DE60203608T2

DE60203608T2 - Metallblöcke für bearbeitungsverwendungen

Info

Publication number: DE60203608T2
Application number: DE60203608T
Authority: DE
Inventors: Frederic Catteau; David Godard
Original assignee: Pechiney Rhenalu SAS
Current assignee: Constellium Issoire SAS
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2006-03-09
Anticipated expiration: 2022-04-25
Also published as: DE02732723T1; US20030003281A1; ATE292559T1; RU2003133981A; HUP0303318A3; CZ20033157A3; CN100467265C; KR20030090782A; EP1381506A1; US6777106B2; WO2002085615A1; FR2823767B1; RU2281861C2; AR033230A1; PL366915A1; CN1503727A; DE60203608D1; IL157844A0; JP2004532143A; FR2823767A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von maschinell bearbeiteten Teilen aus Metallblöcken, beispielsweise zur Herstellung von großen Werkzeugen oder Spritzformen, oder von Konstruktionsteilen für Großraumluftfahrzeuge.
Beschreibung verwandter Techniken
Metallblöcke, die für die Herstellung großer Teile verwendet werden, bestehen im allgemeinen aus gewalzten Metallplatten oder geschmiedeten Blöcken. Bei der Herstellung derartiger dicker Metallplatten, insbesondere dicker Platten aus Aluminiumlegierungen, sind die statischen mechanischen Eigenschaften im Kern dieser Platten üblicherweise schlechter als im Kern von dünneren Metallplatten oder Blechen. Genauer gibt es eine Tendenz für die Abnahme der Zugfestigkeit (R_m), der Dehngrenze (Rp_0,2) und der Bruchdehnung (A) (oft auf unbefriedigende Werte), wenn die Dicke des Metallblechs oder der Metallplatte auf Grund eines festgelegten Herstellungsverfahrens erhöht wird. Beispielsweise gibt die Europäische Norm EN 485-2 vom November 1994 für Walzplatten aus der Aluminiumlegierung EN AW-6061 im metallurgischen Werkstoffzustand T651 die folgenden Minimalwerte als Spezifikation an: R_mmin = 290 MPa für Platten mit einer Dicke von 12,5 bis 100 mm und R_mmin = 265 MPa für Platten mit einer Dicke von 150 bis 175 mm. Die Bruchdehnung nimmt noch deutlicher ab: der garantierte Minimalwert beträgt 8% für Platten mit einer Dicke von 12, 5 bis 40 mm und 4% für Platten mit einer Dicke von 150 bis 175 mm. Gemäß der Norm EN 485-1 sollte sich die Längsachse der Probe für Platten mit einer Dicke von mehr als 40 mm in einem Abstand von einer der Walzoberflächen befinden, der einem Viertel der Dicke entspricht, und für Platten mit einer Dicke von weniger als 40 mm sollte sie sich in einem Abstand befinden, der der Hälfte der Dicke entspricht.
Dieses Abfallen der statischen mechanischen Eigenschaften ist beträchtlicher oder deutlicher, wenn die mechanischen Eigenschaften in unterschiedlichen Abständen von der gewalzten Oberfläche analysiert werden. Beispielsweise kann im Fall einer Metallplatte mit einer Dicke von 200 mm, wenn eine Probe 25 mm, 50 mm bzw. 100 mm unterhalb der Oberfläche genommen wird, gesehen werden, dass die Eigenschaften entsprechend schlechter werden. Dem Fachmann ist dieses Phänomen wohlbekannt, und es gibt hierfür vielfältige Ursachen. Die Kaltverfestigung der Metallplatte beim Walzen kann deren R_m und Rp_0,2-Wert erhöhen, ist aber durch die Konstruktion des Warmwalzwerks begrenzt. Um durch ein Walzverfahren eine Metallplatte mit einer Enddicke von 100 mm zu erhalten, bei dem die Plattendicke um die Hälfte verringert werden soll, ist es im allgemeinen erforderlich, mit einem Walzbarren mit einer Dicke von mindestens 200 mm zu beginnen. Um in gleicher Weise eine Metallplatte mit einer Enddicke von 400 mm zu erhalten, ist es erforderlich, mit einem Walzbarren mit einer Dicke von mindestens 800 mm zu beginnen. Zur Zeit gibt es aber kein Walzwerk, in dem ein Walzbarren oder eine Platte mit einer solchen Dicke gewalzt werden kann. Dicke Platten oder Walzbarren können durch Schmieden kaltverfestigt werden, hierfür müssen aber sehr leistungsfähige Schmiedepressen zur Verfügung stehen, die es nur an wenigen Orten gibt, und derartige Verfahren sind sehr kostspielig.
Im Fall von dicken Metallplatten aus Legierungen, die durch Abschreckhärten gehärtet werden können, beeinflusst die Abschreckge schwindigkeit die statischen mechanischen Eigenschaften. Die lokale Abschreckgeschwindigkeit in einem vorgegebenen Volumen der Metallplatte ist durch die Wärmeleitfähigkeit des Materials festgelegt und hängt daher von der Dicke der Metallplatte, genauer vom Abstand des betreffenden Volumenelements von der Oberfläche ab, die sich im Kontakt mit dem Abschreckmittel befindet.
