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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Methode der Großumformung
für Materialien
auf Metallbasis und betrifft spezieller einen Apparat zur Großumformung
zur Verringerung der Kristallkorngröße von plastisch verformbaren
Materialien und bevorzugt Materialien auf Metallbasis und Verbundstoffmaterialien
auf Metallbasis, indem die Materialien einer kontinuierlichen Großumformung
ohne Entnahme dieser Materialien aus der Form unterzogen werden;
und betrifft ein Verfahren zur Umformung dafür sowie ein Material, das einer
solchen kontinuierlichen Großumformung
unterzogen wurde und indem die Kristallpartikel der Matrix auf eine
Korngröße von 10 μm oder weniger
reduziert wurden (siehe beispielsweise die US-A-5 513 512).
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2. Beschreibung des verwandten
Gebietes
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Es
ist allgemein gut bekannt, dass die Verringerung der Kristallkorngröße eines
polykristallinen Materials wirksam zur Verbesserung der Festigkeit
und Duktilität
dieses Materials beiträgt.
In der herkömmlichen Praxis
werden daher die Kristallkörner
von plastisch verformbaren Materialien, die durch Materialien auf
Metallbasis ausgezeichnet sind, zerstört und rekristallisiert, um
eine kleinere Kristallkorngröße zu erzielen,
indem eine plastische Verformung auf der Grundlage von Extrusion
oder Walzen bei einer hohen Temperatur oberhalb der Rekristallisationstemperatur
ausgeführt
wird. Die Arbeitsmaterialien sind hinsichtlich ihrer Nachverarbeitungsform
im Fall der Extrusion auf eine Walzdrahtform und im Fall des Walzens
auf eine Dünnblechform beschränkt, wobei
diese Formbeschränkungen
den Nachbearbeitungsanwendungen dieser Materialien Grenzen setzen.
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Im
Gegensatz dazu ist das "Equal-Channel
Angular Pressing" (ECPA)
ein Verfahren, bei dem ein Arbeitsmaterial einer Scherverformung
bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Materials
unterzogen wird, indem es durch eine gekrümmte Bohrung läuft, die
dadurch erhalten wird, dass der mittlere Abschnitt einer durchlaufenden
Bohrung in einem bestimmten Winkel gekrümmt wird. Bei diesem Bearbeitungsverfahren
kann das Material einer großen
plastischen Verformung mit minimalen Änderungen in der äußeren Form
des Materials vor und nach dem Umformen unterzogen werden, wodurch
es möglich
wird, dass die Größe der Kristalle,
die das Arbeitsmaterial aufbauen, verringert wird. Ein Beispiel
für diese
Methode ist das in der Veröffentlichung
von Horita et al. (Material Japan, Bd. 37, 767–774 (1998)) beschriebenen
Verfahrens und speziell ein solches, wie es in den beigefügten Zeichnungen
gezeigt wird.
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Wie
detailliert unter Bezugnahme auf die vorgenannten Zeichnungen beschrieben
wird, ist dieses Arbeitsverfahren ein solches, bei dem das Arbeitsmaterial
durch eine gekrümmte
Bohrung läuft,
wobei jedoch eine einzige Passage zur Verringerung der Größe der Kristalle,
die das Material aufbauen, unzureichend ist, so dass eine große Umformung
mindestens mehrere Male wiederholt werden muss, und zwar in der
Regel 10 Mal oder mehr. Mit anderen Worten, muss das Arbeitsmaterial
in der Regel durch die gekrümmte
Bohrung gezogen werden, nachdem es auf die Arbeitstemperatur erhitzt
worden ist. Dementsprechend muss das Arbeitsmaterial wiederholt
aus dem Formaustritt entnommen und in den Formeintritt nach Durchlauf
durch die gekrümmte
Bohrung eingesetzt werden und muss somit bis zur Umformtemperatur
nach dem Einsetzen in die Form erhitzt werden, da die Temperatur
des Arbeitsmaterials unvermeidlich abnimmt, wenn das Material aus der
Form entnommen wird.
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Der
daraus resultierende Nachteil besteht darin, dass komplizierte Prozeduren
ausgeführt
werden müssen,
um die Temperatur des Arbeitsmaterials zu regeln, und dass bei jedem
Arbeitsgang dafür
gesorgt werden muss, dass die Wärmeenergie
im Einklang mit der Temperaturverringerung des Arbeitsmaterials
steht, was zu einem Prozess führt,
der wirtschaftlich seine Nachteile hat und der zeitaufwendig und
ineffektiv ist, weil man warten muss, bis die Temperatur den Arbeitswert
wieder erreicht. Darüber
hinaus wird das Arbeitsmaterial der Atmosphäre ausgesetzt, und liegt einer
Oxidation (was von der Zusammensetzung des Materials abhängt) und
ruft für
die Arbeiter ein Verbrennungsrisiko hervor.
