DE19800593A1 - Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zustand - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zustand, insbesondere mittels eines Thixogießverfahrens, mit einem Gießwerkstoff, welcher zunächst als Vormaterial hergestellt und beim anschlie­ ßenden Gießverfahren bis zu einem teilflüssigen Zustand wieder erwärmt wird, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zukünftige Entwicklungen in der Leichtbautechnik hängen insbesondere von den Werkstoffeigenschaften der eingesetzten Bauteile ab. Die Forderung nach immer besseren Eigenschaften dieser Bauteile aus gegossenen Werkstoffen bedingen die Entwicklung von technologisch immer anspruchsvolleren Gießverfahren. Hier­ bei werden beispielsweise Bauteile mit lokal unterschiedlichen Werkstoffeigen­ schaften angestrebt. Beispielsweise soll der Bauteilkörper selbst aus einem dukti­ len Trägerwerkstoff bestehen, während Randbereiche des Bauteils aus einem be­ sonders verschleißfesten Werkstoff hergestellt sein sollen. Ein Sondergießverfah­ ren aus der Klasse des "Semi-Solid-Metalforming" stellt das Thixogießen dar. Die­ ses mit dem Druckgießen verwandte Verfahren zeichnet sich durch die Besonder­ heit der Verarbeitung des Metalls im teilflüssigen Zustand aus. Aufgrund der für einen Umformprozeß völlig untypischen "Gießtemperatur" innerhalb des Erstar­ rungsintervalls bietet das Thixogießen ein Verfahrenspotential, das zwischen dem Umformen von Gießverfahren und dem Umformen durch Schmiedeprozesse ein­ geordnet werden kann. Aus der DE 196 05 839 A1 ist ein Thixogießverfahren be­ kannt, welches die Anforderungen, die an eine wirtschaftliche und innovative Fer­ tigungstechnologie gestellt werden, erfüllt. Dazu zählen eine hohe Produktivität wie beim Druckgießen, bei gleichzeitig sehr guten Bauteileeigenschaften. Die nach diesem Sondergießverfahren hergestellten Gußteile in "Near-Net-Shape"- Qualität sind schweißbar, druckdicht und wärmebehandelbar. Ein typisches An­ wendungsgebiet liegt in der Substitution hochwertiger Bauteile, die aufgrund hoher Anforderungen an die Werkstoffeigenschaften nicht druckgegossen werden kön­ nen, sondern kostenintensiv geschmiedet oder kokillengegossen werden müssen. Zu den typischen Bauteilen zählen z. B. Bremszylinder, Teile der Kfz-Ein­ spritzanlage, Kfz-Fahrwerksteile, Bremsscheiben, Zahnräder und/oder Kolben für den Motorenbereich.

Der Verfahrensablauf des Thixogießens läßt sich dabei in drei Prozeßschritte un­ terteilen. Hierzu zählen die Herstellung eines speziellen Vormaterials, dessen Wiedererwärmung in den teilflüssigen Zustand und die unmittelbar angeschlosse­ ne Formgebung durch einen modifizierten Druckgießprozeß. Jeder einzelne Schritt beinhaltet eine Vielzahl von Parametern, deren genaue Kontrolle und Steuerung für den Erfolg des Verfahrens von entscheidender Bedeutung sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren der o. g. Art zur Verfügung zu stellen, wobei auf einfache und gut kontrollierbare bzw. wieder­ holbare Weise lokal vorbestimmte Werkstoffeigenschaften eines herzustellenden Bauteils erzielbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.

Hierzu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß das Vormaterial aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt wird, welche im Vormaterial separat durch wenigstens eine Grenzlinie voneinander getrennt angeordnet werden. Dies hat den Vorteil, daß in einem einzigen Gießverfahren wenigstens zwei unter­ schiedliche Legierungen verarbeitet werden und somit in einem einzigen Gießvor­ gang funktionsbezogene Eigenschaftsverbesserungen der Bauteile erzielbar sind. Ferner werden Grenzflächenspannungen der unterschiedlichen Werkstoffe durch die gemeinsame Verarbeitung im teilflüssigen Zustand reduziert. Ferner wird durch die Verarbeitung im teilflüssigen Zustand eine Ausgangsstruktur während des Formgebungsprozesses beibehalten. Im Gegensatz zum Druckguß sind die erfindungsgemäß hergestellten Bauteile druckdicht, wärmebehandelbar und schweißbar.

Zum Erzielen unterschiedlichster Werkstoffeigenschaften des herzustellenden Bauteils ist wenigstens einer der Werkstoffe eine Legierung.

