DE2929812C2

DE2929812C2 - Rad für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE2929812C2
Application number: DE2929812A
Authority: DE
Inventors: Malachi Patrick Colorado Springs Col. Kenney
Original assignee: Alumax Inc San Mateo Calif; Alumax Inc
Current assignee: Alumax Inc
Priority date: 1978-07-25
Filing date: 1979-07-23
Publication date: 1986-07-24
Also published as: IT1122313B; CA1136679A; FR2433423B1; ES482798A1; BE877875A; FI792255A; JPS5519499A; FR2433423A1; GB2026362A; CH645062A5; DK311979A; IT7924619A0; NL7905472A; BR7904649A; DE2929812A1; GB2026362B

Description

Die Erfindung betrifft ein Rad für Kraftfahrzeuge aus einer Metall-Legierung, mit einer komplexen, einstückig ausgebildeten Form, wobei das Rad durch Verformen in einer geschlossenen Gesenkform hergestellt ist.

Räder für Kraftfahrzeuge und insbesondere besonders geformte Räder weisen relativ komplexe Ausgestaltungen auf und müssen dementsprechend normalerweise durch KokiJlengießen oder Spritzgußtechniken hergestellt werden. Die Gestaltung solcher Räder ist deshalb durch die relativ schlechten Eigenschaften begrenzt, die Guß-Legierungen zu eigen sind, wie sie in solchen Formungsverf ahren verwecdet werden.

Räder können auch aus Schmiede-Legierungen geschmiedet werden, jedoch mit bestimmten Beschränkungen bezüglich ihrer Geometrie oder Ausgestaltung. Sie können auch aus mehreren geschmiedeten Teilen hergestellt werden, welche aneinandergeschweißt werden, jedoch können nur bestimmte Legierungen geschweißt werden, und die Herstellungstechniken erfordern ebenfalls wesentliche Gestaltungsbegrenzungen. Es ist deshalb wünschenswert, Radfelgen von komplexer Gestalt herzustellen, welche die Eigenschaften geschmiedeter Legierungen aufweisen, ohne derart hol^n Herstellungsaufwand zu erfordern.

Jüngere Entwicklungen ergaben Legierungen, die eine solche MikroStruktur aufweisen, daß sie aus einer flüssig-festen Phase vergossen · erden können und nicht nur aus der flüssigen Phase, so daß sie von einer geringeren Temperatur aus verfestigt werden als herkömmliche Gußlegierungen. Solche Legierungen und ihre Behandlung sind beispielsweise aus der US-PS 39 48 650 und der US-PS 39 54 455 bekannt. Wie in diesen Patenten offenbart ist, können die teilweise verfestigten Metall-Legierungen durch eine Vielzahl von Formgebungsverfahren einschließlich Spritzgießen, Kokillengießen, Schmieden in geschlossener* Gesenkformen, Heißpressen und anderen bekannten Techniken geformt werden.

Ein im geschlossenen Gesenk formbares Leichtmetallrad ist aus der FR-PS 13 65 089 bekannt, welches Rad einstückig ausgeführt ist und ausreichende Festigkeit gegenüber den komplexen Belastungszuständen aufweist. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Kraftfahrzeugrad zu schaffen, das eine komplexe Form wie sie bei.gegossenen Rädern üblich ist, besitzt und Eigenschaften aufweist, die in etwa denen von Rädern entsprechen, die aus geschmiedeten Legierungen hergestellt sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Durch diese Ausbildung ist es möglich, komplexe, geformte Kraftfahrzeug-Räder einstückig mit engen Toleranzen durch Gesenkpressen mit geringem Druck herzustellen.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß ein Kraftfahrzeugrad erreicht werden kann, welches ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften mit einer relativ komplexen Ausgestaltung vereint.

Radfelgen aus Aluminium-Legierung gemäß der Erfindung verbinden die komplexe Ausgestaltung, die normalerweise mit einem gegossenen Erzeugnis in Verbindung gebracht wird, mit Festigkeitseigenschaften, welche den Mindestvorschriften für geschmiedete Aluminium-Legierungen zumindest entsprechen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
F i g. I einen vertikalen Schnitt einer Gesenkform in geschlossener Lage in eine Presse,

F i g. 2 eine Ansicht eines Rades, das in dem in F i g. 1 gezeigten Gesenk hergestellt wurde, und
F i g. 3 eine Draufsicht auf das in F i g. 2 gezeigte Rad.