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Es
besteht daher ein dringender Bedarf nach einem Apparat und einem
Verfahren, die es ermöglichen, dass
ein Arbeitsmaterial im Inneren der Form gehalten wird, die mit einer
gekrümmten
Bohrung versehen ist, um kontinuierlich der vorgenannten großen plastischen
Umformung unterzogen zu werden, ohne dass es aus der Form entnommen
werden muss, um wiederholt der vorgenannten großen plastischen Umformung unterzogen
zu werden.
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Nach
einem anderen Verfahren zur Anwendung einer Großumformung werden Materialien
als Walzdraht oder dünne
Teile durch wiederholtes Einsetzen und Entnehmen in bzw. aus durchgehenden
Bohrungen mit variablem Durchmesser entsprechend den Methoden des
mechanischen Legierens geformt (Aizawa et al., Kinzoku (Metal),
Bd. 65 (1995), 1155–1161).
Da ein mechanisches Legieren das Verarbeiten von Pulverproben umfasst,
unterscheidet es sich nicht nur von dem Verfahren der Großumformung
der vorliegenden Erfindung in seiner Beschaffenheit, sondern es
besteht auch die Gefahr der Rissbildung auf der Oberfläche des
Materials, wenn es sich von einer kleineren Bohrung zu einer größeren Bohrung
bewegt; und da lediglich ein kleiner Betrag der Energie zum Verarbeiten
auf das unbearbeitete Material aufgebracht wird, sind mehrere hundert Arbeitsgänge (abhängig von
dem Material) erforderlich, die ausgeführt werden müssen und
zu einem extrem zeitaufwendigen und ineffizienten Prozess führen.
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Nach
einem anderen Verfahren wird ein Material einer Großumformung
unterzogen, indem es alternierend in vertikalen und horizontalen
Richtungen (Fujita et al., Kinzoku (Metal), Bd. 65 (1995), 1143–1154) eingeschoben
und gezogen wird, wobei dieses Verfahren ähnlich der vorstehend beschriebenen
Aizawa-Methode insofern ist, dass es die Ausführung eines mechanischen Legierens
umfasst. Darüber
hinaus ist dieses Verfahren zum Verarbeiten von Massengut gänzlich ungeeignet,
da es ein Aufteilen des Arbeitsmaterials in zwei axiale Richtungen
erforderlich macht. Dieses Verfahren lässt sich daher nicht als eine
Möglichkeit
zur Lösung
der vorstehend beschriebenen Probleme anwenden, so dass eine dringende
Notwendigkeit zum Auffinden einer solchen Möglichkeit weiter besteht.
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Es
sind Untersuchungen über
den Umfang der Großumformung
in Arbeitsmaterialien während
ihrer ECPA-Verarbeitung in Bohrungen mit Krümmungswinkeln von etwa 120° und 90° ausgeführt worden
und es ist festgestellt worden, dass ein Winkel von 90° eine größere Umformung
ermöglicht.
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Angesichts
der vorstehenden Ausführung
und als Ergebnis wiederholter und aufwendiger Forschungsarbeiten,
die unter Berücksichtigung
des vorstehend beschriebenen Standes der Technik und mit dem Ziel
ausgeführt
wurden, ein Verfahren zum Aufbringen einer Großumformung und eines kontinuierlichen
Verarbeitens eines Materials in einer Form zu entwickeln, ohne dieses
Material aus der Form zu entnehmen, so dass die Erfinder schließlich die
vorliegende Erfindung bei der Entdeckung abgeschlossen haben, dass
die Anwendung eines Apparates mit einem Aufbau, wie er nachfolgend
beschrieben wird, die kontinuierliche Ausführung einer Großumformung
an einem Material ermöglicht,
ohne dass das Material wiederholt in die Form eingeführt werden
muss.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Apparates
zur Großumformung
für ein
Material auf Metallbasis, mit dem es möglich ist, Materialien einer
Großumformung
zu unterziehen, die kontinuierlich einer Großumformung im Inneren einer
Form ausgesetzt sind, ohne dass sie aus der Form entnommen werden
müssen;
und es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Arbeitsverfahren
dafür zu
schaffen sowie ein Material zu gewähren, dessen Kristallkörner hinsichtlich
der Größe und der
Anwendung einer solchen Großumformung
verringert werden können.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung gewährt
einen Apparat zur Großumformung
nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Großumformung nach Anspruch 3.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Apparat zur Großumformung
für Materialien
auf Metallbasis, der eine Form A aufweist, einen Support-Mechanismus
B zum Halten der Form A und einen Drehmechanismus C zum Drehen der
Form A. Die Form A weist einen Formkörper 1 auf, 4 Bohrungen 2,
die durch den Formkörper 1 hindurchgehen
und sich in dessen Inneren schneiden, und eine Einrückvorrichtung 3a zum
Einrücken des
Drehmechanismus C. Jede Bohrung 2 ist mit einem Stempel 5 versehen,
der sich in Bezug auf die Bohrung 2 gleitend oder auf andere
Weise unter Reibung bewegen kann und sich von der Stirnseite des
Formkörpers 1 bis
zum Schnittpunkt der Bohrungen 2 erstreckt. Der Support-Mechanismus B weist
Einspannplatten 6a, 6b und 6c zum Einspannen
der äußeren Stirnseiten
des Formkörpers 1 mit
den Bohrungen 2 sowie Halteplatten (7a und 7b)
zum Halten des Formkörpers 1 auf.
