DE2929845C2

DE2929845C2 -

Info

Publication number: DE2929845C2
Application number: DE2929845A
Authority: DE
Inventors: Malachi Patrick Colorado Springs Col. Us Kenney
Original assignee: Alumax Inc
Current assignee: Alumax Inc
Priority date: 1978-07-25
Filing date: 1979-07-23
Publication date: 1989-11-02
Also published as: IT1122314B; IT7924620A0; GB2026363B; JPS585748B2; CA1129624A; FI792254A; JPS5519498A; DK311879A; FR2433993B1; DE2929845A1; FR2433993A1; ES482797A1; GB2026363A; NL7905471A; CH639300A5; BE877874A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches Verfahren ist bekannt (DE-OS 22 29 453, DE-OS 25 10 853).

Aufgabe der Erfindung ist es, dieses bekannte Verfahren derart weiterzubilden, daß komplexe Formteile mit geringen Toleranzen durch Schmiedepressen mit geringem Druck in hohen Stückzahlen, d. h. in kurzer Zeit, hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen gelöst.

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei dem bekannten zweistufigen Verfahren das Fließverhalten der erneut erwärmten Mischung völlig anders ist als das der ursprünglichen Mischung. Die ursprüngliche Flüssig-Fest-Mischung hat bei 40% fester Phase eine Viskosität von etwa 4 Poise und läßt sich etwa wie schweres Maschinenöl bei Raumtemperatur gießen; bei 50% fester Phase beträgt die Viskosität etwa 20 Poise, und bei 60% fester Phase beträgt die Viskosität etwa 60 Poise; eine solche Mischung läßt sich etwa wie Zement oder Klebstoff gießen. Bei weiterer Erhöhung des Anteils an fester Phase war also zu erwarten, daß die Viskosität so stark ansteigt, daß ein Vergießen, insbesondere ein Vergießen unter geringem Druck, keinesfalls mehr möglich ist.

Läßt man dagegen dann diese Flüssig-Fest-Mischung erstarren, so kann beim erneuten Erwärmen zu einer halbfesten Mischung überraschenderweise der Festkörperanteil zwischen 70 und 90% liegen und doch diese halbfeste Mischung unter vergleichsweise geringem Druck in die Gesenkform gebracht und - dank des bereits vorhandenen hohen Anteils an fester Phase - in erstaunlich kurzer Zeit verfestig werden, wobei die genaue Zeit natürlich von den verwendeten Material querschnitten abhängt.

Spezielle Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 5.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine geschlossene Gesenkform;

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine Radfelge, die in der in Fig. 1 gezeigten Gesenkform hergestellt wurde; und

Fig. 3 eine Draufsicht auf die in Fig. 2 gezeigte Felge.

Die Metallcharge oder Vorform, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendet wird, ist eine halb-feste Mischung aus einem festen und einem flüssigen Anteil. Die festen Partikel sind rund und haben normalerweise einen Durchmesser zwischen 20 und 200 Mikrometer. Dies ist das Resultat der vorhergehenden Behandlung, 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 Metallmischung ist gekennzeichnet durch diskrete, degenerierte, detritische, primär feste Partikel, welche in einer sekundären Flüssigphase mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als die Primär-Partikel homogen fein verteilt sind. Sowohl die primäre Partikel als auch die sekundäre Flüssigphase stammen aus der Ausgangslegierung, die während des Er starrens kräftig umgerührt wurde.

Die im wesentlichen runde Gestalt der diskreten, degenerierten, detritischen Partikel erlaubt den festen Partikeln, auf viskose Weise als gleichmäßige flüssige Masse zu fließen. Dadurch genügt ein relativ geringer Druck zum Formen des Teils. Die in dem Verfahren benutzten Drücke reichen von etwa 1,7 bis zu 340 bar über Atmosphärendruck, so daß Teile, die so groß sind wie eine Autofelge von der Größe 356 mm, in einer 250-Tonnen-Presse geformt werden können; das ist zu vergleichen mit einer 1200-Tonnen- Spritzgußmaschine oder einer 8000-Tonnen-Schmiedepresse.

