DE19909519A1 - Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallrades - Google Patents

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallrades vorgeschlagen, bei dem eine aus einer Aluminiumlegierung vorgefertigte, insbesondere eine gegossene, Vorform bei einer Lösungsglühtemperatur einem Lösungsglühvorgang unterworfen wird und anschließend durch Drückwalzen umgeformt wird. Dabei wird das Drückwalzen als ein Warmwalzen bei einer Drückwalztemperatur durchgeführt, welche zwischen der Lösungsglühtemperatur und einer Temperatur von etwa 250 DEG C liegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallrades gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Bei der Herstellung eines Leichtmetallrades wird aus einer Aluminiumlegierung ein Werkstück vorgefertigt, welches bei einer Lösungsglühtemperatur einem Lösungsglühvorgang unter­ worfen und anschließend durch Drückwalzen umgeformt wird.

Zur Herstellung von Fahrzeugrädern aus Aluminiumlegierun­ gen bestehen grundsätzlich zwei Möglichkeiten. Zum einen kann von einer geschmiedeten, zum anderen von einer gegos­ senen Vorform ausgegangen werden.

Beiden Möglichkeiten gemeinsam ist die Notwendigkeit einer Wärmebehandlung nach dem Schmieden oder Gießen. Die Wärme­ behandlungsschritte Lösungsglühen, Abschrecken und Aus­ lagern werden zur Festigkeitssteigerung der verwendeten Legierungen angewendet. Hierdurch wird eine ausreichende Festigkeit des Rades bei einer möglichst geringen Wand­ stärke erreicht.

Die Herstellung geschmiedeter Aluminium-Räder geht übli­ cherweise in folgender Reihenfolge vonstatten:

• - Schmieden des Materials zu einer Zwischenform;
• - Erwärmen der Zwischenform auf Lösungsglühtemperatur;
• - Abschrecken der Zwischenform;
• - Auslagern der Zwischenform zur Festigkeitssteigerung;
• - Bearbeitung der Zwischenform auf Endmaß durch eine span­ abhebende Bearbeitung.

Ein wesentlicher Vorteil von geschmiedeten Leichtmetall- Rädern ist das homogene und verfestigte Gefüge, daß durch den Schmiedeprozeß eingestellt wird. Damit ist die Grund­ voraussetzung für geringe Wanddicken an den Rädern gegeben, sofern sich die Toleranzbreite dieser Wanddicke aus dem Verfahrensablauf in engen Grenzen hält.

Die hohen Herstellkosten der Werkzeuge beim Schmieden bil­ den einen Teil der hohen Produktionskosten der geschmiede­ ten Leichtmetallräder. Die Schmiedeoperation ist durch die während des Schmiedens zwingend auftretenden Materialver­ drängungen verhältnismäßig unflexibel und die Formgestal­ tung der Leichtmetallräder ist in ihrer vom Markt gewünsch­ ten Vielfalt sehr stark eingeschränkt. Aufgrund des erwähn­ ten Verfahrensablaufes innerhalb des Herstellungsprozesses entsteht während und nach der Wärmebehandlung ein erhebli­ cher geometrischer Verzug des geschmiedeten Rades. Deshalb sind entsprechende Aufmaße zur spanabhebenden Bearbeitung der rotationssymmetrischen Bereiche des Rades zwingend er­ forderlich.

Die Herstellung von Aluminium-Rädern unter Einsatz der Gießtechnik vollzieht sich im wesentlichen in folgender Reihenfolge:

• - Gießen des Materials zu einer Vorform;
• - Erwärmen der Vorform auf Lösungsglühtemperatur;
• - Abschrecken der Vorform auf Raumtemperatur;
• - Auslagern der Vorform zur Festigkeitssteigerung;
• - Bearbeiten der Vorform auf Endmaß durch spanab­ hebende Bearbeitung.

Die wesentlichen Vorteile von gegossenen Leichtmetallrädern sind im Gießprozeß selbst begründet. Der kostengünstige Prozeß mit den zugehörigen Werkzeugen ermöglicht die vom Markt gewünschte Gestaltungsvielfalt in der Formgebung.

Beim Gießen komplex gestalteter Aluminiumräder steigt je­ doch die Gefahr der Lunkerbildung und damit der Ausschuß gegossener Aluminium-Räder. Weiterhin sind sowohl aus gieß­ technischen Gründen als auch aufgrund ungünstiger Festig­ keitseigenschaften der Gußmaterialien vergleichsweise gro­ ße Wandstärken erforderlich, die ein erhöhtes Gewicht zur Folge haben. Dies steht aber im Widerspruch zu dem grund­ legenden Zweck von Leichtmetall-Rädern, nämlich die unge­ federten Massen an Fahrzeugen zu reduzieren.