Der Drehmechanismus C weist eine Einrückvorrichtung 3b zum
Einrücken
der Einrückvorrichtung 3a auf,
eine Drehvorrichtung 8, Verbindungsvorrichtung 9 zum
Verbinden der Einrückvorrichtung 3b und
der Drehvorrichtung B. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Anwenden
einer Großumformung
auf ein Material auf Metallbasis mit Hilfe des vorstehend beschriebenen
Apparates und betrifft ein Material auf Metallbasis, das mit Hilfe
des vorstehend beschriebenen Verfahrens zur Großumformung. einer Großumformung
unterzogen wird.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird es möglich, eine Großumformung
kontinuierlich, sicher, effizient und produktiv vorzunehmen, die
Materialien liefert, die über
superplastische Eigenschaften verfügen, während gleichzeitig ihre Anfangsform
bewahrt wird.
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Beschreibung
der Erfindung
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Mit
dem Ziel zur Lösung
der vorstehend beschriebenen Probleme umfasst die vorliegende Erfindung die
folgenden technischen Mittel:
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(1)
Einen Apparat zur Großumformung
für Materialien
auf Metallbasis, aufweisend eine Form A, einen Support-Mechanismus
B zum Halten der Form A, sowie einen Drehmechanismus C zum Drehen
der Form A, worin:
die Form A einen Formkörper 1 aufweist, 4
Bohrungen 2, die durch den Formkörper 1 hindurchgehen
und sich in dessen Inneren schneiden, und eine Einrückvorrichtung 3a zum
Einrücken
des Drehmechanismus C, wobei jede der Bohrungen 2 mit einem
Stempel 5 versehen ist, der sich in Bezug auf jede der
Bohrungen 2 gleitend oder auf andere Weise unter Reibung
bewegen kann und sich von der Stirnseite des Formkörpers 1 bis
zum Schnittpunkt der Bohrungen 2 erstreckt;
der Support-Mechanismus
B weist Einspannplatten 6a, 6b und 6c zum
Einspannen der äußeren Stirnseiten des
Formkörpers 1 mit
den Bohrungen 2 sowie Halteplatten 7a und 7b zum
Halten des Formkörpers 1 auf; sowie
der
Drehmechanismus C eine Einrückvorrichtung 3b zum
Einrücken
der Einrückvorrichtung 3a aufweist,
eine Drehvorrichtung 8, Verbindungsvorrichtung 9 zum
Verbinden der Einrückvorrichtung 3b und
der Drehvorrichtung B.
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(2)
Einen Apparat zur Großumformung,
wie er unter (1) festgelegt wurde und der einen Hochdrückmechanismus 10 zum
Hochdrücken
der Form A aufweist.
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(3)
Ein Verfahren zum Anwenden einer Großumformung auf ein Material
auf Metallbasis mit Hilfe des Apparates zur Großumformung, wie er vorstehend
unter (1) festgelegt wurde, indem ein Schritt der Großumformung
und ein Schritt des Drehens kombiniert werden, worin:
ein Schritt
der Großumformung
einen Schritt des Biegens eines Arbeitsmaterials auf Metallbasis 11 im
Inneren von sich schneidenden Bohrungen umfasst und das Aufbringen
einer Großumformung
durch Einschieben eines eindrückenden
Stempels 5, der eingeschoben werden kann und einer der
Stempel 5 ist und gleitend oder reibend einen freigebenden
Stempel 5 im freigegebenen Zustand entsprechend dem Umfang
bewegt, in dem der eindrückende
Stempel 5 eingeschoben wird;
ein Drehschritt einen
Schritt umfasst, in dem die Form A durch den Drehmechanismus C um
90° gedreht
wird, wobei der eindrückende
Stempel 5 eingespannt ist und zu einem eingespannten Stempel 5 wird,
wobei der freigegebene Stempel zu dem eindrückenden Stempel 5 wird
und einer der eingespannten Stempel 5 zu einem freigegebenen
Stempel 5 wird; und der Schritt der Großumformung und der Drehschritt
alternierend wiederholt werden, um wiederholt und kontinuierlich
die Großumformung
auszuführen.
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(4)
Ein Material zur Großumformung
auf Metallbasis, das einer Großumformung
mit Hilfe des vorstehend unter (3) festgelegten Verfahrens unterzogen
wird, worin die Kristallpartikel der Matrix, die das Material auf
Metallbasis aufbauen, vor der Anwendung der Großumformung einer Korngröße von 100 μm oder größer haben
und die Kristallpartikel der Matrix, die das Material auf Metallbasis
aufbauen, das einer Großumformung unterzogen
wird, eine Korngröße von 10 μm oder weniger
haben.
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(5)
Material zur Großumformung
auf Metallbasis, wie es vorstehend unter (4) festgelegt wurde, worin das
Material auf Metallbasis ein Material einer Legierung auf Aluminiumbasis,
einer Verbundlegierung auf Aluminiumbasis ist mit einer darin dispergierten
Verstärkung
oder einer Titanlegierung.