Für eine einfache Ausführung des Thixogießverfahrens wird in vorteilhafter Weise das Vormaterial als einzelner Bolzen vorgefertigt. In einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird je ein Bolzen aus jeweils ei­ nem Werkstoff hergestellt und anschließend die mehreren Bolzen zum Ausführen des Thixogießverfahrens aneinander gereiht. Hierbei wird ein sog. SSP-Verfahren angewendet, wie aus der obengenannten DE 196 05 839.2 bekannt.

Zweckmäßigerweise wird zuerst ein Bolzen des Vormaterials aus einem ersten Werkstoff mit einer Ausnehmung hergestellt und anschließend zur Vervollständi­ gung des Bolzens als Vormaterial wenigstens ein zweiter Werkstoff diese Aus­ nehmung füllend eingeformt.

In einer anderen vorteilhaften Ausführungsform wird zuerst ein Bolzen des Vor­ materials aus einem ersten Werkstoff hergestellt und anschließend zur Vervoll­ ständigung des Bolzens als Vormaterial wenigstens ein zweiter Werkstoff um die­ sen Bolzen herum und diesen in einem vorbestimmten Bereich umschließend an­ geformt.

Ein Vormaterial beispielsweise in Form eines Gradientenbolzens erzielt man in besonders vorteilhafter Weise dadurch, daß pulvermetallurgische Vorlegierungen zum Herstellen des Vormaterials verwendet werden oder ein Single-Slug-Pro­ duction-Verfahren (SSP) gemäß der DE 196 05 839 angewendet wird.

Zweckmäßigerweise werden als Vormaterial Eisen, eine NE-Legierung und/oder pulvermetallurgisch hergestellte Verbunde verwendet.

In einer besonders bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Wiedererwärmung der separiert voneinander vorliegenden Werkstoffe des Vormaterials gemeinsam oder getrennt und die Werkstoffe werden anschlie­ ßend zusammen in eine Gießkammer eingelegt und gemeinsam verpreßt.

Dadurch, daß man einzelne Bolzen aus dem Vormaterial herstellt, wobei man die Erstarrung des Materials unter erhöhtem Druck und Anlegen eines äußeren Ma­ gnetfelds ausführt, entfallen zeit- und kostenaufwendige Arbeitsschritte, wie bei­ spielsweise das Ablengen und/oder Abdrehen der Bolzen. Dieses Verfahren wird auch als Single-Slug-Production (SSP) bezeichnet.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird zur Lösung der obigen Aufgabe bei einem Verfahren der o. g. Art das Vormaterial getrennt aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt, welche jeweils getrennt in teilflüssigem Zustand jeweils in voneinander getrennten Gießkammern einer Form gelegt und gleichzeitig in die Form gepreßt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform eines Vormaterials für ein erfindungsgemäßes Verfahren,

Fig. 2 in Schnittansicht eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines Vormaterials für ein erfindungsgemäßes Verfahren und

Fig. 3 eine Vorrichtung zum Ausführen eines Thixogießverfahrens mit ei­ nem erfindungsgemäß vorbereiteten Vormaterial.

Fig. 1 zeigt eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß her­ gestellten Vormaterials 100 aus einer ersten Legierung 10 und einer zweiten Le­ gierung 12. Die beiden Legierungen 10 und 12 sind durch eine Grenzlinie 14 von­ einander getrennt. Hierbei kann das Vormaterial 100 aus den beiden Legierungen 10 und 12 einstückig hergestellt sein oder die jeweiligen Vormaterialbolzen 10 und 12 sind separat hergestellt und stoßen an der Grenzlinie 14 einfach aneinander.

Dementsprechend erfolgt die Wiedererwärmung für das Thixogießverfahren für die beiden Vormaterialbolzen 10 und 12 gemeinsam oder getrennt voneinander.

Fig. 2 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäß her­ gerichteten Vormaterials 200. Hierbei ist die erste Legierung 10 derart ausgebildet, daß sie die zweite Legierung 12 in einem vorbestimmten Bereich umschließt. In diesem Falle ist eine im Querschnitt U-förmige Grenzlinie 14 zwischen der ersten Legierung 10 und der zweiten Legierung 12 ausgebildet. Die Herstellung eines derartigen Bolzens aus zwei verschiedenen Legierungen kann auf unterschiedli­ che Weise erfolgen. In einer ersten Ausführungsform wird zunächst der im Quer­ schnitt U-förmige Bolzen mit der ersten Legierung 10 hergestellt. In einem zweiten Schritt wird die von dem Bolzen der ersten Legierung 10 umschlossene Ausneh­ mung mit der zweiten Legierung 12 aufgefüllt. Es ist jedoch auch in umgekehrter Weise möglich, zuerst den Bolzen mit der zweiten Legierung 12 herzustellen und die erste Legierung 10 um die zweite Legierung 12 herum anzuformen.