Das Ausgangsmaterial, das bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Räder verwendet wird, ist halb-fest: eine Mischung aus einem festen und einem flüssigen Anteil. Die festen Partikel, die zwischen 30% und 90% des Gesamtvolumens ausmachen, sind rund und haben normalerweise einen Durchmesser zwischen 20 und 200 Mikrometer. Dies ist das Resultat einer vorhergehenden Behandlung des Metalls, bei der das Metall geschmolzen und anschließend — während des Erstarrens — kräftig umgerührt wurde. Dies führt zu einer Kornbildung mit im wesentlichen runden Partikeln. Die daraus entstehende Metallverbindung ist gekennzeichnet durch abgesonderte, zurückentwickelte, dentritische, primär feste Partikel, welche in einer sekundären Phase mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Primär-Partikei homogen fein verteilt ist. Sowohl die primäre als auch die sekundäre Phase stammen von der Meta'.l-Legierung, die während des Erstarrens kräftig umgerührt wurde. Das Verfahren und die daraus resultierende Legierung sind detaillierter in den obengenannten US-Patenten 39 48 650 und 39 54 455 offenbart, auf welche zur vollständigeren Beschreibung Bezug genommen werden soll.

Die im wesentlichen kugelige Gestalt der abgesonderten, zurückentwickelten, dentritischen Partikel erlaubt dem gesamten Werkstoff auf viskose Weise als homogene flüssige Masse zu fließen. Dadurch genügt ein relativ geringer Druck zum Formen der Felge. Die in dem Verfahren benutzten Drücke reichen von etwa 0,2 MPa bis zu 34 MPa, so daß Teile, die so groß sind wie eine Autofelge von der Größe 14", in einer 250-Tonnen-Presse geformt werden können im Vergleich zu einer 1200-Tonnen-Spritzgußmaschine oder einer 8000-Tonnen-Presse, wie sie beim konventionellen Schmieden verwendet wird.

Der Anteil der festen primären Phase, welcher von 30% bis 90% reicht, vorzugsweise aber über 70% des festen Volumens liegt, ermöglicht ein sehr schnelles Erstarren mit einem Minimum an Flüssig/Fest-Schrumpfung. Dadurch können Räder ohne große Gießtrichter oder Steiger geformt werden, und es ist ein sehr kurzes Verbleiben in der Gußform möglich. Dies ist von großer Bedeutung für die hohen Produktionszahlen, die mit diesem Verfahren erreicht werden können, d. h, ein Ausstoß von 240 Rädern pro Stunde kann leicht erzielt werden.

Die schnelle Verfestigung bedeutet, daß nahezu alle Bereiche des Rades, welche eine gleiche Dicke aufweisen, zur gleichen Zeit erstant sein werden und das Rad demzufolge sehr schnell ausgestoßen werden kann, und zwar üblicherweise in weniger als 4 Sekunden nach dem Formen bei gut wärmeleitenden Legierungen, wie z. B. Aluminium und Kupfer. Bei eisenhaltigen Legierungen oder bei Rädern mit relativ großen Querschnitten wird sich die Verfestigungszeit über 15 bis 20 Sekunden erstrecken, in jedem Fall jedoch wird sie kürzer als eine Minute sein, normalerweise wesentlich darunter liegen. Der schnelle Ausstoß des Teils befreit dieses von vielen der Zwänge bei einer Schrumpfung in festem Zustand, weiche normalerweise bei sinkender Temperatur eintritt. Eine solche Schrumpfung in der Form kann sich sonst bis zu einem Punkt entwickeln, an dem ί*Λτ. Bindung an die Formen große Spannungen hervorruft und zu Wärmerissen oder Brüchen in dem geformten Rad führt

Räder, die erfindungsgemäß hergestel!: werden, besitzen viele Eigenschaften eines geschmiedeten Teils, können aber komplexere Gestalt und geringe Toleranzen aufweisen, wie sie für Gußteile typisch sind. Die Räder können ein Maß an Dehnfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Formbarkeit und an Korrosionsbeständigkeit aufweisen, weiches mit dem geschmiedeter oder gezogener Produkte vergleichbar ist, die aus diesen Legierungen hergestellt sind. Darüber hinaus ist dieses Verfahren zur Herstellung von relativ großen Teilen geeignet Es sind beispielsweise Autoräder gefertigt worden, die viele Eigenschaften geschmiedeter Räder aufweisen, bei denen jedoch wesentlich vereinfachte Preß-Vorrichtungen in einer wesentlich wirksameren Weise als bei bekannten geschmiedeten Rädern benutzt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Vorformstück erhitzt, bis 10—70% seines Volumens flüssig geworden sind. Wie oben angezeigt, ist das Vorformstück oder die Masse durch heftiges Rühren einer flüssigfesten Mischung der gewählten Legierung hergestellt worden, weiche dann schnell abgekühlt wurde.