Im Fall von abgeschreckten Metallplatten werden durch den Abschreckvorgang Restspannungen induziert, die zur Verformung der Metallplatte führen können, insbesondere wenn die Platte maschinell bearbeitet wird. Diese Spannungen sind daher unerwünscht und sollten minimiert werden, beispielsweise indem die abgeschreckte Metallplatte gestreckt wird. Die in dem meisten Fabriken verfügbaren Streckmaschinen können oft keine Metallplatten mit einer Dicke von mehr als 100–200 mm aufnehmen, und häufig ist auch ihre Leistungsfähigkeit begrenzt. Die inneren Spannungen in Metallplatten können auch durch Pressen dieser Metallplatten unter einer Schmiedepresse abgebaut werden. In diesem Fall kann die Metallplatte dicker sein, dann wird aber der maximale Pressdruck, den die Schmiedepresse auszuüben vermag, zu einem begrenzenden Faktor.
Die Abnahme der lokalen statischen mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Dicke ist allgemein unerwünscht. Denn wenn aus dicken Metallplatten maschinell bearbeitete Teile hergestellt werden, sind es die lokalen mechanischen Eigenschaften in der Nähe der neuen Oberfläche, die durch die maschinelle Bearbeitung entsteht, die die Eigenschaften des maschinell bearbeiteten Teils bestimmen. Wenn beispielsweise ein Spritzwerkzeug für Kunststoffteile durch Bearbeiten eines dicken Blocks aus Stahl oder einer Aluminiumlegierung hergestellt wird, muss der Entwickler des Werkzeugs den Gradienten der statischen mechanischen Eigenschaften in Abhängigkeit von der Dicke des Metallblocks berücksichtigen, im Gegensatz zu den mechanischen Gesamteigenschaften des Blocks. Weil der Block umgeformt und maschinell bearbeitet wird, sind es die Werte der statischen Eigenschaften unterhalb der äußeren Oberfläche, die wichtig werden, und jegliche Verschlechterung der Eigenschaften in bestimmten Tiefen unterhalb der Oberfläche muss berücksichtigt werden.
Ein weiterer Nachteil der Produkte des Stands der Technik betrifft die maschinelle Bearbeitung selbst. Wenn dicke Metallplatten aus Aluminiumlegierungen bis in eine große Tiefe maschinell bearbeitet oder zerspant werden, wird beispielsweise beobachtet, dass die mechanische Bearbeitbarkeit des Metalls beim Eindringen in das Innere der Platte abnimmt, weil das Metall in größerer Tiefe weicher ist als das Metall, das sich in der Nähe der ursprünglichen äußeren Oberfläche der Platte befindet. Außerdem ist das Ergebnis des Schleifens von bearbeiteten Oberflächen und des chemischen oder elektrolytischen Körnens bei tiefgehend bearbeiteten Oberflächen von schlechterer Qualität als im Fall von Oberflächen, die in einem Bereich in der Nähe der ursprünglichen äußeren Oberfläche der dicken Platte erhalten werden. Dies liegt daran, dass die Bildung von Ausscheidungen im Kern dicker Aluminiumplatten nicht notwendigerweise mit der Bildung von Ausscheidungen in der Nähe der Oberfläche übereinstimmt.
Zur Überwindung dieser Nachteile hat der Fachmann bislang einen metallurgischen Ansatz favorisiert, indem entweder die Zusammensetzung der verwendeten Legierung oder der Herstellungsweg modifiziert wurde. Dies trifft insbesondere auf Aluminiumlegierungen zu. Beispielsweise werden in dem US-Patent Nr. 6,077,363 (das durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird) Restspannungen eines Metallblechs aus einer AlCuMg-Legierung minimiert, indem eine optimierte chemische Zusammensetzung, insbesondere in Bezug auf Mangan, Eisen und Silicium, ausgewählt wird und indem ein Herstellungsverfahren ausgewählt wird, das mehrere thermomechanische Verarbeitungsschritte umfasst.
In dem US-Patent Nr. 5,277,719 (Aluminium Company of America) (das durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird) wird ein Verfahren zur Herstellung einer dicken Platte von geringer Porosität aus einer Legierung aus der 7xxx-Reihe beschrieben, bei dem ein erster Vorschmiedeschritt mit einem Abnahme der Dicke von mindestens 30% durchgeführt wird, der vor dem Warmwalzen durchgeführt wird. In der Patentanmeldung EP 723 033 A1 (Hoogovens Aluminium Walzprodukte) (die durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird) wird ein Verfahren zur Herstellung einer dicken Metallplatte aus einer Aluminiumlegierung beschrieben, bei dem ein oder mehrere Schmiedeschritte nach einem ersten Warmwalzschritt durchgeführt werden. Der Zweck dieser Verfahren besteht im wesentlichen darin, die Ermüdungsfestigkeit zu verbessern. Das in EP 723 033 beschriebene Verfahren führt jedoch auch zu einer leichten Abnahme der Zugfestigkeit bei Metallplatten mit einer Dicke von mehr als 8 in. (etwa 205 mm).
Die Patentanmeldung EP 989 195 (Alusuisse Technology & Management AG) (die durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen wird) gibt ein Verfahren zur Verringerung der Rest- bzw. Eigenspannungen in Platten bzw. Blechen aus einer AlCuMg-Legierung an, das darauf abzielt, eine homogene Ausscheidung von Sub-μm-Phasen aus Al₃Zr im Volumen des Metallblechs zu erhalten. Diese Metallbleche können durch Warmwalzen eines Walzbarrens erhalten werden, oder sie können unmittelbar aus Gussplatten ohne jegliches Walzen hergestellt werden.