Schließlich muß wegen der Gußschrumpfung und eines Mate­ rialverzuges bei einer notwendigen nachfolgenden Wärmebe­ handlung ein relativ großes Bearbeitungsaufmaß vorgesehen werden, welches eine aufwendige spanabhebende Bearbeitung notwendig macht.

Zu beiden genannten Verfahren zur Herstellung von Alumini­ um-Rädern ist bekannt, diese durch Integrieren eines Drück­ walzvorganges in den Herstellungsprozeß zu verbessern. Durch das Drückwalzen wird eine Gefügestruktur erzielt, die wesentlich günstigere Festigkeit- und Zähigkeitseigenschaf­ ten aufweist. Diese läßt dann eine erhebliche Gewichtsredu­ zierung der Räder zu.

Derartige Verfahren gehen beispielsweise aus der DE-AS 12 97 570, DE-A 44 42 465 oder der US-PS 4,528,734 hervor. Es werden typischerweise folgende Verfahrensschritte in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt:

• - Gießen des Materials zu einer Vorform;
• - Drückwalzen der Vorform;
• - Erwärmen der Zwischenform auf Lösungsglühtemperatur;
• - Abschrecken der Zwischenform auf Raumtemperatur;
• - Auslagern der Zwischenform zur Festigkeitssteigerung;
• - Bearbeitung der Zwischenform auf Endmaß durch span­ abhebende Bearbeitung.

Ein Nachteil dieser Verfahren ist, daß weiterhin ein er­ heblicher Materialverzug nach dem Lösungsglühen auftritt. Es ist also auch hier bei der Materialvolumenauslegung der Vorform ein Bearbeitungsaufmaß für die anschließende span­ abhebende Bearbeitung zu berücksichtigen.

Eine gewisse Reduktion des Verzugs wird durch ein gattungs­ gemäßes Verfahren nach der WO-94/19127 erreicht. Bei diesem Verfahren wird ein gegossener Rohling zunächst einem Lö­ sungsglühen bei 530°C unterzogen und nach anschließen­ dem Abschrecken auf 200°C bei dieser Temperatur unter Vermeidung einer weiteren Erwärmung zum gewünschten Fahr­ zeugrad drückgewalzt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein besonders effizientes Verfahren zur Her­ stellung von Leichtmetallrädern anzugeben, mit dem ein Rad möglichst endkonturennah spanlos gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren nach dem Patentan­ spruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen der Er­ findung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallrades wird zunächst ein aus einer Aluminium­ legierung geformtes Werkstück, welches - je nach Verfah­ rensstadium - im folgenden auch Vorform oder Zwischenform genannt wird, einem Lösungsglühvorgang unterzogen und an­ schließend durch Drückwalzen umgeformt. Erfindungsgemäß wird dabei das Drückwalzen als ein Warmwalzen bei einer Drückwalztemperatur durchgeführt, welche bei oder unterhalb der Lösungsglühtemperatur von etwa 530°C und oberhalb einer üblichen Auslagerungstemperatur von etwa 180°C liegt.

Ein erster Aspekt der Erfindung liegt darin, daß das Drück­ walzen erst nach dem Lösungsglühen durchgeführt wird. Bei den herkömmlichen Verfahren entsteht durch das Lösungsglü­ hen und das nachfolgende Abschrecken immer ein Verzug des Werkstückes. Ursachen dafür sind das Freiwerden von Eigen­ spannungen und Verwerfungen beim Abschrecken des Rades. Die erforderliche Lösungsglühtemperatur senkt die Streck­ grenze der drückgewalzten Werkstücke so weit herab, daß die Eigenspannungen größer als die Streckgrenze werden und da­ mit zur bleibenden Verformung, d. h. einem Verzug des Mate­ rials führen. Ein beim Lösungsglühen auftretender Material­ verzug kann so bei dem nachfolgend als Warmwalzen durchge­ führten Drückwalzen berücksichtigt und ausgeglichen werden. Dadurch entstehen wesentlich geringere Maßänderungen als beim konventionellen Prozeß. Zu berücksichtigen sind dann nur noch die beim Abschrecken des Rades entstehenden Ver­ werfungen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist wesentlich, daß beim Drückwalzen möglichst keine zusätzlichen hohen Spannungen in das Materialgefüge eingebracht werden. Dies wird durch ein Warmwalzen bei einer Temperatur von zumin­ dest 250°C erreicht, wobei aber die Lösungsglühtempera­ tur nicht überschritten wird.