Die Temperatur, auf weiche das Vorformstück erhitzt wird, liegt zwischen der Verflüssigungs- und der Erstarrungstemperatur für die spezielle Legierung und variiert von Erhitzung zu Erhitzung innerhalb eines gegebenen Legierungssystems, abhängig von der speziellen Zusammensetzung. Da es keine spezielle Temperatür gibt, bei weicher das Metall besonders gut formbar ist, kann die Viskosität, die durch Messung des Eindringwiderstandes einer Sonde im halb-festen Material ermittelt wird, als Indikator des Prozentanteils der vorhandenen Flüssigkeit in der Mischung benutzt werden. Üblicherweise wird ein Bereich von 41 KPa bis 317 KPa benutzt werden, wobei der genaue Druck ermittelt wird, der den Bedingungen des zu formenden Teils entspricht.

Es ist möglich, das Abkühlen und Wiedererhitzen des Vortormstücks zu vermeiden, indem man die Beschikkungsiadung, also die stark umgerührte Masse, direkt benutzt, d. h., vor ihrer Abkühlung zum Barren oder Vorformstück.

Zum Ausformen des vorgeheizten Barrens können unter der Voraussetzung, daß keine zusätzliche Verfestigung während des Formungsvorgangs eintritt, niedrigere Drücke verwendet werden. Um die Verwendung niederen Druckes sicherzustellen, ist eine Formzeit in der Gesenkform von weniger als einer Sekunde erforderlich. Die Gesenkform ist auf eine Temperatur von 100 bis 450⁰C vorgeheizt, und zwar in erster Linie abhängig von der Konfiguration des Teils, um eine wesentliche Verfestigung während des Formungsvorgangs zu verhindern. Wenn die Temperaturen zu hoch sind, besteht die Tendenz zur Adhäsion zwischen dem Vorformstück und dem Gesenk — bekannt als Gesenklöten.

Während des Formungshubes steigt der Druck von Null bis zu dem für die Verfestigung notwendigen Druck an. Am Ende des Formungshubes ist der Druck entsprechend von etwa 0,2 MPa auf 34 MPa gestiegen, üblicherweise von 3,4 MPa auf 17 MPa, und die Verfestigung der Fiüssijj Phase beginnt. Auf diese Weise steigt der Druck nach und nach während des Formhubes und verbleibt bei einem Höchststand zwischen 0,2 bis 34 MPa während der Verfestigung. Der angewandte Druck erhöht die Wärmeabfuhr von der Metall-Legierung auf die Gesenkform und unterstützt die Verfestigungs-Schrumpfung.

Wenn der Druck zu niedrig ist, kann ein nicht akzeptables Maß an Porosität auftreten oder die Gesamtform kann unvollständig gefüllt werden. Drücke über 34 MPa können verwendet werden, sind jedoch nicht erforderlich. Darüber hinaus können höhere Drücke ein Belüftungsproblem schaffen. Es ist wünschenswert, das Teil bei einem Druck zu formen, der so niedrig wie möglich ist, und zwar aus Gründen der Verfahrensökonomie, der Vereinfachung der Preßvorrichtung und zugunsten der Lebensdauer des Gesenks.

Die Verweilzeit in der Gesenkform sollte — nach dem Formungsvorgang — kurz genug — geringer als eine Minute und vorzugsweise geringer als 4 Sekunden — sein, um Risse des geformten Teils aufgrund von Wärmespannungen zu verhindern, andererseits aber lang genug, um die Verfestigung des Flüssig-Teils der Legierung vollständig abzuschließen. Spezifische Zeiten werden von der Dicke der Teile abhängen.

Die Tendenz zu Wärmerissen ist eine Funktion der Legierungszusammensetzung, des Anteils der primären, festen Phase, Gesenktemperatur und Teil-Ausgestaltung. Innerhalb des dargelegten Bereiches der Formungsund Verfestigungszeiten sollten die Zeiten natürlich so kurz wie möglich gehalten v/erden, damit die Produktiv!-

tat so hoch wie möglich ist. Aus dem vorangegangenen wird deutlich, daß Zeiten, Drücke, Temperaturen und Legierungsfestanteile eine Kombination entscheidender Variabler sind, welche bei Verfahrensökonomie und Produkteigenschaften wesentlich zusammenwirken.