Diese verschiedenen im Stand der Technik angegebenen Mittel sorgen für Einschränkungen im Hinblick auf: (i) die Wahl der Legierungen, (ii) den metallurgischen Zustand, und (iii) das Verfahren zur Herstellung der Metallplatte und deren Dicke. Darüber hinaus sind sie nicht vollkommen zufriedenstellend. Beispielsweise gibt es kein akzeptables Verfahren für die Herstellung einer dicken Aluminiumlegierungsplatte, insbesondere mit einer Dicke von mehr als 200 mm, erzeugt aus wärmebehandelbaren Legierungen, für die die lokale Werte von R_m, Rp_0,2 beim Übergang von der Oberfläche zur halben Dicke nicht beträchtlich abnehmen. Die Verfügbarkeit eines solchen Produkts würde es ermöglichen, leichtere Werkzeuge für viele industrielle Gebiete herzustellen. Wenn ein solches Produkt hergestellt werden könnte, das in einer größeren Dicke als die Metallplatten des Stands der Technik zur Verfügung stehen würde, könnten größere Teile hergestellt werden, wie Gussformen oder Werkzeuge, und die Schleif- und Körnungseigenschaften würden über ihre gesamte Dicke verbessert.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand daher darin, ein Verfahren zur Herstellung von maschinell bearbeiteten Teilen aus einem dicken Metallprodukt (d.h. einem Block mit einer Dicke von mehr als 25 mm, beispielsweise mit einer Dicke von mehr als 200 mm, mehr als 400 mm oder sogar mehr als 600 mm) anzugeben, das annehmbare mechanische Eigenschaften über seine gesamte Dicke aufweist und außerdem ein relativ niedriges Maß an Eigenspannungen hat. Die technischen Merkmale des Verfahrens werden in Anspruch 1 angegeben. Bevorzugte Ausführungsformen werden in den abhängigen Ansprüchen aufgezählt.
Im Zusammenhang mit dieser Aufgabe wird ein Metallblock bereitgestellt, der für eine Verwendung zur maschinellen Bearbeitung geeig net ist. Der Metallblock umfasst mindestens zwei übereinanderliegende Metallplatten, von denen jede eine Dicke von mindestens 12,5 mm aufweist und von denen jede eine anfängliche Dehngrenze in einer spezifizierten Richtung hat, die bei einem Viertel der Dicke gemessen wird. Die Platten können gleich oder verschieden sein, und sie werden typischerweise unter Legierungen aus der gleichen Legierungsgruppe (d.h. Aluminiumlegierungen, die zu der 5xxx-Reihe gehören, etc.) ausgewählt. Die Dehngrenze des Metallblocks, die an einer Probe gemessen wird, die an einem Ort des Blocks genommen wird, der keinen Verbindungsbereich zwischen den Metallplatten einschließt, entspricht mindestens 75% der Dehngrenze der einzelnen Metallplatte, die die geringste anfängliche Dehngrenze in der gleichen spezifizierten Richtung aufweist.
Weiterhin entspricht die Dehngrenze in einer spezifizierten Richtung an einem beliebigen Punkt des Blocks erfindungsgemäß mindestens 75% der Dehngrenze der Metallplatte, die die geringste anfängliche Dehngrenze in der spezifizierten Richtung aufweist.
Weiterhin variiert die Dehngrenze an einem beliebigen Punkt in einer spezifizierten Richtung erfindungsgemäß um nicht mehr als plus oder minus 15% des Mittelwertes.
Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung von Metallblöcken das Übereinanderstapeln von mindestens zwei Metallplatten von im wesentlichen gleicher Länge und Breite mit einem konstanten Zwischenraum zwischen den Platten, wodurch eine Montageeinheit erzeugt wird, Ausstatten der seitlichen Ränder der Montageeinheit mit einer Umrandung, Bedecken der gesamten Oberfläche der oberen Seite der obersten Metallplatte mit einem Explosivstoff, Explodieren lassen des Exp losivstoffs, um die Verbindung zwischen den Platten oder unter den Platten herbeizuführen.
Weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden in der folgenden Beschreibung angegeben und werden teilweise aus der Beschreibung offensichtlich oder können durch Ausführen der Erfindung verstanden werden. Die Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung können mit Hilfe der angegebenen Mittel und Kombinationen, die insbesondere in den beigefügten Ansprüchen dargestellt werden, verwirklicht und erzielt werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Die erfindungsgemäßen Metallblöcke können aus Platten aus den verschiedenen Aluminiumlegierungen hergestellt werden, die für die Herstellung und maschinelle Bearbeitung großer Teile verwendet werden. Es ist vorteilhaft, durch Abschrecken härtbare Legierungen zu verwenden, die zu einer hohen mechanischen Festigkeit im abgeschreckten Zustand führen. Strukturell gehärtete Aluminiumlegierungen der 2xxx-, 6xxx- und 7xxx-Gruppe werden bevorzugt im T3-Zustand (abgeschreckt, kalt ausgelagert) oder im T6-Zustand (abgeschreckt, warm ausgelagert) verwendet. Aluminiumlegierungsgruppen und Legierungszusammensetzungen von Knetaluminiumlegierungen sind im "Registration Records" von "The Aluminum Association" und in den EN-Normen 573 definiert, Werkstoffzustände sind in der EN-Norm 515 definiert, wobei diese Dokumente dem Fachmann bekannt sind und hier durch Bezugnahme vollständig in die Beschreibung aufgenommen werden.