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Die
vorliegende Erfindung wird nun detaillierter beschrieben.
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Der
Apparat der vorliegenden Erfindung, der von den Erfindern entwickelt
wurde, um die vorgenannten Probleme zu lösen, ist ein Apparat zur Großumformung,
der eine Form A aufweist, einen Support-Mechanismus B zum Halten
der Form A und einen Drehmechanismus C zum Drehen der Form A, worin
die Form A einen Formkörper 1 aufweist,
Bohrungen 2, die durch den Formkörper 1 hindurchgehen
und sich in dessen Inneren schneiden, und eine Einrückvorrichtung 3a zum
Einrücken
des Drehmechanismus C, so dass jede Bohrung 2 mit einem
Stempel 5 versehen ist, der sich in Bezug auf die Bohrung 2 gleitend
oder auf andere Weise unter Reibung bewegen kann und der sich von
der Stirnseite des Formkörpers 1 bis
zum Schnittpunkt der Bohrungen 2 erstreckt;
der Support-Mechanismus
B weist Einspannplatten 6a, 6b und 6c zum
Einspannen der äußeren Stirnseiten des
Formkörpers 1 mit
den Bohrungen 2 sowie Halteplatten 7a und 7b zum
Halten des Formkörpers 1 auf; sowie
der
Drehmechanismus C eine Einrückvorrichtung 3b zum
Einrücken
der Einrückvorrichtung 3a und
eine Drehvorrichtung 8 und vorzugsweise einen Hochdruckmechanismus 10 zum
Hochdrücken
der Form A aufweist.
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Darüber hinaus
ist das Verfahren der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Anwenden
einer Großumformung
auf Materialien mit Hilfe des vorstehend beschriebenen Apparats,
indem ein Schritt der Großumformung
und ein Drehschritt miteinander kombiniert werden, worin sind:
der
Schritt der Großumformung
umfasst einen Schritt des Biegens eines Arbeitsmaterials auf Metallbasis 11 im
Inneren der sich schneidenden Bohrungen sowie das Anwenden einer
Großumformung
durch Einschieben eines eindrückenden
Stempels 5, der eingeschoben werden kann und einer der
vorgenannten Stempel 5 ist und gleitend oder reibend einen
freigegebenen Stempel 5 im freigegebenen Zustand entsprechend
dem Umfang bewegt, in dem der eindrückende Stempel eingeschoben
worden ist;
der Drehschritt einen Schritt des Drehens der Form
A um 90° mit
Hilfe des Drehmechanismus C umfasst, wodurch der eindrückende Stempel 5 zu
einem eingespannten Stempel 5 wird, der vorgenannte freigegebene Stempel
zu dem eindrückenden
Stempel 5 wird und einer der vorgenannten eingespannten
Stempel 5 zu einem freigegebenen Stempel 5 wird;
und
der Schritt der Großumformung
und der Drehschritt alternierend wiederholt werden, um wiederholt
und kontinuierlich die Großumformung
auszuführen.
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Entsprechend
dem erfindungsgemäßen Apparat
zur Großumformung
und dem Verfahren zur Großumformung
kann das Material 11 zur Großumformung im Inneren des Apparates
einer Großumformung
unterzogen und in den Bohrungen gebogen werden, die sich im Inneren
des Formkörpers
schneiden, indem der vorgenannte eindrückende Stempel 5 eingeschoben
und ein freigegebener Stempel 5 entsprechend dem Umfang,
indem der eindrückende
Stempel 5 eingeschoben worden ist, gleitend oder reibend
bewegt wird. Der eindrückende
Stempel 5 wird zu einem eingespannten Stempel 5 und
der freigegebene Stempel 5 wird zu einem eindrückenden
Stempel 5, und einer der eingespannten Stempel 5 wird
ein freigegebener Stempel 5 als Ergebnis der Tatsache,
dass der eindrückende
Stempel 5 in der gleichen Höhe wie die äußere Stirnseite des Formkörpers 1 mit
den Bohrungen 2 eingeschoben worden ist, wobei die Form
A sodann mit Hilfe des vorgenannten Hochdruckmechanismus 10 (wie
in 3 gezeigt wird) hochgedrückt und die Form A mit Hilfe
des Drehmechanismus C um 90° gedreht
wird. In diesem Schritt kann daher der als ein neuer eindrückender
Stempel 5 dienende Stempel eingeschoben werden und macht
es möglich,
dass das Arbeitsmaterial 11 kontinuierlich im Inneren des
Formkörpers 1 einer
Großumformung
unterzogen wird, ohne herausgenommen zu werden, so dass das Arbeitsmaterial 11 mit
Hilfe eines kontinuierlichen Verfahrens zur Großumformung bearbeitet wird.
