörpers anwendbar, sondern kann entlang von verbundenen Flächensegmenten sukzessiv zyklisch und alternierend die beiden Teilflächen der jeweiligen einzelnen Flächensegmente komprimieren und de komprimieren. Alternativ können entlang von verbundenen Flächensegmenten die beiden Teilflächen der einzelnen Flächensegmente entlang der Oberfläche des Metalllegierungskörpers sukzessiv zyklisch und gleichzeitig komprimiert und dekomprimiert werden. Dabei können gleichzeitig mehrere Oberflächen des Metalllegierungskörpers sukzessiv zyklisch oder gleichzeitig komprimiert und dekomprimiert werden.
Weiterhin ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur schaffen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 13. Erfindungsgemäß ist danach vorgesehen, dass auf einem definierten Flächensegment auf der Oberfläche des Metalllegierungskörpers mit grober Korngröße ein druckausübendes Element eine von zwei Teilfläche des Flächensegments während eines ersten Presszyklusses belastet, und anschließend ein anderes, zum ersten passgenau korrespondierendes, druckausübender Element mit einer der Restfläche entsprechenden zweiten Teilfläche auf das Flächensegment aufgebracht und in einem anschließenden zweiten Pressenzyklus belastet wird und eine Heizquelle den Metalllegierungskörper permanent auf eine vorgegebene Prozesstemperatur in einem Bereich bis 600°C temperiert. Die Heizquelle ist jedoch nur notwendig, falls die Wärmeverlustraten während des Verfahrensablaufes zu hoch sind oder der Fertigungsprozess zu lange dauert und damit entsprechende Temperaturverluste des Metalllegierungskörpers einhergehen. Das Flächensegment wird durch den Innendurchmesser eines druckbeständigen Containers parallel zur Oberfläche des Metalllegierungskörpers definiert.
Dabei füllen die druckausübenden Elemente korrespondierend und passgenau den Innendurchmesser des Containers aus. Der Querschnitt des Metalllegierungskörpers entspricht dem Querschnitt des Containers, wobei die Abmessungen des Containers durch die Dimensionen des Metalllegierungskörpers und der Bearbeitungsanlage, z.B. der Walzstrasse, bestimmt sind. Der Druck im Innenraum des Containers wird durch Stempelelemente auf jeweils eine von zwei Teilflächen übertragen, wobei die Stempelelemente durch mit einer äußeren Presse verbundenen Kraftüberträger angesteuert werden. Weiterhin wird der Innenraum und das Flächensegment während des Verfahrens auf eine Prozesstemperatur gehalten, um eventuell auftretende Temperaturverluste auszugleichen. Ein Kraftüberträger steuert tuell auftretende Temperaturverluste auszugleichen. Ein Kraftüberträger steuert bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Stempelelemente alternierend und zyklisch an und überträgt den Druck der Presse auf die jeweilige Teilflächen der Flächensegmente. Nach Belastung des ersten Stempelelements mittels der Presse und des Kraftüberträgers wird der Kraftüberträger, wie z.B. eine Stahlplatte, durch die Presse entlastet und anschließend wird der Druck ausschließlich auf das zweite Stempelelement über den durch die Presse wiederbelastenden Kraftüberträger übertragen. Der Kraftüberträger bzw. die Stahlplatte werden dabei auf die Prozesstemperatur geheizt. Ebenfalls ist die Stempelfläche des ersten Stempelelements insbesondere als Ringfläche oder als Halbkreisfläche innerhalb des Innendruchmessers des Containers ausgebildet. Die Stempelfläche des zweiten Stempelelements ist passgenau und korrespondierend zur ersten Stempelfläche des ersten Stempelelements innerhalb des Innendruchmessers des Containers ausgebildet. Die Höhe des ersten Stempelelements und die Höhe des Metalllegierungskörpers zusammengenommen besitzen