Unabhängig vom Verfahren, das für den Zusammenbau verwendet wird, sollten die Metallplatten so eben oder planar wie nur möglich sein, und sie sollten außerdem ein relativ niedriges Maß an Restspannungen aufweisen, und diese Anfangszustände können durch jedes beliebige bekannte Verfahren erzielt werden, wie das Strecken der Platten zwischen den Klemmbacken einer Streckmaschine, oder durch Pressen der Platten in einer Schmiedepresse. Der Oberflächenzustand der Platten kann an das Verfahren angepasst werden, das für den Zusammenbau verwendet wird, wenn dies aus irgendeinem Grund erwünscht ist, was weiter unten erklärt wird. Die Dicke aller übereinander angeordneten Metallplatten sollte mindestens 12, 5 mm betragen. Die Dicke der Platten kann gleich oder verschieden sein. Die Gesamtdicke der übereinander angeordneten Metallplatten beträgt vorzugsweise mindestens 40 mm.
Das Zusammenfügen der dicken Metallplatten kann mit Hilfe jedes bekannten Verfahrens durchgeführt werden, mit dem eine mechanische Festigkeit des zusammengefügten Blocks erzielt werden kann, die ausreichend für die beabsichtigte Verwendung des zusammengefügten Blocks ist. Erfindungsgemäß ist es möglich, Blöcke herzustellen, indem mindestens zwei Metallplatten übereinander angeordnet werden, von denen jede eine Dicke von mindestens 12,5 mm aufweist, wobei die Platten eine anfängliche Dehngrenze in einer spezifizierten Richtung aufweisen, die bei einem Viertel der Dicke gemessen wird, die gleich oder verschieden sein kann. Die Metallplatten werden vorzugsweise unter Legierungen aus der gleichen "Legierungsgruppe" ausgewählt (d.h. im Fall von Aluminiumlegierungen aus der 2xxx-Reihe, 7xxx-Reihe, etc.,), und die Dehngrenze in der spezifizierten Richtung an einem beliebigen Punkt des Blocks, der durch Aufeinanderlegen von Platten gebildet wird, entspricht mindestens 75% und vorzugsweise mindestens 85% oder noch bevorzugter mindestens 90% der Dehngrenze der Metallplatte, die die niedrigste anfängliche Dehngrenze in der betrachteten spezifizierten Richtung aufwies.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verfahren zum Zusammenfügen des Blocks so ausgewählt, dass die mechanische Festigkeit innerhalb des Blocks nahe bei der mechanischen Festigkeit der ursprünglich eingesetzten Metallplatten liegt, und dies sogar im Verbindungsbereich. Der Begriff "Verbindungsbereich", wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf die Bereiche des zusammengefügten Blocks, in dem die einzelnen Platten, die den Block bilden, aufeinander treffen und miteinander verbunden sind.
Weiterhin sollte die Verbindung zwischen den Platten eine akzeptable mechanische und thermische Stabilität sowie weitere Eigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit der Verbindung zwischen den Metallplatten, oder Aussehen der Oberfläche aufweisen, die für die anvisierte Endanwendung des zusammengefügten Blocks erforderlich sind. Derartige mechanische und thermische Eigenschaften, die für verschiedene beabsichtigte Endanwendungen von Werkzeugen und Spritzformen erforderlich sind, sind dem Fachmann wohlbekannt.
Erfindungsgemäß ist es möglich, dicke Metallblöcke (d.h. mindestens 25 mm) mit mechanischen Eigenschaften herzustellen, die nicht in einer messbaren Weise durch die Gesamtdicke des Blocks beeinflusst werden. Genauer zeigen die Dehngrenze, die Zugfestigkeit und die Bruchdehnung, d.h. die sogenannten statischen mechanischen Eigenschaften, eine deutlich geringere Schwankung in Richtung der Dicke des Blocks als im Fall von Blöcken, die nach Verfahren des Stands der Technik hergestellt wurden.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist es möglich, durch Zusammenfügen von mindestens zwei übereinander angeordneten Metallplatten aus der gleichen Legierungsgruppe einen dicken Metallblock zu erhalten, wobei jede der Platten eine Dicke von mindestens 12, 5 mm aufweist. Die Dehngrenze des zusammengefügten Metall blocks, die an einer Probe aus diesem Block über einen Verbindungsbereich zwischen den Metallplatten in einer spezifizierten Richtung gemessen wird, beträgt mindestens 75%, vorzugsweise mindestens 80% und am bevorzugtesten mindestens 90% der Dehngrenze der Metallplatte(n), die die niedrigste anfängliche Dehngrenze in der gleichen spezifizierten Richtung aufweist/aufweisen.
Nach einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Verbindungsbereich zwischen übereinander angeordneten Metallplatten eine gute mechanische und thermische Stabilität auf. Zusätzlich sind bei Berücksichtigung der Anforderungen an die anvisierte Endanwendung des zusammengefügten Blocks andere Eigenschaften, wie Wärmeleitfähigkeit der Verbindung zwischen den beiden Metallplatten und J oder das Aussehen der Oberfläche der Verbindung oder Bindung zufriedenstellend, denn bei vielen Anwendungen des zusammengefügten Blocks ist es erforderlich, dass die Verbindung nicht im geringsten visuell erkennbar sein darf. Außerdem ist bei einigen Anwendungen eine bestimmte Wärmebeständigkeit hinsichtlich der Temperaturmaxima und der Dauer der Einwirkung hoher Temperaturen erforderlich. Es ist so möglich, einen Block zu erzeugen, bei dem die lokale Dehngrenze Rp_0,2, gemessen in der kurzen Querrichtung quer über einen Verbindungsbereich, mindestens 75%, vorzugsweise mindestens 80% und am bevorzugtesten mindestens 90% des Rp_0,2-Wertes der Metallplatte(n) entspricht, die die niedrigste ursprüngliche Dehngrenze in der gleichen kurzen Querrichtung aufweist/aufweisen.