Bei dem erfindungsgemäßen Drückwalzen eines lösungsgeglüh­ ten Rades in einem Warmzustand hat sich überraschend her­ ausgestellt, daß beim Abkühlen des drückgewalzten Werk­ stücks von einer höheren Temperatur gegenüber dem konven­ tionell wärmebehandelten Rad - wider Erwarten - kein grö­ ßerer Verzug, sondern ein geringer oder kein Verzug ein­ tritt. Bei dem Verfahren bleibt das Materialgefüge span­ nungsarm und es kann sogar zu einer Reduktion der Spannun­ gen im Aluminium-Mischkristall kommen. Als eine Erklärung hierfür kann angesehen werden, daß durch den beim Drück­ walzen bewirkten dreidimensionalen Spannungszustand bei der temperaturbedingt erhöhten Beweglichkeit der Atome diese im lösungsgeglühten Mischkristallgefüge energetisch noch gün­ stigere Positionen einnehmen können, was die Eigenspannun­ gen im Gefüge herabsetzt. Durch diese Spannungsarmut im Gefüge nach dem Drückwalzen wird erreicht, daß beim Abküh­ len des drückgewalzten Rades kaum ein Materialverzug auf­ tritt.

Mit der Erfindung wird so ein endkonturennahes Formen eines Fahrzeugrades mit hoher Festigkeit bei großer Gestaltungs­ freiheit erreicht, bei dem nur noch sehr geringe oder sogar praktisch keine Materialverzüge auftreten. Eine spanabhe­ bende Bearbeitung des Werkstückes zu einer Endform ist da­ bei kaum oder sogar überhaupt nicht mehr notwendig. Inso­ fern ergeben sich geringere Material- und Bearbeitungsko­ sten.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Werkstück nach dem Lösungsglühvorgang und/oder nach dem Drückwalzen auf eine Abschrecktemperatur, insbesondere auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt.

Unter Abschrecken versteht man in diesem Zusammenhang eine sehr schnelle Abkühlung des Werkstücks, die beispielsweise auf einfache Art und Weise durch Absprühen oder Bebrausen mit Wasser oder auch mit Hilfe eines Ölbads erreicht wer­ den kann.

Beim Lösungsglühen bei einer Lösungsglühtemperatur von etwa 530°C wird eine hohe Löslichkeit der Aluminium-α- Mischkristallphase angestrebt. Dabei lagern sich Atome der anderen Legierungselemente, wie z. B. Silizium und Magnesium in die Aluminium-Matrix ein, was sich vorteilhaft auf die Festigkeitseigenschaften des Materials auswirkt. Durch das Abschrecken nach dem Lösungsglühen wird das entstandene Gefüge fixiert. Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer Zwangslösung von Legierungsatomen im α-Mischkri­ stall. Darüber hinaus wird durch das Abschrecken in vor­ teilhafter Weise eine anschließende weitere Aushärtung des Materials, etwa durch Auslagern, ermöglicht.

Ein Abschrecken des Werkstücks nach dem Drückwalzen kann ebenfalls vorteilhaft sein, um unerwünschte Ausscheidungs­ prozesse zuverlässig zu unterdrücken.

In einer vorteilhaften Weiterentwicklung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird das Werkstück nach dem Lösungs­ glühvorgang und/oder nach dem Drückwalzen bei einer Aus­ lagerungstemperatur, insbesondere bei etwa 180°C einem Auslagerungsvorgang unterzogen.

Bei dieser Auslagerungstemperatur, die höher ist als Raum­ temperatur, liegt besonders gute Auslagerung vor. Hierfür wird der übersättigte Mischkristall mit den eingebundenen Legierungsatomen bei dieser Temperatur eine bestimmte Zeit, insbesondere zwei bis sechs Stunden, gehalten.

Da sich das Materialgefüge fernab des thermischen Gleichge­ wichts befindet, lassen sich während des Auslagerungsvor­ gangs gezielt fein verteilte Materialausscheidungen im Kri­ stallgefüge einstellten. Die Festigkeit des Gefüges hängt dabei von der Größe dieser Ausscheidungen ab. Je niedriger die Auslagerungstemperatur ist, desto langsamer bilden sich die die Festigkeit des Werkstoffs erhöhenden Ausscheidun­ gen, desto länger dauert es also bis eine bestimmte End­ härte erreicht ist. Wird aber die Warmbehandlung zu lange fortgesetzt, erfolgt ein Absinken der mechanischen Eigen­ schaften.

Auslagerungsvorgänge finden, wenn auch in geringerem Umfang, bereits bei Raumtemperatur statt. Die dadurch bei­ spielsweise innerhalb von zwei bis fünf Tagen erreichten Festigkeitssteigerungen des Materials können für einige Anforderungen ausreichend sein. Das heißt, daß in diesen Fällen der Vorteil erreicht wird, daß auf das Warmauslagern verzichtet werden kann. Dabei werden der Erwärmungsofen so­ wie die Energie zur Aufwärmung der Werkstücke eingespart, wodurch weitere Kosten eingespart werden können. Darüber hinaus reduziert sich die Herstellungszeit um die Dauer der Warmauslagerung.