eine größere Höhenerstreckung als der Container. Durch die Variation der jeweiligen Überhöhe des Stempelelements und des Metalllegierungskörpers gegenüber dem Container, wird die Deformation in der Oberfläche des Metalllegierungskörpers festgelegt. Eine zu große Überhöhe relativ zum Container führt jedoch zu Instabilitäten während der Presszyklen und kann zu einem Bruch der Stempelelemente führen. Weiterhin werden die Stempelelemente während eines Presszyklusses so weit in den Metalllegierungskörper gepresst, dass die Oberkante der Stempelelemente mit der Oberkante des Containers übereinstimmen. Eine fortlaufende Anordnung von nebeneinander angeordneten Containern entlang der Oberfläche eines Metalllegierungskörpers definiert eine Vielzahl von Flächensegmenten entlang einer Ausrichtung der Oberfläche eines Metalllegierungskörpers. In den so definierten Flächensegmenten dient eine periodische Anordnung von ersten und zweiten Stempelelementen zur zyklischen, ortsabhängig alternierenden Pressung eines länglichen Metalllegierungskörpers und beeinflusst damit die Korngrößen von bestimmten Ausrichtungen entlang der Oberfläche des Metalllegierungskörpers. Dabei sind die jeweiligen ersten und zweiten Stempelelemente eines Flächensegments einzeln ansteuerbar. Weiterhin wird in jedem Flächensegment im ersten Presszyklus das ersten Stempelelement durch einen Kraftüberträger angesteuert und in einem zwei Pressungszyklus das zweite Stempelelement angesteuert und anschließend wird in einem hierzu nächstgelegenen Flächensegment ein neuer Presszyklus initiiert. Hierdurch wird durch die erfindungsgemäße Vorrichtung entlang einer Ausrichtung der Oberfläche die Korngröße der Metalllegierung verändert. Nach Abschluss aller Prozesszyklen wird der Metalllegierungskörper aus dem Container entfernt.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass nur entlang ausgewählter Ausrichtung vertikal zur Längsachse des Metalllegierungskörpers die Korngrößen reduziert werden, wobei die Ausrichtungen der reduzierten Korngrößen entlang der Oberfläche des Metalllegierungskörpers bezüglich der Längsachse des Metalllegierungskörpers symmetrisch sind und insbesondere eine Sandwich-Struktur bezüglich der behandelten und unbehandelten Oberflächen des Metalllegierungskörpers bilden.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in den übrigen Unteransprüchen beschrieben; die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen und der nachfolgenden Figuren näher beschrieben; es zeigt:
1a schematische Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bezüglich der Mittelachse symmetrischen ersten Stempelelement;
1b schematische Längsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung entlang einer periodischen Anordnung der gesamten Oberfläche mit bezüglich der Mittelachse symmetrischen ersten Stempelelementen;
2a schematische Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bezüglich der Mittelachse asymmetrischen ersten Stempelelement;
2b schematische Längsansicht der endungsgemäßen Vorrichtung entlang einer periodischen Anordnung der gesamten Oberfläche mit bezüglich der Mittelachse asymmetrischen ersten Stempelelementen;
3 schematische Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bezüglich der Mittelachse asymmetrischen ersten Stempelelement und einem rückstellenden Federelement während des zweiten Presszyklusses;
4 Aufnahme der Mikrostruktur einer Metalllegierung (AZ31) vor und nach der lokalisierten Bearbeitung entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren;
5 Exemplarische Abmessungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
6 schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Erzeugnisses.