Die dicken Metallplatten können mit Hilfe jeder bekannten Technik, wie mit Klebfilmen, Kunststofffolien oder flüssigen Klebstoffen, verbunden werden. Beispielsweise kann eine dünne, klebfähige, in der Hitze polymerisierbare Folie aufgebracht werden, und die Polymerisation kann während der Vergütung durchgeführt werden (z.B. wenn die Legierung eine strukturell gehärtete Legierung ist). Ein flüssiger Einkomponenten- oder Zweikomponentenklebstoff kann ebenso auf die Oberfläche einer der beiden Metallplatten oder beider Metallplatten, die zusammengefügt werden sollen, aufgetragen werden, und der Klebstoff kann vernetzt werden, indem man den zusammengefügten Block bei Raumtemperatur über einen ausreichenden Zeitraum stehen lässt oder indem man ihn über einen bestimmten Zeitraum auf eine ausreichende Temperatur erhitzt. Eine polymerisierbare Kunststofffolie, die zwischen zwei dicken Metallplatten eingefügt wird, kann ebenfalls verwendet werden, und wird in geeigneter Weise erhitzt, um die Polymerisation zu bewirken, was zur Verbindung führt. In all diesen Fällen können gleichzeitig zwei oder mehr Metallplatten zusammengefügt werden, und der Klebstoff kann polymerisieren oder aushärten, während die Montageeinheit flach aufliegt, entweder unter dem eigenen Gewicht der Metallplatten oder indem auf die klebende Verbindung ein Druck ausgeübt wird. Ein Vorteil der klebenden Verbindung sind die geringen Kosten, und ein Nachteil besteht darin, dass die Verbindung eher schwach sein kann. In jedem Fall ist oft eine geeignete Vorbehandlung (z.B. durch Chromschwefelsäure-Ätzen oder durch Sandstrahlen) der Oberfläche wünschenswert oder erforderlich, bevor der Klebstoff aufgetragen wird.
Ein anderes Fügeverfahren, das angewendet werden kann, ist die Warmverformung von zwei oder mehr als zwei übereinander angeordneten dicken Metallplatten, beispielsweise durch Walzen oder Schmieden. Hierbei handelt es sich um die gleiche Art der metallurgischen Verbindung wie sie mit dem bekannten Verfahren der Plattierung von Metallblechen erhalten wird. Dieses Verfahren kann vorteilhaft für das Zusammenfügen dicker Metallbleche oder Metallplatte aus Aluminiumlegierungen, die keiner Wärmebehandlung unterzogen wurden, wie Legierungen aus der 5xxx-Reihe, verwendet werden. Es ist weniger für strukturgehärtete Legierungen geeignet, die im allge meinen ein Vorwärmen der Metallplatten erfordern, durch das potentiell der metallurgische Zustand der Platten in unerwünschter Weise verändert werden kann. Die Anwendung dieses Verfahrens kann durch die Fähigkeit von Walzwerken oder Schmiedepressen, sehr dicke Metallplatten aufzunehmen, oder durch den maximalen Druck, der mit dem verwendeten Walzwerk oder der verwendeten Schmiedepresse ausgeübt werden kann, begrenzt sein.
Außerdem können die Metallplatten durch Schweißen, insbesondere Elektronenstrahlschweißen, zusammengefügt werden, ein Verfahren, durch das die mechanischen Eigenschaften der Platten nicht merklich verschlechtert werden. Für große Platten kann das Elektronenstrahlschweißen jedoch ungeeignet sein.
Ein weiteres vorteilhaftes Fügeverfahren, das im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorzugsweise verwendet wird, ist das Explosionsschweißen. Explosionsschweißen ist ein seit vielen Jahren bekanntes Verfahren, und es wird meistens für die Plattierung dünner Metallbleche auf dicken Metallblechen aus einem anderen Metall verwendet, insbesondere um eine Edelmetallschicht auf einem dicken Metallblech aus herkömmlichem Stahl zu erhalten. In den französischen Patenten FR 1381594 , FR 1397963 und FR 1458506 von Asahi Kasei wird diese Technik veranschaulicht. Die meisten der zahlreichen Beispiele, die in diesen Patenten beschrieben werden, betreffen das Plattieren eines dünnen Metallblechs auf ein Stahlblech, und einige der Beispiele beschreiben das Zusammenfügen von zwei dünnen Metallblechen mit einer Dicke von etwa 1 mm, die aus dem gleichen Metall (nichtrostender Stahl oder Aluminium) bestehen. Außerdem wird in dem US-Patent Nr. 3,024,526 (Atlantic Richfield Corporation) ["das '526-Patent"] das Explosionsschweißen von zwei Aluminiumblechen mit einer Dicke von 0,062 in. (d.h. etwa 1,6 mm) beschrieben. Das Verfahren aus dem '526-Patent beschreibt nicht die Verwendung des Explosionsschweißens für die Erzeugung dicker Blöcke, die aus zwei oder mehr als zwei dicken Metallplatten aus einem gleichen Metall, insbesondere aus Aluminiumlegierungen, bestehen.