Das erfindungsgemäße Formgebungsverfahren kann beispielsweise in einer 150—250-Tonnen-Hydraulikpresse ausgeführt werden, welche mit Gesenkformen oder Preßformen ausgestattet sind, wie sie in Fi g. 1 der Zeichnung dargestellt sind. Das spezielle, dort gezeigte Gesenk ist für die Herstellung relativ komplexer Fahrzeugriider ausgelegt. Das Gesenk umfaßt ein bewegliches Obergesenk oder Prägestempel 1, zwei Gesenkformseiten 2 und 3 und ein Untergesenk 4. Die Gesenkteile sind in geschlossener Lage gezeigt, wobei die Metall·Legierung 5 in den Konturen eines Autorades geformt worden ist.

ic Weitere Merkmale der Erfindung beziehen die Art und Weise mit ein, in welcher das Gesenk belüftet ist. Die Länge und der Durchmesser der Belüftungskanäle müssen von angemessener Größe sein, um eine ausreichende Belüftung vorzusehen. Auf der anderen Seite müssen die Kanäle normalerweise genügend eng und lang sein, um ein Austreten des geschmolzenen Metalls aus dem Gesenk zu verhindern. Belüftungskanäle üblicher Größe mit einem Durchmesser, wie er beispielsweise bei Schmiedegesenken verwendet wird, haben sich als zu eng erwiesen, um Lufttaschen während des Preß-Form-Vorgangs zu verhindern. Es hat sich jedoch gezeigt, daß der hohe Anteil fester Bestandteile, der während des Preßvorgangs vorhanden ist, die Verwendung kürzerer Belüftungskanäle mit größerem Durchmesser erlaubt Das vermeidet nicht nur Lufttaschen an dem geformten Produkt, sondern führt auch zu geringeren Toleranzen bei der Gesenkgestaltung, und zwar letzteres aufgrund der geringeren Fläche, die für die Erzielung angemessener Belüftung benötigt wird. Vier solcher Belüftungskanäle 6, 7,8 und 9 sind im Querschnitt in F i g. 1 gezeigt.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, beinhaltet der Formungworgang gleichzeitig ein Fließpressen des halbfesten Metalls vorwärts in die engen Kanäle, die in die Belüftungskanäle 6 und 7 münden, ein Fließpressen des halbfesten Materials rückwärts in die Kanäle, die zu den Belüftungskanälen 8 und 9 führen und einen Schmiedehub gegen den mittigen Abschnitt des Metalls in der Presse.

Das nachfolgende Ausführungsbeispiel illustriert die Anwendung der Erfindung. Wenn nicht anders angegeben, sind alle Teile nach Gewicht angegeben.

Beispiel

Ein 8 kg schwerer Block aus einer 6061 Aluminium-Schmiede-Legierung wurde, wie im wesentlichen in der US-PS 39 48 650 dargelegt, aus einer halbfesten Masse geformt, welche etwa zu 50% ihres Volumens aus zurückentwickelten Dendriten besteht. Der Block, der etwa 15 cm im Durchmesser hat, weist folgende Zusammensetzungen auf:

Si Cr Mn Fe Mg Ti Cu B Al

0,63 0,06 0,06 0,22 0,90 0,012 0.24 0,002 Rest

Der Block wurde in einem rostfreien Stahlbehälter in einen Widerstandsofen gegeben und auf eine Temperatur von 677"C gebracht. Diese Temperatur, die ungefähr 28°C über der Verflüssigungstemperatur der Legierung liegt, genügte, um ein teilweises Schmelzen der Legierung herbeizuführen, ohne wesentliche Veränderungen in dem Anteil an flüssiger Phase innerhalb des Blocks hervorzurufen. Bei einer Temperatur von 632°C, entsprechend einem festen Anteil von ungefähr 0,80, der durch eine Sonde ermittelt wurde, wurde der Block in seinem Behälter zu der geschlossenen Bodenhälfte einer Gußeisen-Gesenkform gebracht, wie sie in F i g. 1 gezeigt ist, die auf einer Temperatur von 315°C gehalten wurde, und der Block wurde aus dem Behälter auf den Boden der Gesenkform herausgeschoben. Die Gesenkanlage war mit einer Schmierflüssigkeit auf Grafitbasis beschichtet Das Obergesenk, das ebenfalls bei einer Oberflächentemperatur von ungefähr 315°C gehalten wurde, wurde dann mit einer Geschwindigkeit von 50 cm pro Sekunde geschlossen, was in einer Vorformzeit

so von ungefähr 0.2 Sekunden erfolgte, wobei die Gesenkform einen Höchstdruck von 14,5 MPa erreichte, so oaB die Form mit Legierung gefüllt wurde.