1a zeigt eine schematische Darstellung der Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung während dreier unterschiedlicher Prozessabschnitte. Während des ersten Prozesszyklussees (linke Darstellung) wird der Metalllegierungskörper 10 innerhalb eines Containers 11 durch ein erstes Stempelelement 12 komprimiert. Dabei ist dieser schematischen Darstellung nur der Querschnitt des Metalllegierungskörpers 10 sichtbar. Die nach oben ausgerichtete Oberfläche des Metalllegierungskörpers 10 entspricht dabei einem definierten Flächensegment. Das ersten Stempelelement 12 komprimiert nur einen bezüglich der Form des Flächensegments symmetrischen Teil. Nach vollständiger Pressung des ersten Stempelelements 12 in den Metalllegierungskörper 10 wird in einem zweiten Prozessabschnitt (mittlere Darstellung) das zweite Stempelelement 13 in den verbleibenden Zwischenraum des Flächensegments eingefügt und in den Metalllegierungskörper 10 hineingepresst. Nach Abschluss diese zweiten Pressryklusses (rechte Darstellung) ist aufgrund volumentrische Rückstellkräfte das im zweiten Prozesszyklus unbelastete erste Stempelelement 12 teilweise aus dem Container 11 herausgedrückt worden und der Metalllegierungskörper 10 hat seine Ausgangsvolumenform angenommen. Während des gesamten Prozessen wird der Metalllegierungskörper 10 durch eine Heizung (nicht dargestellt) auf eine vorgegebene Prozesstemperatur temperiert oder der Metalllegierungskörper 10 besitzt selbst die erforderliche Prozesstemperatur aufgrund einer Vorheizung (nicht dargestellt).
Die 1b zeigt eine schematische Längsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei unterschiedlichen Prozessstadien. Innerhalb eines durch das erste Stempelelement 12 definierten Flächensegments A entlang der Oberfläche des Metalllegierungskörpers 10 wird das erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt, in dem in einem ersten Prozesszyklus das erste Stempelelement 12 in den Metalllegierungskörper 10 gepresst und in einem zweiten Presszyklus das zweite Stempelelement 13 ebenfalls in den Metalllegierungskörper 10 gepresst wird und das erste Stempelelement 12 unbelastet zurückrelaxiert (linke Darstellung). Anschließend wird das endungsgemäße Verfahren auf das folgende Flächensegment B und auf die anschließenden Flächensegmente entlang der Oberfläche angewendet (rechte Darstellung).
In der 2a ist eine schematische Darstellung der Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung während dreier unterschiedlicher Prozessabschnitte zu sehen. Das Flächensegment der Oberfläche des Metalllegierungskörpers wird hierbei asymmetrisch bezüglich der Mittelachse des Containers 11 belastet. Während des ersten Prozesszyklussees (linke Darstellung) wird der Metalllegierungskörper 10 innerhalb eines Containers 11 durch ein erstes asymmetrisches Stempelelement 12 komprimiert. Dabei ist in dieser schematischen Darstellung nur der Querschnitt des Metalllegierungskörpers 10 sichtbar. Das ersten Stempelelement 12 komprimiert nur einen asymmetrischen Teil des Flächensegments. Nach vollständiger Pressung des ersten Stempelelements 12 in den Metalllegierungskörper 10 wird in einem zweiten Prozessabschnitt (mittlere Darstellung) das zweite Stempelelement 13 in den verbleibenden Zwischenraum des Flächensegments eingefügt und in den Metalllegierungskörper 10 hineingepresst. Nach Abschluss diese zweiten Presszyklusses (rechte Darstellung) ist aufgrund volumentrische Rückstellkräfte das im zweiten Prozesszyklus unbelastete erste Stempelelement 12 teilweise aus dem Container 11 herausgedrückt worden und der Metalllegierungskörper 10 hat seine Ausgangsvolumenform angenommen. Während des gesamten Prozessen wird der Metalllegierungskörper 10 durch eine Heizung (nicht dargestellt) auf eine vorgegebene Prozesstemperatur temperiert oder der Metalllegierungskörper 10 besitzt selbst die erforderliche Prozesstemperatur aufgrund einer Vorheizung (nicht dargestellt).