Bei einer weiteren bevorzugten Fortbildung der Erfindung wird beim Drückwalzen ein Materialüberschuß an dem Werk­ stück belassen und das Werkstück nach dem Drückwalzen durch einen spanabhebenden Prozeß zu einer Endform bearbeitet. Hierdurch können sehr geringe Toleranzen eingehalten wer­ den. Die spanabhebende Bearbeitung kann dabei nur an Teil­ bereichen des Rades ausgeführt werden, etwa an den Felgen­ hörnern oder der Felgenschalter, an welcher eine passgenaue Anlage des Reifens gewünscht ist.

Besonders gute Ergebnisse werden mit den Legierungen GK-AlSi7Mg, GK-AlSi11Mg oder GK-AlSi12Mg erzielt.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Drückwalzen bei einer Drückwalztemperatur durchgeführt wird, die oberhalb, insbesondere um mindestens 50°C über einer Auslage­ rungstemperatur liegt. Bei dieser Temperatur ist eine Warm­ umformung möglich. Während des Drückwalzens vollziehen sich dann beschleunigt Auslagerungsprozesse, die eine nach­ geordnete Warmauslagerungsbehandlung gegebenenfalls über­ flüssig machen. Dadurch kann der langwierige und kosten­ intensive Verfahrensabschnitt des Warmauslagerns eingespart . werden. Eine hohe Festigkeit kann gezielt dadurch erreicht werden, daß die Rekristallisationstemperatur der Legierung nicht überschritten wird. Besonders bevorzugt ist es, die Vorform unmittelbar nach, längstens jedoch zwei bis drei Stunden nach dem Abschrecken drückzuwalzen.

Bei einer ebenfalls bevorzugten Weiterentwicklung des er­ findungsgemäßen Verfahrens wird das Drückwalzen bei einer Drückwalztemperatur durchgeführt, welche im wesentlichen der Lösungsglühtemperatur entspricht. Man erreicht da­ durch den Vorteil, daß bei dieser Temperatur die Löslich­ keit der Fremdatome sehr hoch ist und damit unerwünschte Ausscheidungen effektiv unterdrückt werden.

Vorteilhaft kann es weiterhin aber auch sein, wenn die Drückwalztemperatur auf maximal 150°C unterhalb der Lö­ sungsglühtemperatur, insbesondere auf etwa 400°C, ein­ gestellt wird. Es handelt sich dabei um eine Temperatur, bei der einerseits die Bildung von Ausscheidungen bereits hinreichend kinetisch unterdrückt ist und bei der anderer­ seits noch eine sehr gute Verformbarkeit des Materials ge­ geben ist. Insbesondere ist es von Vorteil, die Abkühlung der Vorform auf die Umformtemperatur rasch durchzuführen, um so unerwünschte Veränderungen im Materialgefüge zu ver­ hindern. Eine weitere Absenkung der Drückwalztemperatur oder ein zu langsames Abkühlen führen zu unerwünschten Ausscheidungen, die den potentiellen Anstieg der Festigkeit durch den Auslagerungsprozeß reduzieren. Die Drückwalztem­ peratur wird dabei gezielt in Abhängigkeit vom Verformungs­ verhalten des jeweiligen Werkstoffes eingestellt.

In einer besonders bevorzugten Fortbildung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens wird das Werkstück direkt nach dem Lö­ sungsglühen dem Drückwalzvorgang unterworfen, und zwar bei einer Temperatur, die im wesentlichen der Lösungsglühtem­ peratur entspricht. Danach wird das Werkstück auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend einem Ausla­ gerungsvorgang bei einer Auslagerungstemperatur von etwa 180°C unterzogen.

Bei einer vorteilhaften Abwandlung dieses Verfahrens wird das Werkstück nach dem Lösungsglühen auf die Drückwalz­ temperatur, die zwischen der Lösungsglühtemperatur und et­ wa 300°C liegen kann, abgeschreckt. Nach dem Drückwal­ zen wird das Werkstück auch hier auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt und anschließend einem Auslagerungsvorgang bei einer Auslagerungstemperatur von etwa 180°C unterzogen.

Neben den bisher beschriebenen Vorteilen zeichnen sich die­ se beiden Verfahrensvarianten insbesondere dadurch aus, daß das Werkstück nach dem Lösungsglühen nicht unter die Drück­ walztemperatur abgekühlt wird, d. h., daß das Werkstück nicht auf die Drückwalztemperatur wieder erwärmt werden muß. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Zeit und Kosten gespart werden.

Eine weitere besonders bevorzugte Ausführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß das Werkstück nach dem Lösungsglühvorgang auf etwa Raumtemperatur abge­ schreckt wird, daß das Werkstück mehrere Stunden bei die­ ser Temperatur gehalten wird und daß anschließend das Werk­ stück auf die Drückwalztemperatur erwärmt wird.