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Die
Höhe der
Einrückvorrichtung 3a variiert
während
dieser Drehung aufgrund des Abstandes zwischen der Mitte des Formkörpers 1 und
der äußeren Stirnseite
mit einer Bohrung 2, der von dem Abstand zwischen der Mitte
des Formkörpers
und einer äußeren Stirnseite 4 ohne
eine Bohrung 2 verschieden ist, wobei jedoch der Drehmechanismus
C mit einem Mechanismus ausgestattet werden kann, worin der Verbindungsmechanismus 9 oder
der Ständer
zum Halten des Verbindungsmechanismus 9 mit einem Schlitz
ausgestattet sind und die Verbindungsvorrichtung 9 oder
der Ständer
in vertikale Richtung entlang dieses Schlitzes gleiten und es dadurch
ermöglichen,
dass der Formkörper
ohne Auftreten irgendwelcher Probleme stoßfrei drehen kann.
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Damit
lässt sich
der Formkörper 1 zum
nächsten
Arbeitsschritt durch bloßes
Drehen um 90° vorschieben,
ohne dass jedes Mal das Werkstück
herausgenommen werden muss, um das Werkstück nachzuheizen oder ohne dass
irgendwelche Energie oder Zeit für
ein solches Nachheizen aufgewandt werden müssen. Damit lässt sich
die Großumformung
wirtschaftlich, effizient, sicher und kontinuierlich anwenden.
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Wenn
beispielsweise Legierungsmaterial auf Aluminiumbasis, das die Dendritstruktur
mit einer sehr großen
Kristallkorngröße (mehrere
100 μm)
hatte, weil das Material durch Gießen hergestellt worden war,
unter Anwendung des erfindungsgemäßen Apparates zur Großumformung
und des Verfahrens zur Großumformung
bearbeitet wurde, wurde die Kristallkorngröße bis zwischen 5 und 10 μm nach Ausführung von
lediglich 10 Arbeitstakten bei einer Arbeitstemperatur von 350° bis 450°C verringert.
Das Material wurde Zugprüfungen bei
einer Temperatur von 450°C,
und einer Dehnungsgeschwindigkeit von 6 × 10–4 bis
1,2 × 10–2 unterworfen und
es wurde festgestellt, dass der m-Wert, der ein wichtiger Indikator
für die
superplastischen Eigenschaften ist, etwa 0,2 betrug und die Gesamtdehnung
etwa 120% betrug. Auf diese Weise wurde erkannt, dass selbst Gussstücke, von
denen nicht zu erwarten war, dass sie anfangs aufgrund ihrer dendritischen
Struktur über
Superplastizität
verfügen,
superplastisch gemacht werden konnten, was demonstriert, dass Materialien
unter Anwendung des Apparates zur Großumformung nach der vorliegenden
Erfindung eine kontinuierliche Anwendung der Großumformung von nicht mehr als
etwa 10 Mal nach dem Verfahren zur Großumformung der vorliegenden
Erfindung benötigen.
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Es
wird nun ein bevorzugtes Beispiel der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Wie
in 4 und 5 gezeigt wird,
werden Stempel 5 von gleicher Länge in Bohrungen 2 eingesetzt,
die die gleichen Querschnittflächen
haben und eine durch den Querschnitt gehende Bohrung 2 in
dem Formkörper 1 bilden.
Von den 4 Bohrungen 2 werden die Stempel 5 im
Kontakt mit den Einspannplatten 6a und 6b eingespannt,
während
die anderen 2 Stempel in einem freigegebenen Zustand bleiben,
von denen der eine der zwei eindrückenden Stempel 5 entfernt
ist.
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Wenn
ein Material auf Metallbasis 11 zur Großumformung in diesem Zustand
als Arbeitsmaterial in die Bohrung 2 eingesetzt wird, die
durch einen eindrückenden
Stempel 5 verschlossen werden muss, wird der eindrückende Stempel 5 in
diese Bohrung 2 eingesetzt und der eindrückende Stempel 5 von
oben eingedrückt und
eingeschoben und das Material 11 zur Großumformung
in Richtung des freigegebenen Stempels 5 extrudiert. In
dem Verfahren erhält
das Material 11 zur Großumformung eine starke Scherverformung
in der sich schneidenden Bohrung. Das Einschieben des eindrückenden
Stempels 5 wird angehalten, wenn der eindrückende Stempel 5 bis
zu der gleichen Höhe
vorgeschoben worden ist wie die äußere Stirnseite
des Formkörpers 1.
In dem nachfolgend beschriebenen bevorzugten Beispiel wird die Einspannplatte 6a mit
einem Hochdrückmechanismus 10 zum
Hochdrücken
der Form A ausgestattet und die Form A mit Hilfe des Hochdrückmechanismus 10 in
der in 3 gezeigten Weise hochgedrückt, wobei der Drehmechanismus
C bewirkt, dass die Einrückvorrichtung 3b des
Drehmechanismus C in die Einrückvorrichtung 3a des
Formkörpers 1 eingreift, der
so konzipiert ist, dass der Drehmechanismus C eingreift, womit die
Form A um 90° mit
Hilfe des Drehmechanismus C gedreht wird, der Hochdruckmechanismus 10 zurückgezogen
wird und die Form A in ihre ursprüngliche Position zurückgedreht
wird, wonach der eindrückende
Stempel 5 und der eingespannte Stempel 5 mit den
Einspannplatten 6b bzw. 6a entsprechend der Darstellung
in 5c in Kontakt gelangen. Der eindrückende Stempel 5 nimmt
einen freigegebenen Zustand an, während der freigegebene Stempel 5 einen
Zustand annimmt, in welchem er eingeschoben werden kann.