Der hohe Festkörperanteil der Charge von 70 bis 90 Vol.-% ermöglicht eine sehr schnelle Verfestigung mit einem Minimum an Flüssig-/Fest-Schrumpfung. Dadurch können Teile ohne große Gießtrichter oder Steiger geformt werden und es ist ein sehr kurzes Verbleiben in der Gußform möglich. Dieser letzte Punkt ist von großer Bedeutung für die hohen Produktionszahlen, die mit diesem Verfahren erreicht werden können, z. B. eine realistische Rate von 240 Radfelgen pro Stunde oder 500 kleine Teile pro Stunde können leicht erzielt werden.

Die schnelle Verfestigung bedeutet, daß nahezu alle Bereiche des Teils, welche eine gleiche Dicke aufweisen, zur gleichen Zeit festgeworden sein werden und demzufolge sehr schnell ausgestoßen werden können, und zwar üblicherweise in weniger als 4 Sekunden nach dem Formen bei gut leitfähigen Legierungen wie z. B. Aluminium und Kupfer. Bei eisenhaltigen Legierungen oder bei Teilen mit relativ großem Querschnitt wird sich die Verfestigungszeit über 15 bis 20 Sekunden erstrecken, in jedem Fall jedoch wird sie kürzer als eine Minute sein und normalerweise wesentlich darunter liegen. Der schnelle Ausstoß des Teils befreit dieses von vielen Einschränkungen wegen der Wärmeschrumpfung des festen Teils. Eine solche Schrumpfung kann so groß werden, daß Fressen am Gesenk eintritt und große Spannungen hervorruft, die zu Wärmerissen oder Brüchen in dem Formteil führen.

Produkte, die erfindungsgemäß hergestellt wurden, besitzen viele Eigenschaften eines geschmiedeten Teils, können aber komplexe Gestalten und Toleranzen aufweisen, die für Gußteile typisch sind. Die Produkte können unter Verwendung von normalerweise als Schmiedelegierungen bezeichneten Legierungen hergestellt werden und in Dehnfestigkeit, Ermüdungsfestigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit mit durch Hämmern oder Pressen geschmiedeten Produkten aus diesen Legierungen vergleichbar sein. Darüber hinaus ist dieses Verfahren zur Herstellung von relativ großen Teilen geeignet. Es sind beispielsweise Autoradfelgen hergestellt worden, die viele Eigenschaften geschmiedeter Radfelgen aufweisen, wobei wesentlich einfachere Preßeinrichtungen in einer wesentlich wirksameren Weise als bei bekannten geschmiedeten Radfelgen benutzt wurden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Vorformstück erhitzt, bis 10-30% seines Volumens flüssig geworden sind. Wie oben angegeben, ist das Vorformstück oder die Charge durch kräftiges Rühren einer flüssigfesten Mischung der gewählten Legierung hergestellt worden, welche dann schnell abgekühlt wurde. Die Temperatur, auf welche das Vorformstück erhitzt wurde, liegt zwischen der Verflüssigungs- und Verfestigungstemperatur für die spezielle Legierung und variiert von Erhitzung zu Erhitzung innerhalb eines gegebenen Legierungssystems, abhängig von den speziellen Chemikalien. Da es keine spezielle Temperatur gibt, bei welcher das Metall besonders gut formbar ist, kann die Viskosität, die durch Messung des Widerstands gegen Eindringen 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 0,34 bis 1,03 bar über Atmosphärendruck benutzt werden, wobei der genaue Druck entsprechend den Bedingungen des zu formenden Teils gewählt wird.

Niedrige Drücke können zum Formen des vorgeheizten Barrens benutzt werden unter der Voraussetzung, daß keine zusätzliche Verfestigung während des Formungsvorgangs eintritt. 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 450°C vorgeheizt, und zwar in erster Linie abhängig von der Konfiguration des Teils, um eine wesentliche Verfestigung während des Formungs- oder Gestaltungsvorgangs 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 1,7 auf 340 bar über Atmosphärendruck gestiegen, üblicherweise 34 bis 172 bar über Atmosphärendruck, und die Verfestigung der Flüssigphase beginnt. Auf diese Weise steigt der Druck nach und nach während des Formhubes und verbleibt bei einem Höchstabstand zwischen 1,7 und 340 bar über Atmosphärendruck während der Verfestigung. Der angewandte Druck erhöht den Wärmeübergang von der Metall-Legierung auf die Gesenkform und speist 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 340 bar über Atmosphärendruck 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 nach dem Formungsvorgang sollte kurz genug - geringer als eine Minute und vorzugsweise geringer als 4 Sekunden - sein, um Wärmerisse des Formteils aufgrund von Wärmespannungen zu verhindern, andererseits aber lang genug, um die Verfestigung der Flüssigphase vollständig abzuschließen. Spezifische Zeiten werden von der Dicke der Teile abhängen. Die Tendenz zu Wärmerissen ist eine Funktion der Legierungszusammensetzung, des Festkörperanteils, der Gesenktemperatur und Formteilgestalt. Innerhalb des angegebenen Bereichs der Formungs- und Verfestigungszeiten sollten die Zeiten natürlich so kurz wie möglich gehalten werden, damit die Produktivität so hoch wie möglich ist. Aus dem Vorangegangenen wird deutlich, daß Zeiten, Drücke, Temperaturen und Legierungsfestanteile eine Kombination entscheidender Variabler sind, welche bei der dargelegten Erzielung der wesentlichen Verfahrensökonomie und Produktverbesserung zusammenwirken.