Nach dem Drückwalzprozeß wird bereits eine Formgenauigkeit des Werkstücks erreicht, die engen Toleranzen genügt. Daher ist keine oder nur noch eine äußerst geringe spanende Nach­ bearbeitung erforderlich. Der wesentliche Vorteil der hier beschriebenen Verfahrensvariante ist, daß diese hohe Genau­ igkeit nicht durch eine nachfolgende Wärmebehandlung wieder beeinträchtigt wird. Wird bei dieser Verfahrensvariante das Drückwalzen bei einer Temperatur durchgeführt, die deutlich höher ist als übliche Auslagerungstemperaturen, so kann in vorteilhafter Weise eine separate Warmauslagerungsbehand­ lung überflüssig gemacht werden, da die während des Ausla­ gerns ablaufenden Prozesse beschleunigt während des Drück­ walzens stattfinden können. Die langwierige und kostenin­ tensive Warmauslagerung kann also eingespart werden.

Der besondere Vorteil der Methode ergibt sich aus der Mög­ lichkeit, daß faktisch der Drückwalz- und Auslagerungsvor­ gang vereint sind. Anstelle der Härtesteigerung des Rades durch eine herkömmliche Auslagerung kann die Härtesteige­ rung des Rades durch das Drückwalzen nach dem Lösungsglühen erreicht werden. Die Auslagerungseffekte, die durch das Warmdrückwalzen mit anschließender Luftabkühlung erzielt werden, ersetzen dabei in vorteilhafter Weise die Notwen­ digkeit der üblichen Warmauslagerung.

Noch eine weitere besonders bevorzugte Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht schließlich darin, daß das Werkstück nach dem Lösungsglühvorgang auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt wird, daß das Werkstück an­ schließend auf eine Auslagerungstemperatur von etwa 180°C erwärmt und einem Auslagerungsvorgang unterzogen wird und daß anschließend das Werkstück auf die Drückwalz­ temperatur erwärmt wird.

Auch bei dieser Verfahrensvariante wird erreicht, daß nach dem mit hoher Genauigkeit durchführbaren Drückwalzvorgang keine weitere Wärmebehandlung mehr stattfindet. Ein zusätz­ licher Vorteil dieses Verfahrens im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Verfahrensvarianten liegt in dar zeitlichen Unabhängigkeit des Drückwalzens von den Wärmebehandlungs­ verfahren.

Durch eine Wahl der Umformtemperatur kann sogar die während der Wärmebehandlung erreichte Festigkeit gezielt während des Umformens verändert und eingestellt werden.

Allen beschriebenen Ausführungsbeispielen des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ist gemeinsam, daß die durch Spannungen verursachten Materialverzüge deutlich reduziert werden. Aufgrund der wesentlich verringerten Materialverzüge können die Felgen besonders endformnah drückgewalzt werden, und das für eine eventuelle spanabhebende Bearbeitung notwen­ dige Bearbeitungsaufmaß kann drastisch vermindert werden. Eine spanabhebende Bearbeitung des Werkstückes am Ende der Umformung beschränkt sich auf die Beseitigung von Grat und eventuellen Materialüberschüssen an den Seiten der Räder. Durch die Erfindung sind außerdem Räder hoher Festigkeit und größere Designmöglichkeiten, wie sie vom Markt gefor­ dert werden, erreichbar.

Grundsätzlich kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sowohl eine geschmiedete als auch eine gegossene Vorform verwendet werden. Gegenüber dem Drückwalzen geschmiedeter Vorformen wird beim Drückwalzen gegossener Vorformen eine größere Verbesserung der Werkstoffeigenschaften erreicht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert werden. In diesen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 die Kontur einer nach einem konventionellen Ver­ fahren bearbeiteten Vorform sowie die Kontur des Werkstücks nach einer abschließenden spanabheben­ den Bearbeitung;

Fig. 2 die Kontur einer bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren eingesetzten gegossenen Vorform vor dem Drückwalzen sowie die Konturen des Werkstücks nach den Verfahrensschritten Drückwalzen und spanabhebende Bearbeitung zur Endform;

Fig. 3 eine Seitenansicht einer zur Durchführung des Drückwalzens einsetzbaren Vorrichtung;

Fig. 4 einen Schnitt der in Fig. 3 dargestellten Vor­ richtung in einer die Drückwalzrollen enthaltenen Ebene senkrecht zur Drehachse der Hauptspindel;

Fig. 5 Detailansicht der Vorrichtung von Fig. 3 im Bereich des Drückwalzwerkzeugs in einer die Dreh­ achse der Hauptspindel enthaltenden Ebene;

Fig. 6 Temperaturprofil eines konventionellen Herstel­ lungsverfahrens, bei dem eine gegossene Vorform zunächst drückgewalzt und danach einem Lösungs­ glühvorgang unterzogen wird;