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Ein
mit dem in 5a identischer Zustand
lässt sich
auf diese Weise reproduzieren, indem lediglich der Zustand jedes
Stempels in Schritten von 90° verändert wird.
Durch Wiederholung dieser Schritte kann in einem sich beständig wiederholenden
Muster dem Material zur Großverformung
eine starke Scherverformung in den erforderlichen Beträgen ohne
jede Einschränkung
vermittelt werden. Ein anderes charakteristisches Merkmal besteht
darin, dass die Scherverformung in besonders effizienter Weise aufgebracht
werden kann, da die Krümmungsrichtung
umgekehrt werden kann und die Großverformung intermittierend
in Schritten von 180° auf
das Material zur Großumformung
angewendet werden kann. Es ist daher möglich, ein Material der Großumformung,
das aus ultrafeinen Kristallkörner
aufgebaut ist, lediglich durch Wiederholen der vorstehend beschriebenen
Prozedur der vorgenannten erforderlichen Male zu erhalten, ohne
dass irgendwelche Beschränkungen
auferlegt werden. Die Prozedur wird üblicherweise etwa 10 Mal und
jedoch nicht mehr als etwa 20 Mal wiederholt.
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Obgleich
die vorstehende Beschreibung unter Bezugnahme auf die Drehung in
einer einzigen Richtung ausgeführt
wurde, ist es offensichtlich, dass eine identische Wirkung unter
Anwendung eines Mechanismus erhalten werden kann, der ein Spiegelbild
des vorstehend beschriebenen Mechanismus in Bezug auf Anordnung
und Reihenfolge ist und der das Drehen der Form A in der entgegengesetzten
Richtung in Bezug der vorstehend beschriebenen Richtung umfasst.
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Aus
Gründen
der Einfachheit wurde der Formkörper 1 so
beschrieben, als hätte
er eine oktagonale äußere Form,
wobei er jedoch mehr bevorzugt für
die äußeren Stirnseiten 4 ohne
die Bohrungen 2 ist, wenn er einen Bogen um die vorgenannten,
sich schneidenden Bohrungen ausführt,
weil die in diesem Fall vorstehend beschriebene Drehung glatter
ausgeführt
werden kann.
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Wie
ebenfalls in den 6 und 7 gezeigt
wird, erübrigt
sich durch Auswahl einer dicken Scheiben für die äußere Form des Formkörpers 1 die
Notwendigkeit für
den vorstehend beschriebenen Hochdruckmechanismus 10 und
den Schritt des Hochdrückens,
wodurch es möglich
wird, eine Großumformung
mit hoher Wirksamkeit zu erzielen.
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In
diesem Fall ist offensichtlich, dass Stifte 12, Keile oder
andere Stopp-Mechanismen
vorgesehen werden müssen,
um die Bohrungen in den vorgeschriebenen Positionen zu stoppen.
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Auf
diese Weise lassen sich Materialien der Großumformung kontinuierlich einer
Großumformung
als Massengut unterziehen, ohne dass sie aus der Form herausgenommen
werden müssen
oder zu dünnen
Teilen oder dünnen
Drähten
ausgeformt werden müssen.
Daher lassen sich eine dynamische oder statische Erholung und Rekristallisation
vereinen und die Kristallkörner
der Materialien der Großumformung
hinsichtlich der Größe verkleinern.
Nachfolgend werden strukturelle Elemente der vorliegenden Erfindung
detaillierter beschrieben.
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Formkörper
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Das
Formmaterial lässt
sich in einer Vielzahl von Möglichkeiten
entsprechend der Arbeitstemperatur des Materials oder des Typs des
zu verwendenden Arbeitsmaterials auswählen. Ein SKD-Material und
vorzugsweise SKD-61 sollte dann verwendet werden, wenn es sich bei
dem Arbeitsmaterial um ein niedrigschmelzendes Metall auf Aluminiumbasis
handelt. MDCK wird dann bevorzugt, wenn es sich bei dem Arbeitsmaterial um
eine Kupferlegierung oder ein Material auf Titanbasis handelt.
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Ein
polygonaler Querschnitt wurde verwendet, um die äußere Kontur der Form zu vereinfachen,
wobei jedoch die Ecken der Form so weit wie möglich weggelassen werden sollten,
um eine nahezu kreisförmige Form
entsprechend der vorstehenden Beschreibung zu erhalten.
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Die
Querschnittform der Bohrungen kann entsprechend der geforderten
Form des fertigen Werkstückes
festgelegt werden. Üblicherweise
ist die Form kreisrund, kann jedoch nach Erfordernis vierseitig
oder auf andere Weise polygonal sein.