Der erfindungsgemäße Formungsprozeß kann beispielsweise in einer 150-250-Tonnen-Hydraulikpresse ausgeführt werden, welche mit Gesenkformen oder Preßformen ausgestattet sind, wie sie in Fig. 1 der Zeichnung dargestellt sind. Der spezielle, dort gezeigte Gesenksatz ist für die Herstellung relativ großer, komplexer Formen ausgelegt, in diesem Falle für eine stark ausgeformte Autorad-Felge. Der Gesenksatz umfaßt ein bewegliches Obergesenk oder Prägestempel 1, zwei Gesenkformseiten 2 und 3 und ein Untergesenk 4. Das Gesenk ist in geschlossener Lage gezeigt, wobei die Metall-Legierung 5 in der Kontur einer Autoradfelge geformt worden ist.

Das nachfolgende Ausführungsbeispiel illustriert die Anwendung der Erfindung. Wenn nicht anders angegeben, sind alle Bestandteile als Gewichtsteile angegeben.

Beispiel

Ein 8,2 kg schwerer Barren aus einer 6061-Aluminium-Schmiede-Legierung wurde aus einer halbfesten Charge geschmiedet, welche etwa 50% ihres Volumens aus degenerierten Dendriten besteht. Der Barren von etwa 152 mm Durchmesser hatte folgende Zusammensetzung:

Der Barren, der sich in einem rostfreien Stahlbehälter befindet, wurde 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 Variationen des Flüssiganteils innerhalb des Barrens hervorzurufen. Bei einer Temperatur von 632°C, entsprechend einem Festkörperanteil von ungefähr 0.80, der durch eine Sonde ermittelt wurde, wurde der Barren in seinem Behälter in die geschlossene Bodenhälfte eines Guß eisengesenksatzes gebracht, wie er in Fig. 1 gezeigt ist, die auf einer Temperatur von 315°C gehalten wurde, und der Barren wurde aus dem Kanister auf den Boden der Gesenkform herausgeschoben. Der Gesenksatz 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 0,51 m/sec geschlossen, was eine Vorformzeit von ungefähr 0,2 Sekunden ergab, wobei die Gesenkform einen Höchstdruck von 145 bar über Atmosphärendruck erreichte, so daß der Formhohlraum mit Legierung gefüllt wurde. Nach einer Haltezeit unter Druck von 2,4 Sekunden, während der die Flüssigphase des Formteils sich verfestigte, wurde die Gesenkform geöffnet und das Formteil entfernt.

Das Formteil, ein Aluminium-Rad, wurde zerschnitten und Proben für mechanische Eigenschaftsbestimmung wurden ent nommen. Die Eigenschaften bei Raumtemperatur wurden gemessen. Die höchste Zugfestigkeit betrug 324 N/mm², die Formänderungsfestigkeit lag bei 296 N/mm² und die Längsstreckung bei 25,4 mm Strecklänge betrug 7%. Die Mindestwerte für geschlossene Gesenk-Schmiedestücke aus 6061-Aluminium-Legierungen sind gemäß "Aluminium Standards and Data 1976", 5. Ausgabe, 1976, 262 N/mm² Zugfestigkeit, eine Formänderungsfestigkeit von 241 N/mm² und 7% Strecklänge. Repräsentative Mindestvorschriften eines Automobilherstellers für gegossene Aluminium-Räder lauten 214 N/mm² Höchstzugfestigkeit, Formänderungsfestigkeit von 114 N/mm² und 7% Strecklänge.