Die 2b zeigt eine schematische Längsansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung in zwei unterschiedlichen Prozessstadien für eine asymmetrische Variante der erfinderischen Anordnung in 1b. Innerhalb eines definierten Flächensegments A wird das erfindungsgemäßen Verfahren durchgeführt, in dem in einem ersten Prozesszyklus das erste Stempelelement 12 in den Metalllegierungskörper 10 asymmetrisch gepresst und in einem zweiten Presszyklus das zweite Stempelelement 13 ebenfalls in den Metalllegierungskörper 10 gepresst wird, wobei im zweiten Presszyklus das erste Stempelelement 12 unbelastet zurückrelaxiert (linke Darstellung). Anschließend wird das erfindungsgemäße Verfahren auf das folgende Flächensegment B und auf die anschließenden Flächensegmente entlang der Oberfläche angewendet (rechte Darstellung).
3 zeigt eine schematische Queransicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem bezüglich der Mittelachse asymmetrischen ersten Stempelelement. In einem ersten Prozesszyklus wird das erste Stempelelement 12 durch einen Kraftüberträger 14, wie z.B. eine Stahlplatte, in den Container 11 gepresst (linke Darstellung). Als korrespondierende Halterung wird der Boden des Containers 11 durch eine Stahlplatte 15 fixiert. Nach Ablauf des erste Presszyklusses wird der Kraftüberträger 14 durch einen asymmetrischen Kraftüberträger 14 ersetzt (mittlere Darstellung). In dem Kraftüberträger 14 befindet sich an der zum ersten Stempelelement 12 korrespondierenden Position ein rückstellendes Federelement 16, das während des zweiten Prozesszyklussees die Relaxation des ersten Stempelelements 12 bei gleichzeitiger Kompression des zweiten Stempelelements 13 in den Metalllegierungskörpers 10 durch die gewählte Federkonstante steuert (rechte Darstellung). Durch das Federelement 16 wird zu Beginn des zweiten Presszyklusses eine rückartige Bewegung der dekomprimierenden ersten Teilfläche vermieden. Diese ruckartige Bewegung wird vor allem durch die Haftreibung zwischen der Innenfläche des Containers 11 und des ersten Stempelelements 12 bestimmt.
Die 4 zeigt eine Aufnahme der Korngrößen innerhalb eines Metalllegierungskörpers vor und nach der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Als Ausgangskörper dient eine AZ31 Magnesiumlegierung mit einer durchschnittlichen Korngröße von 800μm (4A). Nach Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei einer Prozesstemperatur von 400°C und einer Nachheizperiode nach Abschluss der Presszyklen von 30min bei 400°C ist es in der Deformationsregion der Flächensegmente zu einer Verkleinerung der Korngrößen auf durchschnittliche 17 μm gekommen. Die Verkleinerung der Korngrößen ist – gemessen von der Außenseite des Magnesiumlegierungskörpers – bis in eine Deformationstiefe von 9mm messbar.
5 zeigt zwei unterschiedliche Konfigurationen der erfindungsgemäßen Vorrichtung. In der Konfiguration 5A wird in einem kreisförmigen Container 11 mit einem Innendruchmesser von 30mm ein kreisförmiger Magnesiumlegierungskörper 10 eingeführt. Dieser Magnesiumlegierungskörper 10 wird durch ein erstes ringförmiges Stempelelement 12 belastet, wobei der Innendruchmesser des ersten Stempelelements 12 mit 15mm dem Aussendruchmesser des zweiten Stempelelements 13 entspricht. Die Stempelelemente 12,13 sind über eine Stahlplatte 14 als Kraftüberträgen mit einer äußeren Presse (nicht dargestellt) verbunden. In der Konfiguration 5B sind beide Stempelelemente 12,13 halbkreisförmig ausgebildet, wobei der jeweilige Außendurchmesser der Stempelelemente 12,13 dem Innendruckmesser des Containers 10 entspricht. Weiterhin ist in dieser Konfiguration der Kraftüberträger 14 mit einem Feder-rückstellenden Element 16 versehen. Durch das Federrückstellende Element 16 wird zu Beginn des zweiten Presszyklusses eine rückartige Bewegung der dekomprimierenden ersten Teilfläche vermieden.