Fig. 7 Temperaturprofil eines konventionellen Herstel­ lungsverfahrens, bei dem kein Drückwalzvorgang durchgeführt wird;

Fig. 8 ein Aluminium-Silizium-Zustandsdiagramm;

Fig. 9 Temperaturprofile von zwei Varianten des erfin­ dungsgemäßen Herstellungsverfahrens, bei dem das Drückwalzen direkt im Anschluß an das Lösungs­ glühen durchgeführt wird;

Fig. 10 ein Temperaturprofil eines weiteren erfindungs­ gemäßen Herstellungsverfahrens, bei dem das Werk­ stück zwischen Lösungsglühen und Drückwalzen ab­ geschreckt und bei dem das Drückwalzen maximal nach 2 bis 3 Stunden nach dem Abschrecken durch­ geführt wird;

Fig. 11 ein Temperaturprofil einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem die Vorform zwischen Lösungsglühen und Drückwalzen einem Aus­ lagerungsprozeß unterworfen wird;

Fig. 12 eine Grafik, in der Verbesserungen der Material­ eigenschaften der Legierung GK-AlSi7Mg bei erfin­ dungsgemäßer Verarbeitung dargestellt sind; und

Fig. 13 eine Grafik, in der die durch das erfindungsge­ mäße Herstellungsverfahren erreichte Gewichts­ einsparung am Beispiel eines gegossenen 16" × 7"-Aluminium-Rades veranschaulicht ist.

Einander entsprechende Teile sind in den Figuren jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 ist ein Querschnitt durch ein nach dem konven­ tionellen Verfahren, d. h. ohne Drückwalzen hergestelltes Leichtmetallrad 1 dargestellt. In einem Felgenbereich das Leichtmetallrades 1, d. h. insbesondere in den Bereichen eines Felgenbettes 5, einer Felgenschulter 7 sowie eines Felgenhorns 3, weist eine Gußkontur 9 des Werkstücks ein Bearbeitungsaufmaß 10 gegenüber der Endform 13 auf. Die Dicke C der Endform 13 im Bereich des Felgenhorns 3 beträgt in der hier dargestellten Ausführungsform 9 mm und ist da­ mit etwa doppelt so groß wie die Dicken A bzw. B der End­ form 13 im Bereich des Felgenbettes 5 bzw. im Bereich der Felgenschulter 7. Das Bearbeitungsaufmaß ist notwendig, um bei den zu erwartenden Materialverzügen nach der Wärmebe­ handlung bei einer spanabhebenden Bearbeitung die Endform 13 zuverlässig herauszuarbeiten.

Im Vergleich dazu sind zur Verdeutlichung der Erfindung in Fig. 2 ein Werkstück mit einer Gußkontur 9 nach dem Gies­ sen, das Werkstück mit einer Drückwalzkontur 11 nach dem Drückwalzen sowie eine Endform 13 dargestellt. Die Dicken A, B bzw. C der Endform im Bereich eines Felgenbettes 5, einer Felgenschulter 7 und eines Felgenhorns 3 sind hier mit 3,5 mm, 2,7 mm bzw. 6 mm durchgehend geringer als die entsprechenden Dicken des in Fig. 1 dargestellten Leicht­ metallrads 1. Ein Bearbeitungsaufmaß 10 für eine abschlies­ sende spanabhebende Bearbeitung kann erfindungsgemäß ge­ ringer als bei dem in Fig. 1 gezeigten Leichtmetallrad 1 ausgebildet und auch nur im Bereich zwischen dem Felgenhorn 3 und einem Hump vorgesehen werden. Eine eventuelle Nach­ bearbeitung des Felgenhornes 3 und des Humps dient einem besonders sicheren Sitz des Reifens auf der Felge.

Anhand der Fig. 3 bis 5 wird im folgenden eine kurze Be­ schreibung eines Drückwalzvorgangs gegeben.

In einer Drückwalzmaschine 20 ist das Drückwalzwerkzeug 30 zwischen einer Hauptspindel 22 und einem Druckkopf 24 hori­ zontal eingespannt.

Eine Außenkontur 32 des Drückwalzwerkzeugs 30 entspricht dabei der Innenkontur des Werkstücks. Das Werkstück mit einer Gußkontur 9 wird nach automatischer Zuführung hori­ zontal zwischen der Hauptspindel 22 und dem Druckkopf 24 eingespannt und in Rotation versetzt.

Die Umformung vollzieht sich unter Rotation und einer axia­ len Relativbewegung der Hauptspindel 22 und des Druckkopfs 24 zu drei an dem Werkstück angreifende Drückwalzrollen 26, die an einem Support 28 gelagert sind.