Erfindungsgemäß umfasst der Metallblock mindestens zwei übereinander angeordnete Metallplatten, von denen jede eine Dicke von mindestens 12,5 mm, vorzugsweise mindestens 25 mm und am bevorzugtesten mindestens 40 mm aufweist. Wenn die einzelnen Platten sehr dick sind, können sie jedoch einen Gradienten der statischen mechanischen Eigenschaften als Funktion des Abstands von einer Walzoberfläche zeigen.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform sind die zusammenzufügenden Platten aus der gleichen Legierungsgruppe. Die Begriffe "Legierungsgruppe" und "Legierung" sind für Aluminium gemäß der oben erwähnten EN-Norm 573 und des "Registration Records" von "The Aluminum Association" definiert, deren Inhalt durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen wird. Nach diesen Dokumenten werden Aluminiumlegierungen auf der Basis ihres Hauptlegierungselements in Gruppen eingeteilt: 1xxx (mindestens 99,00 Aluminium), 2xxx (Al-Cu), 3xxx (Al-Mn), 4xxx (Al-Si), 5xxx (Al-Mg), 6xxx (Al-Mg-Si), 7xxx (Al-Zn), 8xxx (andere Legierungselemente). Die vorliegende Erfindung ist von besonderer Bedeutung für die Basismetalle, Legierungsgruppen und Legierungen, die aufgrund von technischen Einschränkungen oder aus wirtschaftlichen Gründen nicht in einer sehr großen Dicke hergestellt werden können, oder die eine starke Schwankung der statischen mechanischen Eigenschaften in Richtung der Dicke zeigen, wenn sie zu einer dicken Platte verarbeitet wurden. Dies trifft insbesondere auf wärmebehandelbare Aluminiumlegierungen zu, die zu den Gruppen 2xxx, 6xxx und 7xxx gehören.
In einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform bestehen die zusammenzufügenden dicken Metallplatten (mindestens 12,5 mm) aus derselben Legierung und befinden sich im gleichen metallurgischen Zustand, d.h. sie wurden auf einem ähnlichen Herstellungsweg erzeugt, um homogene Eigenschaften zu erhalten.
Die Metallplatten können die gleiche Dicke aufweisen, oder sie können verschieden dick sein, und zwei oder mehr als zwei Metallplatten können in einem oder mehreren Arbeitsgängen zusammengefügt werden. Das Zusammenfügen durch Explosionsschweißen kann auf eine beliebige erwünscht Weise durchgeführt werden, wie auf dem Weg, der in den oben erwähnten französischen Patenten und dem '526-Patent beschrieben wird. Ein akzeptables und vorteilhaftes erfindungsgemäßes Explosionsschweißverfahren umfasst die folgenden Schritte: (i) Vorbereiten der Oberfläche der Metallplatten durch Bürsten oder Schleifen und sorgfältiges Reinigen in dem erforderlichen Umfang, (ii) Übereinanderstapeln von Metallplatten mit im wesentlichen gleichen Abmessungen (hinsichtlich Länge und Breite), wobei ein Zwischenraum zwischen ihnen vorgesehen wird, indem ein Einsatz verwendet wird, der zwischen den Platten angeordnet wird (einsetzbare Teile), (iii) Verschließen der Lücke(n) zwischen den Metallplatten, beispielsweise unter Verwendung eines Klebstreifens, (iv) Aufbringen eines Explosivstoffs, z.B. eines Pulvers, auf der gesamten Oberfläche der obersten Metallplatte, und (v) den Explosivstoff zur Detonation bringen, um eine Verschweißung der Metallplatten über die Gesamtheit ihrer Oberflächen zu erhalten.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform, die auf der Anwendung des Explosionsschweißverfahrens basiert, werden Platten mit einer Bruchdehnung A in Längsrichtung von mehr als 13% und vorzugsweise mehr als 15% und mit einer Charpy-Kerbschlagenergie von mindestens 30 Joule verwendet.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist ein Verfahren zur Herstellung von Blöcken, bei dem die Dicke der Blöcke nicht durch das Aufnahmevermögen der für die Herstellung der Metallplatten (Walzwerke oder Schmiedepressen) verwendeten Maschinen eingeschränkt ist. Die Dicke der Blocks beträgt vorzugsweise mindestens 200 mm, noch bevorzugter mindestens 400 mm und am bevorzugtesten mindestens 600 mm. Mit diesen Blöcken ist es möglich, in einfacher Weise maschinell bearbeitete Teile mit sehr großen Abmessungen herzustellen, wie Teile, die als Konstruktionsteile von Großraumflugzeugen verwendet werden können, strukturgehärtete Aluminiumlegierungen, Werkzeuge oder Spritzformen aus Stahl für Kunststoffe, und/oder für Kupfer- und Aluminiumlegierungen.
Die Herstellung dieser maschinell bearbeiteten Teile kann ein oder mehrere Verfahren einschließen, wie Drehen, Walzen, Bohren, Durchbohren, Gewindeschneiden, Funkenerodieren, Einpassen, Polieren und dergleichen, die üblicherweise auf dem Gebiet der Technik eingesetzt werden. In bestimmten Fällen ist es auch möglich, mindestens auf einem Teil der dadurch erzeugten Oberfläche eine Schicht aus einem Hartmetall durch ein beliebiges bekanntes Verfahren abzuscheiden, z.B. mit Hilfe des Verfahrens, das in der Patentanmeldung EP 997 253 A1 (Werkzeugbau Leiss GmbH) beschrieben wird, oder durch Aufbringen eines keramischen Überzugs durch ein bekanntes Verfahren, wie physikalische Abscheidung aus der Gasphase (PVD). Die Anmelderin hat festgestellt, dass ein derartiger metallischer Überzug im Fall von Blöcken, die durch klebendes Verbinden zusammengefügt wurden, besonders nützlich ist, wenn aufgrund einer tief greifenden Bearbeitung die klebenden Verbindungen gekreuzt werden. Eine Schicht aus Aluminium oder einem anderen Metall kann dann gewünschtenfalls aus einem beliebigen Grund abgeschieden werden.