Erfindungsgemäß ist also ein Vormaterial 100 oder 200 vorgesehen, welches we­ nigstens zwei verschiedene Werkstoffe, beispielsweise in Form von erster und zweiter Legierung 10 und 12, umfaßt. Der besondere Vorteil liegt darin, daß nun­ mehr durch die Verarbeitung dieses "Hybrid"-Vormaterials in einem einzigen Ver­ fahrensschritt beim Thixogießen oder Thixoschmieden wenigstens zwei verschie­ dene Materialien 10, 12 verarbeitet werden. Hierbei wird beispielsweise ein Vor­ material 100 in eine Gießkammer 16 einer Thixogießvorrichtung, wie in Fig. 3 dar­ gestellt, eingesetzt. Hierbei erfolgt die Anordnung des Vormaterials 100 derart, daß beim Einpressen des Vormaterials 100 mittels des Kolbens 20 in einen For­ minnenraum 18 zuerst die erste Legierung 10 eintritt und erst anschließend die zweite Legierung in den Formenraum 18 eintritt. Die erste Legierung 10 ist bei­ spielsweise ein Werkstoff mit hoher Verschließfestigkeit, wogegen die zweite Le­ gierung 12 beispielsweise ein Werkstoff mit duktilen Eigenschaften zum Ausbilden eines Trägerkörpers des herzustellenden Bauteils ist.

Durch die entsprechende Anordnung der ersten und zweiten Legierung 10 und 12, daß sie in einem einzigen Thixogießverfahren nacheinander in den Formeninnen­ raum 18 eindringen, wird folgendes erzielt:
Der erste Werkstoff, hier beispielsweise die erste Legierung 10, reichert bzw. la­ gert sich an äußeren Bereichen des Formeninnenraums 18, d. h. also an Außenbe­ reichen des herzustellenden Bauteils, an, so daß der erste Werkstoff 10 mit seiner verschleißfesten Eigenschaft eine äußere Grenzfläche des Bauteils bildet. Dage­ gen füllt im Anschluß der zweite Werkstoff 12 den Formeninnenraum 18 aus, so daß der zweite Werkstoff 12 mit seiner duktilen Eigenschaft einen Trägerkörper des herzustellenden Bauteils bildet.

Somit ist in einem einzigen Arbeitsschritt ein Bauteil hergestellt, welches lokal un­ terschiedliche Eigenschaften aufweist, nämlich eine verschleißfeste Außenfläche und einen duktilen Trägerkörper. Der besondere Vorteil liegt in der Wirtschaftlich­ keit des Gradientenverfahrens, da konventionell mehrere Arbeitsschritte zur Bau­ teilerstellung notwendig sind. Des weiteren erzielt man beispielsweise mit einem ausschließlich verschleißfesten Material keine Duktilität, welche aber oftmals ge­ fordert ist.

Diese erfindungsgemäße "Einschritt"-Technik für das Thixogießverfahren, bei der in einem einzigen Schritt wenigstens zwei unterschiedliche Werkstoffe verarbeitet werden, kann in vorteilhafter Weise noch dadurch unterstützt werden, daß für den Forminnenraum 18 entsprechende Schnitte und Ausformungen gewählt werden, so daß vorbestimmte Strömungsprozesse des teilflüssigen Materials während des Thixogießverfahrens dafür sorgen, daß beispielsweise der erste Werkstoff 10 mit seiner verschleißfesten Eigenschaft an vorbestimmten Stellen des Formeninnen­ raums 18 angereichert wird. Weiterhin kann dies durch eine entsprechende Er­ wärmungstechnik während des Thixogießverfahrens unterstützt werden, da übli­ cherweise die beiden verschiedenen Werkstoffe 10 und 12 nicht unbedingt die exakt gleiche Verarbeitungstemperatur während des Thixogießverfahrens benöti­ gen. So können beispielsweise der erste Werkstoff 10 und der zweite Werkstoff 12 derart gewählt werden, daß der erste Werkstoff 10 eine niedrigere Verarbeitung­ stemperatur hat als der zweite Werkstoff 12. Während des Thixogießverfahrens wird dann in einem ersten Schritt zunächst die niedrigere Verarbeitungstemperatur der ersten Legierung 10 angefahren, so daß diese sich optimal auf den Randbe­ reichen des Innenraums 18 verteilt. Erst im Verlaufe des Thixogießverfahrens wird dann auf die zweite, höhere Verarbeitungstemperatur der zweiten Legierung 12 gefahren, so daß erst nach einer optimalen und vorbestimmten Verteilung der er­ sten Legierung 10 eine entsprechende Verteilung der zweiten Legierung 12 im Formeninnenraum 18 erfolgt. Hierbei füllt die zweite Legierung 12 im wesentlichen einen inneren Formenraum unter Ausbildung eines Trägerkörpers für das herzu­ stellende Bauteil aus.