Fig. 6 zeigt das Temperaturprofil eines bekannten Verfah­ rens zur Herstellung von Aluminium-Rädern, bei dem eine ge­ gossene Vorform drückgewalzt und dann wärmebehandelt wird.

In Fig. 7 ist das Temperaturprofil eines weiteren bekann­ ten Verfahrens zur Herstellung von Aluminium-Rädern darge­ stellt, bei dem ein Gußwerkstück ohne einen Drückwalzvor­ gang wärmebehandelt wird.

Fig. 8 zeigt ein Aluminium-Silizium-Zustandsdiagramm. Die­ sem Diagramm ist insbesondere die Schmelzkurve der Legie­ rung zu entnehmen. Diese Kurve begrenzt und definiert das Lösungsglühen, da bei einem Überschreiten die Bildung von Schmelze zu einer spröden und rißempfindlichen Struktur nach dem Abkühlen führt.

Fig. 9 zeigt die Temperaturverläufe zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens. Bei beiden Varianten wird zunächst eine gegossene und gegebe­ nenfalls auf Raumtemperatur abgekühlte Vorform einem Lö­ sungsglühvorgang bei etwa 530°C unterzogen. Anschlie­ ßend wird in der mit a gekennzeichneten Verfahrensvariante ein Drückwalzvorgang bei einer Drückwalztemperatur durch­ geführt, die im wesentlichen der Lösungsglühtemperatur ent­ spricht. Dies ist energiesparend und für besonders spröde Legierungen zweckmäßig. Hingegen wird in der mit b gekenn­ zeichneten Verfahrensvariante der Drückwalzvorgang nach einem kurzen Abschrecken bei einer Temperatur von etwa 400°C durchgeführt, was eine besonders hohe Materialfe­ stigkeit unterstützt. Danach wird bei beiden Verfahrensva­ rianten das Werkstück auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt und nachfolgend bei einer Temperatur von etwa 180°C einem Auslagerungsvorgang unterworfen. Die Endform liegt unmittelbar vor oder wird schließlich erreicht, indem ein gewisses Materialübermaß durch eine abschließende spanab­ hebende Bearbeitung (hier mit "Bedrehen" gekennzeichnet) abgenommen wird.

Das Temperaturprofil einer weiteren Variante des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 10 gezeigt. Bis zum Lösungsglühen ist der Verlauf dabei im wesentlichen iden­ tisch wie bei den in Fig. 9 gezeigten Varianten. Danach wird jedoch das Werkstück einem Abschreckvorgang unter­ worfen und auf etwa Raumtemperatur abgekühlt. Bei dieser Abschrecktemperatur wird das Rad maximal zwei bis drei Stunden gehalten, um danach bei einer Temperatur von etwa 400°C drückgewalzt zu werden. Abschließend wird, wie gehabt, ein gegebenenfalls vorhandenes Materialübermaß mittels einer spanabhebenden Bearbeitung abgenommen und auf diese Weise die Endform hergestellt. Bei dieser Ver­ fahrensabfolge hat sich überraschend herausgestellt, daß beim Drückwalzen verstärkt Auslagerungsvorgänge ablaufen, welche einen längeren, separaten Auslagerungsschritt über­ flüssig machen.

Das Temperaturprofil eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens ist in Fig. 11 gezeigt. Im Vergleich zu der in Fig. 10 dargestellten Variante wird bei diesem Verfahren das Werkstück nach dem Lösungsglühen nur kurz bei etwa Raumtemperatur abgeschreckt und danach bei etwa 180°C einem Auslagerungsvorgang unterworfen, wodurch eine besonders gleichmäßige Gefügestruktur erziel­ bar ist. Anschließend findet auch hier das Drückwalzen bei einer Temperatur von maximal 400°C statt. Abschließend kann wieder ein eventuell vorgesehener Materialüberschuß durch eine spanabhebende Bearbeitung abgenommen werden.

Fig. 12 zeigt für das Beispiel einer GK-AlSi7Mg-Legierung eine graphische Darstellung der Materialeigenschaften, die mit einem konventionellen Gießverfahren und mit einem er­ findungsgemäßen Verfahren erreicht werden. Es werden deut­ liche Steigerungen der Zugfestigkeit, der 0,2%-Dehngrenze und der Bruchdehnung erzielt.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können beispielsweise in vorteilhafter Weise 16" × 7"-Aluminiumräder in Massen­ produktion hergestellt werden. Für dieses Beispiel wird im folgenden das Einsparungspotential der neuen erfindungs­ gemäßen Verfahren demonstriert.

Es wird ein Volumen- und Gewichtsvergleich gegeben zwischen einem konventionell hergestellten Rad (Fig. 1) und einem mit einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rad, welches nahe der Endkontur drückgewalzt wurde ("near net shape", Fig. 2). Die entsprechenden Ergebnisse sind in Fig. 13 graphisch dargestellt.