Nur in diesen beiden Beispielen sind alle Abmessungen des Magnesiumlegierungskörpers 10 geringer als die des Containers 11. Auch die absoluten Abmessungen der gezeigten Konfigurationen sind nur als Beispiele im Labormaßstab anzusehen.
In der 6 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Erzeugnisses abgebildet. Der Metalllegierungskörper 10 ist dadurch gekennzeichnet, dass auf zwei, zueinander symmetrischen Seitenflächen bezüglich der Längsachse des Metalllegierungskörper 10 eine Verringerung der Korngrößen durch das erfindungsgemäße Verfahren erreicht wird und durch diese Sandwich-Struktur bezüglich der erfindungsgemäß bearbeiteten und unbearbeiteten Oberflächen die Bruch- und Rissneigung vor allem an den Rändern des Metalllegierungskörpers 10 bei der Weiterumformung, insbesondere beim Walzen, des erfindungsgemäßen Erzeugnisses reduziert wird.

10: Metalllegierungskörper
11: Container
12: erstes Stempelelement
13: zweites Stempelelement
14: Kraftüberträger
15: Stahlplatte
16: Federelement

Claims

Verfahren zur Herstellung von Metalllegierungen mit geringen Korngrößen innerhalb eines nicht-extrudierten Metalllegierungskörpers, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächen des nicht-extrudierten Metalllegierungskörpers (10) mit einer Korngröße größer als 200μm durch eine zyklische, ortsabhängig alternierende Belastung der Oberfläche des nichtextrudierten Metalllegierungskörpers (10) alternierend lokal komprimiert und dekomprimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklische, ortsabhängig alternierende Belastung der Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) durch temporären Druck mittels druckausübender Elemente auf einzelne definierte Flächensegmente der Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) ausgeübt wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Flächensegment der Oberfläche in einem ersten Presszyklus zuerst eine von zwei Teilflächen des Flächensegments mittels druckausübender Elemente belastet und in einem zweiten Presszyklus anschließend die zweite Teilfläche des Flächensegments mittels anderer druckausübender Elemente belastet wird, wobei im zweiten Presszyklus die erste Teilfläche unbelastet bleibt.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb eines Flächensegments während des zweiten Presszyklusses die nicht belastete erste Teilfläche mittels volumetrischer Kräfte innerhalb des Metalllegierungskörpers (10) und/oder mittels zugausübender Elemente und/oder mittels Feder-rückstellender Elemente relaxiert.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss des zweiten Presszyklusses der Metalllegierungskörper (10) wieder in die Ausgangsvolumenform wie vor den zwei Presszyklen zurückkehrt.
Verfahren nach Ansprüchen 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach Abschluss der zwei Presszyklen auf dem Flächensegment eine weitere Anzahl von ganzzahligen Presszyklen durchgeführt werden.
Verfahren nach Ansprüchen 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Form des jeweiligen Flächensegments symmetrisch, insbesondere kreisförmig oder rechteckig, ist.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass während der Prozesszyklen innerhalb des gesamten Metalllegierungskörpers (10) die Temperatur konstant in einem Bereich von bis zu 600°C gehalten wird.
Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) die Flächensegmente derart definiert werden, dass sie aneinander anschließen und die Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) bezüglich mindestens einer Ausrichtung senkrecht zur Längsachse des Metalllegierungskörpers (10) vollständig mit Flächensegmenten ausgefüllt sind.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Komprimierung und Dekomprimierung sukzessiv an miteinander verbundenen Flächensegmenten zyklisch und alternierend entlang der Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Komprimierung und Dekomprimierung sukzessiv an miteinander verbundenen Flächensegmenten zyklisch und gleichzeitig entlang der Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) erfolgt.