Für die Herstellung von Blöcken aus einer strukturell gehärteten Aluminiumlegierung hat die Anmelderin ein Herstellungsverfahren entwickelt, das zu besonders guten Ergebnissen führt. Die dicken Metallplatten werden hierbei in einem spannungsarmen Zustand bereitgestellt, zum Beispiel in dem Zustand T351 (Bezeichnung gemäß der EN-Norm 515), und durch Explosion zusammengefügt. Anschließend wird der dicke Block einer Vergütungsbehandlung unterzogen. Durch die Verwendung dicker spannungsarmer Metallplatten (d.h. mindestens 12,5 mm) können Blöcke mit einer sehr niedrigen Restspannung erhalten werden, die besonders gut für die maschinelle Bearbeitung geeignet sind. Außerdem wird beobachtet, dass Metallbleche in dem Werkstoffzustand T351 eine bessere Duktilität als andere vergleichbare Bleche oder Platten zeigen, und diese Zunahme der Duktilität verringert oder verhindert sogar das zufällige Versagen während ihres Zusammenbaus oder ihrer Handhabung.
Die erfindungsgemäßen dicken Blöcke aus strukturgehärteten Aluminiumlegierungen können für die Herstellung (durch maschinelle Bearbeitung) von Spritzwerkzeugen für Kunststoff- oder Kautschukteile verwendet werden. Sie können außerdem für die Herstellung (insbesondere durch maschinelle Bearbeitung) von Konstruktionsteilen für Flugzeuge, insbesondere Großraumflugzeuge, verwendet werden. Legierungen, wie AA7040 oder AA7075, sind für die zuletzt genannten Anwendungen besonders gut geeignet.
Beispiele
Beispiel 1: (Stand der Technik)
Dicke Metallbleche aus der Aluminiumlegierung 7449 wurden nach dem Fachmann bekannten Techniken in dem Werkstoffzustand T651 hergestellt. Die Dicke dieser Metallbleche betrug 50 bis 150 mm. Die Dehngrenze Rp_0,2 wurde in TL-Richtung bei einem Viertel der Dicke gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Mit zunehmender Dicke e der Metallbleche wird eine sehr starke Abnahme von Rp_0,2 wird beobachtet.
Tabelle 1
Beispiel 2: (Erfindung)
Zwei Metallplatten aus der Aluminiumlegierung 7075 wurden im gleichen Format (hinsichtlich Länge und Breite) und mit einer Dicke von 25 bzw. 75 mm hergestellt. Die Legierung hatte die folgende Zusammensetzung (Gew.-%): Si = 0,08 Fe = 0,15 Cu = 1,56 Mn = 0,03 Mg = 2,30 Cr = 0,19 Zn = 5,92 Ti = 0,03.
Diese Metallplatten wurden einem Lösungsglühen bei einer Temperatur von 465°C unterzogen, dann in kaltem Wasser abgeschreckt, kalt ausgelagert und um permanent um 1,5% gestreckt, was einem T351-Zustand entspricht. Die Metallplatten wurden dann durch Explosionsschweißen in der Anlage von NobelClad Europe in Rivesaltes (Frankreich) zusammengefügt. Der explosionsgeschweißte Block wurde dann 48 h einem Glühen bei 120°C unterzogen, um ihn in den T651-Zustand zu bringen. Die Untersuchung des Verbindungsbereichs im grob polierten Zustand ergibt keine sichtbare Grenzfläche. Nach dem Chromätzen wird die Grenzfläche zwischen den ursprünglichen Metallplatten sichtbar, wobei ein Bereich von 0,3 mm auf beiden Seiten der Schweißnaht geneigte Gleitlinienstreifen auf weist, die in Ausbreitungsrichtung der Schockwelle orientiert sind, was eine beträchtliche Kaltverfestigung zeigt.
Zylindrische Probekörper für den Zugversuch wurden bei einem Viertel der Dicke aus der 70 mm-Metallplatte und vom Grenzflächenbereich zwischen den beiden Metallplatten genommen, und die statischen mechanischen Eigenschaften wurden gemessen: Endzugfestigkeit R_m, (MPa), Dehngrenze Rp_0,2 (MPa) und Endbruchdehnung A (%), in L-, TL- und TQ-Richtung. Die Ergebnisse werden in Tabelle 2 gezeigt: Tabelle 2
Es zeigt sich, dass die Endzugfestigkeit und die Dehngrenze unabhängig von der Richtung der Messung im Verbindungsbereich erhöht sind verglichen mit den Werten für die ursprünglich eingesetzten Metallbleche, mit einer leicht verringerten Bruchdehnung.
Die Ermüdungslebensdauer unter zyklischer Beanspruchung wurde ebenfalls unter einer Belastung von 200 MPa bei einer Frequenz von 50 Hz mit R = 0,1 an glatten runden Probekörpern in TQ-Richtung gemessen, mit einem Spannungskonzentrationsfaktor K_t = 1, gemäß der ASTM-Norm E466, wobei die eine Probe aus der 70 mm-Metallplatte und die andere aus dem Verbindungsbereich zwischen den beiden Metallplatten entnommen wurde. Die Zahl der Zyklen bis zum Versagen betrug 206375 bzw. 321271, was eine Verbesserung der Dauerfestigkeit im Verbindungsbereich zeigt.