Im Gegensatz zu geschmiedeten Produkten, deren Eigenschaften richtungsabhängig sind, sind die erfindungsgemäßen Produkte isotrop - ihre Eigenschaften sind in allen Richtungen gleich.

Eine Draufsicht einer mit 10 bezeichneten, fertiggestellten Radfelge, welche in dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde, ist in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Die Draufsicht gemäß Fig. 3 zeigt die Radfelge gesehen vom Untergesenk gemäß Fig. 1. Die Radfelge enthält eine Vielzahl von im wesentlichen rechtwinkligen Konturen 11 um den äußeren Rand der Felge, wobei jede Kontur eine gebohrte oder maschinell hergestellte Ausnehmung 12 durch sie hindurch aufweist. Ein Nabenbereich 13 enthält vier kerngebohrte und mit Schraubengewinde versehene Bohrungen 14 und vier größere, gebohrte oder maschinell gefertige Bohrungen 15. Eine Radfelgen ausgestaltung von dieser Komplexität wird normalerweise durch Form- oder Spritzguß produziert und ist dementsprechend in ihren Eigenschaften auf die niederwertigen Eigenschaften von Guß-Legierungen beschränkt. Die Materialeigenschaften stellen deshalb einen Begrenzungsfaktor für das Radfelgengewicht dar. Schlechtere Eigenschaften müssen bei einem gegossenen Rad durch größere Masse kompensiert werden. Darüber hinaus sind beim Gießen normalerweise größere Querschnitte erforderlich aufgrund der Begrenzungen, die Gußtechniken zu eigen sind - es ist schwierig, eine Dauerform mit engen Querschnitten zu füllen. Deshalb weisen die erfindungsgemäßen Radfelgen die außerordentlich wichtige Eigenschaft auf, leichter als vergleichbare Radfelgen gemäß dem Stand der Technik zu sein.

Typische, in dem Preß-Schmiede-Verfahren verwendbare Legierungen sind neben Aluminium-Legierungen eisenhaltige Legierungen, wie rostfreier Stahl, Werkzeugstahl, niedrig legierter Stahl und Eisen- und Kupfer-Legierungen der üblicherweise für Gießen und Schmieden verwendeten Art.

Claims

1. Verfahren zur Erzeugung eines Formteils aus einer Aluminium-, Eisen- oder Kupferlegierung, bei dem

- die Legierung erwärmt wird, um eine Flüssig-Fest-Mischung aus 30 bis 90 Vol.-% diskreten, degenerierten, dentritischen, primär festen Partikeln zu bilden, die homogen in einer sekundären Flüssigphase mit einem Schmelzpunkt suspendiert sind, der tiefer als der Schmelzpunkt der primär festen Partikel liegt,
- die Flüssig-Fest-Mischung abgekühlt und während des Erstarrens kräftig umgerührt wird, um eine feste Charge zu erhalten, die diskrete, degenerierte, dentritische, primär feste Partikel in einer festen sekundären Phase enthält,
- die feste Charge erneut erwärmt wird, um sie in eine halbfeste Mischung umzuwandeln, die die diskreten, degenerierten, dentritischen, primär festen Partikel in der sekundären Flüssigphase suspendiert enthält,
- und die halbfeste Mischung in einer Gesenkform geformt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

- durch das erneute Erwärmen eine halbfeste Mischung aus 70 bis 90 Vol.-% diskreten, degenerierten, dentritischen, primär festen Partikeln erzeugt wird,
- die Gesenkform auf eine Temperatur zwischen etwa 100 und 450°C vorgeheizt wird,
- die halbfeste Mischung nach dem Einfüllen in die Gesenkform in einer Zeit kürzer als etwa eine Sekunde in der Gesenkform geformt wird, und
- die geformte Legierung unter einem Druck von 1,7 bar oder höher über Atmosphärendruck in der Gesenkform in einer Zeit kürzer als eine Minute verfestigt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung bei einem Druck von 1,7 bis 340 bar, insbesondere zwischen 34 und 170 bar, über Atmosphärendruck verfestigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesenkform auf eine Temperatur zwischen 200 und 300°C vorgeheizt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die halbfeste Mischung nach dem Einfüllen in die Gesenkform in einer Zeit von 0,1 bis 0,5 sec geformt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die geformte Legierung in der Gesenkform in einer Zeit kürzer als 4 Sekunden verfestigt wird.