Verfahren nach Ansprüchen 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Komprimierung und Dekomprimierung sukzessiv an miteinander verbundenen Flächensegmenten zyklisch und gleichzeitig entlang bezüglich mehrerer Oberflächenausrichtungen des Metalllegierungskörpers (10) erfolgt.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf einem definierten Flächensegment auf der Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) mit grober Korngröße a) ein druckausübendes Element (12) eine von zwei Teilflächen des Flächensegments während eines ersten Presszyklusses belastet, und anschließend b) ein anderes, zum ersten passgenau korrespondierendes, druckausübendes Element (13) auf die andere, zweite Teilfläche aufgebracht und in einem anschließenden zweiten Pressenzyklus diese zweite Teilfläche belastet.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein druckbeständiger Container (11) parallel zur Oberfläche des Metalllegierungskörpers (10) zur vertikalen Führung der druckausübenden Elemente (12,13) dient, wobei ein Flächensegment durch den Innendurchmesser des Containers (11) definiert ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die druckausübenden Elemente (12,13) korrespondierend und passgenau den Innendurchmesser des Containers (11) ausfüllen.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des Metalllegierungskörpers (10) dem Querschnitt des Containers (11) entspricht.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Presse den Druck im Innenraum des Containers (11) durch Stempelelemente (12,13) auf jeweils eine von zwei Teilflächen erzeugt.
Vorrichtung nach den Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass ein mit der Presse verbundener Kraftüberträger (14) alternierend und zyk lisch die Stempelelemente (12,13) ansteuert und den Druck der Presse auf die jeweilige Teilfläche der Stempelelemente (12,13) überträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass nach Belastung des ersten Stempelelements (12) mittels der Presse und des Kraftüberträgers (14), der Kraftüberträger (14) entlastet und anschließend ausschließlich über das zweite Stempelelement (13) der Druck der Presse über den wiederbelastenden Kraftüberträger (14) übertragen wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Metalllegierungskörper (10), die Stempelelemente (12,13), der Kraftüberträger (14) und die Stahlplatte (15) auf eine konstante Prozesstemperatur in einem Bereich von bis 600°C aufgeheizt sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelfläche des ersten Stempelelements (12) insbesondere als äußere, mit dem Innendurchmesser des Containers (11) korrespondierende Fläche mit einer kreisförmigen Aussparung oder als halbseitig den Innendurchmesser des Containers (11) füllende Fläche angeordnet und die zweite Teilfläche korrespondierend zur ersten Teilfläche innerhalb des Innendruchmessers des Containers (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelfläche des zweiten Stempelelements (13) passgenau und korrespondierend zur ersten Stempelfläche des ersten Stempelelements (12) innerhalb des Innendruchmessers des Containers (11) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Höhe der Stempelelemente (12,13) und die Höhe des Metalllegierungskörpers (10) zusammengenommen größer als die Höhe des Containers (11) ist, wobei die Stempelelemente (12,13) jeweils während eines Presszyklusses so weit in den Metalllegierungskörper (10) gepresst werden, dass die Oberkante der jeweiligen Stempelelemente (12,13) mit der Oberkante des Containers (11) übereinstimmt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen ersten (12) und zweiten Stempelelemente (13) eines Flächensegments einzeln ansteuerbar sind.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem Flächensegment im ersten Presszyklus das erste Stempelelement (12) durch einen Kraftüberträger (14) angesteuert und in einem zwei Pressungszyklus das zweite Stempelelement (13) angesteuert wird und anschließend im hierzu nächstgelegenen Flächensegment ein neuer Presszyklus initiiert wird.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 17 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich einer Ausrichtung senkrecht zur Längsachse des Metalllegierungskörpers alle Flächensegmente im ersten Presszyklus das jeweils erste Stempelelement (12) durch einen Kraftüberträger (14) angesteuert und in einem zwei Pressungszyklus das jeweils zweite Stempelelement (13) gleichzeitig angesteuert wird.