Beispiel 3:
Durch Verbinden von zwei Platten aus der Aluminiumlegierung AA7449 wurden Blöcke hergestellt, wobei die Verbindungsoberflächen entweder durch Sandstrahlen oder durch Chromschwefelsäure-Ätzen vorbehandelt wurden. Ein flüssiger Epoxykleber (Bezeichnung AV 119) oder ein Epoxyfilm (Bezeichnung AF 163-2L.03) wurde verwendet. Die Untersuchung der Zugfestigkeit quer über den Verbindungsbereich wurde an Probekörpern mit einer Größe von 200 mm × 29 mm × 17 mm durchgeführt (verklebte Fläche 493 mm²). Es zeigt sich, dass das Chromschwefelsäure-Ätzen zu einer höheren Haftfestigkeit führt.
Tabelle 3
Zusätzliche Vorteile, Merkmale und Abänderungen sind für den Fachmann unmittelbar ersichtlich. Die Erfindung ist daher in ihren breiteren Aspekten nicht auf die speziellen Details und die beispielhaften Vorrichtungen, die hier gezeigt und beschrieben werden, be schränkt. Dementsprechend können verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden, ohne den Gegenstand oder Schutzbereich des allgemeinen erfinderischen Konzeptes zu verlassen, wie es durch die beigefügten Ansprüche und deren Äquivalente definiert wird.
Die Artikel, wie "der, die, das", "ein, eine", wie sie hier und in den folgenden Ansprüchen verwendet werden, können den Singular oder den Plural bedeuten.

Claims

Verfahren zur Herstellung maschinell bearbeiteter Teile, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Bereitstellen eines Aluminiumlegierungsblocks, der mindestens zwei übereinander angeordnete Aluminiumlegierungsplatten umfasst, von denen jede eine Dicke von mindestens 12, 5 mm aufweist, wobei die Platten eine ursprüngliche Dehngrenze aufweisen, die in einer spezifizierten Richtung bei einem Viertel der Plattendicke gemessen wird, die gleich oder verschieden ist, wobei die Aluminiumlegierungsplatten unter den Legierungen aus der gleichen Gruppe von Aluminiumlegierungen ausgewählt werden, wobei (a1) die Dehngrenze in der spezifizierten Richtung an einem beliebigen Punkt des Blocks mindestens 75% der Dehngrenze der Aluminiumlegierungsplatte entspricht, die die niedrigste ursprüngliche Dehngrenze in dieser spezifizierten Richtung aufweist, oder (a2) die Dehngrenze des Aluminiumlegierungsblocks, die an einer Probe aus diesem Block gemessen wird, die aus einem beliebigen Teil dieses Blocks entnommen wird, der keinen Verbindungsbereich zwischen den Aluminiumlegierungsplatten einschließt, mindestens 75% der Dehngrenze der Metallplatte entspricht, die die niedrigste ursprüngliche Dehngrenze in dieser spezifizierten Richtung aufweist, oder (a3) die Dehngrenze an einem beliebigen gegebenen Punkt in einer spezifizierten Richtung um nicht mehr als plus oder minus 15% des Mittelwertes variiert, (b) maschinelles Bearbeiten des Blocks zur Erzeugung eines maschinell bearbeiteten Teiles.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das maschinell bearbeitete Teil ein Konstruktionsteil eines Luftfahrzeugs ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das maschinell bearbeitete Teil eine Spritzgussform für Kunststoffe oder Kautschuk ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gesamtdicke des Blocks mindestens 200 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gesamtdicke des Blocks mindestens 400 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Gesamtdicke des Blocks mindestens 600 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei jede der übereinander angeordneten Aluminiumlegierungsplatten eine Dicke von mindestens 25 mm und vorzugsweise mindestens 40 mm aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis ?, wobei die Aluminiumlegierungsplatten die gleiche Aluminiumlegierung oder verschiedene Aluminiumlegierungen enthalten.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Aluminiumlegierungen strukturell gehärtete Aluminiumlegierungen sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Aluminiumlegierungsplatten in einem abgeschreckten Zustand vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Aluminiumlegierungsplatten in einem abgeschreckten und ausgelagerten Zustand vorliegen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 und 11, wobei die Aluminiumlegierungsplatten durch kontrolliertes Strecken oder Stauchen spannungsarm gemacht worden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Dehngrenze in der spezifizierten Richtung an einem beliebigen Punkt des Blocks mindestens 85% und vorzugsweise mindestens 90% der Dehngrenze der Aluminiumlegierungsplatte entspricht, die die niedrigste ursprüngliche Dehngrenze in dieser spezifizierten Richtung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Dehngrenze des Aluminiumlegierungsblocks das Kriterium (a2) erfüllt und wobei die Aluminiumlegierungsplatten klebend miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Aluminiumlegierungsplatten durch Walzen oder Schmieden miteinander verbunden werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Aluminiumlegierungsplatten mit Hilfe eines Elektronenstrahls miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Aluminiumlegierungsplatten durch Explosionsschweißen miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Block nach einem Verfahren hergestellt wird, das die folgenden Schritte umfasst: (1) Aufeinanderlegen von Aluminiumlegierungsplatten mit im wesentlichen gleicher Länge und Breite mit einem konstanten Zwischenraum zwischen den Platten, wodurch eine Montageeinheit gebildet wird, (2) Ausstatten aller seitlichen Ränder der Montageeinheit mit einer Umrandung, (3) Bedecken der gesamten Oberfläche der oberen Seite der obersten Aluminiumlegierungsplatte mit einem Explosivstoff, (4) Explodieren lassen des Explosivstoffs.