Nach einer Haltezeit unter Druck von 2,4 Sekunden, während der die Flüssig-Phase des Teils erstarrte, wurde die Gesenkform geöffnet und das geformte Teil entfernt

Das geformte Teil, ein Aluminium-Rad, wurde zerlegt und Proben für mechanische Eigenschaftsbestimmung wurden entnommen. Die Eigenschaften bei Raumtemperatur wurden gemessen. Die höchste Zugfestigkeit betrug 324 MPa, die Streckgrenze lag bei 296 MPa, und die Längsstreckung bei 2$ cm Strecklänge betrug 7%. Die Mindestvorschriften für geschlossene Gesenk-Schmiedestücke aus 6061 Aluminium-Legierungen, wie dargelegt in »Aluminium Standards and Data 1976«, 5. Ausgabe, 1976, sind 262 MPa Zugfestigkeit, eine Formänderungsfestigkeit von 241 MPa und 7% Bruchdehnung. Repräsentative Mindestvorschriften eines Automobilherstellers für gegossene Aluminium-Räder lauten 214 MPa Bruchfestigkeit, eine Streckgrenze von 114 MPa und 7% Bruchdehnung.

fm Gegensatz zu geschmiedeten Produkten, deren Aufbau gerichtet ist, sind die erfindungsgemäßen Produkte isotropisch — ihr Aufbau ist in allen Richtungen gleich. Die metallurgische Struktur des Rades des Beispiels besteht aus einer gleichachsigen Faserstruktur ohne ein Gefüge, wie es dem von geschmiedeten Teilen mit gerichteter Orientierung entsprechen würde.

Eine Draufsicht eines mit 10 bezeichneten fertiggestellten Rades, welches in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, ist in den Fig.2 und 3 gezeigt Die Draufsicht gemäß Fig.3 zeigt das Rad von der Richtung des Untergesenks gemäß F i g. 1 aus. Das Rad enthält eine Vielzahl von im wesentlichen rechtwinkli-

gen Konturen 11 um den äußeren Rand der Felge, wobei jede Kontur eine gebohrte oder maschinell hergestellte durchgehende Ausnehmung 12 aufweist. Der Nabenbereich 13 enthält vier kerngebohrte und mit Schraubengewinde versehene Bohrungen 14 und vier größere, gebohrte oder maschinell gefertigte Bohrungen 15. Eine Ausgestaltung von dieser Komplexität wird normalerweise durch Form- oder Gießtechniken geschaffen und ist in entsprechender Weise in ihren Eigenschaften auf die niederwertigen Eigenschaften von Guß-Legierungen 5 beschränkt. Die Materialeigenschaften stellen deshalb einen Begrenzungsfaktor für das Radgewicht dar. Schlechtere Eigenschaften müssen bei einem gegossenen Rad durch größere Masse ausgeglichen werden. Darfijer hinaus sind beim Gießen normalerweise größere Querschnitte erforderlich aufgrund der Begrenzungen, die Gußtechniken zu eigen sind — es ist schwierig, eine Dauerform mit dünnen Abschnitten zu füllen. Deshalb weisen die erfindungsgemäßen Räder die außerordentlich wichtige Eigenschaft auf, leichter als ver- io gleichbare Räder gemäß dem Stand der Technik zu sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Rad für Kraftfahrzeuge aus einer Metall-Legierung, mit einer komplexen, einstückig ausgebildeten Form, wobei das Rad durch Verformen in einer geschlossenen Gesenkform hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine halbfeste Metall-Legierung (5) verwendet wird, die gesonderte, zurückentwickelte, dentritische, primär feste Partikel enthält, die in einem sekundären, beim Einbringen in die Gesenkform (1,2,3,4) flüssigen Teil der Metall-Legierung (5) homogen fein verteilt werden, welcher einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist als die primär festen Partikel.

2. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Legierung (5) eine Aluminium-Legierung ίο ist.

3. Rad nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die primär festen Partikel in der Metall-Legierung (5) in einer Konzentration zwischen 30 und 90% des Volumens der Legierung vorliegen.

4. Verfahren zur Herstellung eines Rades nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Metall-Legierung (5) in der Gesenkforni (1, 2, 3, 4) in einer Zeit von weniger als einer Sekunde geformt wird, daß die Gesenkform (1,2,3,4) eine Temperatur von etwa 100 bis 450⁰C aufweist und die Verfestigung in weniger als einer Minute bei einem Druck von etwa 0,2 MPa bis 34 M Pa eintritt.