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Stempel
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Ähnlich wie
das Formmaterial kann das Material des Stempels in einer Vielzahl
von Möglichkeiten
entsprechend der Arbeitstemperatur des Materials oder des Typs des
zu verwendenden Arbeitsmaterials ausgewählt werden. Ein SKD-Material
und bevorzugt SKD-61 sollten dann verwendet werden, wenn das Arbeitsmaterial
ein niedrigschmelzendes Metall auf Aluminiumbasis ist. Ein MDCK
wird dann bevorzugt, wenn das Arbeitsmaterial eine Kupferlegierung
oder ein Material auf Titanbasis ist.
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Die äußere Form
der Stempel kann entsprechend der erforderlichen Form des fertigen
Werkstücks festgelegt
werden und sollte mit der Gestalt der Form übereinstimmen. Die Form ist üblicherweise
kreisrund, kann jedoch nach Erfordernis auch vierseitig oder auf
andere Weise polygonal sein. In Abhängigkeit vom Typ des Arbeitsmaterials
können
die Temperatur der Großumformung
und dergleichen und eine Vielzahl von Bedingungen für das Spiel
zwischen den Stempeln und den Formbohrungen ausgewählt werden.
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Angesichts
des Festfressens, des Klemmens des Werkstückes und dergleichen wird üblicherweise
ein Spiel von 0,1 bis 0,3 μm
bevorzugt.
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Support-Mechanismus
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Der
Support-Mechanismus sollte eine gewisse Hitzebeständigkeit
haben, da er üblicherweise
zusammen mit dem Formkörper
Arbeitstemperaturen ausgesetzt ist.
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Drehmechanismus
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Der
Mechanismus unterliegt keinerlei Einschränkungen so lange er für eine Drehung
von 90° des Formkörpers, des
Arbeitsmaterials und der Stempel sorgen kann.
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Ein
bevorzugtes Beispiel für
einen solchen Mechanismus ist ein solcher, in dem ein sechseckiger
Vorsprung (der Kopf eines sechseckigen Bolzens) in der Nähe des Drehzentrums
des Formkörpers 1 vorgesehen ist.
Der Mechanismus umfasst außerdem
einen sechseckigen Schlüssel,
der auf diesen Vorsprung passt, sowie einen Ständer zum Halten des Schlüssels. Der
Ständer
ist außerdem
mit einem Schiebemechanismus zur Gewährleistung der Vertikalbewegung
der Einrückvorrichtung 3b,
der Drehvorrichtung 8 und der Verbindungsvorrichtung 9 ausgestattet.
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Material auf
Metallbasis für
die Großumformung
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Das
Arbeitsmaterial zur Großumformung,
das gemäß der vorliegenden
Erfindung zur Anwendung gelangt, ist keinerlei Beschränkungen
hinsichtlich seiner Eigenschaften so lange unterworfen, wie es sich
um ein plastisch verformbares Material handelt, wobei dieses vorzugsweise
jedoch ein relativ niedrigschmelzendes Gussmaterial aus einem Nichteisenmetall
ist oder ein Verbundmaterial aus einem Nichteisenmetall, das Partikel
hoher Härte
darin dispergiert enthält
und das für
eine Nachbehandlung nicht zugänglich
ist. Die Großumformung
der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise angewendet werden
auf Legierungen auf Magnesiumbasis; Legierungen auf Magnesiumbasis,
die dispergiert ver stärkende
Partikel oder Whisker enthalten; Legierungen auf Aluminiumbasis,
Legierungsverbundmaterial auf Aluminiumbasis, das dispergiert verstärkende Partikel
oder Whisker enthält;
Legierungen auf Titanbasis und Kupferlegierungen.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Es
zeigen:
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1 eine
Außenansicht
des Apparats zur Großumformung
mit den entfernten Halteplatten und Drehmechanismus C;
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2 eine
Seitenansicht des Apparats zur Großumformung;
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3 eine
Seitenansicht des Apparats zur Großumformung in einem Zustand,
in dem die Form A gedreht werden kann, während sie mit einem Hochdrückmechanismus 10 hochgedrückt wird;
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4 eine
Außenansicht
des Apparats zur Großumformung
in einem Zustand, indem in den Bohrungen in dem Formkörper das
Metallmaterial einer Großumformung
unterworfen wird und die Stempel dargestellt sind mit entfernten
Halteplatten und Drehmechanismus C;
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5 einen Querschnitt zur schematischen
Darstellung der Schritte der Großumformung;
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6 eine
Außenansicht
zur Darstellung einer Modifikation des Apparates zur Großumformung,
eines als eine dicke Scheiben geformten Formkörpers mit entfernten Halteplatten
und Drehmechanismus C;
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7 eine
Seitenansicht eines Apparates zur Großumformung, dessen Formkörper als
eine dicke Scheibe geformt ist;
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8 eine Mikrophotographie anstatt einer
Zeichnung zur Darstellung der Mikrostruktur eines Metallmaterials
vor und nach der Großumformung
((a): vor der Großumformung,
(b): nach 6 Arbeitstakten der Großumformung, (c): nach 10 Arbeitstakten
der Großumformung,
(d): nach 20 Arbeitstakten der Großumformung).