Falls die verschiedenen Vormaterialien, die in einem Bolzen zusammengefügt werden, ein ähnliches Erwärmungsverhalten aufweisen, können diese gemeinsam in einer Erwärmungsanlage in den teilflüssigen Zustand erwärmt werden. Sind die Materialien im Erwärmungsverhalten stark unterschiedlich, sind bevorzugt zwei Aufheizstationen erforderlich. Beide Aufheizstationen haben die gleiche Taktzeit und die Bolzensegmente werden zur gleichen Zeit oder mit geringer Verzögerung (<1 Sekunde) in die Gießkammer befördert und dann gemeinsam verarbeitet bzw. verpreßt.

Erfindungsgemäß ist das Verfahren nicht auf die Verwendung von zwei unter­ schiedlichen Werkstoffen 10 und 12 beschränkt. Vielmehr können dies auch drei, vier oder mehr Werkstoffe sein. In einem Extremfall weist das Vormaterial nicht mehr eine endliche Anzahl von verschiedenen Werkstoffen 10, 12 auf, sondern ist als Gradientenbolzen ausgeführt. Dieser kann in allen bekannten Fertigungstech­ nologien für das Verarbeiten von teilflüssigen Werkstoffen eingesetzt werden.

Eine weitere Möglichkeit der Verarbeitung teilflüssiger Werkstoffe mit dem Ziel eines Gradientenbauteils ist eine Befüllung der Form von zwei Seiten oder an zwei übereinander bzw. nebeneinander angeordneten Gießkammern. Die Bolzen wer­ den zeitgleich von jeweils einer Aufheizstation in die rechte und linke Gießkammer bzw. obere und untere Kammer eingelegt und dann werden beide Gießkolben der Druckgießmaschine zum Formfüllen bewegt und das Material in die Form beför­ dert. Durch die Einstellung der Prozeßparameter an der Formgebungsseite erfolgt eine genaue Einstellung des Gradientengefüges.

Claims (11)

1. Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zu­ stand, insbesondere mittels eines Thixogießverfahrens oder Thixoschmiedever­ fahrens, mit einem Gießwerkstoff, welcher zunächst als Vormaterial hergestellt und beim anschließenden Gießverfahren bis zu einem teilflüssigen Zustand wie­ der erwärmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen hergestellt wird, welche im Vormaterial separat durch wenigstens eine Grenzlinie voneinander ge­ trennt angeordnet werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ei­ ner der Werkstoffe eine Legierung ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vor­ material als einzelner Bolzen vorgefertigt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß je ein einzelner Bolzen aus jeweils einem Werkstoff hergestellt wird und die mehreren Bolzen zum Ausführen des Thixogießverfahrens oder Thixoschmiedeverfahrens aneinander gereiht werden.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zuerst ein Bolzen des Vormaterials aus einem ersten Werkstoff mit einer Ausnehmung hergestellt wird und anschließend zur Vervollständigung des Bolzens als Vormaterial wenigstens ein zweiter Werkstoff diese Ausnehmung fül­ lend eingeformt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zuerst ein Bolzen des Vormaterials aus einem ersten Werkstoff hergestellt wird und anschließend zur Vervollständigung des Bolzens als Vormaterial wenigstens ein zweiter Bolzen um diesen Bolzen herum und diesen in einem vorbestimmten Bereich umschließend angeformt wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß metallurgische Vorlegierungen zum Herstellen des Vormaterials verwendet werden.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Vormaterial Eisen, eine NE-Legierung und/oder pulvermetallur­ gisch hergestellte Verbunde verwendet werden.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Wiedererwärmung der separiert voneinander vorliegenden Werkstoffe des Vormaterials gemeinsam oder getrennt erfolgt und die Werkstoffe anschließend zusammen in eine Gießkammer eingelegt und verpreßt werden.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß man einzelne Bolzen aus dem Vormaterial herstellt, wobei man eine Erstarrung des Materials unter erhöhtem Druck und Anlegen eines äußeren Ma­ gnetfeldes ausführt.

11. Verfahren zum Herstellen eines Gradientenbauteils im teilflüssigen Zu­ stand, insbesondere mittels eines Thixogießverfahrens oder Thixoschmiedever­ fahrens, mit einem Gießwerkstoff, welcher zunächst als Vormaterial hergestellt und beim anschließenden Gießverfahren bis zu einem teilflüssigen Zustand wie­ der erwärmt wird, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Vormaterial getrennt aus wenigstens zwei verschiedenen Werkstoffen herge­ stellt wird, welche jeweils getrennt in teilflüssigem Zustand jeweils in voneinander getrennten Gießkammern einer Form gelegt und gleichzeitig in die Form gepreßt werden.