Die Berechnungen beziehen sich ausschließlich auf den Be­ reich des Felgenbetts 5. Dabei setzt sich die Material- und Gewichtseinsparung aus der verminderten Wandstärke, die aufgrund der verbesserten Materialeigenschaften möglich ist, und dem deutlich reduzierten Bearbeitungsaufmaß 10 zu­ sammen.

Vergleich des Felgenbettbereichs nach der spanabhebenden Endbearbeitung:

Vergleich des Materialeinsatzes für die Gießoperation:

Bei diesem Beispiel ist also eine Gewichtsverringerung des fertigen Rades nach der Drehoperation um 898 g, eine Ver­ ringerung des für die abschließende spanabhebende Bearbei­ tung notwendigen Übermaßes um 1688 g und damit eine Verrin­ gerung des gesamten Materialeinsatzes für die Gießoperation von 2586 g pro Rad möglich. Das bedeutet für die Produk­ tionslinie pro Rad: 2586 g weniger Material zu gießen, 1688 g weniger Material, das bei der abschließenden spanab­ hebenden Bearbeitung abgenommen werden muß und damit auch 1688 g weniger Abfallmaterial. Das heißt, daß bei einer Produktion von hunderttausend Rädern 259 Tonnen Aluminium eingespart werden könnten. Bei einem Kilopreis von Alumi­ nium von derzeit etwa 3,50 DM folgt daraus eine Ersparnis von etwa 900.000,- DM, d. h. etwa 9,- DM pro Rad.

Claims (12)

1. Verfahren zur Herstellung eines Leichtmetallrades, bei dem aus einer Aluminiumlegierung ein Werkstück vor­ gefertigt, insbesondere gegossen wird, welches bei einer Lösungsglühtemperatur einem Lösungsglühvorgang unterworfen wird und anschließend durch Drückwalzen umgeformt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Drückwalzen als ein Warmwalzen bei einer Drückwalztemperatur durchgeführt wird, welche zwi­ schen der Lösungsglühtemperatur von etwa 530°C, als einer oberen Temperaturgrenze, und einer Tempe­ ratur von etwa 250°C, als einer unteren Tempera­ turgrenze, liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach dem Lösungsglühvorgang und/oder nach dem Drückwalzen auf eine Abschrecktemperatur, insbesondere auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Werkstück nach dem Lösungsglühvorgang und/oder nach dem Drückwalzen bei einer Auslagerungstemperatur, insbesondere bei etwa 180°C einem Auslagerungsvor­ gang unterzogen wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß beim Drückwalzen an dem Werkstück ein Material­ überschuß belassen wird und
• 2. daß das Werkstück nach dem Drückwalzen durch einen spanabhebenden Prozeß zu einer Endform bearbeitet wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Aluminiumlegierung eine der Legierungen GK-AlSi7Mg, GK-AlSi11Mg oder GK-AlSi12Mg verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drückwalzen bei einer Drückwalztemperatur durchgeführt wird, die oberhalb, insbesondere um mehr als 50°C, einer Auslagerungstemperatur liegt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Drückwalzen bei einer Drückwalztemperatur durchgeführt wird, welche im wesentlichen der Lösungs­ glühtemperatur entspricht.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Drückwalztemperatur auf maximal 150°C unterhalb der Lösungsglühtemperatur, insbesondere auf etwa 400°C, eingestellt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß das Werkstück direkt nach dem Lösungsglühen dem Drückwalzvorgang unterworfen wird,
• 2. daß das Werkstück nach dem Drückwalzen auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt wird und
• 3. daß das Werkstück anschließend einem Auslagerungs­ vorgang bei einer Auslagerungstemperatur von etwa 180°C unterzogen wird.

10. Verfahren nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß das Werkstück nach dem Lösungsglühen auf die Drückwalztemperatur abgeschreckt wird,
• 2. daß das Werkstück nach dem Drückwalzen auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt wird und
• 3. daß das Werkstück anschließend einem Auslagerungs­ vorgang bei einer Auslagerungstemperatur von etwa 180°C unterzogen wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß das Werkstück nach dem Lösungsglühvorgang auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt wird,
• 2. daß das Werkstück bei dieser Temperatur mehrere Stunden, maximal jedoch etwa zwei bis drei Stunden, gehalten wird und
• 3. daß anschließend das Werkstück auf die Drückwalz­ temperatur erwärmt wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet,

• 1. daß das Werkstück nach dem Lösungsglühvorgang auf etwa Raumtemperatur abgeschreckt wird,
• 2. daß das Werkstück danach auf eine Auslagerungs­ temperatur von etwa 180°C erwärmt und einem Aus­ lagerungsvorgang unterzogen wird und
• 3. daß anschließend das Werkstück auf die Drückwalz­ temperatur erwärmt wird.