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In
den Zeichnungen ist A eine Form, B ist ein Support-Mechanismus,
C ist ein Drehmechanismus, 1 ist ein Formkörper, 2 ist
eine Bohrung, 3a und 3b sind Einrückvorrichtungen, 4 ist
eine äußere Stirnseite
ohne die Bohrungen 2, 5 ist ein Stempel, 6 ist
eine Einspannplatte, 7 ist eine Halteplatte, 8 ist
eine Drehvorrichtung, 9 ist eine Verbindungsvorrichtung, 10 ist
ein Hochdrückmechanismus, 11 ist
ein Material zur Großumformung auf
Metallbasis und 12 ist ein Dreh-Anschlagstößel.
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Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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Beispiel 1
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Die
vorliegende Erfindung wird nun detailliert auf der Grundlage von
Arbeitsbeispielen beschrieben, wobei diese Arbeitsbeispiele jedoch
lediglich bevorzugte Beispiele der vorliegenden Erfindung darstellen
und die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf diese Arbeitsbeispiele
beschränkt
ist.
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Eine
AC4C-Legierung wurde als Ausgangsmaterial verwendet und diese unter
Verwendung einer Drehbank zu einer zylindrischen Form mit einem
Durchmesser von 20 mm und einer Länge von 40 mm bearbeitet und
ihre Außenseite
mit einem Graphit-Schmiermittel zur Erleichterung der Extrusion
beschichtet.
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Die
Arbeitstemperatur wurde auf 623K, 673K und 723K eingestellt und
die Zahl der Arbeitstakte auf 6, 10 und 20. Wie in den Mikrophotographien
anstelle der Zeichnung in 8 gezeigt
wird, betrug deren Kristallkorngröße etwa 100 μm, 50 μm bzw. 5 μm. Außerdem wurden
bei variabler elastischer Verformungsgeschwindigkeit Tests ausgeführt, um
die plastischen Eigenschaften bei hohen Temperaturen zu messen.
Als Ergebnis wurde der m-Wert, bei dem es sich um eine Verformungsgeschwindigkeit-Empfindlichkeitskennzahl
handelt, mit 0,21 festgestellt und in Tabelle 1 gezeigt. Mit anderen
Worten, wurde eine nahezu superplastische Charakteristik erhalten.
Im Gegensatz dazu wurden lediglich 25% Gesamtdehnung als Ergebnis ähnlicher
Zugversuche erhalten, bei denen das gleiche Ausgangsmaterial verwendet
wurde, wobei dieses Material jedoch nicht der Verformung unterworfen
wurde, die durch den Apparat zur Großumformung der vorliegenden
Erfindung aufgebracht wird.
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Beispiel 2
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Es
wurde eine Aluminiumlegierung 2024 als Verbundmaterial als Arbeitsmaterial
verwendet, worin 27% Siliciumnitrid-Whisker für Verstärkungszwecke dispergiert waren.
Die Großumformung
wurde unter den gleichen Bedingungen wie im Arbeitsbeispiel 1 ausgeführt und
Hochtemperatur-Zugversuche bei 460° bis 540°C vorgenommen. Es wurde die
in Tabelle 2 gezeigte Dehnung erhalten und der m-Wert betrug 0,34,
was darauf hinweist, dass Superplastizität erzielt worden ist. Im Gegensatz
dazu wurden bei Raumtemperatur bzw. 450°C lediglich 2% bzw. 10% Gesamtdehnungen
als Ergebnis ähnlicher
Zugversuchs erhalten, bei denen das gleiche Ausgangsmaterial verwendet
wurde, wobei dieses Material jedoch nicht der Verformung unterworfen wurde,
die mit Hilfe des Apparates zur Großumformung der vorliegenden
Erfindung aufgebracht wird.
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Beispiel 3
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Als
Ausgangsmaterial wurde Titanlegierung Ti-6Al-4V verwendet. Nachdem
eine Großumformung
5 Mal bei 650°C
in ähnlicher
Weise wie im Arbeitsbeispiel 1 aufgebracht worden war, konnte der
mittlere Korndurchmesser bis etwa 3 μm verringert werden, was zur
Superplastizität
führte.
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Damit
erlaubt der Apparat zur Großumformung
nach der vorliegenden Erfindung die kontinuierliche, sichere, effiziente
und produktive Anwendung einer Großumformung auf konventionelle
Materialien ohne superplastische Merkmale und führt zu Materialien, die superplastische
Merkmale besitzen, während
gleichzeitig ihre anfängliche
Form bewahrt wird.
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Während es
in der konventionellen Praxis außerordentlich schwierig ist,
Gussstücke
mit hervorragenden superplastischen Merkmalen zu schaffen oder beim
Erzielen derartiger Merkmale eine Einbusse der Leistungsfähigkeit
hinzunehmen, ist der erfindungsgemäße Apparat zur Großumformung
kommerziell sehr vorteilhaft, weil er die Anwendung einer Großumformung
wirksam, produktiv und sicher möglich
macht.
